DE102018218820A1 - Electrical machine with a fluid cooling device - Google Patents
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Abstract
Es wird eine elektrische Maschine (1) mit einem Stator (4), einem Rotor (7) und mit einer Fluid-Kühleinrichtung (15) beschrieben. Der Rotor (7) ist mittels einer Rotorwelle (10) und eines an einem Lagerschild (11) angeordneten Lagers (13) zu dem Stator (4) gelagert. Die Fluid-Kühleinrichtung (15) weist ein Kühlrohr (16) auf, welches an einem Trägerelement (17) festgelegt ist, mit einem Fluideingang (18) und einem Fluidausgang (19) in Fluidverbindung steht und welches sich innerhalb einer Ausnehmung (10a) der Rotorwelle (10) und unter Ausbildung eines Ringraumes (10b) erstreckt. Zwischen der Rotorwelle (10) und dem Trägerelement (17) ist ein Dichtbereich (20) mit einem Dichtelement (21) vorgesehen, welches einen Fluidübertritt in einen außerhalb des Dichtbereichs (20) liegenden Raumbereich (22) der elektrischen Maschine (1) im Wesentlichen verhindert. Das Dichtelement (21) umfasst einen ersten Abschnitt (23a), der an dem Trägerelement (17) festgelegt ist und einen zweiten Abschnitt (23b), welcher an der Rotorwelle (10) festgelegt ist. Der zweite Abschnitt (23b) des Dichtelements (21) weist einen Außendurchmesser auf, welcher kleiner ist als ein Innendurchmesser des ersten Lagers (13). Das Lager (13) weist an der dem Dichteelement (21) zugewandten Axialseite eine Dichtungsanordnung (13c) auf, durch welche ein Lagerinnenraum (13f) gegenüber einem Eindringen von Kühlfluid abgedichtet ist.An electrical machine (1) with a stator (4), a rotor (7) and with a fluid cooling device (15) is described. The rotor (7) is mounted to the stator (4) by means of a rotor shaft (10) and a bearing (13) arranged on a bearing plate (11). The fluid cooling device (15) has a cooling tube (16) which is fixed to a carrier element (17), is in fluid communication with a fluid inlet (18) and a fluid outlet (19) and which is located within a recess (10a) Rotor shaft (10) and with the formation of an annular space (10b). Between the rotor shaft (10) and the carrier element (17) there is a sealing area (20) with a sealing element (21) which essentially transfers fluid into a space area (22) of the electrical machine (1) lying outside the sealing area (20) prevented. The sealing element (21) comprises a first section (23a) which is fixed to the carrier element (17) and a second section (23b) which is fixed to the rotor shaft (10). The second section (23b) of the sealing element (21) has an outer diameter which is smaller than an inner diameter of the first bearing (13). The bearing (13) has a sealing arrangement (13c) on the axial side facing the sealing element (21), by means of which a bearing interior (13f) is sealed against the ingress of cooling fluid.
Description
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einer Fluid-Kühleinrichtung nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1, wie diese bereits mit der
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine solche gattungsgemäße elektrische Maschine mit einer Fluid-Kühleinrichtung weiter zu verbessern.The object of the invention is to further improve such a generic electrical machine with a fluid cooling device.
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.The above object is achieved by an electrical machine with the features specified in claim 1. Advantageous refinements and developments of the invention can be found in the dependent claims and the following description of the figures.
Es wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine elektrische Maschine mit einer Fluid-Kühleinrichtung vorgeschlagen, welche zunächst einen Stator mit einem Statorblechpaket und mit einer Statorwicklung und einen Rotor mit einem Rotorblechpaket umfasst, welcher mittels einer Rotorwelle und einem an einem ersten Lagerschild angeordneten ersten Lager um eine Achse drehbar zu dem Stator gelagert ist. Die Fluid-Kühleinrichtung weist ein Kühlrohr auf, welches an einem statorfesten Trägerelement der elektrischen Maschine festgelegt ist und welches mit einem Fluideingang in Verbindung steht und welches sich axial innerhalb einer zentralen Ausnehmung der Rotorwelle und unter Ausbildung eines Ringraumes zu der Rotorwelle erstreckt. Dabei steht das Kühlrohr gleichzeitig mit dem Ringraum und mit einem Fluidausgang in Fluidverbindung. Weiter ist zwischen der Rotorwelle und dem Trägerelement ein Dichtbereich mit einem Dichtelement vorgesehen, welches beim Durchströmen eines Kühlfluids vom Fluideingang zum Fluidausgang einen Fluidübertritt in einen außerhalb des Dichtbereichs liegenden Raumbereich der elektrischen Maschine zumindest im Wesentlichen verhindert. Das Dichtelement umfasst einen ersten Abschnitt, welcher an dem Trägerelement festgelegt ist und umfasst weiter einen zweiten Abschnitt, welcher an der Rotorwelle festgelegt ist und welcher mit dem ersten Abschnitt in Dichtverbindung steht.Within the scope of the present invention, an electrical machine with a fluid cooling device is proposed, which first comprises a stator with a stator lamination stack and with a stator winding and a rotor with a rotor lamination stack, which rotates by means of a rotor shaft and a first bearing arranged on a first bearing plate an axis is rotatably mounted to the stator. The fluid cooling device has a cooling tube which is fixed to a stator-fixed support element of the electrical machine and which is connected to a fluid inlet and which extends axially within a central recess in the rotor shaft and forms an annular space to the rotor shaft. The cooling tube is in fluid connection with the annular space and with a fluid outlet at the same time. Furthermore, a sealing area with a sealing element is provided between the rotor shaft and the carrier element, which at least substantially prevents fluid transfer into a space area of the electrical machine that is outside the sealing area when a cooling fluid flows through from the fluid inlet to the fluid outlet. The sealing element comprises a first section which is fixed to the carrier element and further comprises a second section which is fixed to the rotor shaft and which is in sealing connection with the first section.
Gemäß der Erfindung ist bei der elektrischen Maschine vorgesehen, dass der zweite Abschnitt des Dichtelements einen Außendurchmesser aufweist, welcher kleiner ist als ein Innendurchmesser des ersten Lagers. Weiterhin weist das erste Lager selbst zumindest an der der Gleitringdichtung zugewandten Axialseite eine zwischen einem radial inneren und einem radial äußeren Lagerring wirkende Dichtungsanordnung auf, durch welche ein Lagerinnenraum unter anderem gegenüber einem Eindringen von Kühlfluid abgedichtet ist.According to the invention, it is provided in the electrical machine that the second section of the sealing element has an outer diameter which is smaller than an inner diameter of the first bearing. Furthermore, the first bearing itself has, at least on the axial side facing the mechanical seal, a sealing arrangement acting between a radially inner and a radially outer bearing ring, by means of which a bearing interior is sealed, inter alia, against the ingress of cooling fluid.
Die vorgeschlagene Lösung hat den Vorteil, dass insbesondere durch die als Bestandteil des ersten Lagers vorgesehene Dichtungsanordnung auf weitere Dichtelemente oder entsprechende Maßnahmen in einem Raum zwischen dem unmittelbar der Strömung des Kühlfluids ausgesetzten Dichtelement und dem ersten Lager verzichtet werden kann. Daraus ergibt sich der weitere Vorteil, dass die elektrische Maschine axial kürzer gestaltet und der gewonnene Bauraum anderweitig genutzt werden kann.The proposed solution has the advantage that further sealing elements or corresponding measures can be dispensed with in a space between the sealing element directly exposed to the flow of the cooling fluid and the first bearing, in particular as a result of the sealing arrangement provided as part of the first bearing. This has the further advantage that the electrical machine can be made axially shorter and the installation space gained can be used for other purposes.
Eine besonders bauraumsparende Anordnung kann erzielt werden, indem der zweite Abschnitt des Dichtelements zumindest teilweise axial überlappend zu dem ersten Lager angeordnet ist. Auf diese Weise kann die axiale Länge der elektrischen Maschine nochmals verkürzt werden.A particularly space-saving arrangement can be achieved in that the second section of the sealing element is at least partially axially overlapping to the first bearing. In this way, the axial length of the electrical machine can be shortened again.
Zur Erzielung einer bestmöglichen Dichtwirkung kann das Dichtelement vorteilhaft als eine Gleitringdichtung, insbesondere als axiale Gleitringdichtung und insbesondere als eine Levitex-Dichtung der Carl Freudenberg KG, ausgebildet sein. Eine Levitex-Dichtung ist eine gasgeschmierte Gleitringdichtung, welche insbesondere zur Abdichtung des Ringspalts zwischen einem ölgefüllten Kurbelgehäuse und einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors verwendet wird. Ein wirksamer Durchmesser der beteiligten Dichtflächen kann damit vergleichsweise klein gehalten werden. Ebenso kann eine axiale Überlappung der Gleitringdichtung mit dem ersten Lager innerhalb eines vergleichsweise kleinen Bauraums erfolgen. Das bedeutet, dass auch das erste Lager mit einem entsprechend geringen Außendurchmesser ausgebildet sein kann.In order to achieve the best possible sealing effect, the sealing element can advantageously be designed as a mechanical seal, in particular as an axial mechanical seal and in particular as a Levitex seal from Carl Freudenberg KG. A Levitex seal is a gas-lubricated mechanical seal, which is used in particular to seal the annular gap between an oil-filled crankcase and a crankshaft of an internal combustion engine. An effective diameter of the sealing surfaces involved can thus be kept comparatively small. An axial overlap of the mechanical seal with the first bearing can also take place within a comparatively small installation space. This means that the first bearing can also be designed with a correspondingly small outer diameter.
In einer weiteren Ausgestaltung kann zur Verbesserung der Dichtwirkung das erste Lager an beiden Axialseiten eine Dichtungsanordnung aufweisen. Der Lagerinnenraum kann mit einem pastösen Schmiermittel, insbesondere mit einem Hochdrehzahl-Fett gefüllt sein. Durch die Dichtungsanordnung kann ein Lagerinnenraum gegenüber einem Eindringen von Kühlfluid und gegenüber dem Austreten von Schmiermittel geschützt werden.In a further embodiment, the first bearing can have a sealing arrangement on both axial sides in order to improve the sealing effect. The interior of the bearing can be filled with a pasty lubricant, in particular with a high-speed grease. The interior of the bearing can be protected against the ingress of cooling fluid and against the escape of lubricant by the sealing arrangement.
Zu einer merklichen Vergrößerung der fluidgekühlten Innenumfangsfläche der Rotorwelle und damit zum Zwecke einer weiteren Verbesserung der Kühlwirkung kann ein Innendurchmesser der Rotorwelle bzw. der dort vorhandenen zentralen Ausnehmung im Bereich einer axialen Erstreckung des Rotorblechpakets größer ausgebildet sein als im Bereich des ersten Lagers.For a noticeable increase in the fluid-cooled inner circumferential surface of the rotor shaft and Thus, for the purpose of further improving the cooling effect, an inner diameter of the rotor shaft or the central recess there can be made larger in the area of an axial extension of the rotor laminated core than in the area of the first bearing.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer in den Figuren dargestellten Ausführungsform beispielhaft erläutert.The invention is explained below by way of example using an embodiment shown in the figures.
Es zeigen:
-
1 eine als Fahrzeugachsantrieb ausgebildete elektrische Maschine mit einer Fluid-Kühleinrichtung in einer Axialschnittdarstellung; -
2 ein vergrößerter Ausschnitt der Fluid-Kühleinrichtung von1 im Bereich eines Lagerschildes der elektrischen Maschine; -
3 eine perspektivische Darstellung der elektrischen Maschine im Bereich des Lagerschilds von3 ; -
4 eine perspektivische Ansicht eines an einem Gehäuse der elektrischen Maschine ausgebildeten Kühlmittelflansches.
-
1 an electrical machine designed as a vehicle axle drive with a fluid cooling device in an axial sectional view; -
2nd an enlarged section of the fluid cooling device of1 in the area of a bearing plate of the electrical machine; -
3rd a perspective view of the electrical machine in the area of the bearing plate of3rd ; -
4th a perspective view of a coolant flange formed on a housing of the electrical machine.
Die Figuren zeigen eine elektrische Maschine
Die elektrische Maschine
Die elektrische Maschine
Die Fluid-Kühleinrichtung
Zwischen der Rotorwelle
Das Dichtelement
Weiterhin weist das erste Lager
Zu einer merklichen Vergrößerung der fluidgekühlten Innenumfangsfläche der Rotorwelle
Wie erkennbar, ist die Rotorwelle
Von dem ersten Lagerschild
Das Kühlrohr
Zurückkommend zu der Montagefläche
Das Gehäuse
Außerhalb des Dichtelements
Sofern das Kühlfluid beim Entweichen der flüchtigen Komponente eine feststoffförmige Komponente ausscheidet, so wird diese gleichfalls von dem Fluid-Sammelbereich
Zur Entfernung eines in dem Fluid-Sammelbereich
Die Fluid-Ablassöffnung
Die Gas-Ablassöffnung
Wie bereits vorher angesprochen, ist zur Lagerung des Rotors
In dem erläuterten Ausführungsbeispiel weist die Rotorwelle
Wie noch weiter in den Figuren erkennbar, ist das Abtriebselement
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.In the above description, designations of functional elements have been chosen in part with reference to a fixed flow direction. In the electrical machine explained, the direction of flow of the cooling fluid within the fluid cooling device is fundamentally reversible. The functional elements designated with reference to the direction of flow are given the opposite meaning when the direction of flow is reversed. This means that, for example, a section or area designated as a fluid inlet now forms the fluid outlet, etc.
BezugszeichenlisteReference list
- 11
- elektrische Maschineelectrical machine
- 22nd
- AchsantriebFinal drive
- 33rd
- Gehäusecasing
- 44th
- Statorstator
- 55
- StatorblechpaketStator laminated core
- 66
- StatorwicklungStator winding
- 77
- Rotorrotor
- 88th
- RotorblechpaketRotor laminated core
- 99
- KurzschlusskäfigShort circuit cage
- 1010th
- RotorwelleRotor shaft
- 10a10a
- AusnehmungRecess
- 10b10b
- RingraumAnnulus
- 10c 10c
- InnendurchmesserInside diameter
- 1111
- LagerschildEnd shield
- 11a11a
- DurchgangsöffnungThrough opening
- 11b11b
- DurchgangsöffnungThrough opening
- 11c11c
- MontageflächeMounting surface
- 11d11d
- GrundkörperBasic body
- 11e11e
- AxialfortsatzAxial process
- 11f11f
- BefestigungsbereichFastening area
- 1212th
- LagerschildEnd shield
- 1313
- Lagerwarehouse
- 13a13a
- innerer Lagerringinner bearing ring
- 13b13b
- äußerer Lagerringouter bearing ring
- 13c13c
- DichtungsanordnungSealing arrangement
- 13d, e13d, e
- DichtscheibeSealing washer
- 13f13f
- LagerinnenraumWarehouse interior
- 1414
- Lagerwarehouse
- 1515
- Fluid-KühleinrichtungFluid cooling device
- 15a15a
- RotorkühlabschnittRotor cooling section
- 15b15b
- StatorkühlabschnittStator cooling section
- 1616
- KühlrohrCooling pipe
- 1717th
- TrägerelementCarrier element
- 1818th
- FluideingangFluid inlet
- 1919th
- FluidausgangFluid outlet
- 2020th
- DichtbereichSealing area
- 2121
- DichtelementSealing element
- 2222
- RaumbereichRoom area
- 2323
- GleitringdichtungMechanical seal
- 23a23a
- erster Abschnittfirst section
- 23b23b
- zweiter Abschnittsecond part
- 2424th
- VerschlussClasp
- 2525th
- PotenzialausgleichselementEquipotential bonding element
- 2626
- SchleifringanordnungSlip ring arrangement
- 2727
- DeckelementCover element
- 27a27a
- SteganordnungBridge arrangement
- 2828
- FluidzulaufkanalFluid inlet channel
- 2929
- FluidablaufkanalFluid drain channel
- 3030th
- FluidkühlmantelFluid cooling jacket
- 3131
- FluidkanalanordnungFluid channel arrangement
- 3232
- KühlmittelflanschCoolant flange
- 32a, b32a, b
- FluidkanalabschnittFluid channel section
- 3333
- LeckageraumLeakage room
- 3434
- Fluid-SammelbereichFluid collection area
- 34a34a
- verschließbare Eingriffsöffnunglockable opening
- 34b34b
- VerschlussdeckelSealing cover
- 34c34c
- Fluid-AblassöffnungFluid drain opening
- 34d34d
- AblasselementDrain element
- 3535
- Gas-SammelbereichGas collection area
- 35a35a
- Gas-AblassöffnungGas drain opening
- 3636
- Getriebetransmission
- 3737
- Zahnradgear
- 3838
- AbtriebselementOutput element
- 3939
- Lagerwarehouse
- 4040
- externer Kühlmittelanschlussexternal coolant connection
- 4141
- DruckausgleichselementPressure compensation element
- AA
- DrehachseAxis of rotation
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
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