DE102021211688A1

DE102021211688A1 - Fluidgekühlte elektrische Maschine und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102021211688A1
Application number: DE102021211688.4A
Authority: DE
Inventors: Fabian Friedrich; Lennart Leopold; Christoph Heukenroth; Ivan Krotow; Dragan Stojkovic; Günter Reitinger; Olivier Frament; Axel Burkhardt
Original assignee: Vitesco Technologies GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2021-10-15
Filing date: 2021-10-15
Publication date: 2023-04-20
Also published as: WO2023061642A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine (EM) für ein Kraftfahrzeug (KFZ), aufweisend einen um eine Drehachse (DA) drehbar gelagerten Rotor (RO), der eine Rotorhohlwelle (RHW) aufweist, die einen Wellenhohlraum (WHR) umschließt, die Rotorhohlwelle (RHW) ein axiales Ende mit einer Wellenöffnung (WO) aufweist, eine stehende Lanze (LA), die durch die Wellenöffnung (WO) bis in den Wellenhohlraum (WHR) geführt ist und eine Fluidaustrittsöffnung (FAO) aufweist, ein Kühlmedium (KM), das durch die Lanze (LA) führbar und über die Fluidaustrittsöffnung (FAO) auf eine innere Mantelfläche (IMF) der Rotorhohlwelle (RHW) spritzbar ist, in einer Wandung der Rotorhohlwelle (RHW) eine randgeschlossene erste Austrittsöffnung (EAO) ausgebildet ist, über die das Kühlmedium (KM) aus dem Wellenhohlraum (WHR) entweichen kann, wobei bei einer Drehzahl n des Rotors (RO) von n ≥ 4.000 U/min über wenigstens 15 Sekunden eine mittlere Filmdicke dFdes Kühlmediums (KM) in radialer Richtung des Rotors (RO) ≤ 3 mm ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine fluidgekühlte elektrische Maschine für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug. Die elektrische Maschine weist einen Rotor mit einer Rotorhohlwelle auf, in die eine stehende Lanze hineinragt. Über die stehende Lanze wird ein Kühlmittel auf eine Innenseite der Rotorhohlwelle gespritzt, dass über eine erste Austrittsöffnung, aus der Rotorhohlwelle entweichen kann. Eine mittlere Filmdicke des Kühlmediums innerhalb der Rotorhohlwelle ist bei einer Drehzahl n von ≥ 4.000 U/min für mehr als 15 Sekunden ≤ 3 mm.
Elektrische Maschinen für Kraftfahrzeuge sind allgemein bekannt. Die bekannten elektrischen Maschinen weisen in der Regel ein Rotor auf, wobei der Rotor eine Hohlwelle aufweisen kann, durch die ein Kühlmedium geführt wird. Bekannt ist weiter, dass diese Hohlwellen einen Ausgang haben, über die das in die Rotorhohlwelle eingebrachte Kühlmedium unmittelbar auf die Wickelköpfe eines den Rotor umgebenden Stators gesprüht werden kann. Das unmittelbare Bespritzen der Wickelköpfe mit dem Kühlmedium aus der Rotorwelle führt zwangsläufig dazu, dass die Austrittsöffnung einen entsprechend kleinen Durchmesser haben, wodurch das Kühlmedium entsprechend länger in der Rotorwelle verbleibt und somit durch den Kühlmittelstau entsprechend erwärmt wird. Dies führt dazu, dass die Kühlleistung der elektrischen Maschine reduziert ist, was folglich die Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine reduzieren kann.
Um die erforderliche Kühlleistung zu erreichen wird vorzugsweise ein Wasser-Glykol-Gemisch als Kühlmedium genutzt. Dies hat jedoch den Nachteil, dass bestimmte Komponenten in der elektrischen Maschine abgedichtet werden müssen, was zusätzliche Kosten verursachen kann.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine flüssigkeitsgekühlte elektrische Maschine bereitzustellen, die eine erhöhte Kühlwirkung haben kann und preiswert herstellbar und/oder bereitstellbar ist.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der nachstehenden Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei kann jedes Merkmal sowohl einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen, sofern sich nicht explizit etwas Gegenteiliges aus der Beschreibung ergibt.
Erfindungsgemäß ist eine elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug vorgesehen, aufweisend einen um eine Drehachse drehbar gelagerten Rotor, der eine Rotorhohlwelle aufweist, die einen Wellenhohlraum umschließt, die Rotorhohlwelle ein axiales Ende mit einer Wellenöffnung aufweist, eine stehende Lanze, die durch die Wellenöffnung bis in den Wellenhohlraum geführt ist und eine Fluidaustrittsöffnung aufweist, ein Kühlmedium, das durch die Lanze führbar und über die Fluidaustrittsöffnung auf eine innere Mantelfläche der Rotorhohlwelle spritzbar ist, in einer Wandung der Rotorhohlwelle eine randgeschlossene erste Austrittsöffnung ausgebildet ist, über die das Kühlmedium aus dem Wellenhohlraum entweichen kann, wobei bei einer Drehzahl n des Rotors von n ≥ 4.000 U/min über wenigstens 15 Sekunden eine mittlere Filmdicke d_F des Kühlmediums in radialer Richtung des Rotors ≤ 3 mm ist.
Mit anderen Worten ist gemäß der Erfindung vorgesehen, dass eine elektrische Maschine für eine Kraftfahrzeug, vorzugsweise für einen Traktionsantrieb eines Kraftfahrzeugs, bereitgestellt wird. Die elektrische Maschine weist einen um eine Drehachse gelagerten Rotor auf. Der Rotor umfasst eine Rotorhohlwelle, die einen Wellenhohlraum umschließt. An einem in axialer Richtung des Rotors ausgebildeten Ende der Rotorhohlwelle ist einen Wellenöffnung ausgebildet. Eine stehende Lanze ist durch die Wellenöffnung bis in den Wellenhohlraum geführt. Weiterhin ist ein Kühlmedium vorgesehen, das durch die Lanze geführt werden kann. In der Lanze ist eine Fluidaustrittsöffnung ausgebildet, so dass das Kühlmedium durch die Fluidaustrittsöffnung auf eine innere Mantelfläche der Rotorhohlwelle spritzbar ist. Durch die unmittelbare Benetzung der inneren Mantelfläche kann die Rotorhohlwelle effektiv und gezielt gekühlt werden.
In einer Wandung der Rotorhohlwelle ist wenigstens eine randgeschlossene erste Austrittsöffnung ausgebildet. Die erste Austrittsöffnung verbindet somit den Wellenhohlraum mit einem äußeren Bereich innerhalb der elektrischen Maschine. Über die erste Austrittsöffnung kann das dem Wellenhohlraum zugeführte Kühlmedium aus dem Wellenhohlraum abgeführt werden. Weiterhin ist vorgesehen, dass bei einer Drehzahl n des Rotors von n ≥ 4.000 U/min über wenigstens 15 Sekunden eine mittlere Filmdicke d_F des Kühlmediums in radialer Richtung des Rotors ≤ 3 mm ist. Mit anderen Worten ist die mittlere Filmdicke des Kühlmediums im Betrieb der elektrischen Maschine reduziert. Es staut sich folglich nicht so viel Kühlmedium innerhalb des Wellenhohlraums an, wodurch die Kühlwirkung der elektrischen Maschine erhöht werden kann. Der Abfluss des Kühlmediums aus dem Wellenhohlraum wird neben der temperaturabhängigen Viskosität des Kühlmediums und der Querschnittsfläche der Austrittsöffnung maßgeblich über die Drehzahl des Rotors, den eingehende Volumenstrom des Kühlmediums und dem Innendurchmesser der Rotorhohlwelle bestimmt.
Die mittlere Filmdicke ist die gemittelte Filmdicke über die Länge des Wellenhohlraums. Es ist denkbar, dass die Filmdicke in dem Bereich in dem das Kühlmedium auf die Innenseite der Rotorhohlwelle trifft, größer ist als im Randbereich, wo die erste Austrittsöffnung vorzugsweise angeordnet ist.
Besonders vorteilhaft ist vorgesehen, dass die mittlere Filmdicke bei einer Drehzahl n des Rotors von 3.000 ≤ n ≤ 10.000 U/min nach wenigstens 15 Sekunden, vorzugsweise nach wenigstens 10 Sekunden und besonders bevorzugt nach weniger als 5 Sekunden, ≤ 3 mm, vorzugsweise ≤ 2 mm ist und ganz bevorzugt ≤ 1 mm ist. Je kleiner die Filmdicke ist, desto höher ist die Kühlwirkung der elektrischen Maschine.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung liegt darin, dass das Kühlmedium ein Öl ist. Dies hat den Vorteil, dass innerhalb der elektrischen Maschine bestimmte Komponenten nicht eingehaust oder vergossen werden müssen, da die Gefahr einer Korrosion reduziert ist. Somit können die Kosten der elektrischen Maschine reduziert werden.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass ein auf der Rotorhohlwelle angeordnetes Blechpaket vollflächig auf einer Außenseite der Rotorhohlwelle drehfest aufsitzt. Die vollflächige Kontaktierung der Innenseite des Blechpakets mit der Außenseite der Rotorhohlwelle kann vorzugsweise dadurch erzielt werden, dass das Blechpaket auf die Rotorhohlwelle aufgeschrumpft wird. Alternativ oder in Ergänzung dazu kann vorgesehen sein, dass ein Zwischenraum zwischen der Innenseite des Blechpakets und der Außenseite der Rotorhohlwelle vergossen wird. Durch die vollflächige Kontaktierung des Blechpakets mit der Rotorhohlwelle kann die Wärmeübertragung von Blechpaket und Rotorhohlwelle erhöht werden. Somit kann im Umkehrschluss auch eine höhere Kühlung des Blechpakets über das auf die Innenseite der Rotorhohlwelle aufgespritzte Kühlmedium bewirkt werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass über die Fluidaustrittsöffnung das Kühlmedium mittig, in Bezug auf die Länge des Wellenhohlraums in axialer Richtung, auf die innere Mantelfläche der Rotorhohlwelle spritzbar ist. Für gewöhnlich weist der Rotor in dessen Mitte, bezogen auf die Längsrichtung des Rotors, die größte Wärmeentwicklung während des Betriebs der elektrischen Maschine auf, so dass dieser Bereich auch als erstes gekühlt werden sollte. Daher ist vorgesehen, dass über die Fluidaustrittsöffnung das Kühlmedium mittig auf die innere Mantelfläche des Rotors trifft, wodurch die Kühlwirkung der elektrischen Maschine erhöht werden kann. Mittig schließt vorliegend eine Abweichung von der Mitte in axialer Richtung des Rotors von bis zu 10%, vorzugsweise von bis zu 5%, bezogen auf die Länge des Wellenhohlraums ein.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass auf der Außenseite der Rotorhohlwelle eine Fluidverteileinrichtung mittelbar oder unmittelbar angeordnet ist, von der zumindest ein Teil des über die erste Austrittsöffnung aus dem Wellenhohlraum abgeführten Kühlmediums aufgenommen und an einen Wickelkopf eines den Rotor umgebenden Stators gespritzt werden kann. Die Fluidverteileinrichtung ist demnach dazu eingerichtet, zumindest ein Teil des über die erste Austrittsöffnung aus dem Wellenhohlraum abgeführten Kühlmediums aufzunehmen und an einen Wickelkopf eines den Rotor umgebenden Stators zu spritzen. Die Fluidverteileinrichtung ermöglicht somit unter anderem die Querschnittsfläche der ersten Austrittsöffnungen zu vergrößern, so dass das Kühlmedium aus dem Wellenhohlraum schneller abfließen kann. Die Stauwärme im Wellenhohlraum kann somit reduziert werden, wodurch eine effektivere Kühlung der Rotorwelle erreicht werden kann. Das aus der ersten Austrittsöffnung austretende Kühlmedium wird zumindest teilweise von der Fluidverteileinrichtung aufgenommen und gegen die Wickelköpfe gespritzt. Somit kann zusätzlich der Stator gekühlt werden, wodurch in Summe die gesamte Kühlleistung der elektrischen Maschine erhöht werden kann.
Grundsätzlich ist vorstellbar, dass das über die erste Austrittsöffnung aus dem Wellenhohlraum abgeführte Kühlmedium mittelbar in die Fluidverteileinrichtung geleitet wird. Dies hat den Nachteil, dass aus der Rotorhohlwelle zumindest teilweise erwärmte Kühlmedium zusätzlich erwärmt wird, bevor es der weiteren Wärmequelle, nämlich den Wicklungsköpfen, zugeführt wird.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung liegt daher darin, dass das aus der ersten Austrittsöffnung entweichende Kühlmedium unmittelbar von der Fluidverteileinrichtung zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, aufgenommen wird. Das aus der ersten Austrittsöffnung abgeführte Kühlmedium wird demnach sofort, bzw. direkt der Fluidverteileinrichtung zugeführt, so dass es keine zusätzlich nennenswerte Erwärmung erfährt, bevor es den Wickelköpfen zugeführt wird. Somit kann die Kühlwirkung der elektrischen Maschine erhöht werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Fluidverteileinrichtung ein offenes Reservoir mit einer Fluideintrittsöffnung und einer zweiten Austrittsöffnung aufweist. Das aus der ersten Austrittsöffnung abgeführte Kühlmedium wird somit über die Fluideintrittsöffnung in das offene Reservoir gespritzt. Es ist somit vorgesehen, dass zwischen der ersten Austrittsöffnung und der Fluideintrittsöffnung des Reservoirs eine freie Strecke ausgebildet ist. Da das Reservoir ein offenes Reservoir ist, kann dieses, sofern es vollständig gefüllt ist, überlaufen, so dass überschüssiges Kühlmedium im Kühlkreislauf zur Kühlung des Rotors unmittelbar zurückgeführt werden kann. Über die zweite Austrittsöffnung des Reservoirs kann ein Wicklungskopf des Stators zumindest teilweise mit dem Kühlmedium bespritzt werden, so dass dieser gekühlt werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Fluidverteileinrichtung im Querschnitt J-förmig und/oder L-förmig ausgebildet ist, wobei der lange Steg senkrecht zur Längsachse des Rotors ausgerichtet ist, der kurze Steg parallel zur Längsachse des Rotors ausgerichtet ist und die zweite Austrittsöffnung aufweist, und endseitig an dem kurzen Steg ein Vorsprung ausgebildet ist, der in Richtung der Längsachse des Rotors zeigt. Wenn auf der Außenseite der Rotorwelle ein Blechpaket angeordnet ist, und das Blechpaket in axialer Richtung des Rotors einer Stirnseite aufweist, so liegt der lange Steg der J-förmig oder L-förmig ausgebildeten Fluidverteileinrichtung an dem Blechpaket an bzw. ist senkrecht zur Längsrichtung und/der Längsachse des Rotors ausgerichtet. Der kurze Steg verläuft parallel zur Längsachse des Rotors und ist in radialer Richtung beabstandet zur Längsachse angeordnet ist. Eine in radialer Richtung ausgebildete Außenseite des Rotors schließt vorzugsweise mit einer äußeren Mantelfläche des Blechpakets ab. An dem Kurzen Steg des L-förmig ausgebildeten Fluidverteilers ist ein in radialer Richtung nach innen zeigender Vorsprung ausgebildet. Durch diese geometrische Ausgestaltung wird ein offenes Reservoir in der Fluidverteileinrichtung zur Aufnahme des Kühlmediums in einfacher Weise ausgebildet.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass die zweite Austrittsöffnung in einem Winkel zwischen 0° und 30° bezogen auf eine Senkrechte der Drehachse ausgerichtet ist, wobei die Grenzen mit einbezogen sind. Mit anderen Worten kann vorgesehen sein, dass die zweite Austrittsöffnung im Winkel von 90° zur Langsachse des Rotors ausgerichtet ist. Vorgesehen und denkbar ist aber auch, die zweite Austrittsöffnung eben nicht genau senkrecht zur Längsachse ausgerichtet ist. In Abhängigkeit der Ausgestaltung des Wicklungskopfes und einer Breite der Fluidverteileinrichtung kann vorgesehen sein, dass die Austrittsöffnung ausgehend von einer Senkrechten zur Längsrichtung des Rotors eine Neigung aufweist. Diese Neigung kann ausgehend von der Senkrechten bis zu 30° betragen. Mit anderen Worten kann vorgesehen sein, dass die Austrittsöffnung, um +/-5°, +/-10°, +/-15°, +/-20°, +/-25° oder +/-30° bezogen auf eine Senkrechte zur Längsrichtung des Rotors ausgerichtet ist. Somit kann das aus der zweiten Austrittsöffnung austretende Kühlmedium gezielt auf die Statorwicklung gesprüht werden, wodurch die Kühlung des Wicklungskopfes erhöht werden kann.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Fluidverteileinrichtung eine Mehrzahl zweiter Austrittsöffnungen aufweist, die in Umfangsrichtung zueinander beabstandet angeordnet sind, wobei die zweiten Austrittsöffnung einen voneinander verschiedenen Austrittswinkel aufweisen. Mit anderen Worten kann vorgesehen sein, dass eine zweite Austrittsöffnung einen Austrittswinkel von 0° bezogen auf die Senkrechte zur Längsrichtung des Rotors aufweist. Eine weitere zweite Austrittsöffnung hat einen Austrittswinkel von beispielsweise 10° bezogen auf die Senkrechte zur Längsrichtung des Rotors. Auf diese Weise kann der Wicklungskopf über die verschiedenen zweiten Austrittsöffnung möglichst über dessen gesamte Länge in axialer Richtung des Stators angespritzt und gekühlt werden.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass eine Innenseite der Fluidverteileinrichtung im Bereich des kurzen Steges gekrümmt und/oder konkav ausgebildet ist. Die Innenseite der Fluidverteileinrichtung ist zumindest abschnittsweise, insbesondere im Bereich des kurzen Steges der L-förmigen oder J-förmigen Fluidverteileinrichtung, der Drehachse des Rotors zugewandt. Anders ausgedrückt weist das Reservoir im Querschnitt eine gekrümmte Oberfläche auf. Im Tiefpunkt der Krümmung ist vorzugsweise die zweite Austrittsöffnung ausgebildet.
Somit kann das von dem Reservoir aufgenommen Kühlmedium direkt und in einfacher Weise der zweiten Austrittsöffnung zugeführt werden bzw. über die zweite Austrittsöffnung aus dem Reservoir entweichen.
Die erste Austrittsöffnung ist in der Rotorhohlwelle derart angeordnet und/oder ausgebildet, dass das Kühlmedium aus den Wellenhohlraum über die erste Austrittsöffnung unmittelbar in die Fluidverteileinrichtung und/oder das offene Reservoir gelangen kann. Besonders bevorzugt ist die erste Austrittsöffnung wenigstens beabstandet zum langen Steg der L-förmig und/oder J-förmig ausgebildeten Fluidverteileinrichtung angeordnet. Weiter vorteilhaft ist vorgesehen, dass die erste Austrittsöffnung beabstandet zur Mitte der Rotorhohlwelle, bezogen auf die Längsrichtung des Rotors angeordnet. Bevorzugt ist die erste Austrittsöffnung auf Höhe des kurzen Steges oder der in radialer Richtung ausgebildeten Vorsprungs des L-förmig oder J-förmig ausgebildeten Fluidverteileinrichtung angeordnet.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste Austrittsöffnung in Richtung des langen Stegs der im Querschnitt L-förmig und/oder J-förmig ausgebildeten Fluidverteileinrichtung ausgerichtet ist, und einen Austrittswinkel α zwischen 45° ≤ α < 90°, vorzugsweise zwischen 55° ≤ α < 80°, bezogen auf die Längsachse des Rotors, aufweist. Mit anderen Worten ist die erste Austrittsöffnung geneigt ausgebildet, wobei die Neigung in Richtung Blechpaket gerichtet ist. Auf diese Weise kann bei einer Rotation des Rotors das aus der ersten Austrittsöffnung heraustretende Kühlmedium über den langen Steg in das Reservoir geleitet werden.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass die Fluidverteileinrichtung einstückig mit einer Druckscheibe und/oder Endscheibe zum Vorspannen eines auf dem Rotor angeordneten Blechpakets ausgebildet ist. Mit anderen Worten ist aus der Außenseite der Rotorhohlwelle ein Blechpaket drehfest angeordnet. An einer Stirnseite des Blechpakets ist eine Druckscheibe ausgebildet, um das Blechpaket in axialer Richtung des Rotors, vorzugsweise über durch das Blechpaket und die Druckscheibe geführte Zuganker, vorzuspannen. Die Druckscheibe ist dann als Fluidverteileinrichtung ausgebildet und kann somit zwei Funktionen übernehmen, nämlich die Krafteinleitung zur Vorspannung des Blechpakets und zudem die gezielte Kühlmittelverteilung zur Kühlung der Wickelköpfe des Stators.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Rotor als Innenläufer ausgebildet ist und über einen Luftspalt von einem Stator umgeben ist, wobei der Stator eine in radialer Richtung des Stators mehrlagig ausgebildete Statorwicklung aufweist, und an einem in axialer Richtung ausgerichteten Stirnseite des Stators ein Wicklungskopf ausgebildet ist, wobei eine Lage der mehrlagigen Statorwicklung im Bereich des Wicklungskopfes zwischen der Stirnseite des Stators und einem distalen Ende des Wicklungskopfes in radialer Richtung ausgelenkt und/oder bezogen auf die Längsachse des Stators gekrümmt ausgebildet ist. Auf diese Weise ist ein Abstand zwischen zwei benachbarten Lagen des Wicklungskopfes vergrößert, in die das an den Wicklungskopf angespritzte Kühlmedium fließen und den Wicklungskopf kühlen kann. Somit kann die Kühlwirkung des Stators und folglich auch der elektrischen Maschine erhöht werden.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass ein Wicklungskopf vergussfrei ausgebildet ist. Mit anderen Worten ist der Wicklungskopf nicht vollständig mit einem Kunststoff umspritzt. Auf diese Weise kann eine unmittelbare Wickelkopfkühlung erfolgen, Zudem können die Kosten reduziert werden, da Arbeitsschritte entfallen.
Die Erfindung betrifft zudem ein Kraftfahrzeug mit der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine.
Die elektrische Maschine ist vorzugsweise im Antriebsstrang eines zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs angeordnet und/oder ausgebildet.
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. In diesen zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer elektrischen Maschine im Längsschnitt, wobei nur die obere Hälfte dargestellt ist,
2 eine Darstellung einer Filmdicke eines Kühlmediums bei einer Rotordrehzahl von 4.000 U/min
3 eine schematische Darstellung der elektrischen Maschine im Längsschnitt, mit geneigten ersten Austrittsöffnungen,
4 eine Detailansicht im Bereich einer Fluidverteileinrichtung,
5 ein Kraftfahrzeug mit der elektrischen Maschine.

In 1 ist eine rein schematische Darstellung einer elektrischen Maschine EM in einem Längsschnitt gezeigt, wobei nur die obere Hälfte dargestellt ist. Die elektrische Maschine EM weist einen um eine Drehachse DA gelagerten Rotor RO auf. Der Rotor RO umfasst eine Rotorhohlwelle RHW, die einen Wellenhohlraum WHR umschließt. An einem in axialer Richtung des Rotors RO ausgebildeten Ende der Rotorhohlwelle RHW ist einen Wellenöffnung WO ausgebildet. Eine stehende Lanze LA ist durch die Wellenöffnung WO bis in den Wellenhohlraum WHR geführt. Die Lanze LA hat eine Zuführöffnung ZFO, so dass ein Kühlmedium KM der Lanze LA zugeführt werden kann. Vorliegend ist das Kühlmedium KM ein Öl. In dem Bereich der Lanze LA, der in den Wellenhohlraum WHR ragt, ist eine Fluidaustrittsöffnung FAO ausgebildet. Die Fluidaustrittsöffnung FAO ist derart ausgebildet und ausgerichtet, dass das Kühlmedium KM unmittelbar auf eine innere Mantelfläche IMF der Rotorhohlwelle RHW gespritzt wird. Insbesondere ist die Fluidaustrittsöffnung FAO derart angeordnet, dass das Kühlmedium KM mittig, bezogen auf die Länge des Wellenhohlraums WHR, auf die innere Mantelfläche IMF der Rotorhohlwelle RHW trifft. Durch die unmittelbare Benetzung der inneren Mantelfläche IMF kann die Rotorhohlwelle RHW effektiv und gezielt gekühlt werden.
In einer Wandung WA der Rotorhohlwelle RHW ist wenigstens eine randgeschlossene erste Austrittsöffnung EAO ausgebildet. Die erste Austrittsöffnung EAO verbindet somit den Wellenhohlraum WHR mit einem äußeren Bereich innerhalb der elektrischen Maschine EM. Über die erste Austrittsöffnung EAO kann das dem Wellenhohlraum WHR zugeführte Kühlmedium KM aus dem Wellenhohlraum WHR abgeführt werden. Vorliegend ist die erste Austrittsöffnung EAO in einer Richtung senkrecht zur Längsrichtung des Rotors RO ausgerichtet.
Die Rotorhohlwelle RHW weist ferner eine in radialer Richtung des Rotors RO nach außen gerichtete Außenseite AS auf. Auf der Außenseite AS ist ein Blechpaket BP drehfest angeordnet. Auf einer in axialer Richtung des Rotors RO ausgerichteten Stirnseite SS des Blechpakets BP ist eine Fluidverteileinrichtung FVE angeordnet, die dazu eingerichtet ist, zumindest ein Teil des über die erste Austrittsöffnung EAO aus dem Wellenhohlraum WHR abgeführten Kühlmediums KM aufzunehmen und an einen Wickelkopf WK eines den Rotor RO umgebenden Stators ST zu spritzen. Die Fluidverteileinrichtung FVE ermöglicht eine Vergrößerung der Querschnittsfläche der ersten Austrittsöffnungen EAO, so dass das Kühlmedium KM aus dem Wellenhohlraum WHR schneller abfließen kann. Die Stauwärme im Wellenhohlraum WHR kann somit reduziert werden, wodurch eine effektivere Kühlung der Rotorhohlwelle RHW erreicht werden kann. Da nunmehr aufgrund der vergrößerten ersten Austrittsöffnung EAO die Wickelköpfe WK nicht mehr angespritzt werden können, wird das aus der ersten Austrittsöffnung EAO austretende Kühlmedium KM zumindest teilweise von der Fluidverteileinrichtung FVE aufgenommen und gegen die Wickelköpfe WK gespritzt. Somit kann zusätzlich der Stator ST gekühlt werden, wodurch in Summe die gesamte Kühlleistung der elektrischen Maschine EM erhöht werden kann.
Die Fluidverteileinrichtung FVE ist im Querschnitt J-förmig und/oder L-förmig ausgebildet ist, wobei der lange Steg LS senkrecht zur Längsachse des Rotors RO ausgerichtet ist und an der Stirnseite SS des Blechpakets BP anliegt. Der kurze Steg KS ist parallel zur Längsachse des Rotors RO ausgerichtet und weist eine zweite Austrittsöffnung ZAO auf, über die das von der Fluidverteileinrichtung FVE aufgenommene Kühlmittel KM an den Wicklungskopf WK abgegeben wird. Endseitig an dem kurzen Steg KS ist ein Vorsprung VS ausgebildet, der in Richtung der Längsachse des Rotors RO zeigt. Durch diese geometrische Ausgestaltung wird ein offenes Reservoir RE in der Fluidverteileinrichtung FVE zur Aufnahme des Kühlmediums KM in einfacher Weise ausgebildet.
2 zeigt einen Schnitt durch die Rotorhohlwelle RHW wobei aus der in der Lanze LA ausgebildeten Fluidaustrittsöffnung FAO das Kühlmedium KM austritt und gegen die innere Mantelfläche IMF der Rotorhohlwelle RHW gespritzt wird. Der Rotor RO dreht mit einer Drehzahl n von 4.000 U/min, wobei die mittlere Filmdicke d_F des Kühlmediums KM in radialer Richtung des Rotors RO, die sich im Zuge der Rotation des Rotors RO um dessen Drehachse DA auf der inneren Mantelfläche IMF d_F einstellt, kleiner als 3 mm ist. Das Kühlmedium KM wird schnellstmöglich aus dem Wellenhohlraum WHR abgeführt, so dass dieses nicht lange im warmen Wellenhohlraum WHR verbleibt.
3 zeigt die aus 1 bekannte elektrische Maschine EM, wobei nunmehr die erste Austrittsöffnung EAO in Richtung des langen Stegs LS der im Querschnitt L-förmig und/oder J-förmig ausgebildeten Fluidverteileinrichtung FVE ausgerichtet ist, und einen Austrittswinkel α von 70°, bezogen auf die Längsachse des Rotors RO, aufweist. Mit anderen Worten ist die erste Austrittsöffnung ZAO geneigt ausgebildet, wobei die Neigung in Richtung Blechpaket BP gerichtet ist. Auf diese Weise kann bei einer Rotation des Rotors RO um dessen Längsachse das aus der ersten Austrittsöffnung EAO heraustretende Kühlmedium KM über den langen Steg LS in das Reservoir RE geleitet werden.
4 zeigt eine Detailansicht im Bereich einer Fluidverteileinrichtung FVE, wobei die Fluidverteileinrichtung FVE einstückig mit einer Endplatte EP des Rotors RO ausgebildet ist, um das Blechpaket BP in axialer Richtung des Rotors RO über Zuganker ZA zu verspannen.
Weiterhin ist ersichtlich, dass eine Innenseite IS der Fluidverteileinrichtung FVW im Bereich des kurzen Steges KS gekrümmt und/oder konkav ausgebildet ist, wobei die Innenseite IS der Fluidverteileinrichtung zumindest abschnittsweise, insbesondere im Bereich des kurzen Steges KS, der Drehachse DA des Rotors RO zugewandt ist. Anders ausgedrückt weist das Reservoir RE im Querschnitt eine gekrümmte Oberfläche auf. Im Tiefpunkt der Krümmung ist die zweite Austrittsöffnung ZAO ausgebildet. Somit kann das von dem Reservoir RE aufgenommen Kühlmedium KM direkt und in einfacher Weise der zweiten Austrittsöffnung ZAO zugeführt werden, bzw. darüber entweichen.
Wie der 4 weiter zu entnehmen ist, sind eine Mehrzahl zweiter Austrittsöffnungen ZAO vorgesehen. Diese können in Umfangsrichtung des Rotors RO zueinander beabstandet angeordnet sein. Die verschiedenen zweiten Austrittsöffnungen ZAO können unterschiedlich geneigt sein bzw. unterschiedliche Austrittsöffnungen ZAO aufweisen. Vorliegend ist eine der zweiten Austrittsöffnungen ZAO senkrecht zur Längsachse des Rotors RO ausgerichtet. Eine weitere zweite Austrittsöffnung ZAO verläuft um 15° geneigt zur Senkrechten der Längsachse des Rotors RO. Somit kann das aus der zweiten Austrittsöffnung ZAO austretende Kühlmedium KM gezielt über die gesamte Länge des Wicklungskopfes WK in dessen axialer Richtung aufgesprüht werden, wodurch die Kühlung des Wicklungskopfes WK bzw. der elektrischen Maschine EM erhöht werden kann.
Der Stator ST weist eine mehrlagige Statorwicklung SW auf, wobei eine Lage der mehrlagigen Statorwicklung SW im Bereich des Wicklungskopfes WK zwischen der Stirnseite des Stators ST und einem distalen Ende DE des Wicklungskopfes WK in radialer Richtung ausgelenkt und/oder bezogen auf die Längsachse des Stators ST gekrümmt ausgebildet ist. Auf diese Weise wird ein Abstand zwischen zwei benachbarten Lagen des Wicklungskopfes WK vergrößert, in die das an den Wicklungskopf WK angespritzte Kühlmedium KM fließen und den Wicklungskopf WK kühlen kann. Auf diese Weise kann die Kühlwirkung des Stators ST und somit der elektrischen Maschine EM erhöht werden.
In 5 ist ein Kraftfahrzeug KFZ der elektrischen Maschine EM gezeigt. Die elektrische Maschine EM sitzt im Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs KFZ und ist dazu eingerichtet und/oder ausgebildet das Kraftfahrzeug KFZ anzutreiben.

Claims

Elektrische Maschine (EM) für ein Kraftfahrzeug (KFZ), aufweisend einen um eine Drehachse (DA) drehbar gelagerten Rotor (RO), der eine Rotorhohlwelle (RHW) aufweist, die einen Wellenhohlraum (WHR) umschließt, die Rotorhohlwelle (RHW) ein axiales Ende mit einer Wellenöffnung (WO) aufweist, eine stehende Lanze (LA), die durch die Wellenöffnung (WO) bis in den Wellenhohlraum (WHR) geführt ist und eine Fluidaustrittsöffnung (FAO) aufweist, ein Kühlmedium (KM), das durch die Lanze (LA) führbar und über die Fluidaustrittsöffnung (FAO) auf eine innere Mantelfläche (IMF) der Rotorhohlwelle (RHW) spritzbar ist, in einer Wandung der Rotorhohlwelle (RHW) eine randgeschlossene erste Austrittsöffnung (EAO) ausgebildet ist, über die das Kühlmedium (KM) aus dem Wellenhohlraum (WHR) entweichen kann, wobei bei einer Drehzahl n des Rotors (RO) von n ≥ 4.000 U/min über wenigstens 15 Sekunden eine mittlere Filmdicke d_F des Kühlmediums (KM) in radialer Richtung des Rotors (RO) ≤ 3 mm ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium (KM) ein Öl ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein auf der Rotorhohlwelle (RHW) angeordnetes Blechpaket (BP) vollflächig auf einer Außenseite (AS) der Rotorhohlwelle (RHW) drehfest aufsitzt.
Elektrische Maschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über die Fluidaustrittsöffnung (FAO) das Kühlmedium (KM) mittig, in Bezug auf die Länge des Wellenhohlraums (WHR) in axialer Richtung des Rotors (RO), auf die innere Mantelfläche (IMF) spritzbar ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer Außenseite (AS) der Rotorhohlwelle (RHW) eine Fluidverteileinrichtung (FVE) mittelbar oder unmittelbar angeordnet ist, von der zumindest ein Teil des über die erste Austrittsöffnung (EAO) aus dem Wellenhohlraum (WHR) abgeführten Kühlmediums (KM) aufgenommen und an einen Wickelkopf (WK) eines den Rotor (RO) umgebenden Stators (ST) gespritzt werden kann.
Elektrische Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidverteileinrichtung (FVE) ein offenes Reservoir (RE) mit einer Fluideintrittsöffnung und einer zweiten Austrittsöffnung (ZAO) aufweist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidverteileinrichtung (FVE) im Querschnitt J-förmig und/oder L-förmig ausgebildet ist, wobei der lange Steg (LS) senkrecht zur Längsachse des Rotors (RO) ausgerichtet ist, der kurze Steg (KS) parallel zur Längsachse des Rotors (RO) ausgerichtet ist und die zweite Austrittsöffnung (ZAO) aufweist, und endseitig an dem kurzen Steg (KS) ein Vorsprung (VS) ausgebildet ist, der in Richtung der Längsachse des Rotors (RO) zeigt.
Elektrische Maschine nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Austrittsöffnung (ZAO) in einem Winkel zwischen 0° und 30° bezogen auf eine Senkrechte der Drehachse (DA) ausgerichtet ist.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidverteileinrichtung (FVE) eine Mehrzahl zweiter Austrittsöffnungen (ZAO) aufweisen, die in Umfangsrichtung des Rotors (RO) zueinander beabstandet angeordnet sind, wobei zweiten Austrittsöffnung (ZAO) einen voneinander verschiedenen Austrittswinkel aufweisen.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Innenseite (IS) der Fluidverteileinrichtung (FVE) im Bereich des kurzen Steges (KS) gekrümmt und/oder konkav ausgebildet ist.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Austrittsöffnung (EAO) wenigstens beabstandet zum langen Steg der L-förmig und/oder J-förmig ausgebildeten Fluidverteileinrichtung (FVE) angeordnet ist.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Austrittsöffnung (EAO) in Richtung des langen Stegs (LS) der im Querschnitt L-förmig und/oder J-förmig ausgebildeten Fluidverteileinrichtung (FVE) ausgerichtet ist, und einen Austrittswinkel α zwischen 45° ≤ α < 90°, bezogen auf die Längsachse des Rotors (RO), aufweist.
Elektrische Maschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Fluidverteileinrichtung (FVE) einstückig mit einer Druckscheibe (DS) und/oder Endscheibe zum Vorspannen eines auf dem Rotor (RO) angeordneten Blechpakets (BP) ausgebildet ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (RO) als Innenläufer ausgebildet ist und über einen Luftspalt von einem Stator (ST) umgeben ist, wobei der Stator (ST) eine in radialer Richtung des Stators (ST) mehrlagig ausgebildete Statorwicklung (SW) aufweist, und an einem in axialer Richtung ausgerichteten Stirnseite des Stators (ST) ein Wicklungskopf (WK) ausgebildet ist, wobei eine Lage der mehrlagigen Statorwicklung (SW) im Bereich des Wicklungskopfes (WK) zwischen der Stirnseite des Stators (SS) und einem distalen Ende (DE) des Wicklungskopfes (WK) in radialer Richtung ausgelenkt und/oder bezogen auf die Längsachse des Stators (ST) gekrümmt ausgebildet ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wicklungskopf (WK) vergussfrei ausgebildet ist.
Kraftfahrzeug (KFZ) mit einer elektrischen Maschine (EM) nach einem der vorstehenden Ansprüche.