DE102008001607A1

DE102008001607A1 - Elektrische Maschine für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102008001607A1
Application number: DE102008001607A
Authority: DE
Inventors: Boyke Richter
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-05-07
Filing date: 2008-05-07
Publication date: 2009-11-12

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine (1) für ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, die einen Rotor mit einer Rotorwelle aufweist und eine Kühlmittel aufweisende Kühleinrichtung besitzt. Es ist vorgesehen, dass die Rotorwelle (4) als eine Innenwand (9) aufweisende, von Kühlmittel (14) durchströmte Hohlwelle (7) ausgebildet ist, die in ihrem Inneren (8) mindestens ein mit der Innenwand (9) der Hohlwelle (7) verbundenes, durch seine mit der Hohlwelle (7) erfolgende Rotation förderndes Kühlmittelförderelement (10) aufweist. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Kühlen und/oder Schmieren einer elektrischen Maschine eines Fahrzeugs, insbesondere Kraftfahrzeugs.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine für ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, die einen Rotor mit einer Rotorwelle aufweist und eine Kühlmittel aufweisende Kühleinrichtung besitzt.
Stand der Technik
Elektrische Maschinen, die auf kompaktem Raum hohe Leistungen und damit Abwärme entwickeln, bedürfen der Kühlung. Im Stand der Technik sind verschiedene Ausführungen bekannt, in denen beispielsweise eine Spritzölkühlung Verwendung findet. Hierfür ist ein eigener Ölkreislauf vorgesehen, der mit einer Ölpumpe Spritzöl über Spritzdüsen in die zu kühlenden Bereiche der elektrischen Maschine einbringt.
Hieran ist nachteilig, dass ein eigener Kühlmittelkreislauf vorgesehen werden muss, der eine anzutreibende Ölpumpe, eine entsprechende Verrohrung sowie in die elektrische Maschine einzubringende Spritzdüsen und Auffangvorrichtungen zur Rückführung des Spritzöls vorsieht.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kühlung für eine gattungsgemäße elektrische Maschine bereitzustellen, die die genannten Nachteile vermeidet und mit wenig Bauteilaufwand und ohne wesentliche Baurauminanspruchnahme eine Kühlung der elektrischen Maschine bewirkt und weitere zusätzliche Funktionen bietet.
Offenbarung der Erfindung
Hierzu wird eine elektrische Maschine für ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, vorgeschlagen, die einen Rotor mit einer Rotorwelle aufweist und eine Kühlmittel aufweisende Kühleinrichtung besitzt. Hierbei ist vorgesehen, dass die Rotorwelle als eine eine Innenwand aufweisende, von Kühlmittel durchströmte Hohlwelle ausgebildet ist, die in ihrem Inneren mindestens ein, mit der Innenwand der Hohlwelle verbundenes, durch seine mit der Hohlwelle erfolgende Rotation förderndes Kühlmittelförderelement aufweist. Insbesondere für gattungsgemäße elektrische Maschinen, wie sie in elektrischen Antriebseinheiten von Fahrzeugen, beispielsweise Hybridfahrzeugen, nämlich insbesondere nachträglich hybridisierten Fahrzeugen, die zusätzlich zu dem serienmäßigen Antrieb über eine Brennkraftmaschine einen in kompakter Form ausgeführten elektrischen Antrieb erhalten, ist die vorgeschlagene Variante sinnvoll. Hierbei ist die Rotorwelle der elektrischen Maschine als Hohlwelle ausgebildet, die in ihrer Innenwand ein Kühlmittelförderelement aufweist. Das Kühlmittelförderelement ist als rein mechanisches Element fest mit der Innenwand der Hohlwelle verbunden und rotiert somit mit der Hohlwelle. Das Kühlmittelförderelement ist hierbei so ausgebildet, dass eine Kühlmittelförderung durch die Rotation des Kühlmittelförderelements mit der Hohlwelle bewirkt wird. Das Kühlmittelförderelement ist demzufolge derart ausgebildet, dass es sich mit der es umgebenden Hohlwelle dreht, es dreht sich also nicht relativ zur Hohlwelle. Durch die Drehung der Hohlwelle und die dadurch erfolgende Rotation des Kühlmittelförderelements wird das in der Hohlwelle befindliche Schmiermittel gefördert, also in Bewegung in Axialrichtung der Hohlwelle gesetzt.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die elektrische Maschine eine Antriebseinheit, insbesondere Achsantriebseinheit. Derartige Antriebseinheiten werden in vorteilhafter Weise zur Hybridisierung von konventionell aufgebauten Kraftfahrzeugen verwendet, als von solchen, die serienmäßig über eine Brennkraftmaschine verfügen und nunmehr zusätzlich mit einer elektrischen Antriebseinheit ausgerüstet werden sollen. Sie können in sehr vorteilhafter Weise auch zur Neukonstruktion von Hybridfahrzeugen oder von rein elektrisch betriebenen Fahrzeugen verwendet werden. Bevorzugt sind solche Antriebseinheiten als Achsantriebseinheiten ausgebildet, also als solche Antriebseinheiten, die jeweils einer Achse oder jeweils einem Rad zugeordnet sind. Bei Zuordnung jeweils zu einem Rad erübrigt sich in vorteilhafter Weise die Anbringung oder Ausbildung von Differentialgetrieben. Vielmehr können die einzelnen elektrischen Antriebseinheiten durch ein Steuergerät separat angesteuert und betrieben werden, abhängig von den fahrtechnischen Gegebenheiten und der gewünschten Bewegungsdynamik des Fahrzeugs.
In einer Ausführungsform ist das Kühlmittelförderelement eine Förderschaufel. Förderschaufel bedeutet hierbei, dass eine von der Innenwand der Hohlwelle ausgehende Struktur vorgesehen ist, die sich in Richtung einer Hohlwellenlängsachse erstreckt und hierbei im Wesentlichen, im Zuge der Rotation, querverlaufend ausgebildet ist, so dass sich eine Förderwirkung bezüglich eines sie umgebenden Mediums einstellt.
In einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass mehrere Kühlmittelförderelemente vorhanden sind, die ein Propellerrad bilden. Propellerräder als solche sind bekannt und im Stand der Technik geläufig, wobei in Abhängigkeit von Blattgröße und Blattsteigung solcher Propellerräder die in Abhängigkeit der Drehzahl des Propellerrades zu fördernde Kühlmittelmenge konstruktiv eingestellt werden kann.
In einer anderen Ausführungsform ist das Kühlmittelförderelement eine Förderschnecke. Eine Förderschnecke ist hierbei eine solche, wie sie im Wesentlichen als Archimedische Schnecke bekannt ist, mit der Maßgabe, dass die Förderschnecke nicht relativ zu einem diese umgebenden Förderkanal rotiert, sondern dass die Förderschnecke an dem sie umgebenden Kanal drehfest ausgebildet ist, wobei der Kanal von der Hohlwelle der elektrischen Maschine gebildet wird.
Bevorzugt ist das Kühlmittel auch ein Schmiermittel. Insbesondere kommt hierbei ein solches kombiniertes Kühl-/Schmieröl in Betracht, wie es im Stand der Technik zur Ölspritzkühlung von elektrischen Maschinen Verwendung findet.
In einer weiteren Ausführungsform ist mit der Hohlwelle ein Getriebe verbunden, das über die Hohlwelle mit Kühl- und/oder Schmiermittel beaufschlagt ist. Insbesondere bei Hybridfahrzeugen, ganz besonders bei solchen, die nachträglich hybridisiert sind, also nachträglich mit einer zusätzlich zur regulären Antriebseinheit über eine Brennkraftmaschine vorhandene elektrische Antriebseinheit verfügen, ist diese elektrische Antriebseinheit über ein Getriebe mit den anzutreibenden Rädern gekoppelt. Es ist beispielsweise möglich, ein bislang nicht hybridisiertes Fahrzeug in konventioneller Bauweise dadurch zu hybridisieren, dass die bislang nicht angetriebene Achse (beispielsweise die Hinterachse) mit einer elektrischen Antriebseinheit versehen wird, wobei mindestens eine elektrische Maschine und mindestens ein Getriebe, gegebenenfalls über ein Differential, die bislang nicht angetriebenen Hinterräder dieses Fahrzeugs antreibt. Der Antrieb kann dann entweder über die konventionelle Brennkraftmaschine über die bereits bislang angetriebene Vorderachse oder über die elektrische Antriebseinheit über die Hinterachse erfolgen. Um stets günstige Drehmomentverläufe zu erhalten, werden solche elektrische Antriebseinheiten mit Getrieben versehen, die ein- oder mehrgängig sind. Aufgrund der gerade bei Nachrüstlösungen erforderlichen, sehr kompakten Bauformen muss auf effektive Art und Weise nicht nur die Schmierung des Getriebes bewirkt, sondern insbesondere auch Abwärme abtransportiert werden. Hierfür bietet sich die vorgeschlagene elektrische Antriebseinheit an, da sie das Kühlmittel zur Kühlung sowohl der elektrischen Maschine als auch des Getriebes bereitstellt und überdies eine Schmierung des Getriebes durch das Kühlmittel/Schmiermittel erfolgen kann, wenn dieses eine hierfür geeignete Substanz ist, insbesondere ein Schmieröl. Die Verwendung von zusätzlichen Ölpumpen oder Ausbildung von zusätzlichen Ölkreisläufen erübrigt sich hierbei. Die vorgeschlagene Konstruktion kommt insbesondere in solchen Anwendungsfällen in Betracht, in denen zur Schmierung kein bestimmter, spezifischer Schmiermitteldruck erforderlich ist, sondern dem bloße Schmiermittelzirkulation ausreicht. Die Verwendung kann hierbei erfolgen, wenn die elektrische Maschine als Motor fungiert, also ihrerseits das Fahrzeug antreibt, sowie auch dann, wenn die elektrische Maschine, beispielsweise im Schubbetrieb, nicht als Motor, sondern als Generator geschaltet ist und elektrische Energie erzeugt. Selbst eine Laufrichtungsumkehr der Hohlwelle wäre bei entsprechender Ausbildung der jeweils angeschlossenen Fortführungen der Hohlwelle für die Wirksamkeit unproblematisch, da die Umkehrung der Fließrichtung als solche die Wirksamkeit der Schmierung und Kühlung nicht beeinträchtigt; es muss lediglich sichergestellt werden, dass ein hinreichend großer Kühlmittel-/Schmiermittelvorrat vorhanden ist und dass hinreichend als Wärmetauscher fungierende Flächen vorhanden sind, an denen aus dem Kühlmittel/Schmiermittel die zuvor eingetragene Wärme wieder ausgetragen werden kann. Auf diese Weise lässt sich ohne besonderen Aufwand eine sehr kompakte, beispielsweise in einem einzigen Gehäuse angeordnete, elektrische Antriebseinheit mit einem entsprechenden Getriebe verwirklichen, wobei ein eigener, interner Schmiermittel- und Kühlkreislauf realisiert werden kann, so dass die Einheit als solche funktional abgeschlossen und modular verwendet werden kann.
Weiter wird ein Verfahren vorgeschlagen zum Kühlen und/oder Schmieren einer elektrischen Maschine eines Fahrzeugs, insbesondere Kraftfahrzeugs, die einen Rotor mit einer Rotorwelle aufweist und eine Kühlmittel aufweisende Kühleinrichtung besitzt. Es ist vorgesehen, dass mittels der Rotation der Rotorwelle das Kühlmittel durch das Innere der Rotorwelle mittels eines dort angeordneten Kühlmittelförderelements gefördert wird. Es kommt folglich nicht ein Kühlmittelkreislauf und/oder Schmiermittelkreislauf der herkömmlichen Art zur Verwendung, sondern ein solcher, bei dem die Kühlmittelförderung durch die Rotation der Rotorwelle selbst bewirkt wird, vorzugsweise unter Verwendung einer der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus Kombinationen derselben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, ohne jedoch hierauf beschränkt zu sein.
Es zeigen
1 eine Prinzipdarstellung einer elektrischen Maschine mit einem in einer hohlen Rotorwelle angeordneten Kühlmittelförderelement;
2 eine andere Ausführungsform des Kühlmittelförderelements und
3 eine Prinzipdarstellung der elektrischen Maschine mit einem angeschlossenen, mit Kühlmittel/Schmiermittel beaufschlagten Getriebe.
Ausführungsform(en) der Erfindung
1 zeigt in Prinzipdarstellung eine elektrische Maschine 1 einer nicht näher dargestellten elektrischen Antriebseinheit eines nur schematisch dargestellten Fahrzeugs 33. Die elektrische Maschine 1 weist in einem Gehäuse 2 einen Stator 3 und einen auf einer Rotorwelle 4, mit dem Stator 3 zusammenwirkenden Rotor 5 auf, wobei die Rotorwelle 4 im Gehäuse 2 durch Lager 6 drehbar gelagert ist. Die Rotorwelle 4 ist als Hohlwelle 7 ausgebildet, mit einem Inneren 8. Im Inneren 8 der Hohlwelle 7 ist, mit einer Innenwand 9 der Hohlwelle 7 drehfest verbunden, bevorzugt an dieser ausgebildet, ein Kühlmittelförderelement 10 angeordnet, das als Förderschnecke 11 ausgebildet ist. Die Förderschnecke 11 funktioniert nach dem Prinzip der Archimedischen Schnecke und verlagert ein im Bereich der Hohlwelle 7, insbesondere im Inneren 8 der Hohlwelle 7 befindliches Medium 12, insbesondere nämlich Schmiermittel 13, in Längserstreckung durch die Hohlwelle 7 hindurch, abhängig von der Drehrichtung der Hohlwelle 7. Die Förderschnecke kann hierbei in allen bekannten, sinnvollerweise einsetzbaren Ausformungen ausgebildet sein, insbesondere als Bandschnecke, als Vollblattschnecke oder als Paddelschnecke, wobei die Paddelschnecke nicht fortlaufend aneinandergefügte Schraubensegmente aufweist. Das Schmiermittel 13 dient ferner als Kühlmittel 14 zur Innenkühlung, nämlich durch die Hohlwelle 7 hindurch der elektrischen Maschine 1 und Abtransport von deren Abwärme. Bei dieser Ausbildung ist zur Bewirkung eines Schmiermitteltransports durch die elektrische Maschine, nämlich durch die Hohlwelle 7, keine gesonderte Ölpumpe erforderlich, sondern es wird in sehr vorteilhafter Weise die Rotation der Rotorwelle 4 ausgenutzt, um das Schmiermittel 13 durch die Hohlwelle 7 zu transportieren. Abhängig vom jeweiligen Anwendungsbereich können die Enden der Hohlwelle 7 über eine Verrohrung und/oder einen Wärmetauscher geleitet werden oder in ein offen oder geschlossen ausgebildetes Vorratsgefäß für Schmiermittel 13 geleitet sein. Hierdurch wird in vorteilhaft einfacher und günstiger Weise eine Kühleinrichtung 34 ausgebildet.
2 zeigt eine andere Ausführungsform der elektrischen Maschine 1 mit einer anderen Ausführungsform des in der Hohlwelle 7 angeordneten Kühlmittelförderelements 10. Hier sind mehrere Kühlmittelförderelemente 10 zur Ausbildung eines Propellerrades 15 vorgesehen, wobei die einzelnen Kühlmittelförderelemente 10 in der Art von Förderschaufeln 16, ähnlich Propellerblättern, ausgebildet und drehfest mit der Innenwand 9 der Hohlwelle verbunden sind. In Anzahl und Ausgestaltung der Kühlmittelförderelemente 10, also insbesondere in Hinblick auf ihre Anzahl und ihre Steigung sowie ihre jeweilige Fläche, lässt sich bei gegebenem Drehzahlbereich der Rotorwelle 4 ein bestimmter Volumenstrom von Kühlmittel 14 beziehungsweise Schmiermittel 13 konstruktiv einstellen. Es ist hierbei auch denkbar, mehrer Förderelemente 4 hintereinander innerhalb der Hohlwelle 7 anzuordnen, insbesondere auch mehrere Propellerräder 15 oder aber Propellerräder 15 und (hier nicht dargestellt) die in 1 beschriebenen Förderschnecke 11. Auf diese Weise lassen sich im Inneren der Hohlwelle 7 die gewünschten Strömungsverhältnisse konstruktiv einstellen und insbesondere im gegebenen Drehzahlbereich eine gewünschte Verweildauer des Schmiermittels 13 beziehungsweise Kühlmittels 14 zum gewünschten Wärmeaustrag aus der elektrischen Maschine 1 bewirken.
3 zeigt eine elektrische Maschine 1 einer elektrischen Antriebseinheit 17 eines nicht dargestellten Fahrzeugs, insbesondere Kraftfahrzeugs. Die elektrische Maschine 1 ist hierbei einem geschlossenen, nur schematisch dargestellten Getriebe 18 über die Rotorwelle 4, die als Hohlwelle 7 ausgebildet ist, wie vorstehend beschrieben, angeschlossen. Das Getriebe 18 ist beispielsweise ein Planetengetriebe, wobei die Hohlwelle 7 ein Sonnenrad 19 antreibt, das mit Planetenrädern 20 kämmt. Die elektrische Maschine 1 ist über die Hohlwelle 7 an das Getriebe 18 demzufolge antriebsseitig des Getriebes angeschlossen. Das Getriebe weist eine Abtriebsseite 21 zum Antrieb von nicht dargestellten Rädern, gegebenenfalls über ein nicht dargestelltes Differentialgetriebe, auf. Das Getriebe 18 ist in einem Getriebegehäuse 22 vollständig eingehaust. Schmiermittel 13 wird über ein Propellerrad 15, das innerhalb der Hohlwelle 7, wie vorstehend beschrieben, angeordnet ist, in Richtung auf das Getriebe 18 hin durch die Hohlwelle 7 gefördert, wenn sich die Hohlwelle 7 im Betrieb der elektrischen Maschine 1 dreht, also in Richtung des Richtungspfeils R. Das Sonnenrad 19 weist in seinem Inneren Kanäle 23 auf, die das Schmiermittel 13/Kühlmittel 14 beispielsweise an Zahnradflanken 24 und an einer Sonnenradstirnseite 25 austreten lassen und das Getriebegehäuse 22 mit Schmiermittel 13/Kühlmittel 14 füllen. Bevorzugt ist das Getriebegehäuse 22 überwiegend oder auch vollständig mit dem Schmermittel 13/Kühlmittel 14 gefüllt.
Das Getriebegehäuse 2 weist einen Auslass 26 auf, aus dem das Schmiermittel 13/Kühlmittel 14 in einen Vorratsbehälter 27 gelangt, der gleichzeitig als Wärmetauscher 28 zur Umgebung 29 der elektrischen Antriebseinheit 17 dient und von dem Kühlmittel 14 transportiert Abwärme der elektrischen Maschine 1 und des Getriebes 18 an die Umgebung 29 abgibt. Über eine Rückleitung 30 ist der Vorratsbehälter 27 mit der dem Getriebe 18 abgewandten Seite 31 der Hohlwelle 7 verbunden, so dass ein geschlossener Kreislauf 32 von Schmiermittel 13/Kühlmittel 14 dargestellt werden kann. Die hier gezeigte Darstellung des Ausführungsbeispiels ist schematisch; selbstverständlich sind Abwandlungen in der für die jeweilige Anwendung günstigsten Art und Weise sinnvoll und erforderlich. Auf diese Weise lässt sich ein kombiniertes Schmiermittel-Kühlmittel-Kreislauf als geschlossener Kreislauf 32 darstellen, der keiner eigenen Ölpumpe bedarf und sowohl Kühlung als auch Schmierung der elektrischen Maschine 1 wie aus des Getriebes 18 in vorteilhafter Weise kombiniert. Der Vorratsbehälter 27 und/oder der Wärmetauscher 28 können einteilig oder separat ausgeführt werden; es ist insbesondere aber auch möglich, auf dezidierte Vorratsbehälter 27 und/oder Wärmetauscher 28 zu verzichten, wenn der Wärmeaustrag aus dem Kühlmittel 14 auch anderweitig in hinreichender Weise erfolgen kann.

Claims

Elektrische Maschine (1) für ein Fahrzeug (33), insbesondere Kraftfahrzeug, die einen Rotor (5) mit einer Rotorwelle (4) aufweist und eine Kühlmittel (14) aufweisende Kühlreinrichtung (34) besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorwelle (4) als eine Innenwand (9) aufweisende, von Kühlmittel (14) durchströmte Hohlwelle (7) ausgebildet ist, die in ihrem Inneren (8) mindestens ein, mit der Innenwand (9) der Hohlwelle (7) verbundenes, durch seine mit der Hohlwelle (7) erfolgende Rotation förderndes Kühlmittelförderelement (10) aufweist.
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (1) eine Antriebseinheit, insbesondere Achsantriebseinheit, ist.
Elektrische Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittelförderelement (10) eine Förderschaufel ist.
Elektrische Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Kühlmittelförderelemente (10) vorhanden sind, die ein Propellerrad (15) bilden.
Elektrische Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittelförderelement (10) eine Förderschnecke (11) ist.
Elektrische Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel (14) auch Schmiermittel (13) ist.
Elektrische Maschine (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein mit der Hohlwelle (7) verbundenes Getriebe (18), das über die Hohlwelle (7) mit Kühl- und/oder Schmiermittel (13, 14) beaufschlagt ist.
Verfahren zum Kühlen und/oder Schmieren einer elektrischen Maschine eines Fahrzeugs, insbesondere Kraftfahrzeugs, die einen Rotor mit einer Rotorwelle aufweist und eine Kühlmittel aufweisende Kühleinrichtung besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Rotation der Rotorwelle das Kühlmittel durch das Innere der Rotorwelle mittels eines dort angeordneten Kühlmittelförderelements gefördert wird.