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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kühlsystem für eine lastpunktabhängige Kühlung eines Rotors einer elektrischen Maschine, wobei das Kühlsystem zumindest einen Kühlmittelpfad aufweist, der sich zumindest teilweise in einen Rotor einer elektrischen Maschine erstreckt und wobei zumindest ein thermosensitives Ventil in dem Kühlmittelpfad angeordnet ist, das die Durchflussmenge des Kühlmittels durch den Kühlmittelpfad regelt.
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Stand der Technik
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Elektrische Maschinen dienen der Energiewandlung von elektrischer in mechanischer Energie und umgekehrt und werden als Motor und/oder Generator vielfach im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik eingesetzt.
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Elektrische Maschinen umfassen einen feststehenden Stator und einen rotationsbeweglichen Rotor, wobei der Rotor in der gängigsten Bauform einer elektrischen Maschine drehbar innerhalb eines ringförmig ausgebildeten Stators gelagert ist.
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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.
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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.
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Um die Effizienz eines Elektroantriebes zu steigern, muss darauf geachtet werden, dass die einzelnen Verluste, wie Reibungs- oder Planschverluste, möglichst geringgehalten werden. Planschverluste im Getriebe können durch den Zahneingriff in Öl oder auch durch das Schleudern von Öl in der Rotorwelle entstehen. Um die Verluste in der Rotorwelle zu reduzieren, muss sichergestellt werden, dass nur Öl in die Rotorwelle zugeführt wird, wenn die Welle auch gekühlt werden muss. Dadurch können, speziell bei niedrigen Rotortemperaturen, die hydrodynamischen Verluste reduziert werden.
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Aus der
DE 10 2016 004 931 A1 ist eine elektrische Maschine mit einer Rotorwelle bekannt. Die Rotorwelle weist einen innenliegenden Hohlraum auf, in den eine Kühllanze eingeschoben wird. Über Öffnungen in der Kühllanze wird der Innenraum der Hohlwelle je nach Druck in der Kühlmittelleitung mit Kühlmittel versorgt.
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Aus der
DE 10 2018 121 348 A1 ist ein Elektromotor mit einer variablen Kühlung des Stators nicht des Rotors bekannt. Dabei werden drehzahlabhängige Ventile verwendet, die den Kühlmittelstrom abhängig von der Drehzahl zum Stator öffnen und schließen.
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In Betriebspunkten mit geringen EM-Verlusten und somit verbunden einer niedrigeren Rotortemperatur wird mittels einem temperatursensierenden Ventils die Effizienz gesteigert. In Betriebspunkten mit größeren Verlusten und einer höheren Rotortemperatur öffnet das Ventil und ermöglicht so eine effiziente Kühlung der Rotorwelle.
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DE 10 2021 205 656 A1 zeigt eine lastpunktabhängige Kühlung eines Rotors einer elektrischen Maschine. Das Kühlsystem weist zumindest einen Kühlmittelpfad auf, der sich zumindest teilweise in einen Rotor einer elektrischen Maschine erstreckt. Im Kühlmittelpfad ist zumindest ein passives Ventil angeordnet, das die Durchflussmenge des Kühlmittels durch den Kühlmittelpfad regelt.
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Ein zentraler Hohlraum und eine am Außenumfang der Rotorwelle verbundene Querbohrung stellen einen Teil des Kühlmittelpfads dar. Das passive Ventil kann im Bereich des zentralen Hohlraums und/oder im Bereich der Querbohrung angeordnet sein. Es regelt die Durchflussmenge des Kühlmittels durch den Kühlmittelpfad in Abhängigkeit von einer Temperatur des Rotors, einem Druck in dem Kühlmittelpfad und/oder einer Drehzahl des Rotors.
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Aus der
US 2021 / 0 036 565 A1 ist ein elektrischer Generator bekannt, der eine Rotorkühlung aufweist. Über einen zentralen Zulauf des Rotors werden unterschiedliche Pfade der Kühlung mit Kühlfluid beaufschlagt. Ein Teil der durch den Rotor führenden Kühlkanäle enthält dabei Ventile, die mit einem Wachs versehen sind, um die Zuläufe zu den unterschiedlichen Kühlstrahlen zu regeln.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung ein verbessertes Kühlsystem für eine elektrischen Maschine anzugeben, wobei ein temperatursensitives Ventil, welches in der Rotorwelle verbaut ist und somit bedarfsgerecht kühlt, bei niedrigen Rotorwellentemperaturen den Ölstrom umlenkt.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die Aufgabe wird gelöst mit einem elektrischen Antrieb mindestens mit einer Getriebeeinheit und einer elektrischer Maschine mit einem Kühlsystem für eine lastpunktabhängige Kühlung eines Rotors der elektrischen Maschine, wobei das Kühlsystem zumindest einen Kühlmittelpfad aufweist, der sich zumindest teilweise in dem Rotor erstreckt und wobei zumindest ein passives Ventil in dem Kühlmittelpfad angeordnet ist, das die Durchflussmenge des Kühlmittels durch den Kühlmittelpfad in Abhängigkeit von einer Temperatur des Rotors regelt, wobei eine Rotorwelle des Rotors zumindest teilweise durchbrechender zentraler Hohlraum einen Teil des Kühlmittelpfads und zumindest eine mit dem zentralen Hohlraum und einem Außenumfang der Rotorwelle verbundene Querbohrung einen weiteren Teil des Kühlmittelpfads darstellen, wobei das Ventil ein thermosensitives Ventil mit einem Wachs- oder Feststoffdehnelement ist, das entweder eingangsseitig oder ausgangsseitig in der Rotorwelle im Bereich der mindestens einen Querbohrung eingebaut ist. Das Ventil ist ein 3/2-Wege-Ventil und ist als Sitz- und Schiebventil ausgeführt, wobei ein Rohr das Ventil gegen ein Gehäuse der elektrischen Maschine dichtet oder einen radialen Kühlmittelweg freigibt.
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Das Ventil ist in einer Ausführungsform im Bereich einer Rotorverzahnung im Hohlraum der Rotorwelle angeordnet.
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Das Ventil weist in einer Ausführungsform zur Rückstellung eines im Ventilkörper verschieblichen Ventilkolbens eine Rückstellfeder auf.
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Vermittels eine Kühlsystem gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Reduktion der mechanischen und hydraulischen Zusatzverluste durch die Kühlung eines Rotors einer elektrischen Maschine erzielt werden, wodurch sich eine Optimierung in den Bereichen Effizienz und thermische Verfügbarkeit der elektrischen Maschine ergibt.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
- 1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführung als thermisch betätigbares nicht erfindungsgemäßes 2/2-Wege Schieberventil,
- 2 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführung als thermisch betätigbares nicht erfindungsgemäßes 2/2-Wege Sitzventil,
- 3, 4 zeigen eine Ausführung eines thermisch betätigbares, nicht erfindungsgemäßes 2/2-Wegeventils,
- 5, 6 zeigen eine weitere Ausführung eines thermisch betätigbares, nicht erfindungsgemäßes 2/2-Wegeventils,
- 7, 8 zeigen eine Ausführung eines thermisch betätigbares 3/2-Wegeventils,
- 9 Schnittbild entlang A-A.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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1 zeigt einen elektrischen Antrieb 10 schematisch dargestellt. Eine elektrische Maschine 11 besteht aus einem Rotor mit einer Rotorwelle 13 und RotorBlechpakets 14, die in einem Stator 16 angeordnet sind. Die Rotorwelle 13 ist teilweise hohl mit einem axial verlaufenden, zentralen Hohlraum 18 ausgeführt. Der zentrale Hohlraum 18 stellt einen Teil des Kühlmittelpfads 1 des Kühlsystems dar. Weiterhin weist die Rotorwelle 13 zwei mit dem zentralen Hohlraum 18 und einem Außenumfang der Rotorwelle 13 verbundene, radial verlaufende Querbohrungen 15 auf, die einen weiteren Teil des Kühlmittelpfads 1 darstellen.
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Die Richtungsangabe „axial“ entspricht einer Richtung entlang oder parallel zu einer zentralen Drehachse des Rotors. Die Richtungsangabe „radial“ entspricht einer Richtung normal zu der zentralen Drehachse des Rotors.
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In sämtlichen Ausführungsvarianten ist in dem Kühlmittelpfad ein Ventil 20 angeordnet, das die Durchflussmenge des Kühlmittels durch den Kühlmittelpfad regelt. Die Rotorwelle 13 treibt eine Getriebeanordnung 12 an. In 1 ist ein Ventil 15 an der vom Getriebe 12 abgewandten Seite der Rotorwelle, der Eingangsseite E integriert. Das Ventil 15 kontrolliert einen Kühlmittelfluss, der sich entlang der Rotorwelle 13 in einem Hohlraum erstreckt, und über Öffnungen 15 in der Rotorwelle 13 in Richtung auf die Rotorblechpakete 14 verläuft.
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Vorteil dieser Ausführung mit einem Einbauort eingangsseitig ist, dass direkt die Temperatur des Rotorblechpakets abgegriffen werden kann und für diese Ausführung Temperaturmessergebnisse des Rotors vorliegen.
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In der 2 ist ein fast baugleicher elektrischer Antrieb 10 dargestellt, wobei das Ventil 20 in diesem Ausführungsbeispiel direkt unter einer Rotorverzahnung 17 ausgangsseitig A verbaut und somit vor der Rotorblechpakettemperatur entkoppelt ist. Die Rotorverzahnung dient zur Anbindung der Rotorwelle 13 an die Getriebeanordnung 12.
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In den 3 bis 8 ist jeweils in einer Schnittdarstellung das temperatursensitive Ventil 20 dargestellt. Das Ventil 20 besteht aus einem Ventilkörper 1, einem Ventilkolben 4 mit einem axialen Hohlraum 8 und einem Wachs- bzw. Feststoffdehnelement 2 mit einer großen Wärmeausdehnung. Das Wachs- bzw. Feststoffdehnelement 2 sitzt radial angeordnet zwischen dem Ventilkörper 1 und dem Ventilkolben 4.
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3 zeigt einen geöffneten Zustand des Ventils 20. Im geöffneten Zustand liegen Bohrungen 7 frei und Kühlmittel kann durch den Hohlraum 8 von rechts nach links fließen und durch die Bohrungen 7 und die korrespondierenden Querbohrungen 15 in der Rotorwelle 13 austreten.
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Ein Arbeitskolben 3 bewegt sich axial aus dem Wachs- bzw. Feststoffdehnelement 2 heraus und hinein und öffnet oder schließt mittels dieses Wachs- oder Feststoffdehnelement 2 das Ventil 20 je nach Temperatur. Der Arbeitskolben 3 drückt dabei axial gegen den Ventilkolben 4 und zwar im Bauraum 9, der durch den Ventilkörper 1 und dem Ventilkolben 4 hergestellt ist. Falls das Wachs- oder Feststoffdehnelement 2 nur Druckkräfte aufnehmen kann, ist zusätzlich eine Rückstellfeder 6 verbaut, die das Ventil 20 bei niedriger Temperatur wieder axial in die Ausgangsposition bringt und so das Ventil 20 schließt. Die Rückstellfeder 6 ist an einem Sicherungsring 5 gelagert und drückt gegen die Oberseite des Ventilkolbens 4, die in Richtung des Ventileingangs liegt.
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In 4 ist der geschlossene Zustand des Ventils dargestellt.
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Wird ein Dehnelement aus Wachs verwendet, wie in den 3 und 4 dargestellt, ist es notwendig, die Rückstellfeder 6 zu verbauen, um beim Abkühlen den Arbeitskolben 3 in die ursprüngliche Position zu drücken. Der Arbeitskolben 3 befindet sich in einer Ruhestellung und die Rückstellfeder 6 verschiebt den Ventilkolben 4 über die Bohrungen 7, sodass ein Durchfluss nur noch über den Hohlraum 8 axial erfolgt.
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In den 5 und 6 ist ein Ventil mit einem Feststoffelement dargestellt. Ein Feststoffelement 2 dehnt sich bei Erwärmung aus und bewegt so den Arbeitskolben 3 und führt so zu einem Öffnen des Ventils 20. Der Wärmeausdehnungskoeffizient des Feststoffelements 2 ist so gewählt, dass sich ab einer definierten Temperatur des Feststoffelements, das Ventil öffnet. Bei Verwendung eines Feststoffelements, welches Zug und Druckkräfte aufnehmen kann, wird keine Rückstellfeder im Ventil 20 verbaut.
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Die Ausführungsformen nach den 3 bis 6 sind als thermisch betätigbare 2/2-Wege- Sitzventile ausgeführt. Bei der Ausführung als Sitzventil kann, bei entsprechender Gestaltung des Ventilsitzes, eine gute Dichtwirkung der Bohrungen 7 erreicht werden. Des Weiteren ist die Ausführung weitgehend unempfindlich gegenüber Verschmutzung.
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7 und 8 zeigen eine weitere Ausführung als thermisch betätigbares 3/2-Wegeventil in einer kombinierten Ausführung als Sitz- und Schieberventil.
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In dieser Ausführungsform kommt zusätzlich zu den Komponenten der 3 und 4 noch ein Element in Form eines Rohrs 21 zum Einsatz. In 7 ist die geöffnete Stellung des Ventils 20 dargestellt. Dabei dichtet das Rohr 21 den Zufluss in das Ventil 20 zum Gehäuse 19 ab. Das Rohr 21 ist fest mit dem Ventilkolben 4 verbunden. In der geschlossenen Stellung nach 8 wurde der Ventilkolben 4 über die Rückstellfeder 6 nach links verschoben und dichtet die Bohrungen 7 ab. Gleichzeitig verschiebt sich das Rohr 21 ebenfalls nach links und öffnet somit einen Spalt zwischen dem Gehäuse 19 und dem Ventil 20. Damit ist ein Kühlfluss entlang der skizzierten Pfeile nach oben und nach unten, also radial aus der Kühlmittelzuführung zum Ventil 20 nach außen zur Rotorwelle oder den Rotorblechen oder auch zu weiteren zu kühlenden Komponenten geöffnet.
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9 zeigt ein Schnittbild der Achse A-A in den 3, 5 und 7.
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Die Arbeitskolben 3 sind in diesem Beispiel in Form von Kreisabschnitten ausgebildet. Sie können aber auch jeden im Bauraum 9 möglichen Querschnitt aufweisen wie kreisförmig, oval oder einen Gesamtkreis um den Ventilkolben 4 herum ausbilden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ventilkörper
- 2
- Wachs- bzw. Feststoffdehnelement
- 3
- innerer Kolben
- 4
- Ventilkolben
- 5
- Sicherungsring
- 6
- Rückstellfeder
- 7
- Bohrung
- 8
- Hohlraum
- 9
- Bauraum
- 10
- Elektrischer Antrieb
- 11
- elektrische Maschine
- 12
- Getriebeanordnung
- 13
- Rotorwelle
- 14
- Rotorblechpakete
- 15
- Öffnung Welle
- 16
- Stator
- 17
- Rotorverzahnung
- 18
- Hohlraum
- 19
- Gehäuse
- 20
- Ventil
- 21
- Rohr
