DE102022200509A1

DE102022200509A1 - Anordnung zum Kühlen eines Rotors einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102022200509A1
Application number: DE102022200509.0A
Authority: DE
Inventors: Moritz Stenger; Marcel Müller; Mario Gudlin
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2022-01-18
Filing date: 2022-01-18
Publication date: 2023-07-20
Also published as: WO2023139018A1

Abstract

Es wird eine Anordnung zum Kühlen eines Rotors einer elektrischen Maschine in einem Gehäuse (1) vorgeschlagen, wobei eine den Rotor tragende Rotorwelle (2) als Hohlwelle ausgeführt ist, in der eine koaxial verlaufende drehbare Abtriebswelle (3) gelagert ist, sodass sich zwischen dem Innendurchmesser (4) der Rotorwelle (2) und dem Außendurchmesser (5) der Abtriebswelle (3) ein Radialspalt (6) über die axiale Länge der Rotorwelle (2) ergibt, wobei einem ersten axialen Ende (7) der Rotorwelle (2) eine gehäusefeste mit einer gehäuseseitigen Ölversorgung (8) verbundene Öleinspritzhülse (9) zur Öleinspritzung in den Radialspalt (6) zum Transport des eingespritzten Öls zu einem zweiten axialen Ende (10) der Rotorwelle (2) zugeordnet ist. Die Erfindung betrifft weiter ein elektrisch angetriebenes oder antreibbares Fahrzeug mit einer derartigen Anordnung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zum Kühlen eines Rotors einer elektrischen Maschine in einem Gehäuse, wobei eine den Rotor tragende Rotorwelle als Hohlwelle ausgeführt ist, in der eine koaxial verlaufende drehbare Abtriebswelle gelagert ist, sodass sich zwischen dem Innendurchmesser der Rotorwelle und dem Außendurchmesser der Abtriebswelle ein Radialspalt über die axiale Länge der Rotorwelle ergibt. Die Erfindung betrifft weiter ein elektrisch angetriebenes oder antreibbares Fahrzeug mit einer derartigen Anordnung.
Um beispielsweise Öl als Kühlmittel einer gehäuseseitigen Ölversorgung in einen Radialspalt zwischen einem gehäusefesten Bauteil und zumindest einem sich drehenden Bauteil zu fördern, ist beispielsweise aus der Druckschrift EP 1 914 452 A2 die Verwendung einer Drehdurchführung bekannt.
Bei einer derartigen Drehdurchführung wird das Öl z.B. gehäuseseitig in einen Radialspalt gepumpt. Um hierbei die entgegenwirkende Fliehkraft des sich drehenden Bauteils überwinden zu können, sind zum einen eine Vielzahl von Dichtelementen und zum anderen ein hoher Betriebsdruck in der Ölversorgung erforderlich. Somit ergibt sich der Nachteil, dass die Drehdurchführung konstruktiv aufwendig und kostenintensiv ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine eingangs beschriebene Anordnung vorzuschlagen, bei der eine Ölzuführung konstruktiv einfach und kostengünstig realisiert wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte und beanspruchte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung sowie den Zeichnungen.
Demnach wird eine Anordnung zum Kühlen eines Rotors einer elektrischen Maschine in einem Gehäuse vorgeschlagen, wobei eine den Rotor tragende Rotorwelle als sich drehende Hohlwelle ausgeführt ist und in dem Gehäuse gelagert ist, wobei in der Hohlwelle eine axial verlaufene ebenfalls drehbare Abtriebswelle gelagert ist, sodass sich zwischen dem Innendurchmesser der Rotorwelle und dem Außendurchmesser der Abtriebswelle ein Radialspalt über die gesamte axiale Länge der Rotorwelle ergibt. Um eine konstruktiv einfache und kostengünstige Ölzuführung aus dem Gehäuse in den Radialspalt in das Innere der Rotorwelle zu gewährleisten, ist vorgesehen, dass einem ersten axialen Ende der Rotorwelle eine gehäusefeste mit einer gehäuseseitigen Ölversorgung verbundene Öleinspritzhülse oder dergleichen zur axial ausgerichteten Öleinspritzung in den Radialspalt zum Transport des eingespritzten Öls zu einem zweiten axialen Ende der Rotorwelle zugeordnet ist.
Auf diese Weise wird eine kontaktlose Einspritzung von Kühlöl zur Rotorwelleninnenkühlung bei elektrischen Maschinen vorgeschlagen, ohne dass eine aufwendige Drehdurchführung verwendet wird. Somit kann bei der vorgeschlagenen Anordnung Öl in eine zum Beispiel mit hoher Drehzahl rotierenden Hohlwelle eingespritzt werden, ohne dabei Reibungsverluste zu erzeugen. Zudem ist in vorteilhafter Weise nur ein geringer Betriebsdruck bei der gehäuseseitigen Ölversorgung notwendig.
Eine besonders konstruktiv einfache Ausführung ergibt sich bei der vorgeschlagenen Anordnung dadurch, dass die Öleinspritzhülse entlang ihres Außenumfanges mehrere axial verlaufende Nuten oder dergleichen aufweist, wobei ein erstes Ende jeder Nut mit Öl der gehäuseseitigen Ölversorgung versorgbar ist und somit dieser zugeordnet ist und wobei ein zweites Ende jeder Nut dem Radialspalt im Bereich des Innendurchmessers an dem ersten axialen Ende der Rotorwelle zugeordnet ist. Somit bildet das erste Ende der Nut ein geschlossenes Ende, welches mit Öl aus der gehäuseseitigen Ölversorgung versorgt wird, während das zweite Ende ein offenes Ende an der Stirnseite der Öleinspritzhülse ist, aus dem das Öl direkt in den Innenraum der Hohlwelle im Bereich des Innendurchmessers der Rotorwelle austritt.
Beispielsweise können die an der Öleinspritzhülse vorgesehenen Nuten als im Querschnitt halbkreisförmige Kerben ausgeführt sein. Diese Kerben können beispielsweise besonders einfach durch entsprechende Umformung an der Öleinspritzhülse hergestellt werden.
Die Form und die Position der axial verlaufenden Nuten bzw. Kerben an dem Außenumfang der Öleinspritzhülse gewährleisten eine möglichst geringe Distanz zwischen dem statischen bzw. gehäusefesten Bauteil und dem rotierenden Bauteil, wobei die geringe Distanz durch quasi als Einspritzdüsen wirkende Nuten überbrückt wird, wozu nur ein relativ geringer Betriebsdruck bei der Ölversorgung erforderlich ist. Dadurch treten weder Reibungsverluste noch ein hoher Energieaufwand für die Ölversorgung auf.
Eine konstruktiv besonders einfache Ausführung der Ölversorgung der Öleinspritzhülse bei der vorgeschlagenen Anordnung sieht vor, dass eine Innenwand des Gehäuses entlang des Außenumfanges der Öleinspritzhülse einen Ringkanal oder dergleichen aufweist, der mit der gehäuseseitigen Ölversorgung verbunden ist.
Um das Öl aus dem Ringkanal zur Öleinspritzhülse zu bringen, ist vorgesehen, dass der Ringkanal dem ersten Ende jeder Nut derart zugeordnet ist, dass das Öl aus dem Ringkanal in die Nuten der Öleinspritzhülse gefördert wird. Vorzugsweise ist der Ringkanal im Querschnitt halbkreisförmig oder dergleichen ausgeführt.
Sobald das Öl die Öleinspritznuten verlässt, gelangt es problemlos in das Innere der Rotorwelle. Um ein sofortiges Ausströmen des Öls aus dem ersten Ende der Rotorwelle zu verhindern, kann an dem der Stirnseite der Öleinspritzhülse zugeordneten ersten Ende der Rotorwelle ein den Innendurchmesser der Rotorwelle verringernder Staukantenbereich oder dergleichen zugeordnet sein. Durch die in axialer Richtung bereichsweise Verringerung des Innendurchmessers der Rotorwelle wird eine Aufstauung des Öls erreicht, um eine kontinuierliche Ölversorgung zu realisieren.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann bei der Anordnung vorgesehen sein, dass das erste axiale Ende der Rotorwelle eine Getriebeverzahnung oder dergleichen aufweist, die zwischen einer elektromaschinenseitigen Lagerstelle und einer getriebeseitigen Lagerstelle angeordnet ist. Bei einer derartigen Ausführung ist vorzugsweise die Öleinspritzhülse in einem getriebegehäuseseitigen Lagerschild oder dergleichen der getriebeseitigen Lagerstelle eingepresst ist, wobei das Lagerschild das gehäusefeste Bauteil zur Aufnahme der Öleinspritzhülse bildet.
Die Erfindung betrifft weiter ein elektrisch angetriebenes oder antreibbares Fahrzeug mit einer derartigen Anordnung.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand der Zeichnungen weiter erläutert.
Es zeigen:

1 eine schematische geschnittene Teilansicht einer Anordnung zum Kühlen eines Rotors einer elektrischen Maschine in einem Gehäuse;
2 eine schematische dreidimensionale Teilansicht einer in einem Gehäuse angeordneten Öleinspritzhülse zur axial gerichteten Öleinspritzung in eine Rotorwelle;
3 eine stirnseitige Einzelteilansicht der Öleinspritzhülse;
4 eine dreidimensionale Einzelteilansicht der Öleinspritzhülse; und
5 eine schematische geschnittene Teilansicht eines gehäuseseitigen Ringkanals zur Ölversorgung der Öleinspritzhülse.

In den 1 bis 5 sind verschiedene Ansichten einer Anordnung zum Kühlen eines Rotors einer elektrischen Maschine in einem Gehäuse 1 dargestellt, wobei eine den Rotor tragende Rotorwelle 2 als Hohlwelle ausgeführt ist, in der eine koaxial verlaufende drehbare Abtriebswelle 3 gelagert ist, sodass sich zwischen dem Innendurchmesser 4 der Rotorwelle 2 und dem Außendurchmesser 5 der Abtriebswelle 3 ein Radialspalt 6 über die axiale Länge der Rotorwelle 2 ergibt. Die Anordnung kann beispielsweise als ein Antriebsstrang eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs ausgebildet sein, wobei die elektrische Maschine ein Antriebsaggregat zum Antreiben des Fahrzeugs bildet.
Um eine konstruktiv einfache und kostengünstige Ölzuführung in das Innere der als Hohlwelle ausgebildeten Rotorwelle 2 zu gewährleisten, ist einem ersten axialen Ende 7 der Rotorwelle 2 eine gehäusefeste mit einer gehäuseseitigen Ölversorgung 8 verbundene Öleinspritzhülse 9 zur axial gerichteten Öleinspritzung in den Radialspalt 6 zum Transport des eingespritzten Öls zu einem nicht weiter dargestellten zweiten axialen Ende der Rotorwelle 2 zugeordnet.
Somit erfolgt die Ölzuführung im Gegensatz zur bekannten Drehdurchführung durch eine axial gerichtete Einspritzung des Öls in das erste offene axialseitige Ende der Rotorwelle 2. Dadurch kann die Übergabe in eine drehende Welle kontaktlos und damit verlustleistungsoptimiert erfolgen.
Wie insbesondere in 1 dargestellt ist, wird die Öleinspritzhülse 9 quasi als Ringblech im Bereich des ersten axialen Endes 7 der Rotorwelle 2 positioniert. Bei der dargestellten Ausführungsvariante ist beispielhaft das erste axiale Ende 7 der Rotorwelle 2 mit einer Getriebeverzahnung 11 versehen, über die ein Antriebsmoment der nicht weiter dargestellten elektrischen Maschine auf eine Getriebestufe übertragen wird. Die Getriebeverzahnung 11 ist zwischen einer elektromaschinenseitigen Lagerstelle 12 und einer getriebeseitigen Lagerstelle 13 an der Rotorwelle 2 angeordnet. Die Öleinspritzhülse 9 ist in einem getriebegehäuseseitigen Lagerschild 14 der getriebeseitigen Lagerstelle 13 eingepresst. Das Gehäuseteil bzw. das Lagerschild 14, in dem die Öleinspritzhülse 9 eingepresst ist, weist einen umlaufenden halbkreisförmigen Ringkanal 15 auf, der um den Außenumfang der Öleinspritzhülse 9 verläuft. Dieser Ringkanal 15 wird radial über eine Bohrung 16 durch die gehäuseseitige Ölversorgung 8 mit Öl versorgt.
Dem Ringkanal 15 sind mehrere axial verlaufende Nuten 17 am Außenumfang der Öleinspritzhülse 9 zugeordnet, sodass die Nuten 17 an der Öleinspritzhülse mit Öl aus dem Ringkanal 15 versorgt werden. Hierzu sind geschlossene erste Enden 18 der Nuten 17 dem Ringkanal 15 zugeordnet, während offene zweite Enden 19 der Nuten 17 der Stirnseite der Öleinspritzhülse 9 und damit dem ersten axialen Ende 7 der Rotorwelle 2 zugeordnet sind. Somit fungieren die offenen Enden 19 der Nuten 17 als Einspritzdüsen, sodass das Öl in das Innere der Rotorwelle 2 bzw. in den Radialspalt 6 eingespritzt wird und die Rotorwelle 2 im Betrieb von innen mit Öl versorgt und somit gekühlt wird.
Da das Öl sobald es sich in der Rotorwelle 2 befindet drucklos ist, wird ein Staukantenbereich 10 quasi als Staukante im Bereich des ersten axialen Endes 7 der Rotorwelle 2 eingebracht, um ein sofortiges Ausströmen des Öl ist an diesem Ende zu verhindern. Der Staukantenbereich 10 wird durch einen den Innendurchmesser 4 der Rotorwelle 2 verringernden Absatz oder dergleichen an der Rotorwelle 2 realisiert. Durch die Drehbewegungen der Rotorwelle 2 legt sich das Öl an den Innendurchmesser 4 der Rotorwelle 2 an und wird in axialer Richtung zu dem zweiten axialen Ende der Rotorwelle 2 transportiert. Dabei passiert das Öl den sich im Betrieb erwärmenden Bereich der Rotorwelle 2 und kann die vorgesehene Kühlleistung erbringen.
Bezugszeichenliste

1: Gehäuse
2: Rotorwelle
3: Abtriebswelle
4: Innendurchmesser der Rotorwelle
5: Außendurchmesser der Abtriebswelle
6: Radialspalt zwischen der Rotorwelle und der Abtriebswelle
7: erstes axiales Ende der Rotorwelle
8: gehäuseseitige Ölversorgung
9: Öleinspritzhülse
10: Staukantenbereich
11: Getriebeverzahnung
12: elektromaschinenseitige Lagerstelle
13: getriebeseitige Lagerstelle
14: getriebegehäuseseitiges Lagerschild
15: Ringkanal
16: gehäuseseitige Bohrung
17: Nut
18: geschlossenes erstes Ende der Nut
19: offenes zweites Ende der Nut

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1914452 A2 [0002]

Claims

Anordnung zum Kühlen eines Rotors einer elektrischen Maschine in einem Gehäuse (1), wobei eine den Rotor tragende Rotorwelle (2) als Hohlwelle ausgeführt ist, in der eine koaxial verlaufende drehbare Abtriebswelle (3) gelagert ist, sodass sich zwischen dem Innendurchmesser (4) der Rotorwelle (2) und dem Außendurchmesser (5) der Abtriebswelle (3) ein Radialspalt (6) über die axiale Länge der Rotorwelle (2) ergibt, dadurch gekennzeichnet, dass einem ersten axialen Ende (7) der Rotorwelle (2) eine gehäusefeste mit einer gehäuseseitigen Ölversorgung (8) verbundene Öleinspritzhülse (9) zur axial ausgerichteten Öleinspritzung in den Radialspalt (6) zum Transport des eingespritzten Öls zu einem zweiten axialen Ende (10) der Rotorwelle (2) zugeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Öleinspritzhülse (9) entlang ihres Außenumfanges mehrere axial verlaufende Nuten (17) aufweist, wobei ein erstes Ende (18) jeder Nut (17) mit Öl aus der gehäuseseitigen Ölversorgung (8) versorgbar ist und wobei ein zweites Ende (19) jeder Nut (17) dem Radialspalt (6) im Bereich des Innendurchmessers (4) an dem ersten axialen Ende (7) der Rotorwelle (2) zugeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (17) als im Querschnitt halbkreisförmige Kerben ausgeführt sind.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Innenwand des Gehäuses (1) entlang des Außenumfanges der Öleinspritzhülse (9) einen Ringkanal (15) aufweist, der mit der gehäuseseitigen Ölversorgung (8) verbunden ist.
Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringkanal (15) dem geschlossenen ersten Ende (18) jeder Nut (17) derart zugeordnet ist, dass das Öl aus dem Ringkanal (15) in die Nut (17) förderbar ist.
Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringkanal (15) im Querschnitt halbkreisförmig ausgeführt ist.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten axialen Ende (7) der Rotorwelle (2) ein den Innendurchmesser (4) der Rotorwelle (2) verringernder Staukantenbereich (10) zugeordnet ist.
Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste axiale Ende (7) der Rotorwelle (2) eine Getriebeverzahnung (11) aufweist, die zwischen einer elektromaschinenseitigen Lagerstelle (12) und einer getriebeseitigen Lagerstelle (13) angeordnet ist.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Öleinspritzhülse (9) in ein gehäuseseitiges Lagerschild (14) der getriebeseitigen Lagerstelle (13) eingepresst ist.
Elektro- oder Hybridfahrzeug mit einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1-9, wobei die Anordnung als ein Antriebsstrang eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs ausgebildet ist und wobei die elektrische Maschine ein Antriebsaggregat zum Antreiben des Fahrzeugs darstellt.