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Die Erfindung betrifft einen Elektromotor gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Stand der Technik
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Der Elektromotor eines elektrisch betriebenen Fahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs bedarf einer leistungsfähigen Kühleinrichtung, da eine effektive Kühlung entscheidenden Einfluss auf die Dauerleistungsfähigkeit geeigneter Antriebsmaschinen für solche Fahrzeuge hat. Besonders die Kühlung des schnelldrehenden Rotors stellt eine besondere technische Herausforderung dar. Elektromotoren (E-Motoren) mit Hohlwellenkühlung sind bekannt, beispielsweise aus der
DE 10 2015 214 309 A1 .
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Die relativ hohe Verlustleistung im E-Motor erfordert die bekannte Hohlwellenkühlung: Über eine statische Lanze wird üblicher Weise Kühlflüssigkeit durch einen Einlass in eine rotierende Hohlwelle gepumpt. Die Kühlflüssigkeit verlässt den Motor wieder durch einen nicht rotierenden Auslass. Die rotierende Hohlwelle wird gegenüber dem statischen Gehäuse mit einer Wellendichtung abgedichtet. Die Anforderungen sind hinsichtlich abzudichtendem Druck und Drehzahl hoch und nicht mehr mit einem herkömmlichen Radialwellendichtring aus einem Polymer abdichtbar. Eine Gleitringdichtung (GLRD) ist erforderlich, die sowohl dem Überdruck als auch der hohen Gleitgeschwindigkeit standhalten kann. Naturgemäß hat die GLRD dampfförmige Leckage. In der Regel ist der Raum, in den die Leckage eintritt, über einen Entlüftungskanal und ein atmungsfähiges Element entlüftet, durch das die Leckage aus dem System herausgeführt werden soll.
Dieses Belüftungselement setzt dem Austreten der Dampfleckage einen Widerstand entgegen, so dass sich in dem belüfteten Raum ein Druck aufbaut. Die Dampfleckage nimmt dann den Weg des geringsten Widerstands und tritt durch das Lager der Hohlwelle in den Motor ein. Die Feuchtigkeit schadet dem Lager und dem Motor und es kann im schlimmsten Fall zu einem Ausfall des Systems kommen.
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Aufgabenstellung
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Elektromotor mit Hohlwellenkühlung zu verbessern und die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise zu beheben.
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Technische Lösung
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Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Elektromotor mit den Merkmalen von Anspruch 1.
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Um zu vermeiden, dass die unter Druck stehende, dampfförmige Leckage durch das Lager in den Motor eindringt, muss zwischen der GLRD und dem Motorinnenraum ein Element integriert werden, das dies verhindert.
Dieses Element ist idealerweise trockenlauffähig und hat minimale Reibung. Eine herkömmliche Dichtung wie beispielsweise ein herkömmlicher Radialwellendichtring mit Elastomer-Dichtkante ist dafür nicht geeignet: die Gleitgeschwindigkeit bei gegebener Mangelschmierung und Druck ist zu hoch.
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Erfindungsgemäß wurde als vorteilhaft erkannt, eine Pumpeinrichtung zu verwenden, die einen Luftstrom aus dem Motor hinaus in den belüfteten Dampfleckageraum hinein erzeugt, also eine Pumpwirkung aufweist.
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Der erfindungsgemäße Elektromotor besitzt eine Hohlwellenkühlung und dient insbesondere für einen Antrieb eines Elektrofahrzeugs, wobei der Elektromotor eine Rotorhohlwelle aufweist und in der Rotorhohlwelle eine Hohllanze angeordnet ist, die so ausgebildet ist, dass sie eine Kühlflüssigkeit in einen Hohlraum der Rotorhohlwelle abgeben kann.
In vorteilhafter Weise ist zwischen dem Hohlraum und dem Motorinnenraum eine Wellendichtung angeordnet, insbesondere eine Gleitringdichtung,
ist abzweigend von dem Raum (Dampfleckageraum) zwischen Wellendichtung und dem Motorinnenraum ein Belüftungselement zum Abführen einer Dampfleckage angeordnet und,
ist zwischen Wellendichtung und Motorinnenraum eine Pumpeinrichtung angeordnet, zum Erzeugen eines Luftstroms in Richtung des Belüftungselements.
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Die technische Lösung besteht also darin, dass ein Bauteil verwendet wird, das eine Pumpwirkung aufweist und das einen Luftstrom aus dem Motor hinaus in den belüfteten Dampfleckageraum hinein erzeugt. Das Bauteil wird nachfolgend auch als Pumpeinrichtung bezeichnet. Der Luftstrom verhindert das Eintreten des Dampfes in den Motor und erzeugt in dem Dampfleckageraum einen Druck, der hoch genug ist, den Strömungswiderstand des Belüftungselements zu überwinden. Dadurch wird die Dampfleckage durch das Belüftungselement hindurch aus dem System hinaus nach außen gespült und eine Beschädigung des Systems verhindert. Das Bauteil sollte im Stillstand eine Leckage in den Motor hinein (Motorinnenraum) verhindern.
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Idealerweise ist das Bauteil zwischen der Gleitringdichtung und dem Motorinnenraum vor dem Lager angeordnet, so dass das Lager nicht durch die Feuchtigkeit gefährdet wird.
Idealerweise besteht die Pumpeinrichtung aus einem Dichtelement, das bei Stillstand der Welle geschlossen ist und bei rotierender Welle pumpt. Im Stillstand wird das mit einer gewissen Kontaktpressung am Gegenkörper anliegende Dichtelement durch den Luftstrom und dem durch die Pumpwirkung entstehenden Druck im Kontaktbereich entlastet. Im Idealfall wird das Dichtelement ganz vom Gegenkörper weggedrückt und berührt diesen nicht mehr.
Die Entlastung des Dichtelements und damit die Reduzierung der Anpressung im Kontaktbereich ist vorteilhaft, da dadurch das Reibmoment sinkt. Dies ist wichtig, da damit auch die Temperatur im Dichtkontakt sinkt und damit die Temperaturbelastung für alle beteiligten Komponenten sinkt und die Lebensdauer steigt. Außerdem sinkt in vorteilhafter Weise die Verlustleistung und damit steigt bei gegebener Batteriekapazität die Reichweite, wenn der Elektromotor in einem Elektrofahrzeug eingesetzt wird.
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Die Pumpeinrichtung kann in einer vorteilhaften Weiterbildung als pumpender Radialwellendichtring ausgeführt sein, insbesondere als PTFE-Dichtring (Polytetrafluorethylen) oder als energiesparender Radialwellendichtring (Von der Firma Freudenberg Sealing Technologies ist eine solche Dichtung unter dem Produktnamen ESS Energy Saving Simmering erhältlich).
Die Pumpeinrichtung kann in einer alternativen Weiterbildung als gasgeschmierte Gleitringdichtung ausgeführt sein. (Von der Firma Freudenberg Sealing Technologies ist eine solche Dichtung unter dem Produktnamen Levitex erhältlich).
Die Pumpeinrichtung kann in einer weiteren alternativen und vorteilhaften Ausführungsvariante als Kassettendichtung mit axialer Dichtungslippe ausgeführt sein. (Von der Firma Freudenberg Sealing Technologies ist eine solche Dichtung unter dem Produktnamen Casco erhältlich).
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Die erfindungsgemäß vorgesehene einen Luftstrom erzeugende Pumpeinrichtung kann - wie schon zuvor ausgeführt - als Dichtelement in unterschiedlicher Art ausgeführt sein. Dies wird nachfolgend noch näher ausgeführt:
- a) Radialwellendichtring mit Dichtmanschette und förderaktiven Elementen wie z.B. einem Fördergewinde. Vorzugsweise besteht die Dichtmanschette aus PTFE-Compound. Eine Dichtmanschette aus Elastomer ist ebenfalls möglich. Hierbei ist vorteilhaft, wenn das Fördergewinde zum belüfteten Raum (14) hin in eine geschlossene Dichtkante / Dichtwulst mündet, damit das Dichtelement bei Rückwärtsfahrt des Fahrzeugs die Feuchtigkeit / den Wasserdampf nicht in Richtung des Motorinneren pumpt. Prinzipiell sollte dies jedoch kein Problem darstellen, da der Anteil der Rückwärtsfahrt relativ zur Vorwärtsfahrt sehr gering ist.
- b) Axialwellendichtring so angeordnet, dass die Fliehkraft die Dicht- und Pumpwirkung unterstützt. Der Axialdichtring kann vorzugsweise mit förderaktiven Elementen wie beispielsweise einer Förderspirale ausgeführt sein, insbesondere in Form einer Kassettendichtung. Die Ausführung als Kassettendichtung hat den Vorteil, dass in der Gesamtkonstruktion keine Gegenlauffläche für die Dichtmanschette vorgesehen werden muss, sondern dass sowohl die Gegenlauffläche als auch die Dichtmanschette mit der Förderspirale in der Kassettendichtung integriert ist.
In einer Variante verfügt der Axialdichtring über einen Außenmantel aus Elastomer zum statischen Abdichten zum Gehäuse hin und über eine Auffangrinne für flüssige Leckage, die die aufgefangen Leckage um die Dichtung herum führt, so dass diese durch Gravitation nach unten geleitet wird und wieder in den Dichtkontakt zurückgeführt werden kann. Außerdem verfügt die Variante über eine zusätzliche Manschette, die vorzugsweise aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgeführt ist, beispielsweise aus einem PTFE-Compound oder einem Vliesstoff.
- c) Gasgeschmierte Gleitringdichtung so angeordnet, dass die Fliehkraft die Dicht- und Pumpwirkung unterstützt. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass ein Gleitring und ein Gegenring mit zunehmender Drehzahl durch das dank vorhandener Förderstrukturen entstehende Luftpolster auseinandergedrückt werden und sich nicht mehr berühren. Dies tritt ein, sobald die Druckkraft der Luftpolster die Kraft einer Feder überwindet. In einer möglichen Variante besteht die Feder aus einem Elastomerbalg.
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In Elektroantrieben für Elektrofahrzeuge und auch für andere Anwendungen treten häufig elektrische Spannungspotenziale auf. Die Ableitung dieser elektrostatischen Aufladung erfolgt über den Weg des geringsten elektrischen Widerstands. Dies ist häufig das Lager, beispielsweise ein Kugellager, das durch die Entladungen geschädigt wird und letztendlich versagt.
Um die Lager zu schützen, werden in der Regel Elemente eingesetzt, welche die rotierende Einheit und die statische Einheit elektrisch verbinden. Dies können Kohlebürsten, Bürstendichtungen oder elektrisch leitfähige Dichtungen sein.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der den Luftstrom erzeugenden Dichtung ist deshalb elektrisch leitfähig mit einem Widerstand kleiner als 10 Kilo-Ohm. In diesem Fall darf die Dichtlippe durch die Pumpwirkung und den daraus folgenden Luftstrom zwar entlastet werden, jedoch nicht ganz vom Gegenlaufkörper abheben, oder die Dichtung verfügt über ein weiteres, elektrisch leitfähiges Element, das für die elektrische Kopplung von Gehäuse und Welle sorgt.
Die beschriebene Erfindung und die beschriebenen vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung stellen auch in Kombination miteinander - soweit dies technisch sinnvoll ist - vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung dar.
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Hinsichtlich weiterer Vorteile und in konstruktiver und funktioneller Hinsicht vorteilhafter Ausgestaltungen der Erfindung wird auf die Unteransprüche sowie die Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren verwiesen.
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Ausführungsbeispiel
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Die Erfindung soll an Hand beigefügter Figuren noch näher erläutert werden. Einander entsprechende Elemente und Bauteile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen. Zugunsten einer besseren Übersichtlichkeit der Figuren wurde auf eine maßstabsgetreue Darstellung verzichtet.
Es zeigen in schematischer Darstellung
- 1 eine Schnittdarstellung eines E-Motors mit erfindungsgemäßer Pumpeinrichtung
- 2 eine alternative Ausführungsform des E-Motors
- 3 eine alternative Ausführungsform des E-Motors
- 4 eine alternative Ausführungsform des E-Motors
- 5 eine alternative Ausführungsform des E-Motors
- 6 eine Detaildarstellung einer Kassettendichtung mit axialer Dichtmanschette
- 7 eine Detaildarstellung einer gasgeschmierte Gleitringdichtung
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Die relativ hohe Verlustleistung im E-Motor erfordert die bekannte Hohlwellenkühlung: Über eine statische Lanze 3 wird Kühlflüssigkeit 11 durch den Einlass 12 in die rotierende Hohlwelle 9 gepumpt. Die Kühlflüssigkeit verlässt den Motor wieder durch den nicht rotierenden Auslass 13. Die rotierende Hohlwelle 9 wird gegenüber dem statischen Gehäuse 4 mit einer Wellendichtung 10 abgedichtet. Die Anforderungen sind hinsichtlich abzudichtendem Druck und Drehzahl hoch und nicht mehr mit einem herkömmlichen Radialwellendichtring aus einem Polymer abdichtbar. Eine Gleitringdichtung (GLRD) ist erforderlich, die sowohl dem Überdruck als auch der hohen Gleitgeschwindigkeit standhalten kann. Naturgemäß hat die GLRD dampfförmige Leckage. In der Regel ist der Raum 14, in den die Leckage eintritt, über einen Entlüftungskanal 5 und ein atmungsfähiges Element 6 entlüftet, durch das die Leckage aus dem System herausgeführt werden soll. Dieses Belüftungselement 6 setzt dem Austreten der Dampfleckage einen Widerstand entgegen, so dass sich in dem belüfteten Raum 14 ein Druck aufbaut. Die Dampfleckage nimmt dann den Weg des geringsten Widerstands und tritt durch das Lager 8 der Hohlwelle 9 in den Motor 1 ein. Die Feuchtigkeit schadet dem Lager 8 und dem Motor 1. Im schlimmsten Fall fällt das System aus.
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1 zeigt eine Schnittdarstellung eines E-Motors mit erfindungsgemäßer Pumpeinrichtung 7.
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2 zeigt eine alternative Ausführungsform des E-Motors, wobei die Pumpeinrichtung 7 als Radialwellendichtring mit Polymer-Manschette 7.1 ausgeführt ist.
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Der Radialwellendichtring 7.1 besitzt eine Dichtmanschette und förderaktive Elemente wie z.B. ein Fördergewinde. Vorzugsweise besteht die Dichtmanschette aus PTFE-Compound. Eine Dichtmanschette aus Elastomer ist ebenfalls möglich. Hierbei ist vorteilhaft, wenn das Fördergewinde zum belüfteten Raum 14 hin in eine geschlossene Dichtkante / Dichtwulst mündet, damit das Dichtelement bei Rückwärtsfahrt des Fahrzeugs die Feuchtigkeit / den Wasserdampf nicht in Richtung des Motorinneren pumpt. Prinzipiell sollte dies jedoch kein Problem darstellen, da der Anteil der Rückwärtsfahrt relativ zur Vorwärtsfahrt sehr gering ist.
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3 zeigt eine alternative Ausführungsform des E-Motors, wobei die Pumpeinrichtung 7 als Radialwellendichtring 7.2 ausgeführt ist.
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4 zeigt eine alternative Ausführungsform des E-Motors, wobei die Pumpeinrichtung 7 als gasgeschmierte Gleitringdichtung 7.3 ausgeführt ist.
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7 zeigt eine Detaildarstellung einer solchen gasgeschmierte Gleitringdichtung 7.3.
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Die gasgeschmierte Gleitringdichtung 7.3 ist so angeordnet, dass die Fliehkraft die Dicht- und Pumpwirkung unterstützt. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass Gleitring 7.3.1 und Gegenring 7.3.2 mit zunehmender Drehzahl durch das durch die Förderstrukturen 7.3.3 entstehende Luftpolster auseinandergedrückt werden und sich nicht mehr berühren. Dies tritt ein, sobald die Druckkraft der Luftpolster die Kraft der Feder überwindet. In der in 7 gezeigten Variante besteht die Feder aus einem Elastomerbalg 7.3.4.
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5 zeigt eine alternative Ausführungsform des E-Motors, wobei die Pumpeinrichtung 7 als Kassettendichtung mit axialer Dichtmanschette 7.4 ausgeführt ist.
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6 zeigt eine Detaildarstellung einer solchen Kassettendichtung 7.4 mit axialer Dichtmanschette.
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Der Axialwellendichtring 7.4 ist so angeordnet, dass die Fliehkraft die Dicht- und Pumpwirkung unterstützt. Der Axialdichtring kann vorzugsweise mit förderaktiven Elementen wie beispielsweise einer Förderspirale ausgeführt sein. 5 und 6 zeigen solch einen Axialdichtring in Form einer Kassettendichtung. Die Ausführung als Kassettendichtung hat den Vorteil, dass in der Gesamtkonstruktion keine Gegenlauffläche für die Dichtmanschette vorgesehen werden muss, sondern dass sowohl die Gegenlauffläche 7.4.3 als auch die Dichtmanschette 7.4.1 mit der Förderspirale 7.4.2 in der Kassettendichtung 7.4 integriert ist.
Die in 6 gezeigte Variante verfügt über einen Außenmantel aus Elastomer 7.4.6 zum statischen Abdichten zum Gehäuse hin und über eine Auffangrinne 7.4.4 für flüssige Leckage, welche die aufgefangen Leckage um die Dichtung herumführt, so dass diese durch Gravitation nach unten geleitet wird und wieder in den Dichtkontakt zurückgeführt werden kann.
Außerdem verfügt die in 6 gezeigte Variante über eine zusätzliche Manschette 7.4.5, die vorzugsweise aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgeführt ist, beispielsweise aus einem PTFE-Compound oder einem Vliesstoff.
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Bezugszeichenliste
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- 1.
- Motorinnenraum
- 2.
- Motoraußenraum
- 3.
- Hohllanze (statisch)
- 4.
- Gehäuse
- 5.
- Entlüftung (Teil des Belüftungselements)
- 6.
- Ventil oder atmungsfähiges Element (Teil des Belüftungselements)
- 7.
- Pumpeinrichtung, vorzugsweise in ein Dichtelement integriert
- 7.1
- Radialwellendichtring mit Dichtmanschette
- 7.2
- Radialwellendichtring
- 7.3
- Gasgeschmierte Gleitringdichtung
- 7.4
- Axialwellendichtring
- 8.
- (Kugel-) Lager
- 9.
- Rotorhohlwelle des Elektromotors
- 10.
- Wellendichtung, vorzugsweise Gleitringdichtung
- 11.
- Kühlflüssigkeit
- 12.
- Einlass Kühlflüssigkeit
- 13.
- Auslass Kühlflüssigkeit
- 14.
- Dampfleckageraum
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015214309 A1 [0002]
