WO2023198385A1 - Kühlfluidführende rotorwelle für einen rotor einer elektrischen maschine mit prallwand - Google Patents

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WO2023198385A1
WO2023198385A1 PCT/EP2023/056464 EP2023056464W WO2023198385A1 WO 2023198385 A1 WO2023198385 A1 WO 2023198385A1 EP 2023056464 W EP2023056464 W EP 2023056464W WO 2023198385 A1 WO2023198385 A1 WO 2023198385A1
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WO
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rotor
cooling fluid
wall
cavity
hollow shaft
Prior art date
Application number
PCT/EP2023/056464
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English (en)
French (fr)
Inventor
Rafael Sabaini
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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Filing date
Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/32—Rotating parts of the magnetic circuit with channels or ducts for flow of cooling medium
    • 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
    • H02K9/00—Arrangements for cooling or ventilating
    • H02K9/19—Arrangements for cooling or ventilating for machines with closed casing and closed-circuit cooling using a liquid cooling medium, e.g. oil

Definitions

  • the invention relates to a rotor shaft for a rotor of an electrical machine.
  • the rotor shaft has a hollow shaft for supporting a rotor core of the rotor and for guiding a cooling fluid in a hollow space of the hollow shaft formed by a tubular outer wall of the hollow shaft.
  • the rotor shaft has an inflow area for the cooling fluid into the cavity, which is arranged at the end on the hollow shaft.
  • the invention also relates to a rotor for an electrical machine and an electrical machine.
  • electrical machines which can be used, for example, as drive machines for electrified motor vehicles, i.e. electric or hybrid vehicles.
  • Such electrical machines usually have a stator and a rotor that is rotatably mounted with respect to the stator.
  • the rotor has a rotor core, for example a laminated core, through which a rotor shaft passes and is connected to the rotor in a rotationally fixed manner.
  • the rotor core also carries a magnetic field-generating component of the rotor, for example permanent magnets or rotor windings that can be energized.
  • To cool the rotor it is known from the prior art to design the rotor shaft as a hollow shaft and to allow a cooling fluid, for example oil, to flow through it.
  • the cooling fluid is usually introduced into the hollow shaft axially on one side of the hollow shaft, for example an output side or gearbox side, and leaves the hollow shaft via outlet openings, for example bores on the output side and on a side axially opposite the output side, for example for cooling on stator winding heads of the stator. Adjusting the amount of oil between the output side and the opposite rotor side is usually not possible regardless of the speed, since the amount of oil introduced has a speed-independent axial component and a speed-dependent radial component. It is the object of the present invention to provide a simple solution for speed-independent cooling of an electrical machine.
  • a rotor shaft according to the invention for a rotor of an electrical machine has a hollow shaft for carrying a rotor core of the rotor and for guiding a cooling fluid in a hollow space of the hollow shaft formed by a tubular outer wall of the hollow shaft.
  • the rotor shaft has an inflow area for the cooling fluid into the cavity, which is arranged at the end on the hollow shaft.
  • the inflow area has a cup-shaped housing which has a side wall running circumferentially and a bottom wall axially covering the side wall.
  • the bottom wall and at least part of the side wall are arranged in the cavity, the bottom wall forming a baffle wall for the cooling fluid to prevent an axial flow of the cooling fluid into the cavity and the part of the side wall projecting into the cavity providing at least one radial through opening a radial inflow of the cooling fluid into an annular gap formed between the side wall and the outer wall in the cavity.
  • the invention also includes a rotor for an electrical machine having a rotor core, a magnetic field-generating component held by the rotor core and a rotor shaft according to the invention.
  • An electrical machine according to the invention for a motor vehicle has a stator and a rotor according to the invention which is rotatably mounted with respect to the stator.
  • the electrical machine can be a permanently excited electrical machine, in which the magnetic field-generating component of the rotor has permanent magnets, or an externally excited electrical machine, in which the magnetic field-generating component of the rotor has windings that can be energized.
  • the rotor core of the rotor can, for example, be designed as a laminated core made of axially stacked laminated metal lamellas and have an axial feedthrough for the rotor shaft, to which the rotor core is connected in a rotationally fixed manner.
  • the rotor shaft has the hollow cylindrical hollow shaft extending in the axial longitudinal direction.
  • the tubular outer wall of the hollow shaft faces the rotor core facing the outside and an inside facing the cavity.
  • the hollow shaft is designed to be open, on which the inflow area for the cooling fluid into the cavity is located.
  • the cooling fluid can be oil, for example.
  • the other end, which is axially opposite the transmission-side end, can, for example, be covered on the front side and thus closed.
  • the inflow area has the cup-shaped, in particular cylindrical cup-shaped, housing, which is at least partially arranged in the cavity.
  • the housing and the hollow shaft are in particular designed in one piece or are non-detachably connected to one another in a non-destructive manner, for example welded or soldered.
  • the inflow region additionally forms a coupling region for coupling to a transmission or a transmission component of the transmission of the motor vehicle.
  • the coupling area can be designed for coupling to a transmission shaft of the transmission.
  • an inside of the side wall of the housing can have a toothing, which forms a plug-in connection with an external toothing on the transmission shaft.
  • the coupling area can also have a gear pinion of the transmission, which is formed in one piece with the hollow shaft.
  • a part of the side wall of the housing of the inflow area protruding from the cavity can also form a radial seat or bearing seat for a bearing of the electrical machine.
  • An outer diameter of the housing is smaller than an inner diameter of the hollow shaft, so that an annular gap is formed between an outside of the side wall of the housing and the inside of the outer wall of the hollow shaft.
  • an annular cover section which can, for example, be formed in one piece with the housing and can be connected to the outer wall of the hollow shaft.
  • the bottom wall closes off the housing axially, so that the cooling fluid introduced into the housing cannot penetrate axially into the cavity, but instead bounces off the bottom wall.
  • the side wall has at least one through-opening, for example four through-openings distributed in the circumferential direction.
  • the cooling fluid can thus penetrate radially from the housing via the at least one through opening into the annular gap and in the direction of the flow from the outside wall. There, the cooling fluid can, for example, bounce off and thus divide in the direction of both axially opposite ends of the hollow shaft. As a result, the cooling fluid is distributed over an entire axial length of the hollow shaft up to both axially opposite ends of the hollow shaft.
  • a distribution ratio of the cooling fluid can be set, for example, via an internal geometry of the hollow shaft.
  • the hollow shaft preferably has radial outlet openings at axially opposite end sections of the outer wall for separating the cooling fluid emerging from the inflow area and flowing towards the end sections into an area surrounding the rotor.
  • First outlet openings are arranged at a first end section, for example an outer wall section adjacent to the gear-side end, and second outlet openings are arranged at a second end section, for example an outer wall section adjacent to the other end.
  • the cooling fluid axially distributed in the hollow shaft can be deposited at two opposite ends, for example on winding heads of the stator located there, which are formed by windings of the stator on axially opposite end faces of a stator core of the stator. Both the rotor core can be cooled by axial flow through the hollow shaft and the stator by separating the cooling fluid.
  • a number and/or a diameter of the first outlet openings is different from a number and/or a diameter of the second outlet openings.
  • the outlet openings thus form static, end-section-specific throttles for regulating the amount of passage from the cavity into the environment.
  • an inside of the outer wall has a plurality of cooling fins running in the circumferential direction and axially spaced apart from one another, with one cooling fin being arranged to overlap in the radial direction with the at least one through opening of the housing and being designed to divide the cooling fin emerging from the inflow area To adjust the cooling fluid hitting the outer wall in the direction of the axially opposite end sections.
  • the inside of the outer wall is thus designed to be ribbed to increase cooling capacity, with the cooling fins being designed, for example, as respective intermediate walls between two annular grooves formed on the inside.
  • One of the cooling fins is arranged to overlap with the at least one through opening of the housing, with a Distribution ratio of the cooling fluid depends on a position of the cooling fin with respect to a center point of the through opening.
  • the cooling fin designed to adjust the cooling fluid distribution has a greater radial height than the other cooling fins.
  • an outside of the side wall can have at least one partition element arranged on the at least one through opening, which is designed to adjust a distribution of the cooling fluid emerging from the inflow area in the direction of the axially opposite end sections.
  • the at least one partition element has in particular a radial section for dividing the cooling fluid and a deflection section which projects axially on both sides of the radial section for deflecting the cooling fluid in the direction of the axial end sections of the outer wall of the hollow shaft.
  • the partition or the partition element is designed to carry out the division of the cooling fluid at or near the through opening.
  • the partition or the partition element divides a flow cross section of the through opening into two surface sections, whereby the volume flows can be adjusted via the area ratio provided by the positioning of the partition or the partition element.
  • FIG. 1 is a perspective view of a rotor shaft for a rotor of an electrical machine
  • Fig. 2 is a longitudinal sectional view of the rotor shaft
  • Fig. 3 is a detail from the longitudinal sectional view. Fig. 2;
  • FIG. 4 shows the detail according to FIG. 3 in a perspective view
  • FIG. 5 shows a further detail from the longitudinal sectional view according to FIG. 2;
  • Fig. 6 is a detail from a longitudinal sectional view of another
  • Fig. 7 is a detail from a longitudinal sectional view of another
  • Embodiment of the rotor shaft Embodiment of the rotor shaft.
  • Fig. 1 shows a perspective view of a rotor shaft 1 for a rotor of an electric machine of a motor vehicle.
  • An axially extending longitudinal axis L of the rotor shaft 1 corresponds to a rotation axis of the rotor.
  • the rotor shaft 1 has a hollow shaft 2, which, as shown in the longitudinal section in FIG. 2, is formed by an outer wall 4 enclosing a cavity 3. This cavity 3 can be flowed through axially by a cooling fluid, which is supplied to the hollow shaft 2 via an inflow area 5 of the rotor shaft 1.
  • the inflow area 5 is arranged at a transmission-side end 6 of the hollow shaft 2.
  • An end 7 of the hollow shaft 2 opposite the transmission-side end 6 is designed to be closed.
  • the cooling fluid flowing through the cavity 3 is separated from the cavity 3 into an area surrounding the rotor via outlet openings 8, 9 at two axially opposite end sections 10, 11 of the outer wall 4.
  • a number and/or a diameter of first outlet openings 8 on a transmission-side first end section 10 can differ from a number and/or a diameter of second outlet openings 9 on an opposite second end section 11 differentiate. Due to the different numbers and/or diameters of the outlet openings 8, 9, a quantity of the cooling fluid separated via the respective outlet openings 8, 9 can be set or adjusted.
  • the inflow area 5 a section of which is shown from different perspectives in FIGS. 3 and 4, is designed in such a way that the cooling fluid can only flow radially into the cavity 3.
  • the inflow area 5 has a cup-shaped housing 12 with a side wall 13 and a bottom wall 14.
  • the bottom wall 14 axially covers an interior 15 of the housing 12, so that the bottom wall 14 blocks an axial inflow of the cooling fluid and thus forms a baffle wall for the cooling fluid arranged in the cavity 3.
  • the side wall 13 is partially arranged in the cavity 3, with a part 13a of the side wall 13 arranged in the cavity 3 having radial through openings 16.
  • the cooling fluid can flow radially from the interior 15 of the housing 12 into an annular gap 17 formed between the part 13a of the side wall 13 and the outer wall 4, as shown by the arrows in FIG. 3, and from there axially in the direction of the end sections 10, 11 and flow out of the cavity 3 via the respective outlet openings 8, 9.
  • the inflow area 5 also forms a coupling area 18 for a transmission component, for example a transmission shaft, of the transmission and for this purpose has a toothing 19, which is formed on an inside of the side wall 13 facing the interior 15.
  • a part 13b of the side wall 13 protruding from the cavity 3 forms a bearing seat 20 for a bearing of the electrical machine.
  • the coupling area 18 can also have a gear pinion molded onto the hollow shaft 2.
  • the cooling fluid entering radially from the housing 12 into the annular gap 17 hits an inside 21 of the outer wall 4, which can, for example, be smooth or have cooling fins 22, 22 '.
  • the cooling fins 22, 22' are arranged axially spaced apart from one another, protrude radially into the cavity 3 and are designed to run circumferentially.
  • One of the cooling fins 22 ' is, as shown in the detailed view according to FIG. 5, aligned with or overlapping with the through openings 16.
  • the cooling fin 22' is located in a radial flow path of the cooling fluid flow, so that the cooling fluid hits the cooling fin 22' and is divided in both axial directions.
  • This cooling fin 22' which is provided for dividing the cooling fluid, can, as shown in FIG.
  • This cooling fin 22' forms a partition 23, which divides the cooling fluid as it exits the through opening 16.
  • the divided, essentially radially flowing cooling fluid impacts the inside 21 of the outer wall on both sides of the partition 23 and is thus directed axially to the end sections 10, 11 lying opposite one another.
  • a partition element 24 with a T- or Y-shaped cross section can be arranged on the side wall 13 of the housing 12 so as to overlap with the through opening 16.
  • This partition wall element 24 has a radial section 15 for dividing the cooling fluid and an axially projecting deflection section 16 for deflecting the radially flowing cooling fluid in the axial direction to the two end sections 10, 11.
  • the partition element 24 can, for example, be formed in one piece or firmly connected to the housing 12.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)
  • Motor Or Generator Cooling System (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Rotorwelle (1) für einen Rotor einer elektrischen Maschine aufweisend: - eine Hohlwelle (2) zum Tragen eines Rotorkerns des Rotors und zum Führen eines Kühlfluids in einem durch eine rohrförmige Außenwandung (4) gebildeten Hohlraum (3), - einen endseitig an der Hohlwelle (2) angeordneten Einströmbereich (5) für das Kühlfluid in den Hohlraum (3) mit einem topfförmigen Gehäuse (12), welches eine in Umfangsrichtung umlaufende Seitenwandung (13) und eine die Seitenwandung (13) axial abdeckende Bodenwandung (14) aufweist, wobei die Bodenwandung (14) und zumindest ein Teil (13a) der Seitenwandung (13) in dem Hohlraum (3) angeordnet sind, wobei die Bodenwandung (14) eine Prallwand für das Kühlfluid zum Verhindern einer axialen Einströmung des Kühlfluids in den Hohlraum (3) ausbildet und wobei der in den Hohlraum (3) hineinragende Teil (13a) der Seitenwandung (13) zumindest eine radiale Durchgangsöffnung (16) zum Bereitstellen einer radialen Einströmung des Kühlfluids in einen zwischen der Seitenwandung (13) und der Außenwandung (4) gebildeten Ringspalt (17) in dem Hohlraum (3) aufweist.

Description

Kühlfluidführende Rotorwelle für einen Rotor einer elektrischen Maschine mit Prallwand
Die Erfindung betrifft eine Rotorwelle für einen Rotor einer elektrischen Maschine. Die Rotorwelle weist eine Hohlwelle zum Tragen eines Rotorkerns des Rotors und zum Führen eines Kühlfluids in einem durch eine rohrförmige Außenwandung der Hohlwelle gebildeten Hohlraum der Hohlwelle auf. Außerdem weist die Rotorwelle einen endseitig an der Hohlwelle angeordneten Einströmbereich für das Kühlfluid in den Hohlraum auf. Die Erfindung betrifft außerdem einen Rotor für eine elektrische Maschine sowie eine elektrische Maschine.
Vorliegend richtet sich das Interesse auf elektrische Maschinen, welche beispielsweise als Antriebsmaschinen für elektrifizierte Kraftfahrzeuge, also Elektro- oder Hybridfahrzeuge, verwendet werden können. Solche elektrischen Maschinen weisen üblicherweise einen Stator sowie einen bezüglich des Stators drehbar gelagerten Rotor auf. Der Rotor weist einen Rotorkern, beispielsweise ein Blechpaket, auf, durch welches eine Rotorwelle hindurchgeführt und drehfest mit dem Rotor verbunden ist. Der Rotorkern trägt außerdem eine magnetfelderzeugende Komponente des Rotors, beispielsweise Permanentmagnete oder bestrombare Rotorwicklungen. Zum Kühlen des Rotors ist es aus dem Stand der Technik bekannt, die Rotorwelle als Hohlwelle auszubilden und mit einem Kühlfluid, beispielsweise einem Öl, zu durchströmen.
Das Kühlfluid wird meist axial auf einer Seite der Hohlwelle, beispielsweise einer Abtriebsseite bzw. Getriebeseite, in die Hohlwelle eingebracht und verlässt die Hohlwelle über Austrittsöffnungen, beispielsweise Bohrungen auf der Abtriebsseite und auf einer der Abtriebsseite axial gegenüberliegenden Seite, um es beispielsweise zur Kühlung auf Statorwickelköpfe des Stators abzuscheiden. Eine Justierung der Ölmenge zwischen der Abtriebsseite und der gegenüberliegenden Rotorseite gelingt meist nicht drehzahlunabhängig, da die eingebrachte Ölmenge eine drehzahlunabhängige Axialkomponente sowie eine drehzahlabhängige Radialkomponente aufweist. Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfache Lösung zum drehzahlunabhängigen Kühlen einer elektrischen Maschine bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Rotorwelle, einen Rotor sowie eine elektrische Maschine mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
Eine erfindungsgemäße Rotorwelle für einen Rotor einer elektrischen Maschine weist eine Hohlwelle zum Tragen eines Rotorkerns des Rotors und zum Führen eines Kühlfluids in einem durch eine rohrförmige Außenwandung der Hohlwelle gebildeten Hohlraum der Hohlwelle auf. Außerdem weist die Rotorwelle einen endseitig an der Hohlwelle angeordneten Einströmbereich für das Kühlfluid in den Hohlraum auf. Der Einströmbereich weist ein topfförmiges Gehäuse auf, welches eine in Umfangsrichtung umlaufende Seitenwandung und eine die Seitenwandung axial abdeckende Bodenwandung aufweist. Dabei sind die Bodenwandung und zumindest ein Teil der Seitenwandung in dem Hohlraum angeordnet, wobei die Bodenwandung eine Prallwand für das Kühlfluid zum Verhindern einer axialen Einströmung des Kühlfluids in den Hohlraum ausbildet und wobei der in den Hohlraum hineinragende Teil der Seitenwandung zumindest eine radiale Durchgangsöffnung zum Bereitstellen einer radialen Einströmung des Kühlfluids in einen zwischen der Seitenwandung und der Außenwandung gebildeten Ringspalt in dem Hohlraum aufweist.
Zur Erfindung gehört außerdem ein Rotor für eine elektrische Maschine aufweisend einen Rotorkern, eine von dem Rotorkern gehaltene magnetfelderzeugende Komponente sowie eine erfindungsgemäße Rotorwelle. Eine erfindungsgemäße elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug weist einen Stator und einen bezüglich des Stators drehbar gelagerten erfindungsgemäßen Rotor auf. Die elektrische Maschine kann eine permanenterregte elektrische Maschine sein, bei welcher die magnetfelderzeugende Komponente des Rotors Permanentmagnete aufweist, oder eine fremderregte elektrische Maschine sein, bei welcher die magnetfelderzeugende Komponente des Rotors bestrombare Wicklungen aufweist. Der Rotorkern des Rotors kann beispielsweise als ein Blechpaket aus axial gestapelten Blechlamellen ausgebildet sein und eine axiale Durchführung für die Rotorwelle aufweisen, mit welcher der Rotorkern drehfest verbunden ist.
Die Rotorwelle weist die hohlzylindrische sich in axialer Längsrichtung erstreckende Hohlwelle auf. Die rohrförmige Außenwand der Hohlwelle weist eine dem Rotorkern zugewandte Außenseite und eine dem Hohlraum zugewandte Innenseite auf. An einem der axialen Enden, insbesondere an dem getriebeseitigen Ende, über welches die Rotorwelle zur Drehmomentübertragung mit einer Getriebewelle eines Getriebes des Kraftfahrzeugs koppelbar ist, ist die Hohlwelle offen ausgebildet, an welchem sich der Einströmbereich für das Kühlfluid in den Hohlraum befindet. Das Kühlfluid kann beispielsweise Öl sein. Das dem getriebeseitigen Ende axial gegenüberliegende andere Ende kann beispielsweise stirnseitig abgedeckt und somit verschlossen sein. Der Einströmbereich weist das topfförmige, insbesondere zylindertopfförmige, Gehäuse auf, welches zumindest teilweise in dem Hohlraum angeordnet ist. Das Gehäuse und die Hohlwelle sind insbesondere einteilig ausgebildet oder zerstörungsfrei unlösbar miteinander verbunden, beispielsweise verschweißt oder verlötet.
Bevorzugt bildet der Einströmbereich zusätzlich einen Koppelbereich zum Koppeln mit einem Getriebe bzw. einer Getriebekomponente des Getriebes des Kraftfahrzeugs aus. Beispielweise kann der Koppelbereich zum Koppeln mit einer Getriebewelle des Getriebes ausgebildet sein. Dazu kann eine Innenseite der Seitenwandung des Gehäuses eine Verzahnung aufweisen, welche mit einer Außenverzahnung an der Getriebewelle eine Steckverbindung ausbildet. Auch kann der Koppelbereich ein Getrieberitzel des Getriebes aufweisen, welches einteilig mit der Hohlwelle ausgebildet ist. Ein aus dem Hohlraum hervorstehender Teil der Seitenwandung des Gehäuses des Einströmbereiches kann außerdem einen Radialsitz bzw. Lagersitz für ein Lager der elektrischen Maschine ausbilden.
Ein Außendurchmesser des Gehäuses ist dabei geringer als ein Innendurchmesser der Hohlwelle, sodass zwischen einer Außenseite der Seitenwand des Gehäuses und der Innenseite der Außenwand der Hohlwelle ein Ringspalt gebildet ist. Endseitig ist der Ringspalt dabei durch einen ringförmigen Deckelabschnitt abgedeckt, welcher beispielsweise einteilig mit dem Gehäuse ausgebildet sein kann und mit der Außenwandung der Hohlwelle verbunden sein kann.
Die Bodenwandung schließt das Gehäuse dabei axial ab, sodass das in das Gehäuse eingeleitete Kühlfluid nicht axial in den Hohlraum eindringen kann, sondern an der Bodenwandung abprallt. Um ein ausschließlich radiales Eindringen des Kühlfluids in den Hohlraum bereitzustellen, weist die Seitenwandung die zumindest eine Durchgangsöffnung, beispielsweise vier in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Durchgangsöffnungen, auf. So kann das Kühlfluid aus dem Gehäuse über die zumindest eine Durchgangsöffnung radial in den Ringspalt eindringen und in Richtung der Außenwand strömen. Dort kann das Kühlfluid beispielsweise abprallen und sich somit in Richtung beider axial gegenüberliegender Enden der Hohlwelle aufteilen. Dadurch verteilt sich das Kühlfluid über eine gesamte axiale Länge der Hohlwelle bis zu beiden einander axial gegenüberliegenden Enden der Hohlwelle. Ein Aufteilungsverhältnis des Kühlfluids kann dabei beispielsweise über eine Innengeometrie der Hohlwelle eingestellt werden.
Vorzugsweise weist die Hohlwelle an axial gegenüberliegenden Endabschnitten der Außenwandung radiale Austrittsöffnungen zum Abscheiden des aus dem Einströmbereich austretenden und in Richtung der Endabschnitte strömenden Kühlfluids in eine Umgebung des Rotors auf. Erste Austrittsöffnungen sind dabei an einem ersten Endabschnitt, beispielsweise einem an das getriebeseitige Ende angrenzenden Außenwandabschnitt, angeordnet und zweite Austrittsöffnungen sind an einem zweiten Endabschnitt, beispielsweise einem an das andere Ende angrenzenden Außenwandabschnitt, angeordnet. Über die radialen Austrittsöffnungen kann das in der Hohlwelle axial verteilte Kühlfluid an zwei gegenüberliegenden Enden, beispielsweise auf sich dort befindliche Wickelköpfe des Stators, abgeschieden werden, welche von Wicklungen des Stators an axial gegenüberliegenden Stirnseiten eines Statorkerns des Stators gebildet werden. So können sowohl der Rotorkern durch axiale Durchströmung der Hohlwelle sowie der Stator durch Abscheiden des Kühlfluids gekühlt werden.
Es kann vorgesehen sein, dass zum Einstellen einer in die Umgebung austretenden, endabschnittspezifischen Fluidmenge eine Anzahl und/oder ein Durchmesser der ersten Austrittsöffnungen unterschiedlich zu einer Anzahl und/oder einem Durchmesser der zweiten Austrittsöffnungen ist. Die Austrittsöffnungen bilden somit statische, endabschnittspezifische Drosseln zum Regulieren der Durchtrittsmenge aus dem Hohlraum in die Umgebung.
Es erweist sich als vorteilhaft, wenn eine Innenseite der Außenwandung mehrere in Umfangsrichtung umlaufende, axial zueinander beabstandete Kühlrippen aufweist, wobei eine Kühlrippe in radialer Richtung überlappend mit der zumindest einen Durchgangsöffnung des Gehäuses angeordnet ist und dazu ausgelegt ist, eine Aufteilung des aus dem Einströmbereich austretenden, an die Außenwandung prallende Kühlfluids in Richtung der axial gegenüberliegenden Endabschnitte zu justieren. Die Innenseite der Außenwandung ist somit zur Kühlleistungserhöhung gerippt ausgebildet, wobei die Kühlrippen beispielsweise als jeweilige Zwischenwände zwischen zwei in der Innenseite ausgebildeten Ringnuten ausgebildet sind. Eine der Kühlrippen ist dabei überlappend mit der zumindest einen Durchgangsöffnung des Gehäuses angeordnet, wobei ein Aufteilungsverhältnis des Kühlfluids abhängig von einer Position der Kühlrippe bezüglich eines Mittelpunktes der Durchgangsöffnung ist.
Vorzugsweise weist die zum Justieren der Kühlfluidaufteilung ausgebildete Kühlrippe unter Ausbildung einer Scheidewand für das Kühlfluid eine größere radiale Höhe auf als die anderen Kühlrippen. Alternativ dazu kann eine Außenseite der Seitenwandung zumindest ein, an der zumindest einen Durchgangsöffnung angeordnetes Scheidewandelement aufweisen, welches dazu ausgelegt ist, eine Aufteilung des aus dem Einströmbereich austretenden Kühlfluids in Richtung der axial gegenüberliegenden Endabschnitte zu justieren. Das zumindest eine Scheidewandelement weist insbesondere einen Radialabschnitt zum Aufteilen des Kühlfluids und einen von dem Radialabschnitt beidseitig axial abstehenden Umlenkabschnitt zum Umlenken des Kühlfluids in Richtung der axialen Endabschnitte der Außenwandung der Hohlwelle auf. Die Scheidewand bzw. das Scheidewandelement ist dazu ausgebildet, die Aufteilung des Kühlfluids bereits an oder nahe der Durchgangsöffnung durchzuführen. Die Scheidewand bzw. das Scheidewandelement unterteilt einen Strömungsquerschnitt der Durchgangsöffnung also in zwei Flächenabschnitte, wobei sich die Volumenströme über das durch die Positionierung der Scheidewand bzw. des Scheidewandelements bereitgestellte Flächenverhältnis einstellen lassen.
Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Rotorwelle vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für den erfindungsgemäßen Rotor sowie für die erfindungsgemäße elektrische Maschine.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 eine Perspektivdarstellung einer Rotorwelle für einen Rotor einer elektrischen Maschine;
Fig. 2 eine Längsschnittdarstellung der Rotorwelle;
Fig. 3 ein Ausschnitt aus der Längsschnittdarstellung gemäß. Fig. 2;
Fig. 4 der Ausschnitt gemäß Fig. 3 in einer perspektivischen Darstellung;
Fig. 5 ein weiterer Ausschnitt aus der Längsschnittdarstellung gemäß Fig. 2;
Fig. 6 ein Ausschnitt aus einer Längsschnittdarstellung einer weiteren
Ausführungsform der Rotorwelle; und
Fig. 7 ein Ausschnitt aus einer Längsschnittdarstellung einer weiteren
Ausführungsform der Rotorwelle.
In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt eine Perspektivdarstellung einer Rotorwelle 1 für einen Rotor einer elektrischen Maschine eines Kraftfahrzeugs. Eine sich axial erstreckende Längsachse L der Rotorwelle 1 entspricht einer Rotationsachse des Rotors. Die Rotorwelle 1 weist eine Hohlwelle 2 auf, die, wie anhand des Längsschnittes in Fig. 2 gezeigt ist, durch eine einen Hohlraum 3 umschließende Außenwandung 4 gebildet wird. Dieser Hohlraum 3 ist axial von einem Kühlfluid durchströmbar, welches der Hohlwelle 2 über einen Einströmbereich 5 der Rotorwelle 1 zugeführt wird. Der Einströmbereich 5 ist an einem getriebeseitigen Ende 6 der Hohlwelle 2 angeordnet. Ein dem getriebeseitigen Ende 6 gegenüberliegendes Ende 7 der Hohlwelle 2 ist geschlossen ausgebildet.
Das den Hohlraum 3 durchströmende Kühlfluid wird dabei über Austrittsöffnungen 8, 9 an zwei axial gegenüberliegenden Endabschnitten 10, 11 der Außenwandung 4 aus dem Hohlraum 3 in eine Umgebung des Rotors abgeschieden. Eine Anzahl und/oder ein Durchmesser von ersten Austrittsöffnungen 8 an einem getriebeseitigen ersten Endabschnitt 10 können sich von einer Anzahl und/oder einem Durchmesser von zweiten Austrittsöffnungen 9 an einem gegenüberliegenden zweiten Endabschnitt 11 unterscheiden. Aufgrund der unterschiedlichen Anzahlen und/oder Durchmesser der Austrittsöffnungen 8, 9 kann eine Menge des über die jeweiligen Austrittsöffnungen 8, 9 abgeschiedenen Kühlfluids eingestellt bzw. justiert werden.
Der Einströmbereich 5, von welchen ein Ausschnitt aus unterschiedlichen Perspektiven in Fig. 3 und Fig. 4 gezeigt ist, ist dabei derart gestaltet, dass das Kühlfluid nur radial in den Hohlraum 3 einströmen kann. Dazu weist der Einströmbereich 5 ein topfförmiges Gehäuse 12 mit einer Seitenwandung 13 und einer Bodenwandung 14 auf. Die Bodenwandung 14 deckt einen Innenraum 15 des Gehäuses 12 axial ab, sodass die Bodenwandung 14 eine axiale Einströmung des Kühlfluids blockiert und somit eine in dem Hohlraum 3 angeordnete Prallwand für das Kühlfluid ausbildet. Die Seitenwandung 13 ist dabei teilweise in dem Hohlraum 3 angeordnet, wobei ein in dem Hohlraum 3 angeordneter Teil 13a der Seitenwandung 13 radiale Durchgangsöffnungen 16 aufweist. Über diese Durchgangsöffnungen 16 kann das Kühlfluid, wie anhand der Pfeile in Fig. 3 gezeigt ist, aus dem Innenraum 15 des Gehäuses 12 in einen zwischen dem Teil 13a der Seitenwand 13 und der Außenwandung 4 gebildeten Ringspalt 17 radial einströmen, sich von dort aus axial in Richtung der Endabschnitte 10, 11 aufteilen und über die jeweiligen Austrittsöffnungen 8, 9 aus dem Hohlraum 3 ausströmen.
Der Einströmbereich 5 bildet außerdem einen Koppelbereich 18 für eine Getriebekomponente, beispielsweise eine Getriebewelle, des Getriebes aus und weist dazu hier eine Verzahnung 19 auf, welcher an einer dem Innenraum 15 zugewandten Innenseite der Seitenwandung 13 ausgebildet ist. Ein aus dem Hohlraum 3 herausragender Teil 13b der Seitenwandung 13 bildet einen Lagersitz 20 für ein Lager der elektrischen Maschine aus. Auch kann der Koppelbereich 18 ein an die Hohlwelle 2 angeformtes Getrieberitzel aufweisen.
Das aus dem Gehäuse 12 radial in den Ringspalt 17 eintretende Kühlfluid trifft auf eine Innenseite 21 der Außenwandung 4, welche beispielsweise glatt sein kann oder Kühlrippen 22, 22‘ aufweisen kann. Die Kühlrippen 22, 22‘ sind dabei axial beabstandet zueinander angeordnet, ragen radial in den Hohlraum 3 hinein und sind in Umfangsrichtung umlaufend ausgebildet. Eine der Kühlrippen 22’ ist dabei, wie in der Detailansicht gemäß Fig. 5 gezeigt ist, fluchtend zu bzw. überlappend mit den Durchgangsöffnungen 16 angeordnet. Anders ausgedrückt befindet sich die Kühlrippe 22‘ in einem radialen Strömungspfad der Kühlfluidströmung, sodass das Kühlfluid auf die Kühlrippe 22‘ trifft und in beide axialen Richtung aufgeteilt wird. Ein Flächenverhältnis B1 , B2 eines Strömungsquerschnitts der Durchgangsöffnung 16, welches von einer Position der Kühlrippe 22‘ abhängt, beeinflusst die Fluidmenge, welche in die jeweilige axiale Richtung strömt.
Diese zur Aufteilung des Kühlfluids vorgesehene Kühlrippe 22‘ kann, wie in Fig. 6 gezeigt, eine größere radiale Höhe aufweisend als die anderen Kühlrippen 22 und ausgehend von der Innenseite 21 der Außenwandung 4 bis zu der Durchgangsöffnung 16 ragen. Diese Kühlrippe 22‘ bildet eine Scheidewand 23, welche das Kühlfluid bereits beim Austritt aus der Durchgangsöffnung 16 aufteilt wird. Das aufgeteilte, im Wesentlichen radial fließende Kühlfluid prallt dabei beidseitig der Scheidewand 23 an die Innenseite 21 der Außenwand und wird somit axial zu den einander gegenüberliegenden Endabschnitten 10, 11 gelenkt.
Auch kann, wie in Fig. 7 gezeigt, ein Scheidewandelement 24 mit einem T- oder Y- förmigen Querschnitt an der Seitenwandung 13 des Gehäuses 12 überlappend mit der Durchgangsöffnung 16 angeordnet sein. Diese Scheidewandelement 24 weist einen Radialabschnitt 15 zur Aufteilung des Kühlfluids und einen axial abstehenden Umlenkabschnitt 16 zum Ablenken des radial fließenden Kühlfluids in axialer Richtung zu den beiden Endabschnitten 10, 11 auf. Das Scheidewandelement 24 kann beispielsweise einteilig oder fest verbunden mit dem Gehäuse 12 ausgebildet sein.

Claims

Patentansprüche Rotorwelle (1) für einen Rotor einer elektrischen Maschine aufweisend:
- eine Hohlwelle (2) zum Tragen eines Rotorkerns des Rotors und zum Führen eines Kühlfluids in einem durch eine rohrförmige Außenwandung (4) gebildeten Hohlraum (3),
- einen endseitig an der Hohlwelle (2) angeordneten Einströmbereich (5) für das Kühlfluid in den Hohlraum (3), dadurch gekennzeichnet, dass der Einströmbereich (5) ein topfförmiges Gehäuse (12) aufweist, welches eine in Umfangsrichtung umlaufende Seitenwandung (13) und eine die Seitenwandung (13) axial abdeckende Bodenwandung (14) aufweist, wobei die Bodenwandung (14) und zumindest ein Teil (13a) der Seitenwandung (13) in dem Hohlraum (3) angeordnet sind, wobei die Bodenwandung (14) eine Prallwand für das Kühlfluid zum Verhindern einer axialen Einströmung des Kühlfluids in den Hohlraum (3) ausbildet und wobei der in den Hohlraum (3) hineinragende Teil (13a) der Seitenwandung (13) zumindest eine radiale Durchgangsöffnung (16) zum Bereitstellen einer radialen Einströmung des Kühlfluids in einen zwischen der Seitenwandung (13) und der Außenwandung (4) gebildeten Ringspalt (17) in dem Hohlraum (3) aufweist. Rotorwelle (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einströmbereich (5) an einem getriebeseitigen Ende (6) der Hohlwelle (2) angeordnet ist und zusätzlich einen Koppelbereich (18) zum Koppeln mit einem Getriebe des Kraftfahrzeugs ausbildet. Rotorwelle (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein an der Hohlwelle (2) überstehender Teil (13b) der Seitenwandung (13) des Gehäuses (12) des Einströmbereiches (5) einen Lagersitz (20) für ein Lager der elektrischen Maschine ausbildet. Rotorwelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (12) und die Hohlwelle (2) einteilig ausgebildet sind oder zerstörungsfrei unlösbar miteinander verbunden sind. Rotorwelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlwelle (2) an axial gegenüberliegenden Endabschnitten (10, 11) der Außenwandung (4) radiale Austrittsöffnungen (8, 9) zum Abscheiden des aus dem Einströmbereich (5) radial austretenden und axial in Richtung der Endabschnitte (10, 11) strömenden Kühlfluids in eine Umgebung des Rotors aufweist. Rotorwelle (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass zum Einstellen einer in die Umgebung austretenden, endabschnittspezifischen Fluidmenge eine Anzahl und/oder ein Durchmesser von ersten Austrittsöffnungen (8) eines ersten der Endabschnitte (10) unterschiedlich zu einer Anzahl und/oder einem Durchmesser von zweiten Austrittsöffnungen (9) eines zweiten der Endabschnitte (11) ist. Rotorwelle (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine dem Hohlraum (3) zugewandte Innenseite (21) der Außenwandung (4) in Umfangsrichtung umlaufende, axial zueinander beabstandete, radial in den Hohlraum (3) hineinragende Kühlrippen (22, 22‘) aufweist, wobei eine Kühlrippe (22‘) radial fluchtend zu der zumindest einen Durchgangsöffnung (16) des Gehäuses (12) angeordnet ist und dazu ausgelegt ist, eine Aufteilung des aus dem Einströmbereich (5) austretenden, an die Innenseite der Außenwandung (4) prallenden Kühlfluids in Richtung der axial gegenüberliegenden Endabschnitte (10, 11) zu justieren. Rotorwelle (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die die zum Justieren der Kühlfluidaufteilung ausgebildete Kühlrippe (22‘) unter Ausbildung einer Scheidewand (23) für das Kühlfluid eine größere radiale Höhe aufweist als die anderen Kühlrippen (22). Rotorwelle (1) nach einem vorhergehenden Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine dem Hohlraum (3) zugewandte Außenseite der Seitenwandung (13) zumindest ein, an der zumindest einen Durchgangsöffnung (16) angeordnetes Scheidewandelement (24) aufweist, welches dazu ausgelegt ist, eine Aufteilung des aus dem Einströmbereich (5) austretenden Kühlfluids in Richtung der axial gegenüberliegenden Endabschnitte (10, 11) zu justieren. Rotorwelle (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Scheidewandelement (24) einen Radialabschnitt (25) zum Aufteilen des Kühlfluids und einen von dem Radialabschnitt (25) beidseitig axial abstehenden Umlenkabschnitt (26) zum Umlenken des Kühlfluids in Richtung der axialen Endabschnitte (10, 11) der Außenwandung (4) der Hohlwelle (2) aufweist. Rotor für eine elektrische Maschine aufweisend einen Rotorkern, eine von dem Rotorkern gehaltene magnetfelderzeugende Komponente sowie eine Rotorwelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche. Elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug aufweisend einen Stator und einen bezüglich des Stators drehbar gelagerten Rotor nach Anspruch 11.
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