DE102021006306A1

DE102021006306A1 - Rotor shaft, rotor, electrical machine and manufacturing method for a rotor shaft

Info

Publication number: DE102021006306A1
Application number: DE102021006306.6A
Authority: DE
Inventors: Markus PICHL; Waldemar Hintergard
Original assignee: Hirschvogel Holding GmbH
Current assignee: Hirschvogel Holding GmbH
Priority date: 2021-12-22
Filing date: 2021-12-22
Publication date: 2023-06-22

Abstract

Vorgestellt wird eine Rotorwelle (100) für einen Rotor (200), insbesondere für eine stromerregte elektrische Maschine (202), wobei die Rotorwelle (100) eine Grundwelle (102) aufweist, die mit einem Hohlraum (104) als Hohlwelle ausgebildet ist, und wobei an einer Außenmantelfläche (110) der Grundwelle (102) ein Rotorwellensitz (112) für ein Lamellenpaket (204) ausgeformt ist, wobei eine Kühleinrichtung (106) im Hohlraum (104) der Grundwelle (102) angeordnet ist, um eine Oberfläche der Innenmantelfläche (108) der Grundwelle (102) zu vergrößern und um ein Kühlfluid in der Grundwelle (102) zu leiten, wobei die Kühleinrichtung (106) und die Grundwelle (102) aus unterschiedlichem Werkstoffen gefertigt sind, und der Werkstoff der Kühleinrichtung (106) einen höheren Wärmeleitkoeffizienten und einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist als der Werkstoff der Grundwelle (102), um im Betrieb einen Kraftschluss zwischen der Rotorwelle (100) und einem darauf angeordneten Lamellenpaket (204) zu verbessern. Weiterhin wird ein entsprechender Rotor und eine entsprechende elektrische Maschine vorgestellt sowie ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Rotorwelle (100).A rotor shaft (100) for a rotor (200), in particular for a current-excited electrical machine (202), is presented, the rotor shaft (100) having a base shaft (102) which is designed as a hollow shaft with a cavity (104), and a rotor shaft seat (112) for a disk pack (204) being formed on an outer lateral surface (110) of the base shaft (102), a cooling device (106) being arranged in the cavity (104) of the base shaft (102) in order to form a surface of the inner lateral surface (108) of the base shaft (102) and to conduct a cooling fluid in the base shaft (102), wherein the cooling device (106) and the base shaft (102) are made of different materials, and the material of the cooling device (106) is one has a higher coefficient of thermal conductivity and a higher coefficient of thermal expansion than the material of the base shaft (102) in order to improve a frictional connection between the rotor shaft (100) and a disk pack (204) arranged thereon during operation. Furthermore, a corresponding rotor and a corresponding electrical machine are presented, as well as a method for producing such a rotor shaft (100).

Description

Technisches Gebiettechnical field

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Rotorwelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem einen Rotor einer elektrischen Maschine mit einer solchen Rotorwelle sowie eine elektrische Maschine mit einem solchen Rotor.The present invention relates to a rotor shaft according to the preamble of claim 1. The invention also relates to a rotor of an electrical machine with such a rotor shaft and an electrical machine with such a rotor.

Stand der TechnikState of the art

Erfindungsgemäße Rotorwellen sind hinlänglich bekannt und üblicherweise mit Blechpaketen bestückt. Diese bilden dann einen Rotor für eine elektrische Maschine. Elektrische Maschinen und deren Betriebsverfahren sind in vielfältigen Ausführungsformen bekannt und bewährt. Grundsätzlich können elektrische Maschinen nach der Bewegungsart eines beweglichen Kerns unterschieden werden. Bei Linearmotoren führt ein Anker als Kern eine lineare Bewegung aus während bei rotatorischen Aktoren ein Rotor als Kern rotiert. Eine Herausforderung dabei ist eine ausreichende Kühlung der Rotorwelle sicherzustellen. Eine Möglichkeit ist mit einem Fluid in der als Hohlwelle ausgebildeten Rotorwelle zu kühlen.Rotor shafts according to the invention are well known and are usually equipped with laminated cores. These then form a rotor for an electrical machine. Electrical machines and their operating methods are known and proven in a variety of embodiments. In principle, electrical machines can be differentiated according to the type of movement of a moving core. In the case of linear motors, an armature as the core performs a linear movement, while in the case of rotary actuators, a rotor rotates as the core. One challenge is to ensure adequate cooling of the rotor shaft. One possibility is to use a fluid to cool the rotor shaft, which is designed as a hollow shaft.

EP 1 278 290 A1 offenbart eine Kühlstruktur für eine drehende elektrische Maschine, die eine hohe Kühlleistung mit einer einfachen Struktur zeigt und keine Effizienzeinbußen erfährt, wenn die drehende elektrische Maschine mit hohen Drehzahlen arbeitet. Die Drehwelle des Drehelements weist eine hohle Struktur auf und ein innerer zylindrischer Abschnitt, der sich zusammen mit der Drehwelle dreht, ist mit einem Zwischenraum in einem Innenabschnitt der Drehwelle versehen. Kühlmittel strömt in einem Ringspalt zwischen der rotierenden Welle und dem inneren zylindrischen Abschnitt. Auf diese Weise wird das rotierende Element mit einer geringen Kühlmittelmenge effektiv gekühlt. EP 1 278 290 A1 discloses a cooling structure for a rotary electric machine that exhibits high cooling performance with a simple structure and suffers no efficiency drop when the rotary electric machine operates at high speeds. The rotary shaft of the rotary member has a hollow structure, and an inner cylindrical portion that rotates together with the rotary shaft is provided with a clearance in an inner portion of the rotary shaft. Coolant flows in an annular gap between the rotating shaft and the inner cylindrical section. In this way, the rotating element is effectively cooled with a small amount of coolant.

DE 10 2015 223 631 A1 beschreibt eine gebaute Rotorhohlwelle für einen sich um eine Längsachse rotierenden Rotor einer elektrischen Maschine, aufweisend einen Zylindermantel, welcher einen Wellenhohlraum umgibt, sowie beidseitig an dem Zylindermantel angeordnete Stirnflansche, wobei sich an den Stirnflanschen jeweils ein Wellenzapfen befindet und wobei in einem der Stirnflansche, insbesondere in dessen Wellenzapfen, ein Einlass vorgesehen ist, über welchen ein Kühlmedium in den Wellenhohlraum und an eine Innenfläche des Zylindermantels leitbar ist. Dabei ist innerhalb des Wellenhohlraums ein senkrecht zur Längsachse symmetrisch ausgebildetes Kühlmediumverteilelement angeordnet, welches das über den Einlass eintretende Kühlmedium über einen Aufnahmebereich aufnimmt, über eine Ableitbereich in Richtung der Innenfläche des Zylindermantels führt und über einen Abgabebereich auf die Innenfläche abgibt. DE 10 2015 223 631 A1 describes an assembled hollow rotor shaft for a rotor of an electrical machine rotating about a longitudinal axis, having a cylinder jacket which surrounds a shaft cavity, and end flanges arranged on both sides of the cylinder jacket, with a shaft journal being located on each of the end flanges and in one of the end flanges, in particular in whose shaft journal, an inlet is provided, via which a cooling medium can be conducted into the shaft cavity and to an inner surface of the cylinder jacket. Inside the shaft cavity there is a cooling medium distribution element which is symmetrical perpendicularly to the longitudinal axis and receives the cooling medium entering via the inlet via a receiving area, guides it towards the inner surface of the cylinder jacket via a discharge area and releases it onto the inner surface via a delivery area.

Beschreibung der ErfindungDescription of the invention

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine kostengünstigere Lösung einer Rotorwelle der gattungsgemäßen Art anzugeben, die verbessert ist oder zumindest eine alternative Ausführungsform darstellt.The object of the present invention is to specify a more cost-effective solution for a rotor shaft of the generic type that is improved or at least represents an alternative embodiment.

Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den begleitenden Figuren angegeben. insbesondere können die unabhängigen Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den abhängigen Ansprüchen einer anderen Anspruchskategorie weitergebildet sein.The object is solved by the subject matter of the independent claims. Advantageous developments of the invention are specified in the dependent claims, the description and the accompanying figures. in particular, the independent claims of a claim category can also be developed analogously to the dependent claims of another claim category.

Eine erfindungsgemäße Rotorwelle weist eine Grundwelle auf. Dabei ist in der Grundwelle ein Hohlraum ausgeformt, d.h. die Grundwelle ist als Hohlwelle ausgeformt. An der Außenmantelfläche der Grundwelle ist ein Rotorwellensitz für ein Lamellenpaket ausgeformt. Das Lamellenpaket kann auch als Blechpaket oder Rotorblechpaket bezeichnet werden, welches hohlzylinderförmig ausgeformt ist, sodass die Rotorwelle in diesem anordenbar ist. Die Rotorwelle weist weiterhin eine Kühleinrichtung auf, die in dem Hohlraum der Grundwelle angeordnet ist. So kann die Kühleinrichtung auch als Einlegeteil bezeichnet werden oder als Inlay. Die Kühleinrichtung ist eingerichtet, die Oberfläche der Innenmantelfläche der Grundwelle zu vergrößern und ein Kühlfluid in der Grundwelle zu leiten. Dabei ist die Grundwelle aus einem ersten Werkstoff und die Kühleinrichtung aus einem vom ersten Werkstoff verschiedenen zweiten Werkstoff gefertigt. Der zweite Werkstoff der Kühleinrichtung weist einen höheren Wärmeleitkoeffizienten und einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten auf als der erste Werkstoff der Grundwelle. Dadurch wird der Wärmeübertrag von der Grundwelle in die Kühleinrichtung verbessert und außerdem ein Kraftschluss zwischen der Rotorwelle (insbesondere der Grundwelle bzw. dem Rotorwellensitz) und dem darauf angeordneten Lamellenpaket verbessert.A rotor shaft according to the invention has a fundamental shaft. A cavity is formed in the base shaft, i.e. the base shaft is formed as a hollow shaft. A rotor shaft seat for a disk pack is formed on the outer surface of the base shaft. The laminated core can also be referred to as a laminated core or rotor laminated core, which is formed in the shape of a hollow cylinder, so that the rotor shaft can be arranged in it. The rotor shaft also has a cooling device which is arranged in the cavity of the base shaft. The cooling device can also be referred to as an insert or as an inlay. The cooling device is set up to increase the surface area of the inner lateral surface of the fundamental shaft and to conduct a cooling fluid in the fundamental shaft. The fundamental shaft is made from a first material and the cooling device is made from a second material that is different from the first material. The second material of the cooling device has a higher coefficient of thermal conductivity and a higher coefficient of thermal expansion than the first material of the fundamental wave. This improves the heat transfer from the base shaft to the cooling device and also improves a non-positive connection between the rotor shaft (in particular the base shaft or the rotor shaft seat) and the disk pack arranged thereon.

Das Konzept der Kühleinrichtung sieht vor, dass diese mit ihrer Außenmantelfläche sich an die Innenmantelfläche der Grundwelle anlegt und dass die Kühleinrichtung im Inneren eine größere Oberfläche aufweist als die Innenmantelfläche der Grundwelle. Dadurch dass der Werkstoff der Kühleinrichtung einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist als die Grundwelle, wird im Betrieb unter Wärmeeinwirkung sich die Kühleinrichtung stärker ausdehnen als die Grundwelle und somit an der Innenmantelfläche der Grundwelle einen Druck radial nach außen auf die Grundwelle ausüben. Mit steigender Belastung und damit einhergehender steigender Wärmeentwicklung wird dieser Effekt verstärkt und wirkt somit auf die Verbindung zwischen dem Lamellenpaket und der Grundwelle im Bereich des Rotorwellensitzes.The concept of the cooling device provides that its outer lateral surface is in contact with the inner lateral surface of the fundamental wave and that the cooling device has a larger surface inside than the inner lateral surface of the fundamental wave. Due to the fact that the material of the cooling device has a higher coefficient of thermal expansion than the fundamental wave, the cooling device will expand more than the fundamental wave and thus on the inner surface of the Fundamental exert a pressure radially outwards on the fundamental. With increasing load and the associated increase in heat generation, this effect is intensified and thus affects the connection between the disk pack and the basic shaft in the area of the rotor shaft seat.

Der Werkstoff der Kühleinrichtung kann ein legierter Werkstoff sein. Insbesondere kann es sich bei dem Werkstoff der Kühleinrichtung um Aluminium oder eine Aluminiumlegierung handeln. Alternativ kann es sich bei dem Werkstoff der Kühleinrichtung auch um einen Thermowerkstoff eines mit einem speziellen Filmmaterial durchsetzten Kunststoffs handeln. Weiterhin alternativ kann es sich bei dem Werkstoff der Kühleinrichtung um Kupfer oder eine Kupferlegierung handeln. Bei dem Werkstoff der Grundwelle kann es sich insbesondere um Stahl oder eine Stahllegierung handeln.The material of the cooling device can be an alloyed material. In particular, the material of the cooling device can be aluminum or an aluminum alloy. Alternatively, the material of the cooling device can also be a thermal material of a plastic interspersed with a special film material. Also alternatively, the material of the cooling device can be copper or a copper alloy. The material of the base shaft can in particular be steel or a steel alloy.

Eine Außenkontur oder eine Außenmantelfläche der Kühleinrichtung kann an der Innenmantelfläche der Grundwelle anliegen. So kann der Wärmeübergang von der Grundwelle auf die Kühleinrichtung optimiert werden.An outer contour or an outer lateral surface of the cooling device can bear against the inner lateral surface of the fundamental wave. In this way, the heat transfer from the fundamental wave to the cooling device can be optimized.

Die Kühleinrichtung kann als ein Strangpressprofil ausgeformt sein. In einer besonderen Ausführungsform kann das Strangpressprofil wabenförmig ausgeformte Kühlkanäle aufweisen. In einer alternativen Ausführungsform kann die Kühleinrichtung durch einen Blechumformprozess ausgeformt sein. Insbesondere kann die Kühleinrichtung ein Wellenprofil aufweisen. Dabei kann das Wellenprofil sich in der Längsrichtung oder alternativ dazu quer zur Längsrichtung ergeben. Wenn das Wellenprofil in Längsrichtung ausgeformt ist, so können die Rippen des Wellenprofils zusätzlich eine weitere Wellenform aufweisen. So kann es sich bei der Kühleinrichtung beispielsweise auch um ein Wellrohr handeln. Sowohl Strangpressprofile als auch alternativ Einlegeteile aus einem Blechumformprozess können serienmäßig vergleichsweise günstig (als Massenware) hergestellt werden.The cooling device can be formed as an extruded profile. In a special embodiment, the extruded profile can have honeycomb-shaped cooling channels. In an alternative embodiment, the cooling device can be formed by a sheet metal forming process. In particular, the cooling device can have a wave profile. The wave profile can result in the longitudinal direction or, alternatively, transverse to the longitudinal direction. If the corrugated profile is shaped in the longitudinal direction, the ribs of the corrugated profile can additionally have a further corrugated shape. For example, the cooling device can also be a corrugated tube. Both extruded profiles and, alternatively, inserts from a sheet metal forming process can be mass-produced comparatively inexpensively.

Die Kühleinrichtung kann aus einem Blechumformprozess hervorgehen. Sie kann dann entsprechende Wellen aufweisen, beispielsweise analog zu einem Wellrohr. Ein Wellrohr ist ein Rohr aus starrem Material mit wellenförmig wechselndem Durchmesser, das aufgrund der Wellung teilweise flexibel geworden sein kann. Wellrohre aus Metall werden auch als Metallbälge oder Metallfaltenbälge bezeichnet. Die Wellung kann eine parallele ringförmige Ausformung haben. Bevorzugt sind spiralförmige Wellen mit unterschiedlicher Ausformung. Diese führen zu einem geringeren Druckverlust als bei der parallelen ringförmigen Ausformung, außerdem führt dies zu einer besseren Verwirbelung des Kühlfluids.The cooling device can result from a sheet metal forming process. It can then have corresponding corrugations, for example analogous to a corrugated tube. A corrugated pipe is a pipe made of rigid material with a changing diameter in a corrugated manner, which may have become partially flexible due to the corrugation. Corrugated metal pipes are also referred to as metal bellows or metal bellows. The corrugation may have a parallel annular configuration. Spiral waves with different shapes are preferred. This leads to a lower pressure loss than in the case of the parallel annular shape, and this also leads to better turbulence of the cooling fluid.

So kann das Wellenprofil Durchbrüche aufweisen, um das Kühlfluid an die Innenmantelfläche der Grundwelle zu leiten und um zu vermeiden, dass dort isolierende oder schlecht Wärme-ableitende Hohlräume vorhanden sind.The wave profile can have openings in order to direct the cooling fluid to the inner lateral surface of the basic wave and to prevent insulating or poorly heat-dissipating cavities from being present there.

Die Kühleinrichtung kann einstückig ausgeformt sein. So lässt sich die Kühleinrichtung mit wenig Aufwand in die Grundwelle einlegen. So kann der Montageaufwand kleingehalten bzw. verringert werden.The cooling device can be formed in one piece. In this way, the cooling device can be inserted into the fundamental shaft with little effort. In this way, the assembly effort can be kept small or reduced.

Um die Wärmeanbindung der Kühleinrichtung an die Rotorwelle zu verbessern, kann zwischen der Kühleinrichtung und der Grundwelle ein Wärmeleitmaterial angeordnet sein. Unter einem Wärmeleitmaterial kann ein thermisches Interface-Material, Wärmeleitpaste, Wärmeleitmedium bzw. Gapfiller zur Wärmeabfuhr und zum Toleranzausgleich bei vorhandenen Spalten verstanden werden. So kann vorteilhafterweise eine (teilweise) raue Oberfläche ausgeglichen werden und ein optimierter Wärmeübergang zwischen der Grundwelle und der Kühleinrichtung geschaffen werden.In order to improve the thermal connection of the cooling device to the rotor shaft, a thermally conductive material can be arranged between the cooling device and the base shaft. A thermally conductive material can be understood to mean a thermal interface material, thermally conductive paste, thermally conductive medium or gap filler for heat dissipation and for tolerance compensation in existing gaps. In this way, a (partially) rough surface can advantageously be compensated for and an optimized heat transfer between the fundamental shaft and the cooling device can be created.

Endseitig der Grundwelle kann jeweils ein Lagerbereich angeordnet sein. Der Lagerbereich kann auch als Lagersitz bezeichnet werden.A bearing area can be arranged at each end of the basic shaft. The bearing area can also be referred to as a bearing seat.

Die Grundwelle kann umformtechnisch hergestellt werden, insbesondere zweiteilig, um nach dem Einlegen der Kühleinrichtung in den Hohlraum miteinander gefügt und/oder wahlweise dann stoffschlüssig verbunden zu werden. Alternativ kann auch ein Pressverband hergestellt werden.The basic shaft can be produced by forming, in particular in two parts, in order to be joined to one another after the cooling device has been inserted into the cavity and/or optionally then to be cohesively connected. Alternatively, a compression bandage can also be produced.

Die Grundform der Grundwelle beziehungsweise der Rotorwelle kann als ein gezogenes Rohr ausgebildet sein. Die an den Enden der Grundwelle vorgesehenen Lagerbereiche können zumindest auf einer Seite der Grundwelle auch erst nach dem Einlegen der Kühleinrichtung in die Grundwelle ausgeformt werden. Je nach Anforderungen an den Lagersitz kann dies kostengünstig und effizient sein. In diesem Fall kann die Rotorwelle einstückig ausgeführt sein, und dies nicht erst nach der Montage durch einen nachgeschalteten Produktionsschritt, sondern von Beginn an, wobei die Endform der Grundwelle erst in einem späteren Produktionsschritt nach dem Einlegen der Kühleinrichtung ausgebildet wird. Ein Innendurchmesser der Lagerbereiche kann kleiner sein als ein Innendurchmesser der Grundwelle im Bereich des Rotorwellensitzes.The basic shape of the basic shaft or the rotor shaft can be designed as a drawn tube. The bearing areas provided at the ends of the base shaft can also be shaped at least on one side of the base shaft only after the cooling device has been inserted into the base shaft. Depending on the bearing seat requirements, this can be inexpensive and efficient. In this case, the rotor shaft can be made in one piece, not just after assembly in a subsequent production step, but from the beginning, with the final shape of the basic shaft being formed only in a later production step after the cooling device has been inserted. An inside diameter of the bearing areas can be smaller than an inside diameter of the base shaft in the area of the rotor shaft seat.

In einer Ausführungsform ist die Grundwelle mehrstückig ausgeformt. Ein Innendurchmesser der Lagerbereiche kann kleiner sein als ein Innendurchmesser der Grundwelle im Bereich des Rotorwellensitzes.In one embodiment, the basic shaft is formed in several pieces. An inside diameter of the bearing areas can be smaller than an inside diameter of the base shaft in the area of the rotor shaft seat.

In einer Ausführungsform kann eine Wandstärke der Grundwelle im Bereich des Rotorwellensitzes weniger als 8 Millimeter betragen. Insbesondere kann die Wandstärke der Grundwelle im Bereich des Rotorwellensitzes weniger als 6 Millimeter betragen. In einer besonderen Ausführungsformen kann die Wandstärke der Grundwelle im Bereich des Rotorwellensitzes weniger als 4 Millimeter betragen.In one embodiment, a wall thickness of the base shaft in the area of the rotor shaft seat can be less than 8 millimeters. In particular, the wall thickness of the base shaft in the area of the rotor shaft seat can be less than 6 millimeters. In a particular embodiment, the wall thickness of the base shaft in the area of the rotor shaft seat can be less than 4 millimeters.

Eine Querschnittsfläche der Grundwelle kann von der Mitte hin zu den Randbereichen, insbesondere kontinuierlich, abnehmen. Die Mitte bezieht sich darauf auf die Längserstreckung, d.h. zwischen den Endbereichen der Grundwelle. Dabei kann in der Mitte des Rotorwellensitzes die Querschnittsfläche mind. 10% größer sein, insbesondere 30 % größer sein als in den Randbereichen des Rotorwellensitzes in Richtung der Lagerbereiche. Insbesondere kann die Wandstärke linear, insbesondere parabelförmig abnehmen. Dies kann insbesondere durch mehr Material im Innendurchmesser erfolgen oder alternativ Vertiefungen, die von innen nach außen tiefer werden. So kann die Querschnittsfläche durch eine einheitlich sich verändernde Wandstärke oder aber auch durch konstante Mantelflächen mit entsprechenden Teilaussparungen erzeugt werden.A cross-sectional area of the fundamental wave can decrease, in particular continuously, from the center towards the edge regions. The center then refers to the longitudinal extent, i.e. between the end regions of the fundamental wave. The cross-sectional area in the middle of the rotor shaft seat can be at least 10% larger, in particular 30% larger than in the edge areas of the rotor shaft seat in the direction of the bearing areas. In particular, the wall thickness can decrease linearly, in particular parabolically. This can be done in particular by using more material in the inner diameter or, alternatively, indentations that become deeper from the inside to the outside. The cross-sectional area can be generated by a uniformly changing wall thickness or by constant lateral surfaces with corresponding partial recesses.

Auf der Außenmantelfläche der Kühleinrichtung können warzenförmige Vorsprünge angeformt sein, um das Kühlfluid in den Zwischenraum zwischen Kühleinrichtung und Grundwelle zu leiten.Wart-like projections can be formed on the outer jacket surface of the cooling device in order to guide the cooling fluid into the space between the cooling device and the base shaft.

Ein erfindungsgemäßer Rotor für eine stromerregte Maschine weist eine Ausführungsform einer oben beschriebenen Rotorwelle und ein auf der Rotorwelle im Bereich des Rotorwellensitzes angeordnetes Lamellenpaket auf.A rotor according to the invention for a current-excited machine has an embodiment of a rotor shaft as described above and a disk pack arranged on the rotor shaft in the region of the rotor shaft seat.

Eine erfindungsgemäße stromerregte Maschine umfasst eine Variante eines zuvor beschriebenen Rotors. Weiterhin kann ein Stator vorgesehen sein, wobei in dem Stator der um eine Rotordrehachse rotierbare Rotor angeordnet ist. Eine solche Maschine kann als ein Elektromotor, Motor oder Generator bezeichnet werden.A current-excited machine according to the invention comprises a variant of a rotor described above. Furthermore, a stator can be provided, wherein the rotor, which can be rotated about a rotor axis of rotation, is arranged in the stator. Such a machine can be referred to as an electric motor, motor or generator.

Ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Rotorwelle weist die folgenden Schritte auf:

Bereitstellen einer Grundwelle für eine Rotorwelle, wobei die Grundwelle mit einem Hohlraum als Hohlwelle ausgebildet ist, und eine Kühleinrichtung, wobei die Kühleinrichtung und die Grundwelle aus unterschiedlichem Werkstoffen gefertigt sind, und wobei der Werkstoff der Kühleinrichtung einen höheren Wärmeleitkoeffizienten und einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist als der Werkstoff der Grundwelle, um im Betrieb einen Kraftschluss zwischen der Rotorwelle und einem darauf angeordneten Lamellenpaket zu verbessern; und Einbringen der Kühleinrichtung in die Grundwelle, sodass die Kühleinrichtung im Hohlraum der Grundwelle angeordnet ist, um eine Oberfläche der Innenmantelfläche der Grundwelle zu vergrößern und um ein Kühlfluid in der Grundwelle zu leiten.

A method for manufacturing such a rotor shaft has the following steps:

Providing a base shaft for a rotor shaft, the base shaft being designed as a hollow shaft with a cavity, and a cooling device, the cooling device and the base shaft being made of different materials, and the material of the cooling device having a higher thermal conductivity coefficient and a higher thermal expansion coefficient than the Material of the base shaft in order to improve a frictional connection between the rotor shaft and a disk pack arranged on it during operation; and introducing the cooling device into the fundamental shaft, so that the cooling device is arranged in the hollow space of the fundamental shaft in order to enlarge a surface area of the inner lateral surface of the fundamental shaft and in order to conduct a cooling fluid in the fundamental shaft.

Unter dem Einbringen kann auch ein Einlegen oder ein Fügen verstanden werden. Je nach Aufbau der Rotorwelle können die Schritte etwas unterschiedlich ausgeprägt sein oder sich unterschiedliche Schritte anschließen, wobei sich dies auch teilweise durch die Reihenfolge der Schritte unterscheidet. in einer Ausprägung des Verfahrens können im Schritt des Bereitstellens zumindest ein erster Teil der Grundwelle und ein zweiter Teil der Grundwelle bereitgestellt werden, im Schritt des Einbringens die Kühleinrichtung in einen der beiden Teile der Grundwelle eingebracht werden und in einem darauf folgenden Schritt des Verbindens zumindest der erste Teil der Grundwelle und der zweite Teil der Grundwelle verbunden werden. In einer alternativen Ausprägung kann im Schritt des Bereitstellens die Grundwelle als gezogenes Rohr bereitgestellt werden, in das im Schritt des Einbringens die Kühleinrichtung eingebracht wird und in einem darauffolgenden Schritt des Ausbildens zumindest ein Lagerbereich längsendseitig der Grundwelle ausgeformt wird, in dem zumindest ein Innendurchmesser der Rotorwelle in diesem Bereich verringert wird.Introducing can also be understood to mean inserting or joining. Depending on the structure of the rotor shaft, the steps can be slightly different or can be followed by different steps, whereby this also differs in part due to the order of the steps. In one embodiment of the method, at least a first part of the fundamental wave and a second part of the fundamental wave can be provided in the providing step, the cooling device can be introduced into one of the two parts of the fundamental wave in the introducing step, and in a subsequent step of connecting at least the first part of the fundamental wave and the second part of the fundamental wave are connected. In an alternative embodiment, the basic shaft can be provided as a drawn tube in the providing step, into which the cooling device is inserted in the insertion step and in a subsequent forming step at least one bearing area is formed on the longitudinal end side of the basic shaft, in which at least one inner diameter of the rotor shaft in this area is reduced.

Figurenlistecharacter list

Die erfinderische Idee soll im Folgenden mit Bezug auf die Figuren näher beschrieben werden. Die folgende Beschreibung ist aber als rein beispielhaft anzusehen. Die Erfindung ist allein durch den Gegenstand der Ansprüche bestimmt. Nachfolgend werden vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren erläutert. Dabei werden für gleiche oder gleichwirkende Elemente die gleichen Bezugszeichen verwendet. Weiterhin werden der leichteren Lesbarkeit und Zuordenbarkeit halber Bezugszeichen auch für Merkmale verwendet, wenn diese in der beschriebenen Figur nicht dargestellt sind. Auch werden bei ähnlichen Figuren nicht immer alle Bezugszeichen eingezeichnet, wenn diese Merkmale aus den vorangegangenen Figuren bereits klar bezeichnet sind. Es zeigen:

1 - 2 eine vereinfachte Darstellung einer Rotorwelle gemäß unterschiedlichen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
3 eine schematisierte Darstellung einer elektrischen Maschine mit einem Rotor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 - 7 eine vereinfachte Darstellung einer Rotorwelle gemäß unterschiedlichen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
8 - 16 beispielhafte Schnittdarstellungen von Kühleinrichtungen gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
17 eine Rotorwelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
18 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
19 - 21 eine vereinfachte Darstellung einer Kühleinrichtung gemäß unterschiedlichen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung; und
22 - 23 eine vereinfachte Darstellung einer Rotorwelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

The inventive idea is to be described in more detail below with reference to the figures. However, the following description is to be regarded as purely exemplary. The invention is determined solely by the subject matter of the claims. Advantageous exemplary embodiments of the invention are explained below with reference to the accompanying figures. The same reference symbols are used for the same or equivalent elements. Furthermore, for the sake of easier legibility and assignability, reference numbers are also used for features if they are not shown in the figure described. Also, in similar figures, not all reference numbers are always drawn in if these features are already clearly identified from the preceding figures. Show it:

1 - 2 a simplified representation of a rotor shaft according to different exemplary embodiments of the present invention;
3 a schematic representation of an electrical machine with a rotor according to an embodiment of the present invention;
4 - 7 a simplified representation of a rotor shaft according to different exemplary embodiments of the present invention;
8th - 16 exemplary sectional views of cooling devices according to various exemplary embodiments of the present invention;
17 a rotor shaft according to an embodiment of the present invention;
18 a flowchart of an inventive method according to an embodiment of the present invention;
19 - 21 a simplified representation of a cooling device according to different exemplary embodiments of the present invention; and
22 - 23 a simplified representation of a rotor shaft according to an embodiment of the present invention.

Detaillierte Figurenbeschreibung und Beschreibung der ErfindungDetailed description of figures and description of the invention

1 zeigt eine Rotorwelle 100 für einen Rotor, der insbesondere für eine stromerregte elektrische Maschine 202 vorgesehen ist. Eine entsprechende schematische Darstellung von Rotor und stromerregter elektrischer Maschine ist in 3 dargestellt. Die Rotorwelle umfasst eine als Hohlwelle ausgeformte Grundwelle 102 und längsendseitig jeweils einen Lagerbereich 122. In der Grundwelle 102 ist demnach ein Hohlraum 104 ausgebildet, in dem eine Kühleinrichtung 106 angeordnet ist. Die Grundwelle 102 weist in ihrem Inneren, d.h. dem Hohlraum 104 zugewandt, eine Innenmantelfläche 108 auf, welche im wesentlichen Kreis-zylindrisch ausgeformt ist. Eine Außenumhüllende der Kühleinrichtung 106 wird auch als Außenmantelfläche 110 bezeichnet. Die Außenmantelfläche 110 der Kühleinrichtung 106 liegt, zumindest wenn die Außenumhüllende betrachtet wird, im Wesentlichen an der Innenmantelfläche 108 der Grundwelle 102 an, sodass eine thermische Energie von der Grundwelle an die Kühleinrichtung geleitet werden kann. 1 shows a rotor shaft 100 for a rotor which is provided in particular for a current-excited electrical machine 202. A corresponding schematic representation of the rotor and current-excited electrical machine is in 3 shown. The rotor shaft comprises a base shaft 102 formed as a hollow shaft and a bearing area 122 at each longitudinal end. Accordingly, a cavity 104 is formed in the base shaft 102, in which a cooling device 106 is arranged. In its interior, ie facing the cavity 104, the fundamental shaft 102 has an inner lateral surface 108 which is essentially circular-cylindrical in shape. An outer shell of the cooling device 106 is also referred to as the outer jacket surface 110 . The outer lateral surface 110 of the cooling device 106 essentially rests against the inner lateral surface 108 of the fundamental wave 102, at least when the outer envelope is considered, so that thermal energy can be conducted from the fundamental wave to the cooling device.

An der Grundwelle 102 ist auf der Außenmantelfläche ein Rotorwellensitz 112 für ein Lamellenpaket ausgebildet, wie dies insbesondere auch in 3 gezeigt ist. An den beiden Lagerbereichen 122 kann die Rotorwelle 100 einfach gelagert werden.A rotor shaft seat 112 for a disk pack is formed on the outer lateral surface of the base shaft 102, as is also the case in particular in 3 is shown. The rotor shaft 100 can be easily mounted on the two bearing areas 122 .

In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Kühleinrichtung 106 aus fünf Kühlsegmenten gebildet, welche als Gleichteile ausgeformt sind und axial aufgereiht sind. Im Übergangsbereich zwischen jeweils zwei aufeinander folgenden Kühlsegmenten ist eine nach Innen gerichtete Rippe oder von der Außenmantelfläche 110 aus betrachtet eine Nut ausgebildet. Dadurch wird im Vergleich zur Innenmantelfläche 108 der Grundwelle 102 eine vergrößerte Oberfläche im Innenbereich der Kühleinrichtung 106 ausgebildet. So ist die Kühleinrichtung 106 eingerichtet die für eine Fluidkühlung mittels eines Kühlfluids nutzbare Oberfläche der der Innenmantelfläche 108 der Grundwelle 102 zu vergrößern. Eine Vielzahl von Rippen maximiert die Fläche der Kühleinrichtung 106, wodurch die Kühlleistung optimiert wird. Bei dem Kühlfluid kann es sich um ein nicht elektrisch-leitfähiges Kühlfluid handeln, wie dies beispielsweise bei Trafoölen oder Spezialflüssigkeiten wie Novec der Fall ist.in the in 1 In the exemplary embodiment shown, the cooling device 106 is formed from five cooling segments, which are formed as identical parts and are lined up axially. In the transition area between two consecutive cooling segments, an inwardly directed rib or, viewed from the outer lateral surface 110 , a groove is formed. As a result, an enlarged surface is formed in the interior of the cooling device 106 in comparison to the inner lateral surface 108 of the basic shaft 102 . The cooling device 106 is set up to increase the surface area of the inner lateral surface 108 of the basic shaft 102 that can be used for fluid cooling by means of a cooling fluid. A plurality of fins maximizes the area of the cooler 106, thereby optimizing cooling performance. The cooling fluid can be a non-electrically conductive cooling fluid, as is the case, for example, with transformer oils or special liquids such as Novec.

Aus der 1 nicht direkt sichtbar ist die Wahl des Werkstoffs von Grundwelle 102 und Kühleinrichtung 106. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Kühleinrichtung 106 und die Grundwelle 102 aus unterschiedlichen Werkstoffen hergestellt, wobei der Werkstoff der Kühleinrichtung 106 einen höheren Wärmeleitkoeffizienten und einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist als der Werkstoff der Grundwelle 102. Dies hat im Betrieb den positiven Effekt, dass ein Kraftschluss zwischen der Rotorwelle 100 und einem darauf angeordneten Lamellenpaket 204 verbessert wird (siehe hierzu auch 3). So handelt es sich bei dem konkreten Ausführungsbeispiel der 1 bei dem Werkstoff der Kühleinrichtung um ein Aluminium oder um eine Aluminiumlegierung. Im Gegensatz hierzu handelt es sich bei dem Werkstoff der Grundwelle 102 um einen Stahl oder um eine Stahllegierung.From the 1 The choice of material for fundamental shaft 102 and cooling device 106 is not directly visible. In the present exemplary embodiment, cooling device 106 and fundamental shaft 102 are made of different materials, with the material of cooling device 106 having a higher thermal conductivity coefficient and a higher thermal expansion coefficient than the material of the fundamental wave 102. During operation, this has the positive effect that a frictional connection between the rotor shaft 100 and a disk pack 204 arranged on it is improved (see also 3 ). So it is in the specific embodiment of the 1 the material of the cooling device is aluminum or an aluminum alloy. In contrast to this, the material of the base shaft 102 is steel or a steel alloy.

Bei den in 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispielen ist die Kühleinrichtung 106 aus einem Rohr gefertigt, welches „Einschnürungen“ aufweist, um die Oberfläche zumindest auf der Innenseite der als Rohr ausgeformten Kühleinrichtung 106 zu vergrößern. So ist die Kühleinrichtung 106 in den beiden gezeigten Ausführungsbeispielen durch einen Blechumformprozess ausgeformt worden. Das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich durch seine Einstückigkeit von der mehrteiligen Ausprägung der Kühleinrichtung 106 nach dem Ausführungsbeispiel der 1.At the in 1 and 2 In the exemplary embodiments shown, the cooling device 106 is made from a tube which has “constrictions” in order to enlarge the surface at least on the inside of the cooling device 106 shaped as a tube. Thus, in the two exemplary embodiments shown, the cooling device 106 has been shaped by a sheet metal forming process. This in 2 The illustrated embodiment differs in its one-piece design from the multi-part design of the cooling device 106 according to the embodiment of FIG 1 .

3 zeigt eine elektrische Maschine 202 mit einem Rotor 200. Der Rotor 200 weist eine Rotorwelle 100 auf, auf deren Rotorwellensitz 112 ein Lamellenpaket 204 angeordnet ist. Im Hohlraum 104 der Rotorwelle 100 ist eine Kühleinrichtung 106 angeordnet. Die Kühleinrichtung 106 ist rein schematisch dargestellt. Es kann sich um ein Ausführungsbeispiel einer Kühleinrichtung 106 handeln, wie dies in 1 oder in 2 gezeigt ist, alternativ aber auch um eine Variante, wie diese in den folgenden Figuren gezeigt ist - oder eine Abwandlung hiervon. Deshalb ist diese auch nur schematisch dargestellt. An den beiden Endbereichen der Rotorwelle 100 ist jeweils ein Lagerbereich 122 ausgebildet, an denen die Rotorwelle 100 mittels Lagern 206 gelagert wird. Die Rotorwelle 100 ist innerhalb eines Stators 208 angeordnet. Nicht explizit dargestellt ist das Kühlfluid, welches durch eine Öffnung der als Hohlwelle ausgebildeten Grundwelle 102 bzw. Rotorwelle 100 einströmen kann und dann auf der gegenüberliegenden Seite aus der Rotorwelle 100 wieder ausströmen kann. Insbesondere der Ausfluss des Kühlfluids kann auf verschiedene Arten erfolgen, wie dies aus anderen Offenbarungen entnommen werden kann. Dies stellt aber keinen Kern der hier dargestellten Idee dar und wird deshalb auch nicht weiter adressiert. 3 shows an electric machine 202 with a rotor 200. The rotor 200 has a rotor shaft 100, on the rotor shaft seat 112 of which a laminated core 204 is arranged. A cooling device 106 is arranged in the cavity 104 of the rotor shaft 100 . The cooling device 106 is shown purely schematically. It can be an embodiment of a cooling device 106, as shown in 1 or in 2 is shown, but alternatively also a variant as shown in the following figures - or a modification thereof. This is why it is only shown schematically puts. A bearing area 122 is formed on each of the two end areas of the rotor shaft 100 , on which the rotor shaft 100 is supported by means of bearings 206 . The rotor shaft 100 is arranged within a stator 208 . The cooling fluid, which can flow in through an opening in the base shaft 102 or rotor shaft 100 designed as a hollow shaft and can then flow out of the rotor shaft 100 again on the opposite side, is not explicitly shown. In particular, the outflow of the cooling fluid can take place in various ways, as can be gathered from other disclosures. However, this does not represent a core of the idea presented here and is therefore not addressed further.

Dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist, wie einigen anderen hier gezeigten Ausführungsbeispielen, zu entnehmen, dass der Innendurchmesser D_IL der Lagerbereiche 122 kleiner ist als ein Innendurchmesser D_IG der Grundwelle 102 (insbesondere im Bereich der Kühleinrichtung 106).dem in 3 The exemplary embodiment shown, like some other exemplary embodiments shown here, shows that the inner diameter D _IL of the bearing areas 122 is smaller than an inner diameter D _IG of the basic shaft 102 (in particular in the area of the cooling device 106).

Eine Außenkontur oder Außenmantelfläche 110 der Kühleinrichtung 106 liegt an der Innenmantelfläche 108 der Grundwelle 102 an. Um den Wärmeübergang zwischen der Grundwelle 102 und der Kühleinrichtung 106 zu verbessern kann in einem Ausführungsbeispiel zwischen diesen ein Wärmeleitmaterial 120 angeordnet sein. Dieses kann bei einem direkten Kontakt von Grundwelle 102 mit Kühleinrichtung 106 zur Seite gepresst sein, und insbesondere Spalten oder andere Hohlräume zwischen den beiden Körpern (Grundwelle 102; Kühleinrichtung 106) ausfüllen.An outer contour or outer lateral surface 110 of the cooling device 106 bears against the inner lateral surface 108 of the base shaft 102 . In order to improve the heat transfer between the fundamental shaft 102 and the cooling device 106, a thermally conductive material 120 can be arranged between them in one exemplary embodiment. This can be pressed to the side when the base shaft 102 comes into direct contact with the cooling device 106, and in particular can fill gaps or other cavities between the two bodies (base shaft 102; cooling device 106).

Die in 4 und 5 gezeigten Ausführungsbeispiele sind ähnlich zu den beiden in 1 und 2 bereits dargestellten Ausführungsbeispielen. 4 zeigt eine mehrteilige Version der Kühleinrichtung 106 wohingegen 5 eine vergleichbare Kontur der Kühleinrichtung 106 aufweist, aber einstückig ausgeformt ist. Die Kühleinrichtung 106 gemäß dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel ist als Wellrohr ausgeformt, bevorzugt mit spiralförmigen Wellen (siehe 6b). Insbesondere bei diesem Ausführungsbeispiel kann zwischen der Kühleinrichtung 106 und der Grundwelle 102 ein Wärmeleitmaterial 120 angeordnet sein, alternativ dazu kann die Kühleinrichtung 106 Durchbrüche 118 aufweisen, wie dies in 18 und 19 dargestellt ist, oder warzenförmige Vorsprünge 126 aufweisen, wie dies in 20 bis 22 dargestellt ist.In the 4 and 5 illustrated embodiments are similar to the two in 1 and 2 already illustrated embodiments. 4 shows a multi-part version of the cooling device 106 whereas 5 has a comparable contour to the cooling device 106, but is formed in one piece. The cooling device 106 according to in 5 shown embodiment is formed as a corrugated tube, preferably with spiral waves (see 6b) . In this exemplary embodiment in particular, a thermally conductive material 120 can be arranged between the cooling device 106 and the fundamental shaft 102; alternatively, the cooling device 106 can have openings 118, as is shown in 18 and 19 is shown, or have wart-shaped projections 126, as is shown in 20 until 22 is shown.

6 und 7 zeigen Ausführungsbeispiele, bei denen eine Querschnittsfläche D_w der Grundwelle 102 von der Mitte hin zu den Randbereichen, insbesondere kontinuierlich, abnehmen kann und in der Mitte des Rotorwellensitzes 112 mind. 10% größer ist, als in den Randbereichen des Rotorwellensitzes 112 in Richtung der Lagerbereiche 122. In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Querschnittsfläche D_w der Grundwelle 102 in der Mitte des Rotorwellensitzes 112 mind. 20% größer oder sogar mind. 30% größer als in den Randbereichen des Rotorwellensitzes 112 in Richtung der Lagerbereiche 122. Dabei nimmt die Wandstärke insbesondere linear oder insbesondere parabelförmig ab, durch mehr Material im Innendurchmesser, oder alternativ mittels Vertiefungen oder Nuten, die von innen nach außen tiefer werden. 6 and 7 show exemplary embodiments in which a cross-sectional area D _w of the basic shaft 102 can decrease from the center to the edge areas, in particular continuously, and in the center of the rotor shaft seat 112 is at least 10% larger than in the edge areas of the rotor shaft seat 112 in the direction of the bearing areas 122. In an exemplary embodiment that is not shown, the cross-sectional area D _w of the basic shaft 102 in the center of the rotor shaft seat 112 is at least 20% larger or even at least 30% larger than in the edge areas of the rotor shaft seat 112 in the direction of the bearing areas 122. The wall thickness increases in particular linearly or in particular parabolic, through more material in the inner diameter, or alternatively by means of indentations or grooves that become deeper from the inside to the outside.

Die 6a bis 6e zeigen verschiedene Ausführungsbeispiele einer Rotorwelle 100. Ein Hauptunterscheidungsmerkmal zu den bis jetzt gezeigten Ausführungsbeispielen mit Wellenprofil 116 als Kühleinrichtung 106 ist, dass die Außenmantelfläche 110 der Kühleinrichtung 106 vollflächig an der Innenmantelfläche 108 der Grundwelle 102 anliegt. So sind die Rippen der Kühleinrichtung 106 nicht nur in das Blech gedrückt bei einer näherungsweise konstanten Wanddicke. Vielmehr sind die Rippen bzw. Kühlrippen aus vollem Material oder Werkstoff ausgeformt. In 6a sind die einzelnen abgerundeten Rippen immer beabstandet zueinander angeordnet. in einer optionalen besonderen Variante sind in den Rippen des Wellenprofils Durchbrüche 118 vorgesehen, sodass ein Kühlfluid hindurch fließen kannn, um einen optimalen Wärmeabtransport zu gewährleisten.The 6a until 6e show various exemplary embodiments of a rotor shaft 100. A main distinguishing feature from the exemplary embodiments shown so far with a corrugated profile 116 as the cooling device 106 is that the outer lateral surface 110 of the cooling device 106 rests over the entire surface on the inner lateral surface 108 of the basic shaft 102. Thus, the ribs of the cooling device 106 are not only pressed into the metal sheet with an approximately constant wall thickness. Rather, the ribs or cooling ribs are formed from solid material or material. In 6a the individual rounded ribs are always spaced apart from one another. In an optional special variant, openings 118 are provided in the ribs of the corrugated profile, so that a cooling fluid can flow through to ensure optimal heat dissipation.

In 6b sind die Rippen spiralförmig ausgeformt, wie bereits zuvor ohne Darstellung beschrieben. Dies kann bei der Nutzung einer Wellrohrgeometrie für die Kühleinrichtung 106 besonders vorteilhaft sein, um Wärme effizient abzutransportieren.In 6b the ribs are formed in a spiral shape, as previously described without illustration. This can be particularly advantageous when using a corrugated tube geometry for the cooling device 106 in order to efficiently transport away heat.

6a zeigt eine einteilig ausgeformte Kühleinrichtung 106. Im Gegensatz hierzu ist die in 6c dargestellte mehrteilige Ausführung zu sehen. Jedes Element umfasst eine halbe Rippe auf jeder Seite, sodass zwei aufeinander folgende Elemente eine komplette Rippe ausformen. So sind die in 6a und 6c dargestellten Ausführungsbeispiele nahezu identisch zu den in 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispielen, mit dem besagten Unterschied, dass die Kühleinrichtung 106 nun vollflächig an der Grundwelle 102 anliegt. Dies gilt auch für 6d und 6e, welche bis auf das beschriebene vollflächige Anliegen der Rippen an der Grundwelle, den in 4 und 5 gezeigten Ausführungsbeispielen entsprechen. 6a shows a one-piece cooling device 106. In contrast to this, FIG 6c shown multi-part design to see. Each element includes half a rib on each side, so two consecutive elements form a complete rib. That's how they are 6a and 6c illustrated embodiments are almost identical to those in 1 and 2 illustrated exemplary embodiments, with the said difference that the cooling device 106 now bears against the fundamental shaft 102 over its entire surface. This also applies to 6d and 6e , which apart from the described full-surface contact of the ribs on the fundamental shaft, the in 4 and 5 correspond to the embodiments shown.

7 zeigt eine mehrteilige Kühleinrichtung 106, deren Randbereiche flügelähnliche Blechumformungen sind. So kann einerseits eine vollflächige Anlage in der Grundwelle erzielt werden und andererseits ine maximal vergrößere Oberfläche bereitgestellt werden. 7 shows a multi-part cooling device 106, the edge areas of which are wing-like sheet metal formations. In this way, on the one hand, full-surface contact with the fundamental wave can be achieved and, on the other hand, a maximally enlarged surface can be provided.

Alternativ zu den zuvor gezeigten Ausführungsbeispielen, bei denen die Kühleinrichtung 106 als Blechumformteil ausgebildet ist, kann diese auch als Strangpressprofil 114 ausgeformt sein, wie dies in den 8 bis 14 beispielhaft dargestellt ist. Bei dem in 8 dargestellten Ausführungsbeispiel sind Rippen bzw. Finnen oder Kühlrippen/Kühlfinnen in Längsrichtung ausgeformt, welche im Querschnitt jeweils eine drei-eckige Querschnittsfläche aufweisen. Hierdurch kann sehr einfach die Oberfläche im Inneren der Kühleinrichtung 106 erheblich vergrößert werden und somit die Kühlwirkung mittels eines Kühlfluids verbessert werden. Bei dem in 9 dargestellten Ausführungsbeispiel ist in den Rippen zusätzlich ein Kühlkanal 124 ausgeformt. Sowohl bei dem in 8 als auch bei dem in 9 dargestellten Ausführungsbeispiel können die Rippen in einer Wellenform oder in einer „eckigen Wellenform“, d.h. in regelmäßig oder unregelmäßigen Richtungsänderungen je Segment in der Längsrichtung verlaufen, wie in 10 skizziert. Dadurch können zusätzliche Verwirbelungen des durchströmenden Kühlfluids erzeugt werden, um den Wärmeabtransport weiter zu verbessern.As an alternative to the exemplary embodiments shown above, in which the cooling device 106 is designed as a formed sheet metal part, it can also be formed as an extruded profile 114, as is shown in FIGS 8th until 14 is shown as an example. At the in 8th In the illustrated embodiment, ribs or fins or cooling ribs/cooling fins are formed in the longitudinal direction, each of which has a triangular cross-sectional area in cross section. As a result, the surface inside the cooling device 106 can be significantly enlarged very easily and the cooling effect can thus be improved by means of a cooling fluid. At the in 9 In the embodiment shown, a cooling channel 124 is additionally formed in the ribs. Both at the in 8th as well as with the in 9 illustrated embodiment, the ribs can run in a wavy shape or in an “angular wavy shape”, ie in regular or irregular changes of direction per segment in the longitudinal direction, as in 10 sketched. As a result, additional turbulences of the cooling fluid flowing through can be generated in order to further improve the heat dissipation.

Bei dem in 11 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Kühleinrichtung 106 zwei ineinander angeordnete Rohre auf, die über in Längsrichtung verlaufende Stege miteinander verbunden sind. Dadurch wird auch eine Vielzahl von Kühlkanälen 124 ausgeformt. Auch dies lässt sich mit der in 10 dargestellten Variante zum Verlauf der längsorientieren Rippen oder Kühlkanäle 124 kombinieren. In einem speziellen Ausführungsbeispiel sind die Rippen oder Stege derart ausgeformt und angeordnet, dass die Kühlkanäle 124 wabenförmig ausgeformt sind, wie in 12 und 13 beispielhaft dargestellt. Dadurch kann eine hohe Festigkeit der Kühlstruktur 106 trotz geringer Wandstärken erzielen. Dadurch dass die Kühleinrichtung 106 eine höhere Wärmeausdehnung aufweist als die Grundwelle 102 und somit von Innen gegen die hohle Grundwelle einen nach außen gerichteten Druck erzeugt, kann auch im Bereich der Rotorwellensitzes 112 die Wandstärke im Vergleich zu vorbekannten Lösungen verringert werden, ohne in der Gesamtfestigkeit einen Nachteil zu erzeugen. Neben einer wabenförmigen Ausprägung der Kühlkanäle 124 können diese auch beispielsweise wie in 14 dargestellt, Diamantförmig ausgeformt sein. Diese spezielle Gestaltung erlaubt eine maximale Festigkeit kombiniert mit einem maximalen Druck nach außen auf die Rotorwelle, wenn die Kühleinrichtung 106 in einer solchen eingebaut ist.At the in 11 In the exemplary embodiment illustrated, the cooling device 106 has two tubes which are arranged inside one another and which are connected to one another via webs running in the longitudinal direction. As a result, a large number of cooling channels 124 are also formed. This can also be done with the in 10 Combine illustrated variant to the course of the longitudinally oriented ribs or cooling channels 124. In a special exemplary embodiment, the ribs or webs are shaped and arranged in such a way that the cooling channels 124 are shaped like a honeycomb, as in FIG 12 and 13 shown as an example. As a result, the cooling structure 106 can achieve high strength despite the small wall thicknesses. Because the cooling device 106 has a higher thermal expansion than the base shaft 102 and thus generates an outward pressure from the inside against the hollow base shaft, the wall thickness can also be reduced in the area of the rotor shaft seat 112 compared to previously known solutions, without reducing the overall strength create disadvantage. In addition to a honeycomb design of the cooling channels 124, these can also be used, for example, as in 14 shown, be diamond-shaped. This special design allows for maximum strength combined with maximum outward pressure on the rotor shaft when the cooler 106 is installed in one.

15 zeigt erneut einen Ausschnitt einer Kühleinrichtung 106 als Blechumformteil, wobei die eingeprägten bzw. geformten Wellen sich in Längsrichtung erstrecken und zusätzlich diese eine Wellenform aufweisen. So kann trotz Leichtbau eine Führung des Kühlfluids erzeugt werden, wobei das Kühlfluid an einer vergrößerten Oberfläche vorbeiströmt. 15 FIG. 12 again shows a section of a cooling device 106 as a formed sheet metal part, with the embossed or formed waves extending in the longitudinal direction and additionally having a wave shape. Thus, despite the lightweight construction, the cooling fluid can be guided, with the cooling fluid flowing past an enlarged surface.

16 zeigt eine Detailansicht einer Kühleinrichtung 106, bei der die Kühlung ähnlich zu einem Radiator beispielsweise zur Luftkühlung eines Kühlsystems in einem Verbrennungsmotor erzielt wird, wobei eine Vielzahl von gestapelten gewellten Blechen derart angeordnet wird, dass ein Kühlfluid durch diese strömen kann und diese an der Grundwelle 102 anliegen, um von dort die Wärme auszunehmen. 16 shows a detailed view of a cooling device 106, in which the cooling is achieved in a similar way to a radiator, for example for air cooling of a cooling system in an internal combustion engine, a large number of stacked corrugated metal sheets being arranged in such a way that a cooling fluid can flow through them and these on the basic shaft 102 lie against it in order to extract the heat from there.

17 zeigt eine Rotorwelle 100 mit einer Kühleinrichtung 106, die eine konische Mediumführung auf der gesamten Innenlänge aufweist. So ist einen Innendurchmesser D1 der Kühleinrichtung auf der Seite, auf der das Kühlfluid eingeleitet wird, geringer als ein Innendurchmesser D2, der auf der hiervon abgewandten Seite, in der Regel der Seite des Ausgangs des Kühlfluids, ist. So nimmt der Innendurchmesser der Kühleinrichtung 106 kontinuierlich zu. Dies lässt sich mit allen Varianten der bereits gezeigten Ausführungsbeispiele kombinieren. Diese konische Führung des Kühlfluids hat den Vorteil, dass etwaigen Strömungsverlusten entgegen gewirkt wird und so über die gesamte Längserstreckung der Kühleinrichtung 106 eine gleichbleibende Kühlwirkung erzielt werden kann. Eine besondere Kombination ist beispielsweise mit den spiralförmigen Wendelungen der Rippen eines Metallbalges oder Wellrohres möglich. Alternativ können auch die Rippen unterschiedliche Abstände zueinander aufweisen. 17 shows a rotor shaft 100 with a cooling device 106, which has a conical medium guide over the entire inner length. Thus, an inner diameter D1 of the cooling device on the side on which the cooling fluid is introduced is smaller than an inner diameter D2 on the side facing away therefrom, generally the side of the exit of the cooling fluid. The inner diameter of the cooling device 106 thus increases continuously. This can be combined with all variants of the exemplary embodiments already shown. This conical guidance of the cooling fluid has the advantage that any flow losses are counteracted and a constant cooling effect can thus be achieved over the entire longitudinal extent of the cooling device 106 . A special combination is possible, for example, with the spiral-shaped coils of the ribs of a metal bellows or corrugated tube. Alternatively, the ribs can also be at different distances from one another.

In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann auch ein Doppelkonus ausgeformt sein im Inneren der Kühleinrichtung 106. In diesem Fall ist in der Mitte der Innendurchmesser verschieden von den Innendurchmessern in den Endbereichen. Die Durchmesser D₁ und D₂ können gleich oder nahezu gleich sein, und der Durchmesser D₃ ist hierzu verschieden, entweder größer oder kleiner.In an alternative exemplary embodiment, a double cone can also be formed inside the cooling device 106. In this case, the inner diameter in the middle is different from the inner diameters in the end regions. The diameters D ₁ and D ₂ can be the same or almost the same, and the diameter D ₃ is different, either larger or smaller.

18 zeigt ein Verfahren zum Herstellen einer Rotorwelle 100. Das Verfahren umfasst zumindest zwei Schritte. In einem ersten Schritt des Bereitstellens (S1) wird eine Grundwelle 102 für eine Rotorwelle 100, und eine Kühleinrichtung 106 bereitgestellt. Die Grundwelle 102 weist einen Hohlraum 104 auf und ist somit als Hohlwelle ausgebildet. Die Kühleinrichtung 106 und die Grundwelle 102 sind aus unterschiedlichen Werkstoffen gefertigt, wobei der Werkstoff der Kühleinrichtung 106 einen höheren Wärmeleitkoeffizienten und einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist als der Werkstoff der Grundwelle 102, um im Betrieb einen Kraftschluss zwischen der Rotorwelle 100 und einem darauf angeordneten Lamellenpaket 204 zu verbessern. In einem darauffolgenden Schritt des Einbringens (S2) wird die Kühleinrichtung 106 in die Grundwelle 102 eingebracht, sodass die Kühleinrichtung 106 im Hohlraum 104 der Grundwelle 102 angeordnet ist, um eine Oberfläche der Innenmantelfläche 108 der Grundwelle 102 zu vergrößern und um ein Kühlfluid in der Grundwelle 102 zu leiten. 18 12 shows a method for producing a rotor shaft 100. The method comprises at least two steps. In a first step of providing (S1), a basic shaft 102 for a rotor shaft 100 and a cooling device 106 are provided. The basic shaft 102 has a cavity 104 and is therefore designed as a hollow shaft. Cooling device 106 and base shaft 102 are made of different materials, with the material of cooling device 106 having a higher coefficient of thermal conductivity and a higher coefficient of thermal expansion than the material of base shaft 102, in order to ensure a non-positive connection between rotor shaft 100 and a disk pack 204 arranged thereon during operation improve ser. In a subsequent step of introduction (S2), the cooling device 106 is introduced into the fundamental shaft 102, so that the cooling device 106 is arranged in the cavity 104 of the fundamental shaft 102 in order to enlarge a surface of the inner lateral surface 108 of the fundamental shaft 102 and to add a cooling fluid in the fundamental shaft 102 to direct.

Optional verfügt das Verfahren über einen Schritt des Verbindens (S3). In diesem Fall wird im Schritt des Bereitstellens (S1) ein erster Teil der Grundwelle 102 und ein zweiter Teil der Grundwelle 102 bereitgestellt und im Schritt des Einbringens (S2) die Kühleinrichtung 106 in einen der beiden Teile der Grundwelle 102 eingebracht. Im darauf folgenden Schritt des Verbindens (S3) wird der erste Teil der Grundwelle 102 und der zweite Teil der Grundwelle 102 verbunden werden. In einer Variante des Verfahrens ist ein optionaler Schritt des Ausbildens (S4) vorgesehen. In diesem Fall wird im Schritt des Bereitstellens (S1) die Grundwelle 102 beispielsweise als gezogenes Rohr bereitgestellt, in das im Schritt des Einbringens (S2) die Kühleinrichtung 106 eingebracht wird und in einem darauffolgenden Schritt des Ausbildens (S4) ein Lagerbereiche 108 längsendseitig der Grundwelle 102 ausgeformt wird, in dem zumindest ein Innendurchmesser der Rotorwelle 100 in diesem Bereich verringert wird.Optionally, the method has a step of connecting (S3). In this case, a first part of the fundamental shaft 102 and a second part of the fundamental shaft 102 are provided in the providing step (S1), and the cooling device 106 is introduced into one of the two parts of the fundamental shaft 102 in the introducing step (S2). In the subsequent step of connecting (S3), the first part of the fundamental wave 102 and the second part of the fundamental wave 102 will be connected. In a variant of the method, an optional step of forming (S4) is provided. In this case, in the providing step (S1), the fundamental shaft 102 is provided, for example as a drawn tube, into which the cooling device 106 is inserted in the insertion step (S2) and in a subsequent forming step (S4) a bearing area 108 on the longitudinal end side of the fundamental shaft 102 is formed by reducing at least one inner diameter of the rotor shaft 100 in this area.

19 zeigt wie bereits oben geschrieben Durchbrüche 118 in der Kühleinrichtung 106, um eine optimale Kühlung auf beiden Seiten der Kühleinrichtung 106 zu schaffen. Dabei ist in 19 im Bereich der Durchbrüche die Wandstärke der Kühleinrichtung 106 komplett durchbrochen, wohingegen bei dem in 20 gezeigten Ausführungsbeispiel die Durchbrüche 118 derart ausgeformt sind, dass Kühlfluid auf der Außenseite der Kühleinrichtung 106 von Sicke zu Sicke leitbar ist, aber die Wand der Kühleinrichtung 106 nicht vollständig durchbrochen ist. 19 shows openings 118 in the cooling device 106, as already described above, in order to create optimal cooling on both sides of the cooling device 106. where is in 19 in the area of the openings, the wall thickness of the cooling device 106 is completely broken through, whereas in 20 shown embodiment, the openings 118 are formed such that cooling fluid on the outside of the cooling device 106 can be conducted from bead to bead, but the wall of the cooling device 106 is not completely broken.

Die Durchbrüche 118 können auch fertigungstechnisch mittels eines perforierten Blechs in die Kühleinrichtung 106 vor dem Formen zu einem Wellrohr oder einer hierzu ähnlichen Form eingebracht werden.The openings 118 can also be introduced into the cooling device 106 prior to forming into a corrugated tube or a shape similar thereto by means of a perforated metal sheet.

21 bis 23 zeigen schließlich eine Variante, bei der auf der Außenmantelfläche der Kühleinrichtung 106 warzenförmige Vorsprünge 126 angeformt sind. Hierdurch entsteht an der Innenwand der Grundwelle 102 zwischen Grundwelle 102 und Kühleinrichtung 106 ein schmaler Spalt, durch welchen Kühlfluid geleitet werden kann, um die Rotorwelle 100 zu kühlen. 21 until 23 finally show a variant in which wart-shaped projections 126 are formed on the outer surface of the cooling device 106. This creates a narrow gap on the inner wall of the base shaft 102 between the base shaft 102 and the cooling device 106 through which cooling fluid can be conducted in order to cool the rotor shaft 100 .

BezugszeichenlisteReference List

100100: Rotorwellerotor shaft
102102: Grundwellefundamental wave
104104: Hohlraumcavity
106106: Kühleinrichtungcooling device
108108: Innenmantelflächeinner lateral surface
110110: Außenmantelflächeouter surface
112112: Rotorwellensitzrotor shaft seat
114114: Strangpressprofilextruded profile
116116: Wellenprofilwave profile
118118: Durchbruchbreakthrough
120120: Wärmeleitmaterialthermal interface material
122122: Lagerbereich, LagersitzStorage area, camp seat
124124: Kühlkanalcooling channel
126126: warzenförmige Vorsprünge warty protrusions
DILDIL: Innendurchmesser der LagerbereicheInner diameter of the bearing areas
DIGDIG: Innendurchmesser der GrundwelleInner diameter of the fundamental shaft
D1D1: Innendurchmesser KühleinrichtungInside diameter of cooling device
D2D2: Innendurchmesser KühleinrichtungInside diameter of cooling device
D3D3: Innendurchmesser KühleinrichtungInside diameter of cooling device
WW: Wandstärke Grundwelle wall thickness fundamental wave
200200: Rotorrotor
202202: elektrische Maschineelectric machine
204204: Lamellenpaketplate pack
206206: Lagercamp
208208: Stator stator
S1 - S4S1 - S4: Verfahrensschritteprocess steps

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

EP 1278290 A1 [0003]
DE 102015223631 A1 [0004]

Claims

Rotor shaft (100) for a rotor (200), in particular for a current-excited electrical machine (202), wherein the rotor shaft (100) has a base shaft (102) which is designed as a hollow shaft with a cavity (104), and wherein on a outer lateral surface (110) of the base shaft (102), a rotor shaft seat (112) for a disk pack (204) is formed, characterized in that - a cooling device (106) is arranged in the cavity (104) of the base shaft (102) in order to cool a surface of the to enlarge the inner lateral surface (108) of the base shaft (102) and to conduct a cooling fluid in the base shaft (102), - the cooling device (106) and the base shaft (102) being made of different materials, and - the material of the cooling device (106) has a higher coefficient of thermal conductivity and a higher coefficient of thermal expansion than the material of the base shaft (102) in order to improve a frictional connection between the rotor shaft (100) and a disk pack (204) arranged thereon during operation.

Rotor shaft (100) according to claim 1 , wherein the material of the cooling device (106) is an alloyed material, in particular aluminum or an aluminum alloy, and/or the material of the base shaft (102) is steel and/or a steel alloy.

Rotor shaft (100) according to one of the preceding claims, wherein an outer contour or outer lateral surface (110) of the cooling device (106) bears against the inner lateral surface (108) of the base shaft (102).

Rotor shaft (100) according to one of the preceding claims, wherein the cooling device (106) is formed as an extruded profile (114), in particular wherein the extruded profile has cooling channels formed in a honeycomb shape.

Rotor shaft (100) according to one of Claims 1 until 3 , wherein the cooling device (106) is formed by a sheet metal forming process, and in particular has a corrugated profile (116).

Rotor shaft (100) according to the preceding claim, wherein the wave profile (116) has openings (118) in order to direct the cooling fluid to the inner lateral surface (108) of the base shaft (102).

Rotor shaft (100) according to the preceding claim, wherein the cooling device (106) is formed in one piece.

Rotor shaft (100) according to one of the preceding claims, wherein a thermally conductive material (120) is arranged between the cooling device (106) and the base shaft (102).

Rotor shaft (100) according to one of the preceding claims, wherein a basic shape of the basic shaft (102) is designed as a drawn tube.

Rotor shaft (100) according to one of the preceding claims, wherein a bearing area (122) is arranged on the longitudinal end side of the base shaft (102), in particular wherein the base shaft (102) is formed in several pieces and/or in particular an inner diameter (D _IL ) of the bearing areas (108 ) is smaller than an inner diameter (D _IG ) of the basic shaft (102) in the area of the rotor shaft seat (112).

Rotor shaft (100) according to one of the preceding claims, wherein a wall thickness (W) of the base shaft (102) in the region of the rotor shaft seat (112) is less than 8 mm, in particular less than 6 mm, in particular less than 4 mm.

Rotor shaft (100) according to one of the preceding claims, wherein a cross-sectional area/wall thickness (W) of the basic shaft (102) decreases from the center towards the edge regions, in particular continuously, and is at least 10% larger in the center of the rotor shaft seat (112). , In particular 30% larger than in the edge areas of the rotor shaft seat (112) in the direction of the bearing areas (122). (In particular, the wall thickness decreases linearly, in particular parabolically, due to more material in the inner diameter, or alternatively depressions that become deeper from the inside to the outside).

Rotor shaft (100) according to one of the preceding claims, wherein wart-shaped projections (126) are formed on the outer lateral surface (110) of the cooling device (106) in order to conduct the cooling fluid (120) in the resulting intermediate space.

Rotor (200) for a current-excited electrical machine (202) with a rotor shaft (100) according to one of the preceding claims and with at least one disk pack (204) arranged on the base shaft (102).

Electrical machine (202) with a rotor (200) according to the preceding claim.

A method for producing a rotor shaft (100), comprising at least the following steps: a) providing (S1) a base shaft (102) for a rotor shaft (100), the base shaft (102) having a cavity (104) is designed as a hollow shaft, and a cooling device (106), the cooling device (106) and the base shaft (102) being made of different materials, and the material of the cooling device (106) having a higher thermal conductivity coefficient and a higher thermal expansion coefficient as the material of the base shaft (102), in order to improve a frictional connection between the rotor shaft (100) and a disk pack (204) arranged thereon during operation; and b) introducing (S2) the cooling device (106) into the base shaft (102), so that the cooling device (106) is arranged in the cavity (104) of the base shaft (102) in order to cover a surface of the inner lateral surface (108) of the base shaft (102 ) and to direct a cooling fluid in the fundamental shaft (102).

Method according to the preceding claim, wherein in step (S1) of providing a first part of the fundamental wave (102) and a second part of the fundamental wave (102) are provided, in step (S2) of introducing the cooling device (106) into one of the two parts of the fundamental wave (102) is introduced and in a subsequent step (S3) of connecting the first part of the fundamental wave (102) and the second part of the fundamental wave (102) are connected, or in the step (S1) of providing the fundamental wave ( 102) is provided as a drawn tube, into which the cooling device (106) is introduced in the step (S2) of introduction and in a subsequent step (S4) of formation, a bearing area (108) is formed on the longitudinal end side of the basic shaft (102), in which at least one inner diameter of the rotor shaft (100) is reduced in this area.