WO2021001212A1 - Elektrische maschine, elektrische antriebseinheit mit einer solchen elektrischen maschine und kraftfahrzeug mit einer solchen elektrischen antriebseinheit - Google Patents

Elektrische maschine, elektrische antriebseinheit mit einer solchen elektrischen maschine und kraftfahrzeug mit einer solchen elektrischen antriebseinheit Download PDF

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Manuel Liedlbauer
Daniel KATZENSTEINER
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Magna powertrain gmbh & co kg
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Definitions

  • Electric machine electric drive unit with such an electric machine and motor vehicle with such an electric drive unit
  • the present invention relates to an electrical machine comprising a stator, a rotor which is rotatably fixed on a rotor shaft around a rotor axis, the rotor shaft being at least partially designed as a hollow shaft with a cavity through which a coolant can flow, a coolant pump for pumping coolant , wherein the coolant pump is designed such that it is driven via the rotor shaft and an electric drive unit with such an electric machine and a motor vehicle with such an electric drive unit.
  • the invention is based on the object of providing an electric machine that is characterized by a compact and component-reduced structure and is particularly suitable for operation in a motor vehicle, namely an electric motor vehicle or a hybrid motor vehicle.
  • an electrical machine comprising a stator, a rotor which is fixedly mounted on a rotor shaft so that it can rotate about a rotor axis, the rotor shaft being at least partially designed as a hollow shaft with a cavity through which a coolant can flow, a coolant pump for pumping coolant, the coolant pump being designed as a gerotor pump and comprising the following components:
  • a cover that delimits a pump chamber from the rest of the cavity of the rotor shaft within the cavity of the rotor shaft, an axis, the axis being firmly connected to a housing part of the electrical machine's rule and firmly connected to the cover, an outer gerotor with a running surface on an inner running surface th outer gerotor contour, the outer gerotor being firmly connected to the rotor shaft, and
  • the electrical machine comprises a stator, a rotor and a coolant pump.
  • the electric machine can be operated both as a motor and as a generator.
  • the rotor is fixed, that is to say stationary and fixed in rotation, on a rotor shaft.
  • the rotor shaft and thus the rotor are designed to be rotatable about a rotor axis.
  • the rotor shaft is at least partially hollow, namely as a hollow shaft with a hollow space.
  • the coolant pump is designed such that it is driven via the rotor shaft, namely its rotation.
  • the coolant pump is designed to deliver coolant into and / or out of the cavity of the rotor shaft.
  • the coolant pump is at least partially arranged in the cavity of the rotor shaft.
  • a coolant is to be understood in particular as a liquid coolant, such as oil.
  • the coolant pump is designed as a gerotor pump with a cover, an axle, an outer gerotor and an inner gerotor.
  • the cover delimits a pump chamber from the remaining cavity of the rotor shaft within the cavity of the rotor shaft.
  • the axis is firmly connected to a housing part of the electrical machine and the cover, for example by pressing.
  • the outer gerotor has an outer gerotor contour on its inner running surface and is fixedly, ie fixedly and non-rotatably, connected to the rotor shaft.
  • the inner gerotor has an inner gerotorkontur on its outer running surface which runs eccentrically within the outer gerotorkontur of the outer gerotors. Furthermore, according to the invention, the inner gerotor is rotatably mounted on the axle.
  • the outer gerotor as well as the inner gerotor are at least partially arranged in the pump space and thus in the hollow space of the rotor shaft.
  • At least one opening for the coolant to pass through is formed in a lateral surface of the rotor shaft.
  • the coolant pump By means of the design of the electrical machine according to the invention, in particular the coolant pump and its arrangement, a component-optimized and thus cost-optimized design of the electrical machine can be ensured.
  • a housing specifically required for the pump, an additional drive unit, fastening screws and complex pipes can be dispensed with.
  • an electrical drive unit which comprises an electrical machine described above, a control unit and an energy supply.
  • an energy supply is to be understood as meaning, in particular, an energy source, such as a battery, a capacitor or a fuel cell, which provides electricity to a converter for motorized operation of the electrical machine.
  • the electricity provided is converted by the converter into a form that can be used directly for motor operation of the electrical machine.
  • the electrical energy produced by this is delivered via the converter to the energy source, for example, which functions as an energy store.
  • a motor vehicle which has a drive train, which in turn has an electrical drive unit as described above.
  • the electric drive unit is designed to at least partially provide the drive power for operating the motor vehicle.
  • Fig. 1 shows schematically an electrical machine in cross section.
  • FIG. 2 shows schematically a partial view of an electrical Ma machine according to FIG. 1 in cross section. Detailed description of the invention
  • the electrical machine 1 has a stator 2, a rotor 3 assigned to the stator 2, and a coolant pump 7.
  • the rotor 3 is fixed, i.e. fixed and non-rotatable, on a rotor shaft 5.
  • the rotor shaft 5 and thus the rotor 3 are rotatable about a rotor axis 4 leads.
  • the rotor shaft 5 is at least partially hollow, namely as a hollow shaft with a cavity 6.
  • the coolant pump 7 is designed such that it is driven via the rotor shaft 5, namely its rotation.
  • a coolant is to be understood in particular as a liquid coolant, such as oil.
  • the coolant pump 7 is designed as a gerotor pump and comprises an outer gerotor 10 with an outer gerotor contour formed on its inner running surface, an inner gerotor 11 with an inner gerotor contour formed on its outer running surface, an axis 12 and a cover 13.
  • the outer gerotor 10 is fixed, namely in a stationary and rotationally fixed manner, on an inner circumference 16 of the rotor shaft 5.
  • the inner gerotor 1 1 is eccentric to the rotor axis 4 within the outer gerotor 10 rotatably mounted on the axis 12.
  • the axle 12 is fixedly connected at one end to a housing part 14 of the electrical machine 1 and fixedly connected to the cover 13 at the other end.
  • the outer gerotor 10 is driven via the rotor shaft 5 and in turn drives the inner gerotor 11 of the coolant pump 7 to run eccentrically.
  • the cover 13 essentially borders a pump chamber 15 of the coolant pump 7 from the remaining cavity 6 of the rotor shaft 5.
  • the outer gerotor 10 and the inner gerotor 11 are partially arranged in the pump chamber 15 and thus partially in the cavity 6 of the rotor shaft 5.
  • the outer diameter of the cover 13 is slightly smaller than the inner diameter of the rotor shaft 5 - in this way, in particular, an axial hydraulic seal is achieved between the inner gerotor 11 and the outer gerotor 10 in the area of the pump chamber 15 towards the remaining cavity 6.
  • the coolant pump 7 is designed to deliver coolant into the cavity 6 and / or out of the cavity 6 of the rotor shaft 5.
  • the coolant pump 7 has an inlet (not shown) on the housing part 14 of the electrical machine 1 and an outlet (not shown) in the cover 13 of the coolant pump 7 in the direction of the hollow space 6 of the rotor shaft 5.
  • the coolant is conveyed by the coolant pump 7 via the cavity 6 through openings 9 in the lateral surface 8 of the rotor shaft 5.
  • the rotor shaft 5 is cooled by the coolant flowing through it. Furthermore, the coolant flowing out through the opening 9 in the rotor shaft 5 also cools the surrounding components.

Abstract

Elektrische Maschine (1) umfassend einen Stator (2), einen Rotor (3), der um eine Rotorachse (4) drehbar fest auf einer Rotorwelle (5) angeordnet ist, wobei die Rotorwelle (5) zumindest teilweise als Hohlwelle mit einem von einem Kühlmittel durchströmbaren Hohlraum (6) ausgebildet ist, eine Kühlmittelpumpe (7) zum Fördern von Kühlmittel, wobei die Kühlmittelpumpe (7) als Gerotorpumpe ausgeführt ist und über die Rotorwelle (5) angetrieben wird, wobei die Kühlmittelpumpe (7) zumindest teilweise in dem Hohlraum (6) der Rotorwelle (5) angeordnet ist sowie eine elektrische Antriebseinheit umfassend eine solche elektrische Maschine (1) und ein Kraftfahrzeug umfassend eine solche elektrische Antriebseinheit.

Description

Elektrische Maschine, elektrische Antriebseinheit mit einer solchen elektrischen Maschine und Kraftfahrzeug mit einer solchen elektrischen Antriebseinheit
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine umfassend einen Stator, einen Rotor, der um eine Rotorachse drehbar fest auf einer Rotorwelle angeordnet ist, wobei die Rotorwelle zumindest teilweise als Hohlwelle mit einem von einem Kühlmittel durchströmbaren Hohlraum ausgebildet ist, eine Kühlmittel pumpe zum Fördern von Kühlmittel, wobei die Kühlmittelpumpe derart ausgeführt ist, dass sie über die Rotorwelle angetrieben wird sowie eine elektrische Antriebs einheit mit einer solchen elektrischen Maschine und ein Kraftfahrzeug mit einer solchen elektrischen Antriebseinheit.
Stand der Technik
Elektrische Maschinen, Asynchronmaschinen wie Synchronmaschinen, erzeugen aufgrund des dielektrischen Verlusts während ihres Betriebs Wärme - elektrische Energie wird in Wärme umgewandelt, was zum einen eine Verschlechterung des Wirkungsgrads der elektrischen Maschine bewirkt und zum anderen einen zuver lässigen Betrieb der elektrischen Maschine über ihre Lebensdauer negativ beein flusst. Deshalb ist in elektrischen Maschinen in der Regel ein Kühldesign vorgese hen, das den Stator und/oder den Rotor der elektrischen Maschine kühlt. Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine bereitzustel len, die sich durch einen kompakten und bauteilreduzierten Aufbau auszeichnet und sich insbesondere für den Betrieb in einem Kraftfahrzeug, nämlich einem Elektrokraftfahrzeug oder einem Hybridkraftfahrzeug, geeignet ist.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt zum einen durch eine elektrische Maschine um fassend einen Stator, einen Rotor, der um eine Rotorachse drehbar fest auf einer Rotorwelle angeordnet ist, wobei die Rotorwelle zumindest teilweise als Hohlwelle mit einem von einem Kühlmittel durchströmbaren Hohlraum ausgebildet ist, eine Kühlmittelpumpe zum Fördern von Kühlmittel, wobei die Kühlmittelpumpe als Gerotorpumpe ausgebildet ist und folgende Komponenten umfasst:
einen Deckel, der innerhalb des Hohlraums der Rotorwelle einen Pumpenraum von dem übrigen Hohlraum der Rotorwelle abgrenzt, eine Achse, wobei die Achse fest mit einem Gehäuseteil der elektri schen Maschine sowie fest mit dem Deckel verbunden ist, einen Außengerotor mit einer an einer inneren Lauffläche ausgeführ ten Außengerotorkontur, wobei der Außengerotor fest mit der Rotor welle verbunden ist, und
einen Innengerotor mit einer an einer äußeren Lauffläche ausgeführ ten Innengerotorkontur, wobei die Innengerotorkontur des Innengero tors exzentrisch innerhalb der Außengerotorkontur des Außengero tors läuft und wobei der Innengerotor drehbar auf der Achse gelagert ist,
wobei der Außengerotor und der Innengerotor zumindest teilweise in dem
Pumpenraum und somit in dem Hohlraum der Rotorwelle angeordnet sind. Erfindungsgemäß umfasst die elektrische Maschine einen Stator, einen Rotor sowie eine Kühlmittelpumpe.
Die elektrische Maschine kann sowohl motorisch wie auch generatorisch betrieben werden.
Der Rotor ist entsprechend der vorliegenden Erfindung fest, d.h. ortsfest und dreh fest, an einer Rotorwelle angeordnet. Die Rotorwelle und somit der Rotor sind um eine Rotorachse drehbar ausgeführt. Die Rotorwelle ist entsprechend der vorlie genden Erfindung zumindest teilweise hohl, nämlich als Hohlwelle mit einem Hohl raum, ausgebildet.
Erfindungsgemäß ist die Kühlmittelpumpe derart ausgeführt, dass sie über die Rotorwelle, nämlich deren Rotation, angetrieben wird. Die Kühlmittelpumpe ist dazu ausgebildet, Kühlmittel in und/oder aus den/dem Hohlraum der Rotorwelle zu fördern. Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist die Kühlmittelpumpe zumin dest teilweise in dem Hohlraum der Rotorwelle angeordnet.
Unter einem Kühlmittel ist in diesem Zusammenhang insbesondere ein flüssiges Kühlmittel, wie beispielsweise Öl, zu verstehen.
Die Kühlmittelpumpe ist erfindungsgemäß als Gerotorpumpe mit einem Deckel, einer Achse, einem Außengerotor und einem Innengerotor ausgebildet.
Der Deckel grenzt erfindungsgemäß innerhalb des Hohlraums der Rotorwelle einen Pumpenraum von dem übrigen Hohlraum der Rotorwelle ab.
Die Achse ist erfindungsgemäß fest mit einem Gehäuseteil der elektrischen Maschine und dem Deckel verbunden, beispielswiese verpresst. Der Außengerotor weist erfindungsgemäß an seiner inneren Lauffläche eine Außengerotorkontur auf und ist fest, d.h. ortsfest und drehfest, mit der Rotorwelle verbunden.
Der Innengerotor weist erfindungsgemäß an seiner äußeren Lauffläche eine In nengerotorkontur auf, die exzentrisch innerhalb der Außengerotorkontur des Au ßengerotors läuft. Weiterhin erfindungsgemäß ist der Innengerotor drehbar auf der Achse gelagert.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung sind der Außengerotor wie auch der Innengerotor zumindest teilweise in dem Pumpenraum und somit in dem Hohl raum der Rotorwelle angeordnet.
In einer bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung ist in einer Mantelfläche der Rotorwelle zumindest eine Öffnung zum Durchtritt des Kühlmit tels ausgebildet.
Vermittels der erfindungsgemäßen Ausbildung der elektrischen Maschine, im Besonderen der Kühlmittelpumpe und deren Anordnung, kann ein bauteil- und somit kostenoptimierter Aufbau der elektrischen Maschine gewährleistet werden. Durch die Integration der Kühlmittelpumpe in die Rotorwelle und deren Funktiona le Anpassung kann nämlich ein eigens für die Pumpe notwendiges Gehäuse, eine zusätzliche Antriebseinheit, Befestigungsschrauben sowie eine aufwendige Ver rohrung entfallen.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird auch durch eine elektrische Antriebseinheit gelöst, die eine oben beschriebene elektrische Maschine, eine Steuereinheit und eine Energieversorgung umfasst. Unter einer Energieversorgung ist in diesem Zusammenhang insbesondere eine Energiequelle, wie beispielsweise eine Batterie, ein Kondensator oder eine Brenn stoffzelle, zu verstehen, die Elektrizität zum motorischen Betrieb der elektrischen Maschine an einen Umrichter bereitstellt. Die bereitgestellte Elektrizität wird seitens des Umrichters in eine für den motorischen Betrieb der elektrischen Maschine unmittelbar nutzbare Form gewandelt. Im generatorischen Betrieb der elektrischen Maschine wird von dieser produzierten elektrischen Energie über den Umrichter an beispielsweise die Energiequelle, die als ein Energiespeicher fun giert, abgegeben.
Die zugrundeliegende Aufgabe wird ebenfalls durch ein erfindungsgemäßes Kraft fahrzeug gelöst, das einen Antriebsstrang aufweist, der wiederum eine oben be schriebene elektrische Antriebseinheit aufweist. Die elektrische Antriebseinheit ist erfindungsgemäß dazu ausgebildet zumindest teilweise die Antriebsleistung zum Betrieb des Kraftfahrzeugs bereitzustellen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeich nungen beschrieben.
Fig. 1 zeigt schematisch eine elektrische Maschine im Querschnitt.
Fig. 2 zeigt schematisch eine Teilansicht einer elektrischen Ma schine gemäß Fig. 1 im Querschnitt. Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine 1 weist einen Stator 2, einen dem Stator 2 zugeordneten Rotor 3 sowie eine Kühlmittelpumpe 7 auf.
Der Rotor 3 ist fest, d.h. ortsfest und drehfest, auf einer Rotorwelle 5 angeordnet. Die Rotorwelle 5 und somit der Rotor 3 sind um eine Rotorachse 4 drehbar ausge führt.
Die Rotorwelle 5 ist zumindest teilweise hohl, nämlich als Hohlwelle mit einem Hohlraum 6, ausgebildet.
Die Kühlmittelpumpe 7 ist derart ausgeführt, dass sie über die Rotorwelle 5, näm lich deren Rotation, angetrieben wird.
Unter einem Kühlmittel ist in diesem Zusammenhang insbesondere ein flüssiges Kühlmittel, wie beispielsweise Öl, zu verstehen.
Die Kühlmittelpumpe 7 ist in dem vorliegenden Beispiel gemäß Fig. 1 und Fig. 2 als Gerotorpumpe ausgeführt und umfasst einen Außengerotor 10 mit einer an seiner inneren Lauffläche ausgebildeten Außengerotorkontur, einen Innengerotor 1 1 mit einer an seiner äußeren Lauffläche ausgebildeten Innengerotorkontur, eine Achse 12 sowie einen Deckel 13. Der Außengerotor 10 ist fest, nämlich ortsfest und drehfest, an einem Innenumfang 16 der Rotorwelle 5 angeordnet. Der Innen gerotor 1 1 ist exzentrisch zur Rotorachse 4 innerhalb des Außengerotors 10 dreh bar auf der Achse 12 gelagert. Die Achse 12 ist einen Ends fest mit einem Gehäu seteil 14 der elektrischen Maschine 1 und anderen Ends fest mit dem Deckel 13 verbunden. Der Außengerotor 10 wird über die Rotorwelle 5 angetrieben und treibt wiederum den Innengerotor 1 1 der Kühlmittelpumpe 7 zum exzentrischen Lauf an. Der Deckel 13 grenzt im Wesentlichen einen Pumpenraum 15 der Kühlmittel- pumpe 7 von dem restlichen Hohlraum 6 der Rotorwelle 5 ab. Der Außengerotor 10 und der Innengerotor 1 1 sind teilweise in dem Pumpenraum 15 und somit teil weise in dem Hohlraum 6 der Rotorwelle 5 angeordnet. Der Außendurchmesser des Deckels 13 ist geringfügig kleiner als der Innendurchmesser der Rotorwelle 5 - derart wird insbesondere eine axiale hydraulische Abdichtung zwischen dem Innengerotor 11 und dem Außengerotor 10 im Bereich des Pumpenraums 15 zum restlichen Hohlraum 6 hin erzielt.
Die Kühlmittelpumpe 7 ist dazu ausgebildet, Kühlmittel in den Hohlraum 6 und/oder aus dem Hohlraum 6 der Rotorwelle 5 zu fördern. Die Kühlmittelpumpe 7 weist auf Seiten des Gehäuseteils 14 der elektrischen Maschine 1 einen Zulauf (nicht dargestellt) und im Deckel 13 der Kühlmittelpumpe 7 in Richtung zum Hohl raum 6 der Rotorwelle 5 einen Ablauf (nicht dargestellt) auf.
Das Kühlmittel wird von der Kühlmittelpumpe 7 über den Hohlraum 6 durch Öff nungen 9 in der Mantelfläche 8 der Rotorwelle 5 gefördert. Dabei wird die Rotor welle 5 vom durchströmenden Kühlmittel gekühlt. Des Weiteren kühlt das durch die Öffnung 9 in der Rotorwelle 5 ausströmende Kühlmittel auch die Umgebungs bauteile.
Bezuaszeichenliste
1 Elektrische Maschine
2 Stator
3 Rotor
4 Rotorachse
5 Rotorwelle
6 Hohlraum
7 Kühlmittelpumpe
8 Mantelfläche
9 Öffnung
10 Außengerotor
1 1 Innengerotor
12 Achse
13 Deckel
14 Gehäuseteil (der elektrischen Maschine)
15 Pumpenraum
16 Innenumfang (der Rotorwelle)

Claims

Patentansprüche
1. Elektrische Maschine (1 ) umfassend einen Stator (2), einen Rotor (3), der um eine Rotorachse (4) drehbar fest auf einer Rotorwelle (5) angeordnet ist, wobei die Rotorwelle (5) zumindest teilweise als Hohlwelle mit einem von einem Kühlmittel durchströmbaren Hohlraum (6) ausgebildet ist und eine Kühlmittelpumpe (7) zum Fördern von Kühlmittel, wobei die Kühlmittel pumpe (7) als Gerotorpumpe ausgebildet ist und Folgendes umfasst:
einen Deckel (13), der innerhalb des Hohlraums (6) der Rotorwelle (5) einen Pumpenraum (15) von dem übrigen Hohlraum (6) der Ro torwelle (5) abgrenzt,
eine Achse (12), wobei die Achse (12) fest mit einem Gehäuseteil (14) der elektrischen Maschine (1 ) sowie fest mit dem Deckel (13) verbunden ist,
ein Außengerotor (10) mit einer an einer inneren Lauffläche ausge führten Außengerotorkontur, wobei der Außengerotor (10) fest mit der Rotorwelle (5) verbunden ist, und
ein Innengerotor (1 1 ) mit einer an einer äußeren Lauffläche ausge führten Innengerotorkontur, wobei die Innengerotorkontur exzentrisch innerhalb der Außengerotorkontur läuft und wobei der Innengerotor (1 1 ) drehbar auf der Achse (12) gelagert ist,
wobei der Außengerotor (10) und der Innengerotor (1 1 ) zumindest teilweise in dem Pumpenraum (15) und somit in dem Hohlraum (6) der Rotorwelle (5) angeordnet sind.
2. Elektrische Maschine (1 ) nach Anspruch 1 ,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass in einer Mantel fläche (8) der Rotorwelle (5) zumindest eine Öffnung (9) zum Durchtritt des Kühlmittels ausgebildet ist.
3. Elektrische Antriebseinheit für ein Kraftfahrzeug umfassend eine Energie versorgung, eine Steuereinheit und eine elektrische Maschine (1 ) nach einem der Ansprüche 1 oder 2.
4. Kraftfahrzeug umfassend einen Antriebsstrang, der eine elektrische
Antriebseinheit nach Anspruch 3 aufweist, die dazu ausgebildet ist zumin dest teilweise die Antriebsleistung zum Betrieb des Kraftfahrzeugs bereitzustellen.
PCT/EP2020/067481 2019-07-04 2020-06-23 Elektrische maschine, elektrische antriebseinheit mit einer solchen elektrischen maschine und kraftfahrzeug mit einer solchen elektrischen antriebseinheit WO2021001212A1 (de)

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