DE102019210346A1

DE102019210346A1 - Rotor with a cooled rotor shaft

Info

Publication number: DE102019210346A1
Application number: DE102019210346.4A
Authority: DE
Inventors: Jochen Wessner; Martin Katz; Dirk Vahle
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2019-07-12
Filing date: 2019-07-12
Publication date: 2021-01-14

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor (1) einer elektrischen Maschine (10), der Rotor (1) aufweisend eine sich entlang einer Mittelachse (100) erstreckende Rotorwelle (2), auf der ein Rotorkörper (3), insbesondere ein Blechlamellenpaket, angebracht ist, wobei die Rotorwelle (2) von einem Kühlmittel durchströmbar ist und zumindest einen Außenrohrabschnitt (4) und zumindest einen radial innerhalb des Außenrohrabschnitts (4) angeordneten Innenrohrabschnitt (5) aufweist, wobei der Rotorkörper (3) auf dem Außenrohrabschnitt (4) angeordnet ist, und wobei der Innenrohrabschnitt (5) einen Innenkanal (9b) mit einer Eingangsöffnung (6) aufweist, wobei zwischen dem Außenrohrabschnitt (4) und dem Innenrohrabschnitt (5) ein ringspaltförmiger Außenkanal (9a) gebildet ist, der mit dem Innenkanal (9b) über eine Verbindungsöffnung (8) stömungsverbunden ist und eine Ausgangsöffnung (7) aufweist, wobei der Innenkanal (9b) bezüglich der Mittelachse (100) nach radial außen hin durch eine Innenkanalwandung (16) des Innenrohrabschnitts (5) und der Außenkanal (9b) bezüglich der Mittelachse (100) nach radial außen hin durch eine Außenkanalwandung (15) des Außenrohrabschnitts (4) begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenkanalwandung (15) und/oder die Innenkanalwandung (16) abschnittsweise derart bezüglich der Mittelachse (100) abgeschrägt sind, dass bei Rotation der Rotorwelle (2) eine fliehkraftgetriebene Strömung von der Eingangsöffnung (6) zu der Ausgangsöffnung (7) bewirkt.The present invention relates to a rotor (1) of an electrical machine (10), the rotor (1) having a rotor shaft (2) extending along a central axis (100) on which a rotor body (3), in particular a laminated core, is attached The rotor shaft (2) can be traversed by a coolant and has at least one outer tube section (4) and at least one inner tube section (5) arranged radially inside the outer tube section (4), the rotor body (3) being arranged on the outer tube section (4) , and wherein the inner pipe section (5) has an inner channel (9b) with an inlet opening (6), wherein between the outer pipe section (4) and the inner pipe section (5) an annular gap-shaped outer channel (9a) is formed, which connects to the inner channel (9b) is fluidically connected via a connecting opening (8) and has an outlet opening (7), the inner channel (9b) with respect to the central axis (100) radially outward through an inner channel The wall (16) of the inner pipe section (5) and the outer channel (9b) are delimited radially outward with respect to the central axis (100) by an outer channel wall (15) of the outer pipe section (4), characterized in that the outer channel wall (15) and / or the inner channel wall (16) are beveled in sections with respect to the central axis (100) in such a way that when the rotor shaft (2) rotates, a centrifugal force-driven flow is caused from the inlet opening (6) to the outlet opening (7).

Description

Stand der TechnikState of the art

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor einer elektrischen Maschine. Außerdem betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine umfassend einen derartigen Rotor. Der Rotor weist insbesondere eine hohle Rotorwelle auf, durch die ein Kühlmittel strömbar ist.The present invention relates to a rotor of an electrical machine. The invention also relates to an electrical machine comprising such a rotor. In particular, the rotor has a hollow rotor shaft through which a coolant can flow.

Aus dem Stand der Technik sind elektrische Maschinen bekannt. Diese weisen einen Rotor und einen Stator auf, wobei der Rotor durch den Stator antreibbar ist. Gleichzeitig findet aufgrund von Verlusten eine Erwärmung des Rotors statt. Um eine Kühlung sicherzustellen, kennt der Stand der Technik gekühlte Rotorwellen, die von einem Fluid durchströmt sind. Auf diese Weise kann das Kühlfluid die Rotorwelle und ein ggf. darauf montiertes Blechlamellenpaket kühlen. Dies ist beispielsweise in der DE 10 2014 204 133 A1 , der DE 10 2012 011 002 A1 und der DE 10 2008 043 661 A1 bekannt.Electrical machines are known from the prior art. These have a rotor and a stator, the rotor being drivable by the stator. At the same time, the rotor heats up due to losses. To ensure cooling, the state of the art knows cooled rotor shafts through which a fluid flows. In this way, the cooling fluid can cool the rotor shaft and any laminated lamella pack mounted on it. This is for example in the DE 10 2014 204 133 A1 , the DE 10 2012 011 002 A1 and the DE 10 2008 043 661 A1 known.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Der erfindungsgemäße Rotor erlaubt eine sichere und zuverlässige Kühlung mittels einer durchströmten Rotorwelle. Dabei ist die Rotorwelle durch ihre Formgebung ausgebildet, die Antriebskraft zum Strömen des Kühlmittels durch Rotation selbst zu erzeugen. So sind aufgrund von abgeschrägten Innenflächen keine externen Antriebe zum Erzeugen der Fluidströmung notwendig, vielmehr erfolgt aufgrund der Zentrifugalkraft und der abgeschrägten Innenwände ein Strömen des Kühlmittels durch die Rotorwelle.The rotor according to the invention allows safe and reliable cooling by means of a rotor shaft through which there is a flow. In this case, the shape of the rotor shaft is designed to generate the driving force for the flow of the coolant itself through rotation. Because of the beveled inner surfaces, no external drives are required to generate the fluid flow; rather, the centrifugal force and the beveled inner walls cause the coolant to flow through the rotor shaft.

Der Rotor einer elektrischen Maschine weist eine Rotorwelle auf, die sich entlang einer Mittelachse erstreckt. Außerdem weist der Rotor einen Rotorkörper auf, der insbesondere als Blechlamellenpaket ausgebildet ist. Der Rotorkörper ist auf der Rotorwelle angebracht. Die Rotorwelle ist als Hohlwelle zum Durchströmen eines Kühlmittels ausgebildet. Somit kann das Kühlmittel die Rotorwelle kühlen.The rotor of an electrical machine has a rotor shaft that extends along a central axis. In addition, the rotor has a rotor body, which is designed in particular as a laminated core. The rotor body is attached to the rotor shaft. The rotor shaft is designed as a hollow shaft for a coolant to flow through. Thus, the coolant can cool the rotor shaft.

Um einen optimalen Fluss des Kühlmittels durch die Rotorwelle zu ermöglichen, weist die Rotorwelle zumindest einen hohlzylinderförmigen Außenrohrabschnitt und zumindest einen hohlzylinderförmigen Innenrohrabschnitt auf. Der Rotorkörper ist auf dem Außenrohrabschnitt und der Innenrohrabschnitt ist radial innerhalb des Außenrohrabschnitts angeordnet. Vorteilhafterweise ist der Innenrohrabschnitt vollständig radial innerhalb des Außenrohrabschnitts angeordnet. Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass eine Überdeckung entlang der Mittelachse zwischen Außenrohrabschnitt und Innenrohrabschnitt maximiert ist.In order to enable an optimal flow of the coolant through the rotor shaft, the rotor shaft has at least one hollow cylindrical outer tube section and at least one hollow cylindrical inner tube section. The rotor body is on the outer tube section and the inner tube section is arranged radially inside the outer tube section. The inner pipe section is advantageously arranged completely radially inside the outer pipe section. Furthermore, it is preferably provided that an overlap along the central axis between the outer pipe section and the inner pipe section is maximized.

Der Innenrohrabschnitt weist einen Innenkanal mit einer Eingangsöffnung auf. Zwischen dem Außenrohrabschnitt und dem Innenrohrabschnitt ist außerdem ein ringspaltförmiger Außenkanal gebildet. Der Außenkanal und der Innenkanal sind über eine Verbindungsöffnung strömungsverbunden. Zusätzlich weist der Außenkanal eine Ausgangsöffnung auf. Der Innenkanal ist bezüglich der Mittelachse nach radial außen hin durch eine Innenkanalwandung des Innenrohrabschnitts begrenzt. Ebenso ist der Außenkanal bezüglich der Mittelachse nach radial außen hin durch eine Außenkanalwandung des Außenrohrabschnitts begrenzt.The inner pipe section has an inner channel with an inlet opening. An annular gap-shaped outer channel is also formed between the outer tube section and the inner tube section. The outer channel and the inner channel are flow-connected via a connection opening. In addition, the outer channel has an outlet opening. The inner channel is delimited radially outward with respect to the central axis by an inner channel wall of the inner pipe section. Likewise, the outer channel is delimited radially outward with respect to the central axis by an outer channel wall of the outer pipe section.

Außerdem ist vorgesehen, dass die Außenkanalwandung und/oder die Innenkanalwandung abschnittsweise derart bezüglich der Mittelachse abgeschrägt sind, dass bei Rotation der Rotorwelle eine fliehkraftgetriebene Strömung von der Eingangsöffnung zu der Ausgangsöffnung bewirkt. Insbesondere sind Innenkanalwandung und Außenkanalwandung in Form eines Hohlkegels gebildet. Dadurch ist ermöglicht, dass eine Rotation der Rotorwelle um die Mittelachse eine Zentrifugalkraft erzeugt, die einen Fluss des Kühlmittels entlang der Mittelachse bewirkt. Wird das Kühlmittel aufgrund der Zentrifugalkraft radial nach außen gedrängt, so verläuft das Kühlmittel entlang der abgeschrägten Innenkanalwandung oder Außenkanalwandung, wodurch eine Umlenkung des Kühlmittels in eine Richtung parallel zur Mittelachse erfolgt. Dadurch ist erreicht, dass keine zusätzlichen Pumpen oder ähnliche Komponenten vorzusehen sind, um den Kühlmittelstrom durch die Rotorachse zu erreichen. Vielmehr stellt sich der Kühlmittelstrom selbstständig ein, sobald der Rotor rotiert wird. Eine Rotation des Rotors ist außerdem Voraussetzung für den Betrieb der elektrischen Maschine, sodass der Kühlmittelstrom stets dann vorhanden ist, wenn die elektrische Maschine in Betrieb ist.It is also provided that the outer channel wall and / or the inner channel wall are beveled in sections with respect to the central axis in such a way that when the rotor shaft rotates, a centrifugal force-driven flow from the inlet opening to the outlet opening is effected. In particular, the inner channel wall and outer channel wall are formed in the form of a hollow cone. This enables a rotation of the rotor shaft about the central axis to generate a centrifugal force which causes the coolant to flow along the central axis. If the coolant is forced radially outward due to the centrifugal force, the coolant runs along the beveled inner channel wall or outer channel wall, as a result of which the coolant is deflected in a direction parallel to the central axis. This means that no additional pumps or similar components need to be provided in order to achieve the coolant flow through the rotor axis. Rather, the coolant flow adjusts itself automatically as soon as the rotor is rotated. A rotation of the rotor is also a prerequisite for the operation of the electrical machine, so that the coolant flow is always present when the electrical machine is in operation.

Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.The subclaims show preferred developments of the invention.

Es ist bevorzugt vorgesehen, dass die Ausgangsöffnung und die Verbindungsöffnung axial voneinander beabstandet sind. Das Kühlmittel muss somit zunächst den Innenkanal bis zu der Verbindungsöffnung und anschließend den Außenkanal bis zu der Ausgangsöffnung durchqueren. Dadurch ist erreicht, dass ein maximaler Fluidpfad durch die Rotorwelle realisiert ist. Besonders vorteilhaft ist eine Eintrittsöffnung stirnseitig an dem Innenrohrabschnitt vorhanden, wobei die Eintrittsöffnung und die Verbindungsöffnung an unterschiedlichen Enden des Innenrohrabschnitts angeordnet sind. Somit ist ein mäanderförmiger Verlauf durch die Rotorwelle notwendig, damit das Kühlmittel von der Einlassöffnung zu der zweiten Durchgangsöffnung gelangen kann. Damit ist eine optimale Entwärmung der Rotorwelle und damit insbesondere auch des Rotorkörpers erreicht.It is preferably provided that the outlet opening and the connecting opening are axially spaced from one another. The coolant must therefore first traverse the inner channel up to the connection opening and then the outer channel up to the outlet opening. This ensures that a maximum fluid path is implemented through the rotor shaft. An inlet opening is particularly advantageously provided at the end of the inner pipe section, the inlet opening and the connecting opening being arranged at different ends of the inner pipe section. A meandering course through the rotor shaft is therefore necessary so that the coolant can pass from the inlet opening to the second through opening. So is an optimal cooling of the rotor shaft and thus in particular also of the rotor body is achieved.

Die Rotorwelle weist bevorzugt ein erstes Abschlussstück und/oder ein zweites Abschlussstück auf. Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass der Außenrohrabschnitt und der Innenrohrabschnitt axial zwischen dem ersten Abschlussstück und dem zweiten Abschlussstück angeordnet sind. Die beiden Abschlussstücke sind insbesondere an Stirnseiten der Rohrabschnitte angebracht. Außerdem dienen die Abschlussstücke besonders vorteilhaft zur Aufnahme von Lagern zur Lagerung der Rotorwelle. Die Abschlussstücke sind vorteilhafterweise aus dem gleichen Material gefertigt wie die Rohrabschnitte.The rotor shaft preferably has a first terminating piece and / or a second terminating piece. It is provided in particular that the outer pipe section and the inner pipe section are arranged axially between the first terminating piece and the second terminating piece. The two end pieces are attached in particular to the end faces of the pipe sections. In addition, the end pieces are used particularly advantageously to accommodate bearings for supporting the rotor shaft. The end pieces are advantageously made of the same material as the pipe sections.

Besonders vorteilhaft ist vorgesehen, dass der Außenrohrabschnitt und das erste Abschlussstück einstückig ausgebildet sind. Alternativ oder zusätzlich können auch der Innenrohrabschnitt und das zweite Abschlussstück einstückig ausgebildet sein. Auf diese Weise ist insbesondere erreicht, dass eine Montage der Rotorwelle einfach und kostengünstig ermöglicht ist.It is particularly advantageously provided that the outer pipe section and the first terminating piece are designed in one piece. Alternatively or additionally, the inner tube section and the second terminating piece can also be designed in one piece. In this way it is achieved in particular that assembly of the rotor shaft is made possible in a simple and inexpensive manner.

Bevorzugt erstreck sich die Eingangsöffnung zusätzlich durch das erste Abschlussstück. Somit ist durch die Eingangsöffnung ist ein Strömen des Kühlmittels von außerhalb der Rotorwelle in den Innenkanal ermöglicht. Das zweite Abschlussstück dichtet die den Innenrohrabschnitt und den Außenrohrabschnitt vorteilhafterweise an den Stirnseiten ab. Dadurch ist insbesondere besagter mäanderförmiger Verlauf des Kühlmittels durch die Rotorwelle erreicht. Die Eingangsöffnung erstreckt sich vorteilhafterweise axial entlang der Mittelachse.The inlet opening preferably also extends through the first terminating piece. The inlet opening thus enables the coolant to flow from outside the rotor shaft into the inner channel. The second terminating piece advantageously seals the inner pipe section and the outer pipe section at the end faces. As a result, said meandering course of the coolant through the rotor shaft is achieved in particular. The inlet opening advantageously extends axially along the central axis.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass eine Verbindung zwischen dem ersten Abschlussstück und dem Außenrohrabschnitt und/oder eine Verbindung zwischen erstem Abschlussstück und Innenrohrabschnitt und/oder einer Verbindung zwischen zweitem Abschlussstück und Außenrohrabschnitt und/oder eine Verbindung zwischen zweitem Abschlussstück und Innenrohrabschnitt eine kraftschlüssige Verbindung und/oder eine stoffschlüssige Verbindung ist. Ist eine kraftschlüssige Verbindung vorgesehen, so handelt es sich insbesondere um eine Pressung. Ist eine stoffschlüssige Verbindung vorgesehen, so ist insbesondere eine Schweißverbindung vorgesehen. Insbesondere ist eine Kombination aus diesen Verbindungsarten vorgesehen, sodass jeweils ein Abschlussstück und ein Wellenelement durch einen Schweißvorgang stoffschlüssig verbunden sind. Die Kombinationen aus jeweils einem Abschlussstück und jeweils einem Wellenelement werden zu der Rotorwelle montiert, indem die jeweils anderen Abschlussstücke und Wellenelemente durch Pressung miteinander verbunden werden.In a further preferred embodiment it is provided that a connection between the first terminating piece and the outer pipe section and / or a connection between the first terminating piece and the inner pipe section and / or a connection between the second terminating piece and the outer pipe section and / or a connection between the second terminating piece and the inner pipe section is a force-fit Connection and / or an integral connection. If a non-positive connection is provided, it is in particular a pressing. If a material connection is provided, a welded connection is provided in particular. In particular, a combination of these types of connection is provided, so that in each case a terminating piece and a shaft element are materially connected by a welding process. The combinations of one end piece and one shaft element are assembled to the rotor shaft by connecting the other end pieces and shaft elements to one another by pressing.

Der Außenrohrabschnitt weist besonders vorteilhaft einen keilförmigen Querschnitt auf. Dadurch ist erreicht, dass die Außenkanalwandung wie zuvor beschrieben abgeschrägt ist. Gleichzeitig ist eine radiale Außenfläche zylinderförmig und somit parallel zu der Mittelachse ausgerichtet. Dadurch kann der Rotorkörper einfach und aufwandsarm auf dem Außenrohrabschnitt aufgebracht werden. Insbesondere kann der Rotorkörper gemäß üblichem Befestigungsverfahren auf den Außenrohrabschnitt aufgebracht werden, beispielsweise durch Pressung.The outer pipe section particularly advantageously has a wedge-shaped cross section. This means that the outer duct wall is beveled as described above. At the same time, a radial outer surface is cylindrical and thus aligned parallel to the central axis. As a result, the rotor body can be applied to the outer tube section easily and with little effort. In particular, the rotor body can be applied to the outer tube section according to the usual fastening method, for example by pressing.

Der Außenrohrabschnitt und/oder der Innenrohrabschnitt sind vorteilhafterweise durch einen Schmiedeprozess hergestellt. Insbesondere sind dabei die abgeschrägte Innenkanalwandung und Außenkanalwandung derart ausgestaltet, dass Fertigungstoleranzen und/oder Flächenfehler stets ein Fließen des Kühlmittels ermöglichen. Insbesondere sind die Innenkanalwandung und Außenkanalwandung derart ausgestaltet, dass ein Fließen des Kühlmittels in einer Richtung parallel zur Mittelachse nicht verhindert ist. Durch den Schmiedeprozess ist erreicht, den Außenrohrabschnitt und den Innenrohrabschnitt einfach und aufwandsarm zu fertigen.The outer pipe section and / or the inner pipe section are advantageously produced by a forging process. In particular, the beveled inner channel wall and outer channel wall are designed in such a way that manufacturing tolerances and / or surface errors always allow the coolant to flow. In particular, the inner channel wall and outer channel wall are designed in such a way that the coolant is not prevented from flowing in a direction parallel to the central axis. The forging process enables the outer pipe section and the inner pipe section to be manufactured easily and with little effort.

Bei dem Kühlmittel handelt es sich vorteilhafterweise um ein Öl, das vorteilhafterweise auch zum Schmieren von Lagern der Rotorwelle ausgebildet ist. Somit kann auf das Öl, das ohnehin zum Lagern der Rotorwelle notwendig ist, auch zum Kühlen der Rotorwelle verwendet werden. Dadurch ist die Kühlung der Rotorwelle einfach und kostengünstig ermöglicht.The coolant is advantageously an oil, which is advantageously also designed to lubricate bearings of the rotor shaft. In this way, the oil, which is necessary to support the rotor shaft in any case, can also be used to cool the rotor shaft. This enables the rotor shaft to be cooled easily and inexpensively.

Bevorzugt bewirkt die abgeschrägte Innenkanalwandung eine konische Erweiterung des Innenkanals des Innenrohrabschnitts zur Verbindungsöffnung hin. Außerdem ist bevorzugt vorgesehen, dass die abgeschrägte Außenkanalwandung eine konische Erweiterung des Außenkanals des Außenrohrabschnitts zur Ausgangsöffnung hin erreicht.The beveled inner channel wall preferably effects a conical widening of the inner channel of the inner pipe section towards the connection opening. In addition, it is preferably provided that the beveled outer channel wall achieves a conical widening of the outer channel of the outer pipe section towards the outlet opening.

Der Innenrohrabschnitt weist bevorzugt eine konstante Wandstärke entlang der Mittelachse auf. Außerdem weist der Innenrohrabschnitt bevorzugt einen kegelstumpfförmigen, dem Außenkanal zugewandten Außenumfang auf. Somit ist der Innenrohrabschnitt platzsparend ausgebildet und ermöglicht einen optimalen Außenkanal, ohne dass der Gesamtdurchmesser der Rotorwelle ansteigt.The inner pipe section preferably has a constant wall thickness along the central axis. In addition, the inner pipe section preferably has a frustoconical outer circumference facing the outer channel. The inner tube section is thus designed to save space and enables an optimal outer channel without the overall diameter of the rotor shaft increasing.

Der Außenrohrabschnitt weist vorteilhafterweise entlang der Mittelachse einen konstanten Außendurchmesser auf. Somit ist vorgesehen, dass die Wandstärke bevorzugt zur Ausgangsöffnung hin kontinuierlich abnimmt. Dadurch ist die Rotorwelle mit zylinderförmiger Außenfläche realisiert.The outer pipe section advantageously has a constant outer diameter along the central axis. It is thus provided that the wall thickness preferably decreases continuously towards the outlet opening. As a result, the rotor shaft is implemented with a cylindrical outer surface.

Die Eingangsöffnung und die Ausgangsöffnung sind insbesondere in einem Bereich eines ersten Wellenendes der Rotorwelle angeordnet. Die Verbindungsöffnung ist bevorzugt in einem Bereich eines zweiten Wellenendes angeordnet. Dadurch ist erreicht, dass die Strömungsrichtung im Außenkanal der Strömungsrichtung im Innenkanal entgegengesetzt ist. Insbesondere erfolgt eine Durchströmung der gesamten Rotorwelle zwischen dem ersten Wellenende und dem zweiten Wellenende.The inlet opening and the outlet opening are in particular in one area arranged first shaft end of the rotor shaft. The connection opening is preferably arranged in a region of a second shaft end. This means that the direction of flow in the outer channel is opposite to the direction of flow in the inner channel. In particular, there is a flow through the entire rotor shaft between the first shaft end and the second shaft end.

Die Erfindung betrifft außerdem eine elektrische Maschine. Die elektrische Maschine weist einen Rotor wie zuvor beschrieben auf. Außerdem weist die elektrische Maschine einen Stator zum Antreiben des Rotors auf.The invention also relates to an electrical machine. The electrical machine has a rotor as described above. In addition, the electrical machine has a stator for driving the rotor.

FigurenlisteFigure list

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:

1 eine schematische Ansicht einer elektrischen Maschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2 eine schematische Detailansicht der Rotorwelle des Rotors der elektrischen Maschine gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
3 a eine schematische Ansicht eines ersten Beispiels einer Öffnung der Rohrabschnitte der Rotorwelle des Rotors der elektrischen Maschine gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
3 b eine schematische Ansicht eines zweiten Beispiels einer Öffnung der Rohrabschnitte der Rotorwelle des Rotors der elektrischen Maschine gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Exemplary embodiments of the invention are described in detail below with reference to the accompanying drawings. In the drawing is:

1 a schematic view of an electrical machine according to an embodiment of the invention,
2 a schematic detailed view of the rotor shaft of the rotor of the electrical machine according to the embodiment of the invention,
3 a a schematic view of a first example of an opening of the pipe sections of the rotor shaft of the rotor of the electrical machine according to the embodiment of the invention, and
3 b a schematic view of a second example of an opening of the tube sections of the rotor shaft of the rotor of the electrical machine according to the embodiment of the invention.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

1 zeigt schematisch eine elektrische Maschine 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die elektrische Maschine 10 weist einen Rotor 1 auf, der von einem Stator 11 angetrieben ist. Der Rotor 1 wiederum weist eine Rotorwelle 2 auf, die über Lager 12 gelagert ist. Auf der Rotorwelle 2 ist ein Rotorkörper 3, insbesondere ein Blechlamellenpaket, aufgebracht. Treibt der Stator 11 den Rotor 1 an, so sind elektromagnetische Felder des Stators 11 mit solchen des Blechlamellenpakets zu verketten. Dies führt außerdem zu einer Erwärmung des Rotorkörpers 3, wobei vorgesehen ist, dass der Rotorkörper 3 durch die Rotorwelle 2 gekühlt wird. Die Rotorwelle 2 ist dadurch hohl ausgebildet und von einem Kühlmittel durchströmt. 1 shows schematically an electrical machine 10 according to an embodiment of the invention. The electric machine 10 has a rotor 1 on that of a stator 11 is driven. The rotor 1 in turn has a rotor shaft 2 on that over stock 12 is stored. On the rotor shaft 2 is a rotor body 3 , in particular a lamination packet applied. Drives the stator 11 the rotor 1 on, so are electromagnetic fields from the stator 11 to be linked with those of the laminated core. This also leads to heating of the rotor body 3 , it being provided that the rotor body 3 through the rotor shaft 2 is cooled. The rotor shaft 2 is designed to be hollow and a coolant flows through it.

Die Rotorwelle 2 erstreckt sich entlang einer Mittelachse 100. Die Rotorwelle 2 ist außerdem durch einen Außenrohrabschnitt 4, einen Innenrohrabschnitt 5, ein erstes Abschlussstück 13 und ein zweites Abschlussstück 14 gebildet. Der Außenrohrabschnitt 4 und der Innenrohrabschnitt 5 sind dabei bezüglich der Mittelachse 100 zwischen dem ersten Abschlussstück 13 und dem zweiten Abschlussstück 14 angebracht, sodass die beiden Abschlussstücke 13, 14 axiale Abschlüsse des Außenrohrabschnitts 4 und des Innenrohrabschnitts 5 bilden. Das erste Abschlussstück 13 und das zweite Abschlussstück 14 dienen außerdem zum Aufnehmen der Lager 12.The rotor shaft 2 extends along a central axis 100 . The rotor shaft 2 is also through an outer pipe section 4th , an inner pipe section 5 , a first end piece 13 and a second end piece 14th educated. The outer pipe section 4th and the inner pipe section 5 are with respect to the central axis 100 between the first end piece 13 and the second end piece 14th attached so that the two end pieces 13 , 14th axial terminations of the outer pipe section 4th and the inner pipe section 5 form. The first end piece 13 and the second end piece 14th also serve to hold the bearings 12 .

Der Innenrohrabschnitt 5 weist einen Innenkanal 9b mit einer Eingangsöffnung 6 auf. Der Innenkanal 9b ist bezüglich der Mittelachse 100 radial nach außen hin durch eine abgeschrägte Innenkanalwandung 16 Innenrohrabschnitts 5 begrenzt. Zwischen dem Innenrohrabschnitt 5 und dem Außenrohrabschnitt 4 ist ein ringspaltförmiger Außenkanal 9a mit einer Ausgangsöffnung 7 gebildet. Der Außenkanal 9a ist bezüglich der Mittelachse 100 radial nach außen hin durch eine abgeschrägte Außenkanalwandung 15 des Außenrohrabschnitts 4 begrenzt. Die Abschrägungen der Außenkanalwandung 15 und der Innenkanalwandung16 verlaufen entgegengesetzt zueinander. Durch eine Verbindungsöffnung 8 sind Innenkanal 9b und Außenkanal 9a strömungsverbunden. Die Abschrägung von Außenkanalwandung 15 und Innenkanalwandung 16 ermöglicht, dass allein durch die Rotation der Rotorwelle 2 um die Mittelachse 100 eine Fluidströmung entlang eines Fluidpfads 200 durch die Rotorwelle 2 von der Eingangsöffnung 6 zu der Ausgangsöffnung 7 ausgebildet wird.The inner pipe section 5 has an inner channel 9b with an entrance opening 6th on. The inner channel 9b is with respect to the central axis 100 radially outwards through a beveled inner channel wall 16 Inner pipe section 5 limited. Between the inner pipe section 5 and the outer pipe section 4th is an annular gap-shaped outer channel 9a with an exit port 7th educated. The outer canal 9a is with respect to the central axis 100 radially outwards through a beveled outer duct wall 15th of the outer pipe section 4th limited. The bevels of the outer duct wall 15th and the inner channel wall 16 run opposite one another. Through a connecting opening 8th are inner channel 9b and outer channel 9a flow connected. The bevel of the outer duct wall 15th and inner duct wall 16 allows that just by the rotation of the rotor shaft 2 around the central axis 100 a fluid flow along a fluid path 200 through the rotor shaft 2 from the entrance opening 6th to the exit port 7th is trained.

Die abgeschrägte Innenkanalwandung 16 erreicht eine konische Erweiterung des Innenkanals 9b des Innenrohrabschnitts 5 zur Verbindungsöffnung 8 hin. Die abgeschrägte Außenkanalwandung 15 erreicht eine konische Erweiterung des Außenkanals 9a des Außenrohrabschnitts 4 zur Ausgangsöffnung 7 hin. Der Innenrohrabschnitt 5 weist beispielsweise eine konstante Wandstärke entlang der Mittelachse 100 und einen kegelstumpfförmigen, dem Außenkanal 9a zugewandten Außenumfang auf. Der Außenrohrabschnitt 4 hat entlang der Mittelachse 100 einen konstanten Außendurchmesser und dessen Wandstärke nimmt zur Ausgangsöffnung 7 hin kontinuierlich ab. Die Eingangsöffnung 6 und die Ausgangsöffnung 7 sind in einem Bereich eines ersten Wellenendes der Rotorwelle 2 und die Verbindungsöffnung 8 in einem Bereich eines zweiten Wellenendes angeordnet, so dass die Strömungsrichtung im Außenkanal 9a der Strömungsrichtung im Innenkanal 9b entgegengesetzt ist.The beveled inner duct wall 16 achieves a conical widening of the inner channel 9b of the inner pipe section 5 to the connection opening 8th down. The beveled outer duct wall 15th achieves a conical widening of the outer channel 9a of the outer pipe section 4th to the exit opening 7th down. The inner pipe section 5 has, for example, a constant wall thickness along the central axis 100 and a frustoconical, the outer channel 9a facing outer circumference. The outer pipe section 4th has along the central axis 100 a constant outer diameter and its wall thickness increases towards the exit opening 7th down continuously. The entrance opening 6th and the exit port 7th are in a region of a first shaft end of the rotor shaft 2 and the connection opening 8th arranged in an area of a second shaft end, so that the flow direction in the outer channel 9a the direction of flow in the inner channel 9b is opposite.

Wird die Rotorwelle 2 um die Mittelachse 100 rotiert, so wird das Kühlmittel an Außenkanalwandung 15 oder an die Innenkanalwandung 16 gedrängt. Aufgrund der Abschrägung der Außenkanalwandung 15 und der Innenkanalwandung 16 erfolgt eine Förderung des Kühlfluids in einer Richtung parallel zu der Mittelachse 100, wodurch sich der in 1 und 2 dargestellte Kühlmittelpfad 200 einstellt. Der Kühlmittelpfad 200 verläuft von einer Einlassöffnung 6, die sich zusätzlich durch das erste Abschlussstück 13 erstreckt, zunächst durch den Innenkanal 9b des Innenrohrabschnitts 5, von dort durch die Verbindungsöffnung 8 und anschließend durch den Außenkanal 9a des Außenrohrabschnitts 4, woraufhin das Kühlmittel die Rotorwelle 2 an der Ausgangsöffnung 7 wieder verlässt.Will the rotor shaft 2 around the central axis 100 rotates, the coolant is on the outer duct wall 15th or on the inner duct wall 16 pushed. Due to the bevel of the Outer duct wall 15th and the inner channel wall 16 the cooling fluid is conveyed in a direction parallel to the central axis 100 which makes the in 1 and 2 shown coolant path 200 adjusts. The coolant path 200 extends from an inlet port 6th , which is also characterized by the first end piece 13 extends, first through the inner channel 9b of the inner pipe section 5 , from there through the connection opening 8th and then through the outer channel 9a of the outer pipe section 4th causing the coolant to hit the rotor shaft 2 at the exit opening 7th leaves again.

Um einen maximalen Strömungspfad 200 zu erreichen, ist vorgesehen, dass Eingangsöffnung 6 und Ausgangsöffnung 7 bezüglich der Mittelachse 100 auf einer Seite der Rotorwelle 2 angeordnet sind. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind Eingangsöffnung 6 und Ausgangsöffnung 7 auf der Seite des ersten Abschlusselements 13 angebracht. Die Verbindungsöffnung 8 ist auf einer gegenüberliegenden Seite der Rotorwelle 2 angeordnet, in dem gezeigten Ausführungsbeispiel auf der Seite des zweiten Abschlusselements 14. Somit erstreckt sich der Kühlmittelpfad 200 von dem ersten Abschlussstück 13 durch den Innenkanal 9b bis zu dem zweiten Abschlussstück 14. Dort verläuft der Kühlmittelpfad durch die Verbindungsöffnung 8 und von dem zweiten Abschlussstück 14 durch den Außenkanal 9a zurück zu dem ersten Abschlussstück 13. Dadurch ist eine mäanderförmige Strömungsrichtung des Kühlmittels erreicht, wodurch außerdem eine maximale Kühlung des Rotorelements 3 erreicht ist. Das Rotorelement 3 überträgt seine Abwärme 300 radial von außen auf den Außenrohrabschnitt 4, wobei der Kühlmittelpfad 200 entlang der gesamten Strecke verläuft, an der die Wärme 300 von dem Rotorelement 3 übertragen wird. Somit ist eine sichere und zuverlässige Kühlung erreicht.To get a maximum flow path 200 To achieve that entry opening is provided 6th and exit port 7th with respect to the central axis 100 on one side of the rotor shaft 2 are arranged. In the embodiment shown, there are inlet openings 6th and exit port 7th on the side of the first closure element 13 appropriate. The connection opening 8th is on an opposite side of the rotor shaft 2 arranged, in the embodiment shown on the side of the second closure element 14th . The coolant path thus extends 200 from the first end piece 13 through the inner channel 9b up to the second end piece 14th . There the coolant path runs through the connection opening 8th and from the second end piece 14th through the outer channel 9a back to the first end piece 13 . As a result, a meandering flow direction of the coolant is achieved, which also results in maximum cooling of the rotor element 3 is reached. The rotor element 3 transfers its waste heat 300 radially from the outside onto the outer pipe section 4th , the coolant path 200 runs along the entire route where the heat 300 from the rotor element 3 is transmitted. Safe and reliable cooling is thus achieved.

Bevorzugt ist vorgesehen, dass es sich bei dem Kühlmittel um ein Öl handelt, das außerdem zum Schmieren der Lager 12 vorgesehen ist. Somit ist kein separates Fluid in der elektrischen Maschine zum Kühlen notwendig.It is preferably provided that the coolant is an oil which is also used to lubricate the bearings 12 is provided. This means that no separate fluid is required in the electrical machine for cooling.

2 zeigt schematisch eine Detailansicht eines Teilbereichs der Rotorwelle 2. Dabei ist insbesondere der Winkel α der Außenkanalwandung 15 und der Innenkanalwandung 16 jeweils gegenüber der Richtung parallel zur Mittelachse 100 gezeigt. Insbesondere können die jeweiligen Winkel der Außenkanalwandung 15 und der Innenkanalwandung 16 gleich sein, wobei dies nicht zwingend erforderlich ist. Bevorzugt ist vorgesehen, dass der jeweilige Winkel α derart gewählt ist, dass Fertigungstoleranzen und Oberflächenfehler der beiden Kanalwandungen 15, 16 ein Fließen des Kühlmittels nicht verhindern. Der Außenrohrabschnitt 4 und der Innenrohrabschnitt 5 sind bevorzugt durch Schmieden hergestellt. 2 shows schematically a detailed view of a portion of the rotor shaft 2 . In particular, the angle α is the outer duct wall 15th and the inner channel wall 16 each opposite the direction parallel to the central axis 100 shown. In particular, the respective angles of the outer duct wall 15th and the inner channel wall 16 be the same, although this is not absolutely necessary. It is preferably provided that the respective angle α is selected such that manufacturing tolerances and surface defects of the two duct walls 15th , 16 do not prevent the coolant from flowing. The outer pipe section 4th and the inner pipe section 5 are preferably made by forging.

Eine Verbindung zwischen erstem Abschlussstück 13 und Außenrohrabschnitt 4 und/oder zwischen erstem Abschlussstück 13 und Innenrohrabschnitt 5 und/oder zwischen zweitem Abschlussstück 14 und Außenrohrabschnitt 4 und/oder zwischen zweitem Abschlussstück 14 und Innenrohrabschnitt 5 ist bevorzugt eine kraftschlüssige Verbindung, insbesondere eine Pressung, und/oder eine stoffschlüssige Verbindung, insbesondere eine Schweißverbindung. Besonders bevorzugt sind je ein Abschlussstück 13, 14 und je ein Rohrabschnitt 4, 5 durch Schweißen stoffschlüssig verbunden. Somit ist die Handhabung der Bauteile bei der Montage der Rotorwelle 2 vereinfacht. Die jeweils anderen Rohrabschnitte 4, 5 und Abschlussstücke 13, 14 sind vorteilhafterweise durch eine Pressung verbunden.A connection between the first end piece 13 and outer pipe section 4th and / or between the first terminator 13 and inner pipe section 5 and / or between the second end piece 14th and outer pipe section 4th and / or between the second end piece 14th and inner pipe section 5 is preferably a non-positive connection, in particular a compression, and / or a material connection, in particular a welded connection. One end piece is particularly preferred 13 , 14th and one pipe section each 4th , 5 firmly bonded by welding. Thus, the handling of the components when assembling the rotor shaft 2 simplified. The other pipe sections 4th , 5 and end pieces 13 , 14th are advantageously connected by pressing.

Die 3a und 3b zeigen verschiedene Beispiele für die Ausgestaltung der Ausgangsöffnung 7 sowie der Verbindungsöffnung 8. Jede dieser Öffnungen 7, 8 kann beispielsweise ein sich von dem jeweiligen axialen Ende des Rohrabschnitts 4, 5 erstreckendes Langloch, wie in 3a dargestellt, oder eine Bohrung, wie in 3b dargestellt, sein. Durch das Anordnen der jeweiligen Öffnung 7, 8 im Bereich des axialen Endes des jeweiligen Rohrabschnitts 4, 5, ist die maximale Länge des Kühlmittelpfads 200 durch die Rotorwelle 2 sichergestellt.The 3a and 3b show various examples of the design of the exit opening 7th as well as the connection opening 8th . Each of these openings 7th , 8th can, for example, extend from the respective axial end of the pipe section 4th , 5 elongated hole, as in 3a shown, or a hole as in 3b be shown. By arranging the respective opening 7th , 8th in the area of the axial end of the respective pipe section 4th , 5 , is the maximum length of the coolant path 200 through the rotor shaft 2 ensured.

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

DE 102014204133 A1 [0002]
DE 102012011002 A1 [0002]
DE 102008043661 A1 [0002]

Claims

Rotor (1) of an electrical machine (10), the rotor (1) having a rotor shaft (2) which extends along a central axis (100) and on which a rotor body (3), in particular a laminated core, is attached, the rotor shaft (2) a coolant can flow through it and has at least one outer tube section (4) and at least one inner tube section (5) arranged radially inside the outer tube section (4), • the rotor body (3) being arranged on the outer tube section (4), and • wherein the inner pipe section (5) has an inner channel (9b) with an inlet opening (6), • between the outer pipe section (4) and the inner pipe section (5) an annular gap-shaped outer channel (9a) is formed, which connects to the inner channel (9b) a connection opening (8) is fluidly connected and has an outlet opening (7), • wherein the inner channel (9b) with respect to the central axis (100) radially outwards through an inner channel wall (16) of the inner tube absc section (5) and the outer channel (9b) is delimited radially outward with respect to the central axis (100) by an outer channel wall (15) of the outer pipe section (4), characterized in that the outer channel wall (15) and / or the inner channel wall (16 ) are beveled in sections with respect to the central axis (100) in such a way that when the rotor shaft (2) rotates, a centrifugal force-driven flow is brought about from the inlet opening (6) to the outlet opening (7).

Rotor (1) Claim 1 , characterized in that the outlet opening (7) and the connecting opening (8) are axially spaced from one another.

Rotor (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the rotor shaft (2) has a first terminating piece (13) and / or a second terminating piece (14), with the outer tube section (4) and the inner tube section (5) axially between the first terminating piece (13) and the second terminating piece (14) are arranged.

Rotor (1) Claim 3 , characterized in that the outer pipe section (4) and the first terminating piece (13) are formed in one piece, and / or that the inner pipe section (5) and the second terminating piece (14) are formed in one piece.

Rotor (1) Claim 3 or 4th , characterized in that the inlet opening (6) additionally extends through the first terminating piece (13), in particular axially along the central axis (100).

Rotor (1) after one of the Claims 3 to 5 , characterized in that a connection between • the first end piece (13) and the outer pipe section (4), and / or • the first end piece (13) and the inner pipe section (5), and / or • the second end piece (14) and the outer pipe section (4), and / or • the second end piece (14) and the inner pipe section (5) a non-positive connection, in particular a compression, and / or a material connection, in particular a welded connection, is provided.

Rotor (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the outer tube section (4) has a wedge-shaped cross section.

Rotor (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the outer tube section (4) and / or the inner tube section (5) are produced by a forging process.

Rotor (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the coolant is an oil, which is also designed in particular to lubricate bearings (12) of the rotor shaft (2).

Rotor (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the beveled inner channel wall (16) achieves a conical widening of the inner channel (9b) of the inner tube section (5) towards the connection opening (8).

Rotor (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the beveled outer channel wall (15) achieves a conical widening of the outer channel (9a) of the outer tube section (4) towards the outlet opening (7).

Rotor (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the inner tube section (5) has a constant wall thickness along the central axis (100) and has a frustoconical outer circumference facing the outer channel (9a).

Rotor (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the outer tube section (4) has a constant outer diameter along the central axis (100) and the wall thickness decreases continuously towards the outlet opening (7).

Rotor (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the The inlet opening (6) and the outlet opening (7) are arranged in a region of a first shaft end of the rotor shaft (2) and the connection opening (8) is arranged in a region of a second shaft end, so that the flow direction in the outer channel (9a) corresponds to the flow direction in the inner channel ( 9b) is opposite.

Electrical machine (10) having a rotor (1) according to one of the preceding claims and a stator (11) for driving the rotor (1).