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Die Erfindung betrifft eine Kühlanordnung für ein wärmeerzeugendes rotierendes Bauteil einer elektrischen Maschine umfassend eine drehbar gelagerte Rotorwelle, welche sich in einer axialen Richtung um eine Drehachse erstreckt, wobei die Rotorwelle eine sich in axialer Richtung erstreckende Rotorwellenaußenseite und in der axialen Richtung endseitig eine erste Stirnseite und eine zweite Stirnseite aufweist. Ferner betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine mit einer solchen Kühlanordnung.
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Elektrische Maschinen mit einem Rotor, welche drehbar um eine Rotorwelle gelagert ist, sowie einem Stator, erwärmen sich während der Energiewandlung von elektrischer in mechanische Energie und umgekehrt. Zu Erhöhung des Wirkungsgrades solcher elektrischen Maschinen und um die elektrischen Maschinen mit höheren Leistungen betreiben zu können ist es notwendig, diese zu kühlen. Es ist bekannt, die Rotorwellen solcher elektrischen Maschinen als Hohlwellen auszubilden, durch welche ein Kühlmedium ein- und durchströmen kann. Andere Lösungen sehen ein System vor bei der die Rotorwelle Bohrungen und mechanisch bearbeitete Rillen aufweist, welche mittels einer Stahlhülse umschlossen werden und so Kühlkanäle ausbilden.
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Die
DE 102012203697 A1 offenbart eine elektrische Maschine, insbesondere Asynchronmaschine, umfassend einen Stator, einen um eine Drehachse drehbar gelagerten Rotor der im Betrieb der elektrischen Maschine mit dem Stator magnetisch zusammenwirkt, eine Welle, auf der der Rotor befestigt ist und die eine axiale Bohrung aufweist, ein Zuflusselement, das sich so in die axiale Bohrung erstreckt, dass ein Kühlmittel, insbesondere eine Kühlflüssigkeit, aus dem Zuflusselement in die axiale Bohrung fließen kann.
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Die
US 2010264759 A1 offenbart ein Kühlsystem mit einem bürstenlosen Starter / Generator und einen Rotor, der drehbar in einem Stator montiert ist, der in einem Gehäuse montiert ist, und ein Ölkühlsystem, das Kühlöl von einem Motorzubehörgetriebe zum Kühlen des Rotors und des Stators verwendet. Der Rotor ist fest an einer Rotorwelle mit einem darin angeordneten Rotorwärmetauscher montiert. Ein Statorwärmetauscher zum Kühlen des Stators umfasst einen Ölmantel um das Gehäuse. Der Statorwärmetauscher weist ein genutetes Rohr um das Gehäuse und axial verlaufende axiale Durchgänge auf, die mit ringförmigen Einlass- und Auslassverteilern in dem genuteten Rohr verbunden sind. Die Rotorwelle ist betriebsmäßig mit einer Abtriebswelle innerhalb des Getriebes verbunden und drehbar durch ein Wellenlager in einem Getriebegehäuse des Zubehörgetriebes gelagert. Das Ölkühlsystem ist ein Ölkühlsystem mit trockenem Hohlraum, das verhindert, dass Kühlöl in einen Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator gelangt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Kühlanordnung zur Kühlung einer elektrischen Maschine und eine elektrische Maschine mit einer solchen Anordnung anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch die Angabe einer Kühlanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch die Angabe einer elektrischen Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst.
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In den Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Maßnahmen aufgelistet, die geeignet miteinander kombiniert werden können, um weitere Vorteile zu erzielen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch eine Kühlanordnung für ein wärmeerzeugendes rotierendes Bauteil einer elektrischen Maschine umfassend
eine drehbar gelagerte Rotorwelle, welche sich in einer axialen Richtung um eine Drehachse erstreckt, mit einer Rotorwellenaußenseite, wobei die Rotorwelle in der axialen Richtung endseitig eine erste Stirnseite und eine zweite Stirnseite aufweist, eine drehbar gelagerte Hohlwelle, welche koaxial zur Rotorwelle gelagert ist und mit dieser drehfest verbunden ist, wobei die Hohlwelle eine zur Rotorwellenaußenseite
weisende Hohlwelleninnenseite und einer dieser Hohlwelleninnenseite gegenüberliegenden Hohlwellenaußenseite aufweist, wobei die Hohlwelleninnenseite in einer radialen Richtung beabstandet zur Ausbildung eines Ringspaltes von der Rotorwellenaußenseite angeordnet ist,
ein Gehäuse, zur Aufnahme zumindest der Hohlwelle und der Rotorwelle,
ein Kühlmitteleinlass welcher in dem Gehäuse angeordnet ist, und mittels welchem ein Einlassen von Kühlmittel in den Ringspalt bewerkstelligbar ist,
ein Rückströmungskanal, welcher in der Rotorwelle angeordnet ist und welcher sich in der axialen Richtung in der Rotorwelle erstreckt,
ein Umlenkkanal, welcher sich vom Ringspalt in den Rückströmungskanal erstreckt zum Zuführen des im Ringspalt befindlichen Kühlmittels in den Rückströmungskanal einen Auslass zum Ausströmen des Kühlmittels aus dem Rückströmungskanal.
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Insbesondere ist der Rückströmungskanal mittig in der Rotorwelle angeordnet. Der Rückströmungskanal ist dabei zum Führen des Kühlmittels ausgestaltet. Vorzugsweise wird der Rückströmungskanal durch eine durchgängige Bohrung oder eine Sacklochbohrung hergestellt.
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Unter axialer Richtung wird dabei eine Richtung entlang der Drehachse verstanden.
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Die Kühlanordnung ist insbesondere für eine elektrische Maschine geeignet, welche einen wärmeproduzierenden Rotor aufweist, welcher thermisch mit der Hohlwelle verbunden ist. Ferner kann die elektrische Maschine noch einen Stator, der im Betrieb mit dem Rotor magnetisch zusammenwirkt, aufweisen. Bei Betrieb einer solchen elektrischen Maschine wird der Rotor in Drehung versetzt und erzeugt Abwärme, welche abgeführt werden muss.
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Die Kühlanordnung eignet sich jedoch auch für andere Bauteile, welche durch die Abwärme des Rotors erwärmt werden, und die thermisch mit der Hohlwelle verbunden sind.
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Durch die erfindungsgemäße Kühlanordnung kann Abwärme, welche beispielsweise in dem Rotor, der drehfest an der Hohlwelle verbunden ist oder anderen Bauteilen, die mit der Hohlwelle thermisch verbunden sind, abgeführt werden. Das durch den Ringspalt strömende Kühlmittel führt Abwärme von der Hohlwelle weg. Somit können wärmeerzeugende Bauteile, wie beispielsweise der Rotor gekühlt werden.
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Durch die Erfindung kann flüssiges Kühlmittel wie Wasser oder Öl aber auch Kühlmittel wie Luft verwendet werden, um eine effiziente Kühlung zu erzielen. Die Nähe des Kühlmittels zu wärmeerzeugenden Bauteilen, wie dem Rotor, ermöglicht einen sehr guten Wärmeabtransport durch das Kühlmittel und somit eine längere Lebensdauer der wärmeerzeugenden Bauteile. Ein Kontakt des Kühlmittels mit Teilen von Bauteilen, die im Betrieb elektrischen Strom führen, wird mittels der Erfindung vermieden. Weiterhin wird vermieden, dass das Kühlmittel aufgrund seiner Masse die Drehung der Hohlwelle und der Rotorwelle beeinträchtigt. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn als Kühlmittel eine Kühlflüssigkeit verwendet wird. Ferner kann eine Kühlung auch dann schon erfolgen, wenn die elektrische Maschine nicht im Betrieb ist.
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Bei der erfindungsgemäßen Kühlanordnung strömt das Kühlmittel durch den Kühlmitteleinlass in den Ringspalt und an der Hohlwelleninnenseite entlang und entzieht dem Rotor Abwärme. Die im Rotor aufgrund von in Leitern fließenden elektrischen Strömen sowie Lagerreibung entstehende Abwärme wird daher rasch abgeführt.
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Vorzugsweise erstreckt sich der zumindest eine Rückströmungskanal in axialer Richtung parallel zur Hohlwellenaußenseite.
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Vorzugsweise ist der Kühlmitteleinlass im Bereich der zweiten Stirnseite, und der Umlenkkanal im Bereich der ersten Stirnseite angeordnet. Dadurch strömt das Kühlmittel im Ringspalt über einen möglichst langen axialen Abschnitt, und kann somit besser die Abwärme aufnehmen.
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Vorteilhafterweise erstreckt sich der Kühlmitteleinlass in einer radialen Richtung durch das Gehäuse, wobei der Kühlmitteleinlass so im Gehäuse angeordnet ist, dass ein Einströmen des Kühlmittels in den Ringspalt in Richtung erster Stirnseite bewerkstelligbar ist. Der Kühlmitteleinlass ist vorzugsweise als Bohrung im Gehäuse ausgebildet. An der Bohrung kann zum Einleiten von Kühlmittel eine Hydraulikverschraubung mit einer Kühlmitteleinlassleitung, insbesondere einer Ölleitung, angeordnet sein. Die Bohrung kann Rillen oder eine Beschichtung auf ihrer Innenseite aufweisen zur Förderung einer turbulenzfreien Strömung.
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Der Kühlmitteleinlass ist vorzugsweise in Richtung zweite Stirnseite gesehen neben dem Rotor angeordnet und durchdringt weder die Hohlwelle noch den Rotor selber.
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Vorteilhafterweise ist ein Hohlraum, insbesondere ein ringförmiger Hohlraum vorgesehen, welcher zwischen der Rotorwellenaußenseite und dem Gehäuse angeordnet ist, wobei der Kühlmitteleinlass an den Hohlraum angrenzt, und wobei der Hohlraum mit dem Ringspalt eine Fluidverbindung ausbildet, so dass ein Einströmen des Kühlmittels vom Kühlmitteleinlass über den Hohlraum in den Ringspalt bewerkstelligbar ist.
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Vorzugsweise ist eine ringförmige Dichtung, welche im Gehäuse angeordnet ist, vorgesehen, wobei die Dichtung derart ausgestaltet ist, dass der Hohlraum zur zweiten Stirnseite abgedichtet ist und gleichzeitig ein Umlenken des vom Kühlmitteleinlass einströmenden Kühlmittels in den Ringspalt bewerkstelligbar ist. Die Dichtung lenkt das Kühlmittel in den Ringspalt. Wird als Kühlmittel Öl verwendet, so ist keine vollständige Abdichtung notwendig, da das durchtretende Öl beispielsweise in einen Ölsumpf oder ein Ölreservoir, abfließt. Weiterhin vorzugsweise besteht die Dichtung in diesem Fall aus einem kostengünstigen Prallblech. Auch kann die Dichtung als ein O-Ring ausgestaltet sein.
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Vorzugsweise ist der Umlenkkanal als eine sich in einer radialen Richtung erstreckende Bohrung ausgestaltet. Somit lässt sich der Umlenkkanal einfach herstellen.
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Vorzugsweise ist das Kühlmittel als Öl ausgebildet. Dadurch ist in vorteilhafter Weise einerseits eine gleichmäßige Kühlung unabhängig von der Drehzahl des Rotors möglich. Andererseits kann Öl bei einer elektrischen Maschine auch genutzt werden, um andere Komponenten der elektrischen Maschine, beispielsweise eine Mitnahmeverzahnung zwischen Rotorwelle und Hohlwelle, zu schmieren.
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Ferner lassen sich bei der Verwendung mit Öl im Vergleich zu Luft bei gleichen Kühlmittelmengen sehr große Wärmemengen abführen. Zudem ist Öl elektrisch nichtleitend, so dass keine besonderen Vorkehrungen in der Maschine in Bezug auf die elektrische Isolierung des Kühlmittels getroffen werden müssen. Vorzugsweise kann zudem bei der Verwendung mit Öl ein geschlossener Ölkühlkreislauf erzielt werden, der einen außerhalb der elektrischen Maschine angeordneten Wärmetauscher und eine Ölfördereinrichtung, beispielsweise eine Ölpumpe, und das Öl von einem Ölsumpf umfasst. Vorzugsweise ist zum Auslass ein Ölauslass vorgesehen, welcher sich vom Rückströmungskanal bis zu dem Ringspalt erstreckt.
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In bevorzugter Ausgestaltung ist im Gehäuse ein Ölsumpf und ein Rückführungskanal angeordnet, wobei der Rückführungskanal zur Rotorwellenaußenseite zum Einströmen von Öl ausgebildet ist, insbesondere hierzu einen Einlass bzw. Öffnung aufweist, und wobei der Rückführungskanal an den Ölsumpf angrenzt, so dass ein Einströmen des Öls vom Rückführungskanal in den Ölsumpf bewerkstelligbar ist.
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Der Ölsumpf ist somit das Ölreservoir. Dieses kann beispielsweise durch eine Gehäusetasche ausgebildet sein.
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Weiter vorzugsweise ist als Auslass ein Ölauslass vorgesehen, welcher sich von dem Rückströmungskanal durchgängig in radialer Richtung bis zur Rotorwellenaußenseite erstreckt, wobei der Ölauslass so angeordnet ist, dass der Ölauslass an den Rückströmungskanal in radialer Richtung angrenzt, so dass das Öl vom Ölauslass im Wesentlichen in den Rückströmungskanal einströmt. Im Wesentlichen bedeutet hier, dass der Ölauslass mit den Rückströmungskanal nicht fluiddicht bzw. öldicht verbunden ist, sodass in axialer Richtung geringe Mengen an Öl entweichen können. So wird hiermit ein geschlossener Ölkühlkreislauf angegeben.
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Ferner bevorzugt ist der Rückströmungskanal als durchgängige, sich in axialer Richtung erstreckende Bohrung in der Rotorwelle ausgebildet, wobei im Bereich der ersten Stirnseite ein erstes Dichtelement und im Bereich der zweiten Stirnseite ein zweites Dichtelement angeordnet sind, welche ein Ausströmen des Öls in axialer Richtung aus dem Rückströmungskanal verhindern. Vorzugsweise sind die Dichtelemente Dichtstopfen. Somit kann ein einfaches Herstellen des Rückströmungskanales bewerkstelligt werden. Die axiale Bohrung erstreckt sich vorteilhafterweise um die Drehachse herum. Die Dichtelemente sind vorzugsweise Dichtstopfen. Die Dichtelemente sind derart angeordnet, dass ein Einströmen des Kühlmittels vom Umlenkkanal in den Rückströmungskanal und ein
Einströmen des Kühlmittels vom Rückströmungskanal in den Ölauslass ermöglicht wird.
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Vorzugsweise ist der Rückströmungskanal als sich in axialer Richtung erstreckende Sacklochbohrung in der Rotorwelle ausgebildet, wobei das Sackloch im Bereich der zweiten Stirnseite ausgebildet ist und wobei im Bereich der ersten Stirnseite ein Dichtelement angeordnet ist, welches ein Ausströmen des Öls aus dem Rückströmungskanal an der ersten Stirnseite in axialer Richtung verhindert.
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Alternativ ist der Rückströmungskanal als sich in axialer Richtung erstreckende Sacklochbohrung in der Rotorwelle ausgebildet, wobei das Sackloch im Bereich der ersten Stirnseite ausgebildet ist und wobei im Bereich der zweiten Stirnseite ein Dichtelement angeordnet ist, welches ein Ausströmen des Öls aus dem Rückströmungskanal an der zweiten Stirnseite in axialer Richtung verhindert.
Somit kann auf ein Dichtelement verzichtet werden.
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Das Dichtelement und das Sackloch sind derart angeordnet, dass ein Einströmen des Kühlmittels vom Umlenkkanal in den Rückströmungskanal und ein Einströmen des Kühlmittels vom Rückströmungskanal in den Ölauslass ermöglicht wird.
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Vorzugsweise erstreckt sich der Rückströmungskanal von der zweiten Stirnseite in axialer Richtung in die Rotorwelle, wobei als Auslass der Rückströmungskanal eine Öffnung in der zweiten Stirnseite aufweist, zum Auslassen des Kühlmittels.
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Dadurch kann auf eine separate radiale Bohrung zum Ausführen des Kühlmittels verzichtet werden. Insbesondere eignet sich diese Alternative, wenn beispielsweise Wasser als Kühlmittel verwendet wird. Der Rückströmungskanal ist hierbei vorzugsweise als sich in axialer Richtung erstreckende Sacklochbohrung in der Rotorwelle ausgebildet, wobei das Sackloch im Bereich der ersten Stirnseite ausgebildet ist. Alternativ ist der Rückströmungskanal ein durchgängiger Kanal, wobei im Bereich der ersten Stirnseite ein Dichtelement angeordnet ist, welches ein Ausströmen des Kühlmittels aus dem Rückströmungskanal an der zweiten Stirnseite in axialer Richtung verhindert.
Somit ist ein einfaches Auslassen des Kühlmittels möglich.
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Vorzugsweise sind die Öffnung und der Rückströmungskanal als eine gemeinsame Bohrung in der Rotorwelle ausgestaltet. Die Bohrung kann Rillen und/oder eine Beschichtung aufweisen, welche eine turbulenzfreie Durchströmung des Kühlmittels fördert.
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Vorzugsweise umfasst die Hohlwellenaußenseite eine zylindrische Mantelfläche. Somit ergibt sich eine große Kontaktfläche zwischen beispielsweise dem Rotor und der Hohlwelle, welche das Kühlmittel führt.
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Vorzugsweise umfasst die zylindrische Mantelfläche mehrere parallel zueinander angeordnete Längsnuten, welche sich entlang der axialen Richtung erstrecken. In bevorzugter Ausgestaltung verteilen sich die mehreren parallelen Längsnuten gleichmäßig über einen Umfang der Hohlwellenaußenseite.
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Durch die Längsnuten ergibt sich eine im Wesentlich sternförmige Form der Hohlwelle. Dadurch entsteht sowohl an der Kontaktfläche zum wärmeerzeugenden an der Hohlwelle angeordneten Bauteil, insbesondere dem Rotor, eine gute Wärmeleitung, als auch bei den Längsnuten durch Wärmestrahlung eine gute Wärmeabgabe an das Kühlmittel.
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Vorzugsweise ist die Struktur eine Rillenstruktur. Somit kann eine laminare Strömung ausgebildet werden. Turbulenzen welche die Drehung der Rotorwelle und der Hohlwelle stören können werden vermieden. Somit kann eine effizientere Kühlung erzielt werden. Der zumindest eine Hohlwellenkanal und/oder der zumindest eine Zufuhrkanal und/oder der zumindest einen Auslasskanal können als Bohrung hergestellt werden.
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Ferner wird die Aufgabe gelöst durch eine elektrische Maschine mit einer wie oben beschriebenen Kühlanordnung zum Betreiben eines Fahrzeugs. Die elektrische Maschine kann einen Stator und einen Rotor aufweisen, welche magnetisch zusammenwirken. Sowohl der Stator als auch der Rotor können eine oder mehrere Wicklungen aufweisen. Bei einem Betrieb der elektrischen Maschine kann über die Wicklung des Stators elektrische Energie zugeführt werden und durch das magnetische Zusammenwirken zwischen Stator und Rotor in mechanische Energie umgewandelt werden. Dabei wird der Rotor in Drehungen versetzt, wodurch mittels der Rotorwelle mechanische Energie in Form einer Drehbewegung an einen Verbraucher abgegeben wird. Die Rotorwelle als auch die Hohlwelle ist mithilfe von Lagern am Gehäuse befestigt. Als Lager können Gleitlager oder Wälzlager eingesetzt werden, welche hier als Loslager ausgestaltet sind.
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Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren. Darin zeigen schematisch:
- 1: eine erste Ausgestaltung einer elektrischen Maschine gemäß der Erfindung,
- 2: eine erfindungsgemäße elektrische Maschine im Betrieb,
- 3: eine zweite Ausgestaltung einer elektrischen Maschine gemäß der Erfindung,
- 4: exemplarisch eine elektrische Maschine gemäß der Erfindung im Betrieb,
- 5: eine erste Ausgestaltung einer Hohlwelle,
- 6: eine zweite Ausgestaltung einer Hohlwelle.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße elektrische Maschine 1 mit einem Rotor 9. Das Kühlmittel ist hier vorzugsweise als ein Öl ausgebildet.
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Im Betrieb erzeugt der Rotor 9 Abwärme. Für einen besseren Betrieb und zur Erhöhung der Lebensdauer der elektrischen Maschine 1 muss diese Abwärme abgeführt werden.
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Die elektrische Maschine 1 weist eine Rotorwelle 2 in einem Gehäuse 6 auf, welche sich in einer axialen Richtung A um eine Drehachse D erstreckt. Die Rotorwelle 2 weist in axialer Richtung A eine Rotorwellenaußenseite 5 auf. Ferner weist die Rotorwelle in der axialen Richtung endseitig eine erste Stirnseite 20 und eine zweite Stirnseite 21 auf. Die Rotorwelle 2 ist in dem Gehäuse 6 angeordnet.
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Die elektrische Maschine 1 weist eine sich in axialer Richtung A um die Drehachse D erstreckende Hohlwelle 11 auf. Diese ist koaxial zur Rotorwelle 2 angeordnet.
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Die Hohlwelle 11 weist eine Hohlwelleninnenseite 12, welche zur Rotorwelle 2 zeigt und eine der Hohlwelleninnenseite 12 gegenüberliegende Hohlwellenaußenseite 13 auf.
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Die Hohlwelleninnenseite 12 ist in radialer Richtung R beabstandet von der Rotorwellenaußenseite 5 angeordnet, wodurch ein Ringspalt 14 ausgebildet wird.
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Die elektrische Maschine 1 weist einen Rotor 9 in dem Gehäuse 6 auf, welcher koaxial zur Rotorwelle 2 gelagert ist und welcher mit der Hohlwelle 11 mittels einer kraftschlüssigen Pressverbindung 28 drehfest verbunden ist. Dadurch entsteht eine Kontaktfläche, an welcher der Rotor 9 Abwärme an die Hohlwelle 12 abgeben kann.
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Weiterhin ist ein Stator (nicht gezeigt) vorgesehen, welcher in dem Gehäuse 6 befestigt ist und bevorzugt mit dem Rotor 9 magnetisch zusammenwirkt.
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Die Rotorwelle 1 ist auf einer ersten Stirnseite 20 mit einem Geberrad 3 drehfest verbunden. Das Geberrad 3 ist koaxial zur Drehachse D angeordnet. Das Geberrad 3 weist bevorzugt entlang seines Außenumfangs verschiedene Zähne (nicht gezeigt) und einen Hall- oder einen Induktivsensor (nicht gezeigt) auf. Wird ein mit Zähnen ausgestaltetes Geberrad 3 an dem Hall- oder dem Induktivsensor (nicht gezeigt) vorbeibewegt, in dessen Nähe sich ein Magnet befindet, kann der Hall- oder der Induktivsensor die durch die Zähne hervorgerufenen Magnetfeldänderungen registrieren und so Informationen wie Drehzahl und Drehrichtung über die Drehlage des Geberrads 3 bzw. der mit dem Geberrad 3 verbundenen Rotorwelle 2 liefern. Alternativ können die Zähne (nicht gezeigt) beispielsweise mit einer Markierung versehen sein, die von einem dafür ausgestalteten Sensor (nicht gezeigt) erfasst werden können.
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An der geberradabgewandten zweiten Stirnseite 21 kann die Rotorwelle 2 eine Befestigungsscheibe/Flansch und eine Befestigungsschraube aufweisen.
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Die Rotorwelle 2 und das Geberrad 3 sind durch einen (dreh)starren Lagerdeckel 4 abgedeckt. Das Geberrad 3 ist drehfest mit der Rotorwelle verbunden. Der Lagerdeckel 4 weist vorzugsweise einen Bereich auf, der mit der Rotorwelle 2 und dem Geberrad 3 korrespondiert sowie Befestigungsbereiche zur Verbindung des Lagerdeckels 4 mit einem Gehäuse 6 beispielsweise mittels Schrauben. Durch die Schrägverzahnung der Rotorwelle 2 nimmt der Lagerdeckel 4 Kräfte auf.
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Ferner ist eine sich in axialer Richtung A um die Drehachse D erstreckende Hohlwelle 11 vorgesehen. Diese ist koaxial und beabstandet zur Rotorwelle 2 angeordnet. Dabei weist die Hohlwelle 11 eine Hohlwelleninnenseite 12, welche zur Rotorwelle 2 zeigt und eine der Hohlwelleninnenseite 12 gegenüberliegende Hohlwellenaußenseite 13 auf.
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Die Hohlwelleninnenseite 12 ist radial beabstandet von der Rotorwellenaußenseite 5 durch einen Ringspalt 14 angeordnet.
Die Hohlwelle 11 bzw. die Hohlwelleninnenseite 12 umschließt das Geberrad 2 zumindest teilweise in axialer Richtung A.
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Die Hohlwelle 11 bzw. Hohlwelleninnenseite 12 umschließt die Rotorwelle 2 bzw. Rotorwellenaußenseite 5 nur teilweise in axialer Richtung A.
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Am geberseitigen ersten Stirnende 20 der Rotorwelle 2 ist an der Rotorwellenaußenseite 5 eine erste Mitnahmeverzahnung 15 angeordnet, wobei sich die Mitnahmeverzahnung 15 über einen vorgegebenen Abschnitt erstreckt. Korrespondierend zu der ersten Mitnahmeverzahnung 15 ist auf der Hohlwelleninnenseite 12 eine zweite Mitnahmeverzahnung 16 angeordnet, welche mit der ersten Mitnahmeverzahnung 15 in Eingriff steht. Durch die erste Mitnahmeverzahnung 15 und die zweite Mitnahmeverzahnung 16 sind die Rotorwelle 2 und die Hohlwelle 11 drehfest verbunden.
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Zwischen dem Geberrad 3 und der Hohlwelleninnenseite 12 in Richtung des Lagerdeckels 4 ist eine Lagerdichtung 24, vorzugsweise ein O-Ring angeordnet, um ein unkontrolliertes Ausströmen des Öls, zum Schutz beispielsweise eines fettgeschmierten Lagers oder anderen Bauteile zu verhindern. Andere Dichtringe oder Dichtungspakete anstatt des O-Rings können ebenfalls verwendet werden. Alternativ oder optional ergänzend kann eine zweite Dichtung (nicht gezeigt) der Mitnahmeverzahnungen 15, 16 in Richtung Geberrad 3 axial nachgeordnet im Ringspalt 14 angeordnet sein.
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Die Rotorwelle 2 weist einen sich in axialer Richtung R erstreckenden Rückströmungskanal 18 auf. Der Rückströmungskanal 18 kann durch eine durchgängige Bohrung hergestellt werden. Der Rückströmungskanal 18 kann sowohl an seinem der ersten Stirnseite 20 zugewandten Ende einen Dichtstopfen 19b als auch an seinem der zweiten Stirnseite 21 zugewandten Ende ein Dichtstopfen 19a aufweisen. Ist der Rückströmungskanal 18 als Sackloch ausgebildet, so kann je nach Lage des Sacklochendes auf einen der Dichtstopfen 19a, 19b verzichtet werden.
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Ferner ist ein Rotor 9 vorgesehen, welcher um die Drehachse D drehbar gelagert ist und welcher mit der Hohlwelle 11 mittels einer Pressverbindung drehfest verbunden ist.
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Das Gehäuse 6 ist vorzugsweise zur Aufnahme zumindest des Rotors 9, der Rotorwelle 2 und der Hohlwelle 11 und vorzugsweise auch eines Ölsumpfs 29 ausgebildet.
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Der Kühlmitteleinlass 25 erstreckt sich in einer radialen Richtung R im Gehäuse 6. Ferner ist der Kühlmitteleinlass 25 so im Gehäuse 6 angeordnet, dass ein Einströmen des Öls in den Ringspalt 14 in Richtung erster Stirnseite 20 bewerkstelligbar ist. Das heißt, dass der Kühlmitteleinlass 25 an einem zur zweiten Stirnseite 21 hinweisenden Ringspaltende des Ringspaltes 14 angeordnet ist. Ferner ist der Kühlmitteleinlass 25 zum Einlassen von Öl in den Ringspalt 14 ausgestaltet.
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Der Kühlmitteleinlass 25 ist dabei als durchgängige Bohrung in dem Gehäuse 6 vorgesehen. Der Kühlmitteleinlass 25 endet in einem ringförmigen Hohlraum 26, welcher sich dem Ringspalt 14 in Richtung zweiter Stirnseite 21 anschließt und mit dem Ringspalt 14 einen fluiden Durchfluss ausbildet. Der Hohlraum 26 wird zur zweiten Stirnseite 21 durch eine ringförmige Dichtung 27, welche zwischen dem Gehäuse 6 und der Rotorwelle 2 angeordnet ist, abgedichtet, so dass das Öl vom Hohlraum 26 in den Ringspalt 14 in Richtung Geberrad 3, d.h. erster Stirnseite 20 einströmt und den Ringspalt 14 in dieser Richtung entlangströmt.
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Ferner ist ein Umlenkkanal 23 vorgesehen, welcher sich vom Ringspalt 14 in den Rückströmungskanal 18 in einer radialen Richtung R erstreckt, zum Zuführen des im Ringspalt 14 befindlichen Öls in den Rückströmungskanal 18. Dabei ist der Umlenkkanal 23 in axialer Richtung A nach der Mitnahmeverzahnung 15,16 in Richtung zweiter Stirnseite 21 gesehen angeordnet. Durch den Umlenkkanal 23 fließt das Öl in den Rückströmungskanal 18 ein und durchströmt den Rückströmungskanal 18 in zur Fließrichtung des Öls in dem Ringspalt 14 entgegengesetzter Richtung.
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Der Kühlmitteleinlass 25 ist im Bereich der zweiten Stirnseite 21, und der Umlenkkanal 23 im Bereich der ersten Stirnseite 20 angeordnet. Dadurch strömt das Öl im Ringspalt 14 über einen möglichst langen axialen Abschnitt, und kann somit besser die Abwärme aufnehmen.
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Das Öl strömt im Ringspalt 14 in Richtung der ersten Stirnseite 20 und im Rückströmungskanal 18 in Richtung zweiter Stirnseite 21, d. h., das Öl strömt im Ringspalt 14 und im Rückströmungskanal 18 jeweils in entgegengesetzte Richtung.
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Zudem ist im Gehäuse 6 ein Ölsumpf 29 und ein Rückführungskanal 30 angeordnet, wobei der Rückführungskanal 30 zur Rotorwellenaußenseite 5 zum Einströmen von Öl ausgebildet ist.
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Der Rückführungskanal 30 ist zur Rotorwellenaußenseite 5 hin geöffnet. Zudem mündet der Rückführungskanal 30 in den Ölsumpf 29 ein. Der Ölsumpf kann dabei als ein Ölreservoire ausgebildet sein. Dieser kann beispielsweise durch eine Gehäusetasche ausgebildet sein.
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Weiterhin ist als Auslass ein Ölauslass 17 vorgesehen, welcher sich von dem Rückströmungskanal 18 durchgängig in radialer Richtung R bis zur Rotorwellenaußenseite 5 erstreckt, wobei der Ölauslass 17 so angeordnet ist, dass der Ölauslass 17 an den Rückführungskanal 30 in radialer Richtung R angrenzt, so dass das Öl vom Ölauslass im Wesentlichen in den Rückführungskanal 30 einströmt. Im Wesentlichen bedeutet hier, dass der Ölauslass 17 mit den Rückführungskanal 30 nicht fluiddicht bzw. öldicht verbunden ist, sodass in axialer Richtung A geringe Mengen an Öl entweichen können.
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So wird hiermit ein geschlossener Ölkühlkreislauf angegeben.
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Dabei ist der Ölauslass 17 in axialer Richtung A, in Richtung zweiter Stirnseite 21 gesehen, nach der Dichtung 27 angeordnet. Somit wird verhindert, dass ein großer Teil des durch den Kühlmitteleinlass 25 einströmenden Öls in den Ölsumpf 29 zurückströmt, ohne vorher entlang des Ringspaltes 14 zu strömen und dabei Abwärme aufzunehmen.
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Da die Dichtung 27 nicht für eine vollständige Abdichtung ausgelegt sein muss, kann diese als kostengünstiges Prallblech ausgestaltet sein.
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Ferner weist die elektrische Maschine 1 ein Loslager 8 auf, mit welchem die Hohlwelle 11 im Gehäuse 6 angeordnet ist. Das Loslager 8 weist zum Hohlraum 26 einen Loslagerdurchgang 33 auf. Um ein Eindringen von Öl in das Loslager 8 zu verhindern, ist eine Loslagerdichtung 32, insbesondere ein O-Ring in dem Loslagerdurchgang 33 angeordnet.
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Ferner ist ein Stator (nicht gezeigt) vorgesehen, welcher am Rotor 9 angeordnet ist.
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2 zeigt eine erfindungsgemäße elektrische Maschine 1 im Betrieb (durch Pfeile gekennzeichnet). Öl wird dabei von einer nicht gezeigten Ölfördereinrichtung beispielsweise einer elektrischen oder mechanischen Ölpumpe durch eine Hydraulikölleitung (nicht gezeigt) von dem Ölsumpf 29 zu dem Kühlmitteleinlass 25 gepumpt. In der Hydraulikölleitung (nicht gezeigt) kann ein Kühler vorgesehen sein, welches das erwärmte Öl herunterkühlt.
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Der Kühlmitteleinlass 25 weist vorzugsweise eine Hydraulikverschraubung (nicht gezeigt) auf, so dass ein einfaches Anbinden der Hydraulikölleitung (nicht gezeigt) an den Kühlmitteleinlass 25 gewährleistet ist.
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Der Kühlmitteleinlass 25 kann zur besseren Durchströmung des Öls an seiner Innenseite beschichtet sein und oder Rillen aufweisen.
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Nach dem Durchströmen des Kühlmitteleinlasses 25 tritt das Öl in den Hohlraum 26 ein. Von dort wird es durch die Dichtung 27 in den Ringspalt 14 in Richtung erster Stirnseite 20 eingeleitet.
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Die Dichtung 27 kann als O-Ringdichtung oder als Radialwellendichtring ausgeführt sein, oder als Prallblech, wobei bei letztem auch eine geringe Menge Öl in Richtung zweiter Stirnseite 21 fließen kann.
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Ferner kann die Dichtung 27 eine Umlenkbiegung aufweisen, welche ein Fließen des Öls in Richtung Ringspalt 14 begünstigt.
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Das Öl fließt somit den Ringspalt 14 in Richtung erster Stirnseite 20 entlang. Vorzugsweise schmiert das Öl die Mitnahmeverzahnung 15,16 sowie andere im Ringspalt 14 hineinragende Verzahnungen. Somit kann auf eine separate Schmierung dieser Bauteile verzichtet werden.
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Das entlangströmende Öl nimmt die Abwärme auf, welche vom Rotor 9 an die Hohlwelle 11 übertragen und von dieser an das Öl weitergegeben wird. Somit kann das Öl die vom Rotor 9 erzeugte Abwärme abführen.
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Dadurch ist eine effiziente Kühlung des Rotors 9 bzw. der elektrischen Maschine 1 möglich. Dadurch kann die E-Maschine mit hohen Leistungen betrieben werden. Zudem ergibt sich aufgrund der Konstruktion nur ein geringer Druckverlust. Ferner sind nur geringe Konstruktionsänderungen notwendig, da die Mitnahmeverzahnung 15,16 ebenfalls durch Öl geschmiert werden muss.
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Das Öl fließt anschließend zum großen Teil in den Umlenkkanal 23, welche sich radial vom Ringspalt 14 bis zum Rückströmungskanal 18 erstreckt. Der Umlenkkanal 23 kann auch als ein Array von Umlenkkanälen 23 ausgestaltet sein, welche sich jeweils vom Ringspalt 14 bis zum Rückströmungskanal 18 erstrecken. Nachdem der Ringspalt 14 möglichst weit von Öl durchflossen wurde, fließt das Öl in den Umlenkkanal 23 ein, und wird von diesem in den Rückströmungskanal 18 umgelenkt. Der Umlenkkanal 23 ist vorzugsweise eine sich in der radialen Richtung R erstreckende Bohrung.
Im Rückströmungskanal 18 strömt das Öl in der Gegenrichtung anschließend durch die Rotorwelle 2 zurück.
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Nach Durchströmen des Rückströmungskanals 18 fließt das Öl durch den Ölauslass 17 in den Rückführungskanal 30, welcher im Ölsumpf 29 einmündet. Dadurch ergibt sich ein geschlossener Ölkühlkreislauf für die elektrische Maschine 1.
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Der Ölauslass 17 und/oder der Umlenkkanal 23 als auch der Rückströmungskanal 18 sind bevorzugt als Bohrungen ausgeführt. Zudem können diese beispielsweise eine Innenbeschichtung oder eine Innenstrukturierung zur verbesserten Ölführung aufweisen. Somit kann eine verbesserte laminare Strömung erzielt werden.
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3 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer elektrischen Maschine 1a mit einer Öffnung 22 als Auslass. Gleiche Bezugszeichen kennzeichnen gleiche Elemente.
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Hierbei ist der Kühlmitteleinlass 25 ebenfalls im Gehäuse 6 angeordnet. Der Kühlmitteleinlass 25 mündet in den Hohlraum 26 ein, welcher zur zweiten Stirnseite 21 eine Dichtung 27 aufweist. Der Kühlmitteleinlass 25 erstreckt sich in der radialen Richtung R durch das Gehäuse 6, wobei der Kühlmitteleinlass 25 so im Gehäuse 6 angeordnet ist, so dass ein Einströmen des Öls in den Ringspalt 14 in Richtung erster Stirnseite 20 bewerkstelligbar ist.
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Der Hohlraum 26 weist eine Fluiddurchgang zu dem Ringspalt 14 auf. Der Umlenkkanal 23 erstreckt sich in einer radialen Richtung R vom Ringspalt 14 bis zum Rückströmungskanal 18 zur Ausbildung eine Fluidverbindung und zur Führung des Öls in den Rückströmungskanal 18.
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Der Kühlmitteleinlass 25 ist im Bereich der zweiten Stirnseite 21, und der Umlenkkanal 23 im Bereich der ersten Stirnseite 20 angeordnet.
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Der Rückströmungskanal 18 weist zur ersten Stirnseite 20 ein Dichtelement, insbesondere einen Dichtstopfen 19b auf. Auf diesen kann verzichtet werden, wenn beispielsweise der Rückströmungskanal 18 als Sacklochbohrung ausgeführt worden ist, wobei das Sackloch in Richtung erster Stirnseite 20 angeordnet ist.
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Der Rückströmungskanal 18 erstreckt sich von der zweiten Stirnseite 21 in axialer Richtung A in die Rotorwelle 2, wobei der Rückströmungskanal 18 eine Öffnung 22 in der zweiten Stirnseite 21 aufweist, zum Auslassen des Öls.
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Dadurch kann auf eine separate radiale Bohrung zum Ausführen des Öls verzichtet werden. Insbesondere eignet sich diese Alternative, wenn beispielsweise Wasser als Kühlmittel verwendet wird. Der Rückströmungskanal 18 ist hierbei vorzugsweise als eine sich in axialer Richtung A erstreckende Sacklochbohrung in der Rotorwelle 2 ausgebildet, wobei das Sackloch im Bereich der ersten Stirnseite 20 ausgebildet ist. Alternativ ist der Rückströmungskanal 18 ein durchgängiger Kanal, wobei im Bereich der ersten Stirnseite 20 der Dichtstopfen 19b angeordnet ist, welcher ein Ausströmen des Öls aus dem Rückströmungskanal 18 an der ersten Stirnseite 20 in axialer Richtung A verhindert.
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Vorzugsweise sind die Öffnung 22 und der Rückströmungskanal 18 als eine gemeinsame Bohrung in der Rotorwelle 2 ausgestaltet. Somit kann ein einfaches Herstellen der Öffnung und des Rückströmungskanals bewerkstelligt werden. Die Bohrung kann Rillen und/oder eine Beschichtung aufweisen, welche eine turbulenzfreie Durchströmung des Öls fördert.
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4 zeigt die elektrische Maschine 1a im Betrieb (durch Pfeile gekennzeichnet).
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Das Öl strömt von dem Kühlmitteleinlass 25 in den Hohlraum 26 ein und von dort weiter in den Ringspalt 14. Anschließend wird es über den Umlenkkanal 23 in den Rückströmungskanal 18 geführt. Von dort tritt es über die Öffnung 22 aus.
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Ferner kann bevorzugt zwischen dem Umlenkkanal 23 und vor der Mitnahmeverzahnung 15,16 zwischen Rotorwelle 2 und Hohlwelle 11 eine Dichtung bzw. ein O-Ring (nicht gezeigt) angeordnet sein, welcher ein Eindringen von Kühlmittel, welches beispielsweise nicht als Öl ausgestaltet ist, in die Mitnahmeverzahnung 15,16 verhindert. Wird Öl als Kühlmittel verwendet, so kann auf die Dichtung verzichtet werden.
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5 zeigt eine erste Ausgestaltung der Hohlwelle 11. Diese weist eine zylindrische Hohlwelleninnenseite 12 (1) auf. Ferner umfasst die Hohlwellenaußenseite 13 eine zylindrische Mantelfläche. An der Hohlwelle 11 endseitig sind jeweils Befestigungsabschnitte 31 angeordnet.
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Durch die Hohlwellenaußenseite 13 wird eine Kontaktfläche zum Rotor 9 (1) hergestellt. Dadurch kann der Rotor 9 (1) die entstehende Abwärme an das durchströmende Öl bzw. das durchströmende Kühlmittel leiten. Dadurch ergibt sich eine effiziente Kühlung des Rotors 9 (1).
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6 zeigt die Hohlwelle 11 von 5 mit Längsnuten 7. Die Hohlwelle 11 weist die zylindrische Hohlwelleninnenseite 12 (1) und die Hohlwellenaußenseite 13 auf. Die Hohlwellenaußenseite 13 umfasst die zylindrische Mantelfläche mit mehreren parallel zueinander angeordneten Längsnuten 7, welche sich entlang der axialen Richtung A erstrecken.
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Die Längsnuten 7 sind dabei gleichmäßig über einen Umfang der Hohlwelle 11 verteilt und weisen gleiche Abmessungen, wie Tiefe oder Breite auf. Durch die Längsnuten 7 wird die Außenfläche der Hohlwelle 11 vergrößert. Die Fläche ist bei einer Ausführung mit Längsnuten 7 durch die Längsnutenseitenflächen größer.
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Dadurch ergibt sich einerseits durch die Wärmeableitung bei den direkten Kontaktflächen zwischen Rotor 9 und Hohlwelle 11 eine gute Wärmeabfuhr der Abwärme vom Rotor 9 an das Öl in dem Ringspalt 14. Andererseits ergibt sich auch durch Wärmestrahlung in den Längsnuten 7 eine gute Wärmeabfuhr der Abwärme vom Rotor 9 an das Öl in dem Ringspalt 14.
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Die Längsnuten 7 können zur besseren Wärmeübertragung mit einer Wärmeleitpaste zumindest teilweise gefüllt sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1,1a
- Elektrische Maschine
- 2
- Rotorwelle
- 3
- Geberrad
- 4
- Lagerdeckel
- 5
- Rotorwellenaußenseite
- 6
- Gehäuse
- 7
- Längsnuten
- 8
- Loslager
- 9
- Rotor
- 11
- Hohlwelle
- 12
- Hohlwelleninnenseite
- 13
- Hohlwellenaußenseite
- 14
- Ringspalt
- 15
- Erste Mitnahmeverzahnung
- 16
- zweite Mitnahmeverzahnung
- 17
- Ölauslass
- 18
- Rückströmungskanal
- 19a,b
- Dichtstopfen
- 20
- Erste Stirnseite
- 21
- Zweite Stirnseite
- 22
- Öffnung
- 23
- Umlenkkanal
- 24
- Erster Dichtring
- 25
- Kühlmitteleinlass
- 26
- Hohlraum
- 27
- Dichtung
- 28
- Pressverbindung
- 29
- Ölsumpf
- 30
- Rückführungskanal
- 31
- Befestigungsabschnitte
- 32
- Loslagerdichtung
- 33
- Loslagerdurchgang
- R
- Radiale Richtung
- A
- Axiale Richtung
- D
- Drehachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012203697 A1 [0003]
- US 2010264759 A1 [0004]
