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Die Erfindung bezieht sich auf eine E-Maschine mit einem Stator und mit einem Rotor, die jeweils eine zueinander gerichtete Mantelfläche aufweisen. Durch die Mantelflächen wird ein Spalt, insbesondere ein Luftspalt zwischen dem Stator und dem Rotor definiert. Die E-Maschine weist ferner eine Flüssigkeitskühlung für den Rotor und/oder den Stator auf.
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Eine derartige E-Maschine ist beispielsweise aus der
DE 10 2008 040 494 A1 sowie aus der
DE 11 2010 005 824 T5 bekannt. Bei diesen E-Maschinen wird zur Flüssigkeitskühlung des Rotors Öl, insbesondere Getriebeöl, verwendet.
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Öl, wie Getriebeöl, hat die Aufgabe und damit auch die Eigenschaft in dünne Spalte hineinzukriechen. Somit gelangt das Öl, das zur Flüssigkeitskühlung des Rotors und/oder Stators dient, in den Spalt zwischen Rotor und Stator der E-Maschine. Hierdurch entstehen Scherkräfte zwischen Rotor und Stator, die zu Reibungsverlusten in der E-Maschine führen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn eine Kühlwirkung des Öls durch einen Ölnebel innerhalb der E-Maschine gewünscht ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine E-Maschine bereitzustellen, welche über einen flüssigkeitsgekühlten Rotor verfügt, bei der die Reibungsverluste durch Kühlmittel zwischen Rotor und Stator reduziert sind. Dabei soll die Kühlwirkung des Kühlmittels möglichst wenig beeinträchtigt werden.
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Diese Aufgabe wird durch eine E-Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen entnehmbar.
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Demgemäß wird eine E-Maschine vorgeschlagen, mit einem Stator und einem Rotor, die jeweils eine Mantelfläche aufweisen, wobei diese Mantelflächen zueinander gerichtet sind. Hierdurch wird ein Spalt, insbesondere ein Luftspalt, zwischen der Mantelfläche des Stators und der Mantelfläche des Rotors gebildet. Des Weiteren weist die E-Maschine eine Flüssigkeitskühlung auf. Hierbei ist vorgesehen, dass die Mantelfläche des Rotors so geformt ist, dass bei einer Rotation des Rotors Kühlmittel der Flüssigkeitskühlung axial entlang des Spaltes aus diesem hinausgefördert wird, insbesondere durch die Relativdrehung zwischen Rotor und Stator.
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Hierdurch wird erreicht, dass der Spalt im Wesentlichen frei von Kühlmittel der Flüssigkeitskühlung ist. Somit werden die Reibungsverluste zwischen Stator und Rotor reduziert. Bei dem Kühlmittel der Flüssigkeitskühlung kann es sich insbesondere um ein Schmiermittel, wie beispielsweise Öl handeln, welches gleichzeitig zur Schmierung der E-Maschine dient. Die Flüssigkeitskühlung ist insbesondere für den Stator und/oder den Rotor vorgesehen.
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Durch diese Lösung werden keine reibungsbehafteten Dichtlippen zwischen Stator und Rotor benötigt. Es ist auch keine vollständige Kapselung des Rotors erforderlich, welche Kühlmittel von dem Spalt zwischen Stator und Rotor fernhält. Somit ist die erfindungsgemäße E-Maschine besonders kostengünstig. Durch die Form der Mantelfläche des Rotors und damit der Form des Spaltes zwischen Stator und Rotor wird eine Pumpwirkung bzw. eine Verdrängerwirkung bei Rotation des Rotors bewirkt, die den Spalt von Kühlmittel der Flüssigkeitskühlung weitestgehend leerräumt und freihält. Bei der erfindungsgemäßen Lösung wird auch eine Kühlwirkung des Kühlmittels, die durch einen Kühlmittelnebel innerhalb der E-Maschine entsteht, nicht beeinträchtigt.
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In einer bevorzugten Weiterbildung der E-Maschine ist die Mantelfläche des Rotors so geformt, dass sich der Spalt in Richtung zumindest einer axialen Stirnseite des Rotors verengt. Hierdurch wird erreicht, dass das Kühlmittel in dem Spalt gezielt in Richtung dieser axialen Stirnseite aus dem Spalt hinausgefördert wird. Es kann alternativ oder zusätzlich auch vorgesehen sein, dass die Mantelfläche des Rotors zumindest eine spiralförmige Nut aufweist, welche bei Rotation des Rotors das Kühlmittel aus dem Spalt fördert. Es kann eine Auffangvorrichtung für das aus dem Spalt geförderte Kühlmittel vorgesehen werden, welche das durch den Spalt geförderte Kühlmittel von dem Rotor auffängt und gegebenenfalls weiterleitet.
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In einer Weiterbildung ist die Mantelfläche des Rotors zum Teil kegelförmig oder konkav oder konvex geformt. Durch diese kegelförmige oder konkave oder konvexe Form verengt sich der Spalt in Richtung einer der axialen Stirnseiten des Rotors. Derartige Formen des Rotors sind sehr einfach herzustellen, wodurch die Herstellungskosten des Rotors gering sind.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass die Mantelfläche des Rotors so geformt ist, dass sich der Spalt in Richtung beider axialen Stirnseiten des Rotors verengt. Beispielsweise kann der Rotor als Doppelkegel ausgeführt sein, wobei die beiden Kegelspitzen des Doppelkegels gegeneinander gerichtet sind. Hierdurch wird erreicht, dass besonders viel Kühlmittel beidseitig aus dem Spalt gefördert wird. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Mantelfläche des Rotors so geformt ist, dass ein axialer Mittelbereich des Spaltes eine konstante Spaltbreite aufweist. In diesem Fall verengt sich der Spalt im axialen Mittelbereichen nicht, sondern nur im Bereich einer oder beider axialer Stirnseiten des Rotors. Der Rotor der E-Maschine kann insbesondere als Außenläufer oder Innenläufer ausgeführt sein. Dementsprechend handelt es sich bei der E-Maschine dann um eine Innenläufermaschine oder eine Außenläufermaschine. Bei der E-Maschine handelt es sich insbesondere um einen Elektromotor und/oder Elektrogenerator.
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Die E-Maschine wird insbesondere in einem Fahrzeugantriebsstrang eingesetzt. Die Erfindung bezieht sich daher auch auf einen Fahrzeugantriebsstrang, der mit der obig erläuterten E-Maschine ausgestattet ist. In einem solchen Fahrzeugantriebsstrang dient die E-Maschine insbesondere als Traktionsantrieb, d.h. zum Vortrieb des Fahrzeugs.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen und Zeichnungen erläutert, aus welchen weitere bevorzugte Ausgestaltungen und Merkmale der Erfindung entnommen werden können. Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung:
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1, einen zweidimensionalen Längsschnitt durch eine E-Maschine,
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2, eine erste Ausführungsform im zweidimensionalen Längsschnitt,
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3, eine zweite Ausführungsform im zweidimensionalen Längsschnitt,
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4, eine dritte Ausführungsform im zweidimensionalen Längsschnitt.
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1 zeigt einen Längsschnitt durch eine E-Maschine 1 mit einem Rotor 2 und einem Stator 3. Der Rotor 2 ist auf einer Welle 4 der E-Maschine 1 zumindest drehfest befestigt. Rotor 2 und Stator 3 sind relativ zueinander drehbar. Dazu ist der Rotor 2 in einem Gehäuse 5 der E-Maschine 1 drehbar gelagert. Die E-Maschine verfügt außerdem über eine Flüssigkeitskühlung 6, welche zur Kühlung des Rotors 2 dient. Hierzu verfügt die Flüssigkeitskühlung 6 beispielsweise über eine Pumpe, welche Kühlmittel aus dem Gehäuse 5 oder einem Kühlmittelreservoir in den Rotor 2 über die Welle 4 pumpt. Das Kühlmittel tritt an axialen Stirnseiten des Rotors 2 aus diesem aus und gelangt somit zurück in das Gehäuse 5.
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Der Rotor 2 und der Stator 3 verfügen jeweils über eine Mantelfläche, welche zueinander gerichtet sind. Diese sind mit den Bezugszeichen 3A und 2A gekennzeichnet. Bei der Mantelfläche 2A des Rotors 2 handelt es sich radial betrachtet um eine Außenfläche, während es sich bei der Mantelfläche 3A des Stators 3 radial betrachtet um eine Innenfläche handelt. Zwischen diesen Mantelflächen 3A, 2A bildet sich ein Spalt 7 der E-Maschine 1 aus, im Detail handelt es sich um einen Luftspalt der E-Maschine. Bedingt durch die Flüssigkeitskühlung 6 kann Kühlmittel von dem Rotor 2 oder dem Gehäuse 5 in den Spalt 7 geraten. Hierdurch ergeben sich Scherkräfte zwischen Rotor 2 und Stator 3, welche bei einer Rotation des Rotors 2 diesen abbremsen. Es soll daher verhindert werden das Kühlmittel in den Spalt 7 gelangt und, falls dies doch geschieht, soll dieses Kühlmittel aus dem Spalt 7 hinaus gefördert werden.
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In 1 ist zudem gezeigt, dass die E-Maschine 1 Teil eines Fahrzeugantriebsstranges sein kann. Der Fahrzeugantriebsstrang gemäß 1 verfügt neben der E-Maschine 1 über ein Getriebe 8, welches als mehrstufiges oder einstufiges Getriebe ausgeführt sein kann, sowie über ein Achsverteilergetriebe 9 und Fahrzeugräder 10. Hierdurch kann ein Antriebsmoment von der E-Maschine 1 auf die Fahrzeugräder 10 übertragen werden. Im Schubbetrieb des Fahrzeugantriebsstranges kann außerdem ein Drehmoment von den Fahrzeugrädern 10 auf die E-Maschine 1 übertragen werden. Die E-Maschine 1 kann daher generatorisch oder elektromotorisch betrieben werden. Die E-Maschine 1 ist jedoch nicht auf diesen Anwendungszweck beschränkt oder sie kann in einer anderen Art von Fahrzeugantriebsstrang eingesetzt werden, z.B. bei einem Einzelradantrieb, weshalb die restlichen Bauteile des Fahrzeugantriebsstranges lediglich strichliert dargestellt sind.
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Um zu verhindern, dass sich im Betrieb der E-Maschine 1 zwischen Rotor 2 und Stator 3 in dem Spalt 7 Kühlmittel sammelt, ist es gemäß 2 vorgesehen, dass die Mantelfläche 2A des Rotors 2 so geformt ist, dass bei Rotation des Rotors 2 das Kühlmittel im Spalt 7 befindliche Kühlmittel axial aus dem Spalt 7 hinaus gefördert wird. Gemäß 2 ist dazu die Mantelfläche 2A des Rotors 2 kegelförmig, im Detail kegelstumpfförmig, ausgeführt. Dementsprechend verengt sich der Spalt 7 in Richtung einer axialen Stirnseite des Rotors 2, d.h. eine Spaltbreite des Spaltes 7 nimmt entlang dieser Richtung ab. In 2 handelt es sich hierbei um die rechte Stirnseite des Rotors 2. Durch diese Form der Mantelfläche 2A bzw. des Spaltes 7 wird eine Förderwirkung für das Kühlmittel erzeugt, welche das Kühlmittel über die rechte Stirnseite des Rotors 2 aus dem Spalt 7 fördert. Der Spalt 7 wird somit weitestgehend frei von Kühlmittel der Flüssigkeitskühlung 6 gehalten. Es ist klar, dass die Mantelfläche 2A zumindest zum Teil auch konkav oder konvex geformt sein kann, um diese Förderwirkung zu erzielen.
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Bei der Ausführungsform gemäß 3 ist der Rotor 2 als Doppelkegel ausgeführt. Die Kegelspitzen des Doppelkegels sind gegeneinander gerichtet. Somit ist die Mantelfläche 2A des Rotors 2 so geformt, dass sich der Spalt 7 in Richtung beider axialer Stirnseiten des Rotors 2 verengt. Die größte Spaltbreite des Spaltes 7 wird somit insbesondere, aber nicht zwangsweise, im Bereich einer axialen Mitte des Spalts 7 erreicht. Durch diese Doppelkegelform des Rotors 2 bzw. dessen Mantelfläche 2A wird bei Rotation des Rotors 2 eine Förderwirkung für das Kühlmittel in Richtung beider Stirnseiten des Rotors 2 erzeugt. Gegenüber der Ausführungsform nach 2 kann eine höhere Förderwirkung erreicht werden sowie, dass weniger Kühlmittel in den Luftspalt 7 gelangen kann. Auch hier kann statt eines Doppelkegels eine entsprechend doppelt konkav oder konvex geformte Mantelfläche 2A vorgesehen sein.
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Gemäß 4 ist ebenfalls vorgesehen, dass die Mantelfläche 2A des Rotors 2 so geformt ist, dass sich der Spalt 7 in Richtung beider axialer Stirnseiten des Rotors 2 verengt. Auch hier tritt eine Förderwirkung für das Kühlmittel in Richtung beider Stirnseiten des Rotors 2 auf. Gegenüber der Ausführungsform nach 3 ist in der Ausführungsform nach 4 allerdings ein axialer Mittelbereich 7A des Spaltes 7 vorgesehen, der eine konstante Spaltbreite B aufweist.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Flüssigkeitskühlung 6 nicht wie in 1 gezeigt, ausgeführt ist. Stattdessen kann die Flüssigkeitskühlung 6 des Rotors 2 beispielsweise so ausgeführt sein, dass der Rotor 2 axial oder radial gezielt mit Kühlmittel bespritzt wird oder auf sonstige Art Kühlmittel an den Rotor 2 herangeführt wird. In diesem Fall können beispielsweise die in der Welle 4 vorgesehenen Bohrungen zur Förderung des Kühlmittels entfallen.
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Bei den Ausführungsformen gemäß 1 bis 4 ist der Rotor 2 als Innenläufer ausgeführt, es kann allerdings auch ein als Außenläufer ausgeführter Rotor 2 vorgesehen sein. In diesem Fall handelt es sich bei der Mantelfläche 2A des Rotors 2 radial betrachtet um eine Innenfläche, während es sich bei der Mantelfläche 3A des Stators 3 dann um eine Außenfläche handelt. Auf die Förderwirkung des Rotors 2 für das Kühlmittel hat dies keinen Einfluss. Durch die hier aufgezeigten Maßnahmen kann sehr einfach der Spalt 7 im Betrieb der E-Maschine 1 weitestgehend frei von Kühlmittel gehalten werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- E-Maschine
- 2
- Rotor
- 2A
- Mantelfläche Rotor
- 3
- Stator
- 3A
- Mantelfläche Stator
- 4
- Welle
- 5
- Gehäuse
- 6
- Flüssigkeitskühlung
- 7
- Spalt/Luftspalt
- 7A
- Mittelbereich
- 8
- Getriebe
- 9
- Verteilergetriebe
- 10
- Fahrzeugrad
- B
- Spaltbreite
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008040494 A1 [0002]
- DE 112010005824 T5 [0002]
