WO2020094516A1 - Elektrische maschine mit einer fluid-kühleinrichtung - Google Patents

Elektrische maschine mit einer fluid-kühleinrichtung Download PDF

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WO2020094516A1
WO2020094516A1 PCT/EP2019/079928 EP2019079928W WO2020094516A1 WO 2020094516 A1 WO2020094516 A1 WO 2020094516A1 EP 2019079928 W EP2019079928 W EP 2019079928W WO 2020094516 A1 WO2020094516 A1 WO 2020094516A1
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WO
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fluid
rotor shaft
electrical machine
area
section
Prior art date
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PCT/EP2019/079928
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English (en)
French (fr)
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Michael Hacklberger
Clemens Simon
Klaus Lang
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ZF Friedrichshafen AG
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ZF Friedrichshafen AG
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/003—Couplings; Details of shafts
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K5/00—Casings; Enclosures; Supports
    • H02K5/04—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof
    • H02K5/20—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof with channels or ducts for flow of cooling medium
    • H02K5/203—Casings or enclosures characterised by the shape, form or construction thereof with channels or ducts for flow of cooling medium specially adapted for liquids, e.g. cooling jackets

Definitions

  • the invention relates to an electrical machine with a fluid cooling device according to the preamble of claim 1, as already with the
  • WO 2016/050534 A1 has become known.
  • a lance-shaped cooling pipe is axially inserted into a section of a rotor shaft designed as a hollow shaft, through which a cooling fluid can flow into an annular space between the latter and the rotor shaft and absorb heat loss from the rotor .
  • the cooling tube is fixed axially on one side with a first section to a fixed support element and projects into the rotor shaft with a second, free section.
  • the coolant can flow in and out on the same end face of the electrical machine, as a result of which only a sealing element between the rotating rotor and the fixed elements of the machine is required.
  • an electrical machine with a fluid cooling device which comprises a stator and a rotor and the rotor is mounted rotatably about an axis relative to the stator by means of a rotor shaft.
  • the fluid cooling device has a cooling tube which is fixed by means of a first section to a support element fixed to the stator and which is connected to a fluid inlet.
  • the cooling tube extends with a second self-supporting section axially within a central recess of the rotor shaft and forms an annular space with the rotor shaft, so that the cooling tube r is in fluid connection with the annular space and with a fluid outlet.
  • a sealing area is provided with a sealing element, which at least substantially prevents fluid passage into a space area of the electrical machine outside the sealing area when a cooling fluid flows through from the fluid inlet to the fluid outlet.
  • the rotor shaft can be closed in a fluid-tight manner on the axial side facing away from the fluid inlet.
  • the fluid inlet and the fluid outlet can be formed jointly on one and the same end face of the electrical machine and, in a still further respect, in particular on a bearing plate functioning as a carrier element.
  • a fluid backflow channel which is in fluid communication with the fluid outlet is provided on the fastening region for the cooling tube which is formed on the carrier element.
  • the proposed design of a fluid return flow channel directly on the fastening area makes it possible to make the part of the fluid cooling device provided on this end area of the electrical machine more compact and to save installation space.
  • a construction space provided for a passage for cooling fluid flowing back between the fixed section of the sealing element and the fastening area can be saved as a result of the proposal or can be used in some other way.
  • the fluid return flow channel can be designed in a variety of ways, as will be explained below by way of example.
  • the sealing element can be designed in two parts and fixed to the fastening area with a first section and to the rotor shaft with a second section.
  • the fastening region can advantageously be designed as an axial extension projecting from a base body of the bearing plate.
  • the cooling tube can be fixed to the fastening area in a simple manner in a fluid-tight manner by an interference fit.
  • An axially particularly compact arrangement can be achieved by the fastening area being designed coaxially with the axis of rotation and at least partially protruding into the rotor shaft and thereby axially overlapping with it.
  • the sealing element can be fixed with the first section on a free end region of the axial extension and with the second section on a diameter step of the rotor shaft. The sealing element can thus be arranged entirely within the rotor shaft.
  • the space area lying outside the sealing area can comprise an annular gap which is formed between the sealing element and the rotor shaft and which is in fluid communication with a leakage space via a leakage channel.
  • a portion of cooling fluid passing through the sealing area of the sealing element can thus first be collected and collected within the rotor shaft.
  • the sealing surfaces interacting with one another can be designed with a comparatively small diameter, as a result of which the effectiveness of the sealing element can be improved and the proportion of leakage fluid passing through the sealing element can be reduced.
  • the fluid return flow channel can run between the cooling pipe and the fastening area, in particular an inner circumferential area of the fastening area, according to a preferred embodiment.
  • the fluid return flow channel can comprise at least one groove formed on the fastening region on an inner circumferential region, the open side of which is delimited radially on the inside by an outer circumferential surface of the cooling tube.
  • the fluid return flow channel can be formed completely or alternatively with its entire cross section in the material of the fastening area.
  • the fluid return flow channel can also run between the fastening area and the fixed first section of the sealing element or a further element, in particular a cover sleeve attached to the fastening area.
  • the fluid return flow channel can be on an external one Provided circumferential area of the fastening area and for this purpose in particular comprise a radially open groove, which is closed circumferentially by the first section of the sealing element or the cover sleeve.
  • the sealing element can be embodied in a particularly compact manner as an axial mechanical seal.
  • FIG. 1 shows an electrical machine designed as a vehicle axle drive with a fluid cooling device with a cooling tube in an axial sectional view according to a first exemplary embodiment
  • FIG. 2 shows an enlarged section of the fluid cooling device from FIG. 1 in the region of a bearing plate of the electrical machine
  • FIG. 3 shows a perspective illustration of the electrical machine in the region of the end shield from FIG. 3;
  • FIG. 4 is a perspective view of a coolant flange formed on a housing of the electrical machine
  • FIGS. 1, 2 shows an electrical machine modified with respect to FIGS. 1, 2 with a fluid cooling device with a cooling tube in a partial axial sectional view in the area of a bearing plate according to a second exemplary embodiment
  • FIG. 6a shows an interior of the fluid cooling device from FIG. 5 with a fastening area for a cooling pipe provided on a bearing plate;
  • Fig. 6b is a partial front view of the end shield of Fig. 6a with the mounting area.
  • the figures show an electrical machine 1, which is provided and designed in particular for driving an electric or hybrid vehicle.
  • the electrical machine 1 is provided for installation in or on a vehicle axle. hen and thus represents an electric axle drive 2 in connection with other components.
  • the electric machine 1 thus delivers its power to vehicle wheels for moving the vehicle.
  • an electric vehicle drive and a vehicle with such an electric machine 1 are also described in addition to the electric machine 1 explained in detail below.
  • the electrical machine 1 comprises a stator 4 fixed in a housing 3 with a stator lamination stack 5 and with a stator winding 6 and a rotor 7 with a rotor lamination stack 8 and with a short-circuit cage 9.
  • the electrical machine 1 is thus designed as an asynchronous machine.
  • the rotor 7 is rotatably mounted about an axis A to the stator 4 by means of a rotor shaft 10, a first bearing 13 arranged on a first bearing plate 11 and a second bearing 14 arranged on a second bearing plate 12.
  • the rotor shaft 10 is operatively connected to a gear 36 shown on the left in FIG. 1, which can transmit the engine torque to vehicle wheels via further transmission elements, not shown here in the drawing.
  • the electrical machine 1 has a fluid cooling device 15 through which a cooling fluid can flow and which can emit a lost heat to a heat exchanger located outside the electrical machine 1.
  • the fluid cooling device 15 comprises a metallic cooling tube 16 which is fixed to a support element 17 which is fixed to the stator 4, in particular to the first bearing plate 11 and which is connected via an axial fluid inlet opening 16f to a fluid inlet 18 provided on the bearing plate 11 .
  • the cooling tube r has a lance-shaped shape, the axial extension L being many times larger than its diameter D. In the exemplary embodiment, this ratio is L / D> 10, in particular L / D> 15 and in concrete terms is approximately 17.
  • the cooling tube 16 is axially supported on one side only by means of a first section 16a through the bearing plate 11 and extends with its larger second free-standing one Section 16b in the axial direction within a central recess tion 10a of the rotor shaft 10 and forms an annular space 10b to the rotor shaft 10.
  • a length ratio of a length of the first section 16a to a length of the second section 16b, that is to say the ratio of the length of the fastened section 16a to the length of the unsecured, free section 16b is greater than 10 and is specifically approximately 14.
  • the cooling tube 16 is open axially on both sides and is thus in the installed state shown in FIG. 1 via an axial fluid outlet opening 16e simultaneously with the annular space 10b and with a fluid outlet 19 likewise provided on the first end plate 11.
  • the first end shield 11 has a central first through opening 11a for forming the fluid inlet 18 and a second through opening 11b arranged radially to the first through opening for forming the fluid outlet 19. Both through openings 11a, b thus emerge from the end shield 11 at an end mounting surface 11c facing away from the rotor 7.
  • a sealing area 20 with a sealing element 21 is provided between the rotor shaft 10 and the bearing plate 11 functioning as a carrier element 17.
  • the sealing element 21 has the task, when flowing through the cooling fluid from the fluid inlet 18 to the fluid outlet 19, to at least substantially prevent a fluid transfer into a spatial region 22 of the electrical machine 1 lying outside the sealing region 20.
  • the sealing element 21 is designed as an axial mechanical seal 23.
  • the mechanical seal 23 comprises a first section 23a which is fixed on the carrier element 17 and further comprises a second section 23b which is fixed on the rotor shaft 10 and which is in sealing connection with the first section 23a.
  • the second section 23b of the mechanical seal 23 is at least partially axially overlapping to the first bearing 13.
  • the cooling fluid flowing in the annular space 10b in the axial direction to the fluid outlet 19 passes through the sealing area 20 and is then passed through a radial area between a fastening area 11f of the bearing plate 11 or generally of the carrier element 17 and the second portion 23b formed fluid passage 42 to finally go through the passage opening 11b to the fluid outlet 19.
  • the cooling fluid can flow radially outside of the attachment area 11f.
  • the first bearing 13 has both on the axial side facing the mechanical seal 23 and on the axial side facing the rotor laminated core 8 a sealing arrangement 13c acting between a radially inner bearing ring 13a and a radially outer bearing ring 13b with two sealing disks 13d, e .
  • the bearing interior 13f is further sealed against the ingress of cooling fluid by means of a high-speed grease. On the one hand, this lubricates the bearing 13 and, on the other hand, the penetration of fluid into the inner space 22 of the electrical machine 1 is prevented by the created grease barrier.
  • an inner diameter 10c of the rotor shaft 10 or the central recess 10a present there can be made larger in the area of an axial extension of the rotor laminated core 8 than in Area of the first bearing 13.
  • the rotor shaft 10 is designed as a hollow shaft and is closed in a fluid-tight manner by a closure 24 on the axial side facing away from the fluid inlet 18. Due to the coaxial arrangement of rotor shaft 10 and cooling tube 16, the fluid flow undergoes a reversal of direction opposite to the inflow direction and can flow out again on the axial side of fluid inlet 18, for which purpose a sealing arrangement in the form of sealing element 21 is only required on this side.
  • the cooling tube 16, the first bearing 13 and the stator-fixed section 23a of the sealing element 23 are thus received by the first bearing plate 11.
  • the first bearing plate 11 also receives an electrical potential equalization element 25 which interacts with the rotor shaft 10.
  • a slip ring arrangement 26 is provided as the potential equalization element 25, which potential differences between the stator 4 and the rotor 7 that occur as shaft voltages are caused by electrical see short circuit breaks down.
  • the potential equalization element 25 is arranged axially adjacent to the first bearing 13, in particular axially between the bearing 13 and the rotor laminated core 8.
  • the cooling tube 16 is fixed in a fluid-tight manner on the fastening region 11f provided on the end shield 11 or generally on the carrier element 17.
  • the cooling tube 16 is arranged by means of an interference fit in a tubular axial extension 1 1 e projecting from a base body 1 1 d of the bearing plate 11, which axial extension forms the fastening region 1 1f.
  • the fastening area 11f and the rotor shaft 10 are designed coaxially with one another about the axis A. It can be seen in the figures that the fastening area 11f partially overlaps axially with the stator-fixed section 23a of the sealing element 21 or the mechanical seal 23.
  • a cover element 27 made of a plastic with a web arrangement 27a arranged in a fluid-tight manner.
  • a fluid inlet channel 28 and a fluid outlet channel 29 are formed by the web arrangement 27a between the bearing plate 11 and the cover element 27.
  • the above-mentioned channels 28, 29 can be bordered at least in sections by the cover element 27 alone. If such a cover element 27 is dispensed with, the fluid inlet channel 28 and the fluid outlet channel 29 can likewise be formed in the first bearing plate 11.
  • the housing 3 of the electrical machine 1 is formed as a casting from a light metal material, in the present case from an aluminum material.
  • the housing 3 simultaneously forms a fluid cooling jacket 30 surrounding the stator 4 with a fluid channel arrangement 31.
  • the housing 3 On the side facing the first bearing plate 11, the housing 3 has a coolant flange 32 integrally formed therewith with two fluid channel sections 32a, b, which here are in fluid communication with the fluid inlet channel 28 and the fluid outlet channel 29 of the cover element 27.
  • the fluid channel section 32a forms an external coolant connection 40.
  • a further external coolant connection can be arranged, for example, at a different position of the stator cooling jacket or at a power electronics for controlling the electrical machine 1, which with its housing and with its cooling circuit is connected to the electrical machine 1 and to the fluid cooling device 15 formed there.
  • the further fluid channel section 32b forms a connecting channel to the fluid cooling jacket 30 of the stator 4.
  • the fluid cooling device 15 can thus have a cooling section 15a for cooling the rotor 7 and a cooling section 15b for cooling the stator 4, through which the cooling fluid flows in succession, and a fluid connection provided between them is designed as a fixed, tubeless connection channel 32b is.
  • a leakage space 33 is provided with a fluid collecting area 34, into which a portion of the cooling fluid passing through the sealing area 20 can enter and be collected.
  • the leakage space 33 also has a gas collecting area 35, which is arranged geodetically higher than the fluid collecting area 34 in an operating position of the electrical machine 1. When using a cooling fluid with materially at least one volatile component, this can escape via the mechanical seal 23 and collect in the gas collection area 35.
  • a closable engagement opening 34a with a removable closure cover 34b is provided on the fluid collecting area 34 in order to remove the solid-shaped component.
  • a closable fluid drain opening 34c is provided there with a drain element 34d, in particular a drain screw or a drain plug.
  • the fluid drain opening 34c is oriented essentially geodetically downward and is arranged geodetically lower in relation to a gas drain opening 35a of the gas collecting area 35.
  • the access opening of the end cover 34b with a larger cross section than the fluid discharge opening 35a.
  • the fluid drain opening 34c is provided at least approximately at a 6 o'clock position, that is to say between a 5 o'clock and a 7 o'clock position.
  • the gas discharge opening 35a is at least approximately provided at a 12 o'clock position, that is to say between an 11 o'clock and a 01 o'clock position.
  • the fluid collecting area 34 and the gas collecting area 35 are provided at least approximately in the same axial position.
  • the mechanical seal 23 can also be located at this axial position or at least axially overlap with the fluid collection area 34 and / or the gas collection area 35.
  • the gas discharge opening 35a of the gas collecting area 35 furthermore has a pressure compensation element 41, as a result of which gases can escape from the gas collecting area 35.
  • the pressure compensation element 41 comprises a semipermeable membrane, which is permeable to air to enable pressure compensation, but is not permeable to fluid.
  • the second bearing 14 is provided axially spaced apart from the first bearing 13 for mounting the rotor 7, and if necessary it can also be designed axially on one or both sides with sealing rings and with a lubricant filling.
  • the bearing 14 is provided radially between the rotor shaft 10 and the second bearing plate 12, the rotor laminated core 8 extending in an axial space between the first and the second bearings 11, 12.
  • the central recess 10a extends axially through the second bearing 14 within the rotor shaft 10.
  • the cooling tube 16 also extends axially beyond the second bearing 12 within the rotor shaft 10.
  • the inside diameter of the rotor shaft 10 is larger in the area of the axial extension of the rotor laminated core 8 and in the area of the second bearing 12 than in the area of the first bearing 11.
  • the rotor shaft 10 has a shaft section which projects axially beyond the second bearing 12 and leads into the gear 36 with an output element 38 designed as a gearwheel 37.
  • the central recess 10a of the rotor shaft 10 extends axially into the area of the output element 38 and can therefore also be flowed through by the cooling fluid.
  • the cooling tube 16 can also extend axially into the area mentioned.
  • the output element 38 and thus further elements in heat exchange and / or a lubricant or coolant located outside of the rotor shaft 10 can thus also reach the area of action of the fluid cooling device 15 and be cooled.
  • the output element 38 is arranged on the rotor shaft 10 axially between the second bearing 14 and a third bearing 39.
  • the central recess 10a of the rotor shaft 10 extends axially into the region of the third bearing 39 and is therefore flowed through by the cooling fluid up to this position.
  • the third bearing 39 is therefore also in the range of action of the fluid cooling device 15 described above.
  • FIGS. 5, 6a and 6b show a detail of a fluid cooling device 15 which has been modified in comparison with the arrangement of FIG. 1 in the area of the first bearing plate 11, the fluid outlet 19 and the mechanical seal 23, which is described in detail below.
  • This exemplary embodiment is based on the same basic structure explained above with reference to FIGS. 1-4. The features and design variants described for this purpose should also apply or be present except for the differences described below.
  • the cooling tube 16 is in turn fixed to the fastening region 11f with the first section 16a and extends axially within the central recess 10a of the rotor shaft 10 with the second self-supporting section 16b.
  • the cooling tube 16 forms the annular space 10b with the rotor shaft 10, so that the cooling tube 16 is in fluid communication with the annular space 10b and with the fluid outlet 19.
  • the rotor shaft 10 is also, as previously explained, on the axial side facing away from the fluid inlet 18. The side is closed in a fluid-tight manner, for which purpose the recess 10a is only axially open.
  • the fluid inlet 18 and the fluid outlet 19 are in this case jointly formed on one and the same end face of the electrical machine 1 and in particular on the bearing plate 11 functioning as a carrier element 17. Also provided between the rotor shaft 10 and the carrier element 17 is the sealing region 20 with the sealing element 21, which, when a cooling fluid flows through from the fluid inlet 18 to the fluid outlet 19, causes fluid to pass into the space region 22 of the electrical machine 1 outside the sealing region 20, at least in the Essentially prevented.
  • a fluid return flow channel 11g which is in fluid communication with the fluid outlet 19, is formed on the fastening area 11f.
  • the axial mechanical seal 23 with the first section 23a is fixed directly to the fastening region 11f and with the second section 23b to the rotor shaft 10.
  • the fastening area 11f is again designed as an axial extension 11e protruding from a base body 11d of the bearing plate 11, on which the cooling tube 16 is fixed in a fluid-tight manner by an interference fit.
  • the fastening area 11f is formed coaxially to the axis A, at least partially protrudes into the rotor shaft 10 and overlaps it axially.
  • the sealing element 21 is fixed with the first section 23a to a free end area 11h of the axial extension 11e and with the second section 23b to a diameter step 10d of the rotor shaft 10.
  • the space area 22 lying outside the sealing area 20 comprises an annular gap 22a formed between the sealing element 21 and the rotor shaft 10, which is in fluid communication with the leakage space 33 via a leakage channel 33a.
  • a portion of cooling fluid that passes through the sealing area 20 of the sealing element 21 can thus initially be within the rotor shaft. le 10 are collected and collected.
  • the sealing element 21 is thus arranged entirely within the rotor shaft 10.
  • the fluid return flow channel 11g and the leakage channel 33a are fluidically separate.
  • the fluid backflow channel 11g in the present case comprises four axially extending grooves 111g, 112g, 113g, 114g formed on the inner circumference of the fastening region 11f, which are closed on the now open inner circumferential surface 11j by an outer circumferential surface 16c of the cooling tube 16.
  • obliquely running channel sections 11k and 111k, 112k, 113k, 114k are provided, which together on the mounting surface 11c into an arcuate recess 111 in the fluid outlet 19 flow out.
  • the grooves 111 g-114g are axially continuous for manufacturing reasons and open in the fluid inlet 18.
  • the fluid circuit is fluidically closed, creating a dead fluid area that is negligible from a functional point of view.
  • the otherwise fluid-tight connection of the cooling tube 16 to the fastening area 11f is thus eliminated in the area of the grooves 111g, 112g, 113g, 114g.
  • the grooves 111g, 112g, 113g, 114g on the end plate 11 can also be closed on the end face in order to thereby separate the fluid inlet 18 from the fluid outlet 19 in terms of flow.
  • an annular collar can be provided at the axial end of the cooling tube 16 located there, which radially covers the grooves 111g, 112g, 113g, 114g and thus closes axially at this position.
  • Fluid channel assembly 39 bearings
  • Coolant flange 40 external coolant connection a, b fluid channel section 41 pressure compensation element leakage space 42 fluid passage

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Motor Or Generator Cooling System (AREA)

Abstract

Es wird eine elektrische Maschine (1) mit einem Stator (4), einem Rotor (7) und mit einer Fluid-Kühleinrichtung (15) beschrieben, wobei der Rotor (10) mittels einer Rotorwelle (10) um eine Achse (A) drehbar zu dem Stator (4) gelagert ist. Die Fluid-Kühleinrichtung (15) weist ein Kühlrohr (16) auf, welches mittels eines ersten Abschnitts (16a) an einem Befestigungsbereich (11f) eines zu dem Stator (4) festen Trägerelements (17) festgelegt ist und welches mit einem Fluideingang (18) in Verbindung steht. Das Kühlrohr (16) erstreckt sich mit einem zweiten freitragenden Abschnitt (16b) axial innerhalb einer zentralen Ausnehmung (10a) der Rotorwelle (10) und bildet zu der Rotorwelle (10) einen Ringraum (10b) aus, so dass das Kühlrohr (16) mit dem Ringraum (10b) und mit einem Fluidausgang (19) in Fluidverbindung steht. Zwischen der Rotorwelle (10) und dem Trägerelement (17) ist ein Dichtbereich (20) mit einem Dichtelement (21) vorgesehen, welches beim Durchströmen eines Kühlfluids vom Fluideingang (18) zum Fluidausgang (19) einen Fluidübertritt in einen außerhalb des Dichtbereichs (20) liegenden Raumbereich (22) der elektrischen Maschine (1) zumindest im Wesentlichen verhindert. Es ist dabei vorgesehen, dass an dem Befestigungsbereich (11f) ein mit dem Fluidausgang (19) in Fluidverbindung stehender Fluid-Rückstromkanal (11g) vorgesehen ist.

Description

Elektrische Maschine mit einer Fluid-Kühleinrichtunq
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einer Fluid-Kühleinrichtung nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 , wie diese bereits mit der
WO 2016/050534 A1 bekannt geworden ist. Zur Kühlung des Rotors der dort be- schriebenen elektrischen Maschine ist in eine abschnittweise als Hohlwelle ausge- führte Rotorwelle axial ein lanzenförmiges Kühlrohr eingeführt, durch welches ein Kühlfluid in einem zwischen diesem und der Rotorwelle vorhandenen Ringraum ein- strömen und eine Verlustwärm des Rotors aufnehmen kann. Das Kühlrohr ist axial einseitig mit einem ersten Abschnitt an einem feststehenden Trägerelement festge- legt und ragt mit einem zweiten, freien Abschnitt in die Rotorwelle hinein. Das Kühl- mittel kann dabei auf derselben Stirnseite der elektrischen Maschine ein- und aus- strömen, wodurch lediglich ein Dichtelement zwischen dem drehenden Rotor und den dazu feststehenden Elementen der Maschine erforderlich ist.
Aufgrund von Bauraumzwängen besteht der Wunsch, eine derartige elektrische Ma- schine kompakter auszubilden.
Die vorstehend genannte Aufgabe wird durch eine elektrische Maschine mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfol- genden Figurenbeschreibung entnehmbar.
Es wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung eine elektrische Maschine mit einer Fluid-Kühleinrichtung vorgeschlagen, welche einen Stator und einen Rotor umfasst und wobei der Rotor mittels einer Rotorwelle um eine Achse drehbar zu dem Stator gelagert ist. Die Fluid-Kühleinrichtung weist ein Kühlrohr auf, welches mittels eines ersten Abschnitts an einem zu dem Stator festen Trägerelement festgelegt ist und welches mit einem Fluideingang in Verbindung steht. Das Kühlrohr erstreckt sich mit einem zweiten freitragenden Abschnitt axial innerhalb einer zentralen Ausnehmung der Rotorwelle und bildet zu der Rotorwelle einen Ringraum aus, so dass das Kühl- roh r mit dem Ringraum und mit einem Fluidausgang in Fluidverbindung steht. Zwi- sehen der Rotorwelle und dem Trägerelement ist ein Dichtbereich mit einem Dich- telement vorgesehen, welches beim Durchströmen eines Kühlfluids vom Fluidein gang zum Fluidausgang einen Fluidübertritt in einen außerhalb des Dichtbereichs liegenden Raumbereich der elektrischen Maschine zumindest im Wesentlichen ver- hindert. Die Rotorwelle kann an der dem Fluideingang abgewandten Axialseite fluid- dicht verschlossen sein. Weiter können der Fluideingang und der Fluidausgang ge- meinsam an ein und derselben Stirnseite der elektrischen Maschine und in noch wei- terer Hinsicht insbesondere an einem als Trägerelement fungierenden Lagerschild ausgebildet sein.
Gemäß der Erfindung ist bei der elektrischen Maschine vorgesehen, dass an dem, am Trägerelement ausgebildeten Befestigungsbereich für das Kühlrohr ein mit dem Fluidausgang in Fluidverbindung stehender Fluid-Rückstromkanal vorgesehen ist.
Durch die vorgeschlagene Ausbildung eines Fluid-Rückstromkanals unmittelbar an dem Befestigungsbereich kann der an diesem stirnseitigen Bereich der elektrischen Maschine vorgesehene Teil der Fluid-Kühleinrichtung kompakter ausgebildet und Bauraum eingespart werden. Ein für einen Durchgang für rückströmendes Kühlfluid zwischen dem feststehenden Abschnitt des Dichtelements und dem Befestigungsbe- reich vorgehaltener Bauraum kann infolge des Vorschlags eingespart oder anderwei- tig genutzt werden. Der Fluid-Rückstromkanal kann, wie dieses weiter unten noch beispielhaft ausgeführt ist, auf vielfältige Weise ausgebildet sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann das Dichtelement zweiteilig ausgebil- det und mit einem ersten Abschnitt an dem Befestigungsbereich und mit einem zwei- ten Abschnitt an der Rotorwelle festgelegt sein.
Mit Vorteil kann der Befestigungsbereich als ein von einem Grundkörper des Lager- schilds abstehender Axialfortsatz ausgebildet sein. Das Kühlrohr kann an dem Befes- tigungsbereich in einer einfachen Weise durch eine Presspassung fluiddicht festge- legt werden. Eine axial besonders kompakte Anordnung kann erzielt werden, indem der Befesti- gungsbereich koaxial zu der Drehachse ausgebildet ist und zumindest teilweise in die Rotorwelle hineinragt und sich dadurch axial mit dieser überlappt. In weiterer Ausgestaltung kann das Dichtelement mit dem ersten Abschnitt an einem freien Endbereich des Axialfortsatzes und mit dem zweiten Abschnitt an einer Durchmes- serstufe der Rotorwelle festgelegt werden. Das Dichtelement kann somit vollständig innerhalb der Rotorwelle angeordnet sein.
Weiterhin kann der außerhalb des Dichtbereichs liegende Raumbereich einen zwi- schen dem Dichtelement und der Rotorwelle ausgebildeten Ringspalt umfassen, welcher über einen Leckagekanal mit einem Leckageraum in Fluidverbindung steht. Ein durch den Dichtbereich des Dichtelements hindurchtretender Anteil von Kühlfluid kann dadurch zunächst innerhalb der Rotorwelle aufgefangen und gesammelt wer- den. Auf diese Weise können die miteinander zusammenwirkenden Dichtflächen mit einem vergleichsweise kleinem Durchmesser ausgebildet werden, wodurch die Wirk- samkeit des Dichtelements verbessert und der Anteil eines durch das Dichtelement hindurchtretenden Leckagefluids vermindert werden kann.
Es versteht sich, dass der Rückstromkanal und der Leckagekanal in günstiger Weise fluidisch getrennt ausgebildet sein sollten. Zur Trennung dieser Kanäle kann gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Fluid-Rückstromkanal zwischen dem Kühlrohr und dem Befestigungsbereich, insbesondere einem inneren Umfangsbereich des Befestigungsbereichs verlaufen. Gemäß einer fertigungstechnisch günstigen Varian- te kann der Fluid-Rückstromkanal mindestens eine am Befestigungsbereich an ei- nem inneren Umfangsbereich ausgebildete Nut umfassen, deren offene Seite radial innen durch eine Außenumfangsfläche des Kühlrohrs begrenzt wird. Der Fluid- Rückstromkanal kann ergänzend oder alternativ mit dessen gesamten Querschnitt vollständig im Material des Befestigungsbereichs ausgebildet sein. In noch weiterer Ausgestaltung kann der Fluid-Rückstromkanal auch zwischen dem Befestigungsbe- reich und dem feststehenden ersten Abschnitt des Dichtelements oder einem weite- ren Element, insbesondere einer am Befestigungsbereich angebrachten Abdeckhül- se verlaufen. In diesem Fall kann also der Fluid-Rückstromkanal an einem äußeren Umfangsbereich des Befestigungsbereichs vorgesehen sein und dazu insbesondere eine nach radial außen offene Nut umfassen, welche durch den ersten Abschnitt des Dichtelements oder die Abdeckhülse umfangsmäßig verschlossen wird.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung kann das Dichtelement besonders kompakt als eine axiale Gleitringdichtung ausgebildet sein.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand einer in den Figuren dargestellten Ausfüh- rungsform beispielhaft erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine als Fahrzeugachsantrieb ausgebildete elektrische Maschine mit einer Fluid-Kühleinrichtung mit einem Kühlrohr in einer Axialschnittdarstellung ge- mäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
Fig. 2 ein vergrößerter Ausschnitt der Fluid-Kühleinrichtung von Fig. 1 im Bereich eines Lagerschildes der elektrischen Maschine;
Fig. 3 eine perspektivische Darstellung der elektrischen Maschine im Bereich des Lagerschilds von Fig. 3;
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines an einem Gehäuse der elektrischen Ma- schine ausgebildeten Kühlmittelflansches;
Fig. 5 eine gegenüber den Fig. 1 , 2 modifizierte elektrische Maschine mit einer Flu- id-Kühleinrichtung mit einem Kühlrohr in einer ausschnittweisen Axialschnitt- darstellung im Bereich eines Lagerschildes gemäß einem zweiten Ausfüh- rungsbeispiel;
Fig. 6a eine innere der Fluid-Kühleinrichtung von Fig. 5 mit einem an einem Lager- schild vorgesehenen Befestigungsbereich für ein Kühlrohr;
Fig. 6b eine ausschnittweise stirnseitige Außenansicht des Lagerschilds von Fig. 6a mit dem Befestigungsbereich.
Die Figuren zeigen eine elektrische Maschine 1 , welche insbesondere zum Antreiben eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs vorgesehen und ausgebildet ist. Insbesondere ist die elektrische Maschine 1 zum Einbau in oder an eine Fahrzeugachse vorgese- hen und stellt somit in Verbindung mit weiteren Komponenten einen elektrischen Achsantrieb 2 dar. Die elektrische Maschine 1 gibt ihre Leistung somit an Fahrzeug- räder zum Fortbewegen des Fahrzeugs ab. Es werden insofern über die nachfolgend im Detail erläuterte elektrische Maschine 1 hinausgehend ebenso ein elektrischer Fahrzeugantrieb und ein Fahrzeug mit einer solchen elektrischen Maschine 1 be- schrieben.
Die elektrische Maschine 1 umfasst einen in einem Gehäuse 3 festgelegten Stator 4 mit einem Statorblechpaket 5 und mit einer Statorwicklung 6 und einen Rotor 7 mit einem Rotorblechpaket 8 und mit einem Kurzschlusskäfig 9. Di elektrische Ma- schine 1 ist somit als eine Asynchronmaschine ausgebildet. Der Rotor 7 ist mittels einer Rotorwelle 10, einem an einem ersten Lagerschild 11 angeordneten ersten La- ger 13 und einem an einem zweiten Lagerschild 12 angeordneten zweiten Lager 14 um eine Achse A drehbar zu dem Stator 4 gelagert. Die Rotorwelle 10 steht mit ei- nem in Fig. 1 links dargestellten Getriebe 36 in Wirkverbindung, welches das Motord- rehmoment über weitere, hier zeichnerisch nicht dargestellte Übertragungsorgane an Fahrzeugräder übertragen kann.
Die elektrische Maschine 1 weist eine von einem Kühlfluid durchströmbare Fluid- Kühleinrichtung 15 auf, welche eine aufgenommene Verlustwärme an einen außer halb der elektrischen Maschine 1 befindlichen Wärmetauscher abgeben kann.
Die Fluid-Kühleinrichtung 15 umfasst ein metallisches Kühlrohr 16, welches an einem zum Stator 4 festen Trägerelement 17, insbesondere an dem ersten Lagerschild 11 festgelegt ist und welches über eine axiale Fluid-Eintrittsöffnung 16f mit einem an dem Lagerschild 11 vorgesehenen Fluideingang 18 in Verbindung steht. Das Kühl- roh r weist eine lanzenförmige Gestalt auf, wobei dessen axiale Erstreckung L um ein Vielfaches größer als dessen Durchmesser D ist. Im Ausführungsbeispiel ist dieses Verhältnis L/D > 10, insbesondere ist L/D > 15 und beträgt konkret etwa 17. Das Kühlrohr 16 ist dabei axial lediglich einseitig mittels eines ersten Abschnitts 16a durch das Lagerschild 11 gelagert und erstreckt sich mit dessen größeren zweiten freistehenden Abschnitt 16b in axialer Richtung innerhalb einer zentralen Ausneh- mung 10a der Rotorwelle 10 und bildet zu der Rotorwelle 10 einen Ringraum 10b aus. Ein Längenverhältnis einer Länge des ersten Abschnitts 16a zu einer Länge des zweiten Abschnitts 16b, das heißt das Verhältnis der Länge des befestigten Ab- schnitts 16a zur Länge des unbefestigten, freien Abschnitts 16b ist größer 10 und beträgt konkret etwa 14.
Das Kühlrohr 16 ist axial beidseitig offen und steht somit in dem mit Fig. 1 gezeigten eingebauten Zustand über eine axiale F I u id -Au strittsöffn u n g 16e gleichzeitig mit dem Ringraum 10b und mit einem gleichfalls am ersten Lagerschild 11 vorgesehenen Fluidausgang 19 in Fluidverbindung. Das erste Lagerschild 11 weist zur Ausbildung des Fluideingangs 18 eine zentrale erste Durchgangsöffnung 11a und zur Ausbil- dung des Fluidausgangs 19 eine radial zu der ersten Durchgangsöffnung angeordne- te zweite Durchgangsöffnung 11 b auf. Beide Durchgangsöffnungen 11a, b treten somit an einer dem Rotor 7 abgewandten stirnseitigen Montagefläche 11c aus dem Lagerschild 11 aus.
Zwischen der Rotorwelle 10 und dem als Trägerelement 17 fungierenden Lager- schild 11 ist ein Dichtbereich 20 mit einem Dichtelement 21 vorgesehen. Das Dich- telement 21 hat die Aufgabe, beim Durchströmen des Kühlfluids vom Fluidein- gang 18 zum Fluidausgang 19 einen Fluidübertritt in einen außerhalb des Dichtbe- reichs 20 liegenden Raumbereich 22 der elektrischen Maschine 1 zumindest im We sentlichen zu verhindern.
Das Dichtelement 21 ist vorliegend als eine axiale Gleitringdichtung 23 ausgebildet ist. Die Gleitringdichtung 23 umfasst einen ersten Abschnitt 23a, welcher an dem Trägerelement 17 festgelegt ist und umfasst weiter einen zweiten Abschnitt 23b, wel- cher an der Rotorwelle 10 festgelegt ist und welcher mit dem ersten Abschnitt 23a in Dichtverbindung steht. Dabei ist der zweite Abschnitt 23b der Gleitringdichtung 23 zumindest teilweise axial überlappend zu dem ersten Lager 13 angeordnet. Das im Ringraum 10b in axialer Richtung zum Fluidausgang 19 strömende Kühlfluid passiert den Dichtbereich 20 und wird dann durch einen radial zwischen einem Befestigungs- bereich 11f des Lagerschilds 11 bzw. allgemein des Trägerelements 17 und dem zweiten Abschnitt 23b ausgebildeten Fluiddurchgang 42 geleitet, um schließlich durch die Durchgangsöffnung 11b zum Fluidausgang 19 zu gelangen. Das Kühlfluid kann radial außerhalb des Befestigungsbereichs 11f vorbeifließen.
Weiterhin weist das erste Lager 13 sowohl an der der Gleitringdichtung 23 zuge- wandten Axialseite als auch an der dem Rotorblechpaket 8 zugewandten Axialseite eine zwischen einem radial inneren Lagerring 13a und einem radial äußeren Lager- ring 13b wirkende Dichtungsanordnung 13c mit zwei Dichtscheiben 13d, e auf. Der Lagerinnenraum 13f ist weiter mittels eines Hochdrehzahl-Fetts gegenüber einem Eindringen von Kühlfluid abgedichtet ist. Dadurch wird einerseits das Lager 13 ge- schmiert und andererseits wird durch die geschaffene Fett-Barriere ein Eindringen von Fluid in den inneren Raumbereich 22 der elektrischen Maschine 1 vermieden.
Zu einer merklichen Vergrößerung der fluidgekühlten Innenumfangsfläche der Ro- torwelle 10 und damit zum Zwecke einer weiteren Verbesserung der Kühlwirkung kann ein Innendurchmesser 10c der Rotorwelle 10 bzw. der dort vorhandenen zent ralen Ausnehmung 10a im Bereich einer axialen Erstreckung des Rotorblechpakets 8 größer ausgebildet sein als im Bereich des ersten Lagers 13.
Wie erkennbar, ist die Rotorwelle 10 als eine Hohlwelle ausgebildet und an der dem Fluideingang 18 abgewandten Axialseite fluiddicht durch einen Verschluss 24 ver- schlossen. Die Fluidströmung erfährt durch die koaxiale Anordnung von Rotor- welle 10 und Kühlrohr 16 eine Richtungsumkehr entgegen der Einströmrichtung und kann auf der Axialseite des Fluideingangs 18 wieder ausströmen, wozu lediglich auf dieser Seite eine Dichtungsanordnung in Form des Dichtelements 21 erforderlich ist.
Von dem ersten Lagerschild 11 sind somit das Kühlrohr 16, das erste Lager 13 und der statorfeste Abschnitt 23a des Dichtelements 23 aufgenommen. Das erste Lager- schild 11 nimmt zudem ein mit der Rotorwelle 10 zusammenwirkendes elektrisches Potenzialausgleichselement 25 auf. Vorliegend ist als Potenzialausgleichselement 25 eine Schleifringanordnung 26 vorgesehen, welche als Wellenspannungen auftre- tende Potenzialunterschiede zwischen dem Stator 4 und dem Rotor 7 durch elektri- sehen Kurzschluss abbaut. Das Potenzialausgleichselement 25 ist axial benachbart zu dem ersten Lager 13 angeordnet, insbesondere axial zwischen dem Lager 13 und dem Rotorblechpaket 8.
Das Kühlrohr 16 ist an dem am Lagerschild 11 bzw. allgemein am Trägerelement 17 vorgesehenen Befestigungsbereich 1 1f fluiddicht festgelegt. Insbesondere ist das Kühlrohr 16 mittels einer Presspassung in einen von einem Grundkörper 1 1 d des Lagerschilds 11 abstehenden rohrförmigen Axialfortsatz 1 1 e angeordnet, welcher den Befestigungsbereich 1 1f ausbildet. Der Befestigungsbereich 1 1f und die Rotor- welle 10 sind zueinander koaxial um die Achse A ausgebildet. Es ist in den Figuren erkennbar, dass sich der Befestigungsbereich 1 1 f axial teilweise mit dem statorfesten Abschnitt 23a des Dichtelements 21 bzw. der Gleitringdichtung 23 überdeckt.
Zurückkommend zu der Montagefläche 1 1 c ist dort ein Deckelement 27 aus einem Kunststoff mit einer Steganordnung 27a fluiddicht angeordnet. Dabei sind durch die Steganordnung 27a zwischen dem Lagerschild 1 1 und dem Deckelement 27 ein Flu- idzulaufkanal 28 und ein Fluidablaufkanal 29 ausgebildet. Die genannten Kanäle 28, 29 können zumindest auch abschnittweise allein von dem Deckelement 27 berandet sein. Bei Verzicht auf ein solches Deckelement 27 können der Fluidzulaufkanal 28 und der Fluidablaufkanal 29 ebenso in dem ersten Lagerschild 1 1 ausgebildet sein.
Das Gehäuse 3 der elektrischen Maschine 1 ist als Gußteil aus einem Leichtmetall- werkstoff, vorliegend aus einem AI u m i n i u m we rkstoff ausgebildet. Das Gehäuse 3 bildet gleichzeitig einen den Stator 4 außen umgebenden Fluid-Kühlmantel 30 mit einer Fluidkanalanordnung 31 aus. Das Gehäuse 3 weist auf der dem ersten Lager- schild 1 1 zugewandten Seite einen damit integral ausgebildeten Kühlmittelflansch 32 mit zwei Fluid-Kanalabschnitten 32a, b auf, welche hier mit dem Fluidzulaufkanal 28 und dem Fluidablaufkanal 29 des Deckelements 27 in Fluidverbindung stehen. Der Fluid-Kanalabschnitt 32a bildet dabei einen externen Kühlmittelanschluss 40 aus. Ein weiterer, hier zeichnerisch nicht dargestellter externer Kühlmittelanschluss kann bei- spielsweise an einer anderen Position des Statorkühlmantels oder an einer Leis- tungselektronik zum Ansteuern der elektrischen Maschine 1 angeordnet sein, welche mit deren Gehäuse und mit deren Kühlkreislauf mit der elektrischen Maschine 1 und mit der dort ausgebildeten Fluid-Kühleinrichtung 15 verbunden ist. Der weitere Fluid- Kanalabschnitt 32b bildet hingegen einen Verbindungskanal zu dem Fluid-Kühlman- tel 30 des Stators 4 aus. Die Fluid-Kühleinrichtung 15 kann somit einen Kühlab- schnitt 15a zur Kühlung des Rotors 7 und einen Kühlabschnitt 15b zur Kühlung des Stators 4 aufweisen, welche nacheinander von dem Kühlfluid durchflossen werden und wobei eine zwischen diesen vorgesehene Fluidverbindung als ein fester, schlauchloser Verbindungskanal 32b ausgebildet ist.
Außerhalb des Dichtelements 21 , also an der dem strömenden Kühlfluid abgewand- ten Seite der Gleitringdichtung 23 ist ein Leckageraum 33 mit einem Fluid-Sammel- bereich 34 vorgesehen, in welchen ein durch den Dichtbereich 20 hindurchtretender Anteil des Kühlfluids eintreten und gesammelt werden kann. Der Leckageraum 33 weist weiterhin einen Gas-Sammelbereich 35 auf, welcher in einer Betriebslage der elektrischen Maschine 1 gegenüber dem Fluid-Sammelbereich 34 geodätisch höher angeordnet ist. Bei Verwendung eines Kühlfluids mit stofflich zumindest einer flüchti gen Komponente kann diese über die Gleitringdichtung 23 entweichen und sich in dem Gas-Sammelbereich 35 sammeln.
Sofern das Kühlfluid beim Entweichen der flüchtigen Komponente eine feststoffför- mige Komponente ausscheidet, so wird diese gleichfalls von dem Fluid-Sammelbe- reich 34 aufgenommen. Zur Entnahme des feststoffförmigen Bestandteiles ist an dem Fluid-Sammelbereich 34 eine verschließbare Eingriffsöffnung 34a mit einem abnehmbaren Verschlussdeckel 34b vorgesehen.
Zur Entfernung eines in dem Fluid-Sammelbereich 34 vorhandenen Kühlfluids ist an diesem eine verschließbare Fluid-Ablassöffnung 34c mit einem Ablasselement 34d, insbesondere einer Ablassschraube oder einem Ablassstopfen vorgesehen. Die Flu- id-Ablassöffnung 34c ist in einer Betriebslage der elektrischen Maschine 1 im We sentlichen geodätisch nach unten ausgerichtet und gegenüber einer Gas-Ablassöff- nung 35a des Gas-Sammelbereichs 35 geodätisch tiefer angeordnet. Zur leichten Entnahme von feststoffförmigen Bestandteilen ist die Eingriffsöffnung des Ver- schlussdeckeis 34b mit einem größeren Querschnitt als die Fluid-Ablassöffnung 35a ausgebildet.
Die Fluid-Ablassöffnung 34c ist zumindest näherungsweise auf einer 06Uhr-Position vorgesehen, das heißt etwa zwischen einer 05Uhr- und einer 07Uhr-Position. Die Gas-Ablassöffnung 35a ist demgegenüber zumindest näherungsweise auf einer 12Uhr-Position vorgesehen, das heißt etwa zwischen einer 11 Uhr- und einer 01 Uhr- Position. Der Fluid-Sammelbereich 34 und der Gas-Sammelbereich 35 sind zumin- dest näherungsweise auf derselben axialen Position vorgesehen. Des Weiteren kann sich auch die Gleitringdichtung 23 an dieser axialen Position befinden oder sich zu- mindest axial mit dem Fluid-Sammelbereich 34 und/oder dem Gas-Sammelbe- reich 35 überlappen.
Die Gas-Ablassöffnung 35a des Gas-Sammelbereichs 35 weist weiterhin ein Druck- ausgleichselement 41 auf, wodurch wird ein Entweichen von Gasen aus dem Gas- Sammelbereich 35 ermöglicht wird. Das Druckausgleichselement 41 umfasst eine semipermeable Membran, welche zur Ermöglichung eines Druckausgleichs luft- durchlässig, jedoch nicht fluid-durchlässig ist.
Wie bereits vorher angesprochen, ist zur Lagerung des Rotors 7 zusätzlich zu dem ersten Lager 13 axial beabstandet das zweite Lager 14 vorgesehen, welches bei Be- darf ebenso axial ein- oder beidseitig mit Dichtringen und mit einer Schmiermittelfül- lung ausgeführt sein kann. Das Lager 14 ist radial zwischen der Rotorwelle 10 und dem zweiten Lagerschild 12 vorgesehen, wobei sich das Rotorblechpaket 8 in einem axialen Raum zwischen dem ersten und dem zweiten Lager 11 , 12 erstreckt. Wie erkennbar, erstreckt sich zum Zwecke einer verbesserten Kühlung die zentrale Aus- nehmung 10a innerhalb der Rotorwelle 10 axial durch das zweite Lager 14 hindurch. Das Kühlrohr 16 erstreckt sich innerhalb der Rotorwelle 10 axial gleichfalls über das zweite Lager 12 hinaus. Wie weiter erkennbar, ist der Innendurchmesser der Rotor- welle 10 im Bereich der axialen Erstreckung des Rotorblechpakets 8 und im Bereich des zweiten Lagers 12 größer als im Bereich des ersten Lagers 11. In dem erläuterten Ausführungsbeispiel weist die Rotorwelle 10 einen sich axial über das zweite Lager 12 hinausragenden und in das Getriebe 36 führenden Wellenab- schnitt mit einem als Zahnrad 37 ausgebildeten Abtriebselement 38 auf. Die zentrale Ausnehmung 10a der Rotorwelle 10 erstreckt sich axial bis in den Bereich des Ab- triebselements 38 und kann somit ebenso von dem Kühlfluid durchströmt werden. Gemäß einer Modifikation der Anordnung kann sich das Kühlrohr 16 gleichfalls axial bis in den genannten Bereich erstrecken. Das Abtriebselement 38 und damit in Wärmeaustausch stehende weitere Elemente und/oder ein außerhalb der Rotor- welle 10 befindliches Schmier- oder Kühlmittel können somit ebenfalls in den Wir- kungsbereich der Fluid-Kühleinrichtung 15 gelangen und gekühlt werden.
Wie noch weiter in den Figuren erkennbar, ist das Abtriebselement 38 an der Rotor- welle 10 axial zwischen dem zweiten Lager 14 und einem dritten Lager 39 angeord- net. Dabei reicht die zentrale Ausnehmung 10a der Rotorwelle 10 axial bis in den Be- reich des dritten Lagers 39 heran und wird also bis zu dieser Position von dem Kühl- fluid durchströmt. Das dritte Lager 39 befindet sich somit gleichfalls im Wirkungsbe- reich der vorstehend beschriebenen Fluid-Kühleinrichtung 15.
Die Fig. 5, 6a und 6b zeigten in einer ausschnittweisen Darstellung einer gegenüber der Anordnung von Fig. 1 im Bereich des ersten Lagerschilds 11 , des Fluidaus- gangs 19 und der Gleitringdichtung 23 modifizierten Fluid-Kühleinrichtung 15, welche nachfolgend detailliert beschrieben wird. Dieses Ausführungsbeispiel basiert auf demselben, vorstehend anhand der Figuren 1-4 erläuterten Grundaufbau. Die dazu beschriebenen Merkmale und Ausgestaltungsvarianten sollen hierbei bis auf die nachfolgend beschriebenen Unterschiede gleichfalls zutreffen bzw. vorhanden sein.
Das Kühlrohr 16 ist wiederum mit dem ersten Abschnitt 16a an dem Befestigungsbe- reich 11f festgelegt und erstreckt sich mit dem zweiten freitragenden Abschnitt 16b axial innerhalb der zentralen Ausnehmung 10a der Rotorwelle 10. Das Kühlrohr 16 bildet zu der Rotorwelle 10 den Ringraum 10b aus, so dass das Kühlrohr 16 mit dem Ringraum 10b und mit dem Fluidausgang 19 in Fluidverbindung steht. Die Rotorwel- le 10 ist ebenso, wie zuvor erläutert an der dem Fluideingang 18 abgewandten Axial- Seite fluiddicht verschlossen, wozu die Ausnehmung 10a axial nur einseitig offen ausgeführt ist. Der Fluideingang 18 und der Fluidausgang 19 sind hierbei gemeinsam an ein und derselben Stirnseite der elektrischen Maschine 1 und insbesondere an dem als Trägerelement 17 fungierenden Lagerschild 11 ausgebildet. Zwischen der Rotorwelle 10 und dem Trägerelement 17 ist gleichfalls der Dichtbereich 20 mit dem Dichtelement 21 vorgesehen, welches beim Durchströmen eines Kühlfluids vom Flu- ideingang 18 zum Fluidausgang 19 einen Fluidübertritt in den außerhalb des Dicht bereichs 20 liegenden Raumbereich 22 der elektrischen Maschine 1 zumindest im Wesentlichen verhindert.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass an dem Befestigungsbe- reich 11f ein mit dem Fluidausgang 19 in Fluidverbindung stehender Fluid- Rückstromkanal 11g ausgebildet ist.
Im weiteren Unterschied zu dem vorstehend erläuterten ersten Ausführungsbeispiel ist die axiale Gleitringdichtung 23 mit dem ersten Abschnitt 23a unmittelbar an dem Befestigungsbereich 11f und mit dem zweiten Abschnitt 23b an der Rotorwelle 10 festgelegt. Der Befestigungsbereich 11f ist wieder als ein von einem Grundkör- per 11 d des Lagerschilds 11 abstehender Axialfortsatz 11e ausgebildet, an dem das Kühlrohr 16 durch eine Presspassung fluiddicht festgelegt ist. Der Befestigungsbe- reich 11f ist koaxial zur Achse A ausgebildet, ragt zumindest teilweise in die Rotor- welle 10 hinein und überlappt sich axial mit dieser. Wie in Fig. 5 erkennbar, ist das Dichtelement 21 mit dem ersten Abschnitt 23a an einem freien Endbereich 11 h des Axialfortsatzes 11e und mit dem zweiten Abschnitt 23b an einer Durchmesserstu- fe 10d der Rotorwelle 10 festgelegt.
Wie weiter erkennbar, umfasst der außerhalb des Dichtbereichs 20 liegende Raum- bereich 22 einen zwischen dem Dichtelement 21 und der Rotorwelle 10 ausgebilde- ten Ringspalt 22a, welcher über einen Leckagekanal 33a mit dem Leckageraum 33 in Fluidverbindung steht. Ein durch den Dichtbereich 20 des Dichtelements 21 hin durchtretender Anteil von Kühlfluid kann dadurch zunächst innerhalb der Rotorwel- le 10 aufgefangen und gesammelt werden. Das Dichtelement 21 ist somit vollständig innerhalb der Rotorwelle 10 angeordnet.
Der Fluid-Rückstromkanal 11g und der Leckagekanal 33a sind fluidisch getrennt ausgebildet. Der Fluid-Rückstromkanal 11g umfasst vorliegend vier am Innenumfang des Befestigungsbereichs 11f ausgebildete axial verlaufende Nuten 111g, 112g, 113g, 114g, welche an der nunmehr offenen Innenumfangsfläche 11j durch eine Au- ßenumfangsfläche 16c des Kühlrohrs 16 verschlossen sind. Anstelle der Durch- gangsöffnung 11b des ersten Ausführungsbeispiels (Fig. 2) sind jeweils schräg ver- laufender Kanalabschnitte 11 k bzw. 111 k, 112k, 113k, 114k vorgesehen, welche an der Montagefläche 11c gemeinsam in eine bogenförmige Ausnehmung 111 des Flu idausgangs 19 münden. Die Nuten 111 g-114g sind aus fertigungstechnischen Grün- den axial durchgehend ausgeführt und münden im Fluideingang 18.
An dieser Position ist der Fluidkreislauf fluidisch kurz geschlossen, wodurch ein in funktionaler Hinsicht vernachlässigbares Totfluidareal erzeugt wird. Die ansonsten fluiddichte Verbindung des Kühlrohres 16 zu dem Befestigungsbereich 11f ist somit im Bereich der Nuten 111g, 112g, 113g, 114g aufgehoben. Alternativ können die Nuten 111g, 112g, 113g, 114g am Lagerschild 11 stirnseitig auch verschlossen sein, um dadurch den Fluideingang 18 vom Fluidausgang 19 strömungsmäßig zu trennen. Beispielweise kann dazu an dem dort befindlichen axialen Ende des Kühl roh res 16 ein Ringbund vorgesehen werden, welcher die Nuten 111g, 112g, 113g, 114g radial überdeckt und somit an dieser Position axial verschließt.
In der vorstehenden Beschreibung wurden Bezeichnungen von Funktionselementen teilweise mit Bezug auf eine feste Strömungsrichtung gewählt. Bei der erläuterten elektrischen Maschine ist die Strömungsrichtung des Kühlfluids innerhalb der Fluid- Kühleinrichtung grundsätzlich umkehrbar. Die mit Bezug zur Strömungsrichtung be- zeichneten Funktionselemente erhalten bei umgekehrter Strömungsrichtung die ent- sprechend gegenläufige Bedeutung. Das heißt, dass beispielsweise ein als Fluidein gang bezeichneter Abschnitt oder Bereich nunmehr den Fluidausgang bildet usw. Bezuqszeichen elektrische Maschine 112k Kanalabschnitt
Achsantrieb 113k Kanalabschnitt
Gehäuse 114k Kanalabschnitt
Stator 111 Ausnehmung
Statorblechpaket 12 Lagerschild
Statorwicklung 13 Lager
Rotor 13a innerer Lagerring
Rotorblechpaket 13b äußerer Lagerring
Kurzschlusskäfig 13c Dichtungsanordnung Rotorwelle 13d, e Dichtscheibe
a Ausnehmung 13f Lagerinnenraumb Ringraum 14 Lager
c Innendurchmesser 15 Fluid-Kühleinrichtungd Durchmesserstufe 15a Rotorkühlabschnitt
Lagerschild 15b Statorkühlabschnitta Durchgangsöffnung 16 Kühlrohr
b Durchgangsöffnung 16a erster Abschnittc Montagefläche 16b zweiter Abschnitt d Grundkörper 16c Außenumfangsfläche e Axialfortsatz 16f axiale Fluideintrittsöffnungf Befestigungsbereich 17 Trägerelement
g Fluid-Rückstromkanal 18 Fluideingang
1g Fluid-Rückstromkanal 19 Fluidausgang
2g Fluid-Rückstromkanal 20 Dichtbereich
3g Fluid-Rückstromkanal 21 Dichtelement
4g Fluid-Rückstromkanal 22 Raumbereich
h Endbereich 22a Ringspalt
j Innenumfangsfläche 23 Gleitringdichtungk Kanalabschnitt 23a erster Abschnitt
1 k Kanalabschnitt 23b zweiter Abschnitt Verschluss 34b Verschlussdeckel
Potenzialausgleichselement 34c Fluid-Ablassöffnung
Schleifringanordnung 34d Ablasselement
Deckelement 35 Gas-Sammelbereicha Steganordnung 35a Gas-Ablassöffnung
Fluidzulaufkanal 36 Getriebe
Fluidablaufkanal 37 Zahnrad
Fluidkühlmantel 38 Abtriebselement
Fluidkanalanordnung 39 Lager
Kühlmittelflansch 40 externer Kühlmittelanschlussa, b Fluidkanalabschnitt 41 Druckausgleichselement Leckageraum 42 Fluiddurchgang
a Leckagekanal A Drehachse
Fluid-Sammelbereich D Durchmesser
a verschließbare Eingriffsöffnung L axiale Erstreckung

Claims

Patentansprüche
1. Elektrische Maschine (1 ) mit einer Fluid-Kühleinrichtung (15), umfassend
- einen Stator (4),
- einen Rotor (7), welcher mittels einer Rotorwelle (10) um eine Achse (A) dreh- bar zu dem Stator (4) gelagert ist und wobei
- die Fluid-Kühleinrichtung (15) ein Kühlrohr (16) aufweist, welches mittels ei- nem ersten Abschnitt (16a) an einem Befestigungsbereich (11f) eines zu dem Stator (4) festen Trägerelements (17) festgelegt ist und mit einem Fluidein gang (18) in Verbindung steht und welches sich mit einem zweiten freitragen- den Abschnitt (16b) axial innerhalb einer zentralen Ausnehmung (10a) der Ro- torwelle (10) und unter Ausbildung eines Ringraumes (10b) zu der Rotorwel- le (10) erstreckt, wobei
- das Kühlrohr (16) mit dem Ringraum (10b) und mit einem Fluidausgang (19) in Fluidverbindung steht und wobei
- zwischen der Rotorwelle (10) und dem Trägerelement (17) ein Dichtbe- reich (20) mit einem Dichtelement (21 ) vorgesehen ist, welches beim Durch- strömen eines Kühlfluids vom Fluideingang (18) zum Fluidausgang (19) einen Fluidübertritt in einen außerhalb des Dichtbereichs (20) liegenden Raumbe- reich (22) der elektrischen Maschine (1 ) zumindest im Wesentlichen verhin- dert,
dadurch gekennzeichnet, dass an dem Befestigungsbereich (1 1 f) ein mit dem Flu idausgang (19) in Fluidverbindung stehender Fluid-Rückstromkanal (11g) vorgese- hen ist.
2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Dich- telement (21 ; 23) mit einem ersten Abschnitt (23a) an dem Befestigungsbereich (1 1 f) und mit einem zweiten Abschnitt (23b) an der Rotorwelle (10) festgelegt ist.
3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Befestigungsbereich (11 f) als ein von einem Grundkörper (11 d) des Lager- schilds (11 ) abstehender Axialfortsatz (11e) ausgebildet ist.
4. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Befestigungsbereich (11 f) koaxial zu der Achse A ausgebildet ist und zu- mindest teilweise in die Rotorwelle (10) hineinragt und sich axial mit dieser überlappt.
5. Elektrische Maschine nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abschnitt (23a) an einem freien Endbereich (11 h) des Axialfortsatzes (11e) und der zweite Abschnitt (23b) an einer Durchmesserstufe (10d) der Rotorwelle (10) fest- gelegt sind.
6. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der außerhalb des Dichtbereichs (20) liegende Raumbereich (22) einen zwi- schen dem Dichtelement (21 ) und der Rotorwelle (10) ausgebildeten Ringspalt (22a) umfasst, welcher über einen Leckagekanal (33a) mit einem Leckageraum (33) in Fluidverbindung steht.
7. Elektrische Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Rück- stromkanal (11g) und der Leckagekanal (33a) fluidisch getrennt ausgebildet sind.
8. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluid-Rückstromkanal (11g) eine zwischen dem Kühlrohr (16) und dem Be- festigungsbereich (11 f) ausgebildete Nut (111g; 112g; 113g; 114g) umfasst.
9. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (21 ) als eine axiale Gleitringdichtung (23) ausgebildet ist.
PCT/EP2019/079928 2018-11-05 2019-10-31 Elektrische maschine mit einer fluid-kühleinrichtung Ceased WO2020094516A1 (de)

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DE102018218811.4A DE102018218811A1 (de) 2018-11-05 2018-11-05 Elektrische Maschine mit einer Fluid-Kühleinrichtung
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS60128464U (ja) * 1984-01-31 1985-08-29 株式会社安川電機 回転電機の冷却装置
US20130234543A1 (en) * 2012-03-08 2013-09-12 Siemens Aktiengesellschaft Electrical machine having dual-circuit cooling
WO2016050534A1 (de) 2014-09-30 2016-04-07 Siemens Aktiengesellschaft Flüssigkeitsgekühlte elektrische maschine
WO2018124252A1 (ja) * 2016-12-29 2018-07-05 イーグル工業株式会社 メカニカルシール

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS60128464U (ja) * 1984-01-31 1985-08-29 株式会社安川電機 回転電機の冷却装置
US20130234543A1 (en) * 2012-03-08 2013-09-12 Siemens Aktiengesellschaft Electrical machine having dual-circuit cooling
WO2016050534A1 (de) 2014-09-30 2016-04-07 Siemens Aktiengesellschaft Flüssigkeitsgekühlte elektrische maschine
WO2018124252A1 (ja) * 2016-12-29 2018-07-05 イーグル工業株式会社 メカニカルシール

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