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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug, wobei die elektrische Maschine einen flüssigkeitsgekühlten Rotor aufweist, der eine erhöhte Korrosionsbeständigkeit gegenüber dem Kühlmedium und eine erhöhte Mediendichtigkeit gegenüber dem Gehäuse aufweisen kann. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine.
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Elektrische Maschinen für Kraftfahrzeuge sind grundsätzlich bekannt. Ferner ist bekannt, das die elektrischen Maschinen entweder mit Luft oder über ein flüssiges Medium gekühlt werden können. In Abhängigkeit des Kühlmediums und je nach Ausgestaltung der elektrischen Maschine kann Korrosion, insbesondere eine Reibkorrosion ein Thema sein.
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Eine Aufgabe der Erfindung liegt darin, eine elektrische Maschine für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug anzugeben, die eine erhöhte Kühlmitteldichtigkeit zwischen einem Gehäuse und einem innerhalb des Gehäuses angeordneten Rotor aufweist und die preiswert herstellbar ist.
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Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei kann jedes gezeigte und/oder beschriebene Merkmal sowohl einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen, sofern sich nicht explizit etwas Gegenteiliges aus der Beschreibung ergibt.
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Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug, aufweisend ein Gehäuse, einen eine Rotorwelle aufweisenden Rotor, der innerhalb des Gehäuses um eine Rotorachse des Rotors über wenigstens eine Lagereinrichtung drehbar gelagert ist, ein zwischen dem Gehäuse und der Rotorwelle angeordnetes Dichtelement, das einen Ringspalt zwischen dem Gehäuse und der Rotorwelle mediendicht abdichtet, wobei die Rotorwelle und/oder das Gehäuse ein erstes Material und ein von dem ersten Material verschiedenes zweites Material aufweist, das zweite Material gegenüber dem ersten Material eine erhöhte Korrosionsbeständigkeit aufweist, und eine Dichtlippe des Dichtelements gegen das zweite Material der Rotorwelle und/oder gegen das zweite Material des Gehäuses abdichtet.
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Mit anderen Worten ist gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung vorgesehen, dass eine elektrische Maschine für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug bereitgestellt wird. Die elektrische Maschine wird vorzugsweise im Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs angeordnet und/oder ist dazu eingerichtet das Kraftfahrzeug anzutreiben.
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Die elektrische Maschine weist ein Gehäuse auf. Innerhalb des Gehäuses ist ein Rotor angeordnet. Der Rotor weist eine Rotorwelle auf. Die Rotorwelle ist um eine Rotorachse des Rotors über eine Lagereinrichtung drehbar gelagert. Zwischen dem Gehäuse und der Rotorwelle ist ein Dichtelement angeordnet, das einen Ringspalt zwischen dem Gehäuse und der Rotorwelle mediendicht abdichtet, um zu verhindern, dass ein Kühlmedium über den Ringspalt in die Lageeinrichtung eindringt, bzw. über die Lagereinrichtung in Richtung einen den Rotor umgebenden Stator gelangt. Mediendicht bedeutet demnach eine fluiddichte Ausbildung.
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Die Rotorwelle und/oder das Gehäuse sind aus einem ersten Material ausgebildet. Des Weiteren weist die Rotorwelle und/oder das Gehäuse ein gegenüber dem ersten Material verschiedenes zweites Material auf. Denkbar ist somit, dass lediglich das Gehäuse, oder lediglich die Rotorwelle oder sowohl die Rotorwelle als auch das Gehäuse das zweite Material aufweisen. Das zweite Material weist gegenüber dem ersten Material eine erhöhte Korrosionsbeständigkeit auf. Bedingt dadurch, dass das zweite Material gegenüber dem ersten Material eine erhöhte Korrosionsbeständigkeit aufweist, insbesondere eine erhöhte Beständigkeit gegen eine Reibkorrosion, kann die Mediendichtigkeit zwischen der Dichtlippe und dem Gehäuse bzw. zwischen der Dichtlippe und der Rotorwelle erhöht werden. Da das die höhere Korrosionsbeständigkeit aufweisende zweite Material für gewöhnlich gegenüber dem ersten Material teurer ist, können durch die Ausbildung des Gehäuses und/oder der Rotorwelle aus zwei Materialien, nämlich dem ersten Material und dem zweiten Material, die Kosten der elektrischen Maschine reduziert werden.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung liegt darin, dass das erste Material, ein Stahlwerkstoff oder ein aluminiumbasiertes Material ist. Ein Stahlwerkstoff kann ein Einsatzstahl oder ein Vergütungsstahl sein. Ein Einsatzstahl weist vorzugsweise einen Kohlenstoffgehalt kleiner 0,2% auf. Der Einsatzstahl kann vorzugsweise ein 20MnCr5, ein 16MnCr5, ein C10, ein 17CrNiMo6 ein C15E oder ein 15CrNi6 sein. Der Vergütungsstahl weist vorzugsweise einen Kohlenstoffgehalt zwischen 0,2 % und 0,65 % auf. Er kann unterschiedliche Legierungsbestandteile, wie Chrom, Mangan, Molybdän und Nickel aufweisen. Der Vergütungsstahl kann beispielsweise ein C25, ein Cq45, ein 28Mn6, ein Cm60 oder 37Cr4 sein. Einsatzstähle und/oder Vergütungsstähle weisen einen zähnen Kern und eine Randschicht mit einer erhöhten Festigkeit auf und eigenen sich somit vorzugsweise für Rotorwellen. Das aluminiumbasierte Material ist vorzugsweise für ein Gussverfahren, insbesondere für eine Aluminiumdruckgussverfahren, eingerichtet und/oder ausgebildet. Vorzugsweise ist das aluminiumbasierte Material ein AISi9Cu3(Fe), ein AISi12Cu1(Fe), ein AlSi12(Fe) oder ein AlSi10Mg(Cu). Das aluminiumbasierte Material eignet sich vorzugsweise für Gehäuse der elektrischen Maschine.
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Denkbar ist, dass das erste Material des Gehäuses gleich dem ersten Material der Rotorwelle ist. Somit kann beispielweise vorgesehen sein, dass das erste Material der Rotorwelle und das erste Material des Gehäuses ein Vergütungsstahl oder ein Einsatzstahl ist.
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Alternativ dazu sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, dass das erste Material des Gehäuses verschieden ist von dem ersten Material der Rotorwelle. Somit kann vorgesehen sein, dass das erste Material der Rotorwelle ein Einsatzstahl oder ein Vergütungsstahl ist. Das erste Material des Gehäuses ist vorzugsweise ein aluminiumbasiertes Material. Ein Gehäuse aus einem aluminiumbasierten Material kann vorzugsweise mittels eines Druckgussverfahrens hergestellt werden. Ein Druckgussverfahren kann preiswert ausgeführt werden, sodass das Gehäuse der elektrischen Maschine preiswert herstellbar ist. Die Rotorwelle aus einem Einsatzstahl oder einem Vergütungsstahl kann somit die für ihren Einsatzzweck erhöhte strukturelle Festigkeit aufweisen. Somit können die Kosten der elektrischen Maschine, entsprechend der Wahl des ersten Materials für die Rotorwelle und des ersten Materials für das Gehäuse, reduziert werden.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung liegt darin, dass das zweite Material ein Kunststoffmaterial, ein Keramikmaterial oder ein metallisches Material ist. Das Kunststoffmaterial kann vorzugsweise ein duroplastischer oder ein thermoplastischer Kunststoff sein. Weiterhin ist denkbar, dass das Kunststoffmaterial eine Faserverstärkung aufweist. Die Faserverstärkung kann eine Glasfaserverstärkung oder eine Kohlenfaserverstärkung sein. Bedingt durch die Faserverstärkung kann das Kunststoffmaterial eine erhöhte Abriebbeständigkeit aufweisen. Zudem weist der Kunststoff eine erhöhte Beständigkeit gegen ein Kühlmittel, vorzugweise aus einem Wasser-Glykol-Gemisch, auf. Das Keramikmaterial weist - wie das Kunststoffmaterial - eine erhöhte Beständigkeit gegen ein aus einem Wasser-Glykol-Gemisch ausgebildeten Kühlmittel auf. Keramikmaterialien können zudem eine erhöhte Abriebbeständigkeit aufweisen, wodurch eine dauerhafte bzw. langlebige Abdichtung des Dichtelements gegenüber dem zweiten Material ermöglicht werden kann. Denkbar ist weiter, dass das zweite Material ein metallisches Material ist, das gegenüber dem ersten Material eine erhöhte Korrosionsbeständigkeit aufweist.
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Sofern das zweite Material ein metallisches Material ist, ist vorteilhaft vorgesehen, dass das metallische Material ein Stahlwerkstoff ist, der gegenüber dem ersten Material einen erhöhten Chromanteil, einen erhöhten Chrom/Nickelanteil oder in Ergänzung einen erhöhten Molybdänanteil aufweist. Auf diese Weise kann die Korrosionsbeständigkeit des zweiten Materials gegenüber einem Kühlmittel aus einem Wasser-Glykol-Gemisch erhöht werden.
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Grundsätzlich ist denkbar, dass das zweite Material des Gehäuses gleich dem zweiten Material der Rotorwelle ist. Vorstellbar ist somit, dass, wenn sowohl das Gehäuse als auch die Rotorwelle das zweite Material aufweisen, das zweite Material der Rotorwelle und das zweite Material des Gehäuses vorzugsweise ein keramisch basiertes Material ist. Somit können beispielsweise die Kosten reduzierte werden, da weniger unterschiedliche Materialien verwendet werden. Zudem kann der Einfluss unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten durch unterschiedliche Materialien reduziert werden, was sich vorteilhaft auf die Mediendichtigkeit im Bereich der Dichtung auswirken kann.
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Alternativ dazu sieht eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung vor, dass das zweite Material des Gehäuses verschieden von dem zweiten Material der Rotorwelle ist. Vorstellbar ist somit, dass, wenn sowohl das Gehäuse als auch die Rotorwelle das zweite Material aufweisen, das zweite Material der Rotorwelle aus einem metallischen Material ausgebildet ist, und das zweite Material des Gehäuses vorzugsweise ein Kunststoffmaterial ist. Auch für diesen Aspekt kann es Kostenvorteile geben, wenn die Materialien je nach Dichtigkeitsanforderung entsprechend gewählt werden können.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Dichtelement und/oder die Dichtlippe des Dichtelements aus einem dauerelastischen Material ausgebildet ist. Auf diese Weise kann gegenüber dem stehenden Gehäuse und der rotierenden Rotorwelle über das zwischen dem Gehäuse und der Rotorwelle ausgebildete dauerelastisch Dichtelement eine langlebige mediendichte Abdichtung bereitgestellt werden.
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Das dauerelastische Material des Dichtelements ist vorzugsweise elastomerbasiert. Denkbar ist weiterhin, dass das dauerelastische Material faserverstärkter ausgebildet ist. Die Faserverstärkung kann eine Kohlenfaserverstärkung und/oder eine Glasfaserverstärkung sein.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung liegt darin, dass das Dichtelement und/oder die Dichtlippe aus Polytetrafluorethylen (PTFE) ausgebildet ist. Ein Dichtelement aus Polytetrafluorethylen weist eine erhöhte Elastizität sowie eine erhöhte Abriebbeständigkeit auf, um eine langlebige Abdichtung des Ringspalts zwischen dem Gehäuse und der Rotorwelle gegenüber einem Kühlmedium bereitzustellen.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das zweite Material stoffschlüssig, formschlüssig und/oder kraftschlüssig mit dem ersten Material des Gehäuses und/oder mit dem ersten Material der Rotorwelle verbunden ist. Eine stoffschlüssige Verbindung kann vorzugsweise eine Klebeverbindung oder eine Schweißverbindung sein. Eine formschlüssige Verbindung kann vorzugsweise eine Verbindung sein, die einen Formschluss zwischen dem ersten Material und dem zweiten Material ermöglicht. Dies kann beispielsweise eine Nut-Feder Verbindung sein. Vorstellbar ist somit, dass das zweite Material hülsenförmig ausgebildet ist, und auf einen an einem axialen Ende der Rotorwelle ausgebildeten Wellenstummel aufgesteckt ist. Die kraftschlüssige Verbindung kann vorzugsweise eine Schraubverbindung sein. Denkbar ist demnach, dass das zweite Material hülsenförmig ausgebildet ist und ein Gewinde, vorzugsweise ein Innengewinde, aufweist. Der an einem axialen Ende der Rotorwelle ausgebildete Wellenstummel weist ein zu dem Innengewinde korrespondierendes Gewinde auf, so dass die Hülse auf den Wellenstummel aufschraubbar oder einschraubbar ist
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das zweite Material zumindest abschnittsweise auf einer Außenseite der Rotorwelle und/oder auf einer Innenseite des Gehäuses angeordnet und/oder ausgebildet ist.
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Vorstellbar ist somit, dass das zweite Material auf eine Außenseite der Rotorwelle aufgedampft oder auflaminiert oder aufgeklebt ist. Auf diese Weise kann der Bereich des zweiten Materials möglich klein ausgebildet werden, so dass die Kosten reduziert werden können.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Rotorwelle mehrteilig ausgebildet ist, und ein Teil der mehrteilig ausgebildeten Rotorwelle das zweite Material aufweist und/oder daraus besteht. Mit anderen Worten kann vorgesehen sein, dass ein Teil der Rotorwelle komplett aus dem zweiten Material besteht. Somit kann beispielsweise vorgesehen sein, dass ein hülsenförmig ausgebildetes Endstück der Rotorwelle aus dem zweiten Material gefertigt wird und mit dem Rest der Rotorwelle verklebt, verstemmt, und/oder verschraubt ist.
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Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine.
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Das Kraftfahrzeug ist vorzugsweise ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug. Die elektrische Maschine ist vorzugsweise Teil eines Traktionsantriebs, der im Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs angeordnet ist.
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Es sei bemerkt, dass sämtliche Merkmale, welche voranstehend und nachfolgend in Bezug auf einen Aspekt der vorliegenden Erfindung beschrieben sind, gleichermaßen für jeden anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung gelten. Im Speziellen können sämtliche Merkmale der elektrischen Maschine auch Merkmale des Kraftfahrzeugs sein. Dies gilt auch umgekehrt.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie den nachfolgenden Ausführungsbeispielen. Die Ausführungsbeispiele sind nicht einschränkend, sondern vielmehr als beispielhaft zu verstehen. Sie sollen den Fachmann in die Lage versetzen, die Erfindung auszuführen. Die Anmelderin behält sich vor, einzelne und/oder mehrere der in den Ausführungsbeispielen offenbarten Merkmale zum Gegenstand von Patentansprüchen zu machen oder solche Merkmale in bestehende Patentansprüche aufzunehmen. Die Ausführungsbeispiele werden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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In diesen zeigen:
- 1 einen Längsschnitt durch eine elektrische Maschine im Bereich einer Ringspaltabdichtung zwischen einem Gehäuse und einem Rotor in einer ersten Ausgestaltung;
- 2 eine drei-dimensionale Detailansicht durch die elektrische Maschine im Bereich einer Ringspaltabdichtung zwischen dem Gehäuse und dem Rotor in einer zweiten Ausgestaltung;
- 3 ein Kraftfahrzeug.
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In 1 ist eine elektrische Maschine EM für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug KFZ gezeigt. Die elektrische Maschine EM wird vorzugsweise im Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs KFZ angeordnet und/oder ist dazu eingerichtet das Kraftfahrzeug KFZ anzutreiben.
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Die elektrische Maschine EM weist ein Gehäuse GE auf. Innerhalb des Gehäuses GE ist ein Rotor RO angeordnet. Der Rotor RO weist eine Rotorwelle RW auf. Die Rotorwelle RW ist um eine Rotorachse RA des Rotors RO über eine Lagereinrichtung LE drehbar gelagert. Zwischen dem Gehäuse GE und der Rotorwelle RW ist ein Dichtelement DE angeordnet, das einen Ringspalt RS zwischen dem Gehäuse GE und der Rotorwelle RW mediendicht abdichtet.
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Die Rotorwelle RW ist als gebaute Rotorwelle ausgebildet und weist an einem axialen Ende AE der Rotorwelle RW eine koaxial zur Rotorachse RA verlaufende Öffnung OE auf. Durch die Öffnung OE ist eine stehende Lanze LA geführt, die in einen Wellenhohlraum WH der Rotorwelle RW mündet. Ein Kühlmedium KM, insbesondere ein Wasser-Glykol-Gemisch, ist über die Lanze LA in den Wellenhohlraum WH einbringbar. Das Kühlmedium KM kann aus dem Wellenhohlraum WH über einen Spalt SP zwischen der stehenden Lanze LA und der rotierenden Rotorwelle RW bis zu dem Dichtelement DE zwischen der Rotorwelle RW und dem Gehäuse GE gelangen.
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Um zu verhindern, dass das Kühlmedium KM über den Ringspalt RS in die Lageeinrichtung LE eindringt, bzw. über die Lagereinrichtung LE in Richtung einen den Rotor RO umgebenden Stator (nicht dargestellt) gelangt, ist das Dichtelement DE vorgesehen.
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Die Rotorwelle RW und/oder das Gehäuse GE sind aus einem ersten Material ausgebildet. Des Weiteren weist die Rotorwelle RW ein gegenüber dem ersten Material verschiedenes zweites Material ZM auf. Das zweite Material ZM weist gegenüber dem ersten Material eine erhöhte Korrosionsbeständigkeit auf. Bedingt dadurch, dass das zweite Material ZM gegenüber dem ersten Material eine erhöhte Korrosionsbeständigkeit aufweist, insbesondere eine erhöhte Beständigkeit gegen eine Reibkorrosion, kann die Mediendichtigkeit zwischen einer Dichtlippe DL des Dichtelement DE und der Rotorwelle RW erhöht werden. Da das die höhere Korrosionsbeständigkeit aufweisende zweite Material ZM für gewöhnlich gegenüber dem ersten Material teurer ist, können durch die Ausbildung der Rotorwelle RW aus zwei Materialien, nämlich dem ersten Material und dem zweiten Material ZM, die Kosten der elektrischen Maschine EM reduziert werden.
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Das erste Material des Gehäuses GE ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein aluminiumbasiertes Material. Das Gehäuse GE kann somit vorzugsweise als Druckgussbauteil hergestellt werden. Auf diese Weise ist das Gehäuse GE der elektrischen Maschine EM preiswert herstellbar.
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Das erste Material der Rotorwelle RW ist ein Vergütungsstahl. Der Vergütungsstahl weist vorzugsweise einen Kohlenstoffgehalt zwischen 0,2 % und 0,65 % auf. Er kann unterschiedliche Legierungsbestandteile, wie Chrom, Mangan, Molybdän und Nickel aufweisen. Der Vergütungsstahl kann beispielsweise ein C25, ein Cq45, ein 28Mn6, ein Cm60 oder 37Cr4 sein.
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Das zweite Material ZM ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein metallisches Material. Das metallische Material weist gegenüber dem ersten Material eine erhöhte Korrosionsbeständigkeit auf. Insbesondere ist das metallische Material ein Stahlwerkstoff, der gegenüber dem ersten Material einen erhöhten Chromanteil, einen erhöhten Chrom/Nickelanteil oder in Ergänzung einen erhöhten Molybdänanteil aufweist. Auf diese Weise kann die Korrosionsbeständigkeit des zweiten Material ZM gegenüber einem Kühlmittel aus einem Wasser-Glykol-Gemisch erhöht werden.
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Das zweite Material ZW ist hülsenförmig ausgebildet, und ist auf dem am axialen Ende AE der Rotorwelle RW ausgebildeten Wellenstummel WS aufgesteckt. Beispielsweise kann die Hülse aus dem zweiten Material ZW auf den Wellenstummel ES aufgeschraubt, aufgeklebt, aufgeschweißt und/oder aufgepresst sein.
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In 2 ist die aus 1 bekannte elektrische Maschine EM gezeigt, wobei nunmehr das zweite Material ZM nicht als massive Hülse aus einen metallischen Material ausgebildet ist, sondern eine auf den Wellenstummel WS des Rotor RO aufgebrachte Beschichtung aus einem keramischen Werkstoff ist. Die Beschichtung ist einfach auf den Wellenstummel WS aufbringbar. Der keramische Werkstoff weist eine erhöhte Korrosionsbeständigkeit gegen ein Kühlmedium aus Wasser-Glykol und zudem eine erhöhte Abriebbeständigkeit auf, so dass eine langlebige Abdichtung des Ringspalts RS zwischen dem Gehäuse GE und dem Rotor RO ermöglich werden kann.
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In 3 ist ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug KFZ mit der elektrischem Maschine EM gezeigt.
