DE102021213255A1

DE102021213255A1 - Rotoranordnung für eine elektrische Maschine, elektrische Maschine mit der Rotoranordnung und Fahrzeug mit der elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102021213255A1
Application number: DE102021213255.3A
Authority: DE
Inventors: Sven Holst
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2021-11-25
Filing date: 2021-11-25
Publication date: 2023-05-25
Also published as: CN118285040A; WO2023094411A1

Abstract

Es wird eine elektrische Maschine 50 vorgeschlagen, die eine funktional verbesserte Kühlung ihrer Bestandteile bereitstellt. Die elektrische Maschine 50 weist eine Rotoranordnung 1 mit einer um eine Drehachse rotierbaren Hohlwelle 4 und mit einem Rotorelement 10 auf. Das Rotorelement 10 ist koaxial zu der Hohlwelle 4 angeordnet, umgibt dieses und kann gemeinsam mit der Hohlwelle 4 rotieren. In Umfangrichtung um die Drehachse 5 sind zwischen einem Außenumfang der Hohlwelle 4 und einem Innenumfang des Rotorelements 10 Anlagebereiche 11 und Abstandsbereiche 12 gebildet, wobei das Rotorelement 10 in den Anlagebereichen 11 kontaktierend zu der Hohlwelle 4 angeordnet ist und in den Abstandsbereichen 12 beabstandet zu der Hohlwelle 4 angeordnet ist. Zur Strömung eines Kühlfluids umfasst die Rotoranordnung 1 ein Leitrohr 18, welches koaxial zu der Hohlwelle 4 und zu dem Rotorelement 10 in einem Hohlraum 19 der Hohlwelle 4 angeordnet ist. Von dem Leitrohr 18 aus kann das Kühlfluid entlang eines ersten Strömungspfades 23 und entlang eines zweiten Strömungspfades 24 zur Kühlung der Komponenten der elektrischen Maschine 50 strömen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Rotoranordnung für eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine mit der Rotoranordnung und ein Fahrzeug mit der elektrischen Maschine.
Elektromotoren, deren Rotorwelle einen nicht kreisrunden Querschnitt aufweist, sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt. Beispielsweise beschreibt die Druckschrift DE 10 2018 122 977 A1 eine Wellenanordnung mit einer um eine Drehachse drehbaren Hohlwelle und mit einem Narbenkörper, wobei die Hohlwelle mit dem Narbenkörper kraftschlüssig verbunden ist. Die Hohlwelle weist mehrere über ihren Umfang verteilte Stützabschnitte auf, in denen sie mit dem Narbenkörper in Anlagekontakt steht und mehrere Federabschnitte, die von einer Innenumfangsfläche des Narbenkörpers beabstandet sind.
Bereits bekannt sind auch Elektromotoren mit Hohlwellen, in deren Hohlraum ein Strömungskanal angeordnet ist, durch welchen eine Hydraulikflüssigkeit zur Kühlung von Bestandteilen des Elektromotors eingeleitet werden kann. Beispielsweise beschreibt die Druckschrift DE 10 2018 200 865 A1 einen Rotor für eine elektrische Maschine, welche einen Rotor mit einer Rotorwelle aufweist, wobei in einem Hohlraum der Rotorwelle ein Zentrierelement angeordnet ist, welches einen Kühlkanal zur Hindurchleitung von Kühlflüssigkeit und zur Einleitung der Kühlflüssigkeit in den Hohlraum bilden kann.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine funktional verbesserte Kühlung von Bestandteilen einer elektrischen Maschine bereitzustellen. Diese Aufgabe wird durch eine Rotoranordnung für eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch eine elektrische Maschine mit der Rotoranordnung gemäß dem Anspruch 13 und durch ein Fahrzeug mit der elektrischen Maschine gemäß dem Anspruch 15 gelöst. Bevorzugte oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und/oder den beigefügten Figuren.
Es wird eine Rotoranordnung für eine elektrische Maschine, insbesondere einen Elektromotor, vorgeschlagen. Die elektrische Maschine kann zum Antrieb einer Antriebsachse in einem Fahrzeug, zum Beispiel in einem PKW oder Nutzfahrzeug, integriert werden. Vorzugsweise kann die elektrische Maschine einen Bestandteil einer elektrischen Achse, insbesondere einer sogenannten E-Achse des Fahrzeugs bilden.
Die Rotoranordnung weist eine Hohlwelle auf, die um eine Drehachse rotieren kann. Vorzugsweise definiert die Drehachse eine axiale Richtung. Vorzugsweise weist die Rotoranordnung einen ersten Stirnflansch und einen zweiten Stirnflansch auf, mittels denen die Hohlwelle um die Drehachse rotierbar gelagert ist. Beispielsweise weist einer der Stirnflansche einen hohlzylindrischen Abschnitt auf.
Die Rotoranordnung umfasst ein Rotorelement, welches vorzugsweise im Querschnitt kreisringförmig ausgebildet ist. Das Rotorelement ist koaxial zu der Hohlwelle angeordnet und umgibt dieses. Optional ist das Rotorelement form- und/oder kraftschlüssig, insbesondere mittels einer Presspassung, mit der Hohlwelle verbunden. Das Rotorelement kann so gemeinsam mit der Hohlwelle um die Drehachse rotieren. Bevorzugt sind an beiden axialen Rotorstirnseiten des Rotorelements, welches auch Anker genannt wird, Spulen zur Erzeugung eines Magnetfelds angeordnet. Die Spulen sind im Folgenden als erster und zweiter Wickelkopf bezeichnet. Das mit den Wickelköpfen versehene Rotorelement wirkt bevorzugt mit einem Stator der elektrischen Maschine zusammen, welche ein weiteres Magnetfeld erzeugen kann, wodurch die Rotoranordnung zur Rotation um die Drehachse veranlasst werden kann. Optional kann die Rotoranordnung noch Wuchtscheiben und/oder Kurzschlussringe aufweisen, welche koaxial benachbart zu dem Rotorelement angeordnet sind.
Zwischen einem Außenumfang der Hohlwelle und einem Innenumfang des Rotorelements sind in Umfangsrichtung um die Drehachse Anlagebereiche und Abstandsbereiche gebildet. In den Anlagebereichen ist das Rotorelement kontaktierend zu der Hohlwelle angeordnet. Insbesondere ist die form- und/oder kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Rotorelement und der Hohlwelle, insbesondere durch die Presspassung, in den Anlagebereichen gebildet. In den Abstandsbereichen ist das Rotorelement beabstandet zu der Hohlwelle angeordnet. Insbesondere sind in den Abstandsbereichen zwischen der Hohlwelle und dem Rotorelement Zwischenräume gebildet.
Zur Bildung der Anlagebereiche und der Abstandsbereiche ist die Hohlwelle beispielsweise im Querschnitt mehreckig und/oder polygonförmig oder im Wesentlichen mehreckig und/oder polygonförmig ausgebildet. Optional können Ecken der Hohlwelle einen Radius und/oder Radienverlauf aufweisen, insbesondere gekrümmt und/oder abgerundet sein.
Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Rotoranordnung ein Leitrohr umfasst, welches zur Leitung eines Kühlfluids ausgebildet ist. Das Leitrohr ist in einem Hohlraum der Hohlwelle koaxial zu dieser und zu dem Rotorelement angeordnet. Bevorzugt ist das Leitrohr mittels der Stirnflansche rotationsfest mit der Hohlwelle verbunden, sodass es insbesondere gemeinsam mit der Hohlwelle und dem Rotorelement um die Drehachse rotieren kann. Vorzugsweise ist der hohlzylindrische Abschnitt strömungstechnisch mit dem Leitrohr verbunden. Vorteilhaft ist, dass das Kühlfluid, zum Beispiel durch den hohlzylindrischen Abschnitt, in das Leitrohr eingeleitet werden kann und dort an verschiedene Komponenten der Rotoranordnung zu deren Kühlung im Betrieb der elektrischen Maschine verteilt werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Kühlfluid in das Leitrohr, vorzugsweise in einer auf die Drehachse bezogenen axialen Richtung, einleitbar. Optional kann das Kühlfluid durch den hohlzylindrischen Abschnitt des mindestens einen Stirnflansches in das Leitrohr eingeleitet werden. Bevorzugt kann das Leitrohr das Kühlfluid zur Strömung entlang eines ersten Strömungspfads und zur Strömung entlang eines zweiten Strömungspfads entlassen. Beispielsweise sind der erste Strömungspfad und der zweite Strömungspfad bezogen auf die Drehachse radial versetzt zueinander angeordnet. Optional ergänzend kann das Leitrohr das Kühlfluid zur Strömung entlang eines dritten Strömungspfads entlassen.
Beispielsweise erstreckt sich der erste Strömungspfad durch den Hohlraum der Hohlwelle und über mindestens eine der Rotorstirnseiten und/oder über stirnseitige Endbereiche des Rotorelements. Optional verläuft der erste Strömungspfad über die mindestens eine Rotorstirnseite zu den stirnseitig angeordneten Wuchtscheiben, Kurzschlussringen und/oder Wickelköpfen. Der zweite Strömungspfad erstreckt sich vorzugsweise durch die Abstandsbereiche zwischen der Hohlwelle und dem Rotorelement und über die mindestens eine Rotorstirnseite und/oder über die stirnseitigen Endbereiche des Rotorelements. Möglich ist, dass der zweite Strömungspfad über die mindestens eine Rotorstirnseite zu den Wuchtscheiben, Kurzschlussringen und/oder Wickelköpfen verläuft. Der dritte Strömungspfad erstreckt sich zum Beispiel aus dem Leitrohr heraus zu der mindestens einen Rotorstirnseite und/oder über die stirnseitigen Endbereiche des Rotorelements. Optional erstreckt sich der dritte Strömungspfad von dort aus zu den Wuchtscheiben, Kurzschlussringen und/oder Wickelköpfen.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Leitrohr mindestens eine Rohröffnung auf, durch welche das Kühlfluid zur Strömung entlang des ersten Strömungspfads in den Hohlraum entweichen kann. Die Rohröffnung kann in einem axialen Endbereich des Leitrohrs oder in einem mittigen und/oder zentralen Bereich des Leitrohrs eingebracht sein. Dadurch dass das Kühlfluid in den Hohlraum entweichen kann, staut es sich dort für eine gewisse Zeit und kann so im Betrieb erzeugte Wärme aus den Anlageflächen zwischen dem Rotorelement und der Hohlwelle aufnehmen.
Eine mögliche konstruktive Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Hohlwelle, insbesondere in ihren axialen Endbereichen, zumindest eine Wellen-Ausströmöffnung aufweist. Zur Strömung entlang des ersten Strömungspfads kann das Kühlfluid durch die mindestens eine Wellen-Ausströmöffnung aus dem Hohlraum austreten und zu mindestens einer der Rotorstirnseiten strömen. Alternativ oder optional ergänzend zu der Wellen-Ausströmöffnung kann zumindest einer der Stirnflansche eine Flansch-Ausströmöffnung aufweisen. Zur Strömung des Kühlfluids entlang des ersten Strömungspfads kann das Kühlfluid durch die Flansch-Ausströmöffnung aus dem Hohlraum zu mindestens einer der Rotorstirnseiten ausströmen.
In einer weiteren möglichen konstruktiven Ausgestaltung der Erfindung weist einer der Stirnflansche eine Ausleitöffnung auf. Vorzugsweise kann das Kühlfluid zur Strömung entlang des zweiten Strömungspfads durch die Ausleitöffnung in die Abstandsbereiche ausgeleitet werden. Optional ergänzend weist der Stirnflansch, der die Ausleitöffnung aufweist, eine weitere Flansch-Ausströmöffnung auf. Vorzugsweise kann ein Teil eines Fluidvolumens des Kühlfluids, welches durch das Leitrohr geleitet wird, entlang des ersten Strömungspfads strömen und ein anderer Teil des Fluidvolumens durch die weitere Flansch-Ausströmöffnung, insbesondere entlang des dritten Strömungspfads, zu der zugeordneten Rotorstirnseite entweichen.
Bevorzugt weist der andere Stirnflansch eine Auslassöffnung auf. Innerhalb des zweiten Strömungspfads strömt das Kühlfluid vorzugsweise von den Abstandsbereichen zu der Auslassöffnung, wobei die Strömung insbesondere in die axiale Richtung oder in eine Gegenrichtung gerichtet ist. Insbesondere kann das Kühlfluid zur Strömung entlang des zweiten Strömungspfads durch die Auslassöffnung zu mindestens einer der Rotorstirnseiten entweichen. Vorteilhaft ist, dass das Fluid in den Abstandsbereichen die im Betrieb der elektrischen Maschine erzeugte Wärme unmittelbar aufnehmen kann und bei Austreten aus der Auslassöffnung von der Rotoranordnung ableiten kann.
Optional weist der hohlzylindrische Abschnitt des ersten Stirnflansches und/oder des zweiten Stirnflansches eine Innendurchmesserabstufung mit einer ersten Stufe und mit einer zweiten Stufe auf. Bevorzugt weist die erste Stufe einen ersten Innendurchmesser auf und die zweite Stufe einen zweiten Innendurchmesser auf. Vorzugsweise ist der erste Innendurchmesser leitrohrseitig angeordnet und/oder in axialer Richtung vor dem zweiten Innendurchmesser angeordnet. Insbesondere ist der erste Innendurchmesser kleiner als der zweite Innendurchmesser ausgebildet. Beispielsweise ist die Auslassöffnung in der ersten Stufe eingebracht und die weitere Flansch-Ausströmöffnung in der zweiten Stufe eingebracht. Vorteilhaft ist, dass ein Teil des in das Leitrohr eingeleiteten Fluidvolumens mittels der Innendurchmesserabstufung auf die Auslassöffnung und ein anderer Teil auf die weitere Flansch-Ausströmöffnung aufgeteilt werden kann und somit eine gezielte Verteilung des Fluidvolumens auf die verschiedenen Strömungspfade erfolgen. Insbesondere können durch die Abstimmung der Stufen der Innendurchmesserabstufungen auf unterschiedliche Anwendungen hinsichtlich Maschinentyp und/oder -baugröße auf einfach Weise angepasst werden.
In einer möglichen konstruktiven Umsetzung der Erfindung weist die Rotoranordnung einen Fluidverteilungsadapter mit einer integrierten Auffangrinne auf, in die mehrere Adapteröffnungen, zum Beispiel mit einer ersten Adapteröffnung, einer zweiten Adapteröffnung und optional ergänzend einer dritten Adapteröffnung, eingebracht sind. Optional ist die erste Adapteröffnung radial ausgerichtet. Die zweite Adapteröffnung ist z.B. in die axiale Richtung gerichtet, wobei die dritte Adapteröffnung optional in die Gegenrichtung gerichtet ist.
Vorzugsweise ist der Fluidverteilungsadapter dazu ausgebildet ist, einen Teil des Fluidvolumens zur Strömung entlang des ersten Strömungspfads und zur Strömung entlang des zweiten Strömungspfads aufzuteilen. Beispielsweise ist der Fluidverteilungsadapter koaxial mit dem Leitrohr angeordnet, wobei er innerhalb des Hohlraums der Hohlwelle drehfest auf dem Leitrohr sitzt und an einem Innendurchmesser der Hohlwelle, zum Beispiel reibschlüssig, anliegt. Bevorzugt ist der Fluidverteilungsadapter auf der Rohröffnung des Leitrohrs angeordnet. Dadurch kann das Kühlfluid von dem Leitrohr durch die Rohröffnung in die Auffangrinne einströmen. Vorzugsweise liegt der Fluidverteilungsadapter an der Wellenbohrung an.
In einer weiteren möglichen konstruktiven Umsetzung der Erfindung bildet die erste Adapteröffnung zur Strömung des Kühlfluids entlang des zweiten Strömungspfads eine Strömungsverbindung zwischen dem Leitrohr und den Abstandsbereichen. Insbesondere kann ein Teil des Fluidvolumens zur Strömung entlang des zweiten Strömungswegs durch die erste Adapteröffnung aus der Auffangrinne entweichen und durch die Wellenbohrung hindurch in die Abstandsbereiche einströmen.
Vorzugsweise bilden die zweite und/oder dritte Adapteröffnung zur Strömung des Kühlfluids entlang des ersten Strömungspfads eine Strömungsverbindung zwischen dem Leitrohr und dem Hohlraum der Hohlwelle. Insbesondere kann ein anderer Teil des Fluidvolumens zur Strömung entlang des ersten Strömungspfads durch die zweite und/oder dritte Adapteröffnung in den Hohlraum der Hohlwelle einströmen.
Zur Regulierung des Fluidvolumens kann die Wellenbohrung einen anderen, insbesondere geringeren Durchmesser als die erste Adapteröffnung aufweisen. Dadurch kann im Betrieb der elektrischen Maschine, insbesondere bei rotierender Rotoranordnung, erreicht werden, dass das in der Auffangrinne angeordnete Fluid gestaut und durch die zweite und/oder dritte Adapteröffnung in den Hohlraum der Hohlwelle geleitet wird.
Eine elektrische Maschine mit der Rotoranordnung nach der bisherigen Beschreibung und/oder nach einem der Ansprüche 1 bis 12 bildet einen weiteren Gegenstand der Erfindung. Zur Erzeugung eines Magnetfelds umfasst die Rotoranordnung vorzugsweise den ersten Wickelkopf und den zweiten Wickelkopf, wobei der erste Wickelkopf an der ersten Rotorstirnseite angeordnet ist und wobei der zweite Wickelkopf an der zweiten Rotorstirnseite angeordnet ist.
Bevorzugt umfasst die elektrische Maschine einen Sammelbehälter, in welchem das Kühlfluid gesammelt und auf die Wickelköpfe verteilt werden kann. Insbesondere weist die elektrische Maschine einen sich axial erstreckenden Strömungskanal auf, durch den das Kühlfluid in den Sammelbehälter eingeleitet werden kann. Besonders bevorzugt ist es im Rahmen der Erfindung, dass der Strömungskanal radial außerhalb der Rotoranordnung, insbesondere radial außerhalb des Stators, angeordnet ist. Vorzugsweise weist der Sammelbehälter mehrere Behälteröffnungen auf, durch die das Kühlfluid auf die Wickelköpfe zur Kühlung strömen kann. Insbesondere bei Betriebszuständen der elektrischen Maschine mit geringen Drehzahlen verbunden mit hohen Lasten und somit hoher Wärmeentwicklung ist die Kühlung der Wickelköpfe mittels des Strömungskanals und des Sammelbehälters besonders vorteilhaft.
Einen weiteren Gegenstand der Erfindung bildet ein Fahrzeug, insbesondere ein rein elektrisch oder hybrid angetriebenes Fahrzeug, mit der elektrischen Maschine nach der bisherigen Beschreibung und/oder nach dem Anspruch 13.
Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung. Dabei zeigen:

1 ein axialer Längsschnitt durch eine elektrische Maschine mit einer Rotoranordnung und einem Stator;
2 ein Querschnitt durch die Rotoranordnung;
3 eine vergrößerte Darstellung eines Strömungskanals und eines Sammelbehälters der elektrischen Maschine;
4 ein Querschnitt durch den Strömungskanal und den Sammelbehälter;
5 ein axialer Längsschnitt durch die elektrische Maschine, wobei die Rotoranordnung einen Fluidverteilungsadapter umfasst;
6 ein Querschnitt durch die Rotoranordnung 1 mit dem Fluidverteilungsadapter;
7 eine perspektivische Draufsicht auf den Fluidverteilungsadapter.

Einander entsprechende oder gleiche Teile sind in den Figuren jeweils mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In der 1 ist ein axialer Längsschnitt durch eine elektrische Maschine 50 gezeigt. Die elektrische Maschine 50 umfasst eine um eine Drehachse 5 rotierbare Rotoranordnung 1 und einen Stator 2, wobei die Rotoranordnung 1 der Stator 2 bezogen auf die Drehachse 5 zueinander koaxial angeordnet sind. Der Stator 2 ist radial außerhalb der Rotoranordnung 1 angeordnet und/oder umgibt diese. Die Rotoranordnung 1 und der Stator 2 sind in einem Gehäuse 3 der elektrischen Maschine 50 aufgenommen. Die Drehachse 5 definiert eine axiale Richtung 9.
Die Rotoranordnung 1 umfasst eine Hohlwelle 4, welche um die Drehachse 5 mittels eines ersten Stirnflansches 6 und eines zweiten Stirnflansches 7 drehbar auf mindestens einem Wälzlager 8 gelagert ist. Hierzu sind der erste Stirnflansch 6 mit einem ersten axialen Ende der Hohlwelle 4 drehfest verbunden und der zweite Stirnflansch 7 mit einem zweiten axialen Ende der Hohlwelle 4 drehfest verbunden. Der erste Stirnflansch 6 weist einen ersten hohlzylindrischen Abschnitt 36 auf, welcher in eine Gegenrichtung zu der axialen Richtung 9 geöffnet ist. Der zweite Stirnflansch 7 weist einen zweiten hohlzylindrischen Abschnitt 46 auf, welcher in die axiale Richtung 9 geschlossen ist. Der zweite hohlzylindrische Abschnitt 46 weist eine Innendurchmesserabstufung 20 mit in die axiale Richtung 9 hintereinander angeordneten Stufen 21, 22 auf. Eine erste Stufe 21 weist einen geringeren Innendurchmesser als eine zweite Stufe 22 auf.
Die Rotoranordnung 1 umfasst ein Rotorelement 10, welches koaxial mit der Hohlwelle 4 angeordnet ist. Gemäß der 2, welche einen Querschnitt durch die Rotoranordnung 1 zeigt, ist das Rotorelement 10 im Querschnitt als ein Kreisring ausgebildet. Die Hohlwelle 4 weist eine im Wesentlichen polygone, insbesondere sechseckige Außenkontur auf, wobei die Ecken der Hohlwelle 4 einen Radius und/oder Radienverlauf aufweisen.
Das Rotorelement 10 sitzt auf der Hohlwelle 4, wobei zwischen einem Innenumfang des Rotorelements 10 und einem Außenumfang der Hohlwelle 4 mehrere, zum Beispiel drei, Anlagebereiche 11 und mehrere, zum Beispiel drei, Abstandsbereiche 12 gebildet sind. In den Anlagebereichen 11 ist das Rotorelement 10 mittels einer Presspassung mit der Hohlwelle 4 drehfest verbunden, sodass das Rotorelement 10 gemeinsam mit der Hohlwelle 4 um die Drehachse 5 rotieren kann.
Bezugnehmend auf die 1 umfasst die Rotoranordnung 1 einen ersten Wickelkopf 13 und einen zweiten Wickelkopf 14, wobei der erste Wickelkopf 13 an einer ersten Rotorstirnseite 15 und der zweite Wickelkopf 14 an einer zweiten Rotorstirnseite 16 angeordnet ist, insbesondere auf stirnseitige Endbereiche des Rotorelements aufgewickelt ist. Axial benachbart zu den axialen Rotorstirnseiten 15, 16 sind Wuchtscheiben und/oder Kurzschlussringe 17 koaxial zu der Hauptachse 5 angeordnet.
Die Rotoranordnung 1 umfasst ein Leitrohr 18 zur Leitung und Verteilung eines Kühlfluids, welches zur Kühlung von Komponenten der elektrischen Maschine 50, insbesondere der Rotoranordnung 1, vorgesehen ist. Das Leitrohr 18 ist in einem Hohlraum 19 der Hohlwelle 4 koaxial zu dieser angeordnet, wobei es endseitig von den Stirnflanschen 6, 7 gehalten und dadurch drehfest mit der Hohlwelle verbunden ist. Der hohlzylindrische Abschnitt 36 des ersten Stirnflansches 6 mündet in das Leitrohr 18, sodass dieses über den ersten Stirnflansch 6 mit dem Kühlfluid befüllt werden kann.
Das Leitrohr 18 ist dazu ausgebildet, das Kühlfluid zur Strömung entlang eines ersten Strömungspfads 23, zur Strömung entlang eines zweiten Strömungspfads 24 und zur Strömung entlang eines dritten Strömungspfads 25 zu entlassen.
Der erste Strömungspfad 23 erstreckt sich durch den Hohlraum 19 der Hohlwelle 4 und über die erste Rotorstirnseite 15 und/oder über einen Endbereich des Rotorelements 10, der sich an die erste Rotorstirnseite 15 anschließt. Zum Entlassen des Kühlfluids in den ersten Strömungspfad 23 weist das Leitrohr 18 mindestens eine, z.B. zwei oder vier Rohröffnungen 26 auf, die in einem Endbereich des Leitrohrs 18 benachbart zu dem zweiten Stirnflansch 7 eingebracht sind. Das in das Leitrohr 18 eingeleitete Kühlfluid tritt aus den Rohröffnungen 26 aus und strömt in den Hohlraum 19 der Hohlwelle 4 hinein, wobei es darin in die axiale Gegenrichtung strömt und dabei im Betrieb der elektrischen Maschine 50 erzeugte Wärme zwischen der Hohlwelle 4 und dem Rotorelement 10 aufnimmt. Zur Ausleitung des Kühlfluids aus dem Hohlraum 19 entlang des ersten Strömungspfads weist der erste Stirnflansch 6 mehrere, z.B. zwei oder vier Flansch-Ausströmöffnungen 29 auf, durch die das Kühlfluid aus der Hohlwelle 4 entweichen und durch die Rotation der Rotoranordnung 1 zu der ersten Rotorstirnseite 15 und/oder zu dem stirnseitigen Endbereich geschleudert wird. Von dort aus kann das Kühlfluid zu den dort angeordneten Wuchtscheiben und/oder Kurzschlussringen 17 und zu dem ersten Wickelkopf 13 strömen.
Der zweite Strömungspfad 24 erstreckt sich durch die Abstandsbereiche 12 zwischen der Hohlwelle 4 und dem Rotorelement 10, über die erste Rotorstirnseite 15 und/oder den daran angrenzenden Endbereich des Rotorelements 10. Somit sind der erste Strömungspfad 23 und der zweite Strömungspfad 24 bezogen auf die Drehachse 5 radial versetzt zueinander angeordnet. Zum Entlassen des Kühlfluids in den zweiten Strömungspfad 24 ist das Leitrohr 18 strömungstechnisch mit dem zweiten hohlzylindrischen Abschnitt 46 des zweiten Stirnflansches 7 verbunden. Dieser weist eine in der ersten Stufe 21 der Innendurchmesserabstufung 20 angeordnete Ausleitöffnung 27 auf. Das Kühlfluid kann durch die Ausleitöffnung 27 in die Abstandsbereiche 12 entweichen. In den Abstandsbereichen 12 strömt das Kühlfluid in die axiale Gegenrichtung und nimmt dabei unmittelbar die bei der Rotation erzeugte Wärme des Rotorelements 10 und der Hohlwelle 4 auf. Zum Auslass des Kühlfluids aus den Abstandbereichen 12 entlang des zweiten Strömungspfads 24 weist der erste Stirnflansch 6 mindestens eine Auslassöffnung 28 auf. Das Kühlfluid kann durch die Auslassöffnung 28 entweichen und wird durch die Rotation der Rotoranordnung 1 zu der ersten Rotorstirnseite 15 und/oder zu dem stirnseitigen Endbereich geschleudert. Von dort aus kann das Kühlfluid zu den dort angeordneten Wuchtscheiben und/oder Kurzschlussringen 17 und zu dem ersten Wickelkopf 13 strömen.
Der dritte Strömungspfad 25 erstreckt sich aus dem Leitrohr 18 heraus zu der zweiten Rotorstirnseite 16 und/oder zu dem sich daran anschließenden Endbereich des Rotorelements 10. Von dort aus verläuft der dritte Strömungspfad 25 zu den benachbart zu der Rotorstirnseite 16 angeordneten Wuchtscheiben und/oder Kurzschlussringen 17 und zu dem zweiten Wickelkopf 14. Zum Entlassen des Kühlfluids in den dritten Strömungspfad 25 weist der strömungstechnisch mit dem Leitrohr 16 verbundene zweite hohlzylindrische Abschnitt 46 des zweiten Stirnflansches 7 eine weitere Flansch-Ausströmöffnung 47 auf. Die weitere Flansch-Ausströmöffnung 47 ist in der zweiten Stufe 22 der Innendurchmesserabstufung 20 eingebracht. Das Kühlfluid kann zur Strömung entlang des dritten Strömungspfads 25 durch die weitere Flansch-Ausströmöffnung 47 ausströmen und wird durch die Rotation der Rotoranordnung 1 zu der zweiten Rotorstirnseite 16 und/oder zu dem benachbarten stirnseitigen Endbereich des Rotorelements 10 geschleudert. Von dort aus kann das Kühlfluid zu den dort angeordneten Wuchtscheiben und/oder Kurzschlussringen 17 und zu dem zweiten Wickelkopf 14 strömen. Möglich ist auch, dass das Wälzlager 8 durch das ausgeschleuderte Kühlfluid gekühlt werden kann.
Durch die Innendurchmesserabstufung 20 und die Anordnung der Ausleitöffnung 27 in der ersten Stufe 21 beziehungsweise durch die Anordnung der weiteren Flansch-Ausströmöffnung 47 in der zweiten Stufe 22 kann ein Fluidvolumen des Kühlfluids gezielt auf die drei Strömungspfade 23, 24, 25 aufgeteilt werden.
Die elektrische Maschine 50 weist einen Strömungskanal 30 zur Hindurchleitung des Kühlfluids und einen Sammelbehälter 31 zum Sammeln des Kühlfluids auf. Der Strömungskanal 30 und der Sammelbehälter 31 sind in der 3 in einem axialen Längsschnitt vergrößert dargestellt und in der 4 in einem axialen Querschnitt gezeigt.
Der Strömungskanal 30 ist radial außerhalb des Gehäuses 3 angeordnet und erstreckt sich in die axiale Richtung 9. Das Gehäuse 3 weist eine axiale Längsbohrung 32 und zwei Radialbohrungen 33 auf, über welche es mit dem Strömungskanal 30 strömungstechnisch verbunden ist. Durch die Längsbohrung 32 und die Radialbohrungen 33 kann das Kühlfluid zu dem Stator 2 und in den Sammelbehälter 31 strömen. In den Sammelbehälter 31 sind mehrere, z.B. zwei Behälteröffnungen 35 eingebracht, durch die das Kühlfluid unmittelbar auf die Wickelköpfe 13, 14 zu deren Kühlung strömen kann. Die Kühlung des Stators 2 und der Wickelköpfe 13, 14 kann zusätzlich zu der Kühlung erfolgen, die durch die drei Strömungspfade 23, 24, 25 erfolgt. Insbesondere im Betrieb der elektrischen Maschine 50 mit geringen Drehzahlen und hohen Lasten kann so eine ausreichende Kühlung der Komponenten bereitgestellt werden.
In der 5 ist ein axialer Längsschnitt durch die elektrische Maschine 50 mit der Rotoranordnung 1, dem Stator 2 und dem Gehäuse 3 gezeigt. Die beiden hohlzylindrischen Abschnitte 36, 46 der Stirnflansche 6, 7 sind in die axiale Richtung 9 und in die Gegenrichtung geöffnet. Das Kühlfluid kann so durch den zweiten Stirnflansch 7 in die axiale Gegenrichtung in das Leitrohr 18 eingeleitet werden, sodass es entlang des Leitrohrs fließt.
Die Rotoranordnung 1 umfasst einen Fluidverteilungsadapter 37, welcher das in das Leitrohr 18 eingeleitete Kühlfluid auf den ersten Strömungspfad 23 und auf den zweiten Strömungspfad 24 verteilen kann. Die Rotoranordnung 1 mit dem Fluidverteilungsadapter 37 ist in der 6 in einem axialen Querschnitt gezeigt. In der 7 ist der Fluidverteilungsadapter 37 einer perspektivischen Draufsicht gezeigt.
In Zusammenschau mit der 5 ist der Fluidverteilungsadapter 37 im Wesentlichen kreisringförmig ausgebildet und ist in dem Hohlraum 19 der Hohlwelle 4 angeordnet. Der Fluidverteilungsadapter 37 sitzt mittig auf dem Leitrohr 18, wobei er drehfest mit dem Leitrohr verbunden ist. Der Fluidverteilungsadapter 37 weist eine integrierte Auffangrinne 34 auf, in der ein erstes Teilvolumen 38 des Kühlfluids aufgefangen und verteilt werden kann. Ein zweites Teilvolumen 39 strömt entlang des Leitrohrs 18 in die axiale Gegenrichtung und tritt aus dem ersten Stirnflansch 6 aus. Ein an dem ersten Stirnflansch 6 angeordnetes Getriebe 45 (siehe 5) kann dadurch gekühlt werden.
Die Rohröffnungen 26 sind im Gegensatz zu der 1 zentral in dem Leitrohr 18 angeordnet. Sie münden in der Auffangrinne 34, sodass das erste Teilvolumen 38 in diese einströmen kann. Die Hohlwelle 4 weist mindestens eine, z.B. zwei oder vier, zentral angeordnete Wellenbohrungen 43 auf.
Der Fluidverteilungsadapter 37 weist mindestens ein erste radial ausgerichtete Adapteröffnung 40, z.B. vier erste Adapteröffnungen 40 auf. Durch die ersten Adapteröffnungen 40 kann ein Teil des in der Auffangrinne 34 gesammelten Kühlfluids durch die zentralen Wellenbohrungen 43 in die Abstandsbereiche 12 zur Strömung entlang des zweiten Strömungspfads 24 entweichen. In den Abstandsbereichen 12 strömt das Fluid in die axiale Richtung 9 und in die Gegenrichtung und kann an den Rotorstirnseiten 15, 16 austreten, um diese, die Wuchtscheiben und/oder Kurzschlussringe 17 und die Wickelköpfe 13, 14 zu kühlen.
Der Fluidverteilungsadapter 37 weist mindestens eine, z.B. vier axial ausgerichtete zweite Adapteröffnungen 41 auf. Durch die zweiten Adapteröffnungen 41 kann der andere Teil des in der Auffangrinne 34 gesammelten Kühlfluids zur Strömung entlang des ersten Strömungspfads 23 in den Hohlraum 19 der Hohlwelle 4 entweichen.
Zur Regulierung der Anteile des Fluidvolumens, welche durch die Wellenbohrungen 43 in die Abstandsbereiche 12 und durch die zweiten Adapteröffnungen 41 in den Hohlraum 19 strömen, weisen die Wellenbohrungen 43 geringere Durchmesser als die ersten Adapteröffnungen 40 auf. Durch den gegenüber den ersten Adapteröffnungen 40 reduzierten Durchmesser der Wellenbohrungen 43 wird das Kühlfluid in der Auffangrinne 34 gestaut, sodass der andere Teil des Kühlfluids trotz der Rotation der Rotoranordnung 1 axial aus den zweiten Adapteröffnungen 41 austreten kann. Trotz der reduzierten Durchmesser der Wellenbohrungen 43 wird aufgrund der Fliehkraft ein größeres Fluidvolumen in die Abstandsbereiche 12 geleitet, als in den Hohlraum 19.
Die Hohlwelle 4 weist an jedem ihrer beiden axialen Endbereiche, insbesondere benachbart zu den beiden Stirnflanschen 6, 7, mehrere, z.B. zwei oder vier Wellen-Ausströmöffnungen 44 auf. Zur Leitung entlang des ersten Strömungspfads 23 kann das Kühlfluid durch die Ausströmöffnungen 44 aus dem Hohlraum 19 ausströmen und zu den Rotorstirnseiten 15, 16, den stirnseitigen Endbereichen des Rotorelements 10, den Wuchtscheiben und/oder Kurzschlussringen 17 und zu den Wickelköpfen 13, 14. geschleudert werden. Möglich ist auch, dass das Wälzlager 8 durch das ausgeschleuderte Kühlfluid gekühlt werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Rotoranordnung
2: Stator
3: Gehäuse
4: Hohlwelle
5: Drehachse
6: erster Stirnflansch
7: zweiter Stirnflansch
8: Wälzlager
9: axiale Richtung
10: Rotorelement
11: Anlagebereiche
12: Abstandsbereiche
13: erster Wickelkopf
14: zweiter Wickelkopf
15: erste Rotorstirnseite
16: zweite Rotorstirnseite
17: Wuchtscheiben und/oder Kurzschlussringe
18: Leitrohr
19: Hohlraum
20: Innendurchmesserabstufung
21: erste Stufe
22: zweite Stufe
23: erster Strömungspfad
24: zweiter Strömungspfad
25: dritter Strömungspfad
26: Rohröffnungen
27: Ausleitöffnung
28: Auslassöffnung
29: Flansch-Ausströmöffnung
30: Strömungskanal
31: Sammelbehälter
32: Längsbohrung
33: Radialbohrung
34: Auffangrinne
35: Behälteröffnungen
36: erster hohlzylindrischer Abschnitt
37: Fluidverteilungsadapter
38: erstes Teilvolumen
39: zweites Teilvolumen
40: erste Adapteröffnung
41: zweite Adapteröffnung
42: dritte Adapteröffnung
43: Wellenbohrung
44: Wellen-Ausströmöffnungen
45: Getriebe
46: zweiter hohlzylindrischer Abschnitt
47: weitere Flansch-Ausströmöffnung
50: elektrische Maschine

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102018122977 A1 [0002]
DE 102018200865 A1 [0003]

Claims

Rotoranordnung (1) für eine elektrische Maschine (50), mit einer um eine Drehachse rotierbaren Hohlwelle (4), mit einem Rotorelement (10), wobei das Rotorelement (10) koaxial zu der Hohlwelle (4) angeordnet ist und dieses umgibt, wobei das Rotorelement (10) gemeinsam mit der Hohlwelle (4) rotiert und/oder rotieren kann, wobei in Umfangsrichtung um die Drehachse (5) zwischen einem Außenumfang der Hohlwelle (4) und einem Innenumfang des Rotorelements (10) Anlagebereiche (11) und Abstandsbereiche (12) gebildet sind, wobei das Rotorelement (10) in den Anlagebereichen (11) kontaktierend zu der Hohlwelle (4) angeordnet ist und in den Abstandsbereichen (12) beabstandet zu der Hohlwelle (4) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotoranordnung (1) ein Leitrohr (18) zur Leitung eines Kühlfluids umfasst, wobei das Leitrohr (18) koaxial zu der Hohlwelle (4) und zu dem Rotorelement (10) in einem Hohlraum (19) der Hohlwelle (4) angeordnet ist.
Rotoranordnung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlfluid in einer auf die Drehachse (5) bezogenen axialen Richtung (9) in das Leitrohr (18) einleitbar ist, wobei das Leitrohr (18) das Kühlfluid zur Strömung entlang eines ersten Strömungspfads (23) und zur Strömung entlang eines zweiten Strömungspfads (24) entlassen kann, wobei der erste Strömungspfad (23) und der zweite Strömungspfad (24) bezogen auf die Drehachse (5) radial versetzt zueinander angeordnet sind.
Rotoranordnung (1)nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der erste Strömungspfad (23) durch den Hohlraum (19) der Hohlwelle (4) und über mindestens eine Rotorstirnseite (15, 16) des Rotorelements (10) erstreckt und dass sich der zweite Strömungspfad (24) durch die Abstandsbereiche (12) zwischen der Hohlwelle (4) und dem Rotorelement (10) und über mindestens eine Rotorstirnseite (15, 16) erstreckt.
Rotoranordnung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitrohr (18) zur Strömung des Kühlfluids entlang des ersten Strömungspfads (23) eine Rohröffnung (26) aufweist, durch welche das Kühlfluid in den Hohlraum (19) der Hohlwelle (4) entweichen kann.
Rotoranordnung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlwelle (4) zur Strömung des Kühlfluids entlang des ersten Strömungspfads (23) zumindest eine Wellen-Ausströmöffnung (44) aufweist, durch welche das Kühlfluid aus dem Hohlraum (19) zu mindestens einer Rotorstirnseite (15, 16) ausströmen kann.
Rotoranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotoranordnung (1) einen ersten Stirnflansch (6) und einen zweiten Stirnflansch (7) zur rotierbaren Lagerung der Hohlwelle (4) umfasst, wobei das Leitrohr (18) mittels der Stirnflansche (6, 7) rotationsfest mit der Hohlwelle (4) verbunden ist, wobei zumindest einer der Stirnflansche (6, 7) einen hohlzylindrischen Abschnitt (36, 46) aufweist, welcher mit dem Leitrohr (18) strömungstechnisch verbunden ist, wobei das Kühlfluid durch den hohlzylindrischen Abschnitt (36, 46) in das Leitrohr (18) einleitbar ist.
Rotoranordnung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einer der Stirnflansche (6, 7) zur Strömung des Kühlfluids entlang des ersten Strömungspfads (23) zumindest eine Flansch-Ausströmöffnung (47) aufweist, durch welche das Kühlfluid aus dem Hohlraum (19) zu mindestens einer Rotorstirnseite (15, 16) ausströmen kann.
Rotoranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass einer der Stirnflansche (6, 7) zur Strömung des Kühlfluids entlang des zweiten Strömungspfads (24) eine Ausleitöffnung (27) aufweist, durch die das Kühlfluid in die Abstandsbereiche (12) ausgeleitet werden kann und/oder dass die Hohlwelle (4) zur Strömung des Kühlfluids entlang des zweiten Strömungspfads (24) mindestens eine Wellenbohrung (43) aufweist, durch welche das Kühlfluid in die Abstandsbereiche (12) einströmen kann.
Rotoranordnung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der andere Stirnflansch (6, 7) zur Strömung des Kühlfluids entlang des zweiten Strömungspfads (24) eine Auslassöffnung (28) aufweist, durch die das Kühlfluid von den Abstandsbereichen (12) zu einer Rotorstirnseite (15, 16) ausgelassen werden kann und/oder dass das Kühlfluid direkt aus den Abstandbereichen (12) zu mindestens einer der Rotorstirnseiten (15, 16) ausströmen kann.
Rotoranordnung (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der hohlzylindrische Abschnitt (36) zumindest einer der Stirnflansche (6, 7) zur Fluidvolumenaufteilung eine Innendurchmesserabstufung (20) mit einer ersten Stufe (21) und einer zweiten Stufe (22) aufweist, wobei in einer der Stufen (21, 22) die Auslassöffnung (28) eingebracht ist und wobei in der anderen Stufe (21, 22) eine weitere Flansch-Ausströmöffnung (29) eingebracht ist, durch die das Fluid von dem Leitrohr (18) entlang eines dritten Strömungspfads (25) zu zumindest einer Rotorstirnseite (15, 16) ausströmen kann.
Rotoranordnung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotoranordnung (1) einen Fluidverteilungsadapter (37) zur Verteilung des Kühlfluids auf den ersten Strömungspfad (23) und auf den zweiten Strömungspfad (24) umfasst, wobei der Fluidverteilungsadapter (37) koaxial mit dem Leitrohr (18) angeordnet ist und innerhalb des Hohlraums (19) der Hohlwelle (4) drehfest auf dem Leitrohr (18) sitzt.
Rotoranordnung (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidverteilungsadapter (37) mehrere Adapteröffnungen (40, 41, 42) aufweist, wobei mindestens eine Adapteröffnung (40, 41, 42) zur Strömung des Kühlfluids entlang des ersten Strömungspfads (23) eine Strömungsverbindung zwischen dem Leitrohr (18) und dem Hohlraum (19) der Hohlwelle (4) bildet und/oder wobei mindestens eine weitere Adapteröffnung (40, 41, 42) zur Strömung des Kühlfluids entlang des zweiten Strömungspfads (24) eine Strömungsverbindung zwischen dem Leitrohr (18) und den Abstandsbereichen (12) bildet, wobei die Wellenbohrung (43) in der Hohlwelle (4) zur Regulierung eines Fluidvolumens des Kühlfluids einen geringeren Durchmesser als die erste Adapteröffnung (40) aufweist.
Elektrische Maschine (50) mit der Rotoranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Elektrische Maschine (50) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotoranordnung (1) zur Erzeugung eines Magnetfelds einen ersten Wickelkopf (13) und einen zweiten Wickelkopf (14) aufweist, welche an stirnseitigen Endbereichen des Rotorelements (10) angeordnet sind, wobei die elektrische Maschine (50) einen Sammelbehälter (31) zur Sammlung und Verteilung des Kühlfluids auf die Wickelköpfe (13, 14) und einen Strömungskanal (30) zur Einleitung des Kühlfluids in den Sammelbehälter (31) aufweist, wobei der Strömungskanal (30) radial außerhalb der Rotoranordnung (1) angeordnet ist und sich in die axiale Richtung (9) erstreckt, wobei der Sammelbehälter (31) mehrere Behälteröffnungen (35) aufweist, durch die das Kühlfluid auf die Wickelköpfe (13, 14) strömen kann.
Fahrzeug mit der elektrischen Maschine (50) nach Anspruch 13 oder 14.