DE102019124328A1 - Cooling device, electric motor and machine tool - Google Patents

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Abstract

Eine Kühlvorrichtung zur Kühlung einer rotierenden Welle (20) hat eine rotierende Welle (20), einen Kühlmittelkanal (16), der zumindest durch eine Wandung (26) der Welle (20) gebildet ist, einen mit dem Kühlmittelkanal (16) strömungstechnisch verbundenen Kühlmitteleinlass (12), und einen mit dem Kühlmittelkanal (16) strömungstechnisch verbundenen Kühlmittelauslass (14). Die Kühlvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmitteleinlass (12) und der Kühlmittelauslass (14) über einen Bypass (18) in direkter Strömungsverbindung miteinander stehen.A cooling device for cooling a rotating shaft (20) has a rotating shaft (20), a coolant channel (16) formed at least by a wall (26) of the shaft (20), and a coolant inlet fluidically connected to the coolant channel (16) (12), and a coolant outlet (14) fluidically connected to the coolant channel (16). The cooling device is characterized in that the coolant inlet (12) and the coolant outlet (14) are in direct flow connection with one another via a bypass (18).

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung zur Kühlung einer rotierenden Welle, mit einer rotierenden Welle, einem Kühlmittelkanal, der zumindest durch eine Wandung der Welle gebildet ist, einem mit dem Kühlmittelkanal strömungstechnisch verbundenen Kühlmitteleinlass und einem mit dem Kühlmittelkanal strömungstechnisch verbundenen Kühlmittelauslass. Ferner betrifft die Erfindung einen Elektromotor mit einer Kühlvorrichtung und eine Werkzeugmaschine mit einer Kühlvorrichtung.The invention relates to a cooling device for cooling a rotating shaft, with a rotating shaft, a coolant channel formed at least by a wall of the shaft, a coolant inlet fluidically connected to the coolant channel and a coolant outlet fluidically connected to the coolant channel. The invention also relates to an electric motor with a cooling device and a machine tool with a cooling device.

Gattungsgemäße Kühlvorrichtungen haben den Zweck, die rotierende Welle und mit der Welle gekoppelte oder in der Nähe der Welle angeordnete Bauteile zu kühlen, um ein Überhitzen dieser zu vermeiden.Generic cooling devices have the purpose of cooling the rotating shaft and components coupled to the shaft or arranged in the vicinity of the shaft in order to prevent the latter from overheating.

Das Kühlmittel, beispielsweise Öl, Wasser, Wasser-Glykol-Gemisch o.Ä., wird dabei von einem stehenden Bezugssystem (Kühlmitteleinlass) in die rotierende Welle geleitet. Nachdem das Kühlmittel in die rotierende Welle eingetreten ist, trifft es auf bereits rotierendes Kühlmittel oder auf die rotierende Wandung der Welle, wodurch es radial und in Umfangsrichtung beschleunigt wird und dabei kinetische Energie aufnimmt. Dabei kommt es zu einer Verwirbelung. Diese Verwirbelung kann zu einem den Durchfluss reduzierenden positiven Druckverlust im Kühlmittelkanal führen. Bei einer Rückführung des Kühlmittels in das stehende Bezugssystem (Kühlmittelauslass) kann die kinetische Energie einen negativen Druckverlust (Druckerhöhung) im stehenden Bezugssystem erzeugen, der einen unerwünschten Pumpeffekt und damit eine Erhöhung des Durchflusses nach sich zieht.The coolant, for example oil, water, water-glycol mixture or similar, is fed into the rotating shaft from a stationary reference system (coolant inlet). After the coolant has entered the rotating shaft, it encounters coolant that is already rotating or the rotating wall of the shaft, whereby it is accelerated radially and in the circumferential direction and absorbs kinetic energy in the process. This creates a turbulence. This turbulence can lead to a positive pressure loss in the coolant channel that reduces the flow. When the coolant is returned to the stationary reference system (coolant outlet), the kinetic energy can generate a negative pressure loss (pressure increase) in the stationary reference system, which results in an undesirable pumping effect and thus an increase in flow.

In beiden Fällen wird der Durchfluss des Kühlmittels abhängig von der Drehzahl der rotierenden Welle verändert. Dadurch ist ein erhöhter Aufwand bei der Durchflussregelung des Kühlmittels notwendig, um eine zuverlässige Kühlung zu gewährleisten.In both cases, the flow rate of the coolant is changed depending on the speed of the rotating shaft. This means that increased effort is required for regulating the flow of the coolant in order to ensure reliable cooling.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kühlvorrichtung bereitzustellen, in der die negativen Auswirkungen eines positiven oder negativen Druckverlustes, wie sie in einer gattungsgemäßen Kühlvorrichtung auftreten, reduziert oder vermieden werden.The object of the invention is to provide a cooling device in which the negative effects of a positive or negative pressure loss, as occur in a generic cooling device, are reduced or avoided.

Die Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Kühlvorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Kühlmitteleinlass und der Kühlmittelauslass über einen Bypass in direkter Strömungsverbindung miteinander stehen. Durch die strömungstechnische Kopplung des Kühlmitteleinlasses und des Kühlmittelauslasses wird die Druckdifferenz zwischen dem Kühlmitteleinlass und dem Kühlmittelkanal sowie die Druckdifferenz zwischen dem Kühlmittelkanal und dem Kühlmittelauslass reduziert. Hierdurch kann der Volumenstrom des Kühlmittels stabilisiert und wirkungstechnisch von der Drehzahl der Welle entkoppelt werden. Das vereinfacht die Volumenstromregelung des Kühlmittels.In the case of a generic cooling device, the object is achieved according to the invention in that the coolant inlet and the coolant outlet are in direct flow connection with one another via a bypass. The fluidic coupling of the coolant inlet and the coolant outlet reduces the pressure difference between the coolant inlet and the coolant channel and the pressure difference between the coolant channel and the coolant outlet. As a result, the volume flow of the coolant can be stabilized and decoupled from the speed of the shaft in terms of its effectiveness. This simplifies the volume flow control of the coolant.

Insbesondere ist zumindest ein Abschnitt der Welle von Kühlmittel umströmt oder das Kühlmittel strömt zumindest abschnittsweise innerhalb der Welle. In beiden Varianten ist der Kühlmittelkanal durch zumindest eine Wandung der Welle gebildet, sodass ein direkter Kontakt zwischen der Welle und dem Kühlmittel sichergestellt ist, wodurch die Welle durch das Kühlmittel effizient gekühlt wird.In particular, coolant flows around at least a section of the shaft or the coolant flows at least in sections within the shaft. In both variants, the coolant channel is formed by at least one wall of the shaft, so that direct contact between the shaft and the coolant is ensured, as a result of which the shaft is efficiently cooled by the coolant.

Eine Ausführungsform sieht vor, dass eine Kühllanze vorgesehen ist, die sich in die Welle erstreckt. Durch die Kühllanze kann das Kühlmittel tiefer in der Welle eingebracht werden, wodurch ein größerer Innenbereich der Welle mit Kühlmittel benetzt und eine einheitliche Strömungsrichtung erzielt werden kann. So kann eine effizientere Kühlung gewährleistet werden. Dementsprechend ist eine Austrittsöffnung der Kühllanze in der Welle angeordnet.One embodiment provides that a cooling lance is provided which extends into the shaft. The coolant can be introduced deeper into the shaft through the cooling lance, as a result of which a larger inner area of the shaft can be wetted with coolant and a uniform flow direction can be achieved. In this way, more efficient cooling can be guaranteed. Accordingly, an outlet opening of the cooling lance is arranged in the shaft.

Insbesondere ist der Kühlmittelkanal zusätzlich zu der zumindest einen Wandung der Welle durch zumindest eine Wandung der Kühllanze gebildet. Die Welle und die Kühllanze bilden demnach zumindest einen Teil des Kühlmittelkanals.In particular, in addition to the at least one wall of the shaft, the coolant channel is formed by at least one wall of the cooling lance. The shaft and the cooling lance accordingly form at least part of the coolant channel.

Die Kühllanze kann mit der Welle rotierbar ausgebildet sein oder statisch sein.The cooling lance can be designed to be rotatable with the shaft or it can be static.

Die Welle kann als Hohlwelle ausgebildet sein und/oder die Kühllanze kann als Hohlrohr ausgebildet sein. So kann Kühlmittel durch die Kühllanze in die Welle geleitet werden.The shaft can be designed as a hollow shaft and / or the cooling lance can be designed as a hollow tube. In this way, coolant can be directed into the shaft through the cooling lance.

Bevorzugt ist der Kühlmitteleinlass der Kühllanze zugeordnet und/oder ist der Kühlmittelauslass der Welle zugeordnet. So wird eine Zuführung und Abführung des Kühlmittels zur bzw. aus der Kühlvorrichtung gewährleistet.The coolant inlet is preferably assigned to the cooling lance and / or the coolant outlet is assigned to the shaft. This ensures that the coolant is supplied and discharged to and from the cooling device.

Insbesondere ist die Kühllanze Teil des Kühlmitteleinlasses. Die Kühllanze stellt somit eine Verlängerung des Kühlmitteleinlasses dar, der sich dadurch bis in die Welle erstreckt.In particular, the cooling lance is part of the coolant inlet. The cooling lance thus represents an extension of the coolant inlet, which as a result extends into the shaft.

Gemäß einem Aspekt sind der Kühlmitteleinlass, die Kühllanze, die Welle und der Kühlmittelauslass in der aufgezählten Reihenfolge strömungstechnisch in Serie geschalten. Auf diese Weise kann ein Volumenstrom an Kühlmittel vom Kühlmitteleinlass über die Kühllanze in die Welle und anschließend zum Kühlmittelauslass erfolgen, wodurch die Kühlung der Welle gewährleistet wird.According to one aspect, the coolant inlet, the cooling lance, the shaft and the coolant outlet are fluidically connected in series in the order listed. In this way, a volume flow of coolant can take place from the coolant inlet via the cooling lance into the shaft and then to the coolant outlet, which ensures that the shaft is cooled.

Bevorzugt ist der Bypass strömungstechnisch parallel zur Welle und insbesondere auch parallel zur Kühllanze geschaltet. So kann das Kühlmittel die Welle und insbesondere die Kühllanze über den Bypass zumindest teilweise umgehen. Dementsprechend kann bei einem Überschuss an Kühlmittel im Bereich des Kühlmitteleinlasses (positiver Druckverlust) Kühlmittel vom Kühlmitteleinlass über den Bypass zum Kühlmittelauslass strömen. Analog kann bei einem Überschuss an Kühlmittel im Bereich des Kühlmittelauslasses (negativer Druckverlust) Kühlmittel vom Kühlmittelauslass über den Bypass zum Kühlmitteleinlass strömen.In terms of flow, the bypass is preferably connected parallel to the shaft and in particular also parallel to the cooling lance. The coolant can thus at least partially bypass the shaft and in particular the cooling lance via the bypass. Accordingly, if there is an excess of coolant in the area of the coolant inlet (positive pressure loss), coolant can flow from the coolant inlet via the bypass to the coolant outlet. Similarly, if there is an excess of coolant in the area of the coolant outlet (negative pressure loss), coolant can flow from the coolant outlet via the bypass to the coolant inlet.

Ferner wird die Aufgabe erfindungsgemäß auch durch einen Elektromotor, insbesondere eines Fahrzeugs, mit einer Kühlvorrichtung der vorstehend beschriebenen Art gelöst.Furthermore, the object is also achieved according to the invention by an electric motor, in particular of a vehicle, with a cooling device of the type described above.

Beispielsweise ist die Welle hier als Rotorwelle des Motors ausgebildet. Die Kühlvorrichtung kann hierbei die Rotorwelle und mit der Rotorwelle gekoppelte oder in der Nähe der Rotorwelle angeordnete Bauteile kühlen, die zum Beispiel durch Abwärme aufgrund von Magnetisierungsverlusten erwärmt werden.For example, the shaft is designed here as a rotor shaft of the motor. The cooling device can cool the rotor shaft and components coupled to the rotor shaft or arranged in the vicinity of the rotor shaft, which components are heated, for example, by waste heat due to magnetization losses.

Ferner wird die Aufgabe erfindungsgemäß auch durch eine Werkzeugmaschine mit einer Kühlvorrichtung der vorstehend beschriebenen Art gelöst.Furthermore, the object is also achieved according to the invention by a machine tool with a cooling device of the type described above.

Beispielsweise ist die Welle hier als Spindel der Werkzeugmaschine ausgebildet.For example, the shaft is designed here as a spindle of the machine tool.

Die beschriebenen Vorteile und Eigenschaften der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung gelten gleichermaßen für den erfindungsgemäßen Elektromotor und die erfindungsgemäße Werkzeugmaschine.The described advantages and properties of the cooling device according to the invention apply equally to the electric motor according to the invention and the machine tool according to the invention.

Weitere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung sowie aus der beigefügten Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigt:

  • - 1 eine schematische Schnittansicht einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung.
Further advantages and properties of the invention emerge from the following description and from the accompanying drawing, to which reference is made. In the drawing shows:
  • - 1 a schematic sectional view of a first embodiment of a cooling device according to the invention.

Die in 1 gezeigte Kühlvorrichtung 10 umfasst einen Kühlmitteleinlass 12, einen Kühlmittelauslass 14, einen Kühlmittelkanal 16 und einen Bypass 18. Des Weiteren weist die Kühlvorrichtung 10 eine Welle 20 und eine Kühllanze 22 auf.In the 1 shown cooling device 10 includes a coolant inlet 12th , a coolant outlet 14th , a coolant channel 16 and a bypass 18th . Furthermore, the cooling device 10 a wave 20th and a cooling lance 22nd on.

Die Welle 20 ist als Hohlwelle ausgebildet, die zu einer Seite hin geöffnet ist. Die Kühllanze 22 ist als Hohlrohr geformt und weist an einer Stirnseite eine Austrittsöffnung 24 auf.The wave 20th is designed as a hollow shaft that is open on one side. The cooling lance 22nd is shaped as a hollow tube and has an outlet opening on one end face 24 on.

Der Kühlmitteleinlass 12 ist der Kühllanze 22 zugeordnet und geht in die Kühllanze 22 über oder, anders gesagt, die Kühllanze 22 schließt mit einer der Austrittsöffnung 24 entgegengesetzten Öffnung am Kühlmitteleinlass 12 an.The coolant inlet 12th is the cooling lance 22nd assigned and goes into the cooling lance 22nd above or, in other words, the cooling lance 22nd closes with one of the outlet openings 24 opposite opening on the coolant inlet 12th at.

Die Kühllanze 22 stellt hier eine Verlängerung des Kühlmitteleinlasses 12 dar und ist somit ein Teil des Kühlmitteleinlasses 12.The cooling lance 22nd represents an extension of the coolant inlet here 12th and is thus part of the coolant inlet 12th .

Die Kühllanze 22 erstreckt sich durch die geöffnete Seite der Welle 20 bis in die Welle 20, wobei die Austrittsöffnung 24 tief innerhalb der Welle 20 angeordnet ist.The cooling lance 22nd extends through the open side of the shaft 20th up into the wave 20th , the outlet opening 24 deep inside the wave 20th is arranged.

Der Kühlmittelkanal 16 schließt direkt an der Austrittsöffnung 24 an. Dabei ist der Kühlmittelkanal 16 durch eine Innenwandung 26 der Welle 20 und eine Außenwandung 28 der Kühllanze 22 gebildet.The coolant duct 16 closes directly at the outlet opening 24 at. Here is the coolant channel 16 through an inner wall 26th the wave 20th and an outer wall 28 the cooling lance 22nd educated.

Der Kühlmittelauslass 14 ist der Welle 20 zugeordnet oder, anders gesagt, die Welle 20 schließt mit der geöffneten Seite am Kühlmittelauslass 14 an.The coolant outlet 14th is the wave 20th assigned or, in other words, the wave 20th closes with the open side at the coolant outlet 14th at.

Über den Kühlmitteleinlass 12 und die Kühllanze 22 kann Kühlmittel in die Welle 20 und den Kühlmittelkanal 16 geleitet werden, wo es der Welle 20 und mit der Welle gekoppelten oder in der Nähe der Welle angeordneten Bauteilen Wärme entzieht und diese Wärme über den Kühlmittelauslass 14 beispielsweise zu einem Wärmetauscher weiterleitet.Via the coolant inlet 12th and the cooling lance 22nd can coolant into the shaft 20th and the coolant duct 16 be directed where there is the wave 20th and components coupled to the shaft or arranged in the vicinity of the shaft extract heat and this heat via the coolant outlet 14th for example forwards to a heat exchanger.

Der Kühlmitteleinlass 12, die Kühllanze 22, die Welle 20 und der Kühlmittelauslass 14 sind demnach strömungstechnisch in Serie geschalten.The coolant inlet 12th who have favourited the cooling lance 22nd , the wave 20th and the coolant outlet 14th are therefore connected in series in terms of flow.

Der Kühlmitteleinlass 12 und der Kühlmittelauslass 14 sind über den Bypass 18 strömungstechnisch verbunden. In anderen Worten ausgedrückt, sind der Kühlmitteleinlass 12 und der Kühlmittelauslass 14 über den Bypass 18 in direkter Strömungsverbindung miteinander.The coolant inlet 12th and the coolant outlet 14th are through the bypass 18th fluidically connected. In other words, are the coolant inlet 12th and the coolant outlet 14th via the bypass 18th in direct flow connection with each other.

Der Bypass 18 ist demnach strömungstechnisch parallel zur Kühllanze 22 und zur Welle 20 geschalten.The bypass 18th is therefore fluidically parallel to the cooling lance 22nd and to the wave 20th switched.

Dadurch können der Kühlmitteleinlass 12 und der Kühlmittelauslass 14 bei einer Druckdifferenz zwischen dem Kühlmitteleinlass 12 und dem Kühlmittelauslass 14 strömungstechnisch direkt miteinander kommunizieren.This allows the coolant inlet 12th and the coolant outlet 14th at a pressure difference between the coolant inlet 12th and the coolant outlet 14th Communicate directly with each other in terms of flow.

Genauer gesagt, kann bei einem positiven Druckverlust ein Teil des Kühlmittels vom Kühlmitteleinlass 12 durch den Bypass 18 direkt zum Kühlmittelauslass 14 strömen und bei einem negativen Druckverlust ein Teil des Kühlmittels vom Kühlmittelauslass 14 durch den Bypass 18 direkt zum Kühlmitteleinlass 12 zurückströmen.More precisely, with a positive pressure loss, some of the coolant can flow from the coolant inlet 12th through the bypass 18th directly to the coolant outlet 14th flow and, in the event of a negative pressure loss, part of the coolant from the coolant outlet 14th through the bypass 18th directly to the coolant inlet 12th flow back.

Ein positiver Druckverlust entsteht aufgrund einer Verwirbelung des Kühlmittels im Bereich der Austrittsöffnung 24, aufgrund dessen der Durchfluss an der Austrittsöffnung 24 reduziert wird. Als Folge daraus entsteht in der Kühllanze 22 und somit im Kühlmitteleinlass 12 ein Überdruck und im Kühlmittelkanal 16 und somit im Kühlmittelauslass 14 ein Unterdruck.A positive pressure loss arises due to turbulence in the coolant in the area of the outlet opening 24 , due to which the flow at the outlet opening 24 is reduced. As a result, arises in the cooling lance 22nd and thus in the coolant inlet 12th an overpressure and in the coolant duct 16 and thus in the coolant outlet 14th a negative pressure.

Ein negativer Druckverlust stellt sich ein, wenn beim Übergang zwischen der rotierenden Welle 20 und dem Kühlmittelauslass 14 eine Pumpwirkung aufgrund des rotierenden Kühlmittels erzeugt wird, wodurch der Durchfluss am Übergang erhöht wird. Als Folge daraus entsteht im Kühlmittelauslass 14 ein Überdruck und im Kühlmittelkanal 16, in der Kühllanze 22 und im Kühlmitteleinlass 12 ein Unterdruck.A negative pressure loss occurs when there is a transition between the rotating shaft 20th and the coolant outlet 14th a pumping action is generated due to the rotating coolant, whereby the flow is increased at the transition. As a result, arises in the coolant outlet 14th an overpressure and in the coolant duct 16 , in the cooling lance 22nd and in the coolant inlet 12th a negative pressure.

Der Druckverlust ist dabei abhängig von der Rotationsgeschwindigkeit und dem Durchmesser der Welle 20.The pressure loss depends on the speed of rotation and the diameter of the shaft 20th .

Zur Volumenstromregelung kann im Bypass 18 ein Ventil 30 vorgesehen sein.The bypass can be used for volume flow control 18th a valve 30th be provided.

Beispielsweise ist das Ventil 30 ein mechanisches Überdruckventil.For example, the valve is 30th a mechanical pressure relief valve.

Alternativ kann das Ventil 30 mit einem Drucksensor gekoppelt und elektronisch gesteuert sein.Alternatively, the valve 30th be coupled to a pressure sensor and electronically controlled.

Der Kühlmitteleinlass 12, der Kühlmittelauslass 14 und/oder der Bypass 18 können einen Teil des Kühlmittelkanals 16 bilden.The coolant inlet 12th , the coolant outlet 14th and / or the bypass 18th can be part of the coolant duct 16 form.

Claims (6)

Kühlvorrichtung zur Kühlung einer rotierenden Welle (20), mit einer rotierenden Welle (20), einem Kühlmittelkanal (16), der zumindest durch eine Wandung (26) der Welle (20) gebildet ist, einem mit dem Kühlmittelkanal (16) strömungstechnisch verbundenen Kühlmitteleinlass (12), und einem mit dem Kühlmittelkanal (16) strömungstechnisch verbundenen Kühlmittelauslass (14), dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmitteleinlass (12) und der Kühlmittelauslass (14) über einen Bypass (18) in direkter Strömungsverbindung miteinander stehen.Cooling device for cooling a rotating shaft (20), with a rotating shaft (20), a coolant channel (16) which is formed at least by a wall (26) of the shaft (20), a coolant inlet fluidically connected to the coolant channel (16) (12), and a coolant outlet (14) fluidically connected to the coolant channel (16), characterized in that the coolant inlet (12) and the coolant outlet (14) are in direct flow connection with one another via a bypass (18). Kühlvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühllanze (22) vorgesehen ist, die sich in die Welle (20) erstreckt.Cooling device after Claim 1 , characterized in that a cooling lance (22) is provided which extends into the shaft (20). Kühlvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmitteleinlass (12), die Kühllanze (22), die Welle (20) und der Kühlmittelauslass (14) in der aufgezählten Reihenfolge strömungstechnisch in Serie geschalten sind.Cooling device after Claim 2 or 3 , characterized in that the coolant inlet (12), the cooling lance (22), the shaft (20) and the coolant outlet (14) are fluidically connected in series in the order listed. Kühlvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypass (18) strömungstechnisch parallel zur Welle (20) geschaltet ist.Cooling device according to one of the preceding claims, characterized in that the bypass (18) is connected fluidically parallel to the shaft (20). Elektromotor mit einer Kühlvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Electric motor with a cooling device (10) according to one of the preceding claims. Werkzeugmaschine mit einer Kühlvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Machine tool with a cooling device (10) according to one of the preceding claims.
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