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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einer Fluid-Kühleinrichtung nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1, wie diese bereits mit der
WO 2016/050534 A1 bekannt geworden ist. Zur Kühlung des Rotors der dort beschriebenen elektrischen Maschine ist in eine abschnittweise als Hohlwelle ausgeführte Rotorwelle axial ein lanzenförmiges Kühlrohr eingeführt, durch welches ein Kühlfluid in einem zwischen diesem und der Rotorwelle vorhandenen Ringraum einströmen und eine Verlustwärm des Rotors aufnehmen kann. Das Kühlrohr ist axial einseitig mit einem ersten Abschnitt an einem feststehenden Trägerelement festgelegt und ragt mit einem zweiten, freien Abschnitt in die Rotorwelle hinein. Das Kühlmittel kann dabei auf derselben Stirnseite der elektrischen Maschine ein- und ausströmen, wodurch lediglich ein Dichtelement zwischen dem drehenden Rotor und den dazu feststehenden Elementen der Maschine erforderlich ist. Es besteht das Problem, dass der freistehende Abschnitt des Kühlrohrs beim Betrieb der elektrischen Maschine zu Schwingungen angeregt und mechanisch übermäßig auf Biegung belastet wird. Eine solche Einwirkung kann zu einer unerwünschten dauerhaften Verformung des Kühlrohrs führen.
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Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine solche gattungsgemäße elektrische Maschine mit einer Fluid-Kühleinrichtung weiter zu verbessern. Insbesondere soll dabei ein innerhalb der Rotorwelle angeordnetes Kühlrohr besser vor einwirkenden Kräften geschützt werden.
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Die vorstehend genannte Aufgabe wird durch eine elektrische Maschine mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Figurenbeschreibung entnehmbar.
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Es wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine elektrische Maschine mit einer Fluid-Kühleinrichtung vorgeschlagen, welche einen Stator und einen Rotor umfasst und wobei der Rotor mittels einer Rotorwelle um eine Achse drehbar zu dem Stator gelagert ist. Die Fluid-Kühleinrichtung weist ein Kühlrohr auf, welches mittels eines ersten Abschnitts an einem zu dem Stator festen Trägerelement festgelegt ist und welches mit einem Fluideingang in Verbindung steht. Das Kühlrohr erstreckt sich mit einem zweiten freitragenden Abschnitt axial innerhalb einer zentralen Ausnehmung der Rotorwelle und bildet zu der Rotorwelle einen Ringraum aus, so dass das Kühlrohr mit dem Ringraum und mit einem Fluidausgang in Fluidverbindung steht. Die Rotorwelle kann an der dem Fluideingang abgewandten Axialseite fluiddicht verschlossen sein. Weiter können der Fluideingang und der Fluidausgang gemeinsam an ein und derselben Stirnseite der elektrischen Maschine und in noch weiterer Hinsicht insbesondere an einem als Trägerelement fungierenden Lagerschild ausgebildet sein.
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Gemäß der Erfindung ist bei der elektrischen Maschine vorgesehen, dass der freitragende Abschnitt des Kühlrohrs erste radiale Fluid-Austrittsöffnungen aufweist. Durch das Vorsehen von radialen Fluid-Austrittsöffnungen kann das Kühlrohr beim Ausströmen des Kühlfluids aus diesen Fluid-Austrittsöffnungen eine der jeweiligen Ausströmrichtung entgegen gerichtete Kraft, insbesondere eine Rückstoßkraft erfahren. Diese ersten radialen Fluid-Austrittsöffnungen können vorteilhaft so ausgebildet und zueinander angeordnet sein, dass eine Überlagerung der Rückstoßkräfte zu einer Zentrierung des Kühlrohrs im Bereich der ersten radialen Fluid-Austrittsöffnungen führt. Es kann dadurch eine aktive Zentrierung des Kühlrohres gegenüber einwirkenden äußeren Kräften erzielt werden. Die gewünschte Wirkung tritt in einer Raumrichtung bereits bei Vorhandensein von zwei radialen Fluid-Austrittsöffnungen ein, welche dazu vorzugsweise entgegengerichtet ausgebildet sind. Zur Unterdrückung von Schwingungen und somit zur Lagestabilisierung des Kühlrohres in einer zu der ersten Raumrichtung senkrechten Raumrichtung können zwei weitere radiale Fluid-Austrittsöffnungen vorgesehen werden oder zumindest drei um einen Winkel von 360°/n umfangsmäßig gleich verteilte radialen Fluid-Austrittsöffnungen mit einer Anzahl n. Bevorzugt weisen zumindest zwei oder alle ersten radialen Fluid-Austrittsöffnungen am Kühlrohr dieselbe axiale Position auf. Die ersten radialen Fluid-Austrittsöffnungen können jedoch grundsätzlich auch an unterschiedlichen axialen Positionen angeordnet sein.
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Eine Schwingungsamplitude des Kühlrohres wächst mit dem axialen Abstand von dem am Trägerelement festgelegten ersten Abschnitt. Eine besonders wirksame Zentrierung des Kühlrohrs kann ermöglicht werden, indem die ersten radialen Fluid-Austrittsöffnungen an einem Endbereich des zweiten Abschnitts ausgebildet werden.
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Zur Erzeugung einer merklichen Kraftwirkung kann an dem Kühlrohr der Querschnitt einer axialen Fluid-Austrittsöffnung gegenüber dem Querschnitt einer axialen Fluideintrittsöffnung zumindest reduziert sein. Mit weiterem Vorteil kann das Kühlrohr an dessen freien Endbereich axial verschlossen sein.
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Gemäß einer günstigen und fertigungstechnisch einfach zu realisierenden Form kann das Kühlrohr über dessen axiale Erstreckung einen konstanten Innendurchmesser aufweisen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann der freitragende Abschnitt des Kühlrohrs von den ersten radialen Fluid-Austrittsöffnungen axial beabstandete zweite radiale Fluid-Austrittsöffnungen aufweisen, wobei die zweiten radialen Fluid-Austrittsöffnungen gegenüber den ersten radialen Fluid-Austrittsöffnungen mit einem größeren Querschnitt ausgebildet sind. Hinsichtlich einer umfangsmäßigen Verteilung können die zweiten radialen Fluid-Austrittsöffnungen ebenso wie die ersten radialen Fluid-Austrittsöffnungen angeordnet werden. Allein durch das Vorsehen der ersten radialen Fluid-Austrittsöffnungen ist eine Fluid-Rückströmung in dem zwischen dem Kühlrohr und der Rotorwelle vorhandenen Ringraum gegeben. Durch das zusätzliche Vorsehen von zweiten radialen Fluid-Austrittsöffnungen wird der vom Kühlrohr geführte Fluidstrom in zwei Fluid-Teilströme aufgeteilt, welche durch die ersten und die zweiten radialen Fluid-Austrittsöffnungen austreten. Die ersten und die zweiten radialen Fluid-Austrittsöffnungen können so ausgebildet und dimensioniert werden, dass ein erster Fluid-Teilstrom durch die ersten radialen Fluid-Austrittsöffnungen im Wesentlichen eine Lagestabilisierung des Kühlrohrs bewirkt und dass ein zweiter Fluid-Teilstrom durch die zweiten radialen Fluid-Austrittsöffnungen im Wesentlichen zur Kühlung der Rotorwelle und des Rotors beiträgt. Der erste Fluid-Teilstrom kann zu diesem Zweck durch eine geeignete Dimensionierung der ersten und zweiten Fluid-Austrittsöffnungen geringer als der zweite Fluid-Teilstrom eingestellt werden.
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Die Ausnehmung der Rotorwelle kann im Bereich der ersten radialen Fluid-Austrittsöffnungen grundsätzlich gegenüber einem Bereich der zweiten radialen Fluid-Austrittsöffnungen zumindest annähernd denselben Innendurchmesser aufweisen. Mit weiterem Vorteil kann jedoch auch die Ausnehmung der Rotorwelle im Bereich der ersten radialen Fluid-Austrittsöffnungen einen gegenüber einem Bereich der zweiten radialen Fluid-Austrittsöffnungen reduzierten Innendurchmesser aufweisen. Auf diese Weise können die Rückstoßkräfte vergrößert und eine Zentrierung des Kühlrohrs weiter verbessert werden.
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Gemäß einer noch weiteren vorteilhaften Weiterbildung kann im Bereich der ersten radialen Fluid-Austrittsöffnungen zwischen einer äußeren Umfangsfläche des Kühlrohrs und einer inneren Umfangsfläche der Ausnehmung der Rotorwelle ein Spalt ausgebildet sein, der von einem anwesenden Kühlfluid ausgefüllt wird und wobei der Spalt so dimensioniert ist, dass zwischen dem Kühlrohr und der Rotorwelle eine Gleitlagerstelle ausgebildet wird. Auf diese Weise kann der freitragende Abschnitt des Kühlrohrs besonders effektiv stabilisiert werden. Der Spalt kann insbesondere als ein Kapillarspalt ausgebildet sein.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer in den Figuren dargestellten Ausführungsform beispielhaft erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine als Fahrzeugachsantrieb ausgebildete elektrische Maschine mit einer Fluid-Kühleinrichtung mit einem Kühlrohr in einer Axialschnittdarstellung;
- 2 ein vergrößerter Ausschnitt der Fluid-Kühleinrichtung von 1 im Bereich eines Lagerschildes der elektrischen Maschine;
- 3 eine perspektivische Darstellung der elektrischen Maschine im Bereich des Lagerschilds von 3;
- 4 eine perspektivische Ansicht eines an einem Gehäuse der elektrischen Maschine ausgebildeten Kühlmittelflansches;
- 5 ein ausschnittweise Darstellung einer gegenüber der Anordnung von 1 im Bereich des Kühlrohrs modifizierten Fluid-Kühleinrichtung.
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Die Figuren zeigen eine elektrische Maschine 1, welche insbesondere zum Antreiben eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs vorgesehen und ausgebildet ist. Insbesondere ist die elektrische Maschine 1 zum Einbau in oder an eine Fahrzeugachse vorgesehen und stellt somit in Verbindung mit weiteren Komponenten einen elektrischen Achsantrieb 2 dar. Die elektrische Maschine 1 gibt ihre Leistung somit an Fahrzeugräder zum Fortbewegen des Fahrzeugs ab. Es werden insofern über die nachfolgend im Detail erläuterte elektrische Maschine 1 hinausgehend ebenso ein elektrischer Fahrzeugantrieb und ein Fahrzeug mit einer solchen elektrischen Maschine 1 beschrieben.
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Die elektrische Maschine 1 umfasst einen in einem Gehäuse 3 festgelegten Stator 4 mit einem Statorblechpaket 5 und mit einer Statorwicklung 6 und einen Rotor 7 mit einem Rotorblechpaket 8 und mit einem Kurzschlusskäfig 9. Die elektrische Maschine 1 ist somit als eine Asynchronmaschine ausgebildet. Der Rotor 7 ist mittels einer Rotorwelle 10, einem an einem ersten Lagerschild 11 angeordneten ersten Lager 13 und einem an einem zweiten Lagerschild 12 angeordneten zweiten Lager 14 um eine Achse A drehbar zu dem Stator 4 gelagert. Die Rotorwelle 10 steht mit einem in 1 links dargestellten Getriebe 36 in Wirkverbindung, welches das Motordrehmoment über weitere, hier zeichnerisch nicht dargestellte Übertragungsorgane an Fahrzeugräder übertragen kann.
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Die elektrische Maschine 1 weist eine von einem Kühlfluid durchströmbare Fluid-Kühleinrichtung 15 auf, welche eine aufgenommene Verlustwärme an einen außerhalb der elektrischen Maschine 1 befindlichen Wärmetauscher abgeben kann.
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Die Fluid-Kühleinrichtung 15 umfasst ein metallisches Kühlrohr 16, welches an einem zum Stator 4 festen Trägerelement 17, insbesondere an dem ersten Lagerschild 11 festgelegt ist und welches über eine axiale Fluid-Eintrittsöffnung 16f mit einem an dem Lagerschild 11 vorgesehenen Fluideingang 18 in Verbindung steht. Das Kühlrohr weist eine lanzenförmige Gestalt auf, wobei dessen axiale Erstreckung also dessen Länge L um ein Vielfaches größer als dessen Durchmesser D ist. Im Ausführungsbeispiel ist dieses Verhältnis L/D > 10, insbesondere größer 15 und beträgt hier speziell etwa 17. Das Kühlrohr 16 ist dabei axial lediglich einseitig mittels eines ersten Abschnitts 16a durch das Lagerschild 11 festgelegt und gelagert und erstreckt sich mit dessen größeren zweiten freistehenden Abschnitt 16b in axialer Richtung innerhalb einer zentralen Ausnehmung 10a der Rotorwelle 10 und bildet zu der Rotorwelle 10 einen Ringraum 10b aus. Ein Längenverhältnis einer Länge des ersten Abschnitts 16a zu einer Länge des zweiten Abschnitts 16b, das heißt das Verhältnis der Länge des befestigten Abschnitts 16a zur Länge des unbefestigten, freien Abschnitts 16b ist größer 10 und beträgt konkret etwa 14.
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Das Kühlrohr 16 ist axial beidseitig offen und steht somit in dem mit 1 gezeigten eingebauten Zustand über eine axiale Fluid-Austrittsöffnung 16e mit dem Ringraum 10b und mit einem gleichfalls am ersten Lagerschild 11 vorgesehenen Fluidausgang 19 in Fluidverbindung. Das erste Lagerschild 11 weist zur Ausbildung des Fluideingangs 18 eine zentrale erste Durchgangsöffnung 11a und zur Ausbildung des Fluidausgangs 19 eine radial zu der ersten Durchgangsöffnung angeordnete zweite Durchgangsöffnung 11b auf. Beide Durchgangsöffnungen 11a, b treten somit an einer dem Rotor 7 abgewandten stirnseitigen Montagefläche 11c aus dem Lagerschild 11 aus.
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Zwischen der Rotorwelle 10 und dem als Trägerelement 17 fungierenden Lagerschild 11 ist ein Dichtbereich 20 mit einem Dichtelement 21 vorgesehen. Das Dichtelement 21 hat die Aufgabe, beim Durchströmen des Kühlfluids vom Fluideingang 18 zum Fluidausgang 19 einen Fluidübertritt in einen außerhalb des Dichtbereichs 20 liegenden Raumbereich 22 der elektrischen Maschine 1 zumindest im Wesentlichen zu verhindern.
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Das Dichtelement 21 ist vorliegend als eine axiale Gleitringdichtung 23 ausgebildet ist. Die Gleitringdichtung 23 umfasst einen ersten Abschnitt 23a, welcher an dem Trägerelement 17 festgelegt ist und umfasst weiter einen zweiten Abschnitt 23b, welcher an der Rotorwelle 10 festgelegt ist und welcher mit dem ersten Abschnitt 23a in Dichtverbindung steht. Dabei ist der zweite Abschnitt 23b der Gleitringdichtung 23 zumindest teilweise axial überlappend zu dem ersten Lager 13 angeordnet.
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Weiterhin weist das erste Lager 13 sowohl an der der Gleitringdichtung 23 zugewandten Axialseite als auch an der dem Rotorblechpaket 8 zugewandten Axialseite eine zwischen einem radial inneren Lagerring 13a und einem radial äußeren Lagerring 13b wirkende Dichtungsanordnung 13c mit zwei Dichtscheiben 13d, e auf. Der Lagerinnenraum 13f ist weiter mittels eines Hochdrehzahl-Fetts gegenüber einem Eindringen von Kühlfluid abgedichtet. Dadurch wird einerseits das Lager 13 geschmiert und andererseits wird durch die geschaffene Fett-Barriere ein Eindringen von Fluid in den inneren Raumbereich 22 der elektrischen Maschine 1 vermieden.
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Zu einer merklichen Vergrößerung der fluidgekühlten Innenumfangsfläche der Rotorwelle 10 und damit zum Zwecke einer weiteren Verbesserung der Kühlwirkung kann ein Innendurchmesser 10c der Rotorwelle 10 bzw. der dort vorhandenen zentralen Ausnehmung 10a im Bereich einer axialen Erstreckung des Rotorblechpakets 8 größer ausgebildet sein als im Bereich des ersten Lagers 13.
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Wie erkennbar, ist die Rotorwelle 10 als eine Hohlwelle ausgebildet und an der dem Fluideingang 18 abgewandten Axialseite fluiddicht durch einen Verschluss 24 verschlossen. Der Verschluss 24 kann als ein separater Verschlussstopfen oder als ein Bodenbereich der Rotorwelle 10 ausgebildet sein. Die Fluidströmung erfährt durch die koaxiale Anordnung von Rotorwelle 10 und Kühlrohr 16 eine Richtungsumkehr entgegen der Einströmrichtung und kann auf der Axialseite des Fluideingangs 18 wieder ausströmen, wozu lediglich auf dieser Seite eine Dichtungsanordnung in Form des Dichtelements 21 erforderlich ist.
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Von dem ersten Lagerschild 11 sind somit das Kühlrohr 16, das erste Lager 13 und der statorfeste Abschnitt 23a des Dichtelements 23 aufgenommen. Das erste Lagerschild 11 nimmt zudem ein mit der Rotorwelle 10 zusammenwirkendes elektrisches Potenzialausgleichselement 25 auf. Vorliegend ist als Potenzialausgleichselement 25 eine Schleifringanordnung 26 vorgesehen, welche als Wellenspannungen auftretende Potenzialunterschiede zwischen dem Stator 4 und dem Rotor 7 durch elektrischen Kurzschluss abbaut. Das Potenzialausgleichselement 25 ist axial benachbart zu dem ersten Lager 13 angeordnet, insbesondere axial zwischen dem Lager 13 und dem Rotorblechpaket 8.
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Das Kühlrohr 16 ist an einem am Lagerschild 11 bzw. allgemein am Trägerelement 17 vorgesehenen Befestigungsbereich 11f festgelegt. Insbesondere ist das Kühlrohr 16 mittels einer Presspassung in einen von einem Grundkörper 11d des Lagerschilds 11 abstehenden Axialfortsatz 11e angeordnet, welcher den Befestigungsbereich 11f ausbildet. Es ist in den Figuren erkennbar, dass sich der Befestigungsbereich 11f axial teilweise mit dem statorfesten Abschnitt 23a des Dichtelements 21 bzw. der Gleitringdichtung 23 überdeckt.
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Zurückkommend zu der Montagefläche 11c ist dort ein Deckelement 27 aus einem Kunststoff mit einer Steganordnung 27a fluiddicht angeordnet. Dabei sind durch die Steganordnung 27a zwischen dem Lagerschild 11 und dem Deckelement 27 und/oder in dem Deckelement 27 ein Fluidzulaufkanal 28 und ein Fluidablaufkanal 29 ausgebildet.
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Das Gehäuse 3 der elektrischen Maschine 1 ist als Gußteil aus einem Leichtmetallwerkstoff, vorliegend aus einem Aluminiumwerkstoff ausgebildet. Das Gehäuse 3 bildet gleichzeitig einen den Stator 4 außen umgebenden Fluid-Kühlmantel 30 mit einer Fluidkanalanordnung 31 aus. Das Gehäuse 3 weist auf der dem ersten Lagerschild 11 zugewandten Seite einen damit integral ausgebildeten Kühlmittelflansch 32 mit zwei Fluid-Kanalabschnitten 32a, b auf, welche mit dem Fluidzulaufkanal 28 und dem Fluidablaufkanal 29 des Deckelements 27 in Fluidverbindung stehen. Der FluidKanalabschnitt 32a bildet dabei einen externen Kühlmittelanschluss 40 aus. Ein weiterer, hier zeichnerisch nicht dargestellter externer Kühlmittelanschluss kann beispielsweise an einer anderen Position des Statorkühlmantels oder an einer Leistungselektronik zum Ansteuern der elektrischen Maschine 1 angeordnet sein, welche mit deren Gehäuse und mit deren Kühlkreislauf mit der elektrischen Maschine 1 und mit der dort ausgebildeten Fluid-Kühleinrichtung 15 verbunden ist. Der weitere FluidKanalabschnitt 32b bildet hingegen einen Verbindungskanal zu dem Fluid-Kühlmantel 30 des Stators 4 aus. Die Fluid-Kühleinrichtung 15 kann somit einen Kühlabschnitt 15a zur Kühlung des Rotors 7 und einen Kühlabschnitt 15b zur Kühlung des Stators 4 aufweisen, welche nacheinander von dem Kühlfluid durchflossen werden und wobei eine zwischen diesen vorgesehene Fluidverbindung als ein fester, schlauchloser Verbindungskanal 32b ausgebildet ist.
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Außerhalb des Dichtelements 21, also an der dem strömenden Kühlfluid abgewandten Seite der Gleitringdichtung 23 ist ein Leckageraum 33 mit einem Fluid-Sammelbereich 34 vorgesehen, in welchen ein durch den Dichtbereich 20 hindurchtretender Anteil des Kühlfluids eintreten und gesammelt werden kann. Der Leckageraum 33 weist weiterhin einen Gas-Sammelbereich 35 auf, welcher in einer Betriebslage der elektrischen Maschine 1 gegenüber dem Fluid-Sammelbereich 34 geodätisch höher angeordnet ist. Bei Verwendung eines Kühlfluids mit stofflich zumindest einer flüchtigen Komponente kann diese über die Gleitringdichtung 23 entweichen und sich in dem Gas-Sammelbereich 35 sammeln.
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Sofern das Kühlfluid beim Entweichen der flüchtigen Komponente eine feststoffförmige Komponente ausscheidet, so wird diese gleichfalls von dem Fluid-Sammelbereich 34 aufgenommen. Zur Entnahme des feststoffförmigen Bestandteiles ist an dem Fluid-Sammelbereich 34 eine verschließbare Eingriffsöffnung 34a mit einem abnehmbaren Verschlussdeckel 34b vorgesehen.
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Zur Entfernung eines in dem Fluid-Sammelbereich 34 vorhandenen Kühlfluids ist an diesem eine verschließbare Fluid-Ablassöffnung 34c mit einem Ablasselement 34d, insbesondere einer Ablassschraube oder einem Ablassstopfen vorgesehen. Die Fluid-Ablassöffnung 34c ist in einer Betriebslage der elektrischen Maschine 1 im Wesentlichen geodätisch nach unten ausgerichtet und gegenüber einer Gas-Ablassöffnung 35a des Gas-Sammelbereichs 35 geodätisch tiefer angeordnet. Zur leichten Entnahme von feststoffförmigen Bestandteilen ist die Eingriffsöffnung des Verschlussdeckels 34b mit einem größeren Querschnitt als die Fluid-Ablassöffnung 35a ausgebildet.
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Die Fluid-Ablassöffnung 34c ist zumindest näherungsweise auf einer 06Uhr-Position vorgesehen, das heißt etwa zwischen einer 05Uhr- und einer 07Uhr-Position. Die Gas-Ablassöffnung 35a ist demgegenüber zumindest näherungsweise auf einer 12Uhr-Position vorgesehen, das heißt etwa zwischen einer 11 Uhr- und einer 01 Uhr-Position. Der Fluid-Sammelbereich 34 und der Gas-Sammelbereich 35 sind zumindest näherungsweise auf derselben axialen Position vorgesehen. Des Weiteren kann sich auch die Gleitringdichtung 23 an dieser axialen Position befinden oder sich zumindest axial mit dem Fluid-Sammelbereich 34 und/oder dem Gas-Sammelbereich 35 überlappen.
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Die Gas-Ablassöffnung 35a des Gas-Sammelbereichs 35 weist weiterhin ein Druckausgleichselement 41 auf, wodurch wird ein Entweichen von Gasen aus dem Gas-Sammelbereich 35 ermöglicht wird. Das Druckausgleichselement 41 umfasst eine semipermeable Membran, welche zur Ermöglichung eines Druckausgleichs luftdurchlässig, jedoch nicht fluid-durchlässig ist.
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Wie bereits vorher angesprochen, ist zur Lagerung des Rotors 7 zusätzlich zu dem ersten Lager 13 axial beabstandet das zweite Lager 14 vorgesehen, welches bei Bedarf ebenso axial ein- oder beidseitig mit Dichtringen und mit einer Schmiermittelfüllung ausgeführt sein kann. Das Lager 14 ist radial zwischen der Rotorwelle 10 und dem zweiten Lagerschild 12 vorgesehen, wobei sich das Rotorblechpaket 8 in einem axialen Raum zwischen dem ersten und dem zweiten Lager 11, 12 erstreckt. Wie erkennbar, erstreckt sich zum Zwecke einer verbesserten Kühlung die zentrale Ausnehmung 10a innerhalb der Rotorwelle 10 axial durch das zweite Lager 14 hindurch. Das Kühlrohr 16 erstreckt sich innerhalb der Rotorwelle 10 axial gleichfalls über das zweite Lager 12 hinaus. Wie weiter erkennbar, ist der Innendurchmesser der Rotorwelle 10 im Bereich der axialen Erstreckung des Rotorblechpakets 8 und im Bereich des zweiten Lagers 12 größer als im Bereich des ersten Lagers 11.
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In dem erläuterten Ausführungsbeispiel weist die Rotorwelle 10 einen sich axial über das zweite Lager 12 hinausragenden und in das Getriebe 36 führenden Wellenabschnitt mit einem als Zahnrad 37 ausgebildeten Abtriebselement 38 auf. Die zentrale Ausnehmung 10a der Rotorwelle 10 erstreckt sich axial bis in den Bereich des Abtriebselements 38 und kann somit ebenso von dem Kühlfluid durchströmt werden. Gemäß einer Modifikation der Anordnung kann sich das Kühlrohr 16 gleichfalls axial bis in den genannten Bereich erstrecken. Das Abtriebselement 38 und damit in Wärmeaustausch stehende weitere Elemente und/oder ein außerhalb der Rotorwelle 10 befindliches Schmier- oder Kühlmittel können somit ebenfalls in den Wirkungsbereich der Fluid-Kühleinrichtung 15 gelangen und gekühlt werden.
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Wie noch weiter in den Figuren erkennbar, ist das Abtriebselement 38 an der Rotorwelle 10 axial zwischen dem zweiten Lager 14 und einem dritten Lager 39 angeordnet. Dabei reicht die zentrale Ausnehmung 10a der Rotorwelle 10 axial bis in den Bereich des dritten Lagers 39 heran und wird also bis zu dieser Position von dem Kühlfluid durchströmt. Das dritte Lager 39 befindet sich somit gleichfalls im Wirkungsbereich der vorstehend beschriebenen Fluid-Kühleinrichtung 15.
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5 zeigt in einer ausschnittweisen Darstellung einer gegenüber der Anordnung von 1 im Bereich des Kühlrohrs modifizierten Fluid-Kühleinrichtung, welche nachfolgend detailliert beschrieben wird. Dieses Ausführungsbeispiel basiert auf demselben, vorstehend anhand der 1-4 erläuterten Aufbau. Die dazu beschriebenen Merkmale und Ausgestaltungsvarianten sollen hierbei bis auf die nachfolgend beschriebenen Unterschiede gleichfalls zutreffen bzw. vorhanden sein.
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Das Kühlrohr 16 erstreckt sich wiederum mit einem zweiten freitragenden Abschnitt 16b axial innerhalb einer zentralen Ausnehmung 10a der Rotorwelle 10 und bildet zu der Rotorwelle 10 einen Ringraum 10b aus, so dass das Kühlrohr 16 mit dem Ringraum 10b und mit einem Fluidausgang 19 in Fluidverbindung steht. Die Rotorwelle 10 ist an der dem Fluideingang 18 abgewandten Axialseite fluiddicht verschlossen, wozu die Ausnehmung 10a axial nur einseitig offen ausgeführt ist. Der Fluideingang 18 und der Fluidausgang 19 sind wiederum gemeinsam an ein und derselben Stirnseite der elektrischen Maschine 1 und insbesondere an dem als Trägerelement 17 fungierenden Lagerschild 11 ausgebildet, wie dieses in den 1 und 2 erkennbar ist. Das Kühlrohr 16 erstreckt sich im Beispiel axial bis in den Bereich des Abtriebselements 38, was jedoch nicht zwangsläufig ist. Das bedeutet, dass das Kühlrohr 16 auch innerhalb der axialen Erstreckung des Rotorblechpakets 8 oder zwischen dem zweiten Lager 14 und dem dritten Lager 39 oder nach dem dritten Lager 39 enden kann.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass der freitragende Abschnitt 16b des Kühlrohrs 16 erste radiale Fluid-Austrittsöffnungen 16c aufweist. Vorliegend sind vier erste, kreisförmige radiale Fluid-Austrittsöffnungen 16c vorgesehen, welche am Kühlrohr 16 alle dieselbe axiale Position aufweisen und welche an einem Endbereich 16d des zweiten Abschnitts 16b ausgebildet sind. Das Kühlrohr 16 weist über dessen gesamte axiale Erstreckung einen konstanten Innendurchmesser auf und ist an dessen freien Endbereich 16d axial verschlossen, sodass dort kein Fluid in axialer Richtung austreten kann. Die ersten radialen Fluid-Austrittsöffnungen 16c sind so ausgebildet und zueinander angeordnet, dass eine Überlagerung der Rückstoßkräfte zu einer Zentrierung des Kühlrohrs 16 im Bereich der ersten radialen Fluid-Austrittsöffnungen 16c führt.
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Der freitragende Abschnitt 16b des Kühlrohrs 16 weist von den ersten radialen Fluid-Austrittsöffnungen 16c axial beabstandete zweite radiale Fluid-Austrittsöffnungen 16g auf. Es sind dazu vier umfangsmäßig gleich verteilte Langlöcher vorgesehen. Die zweiten radialen Fluid-Austrittsöffnungen 16g sind gegenüber den ersten radialen Fluid-Austrittsöffnungen 16c mit einem erkennbar größeren Querschnitt ausgebildet. Ein vom Kühlrohr 16 geführter Fluidstrom V wird dadurch zunächst in zwei Fluid-Teilströme V1, V2 und entsprechend der Anzahl der vorhandenen Fluid-Austrittsöffnungen 16c, 16g in noch weitere Fluid-Teilströme V1', V2' aufgeteilt, welche durch die ersten und die zweiten radialen Fluid-Austrittsöffnungen 16c, 16g austreten. In 5 ist dieses lediglich schematisch anhand von Pfeilen angedeutet. Die ersten und die zweiten radialen Fluid-Austrittsöffnungen 16c, 16g sind vorliegend so ausgebildet und dimensioniert, dass ein erster Fluid-Teilstrom durch die ersten radialen Fluid-Austrittsöffnungen 16c im Wesentlichen eine Lagestabilisierung des Kühlrohrs bewirkt und dass ein zweiter Fluid-Teilstrom durch die zweiten radialen Fluid-Austrittsöffnungen 16g im Wesentlichen zur Kühlung der Rotorwelle und des Rotors beiträgt. Der erste Fluid-Teilstrom V1 ist zu diesem Zweck durch die dargestellte Dimensionierung der ersten und zweiten Fluid-Austrittsöffnungen geringer als der zweite Fluid-Teilstrom V2 eingestellt.
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Die Ausnehmung 10a der Rotorwelle 10 weist im Bereich der ersten radialen Fluid-Austrittsöffnungen 16c einen gegenüber einem Bereich der zweiten radialen Fluid-Austrittsöffnungen 16g reduzierten Innendurchmesser 10c auf. Weiter ist im Bereich der ersten radialen Fluid-Austrittsöffnungen 16c zwischen einer äußeren Umfangsfläche des Kühlrohrs 16 und einer inneren Umfangsfläche der Ausnehmung 10a der Rotorwelle 10 ein Spalt 42 ausgebildet. Dieser Spalt 42 kann bei Betreiben der elektrischen Maschine von einem anwesenden Kühlfluid ausgefüllt werden. Der Spalt 42 ist so dimensioniert, dass zwischen dem Kühlrohr 16 und der Rotorwelle 10) eine Gleitlagerstelle 43 ausgebildet wird. Der Spalt 42 kann insbesondere als ein Kapillarspalt ausgebildet sein. Auf diese Weise kann durch die Erzeugung einer Fluid-Lagerstelle der freitragende Abschnitt des Kühlrohrs besonders effektiv stabilisiert werden.
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In der vorstehenden Beschreibung wurden Bezeichnungen von Funktionselementen teilweise mit Bezug auf eine feste Strömungsrichtung gewählt. Bei der erläuterten elektrischen Maschine ist die Strömungsrichtung des Kühlfluids innerhalb der Fluid-Kühleinrichtung grundsätzlich umkehrbar. Die mit Bezug zur Strömungsrichtung bezeichneten Funktionselemente erhalten bei umgekehrter Strömungsrichtung die entsprechend gegenläufige Bedeutung. Das heißt, das beispielweise ein als Fluideingang bezeichneter Abschnitt oder Bereich nunmehr den Fluidausgang bildet usw.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektrische Maschine
- 2
- Achsantrieb
- 3
- Gehäuse
- 4
- Stator
- 5
- Statorblechpaket
- 6
- Statorwicklung
- 7
- Rotor
- 8
- Rotorblechpaket
- 9
- Kurzschlusskäfig
- 10
- Rotorwelle
- 10a
- Ausnehmung
- 10b
- Ringraum
- 10c
- Innendurchmesser
- 11
- Lagerschild
- 11a
- Durchgangsöffnung
- 11b
- Durchgangsöffnung
- 11c
- Montagefläche
- 11d
- Grundkörper
- 11e
- Axialfortsatz
- 11f
- Befestigungsbereich
- 12
- Lagerschild
- 13
- Lager
- 13a
- innerer Lagerring
- 13b
- äußerer Lagerring
- 13c
- Dichtungsanordnung
- 13d, e
- Dichtscheibe
- 13f
- Lagerinnenraum
- 14
- Lager
- 15
- Fluid-Kühleinrichtung
- 15a
- Rotorkühlabschnitt
- 15b
- Statorkühlabschnitt
- 16
- Kühlrohr
- 16a
- erster Abschnitt
- 16b
- zweiter Abschnitt
- 16c
- erste radiale Fluid-Austrittsöffnung
- 16d
- Endbereich
- 16e
- axiale Fluid-Austrittsöffnung
- 16f
- axiale Fluid-Eintrittsöffnung
- 16g
- zweite radiale Fluid-Austrittsöffnung
- 17
- Trägerelement
- 18
- Fluideingang
- 19
- Fluidausgang
- 20
- Dichtbereich
- 21
- Dichtelement
- 22
- Raumbereich
- 23
- Gleitringdichtung
- 23a
- erster Abschnitt
- 23b
- zweiter Abschnitt
- 24
- Verschluss
- 25
- Potenzialausgleichselement
- 26
- Schleifringanordnung
- 27
- Deckelement
- 27a
- Steganordnung
- 28
- Fluidzulaufkanal
- 29
- Fluidablaufkanal
- 30
- Fluidkühlmantel
- 31
- Fluidkanalanordnung
- 32
- Kühlmittelflansch
- 32a, b
- Fluidkanalabschnitt
- 33
- Leckageraum
- 34
- Fluid-Sammelbereich
- 34a
- verschließbare Eingriffsöffnung
- 34b
- Verschlussdeckel
- 34c
- Fluid-Ablassöffnung
- 34d
- Ablasselement
- 35
- Gas-Sammelbereich
- 35a
- Gas-Ablassöffnung
- 36
- Getriebe
- 37
- Zahnrad
- 38
- Abtriebselement
- 39
- Lager
- 40
- externer Kühlmittelanschluss
- 41
- Druckausgleichselement
- 42
- Spalt
- 43
- Gleitlagerstelle
- A
- Drehachse
- D
- Durchmesser
- L
- Länge
- V
- Fluidstrom
- V1
- Fluid-Teilstrom
- V1'
- Fluid-Teilstrom
- V2
- Fluid-Teilstrom
- V2'
- Fluid-Teilstrom
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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