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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine aufweisend eine Rotorkühlung. Hierzu ist insbesondere ein Hohlraum einer Rotorwelle von einem Kühlfluid durchströmt.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Systeme der Rotorkühlung bekannt. Beispielsweise offenbart die
DE 10 2017 112 348 A1 eine elektrische Maschine aufweisend eine derartige Rotorkühlung. Dabei ragt ein Kühlrohr in einen Hohlraum einer Rotorwelle hinein, sodass ein Kühlfluid durch besagten Hohlraum der Rotorwelle strömen kann. Das Kühlrohr ist in der Rotorwelle nicht gelagert.
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Offenbarung der Erfindung
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Die elektrische Maschine weist einen Stator und einen von dem Stator antreibbaren Rotor auf. Dabei ist vorgesehen, dass der Rotor eine Rotorkühlung aufweist, wodurch eine Temperatur des Rotors minimiert werden kann.
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Der Rotor weist dazu eine hohle Rotorwelle auf, die sich entlang einer Rotorachse erstreckt und einen Hohlraum umfasst. Der Hohlraum ist insbesondere ein Sackloch. Somit ist die Rotorwelle an einer der Stirnseiten zum Hohlraum hin geöffnet, während die andere Stirnseite der Rotorwelle bevorzugt geschlossen ist. Im Hohlraum der hohlen Rotorwelle ist ein Kühlrohr angeordnet. Das Kühlrohr wiederum umfasst einen Kühlrohrkanal. Somit kann Kühlfluid durch das Kühlrohr strömen. Zwischen einer den Hohlraum begrenzenden Innenwandung der Rotorwelle und dem Kühlrohr ist ein Ringspaltkanal ausgebildet. Dies bedeutet insbesondere, dass der Hohlraum durch das Kühlrohr in den Ringspaltkanal und den Kühlrohrkanal unterteilt ist.
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Das Kühlrohr ist zum Führen eines Kühlmediums entlang eines durch die Rotorwelle führenden Kühlpfads ausgebildet. Der Kühlpfad führt durch den Kühlrohrkanal und nach einer Umlenkung durch den Ringspaltkanal. Somit ist insbesondere erreicht, dass an derselben Stelle der Rotorwelle, d. h. insbesondere an derselben Stirnseite, sowohl ein Fluideinlass als auch ein Fluidauslass erfolgt. Die Rotorkühlung kann damit einfach und aufwandsarm vorgenommen werden, insbesondere ohne, dass sonstige Komponenten der elektrischen Maschine mit dem Kühlfluid in Kontakt kommen. Dadurch ist eine zuverlässige Kühlung der elektrischen Maschine ermöglicht, wobei gleichzeitig ein optimierter Betriebslauf aufgrund der Vermeidung des Kontakts mit dem Kühlmedium erreicht ist.
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Die Unteransprüche haben bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass das Kühlrohr in dem Hohlraum der Rotorwelle hineinragt und durch Gleitlagerung oder mittelbar über ein Wälzlager an einem im Kühlrohr angeordneten separaten Stützkörper in radialer Richtung bezüglich der Rotorachse abgestützt ist. Das Wälzlager ist dazu bevorzugt in einer Lageraufnahme des Stützkörpers angeordnet. Ist hingegen eine Gleitlagerung vorgesehen, so ist bevorzugt eine Bohrung im Stützkörper vorhanden, die einen minimalen Ringspalt zur Außenfläche des Kühlrohrs bildet. Dadurch lässt sich eine Gleitlagerung vorhanden, die permanent mit Öl benetzbar ist. Der Stützkörper dient vorteilhafterweise zusätzlich zum Umlenken des Kühlmediums von dem Kühlrohrkanal zum Ringspaltkanal. Somit kann die Rotorwelle rotieren, während das Kühlrohr feststehend verbleibt. Durch die Abstützung über das Wälzlager und den Stützkörper ist ein sicherer und zuverlässiger Betrieb der elektrischen Maschine erreicht, insbesondere ist ein unerwünschter Kontakt von Rotorwelle und Kühlrohr vermieden. Dadurch ist einerseits eine effiziente Kühlung, andererseits ein verschleißarmer Betrieb der elektrischen Maschine erreicht.
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Der Kühlrohrkanal mündet bevorzugt in eine Öffnung des Stützkörpers, die mit in dem Ringspaltkanal strömungsverbunden ist. Somit dient der Stützkörper einerseits zum Abstützen des Kühlrohrs, andererseits zum Führen des Kühlmediums vom Kühlrohrkanal in den Ringspaltkanal. Somit ist eine optimale Fluidführung vorhanden. Gleichzeitig ist der Aufbau der elektrischen Maschine vereinfacht, sodass die elektrische Maschine einfach und aufwandsarm montiert werden kann.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass das Kühlrohr an einem dem Ringspaltkanal zugewandten Außenumfang zumindest eine Rippe aufweist. Die Rippe erstreckt sich zumindest teilweise entlang der Rotorachse und ist an der Innenwandung der Rotorwelle abgestützt. Durch die Rippe kann somit weiter eine optimierte Führung des Kühlmediums erfolgen. Insbesondere kann durch die Rippe erreicht werden, dass das Kühlmedium entlang eines genau vordefinierten Kühlpfads durch das Ringspaltvolumen strömt. Somit ist eine Kühlung des Rotors optimiert.
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Besonders vorteilhaft sind mehrere, insbesondere gradlinig verlaufende Rippen an dem Kühlrohr vorgesehen. Alternativ ist eine einzelne, spiralförmig um das Kühlrohr herum verlaufende Rippe vorhanden. Somit können je nach Anforderungen unterschiedliche Kühlungsszenarien abgedeckt werden. In jedem Fall ist eine optimale Kühlung des Rotors der elektrischen Maschine erreicht.
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Bevorzugt ist weiterhin vorgesehen, dass ein Anfangspunkt und ein Endpunkt der Rippen jeweils bezüglich einer Umfangsrichtung um die Rotorachse in gleicher Umfangslage liegen oder versetzt zueinander angeordnet sind. Somit lässt sich jede Rippe entsprechend des abzudeckenden Kühlszenarios anpassen, sodass ein Aufbau der elektrischen Maschine hinsichtlich der Rotorkühlung flexibel und variantenreich erfolgen kann. Dabei ist lediglich ein Kühlrohr mit entsprechend geformten Rippen vorzusehen, wobei die restlichen Komponenten der elektrischen Maschine unverändert bleiben. Dies ermöglicht ein Baukastensystem, bei dem verschiedene Kühlungsmöglichkeiten einfach und aufwandsarm zu realisieren sind.
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An einem der Umlenkung in den Ringspaltkanal abgewandten Ende des Kühlrohrs ist am Außenumfang bevorzugt ein ringförmiger Dichtabsatz vorgesehen. Der ringförmige Dichtabsatz weist vorteilhafterweise einen konischen Sitz auf. Über den Dichtabsatz lässt sich das Kühlrohr gegenüber weiteren Komponenten abdichten, insbesondere gegenüber solchen Komponenten, die zum Zuführen von Kühlfluid ausgebildet sind. Alternativ oder zusätzlich ist bevorzugt ein Dichtring vorgesehen. Damit ist die Dichtigkeit der Rotorkühlung erreicht.
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Bevorzugt ist im Kühlrohrkanal des Kühlrohrs ein Steuerventil vorgesehen. Das Steuerventil dient zum Steuern der Strömung durch den Kühlrohrkanal. Besonders vorteilhaft ist das Steuerventil als Überdruckventil ausgebildet. Das Steuerventil ist somit insbesondere ausgebildet, erst bei Überschreiten eines Mindestdrucks eine Strömung im Kühlrohrkanal zu ermöglichen. Dadurch lässt sich die Rotorkühlung aktivieren und deaktivieren, sodass der Fluss durch das Kühlrohr schaltbar ist.
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Das Kühlrohr ist besonders bevorzugt aus Kunststoff ausgebildet. Insbesondere ist das Kühlrohr ein Spritzgussteil. Dadurch weist das Kühlrohr ein geringes Gewicht auf. Zusätzlich ist durch die Ausbildung aus Kunststoff erreicht, dass das Kühlrohr ein geringes Trägheitsmoment ist, sodass die Rotation der Rotorwelle durch das Kühlrohr nahezu nicht beeinflusst wird.
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Die Erfindung betrifft außerdem eine Antriebseinheit, die eine elektrische Maschine, wie zuvor beschrieben, aufweist. Zusätzlich weist die Antriebseinheit eine von der elektrischen Maschine angetriebene Getriebeeinheit auf. Die Rotorwelle weist ein verschlossenes erstes Ende und ein dem ersten Ende gegenüberliegendes zweites Ende auf. Wie zuvor beschrieben, ist somit insbesondere der Hohlraum der Rotorwelle als Sackloch ausgebildet. Die Rotorwelle ragt mit dem zweiten Ende in ein Getriebegehäuse der Getriebeeinheit und ist durch einen Wellendichtring gegenüber dem Getriebegehäuse abgedichtet. Auf diese Weise ist innerhalb des Getriebegehäuses eine Zufuhr des Kühlmediums zu dem Kühlrohr und eine Entnahme des Kühlmediums aus dem Ringspaltvolumen ermöglicht. Insbesondere ist auf diese Art und Weise vermieden, dass das Kühlmedium in ein Maschinengehäuse der elektrischen Maschine gelangen kann. Das Kühlmedium kann vielmehr lediglich in die hohle Rotorwelle eindringen, nicht jedoch in Kontakt mit anderen Komponenten der elektrischen Maschine gelangen. Bei dem Kühlmedium handelt es sich besonders vorteilhaft um ein Getriebeöl, das innerhalb der Getriebeeinheit zum Schmieren des Getriebes verwendet wird.
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Das Kühlrohr ist bevorzugt in eine Öffnung oder in einen Kanal einer Eingangswelle der Getriebeeinheit gesteckt. Insbesondere ist das Kühlrohr drehbar in besagte Öffnung oder in besagten Kanal der Eingangswelle gesteckt. Der Dichtabsatz des Kühlrohrs wirkt in diesem Fall vorteilhafterweise mit der Eingangswelle dichtend zusammen. Somit ist die Eingangswelle gegenüber dem Kühlrohr abgedichtet. Damit lässt sich das Kühlmedium über die Eingangswelle in das Kühlrohr übertragen.
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Das Kühlrohr ist in einer alternativen Ausgestaltung bevorzugt fest, und insbesondere nicht drehbar, am Getriebegehäuse befestigt. Somit kann das Kühlrohr nicht rotieren und bleibt somit stationär, während sich die Rotorwelle um die Rotorachse dreht.
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Bevorzugt weist die Rotorwelle an dem zweiten Ende bezüglich der Rotorachse radial verlaufende Ausgabeöffnungen auf. Die Ausgabeöffnungen sind bezüglich des Wellendichtrings im Inneren des Getriebegehäuses angeordnet. Somit kann das Kühlmedium aus dem Ringspaltvolumen in die Getriebeeinheit ausgegeben werden. Dadurch ist wiederum erreichbar, dass das Kühlmedium ausschließlich innerhalb der Getriebeeinheit verbleibt, d. h. sowohl in der Getriebeeinheit in den Kühlrohrkanal eingegeben und in der Getriebeeinheit aus dem Ringspaltvolumen entnommen wird. Damit sind die sonstigen Komponenten der elektrischen Maschine vom Kühlmedium getrennt, sodass das Kühlmedium ausschließlich zur Rotorkühlung in die elektrische Maschine gelangen kann.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 eine schematische Ansicht einer Antriebseinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2A eine schematische Schnittansicht eines Kühlrohrs der elektrischen Maschine der Antriebseinheit gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer ersten Alternative,
- 2B eine schematische Detailansicht des Kühlrohrs gemäß der ersten Alternative,
- 2C eine schematische räumliche Darstellung des Kühlrohrs gemäß der ersten Alternative,
- 3A eine schematische Schnittansicht eines Kühlrohrs gemäß einer zweiten Alternative,
- 3B eine schematische räumliche Repräsentation des Kühlrohrs gemäß der zweiten Alternative,
- 4 eine schematische räumliche Darstellung eines Kühlrohrs gemäß einer dritten Alternative,
- 5 eine schematische Darstellung eines Kühlrohrs gemäß einer vierten Alternative, und
- 6 eine schematische Darstellung eines Kühlrohrs gemäß einer fünften Alternative.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt schematisch eine Antriebseinheit 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Antriebseinheit 10 weist eine elektrische Maschine 1 und eine Getriebeeinheit 11 auf, wobei die elektrische Maschine 1 ausgebildet ist, die Getriebeeinheit 11 anzutreiben.
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Die elektrische Maschine 1 weist einen Stator 2 und einen von dem Stator 2 angetriebenen Rotor 3 auf. Der Rotor 3 wiederum weist eine hohle Rotorwelle 4 auf, die sich entlang einer Rotorachse 100 erstreckt und ein Sackloch umfasst. Dadurch ist die Rotorwelle 4 hohl ausgebildet, wobei besagter Hohlraum zur Rotorkühlung dient.
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Im Hohlraum der Rotorwelle 4 ist ein Kühlrohr 5 vorgesehen, wobei das Kühlrohr 5 einen Kühlrohrkanal 7 aufweist. Zwischen einer den Hohlraum begrenzenden Innenwandung 4A der Rotorwelle 4 und dem Kühlrohr 5, insbesondere einem Außenumfang 5A des Kühlrohrs 5, ist ein Ringspaltkanal 8 ausgebildet.
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In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist an dem Außenumfang 5A eine Vielzahl von Rippen 9 vorgesehen, wobei sich die Rippen 9 zumindest teilweise entlang der Rotorachse 100 erstrecken. Die Rippen 9 sind außerdem an der Innenwandung 4A der Rotorwelle 4 abgestützt.
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Wird ein Kühlmedium in das Kühlrohr 5, d. h. in den Kühlrohrkanal 7, eingegeben, so durchströmt das Kühlmedium den Rotor 3 entlang eines Kühlpfads 200. Der Kühlpfad 200 verläuft durch den Kühlrohrkanal 7 und nach einer Umlenkung durch den Ringspaltkanal 8. Somit ist eine effiziente Kühlung des Rotors 3 ermöglicht.
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Die Rotorwelle 4 weist ein erstes Ende 6A und ein gegenüberliegendes zweites Ende 6B auf, wobei das erste Ende 6A verschlossen ist, sodass an dieser Stelle die Umlenkung von dem Kühlrohrkanal 7 in den Ringspaltkanal 8 erfolgt. An dem zweiten Ende 6B lässt sich einerseits Kühlmedium in das Kühlrohr 5 eingeben, andererseits lässt sich das Kühlmedium aus dem Ringspaltkanal 8 entnehmen. Dabei ist vorgesehen, dass das zweite Ende 6B in ein Getriebegehäuse 15 der Getriebeeinheit 11 hineinragt. Über einen Wellendichtring 16 ist die Rotorwelle 4 gegenüber dem Getriebegehäuse 15 abgedichtet.
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Zur Entnahme des Kühlmediums aus dem Ringspaltkanal 8 ist vorgesehen, dass die Rotorwelle 4 am zweiten Ende 6B bezüglich der Rotorachse 100 radial verlaufende Ausgabeöffnungen 18 aufweist. Die radial verlaufenden Ausgabeöffnungen 18 sind bezüglich des Wellendichtrings 16 im Inneren des Getriebegehäuses 15 angeordnet. Somit wird im Inneren des Getriebegehäuses 15 das Kühlmedium sowohl in den Kühlrohrkanal 7 eingegeben als auch aus dem Ringspaltkanal 8 entnommen. Das Kühlmedium kann somit nicht mit anderen Komponenten der elektrischen Maschine 1 in Kontakt kommen, da eine Abdichtung durch den Wellendichtring 16 erfolgt.
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Bei dem Kühlmedium handelt es sich insbesondere um ein Getriebeöl der Getriebeeinheit 11. Das Getriebeöl dient zur Schmierung des Getriebes der Getriebeeinheit 11. Zum Führen des Kühlmediums weist die Getriebeeinheit 11 eine Eingangswelle 17 auf, wobei das Kühlrohr 5 in eine Öffnung oder in einen Kanal der Eingangswelle 17 gesteckt ist. Ein Dichtabsatz 23 des Kühlrohr 5, der an dem zweiten Ende 6B angebracht ist, wirkt dabei dichtend mit einer Sitzfläche 26 der Eingangswelle 17 dichtend zusammen. Somit kann das Kühlmedium fluiddicht von der Eingangswelle 17 zu dem Kühlrohr 5 übertragen werden.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Eingangswelle 17 über eine Steckzahnverbindung 19 mit der Rotorwelle 4 gekoppelt ist. Das aus dem Ringspaltvolumen 8 zum Getriebegehäuse 15 zurückfließende Kühlmedium kann alternativ oder zusätzlich zu den bereits beschriebenen Ausgabeöffnungen 18 somit auch durch die Steckzahnverbindung hindurchströmen, um zurück zu einem Getriebeölsumpf zu gelangen. Besonders vorteilhaft weist die Eingangswelle 17 Längsnuten eines Zentrierbunds 20 auf, durch die das Kühlmedium transportiert werden kann.
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Das Kühlmedium kann nach Ausgabe aus dem Ringspaltvolumen 8 durch die Ausgabeöffnungen 18 über Ablaufbohrungen 22 der Getriebeeinheit 11 zurück in den Ölsumpf gelangen. Dabei wirken die Ausgabeöffnungen 18 aufgrund ihrer Ausrichtung und aufgrund der Rotation des Rotors 3 pumpfördernd, sodass ein zuverlässiger Fluidfluss entlang des Kühlpfads 200 erfolgt. Über einen Ölkanal 24 in der Getriebeeinheit 11 kann das Kühlmedium zu der Eingangswelle 17 und von dort in das Kühlrohr 5 gelangen. Zur zusätzlichen Abdichtung des Kühlrohrs 5 gegenüber der Eingangswelle 17 kann außerdem ein Dichtring 21 vorgesehen sein.
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Das Umlenken des Kühlmediums von dem Kühlrohrkanal 7 zu dem Ringspaltkanal 8 erfolgt vorteilhafterweise über einen Dom 13 des Kühlrohrs 5. Der Dom 13 dient außerdem zum Zentrieren des Kühlrohrs 5 an der Rotorwelle 4. Bezüglich der Rotorachse 100 weist der Dom axiale Schlitze und/oder radiale Bohrungen auf, die eine Übergangsöffnung bilden. Die Übergangsöffnung dient zum Umlenken des Kühlmediums aus dem Kühlrohrkanal 7 hinaus in den Ringspaltkanal 8.
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Die 2A, 2B und 2C zeigen verschiedene Ansichten einer ersten Alternative des Kühlrohrs 5. Dabei ist insbesondere gezeigt, dass das Kühlrohr 5 geradlinig verlaufende Rippen 9 aufweist, sodass ein Anfangspunkt 9A und ein Endpunkt 9B der Rippen 9 jeweils bezüglich einer Umfangsrichtung um die Rotorachse 100 in gleicher Umfangslage liegen. Somit wird das Kühlmedium geradlinig durch den Ringspaltkanal 8 geführt. Außerdem ist gezeigt, dass der Dom 13 Schlitze aufweist, die die Übergangsöffnung 14 bilden.
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In den 3A und 3B ist eine alternative Ausgestaltung des Kühlrohrs 5 gezeigt. Dabei zeigt insbesondere 3A ein Steuerventil 12, durch das eine Strömung durch den Kühlrohrkanal 7 steuerbar ist. Das Steuerventil 12 kann auch in den Kühlrohren aller anderen Alternativen vorgesehen sein. Das Steuerventil 12 ist insbesondere ausgebildet, erst bei Überschreiten eines Mindestdrucks eine Strömung im Kühlrohrkanal 5 zu ermöglichen.
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Außerdem ist gezeigt, insbesondere in 3B, dass eine Anfangspunkt 9A und ein Endpunkt 9B jeder Rippe jeweils eine versetzte Umfangslage aufweisen. Somit erfolgt neben einer axialen Strömung des Kühlmediums auch eine, zumindest teilweise, radiale Strömung des Kühlmediums. Damit lässt sich ein alternatives Kühlszenario zur Rotorkühlung erreichen.
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Eine weitere Alternative des Kühlrohrs 5 ist in 4 gezeigt. Hierbei ist lediglich eine einzige Rippe 9 vorhanden, die sich spiralförmig um die Außenwand 5A des Kühlrohrs 5 erstreckt. Somit lässt sich wiederum ein neues Kühlszenario für die Rotorkühlung verwenden.
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Eine alternative Ausgestaltung der Rotorkühlung ist außerdem in den 5 und 6 gezeigt. Hierbei ist vorgesehen, dass das Kühlrohr 5 im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen Ausgestaltungen rotationsfest angeordnet ist und somit nicht zusammen mit der Rotorwelle 4 rotiert. Es ist weiterhin, dass das Kühlrohr 5 gegenüber der Rotorwelle 4 abgestützt ist. Dazu ist ein Stützkörper 25 vorhanden. Der Stützkörper 25 weist in der in 5 gezeigten Alternative eine Lageraufnahme auf, in der ein Wälzlager 27 angeordnet ist. Das Wälzlager 27 dient zum Abstützen des Kühlrohr 5. In der in 6 gezeigten Alternative ist das Wälzlager 27 durch eine Gleitlagerung ersetzt. Das Kühlrohr 5 ist in einer Bohrung des Stützkörpers 25 gelagert, wobei ein minimaler Ringspalt zwischen Kühlrohr 5 und Stützkörper 25 verbleibt. Dadurch ist eine Gleitlagerung ermöglicht, die permanent mit dem als Kühlmedium verwendeten Getriebeöl benetzt wird.
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Durch eine derartige Ausgestaltung ist das Kühlrohr 5 stabil in der Antriebseinheit 10 angebracht. An der Getriebeeinheit 11 ist das Kühlrohr 5 bevorzugt drehfest angebracht. Durch die zusätzliche Abstützung in der Rotorwelle 4 ist somit eine unbeabsichtigte Bewegung des Kühlrohrs 5, insbesondere eine Vibration, vermieden oder reduziert.
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Der Stützkörper 25 dient außerdem zum Umlenken des Kühlmediums aus dem Kühlrohrkanal 7 in den Ringspaltkanal 8. Dazu ist der Stützkörper 25 analog zu dem zuvor beschriebenen Dom 13 ausgebildet und weist somit axiale Schlitze zur Bildung der Übergangsöffnung 14 auf.
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Besonders bevorzugt ist das Kühlrohr 5 bevorzugt aus Kunststoff gebildet. Besonders vorteilhaft handelt es sich bei dem Kühlrohr 5 um ein Spritzgussteil. Damit ist einerseits ein geringes Gewicht des Kühlrohrs 5, andererseits ein geringes Trägheitsmoment des Kühlrohrs 5 erreicht. Somit ist durch das Kühlrohr 5 eine Rotation der Rotorwelle 4 nahezu nicht beeinflusst. Gleichzeitig ist aber eine zuverlässige Kühlung mit einem gerichteten Ölfluss ermöglicht. Der Ölfluss wird bevorzugt durch die Rippen 9 gerichtet geführt. Die Rippen 9 können in beiden Varianten, wie zuvor beschrieben, angebracht werden, d. h. sowohl in der Variante mit dem feststehenden Kühlrohr 5 als auch in der Variante mit dem zusammen mit der Rotorwelle 4 rotierenden Kühlrohr 5.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017112348 A1 [0002]