DE102022207221A1

DE102022207221A1 - Elektrische Maschine mit einem passiven Ventil

Info

Publication number: DE102022207221A1
Application number: DE102022207221.9A
Authority: DE
Inventors: Stefan Lienhart; Christoph Gsenger; Michael Dienbauer; Wolfgang Schweiger; Matthias Hluchy; Stefan Heinz; Isabelle Kümmerle
Original assignee: Magna Powertrain GmbH and Co KG; Joma Polytec GmbH
Current assignee: Magna Powertrain GmbH and Co KG; Joma Polytec GmbH
Priority date: 2022-07-14
Filing date: 2022-07-14
Publication date: 2024-01-25
Also published as: WO2024013047A1

Abstract

Elektrische Maschine umfassend einen Stator, einen um eine zentrale Drehachse (16) drehbar gelagerten Rotor, eine Welle (1), auf der der Rotor befestigt ist und die eine erste axiale Bohrung (2) aufweist, wobei in der ersten axialen Bohrung (2) der Welle (1) ein passives Ventil (4) zur temperaturabhängigen Durchflussregelung des Kühlmittels angeordnet ist, wobei das passive Ventil (4) einen Ventilkörper (5), einen innerhalb des Ventilkörpers (5) axial verlagerbaren Ventilkolben (6), der eine zweite axiale Bohrung (7) aufweist, und eine mit dem Ventilkolben (6) fest verbundene, axial verlagerbare Ventilkappe (8) aufweist, ein Zuflusselement (3), dass sich derart in die zweite axiale Bohrung (7) der Welle (1) erstreckt, dass ein Kühlmittel aus dem Zuflusselement (3) in die zweite axiale Bohrung (7) fließen kann, wobei zwischen dem Ventilkörper (5) und dem Ventilkolben (6) eine den Ventilkolben (6) und somit die Ventilkappe (8) in eine erste Stellung, nämlich eine Schließstellung des passiven Ventils (4), drängende erste Ventilfeder (9) angeordnet ist und zwischen dem Ventilkörper (5) und der Ventilkappe (8) eine zweite Ventilfeder (10) angeordnet ist, die aus einer Formgedächtnislegierung ausgeführt ist und die derart ausgebildet ist, dass sie sich bei Überschreiten einer Grenztemperatur ausdehnt und die Ventilkappe (8) und somit den Ventilkolben (6) in eine zweite Stellung, nämlich eine Offenstellung des passiven Ventils (4), drängt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine umfassend einen auf einer Welle befestigten Rotor, wobei die Welle eine erste axiale Bohrung aufweist, wobei in der ersten axialen Bohrung der Welle ein passives Ventil angeordnet ist, das in Abhängigkeit von einer Grenztemperatur, also temperaturabhängig, den Zustrom eines Kühlmittels in den Rotor freigibt.
Stand der Technik
Elektrische Maschinen der oben genannten Art dienen der Energiewandlung von elektrischer in mechanischer Energie und umgekehrt und werden als Motor und/oder Generator vielfach im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik eingesetzt.
Elektrische Maschinen umfassen einen feststehenden Stator und einen beweglichen Rotor, wobei der Rotor in der gängigsten Bauform einer elektrischen Maschine drehbar innerhalb eines ringförmig ausgebildeten Stators gelagert ist.
Elektrische Maschinen erzeugen aufgrund des dielektrischen Verlusts während ihres Betriebs Wärme, was zum einen eine Verschlechterung des Wirkungsgrads der elektrischen Maschine bewirkt und zum anderen einen zuverlässigen Betrieb der elektrischen Maschine über ihre Lebensdauer negativ beeinflusst. Deshalb ist in Antriebsanordnungen mit elektrischen Maschinen in der Regel eine Kühlvorrichtung vorgesehen, die die zu kühlenden Teile der elektrischen Maschine kühlt.
Konventionelle Kühlungen für elektrische Maschinen bedienen sich eines zirkulierenden gasförmigen oder flüssigen Kühlmittels. Das Kühlmittel zirkuliert beispielsweise in einem Gehäuse der elektrischen Maschine oder in einer als Hohlwelle ausgeführten Rotorwelle, auf der der Rotor der elektrischen Maschine angeordnet ist. Das Kühlmittel nimmt aufgrund seiner Wärmekapazität die Wärme auf und transportiert diese ab.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine elektrische Maschine anzugeben, die sich durch eine lastpunktabhängige Kühlung eines Rotors auszeichnet.
Dieser Bedarf kann durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gedeckt werden. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Die elektrische Maschine umfasst erfindungsgemäß einen Stator, einen um eine zentrale Drehachse gelagerten Rotor, eine Welle, auf der der Rotor befestigt ist und die eine erste axiale Bohrung aufweist, sowie ein Zuflusselement.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist in der ersten axialen Bohrung der Welle ein passives Ventil angeordnet, welches einen Kühlmittelstrom in die Welle in Abhängigkeit der Wellentemperatur freigibt.
Das passive Ventil weist erfindungsgemäß einen Ventilkörper, einen innerhalb des Ventilkörpers axial verlagerbaren Ventilkolben, der eine zweite axiale Bohrung aufweist, und eine mit dem Ventilkolben fest verbundene, axial verlagerbare Ventilkappe auf.
Die Richtungsangabe „axial“ beschreibt in diesem Zusammenhang eine Richtung entlang oder parallel der zentralen Drehachse des Rotors.
Die Richtungsangabe „radial“ beschreibt in diesem Zusammenhang eine Richtung normal zu der zentralen Drehachse des Rotors.
Das Zuflusselement erstreckt sich derart in die zweite axiale Bohrung, dass ein Kühlmittel aus dem Zuflusselement in die zweite axiale Bohrung fließen kann.
Erfindungsgemäß ist zwischen dem Ventilkörper und dem Ventilkolben eine den Ventilkolben und somit die Ventilkappe in eine erste Stellung, nämlich eine Schließstellung des passiven Ventils, drängende erste Ventilfeder angeordnet.
Weiterhin erfindungsgemäß ist zwischen dem Ventilkörper und der Verschlusskappe eine zweite Ventilfeder angeordnet, die aus einer Formgedächtnislegierung ausgeführt ist. Unter einer Formgedächtnislegierung versteht man eine spezielle Metalllegierung, die, abhängig von der Temperatur, in zwei unterschiedlichen Kristallstrukturen vorliegen kann. Die Formwandlung basiert auf einer temperaturabhängigen Gitterumwandlung. Dabei ist die Strukturumwandlung unabhängig von der Geschwindigkeit der Temperaturänderung.
Die Ausbildung der zweiten Ventilfeder aus einer Formgedächtnislegierung bedingt, dass die zweite Ventilfeder bei Überschreiten einer Grenztemperatur eine Längenänderung, nämlich einen Hub, erfährt und so die Ventilkappe und somit den Ventilkolben in eine zweite Stellung, nämlich eine Offenstellung des passiven Ventils, drängt.
Die zweite Ventilfeder stellt somit einen Aktor zur Betätigung des passiven Ventils dar.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung weist das passive Ventil einen Bypasskanal auf, durch den Kühlmittel fließen kann und der eine Kammer mit der zweiten axialen Bohrung fluidverbindet, wobei die zweite Ventilfeder in der Kammer angeordnet ist. Diese Kammer trennt die thermosensitive zweite Ventilfeder von dem Kühlmittelhauptstrom. Die mit dem Kühlmittel (beispielsweise Öl) befüllte Kammer sorgt für einen, über sämtliche Betriebspunkte der elektrischen Maschine, konstanten und gleichmäßigen Wärmetransport von der Welle auf die thermosensitive zweite Ventilfeder.
Der Ventilkolben weist in einer bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung zumindest eine radiale Bohrung auf, über die die zweite axiale Bohrung mit einer Umgebung der Welle fluidverbindbar ist, wobei der Ventilkörper einen Dichtbereich umfasst, an dem in Offenstellung des passiven Ventils die radiale Bohrung zum Anliegen kommt und so die axiale Bohrung zur Umgebung der Welle hin abgedichtet wird.
Der Ventilkörper umfasst weiterhin bevorzugt einen Ventilsitz und einen Dichtbereich, wobei an dem Ventilsitz in Schließstellung des passive Ventils ein Dichtbereich der Ventilkappe zum Anliegen kommt.
Bevorzugt ist das passive Ventil im Bereich eines Welleneingangs der Welle, vorzugsweise in einem Bereich des Welleneingangs der Welle an dem an einem Außenumfang der Welle eine Abtriebsverzahnung ausgebildet ist, angeordnet.
Besonders bevorzugt ist der Ventilkörper aus einem Werkstoff gebildet, der einen Wärmeleitkoeffizienten aufweist, der niedriger ist als der Wärmeleitkoeffizient eines in der Kammer vorliegenden Fluids.
Der Ventilkörper kann aus einem polymeren Werkstoff, nämlich beispielsweise einem Kunststoff, gefertigt sein.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.

1 zeigt eine Detailansicht einer Welle mit einem passiven Ventil in einer Schließstellung.
2 zeigt eine Detailansicht einer Welle mit einem passiven Ventil in einer Offenstellung.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1 und 2 zeigen jeweils eine Detailansicht einer Welle 1 einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine.
Die elektrische Maschine umfasst einen Stator (nicht dargestellt) und einen Rotor (nicht dargestellt). Der Stator ist in einem Gehäuse (nicht dargestellt) befestigt und der Rotor ist um eine zentrale Drehachse 16 drehbar innerhalb des Stators gelagert. Der Rotor ist auf der Welle 1 drehfest und axial fest befestigt.
Die Welle 1 weist eine erste axiale Bohrung 2 auf. In der ersten axialen Bohrung 2 der Welle 1 ist ein passives Ventil 4 zur temperaturabhängigen Steuerung eines Kühlmittelstroms angeordnet.
Die Richtungsangabe „axial“ beschreibt in diesem Zusammenhang eine Richtung entlang oder parallel der zentralen Drehachse 16 des Rotors.
Die Richtungsangabe „radial“ beschreibt in diesem Zusammenhang eine Richtung normal zu der zentralen Drehachse 16 des Rotors.
Das passive Ventil 4 ist im Bereich eines Welleneingangs 17 der Welle 1, nämlich in einem Bereich des Welleneingangs 17 der Welle 1 an dem an einem Außenumfang der Welle 1 eine Abtriebsverzahnung 18 ausgebildet ist, angeordnet.
Das passive Ventil 4 weist einen Ventilkörper 5, einen innerhalb des Ventilkörpers 5 axial verlagerbaren Ventilkolben 6 und eine mit dem Ventilkolben 6 fest verbundene, axial verlagerbare Ventilkappe 8 auf.
Der Ventilkörper 5 ist aus einem thermisch schlecht leitenden Werkstoff hergestellt.
Der Ventilkolben 6 weist eine zweite axiale Bohrung 7 sowie mehrere radiale Bohrungen 19 im Bereich eines ersten Endes 20 des Ventilkolbens 6 auf. Die radialen Bohrungen 19 fluidverbinden die zweite axiale Bohrung 7 mit einer Umgebung der Welle 1. Die Ventilkappe 8 ist im Bereich eines zweiten Endes 21 des Ventilkolbens 6 angeordnet.
Ein Zuflusselement 3 der elektrischen Maschine erstreckt sich im Bereich des ersten Endes 20 des Ventilkolbens 6 derart in die zweite axiale Bohrung 7, dass das Kühlmittel aus dem Zuflusselement 3 in die zweite axiale Bohrung 7 fließen kann.
Zwischen dem Ventilkörper 5 und dem Ventilkolben 6 ist eine erste Ventilfeder 9 angeordnet. Die erste Ventilfeder 9 drängt den Ventilkolben 6 und somit die Ventilkappe 8 entgegen der Federkraft der zweiten Ventilfeder 10 in eine erste Stellung, nämlich eine Schließstellung des passiven Ventils 4. Somit wirkt die erste Ventilfeder 9 als Schließfeder.
Zwischen dem Ventilkörper 5 und der Verschlusskappe 8 ist eine zweite Ventilfeder 10 angeordnet. Die zweite Ventilfeder 10 ist aus einer Formgedächtnislegierung (FGL; engl. SMA „shape memory alloy) ausgeführt und derart ausgebildet, dass sie sich bei Überschreiten einer Grenztemperatur ausdehnt und die Ventilkappe und somit den Ventilkolben in eine zweite Stellung, nämlich eine Offenstellung des passiven Ventils, drängt. Die thermosensitive zweite Ventilfeder 10 ist eine Schraubendruckfeder, über welche folglich die gewünschte temperaturabhängige Längenänderung und in weiterer Folge der erforderliche Hub am Ventilkolben 6 realisiert werden kann.
Die erste Ventilfeder 9 weist eine Federkraft auf, die größer ist als die Federkraft der zweiten Ventilfeder 10, sofern diese eine Temperatur unterhalb der Grenztemperatur aufweist. Insofern befindet sich das passive Ventil 4 bei einer Temperatur unterhalb der Grenztemperatur in Schließstellung (1). Wird die Grenztemperatur erreicht beziehungsweise überschritten, so erfährt die zweite Ventilfeder 10 eine Längenänderung in axialer Richtung (sie dehnt sich aus). Die Federkraft der zweiten Ventilfeder 10 ist so gewählt, dass sie in diesem Betriebsfall die Federkraft der ersten Ventilfeder 9 übersteigt. Insofern befindet sich das passive Ventil 4 bei Überschreiten der Grenztemperatur in Offenstellung (2).
Die zweite Ventilfeder 10 ist in einer durch die Komponenten „Welle 1“, „Ventilkörper 5“ und „Ventilkappe 8“ ausgebildeten Kammer 12 angeordnet. Die Kammer 12 ist über einen Bypasskanal 11 mit der zweiten axialen Bohrung 7 in dem Ventilkolben 6 fluidverbunden. Die Kammer 12 wird über im Bypasskanal 11, also parallel zum durch die zweite axiale Bohrung 7 dargestellten Hauptströmungspfad, angeordnete Bohrungen mit Kühlmittel befüllt. Über definierte Leckagepfade erfolgt ein limitierter kontinuierlicher Fluidaustausch zwischen der Kammer 12 und dem Kühlsystem. Die damit realisierte Umwälzung des in der Kammer 12 befindlichen Kühlmittelvolumens gewährleistet eine zuverlässige bidirektionale Funktionsweise des passiven Ventils 4.
Der Ventilkörper 5 weist einen Ventilsitz 13 auf, an den in Schließstellung des passiven Ventils 4 ein Dichtbereich 15 der Ventilkappe 8 zum Anliegen kommt, wodurch die zweite axiale Bohrung 7 des Ventilkolbens 6 zur ersten axialen Bohrung 2 der Welle 1 hin abgedichtet wird (1). In Offenstellung des passiven Ventils 4 hebt sich der Dichtbereich 15 der Ventilkappe 8 von dem Ventilsitz 13 ab und der Kühlmittelfluss von der zweiten axialen Bohrung 7 hin zur ersten axialen Bohrung 2 wird freigegeben (2).
Weiterhin weist der Ventilkörper 5 einen Dichtbereich 14 auf, der in Offenstellung des passiven Ventils 4 die radialen Bohrungen 19 im Bereich des ersten Endes 20 des Ventilkolbens 6 zur Umgebung der Welle 1 hin abdichtet und den Kühlmittelfluss durch die zweite axiale Bohrung 7 hin zur ersten axialen Bohrung 2 freigibt (2). In Schließstellung des passiven Ventils 4 kommen die radialen Bohrungen 19 des Ventilkolbens 6 nicht an dem Dichtbereich 14 des Ventilkörpers 5 zum Anliegen, sondern der Kühlmittelpfad von der zweiten axialen Bohrung 7 zur Umgebung der Welle 1 über die radialen Bohrungen 19 ist freigegeben (1). Derart kann durch die an dem ersten Ende 20 des Ventilkolbens 6 ausgebildeten radialen Bohrungen 19 eine zusätzliche Proportional-Wegeventil Funktion dargestellt werden. Dadurch können zusätzliche Kühl- bzw. Schmierstellen in der Umgebung der Welle 1 mit Kühlmittel versorgt werden, beispielsweise kann die Kühlung von Wälzlagern und Verzahnungen, wie der Abtriebsverzahnung 18, der Welle 1 so temperaturabhängig gesteuert werden. Weiters kann durch diesen zusätzlichen Kühlmittelpfad ein allfälliger Staudruck abgebaut werden und in Schließstellung des passiven Ventils 4 wirkende Druckkräfte können vermieden werden.
Bezugszeichenliste

1: Welle
2: Erste axiale Bohrung
3: Zuflusselement
4: Passives Ventil
5: Ventilkörper
6: Ventilkolben
7: Zweite axiale Bohrung
8: Ventilkappe
9: Erste Ventilfeder
10: Zweite Ventilfeder
11: Bypasskanal
12: Kammer
13: Ventilsitz
14: Dichtbereich des Ventilkörpers
15: Dichtbereich der Ventilkappe
16: Zentrale Drehachse
17: Welleneingang
18: Abtriebsverzahnung
19: Radiale Bohrung
20: Erstes Ende (des Ventilkobens)
21: Zweites Ende (des Ventilkolbens)

Claims

Elektrische Maschine umfassend - einen Stator, - einen um eine zentrale Drehachse (16) drehbar gelagerten Rotor, - eine Welle (1), auf der der Rotor befestigt ist und die eine erste axiale Bohrung (2) aufweist, wobei in der ersten axialen Bohrung (2) der Welle (1) ein passives Ventil (4) zur temperaturabhängigen Durchflussregelung des Kühlmittels angeordnet ist, wobei das passive Ventil (4) einen Ventilkörper (5), einen innerhalb des Ventilkörpers (5) axial verlagerbaren Ventilkolben (6), der eine zweite axiale Bohrung (7) aufweist, und eine mit dem Ventilkolben (6) fest verbundene, axial verlagerbare Ventilkappe (8) aufweist, - ein Zuflusselement (3), dass sich derart in die zweite axiale Bohrung (7) erstreckt, dass ein Kühlmittel aus dem Zuflusselement (3) in die zweite axiale Bohrung (7) fließen kann, wobei zwischen dem Ventilkörper (5) und dem Ventilkolben (6) eine den Ventilkolben (6) und somit die Ventilkappe (8) in eine erste Stellung, nämlich eine Schließstellung des passiven Ventils (4), drängende erste Ventilfeder (9) angeordnet ist und zwischen dem Ventilkörper (5) und der Ventilkappe (8) eine zweite Ventilfeder (10) angeordnet ist, die aus einer Formgedächtnislegierung ausgeführt ist und die derart ausgebildet ist, dass sie sich bei Überschreiten einer Grenztemperatur ausdehnt und die Ventilkappe (8) und somit den Ventilkolben (6) in eine zweite Stellung, nämlich eine Offenstellung des passiven Ventils (4), drängt.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das passive Ventil (4) einen Bypasskanal (11) aufweist, der eine Kammer (12) mit der zweiten axialen Bohrung (7) fluidverbindet, wobei die zweite Ventilfeder (10) in der Kammer (12) angeordnet ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , dass der Ventilkolben zumindest eine radiale Bohrung (19) aufweist, über die die zweite axiale Bohrung (7) mit einer Umgebung der Welle (1) fluidverbindbar ist, wobei der Ventilkörper (5) einen Dichtbereich (14) umfasst, an dem in Offenstellung des passiven Ventils (4) die radiale Bohrung (19) zum Anliegen kommt.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , dass der Ventilkörper (5) einen Ventilsitz (13) umfasst, an dem in Schließstellung des passiven Ventils (4) ein Dichtbereich (15) der Ventilkappe (8) zum Anliegen kommt.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass das passive Ventil (4) im Bereich eines Welleneingangs (17) der Welle (1) angeordnet ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , dass im Bereich des Welleneingangs (17) der Welle (1) an dem Außenumfang der Welle (1) eine Abtriebsverzahnung (18) ausgebildet ist.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet , dass der Ventilkörper (5) aus einem Werkstoff gebildet ist, der einen Wärmeleitkoeffizienten aufweist, der niedriger ist als der Wärmeleitkoeffizient eines in der Kammer (12) vorliegenden Fluids.
Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 7, dadurch gekennzeichnet , dass der Ventilkörper (5) aus einem polymeren Werkstoff gefertigt ist.