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Die Erfindung betrifft einen Elektromotor, der mit einer verbesserten gekühlten Rotorwelle ausgestattet ist und ein elektrisches Antriebssystem mit einem solchen Elektromotor. Ferner betrifft die Erfindung ein Elektrofahrzeug, das mit einem entsprechenden elektrischen Antriebssystem versehen ist.
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Aus
DE 10 2011 078 791 A1 ist eine geschlossene elektrische Maschine mit Rotorwellenbelüftung bekannt, die eine Hohlwelle umfasst, auf der ein Rotorpaket aufgenommen ist. Darin wird über eine Kühllanze ein Kühlmittel eingebracht, das die Hohlwelle in radialer Richtung durch eine Öffnung verlässt. Die Öffnung ist auf einer dem Rotor abgewandten Seite eines Lagerschildes der elektrischen Maschine ausgebildet. Das Kühlmittel tritt in einen Zwischenraum zwischen dem Lagerschild und einem Teller ein, der zu einer Radiallüftung gehört.
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Die Druckschrift
US 4 574 210 A1 offenbart einen Elektromotor mit einem Außenrotor, der auf einer stationären Welle drehbar aufgenommen ist. Auf der stationären Welle ist ein Stator befestigt, der im Zusammenspiel mit dem Rotor diesen in Drehung versetzt. Die stationäre Welle ist in einen Bereich, in dem der Stator befestigt ist, hohl ausgebildet. In einem Abschnitt zwischen den Lagerungen und dem Stator ist eine Mehrzahl an Bohrungen in der stationären Welle ausgebildet. Im Betrieb des Elektromotors stellt sich eine Luftströmung ein, die zwischen dem Inneren der stationären Welle und dem Luftspalt zwischen dem Stator und dem Rotor zirkuliert.
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In einer Vielzahl von technischen Anwendungsgebieten besteht Bedarf an leistungsfähigen und kompakten Elektromotoren mit einer hohen Lebensdauer. Diese Anforderungen treffen insbesondere für den Bau von Elektrofahrzeugen zu. Aus einer Vielzahl von Anwendungsgebieten ist bekannt, dass die Fähigkeiten einer Kühlung eines Elektromotors bei dessen Auslegung limitierende Faktoren sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Elektromotor bereitzustellen, der eine verbesserte Kühlung aufweist, geringe Abmessungen hat, und in einfacher und wirtschaftlicher Weise herstellbar ist und insbesondere für den Betrieb eines Elektrofahrzeugs geeignet ist.
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Die Aufgabenstellung wird durch den erfindungsgemäßen Elektromotor gelöst, der einen Stator und einen Rotor umfasst. Der Rotor ist drehbar um eine Rotorachse auf einer Rotorwelle aufgenommen. Die Rotorwelle weist in dem Bereich, in dem Rotorelemente auf der Rotorwelle befestigt sind, einen Hohlabschnitt auf, der im Betrieb des Elektromotors von einem Kühlfluid durchströmt wird. An der Mantelfläche des Hohlabschnitts ist die Rotorwelle mit mindestens einer Öffnung versehen, die einen Durchtritt des Kühlfluids erlaubt. Erfindungsgemäß ist die mindestens eine Öffnung durch ihre Form und Ausrichtung dazu ausgebildet, das durchtretende Kühlfluid unmittelbar auf eine Stirnfläche des Rotors und/oder auf einen Wickelkopf des Stators zu lenken. Die mindestens eine Öffnung ist so an der Mantelfläche des Hohlabschnitts der Rotorwelle angeordnet, dass sich zwischen der mindestens einen Öffnung und der Stirnfläche des Rotors und/oder dem Wickelkopf des Stators kein Hindernis befindet. Dadurch sind die Stirnfläche des Rotors und/oder der Wickelkopf des Stators durch das durchtretende Kühlfluid unmittelbar benetzbar. Das aus der Rotorwelle heraustretende Kühlfluid erfordert damit keine Unterstützung durch weitere Strömungsvorgänge um die Stirnfläche des Rotors oder den Wickelkopf zu erreichen. Der durch die mindestens eine Öffnung hervorgerufene Strahl an Kühlfluid wird somit direkt und unmittelbar auf die zu kühlenden Komponenten gelenkt.
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Infolge dessen erreicht das Kühlfluid den Wickelkopf und die Stirnfläche des Rotors im Wesentlichen mit der Temperatur, bei der auch der Austritt aus der mindestens einen Öffnung erfolgt. Durch das Zusammenspiel von unmittelbarer, und damit maximaler Benetzung und der reduzierten Wärmeaufnahme des Kühlfluids bis zum Erreichen der zu kühlenden Komponenten wird eine gesteigerte Kühlwirkung erzielt. Je nach Bauweise des Elektromotors werden durch die erfindungsgemäße Rotorwelle mit mindestens einer Öffnung unterschiedliche technische Vorteile erreicht. Bei einer Asynchronmaschine und einer Synchronmaschine wird durch die unmittelbare Kühlung des Rotors und/oder des Wickelkopfes die erzielbare Dauerleistung erhöht. Bei einer Synchronmaschine mit Permanentmagneterregung erlaubt die erfindungsgemäße Rotorwelle zusätzlich den Einsatz von kostengünstigeren Magneten mit reduzierter Temperaturbeständigkeit, die einen verringerten Anteil an Seltenen Erden aufweisen. Darüber hinaus erlaubt die erfindungsgemäße Rotorwelle eine kompakte Bauweise. Auch auf den aufwändigen Einbau von Kühldüsen im Lagerschild kann verzichtet werden.
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Der erfindungsgemäße Elektromotor weist eine erhöhte Leistungsfähigkeit, eine erhöhte Lebensdauer und reduzierte Komplexität im Vergleich zu Elektromotoren mit Wickelkopfsprühkühlungen auf, die in Lagerschilde integriert sind. Der beanspruchte Elektromotor ist auch für anspruchsvolle Anwendungsbereiche, wie beispielsweise den Fahrzeugbau, tauglich.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung befindet sich die mindestens eine Öffnung auf der Mantelfläche des Hohlabschnitts der Rotorwelle in einem Bereich, der entlang der Rotorachse benachbart zum Rotor liegt. Die mindestens eine Öffnung ist somit zwischen dem Rotor und einem Lagerschild oder einem Lager der Rotorwelle angeordnet. Die so erzielte verringerte axiale Distanz zum Rotor und zum Wickelkopf des Stators bedeutet eine minimierte Strecke, die vom aus der Rotorwelle austretenden Kühlfluid zurückzulegen ist. Dadurch wird bei einem Kühlfluid, das als Flüssigkeit oder als Flüssigkeitsgemisch ausgebildet ist, der bis zum Erreichen der zu kühlenden Komponenten einsetzende aerodynamische Zerfall minimiert. Hierdurch wird die erreichbare Kühlleistung erhöht.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung erfolgt der Durchtritt des Kühlfluids durch die mindestens eine Öffnung bei einer Drehung der Rotorwelle. Dabei weist die Bahn des Kühlfluids nach dem Austritt aus der mindestens einen Öffnung bis zum Erreichen des Wickelkopfes und/oder der Stirnfläche des Rotors im Wesentlichen eine Spiralform oder eine Schraubenlinienform auf. Durch die Spiralform oder Schraubenlinienform wird die Bahn des Kühlfluids bis zum Erreichen der zu kühlenden Komponente verlängert, so dass ein aerodynamischer Zerfall, beispielsweise ein Rayleigh-Zerfall, ein Weber-Zerfall, oder eine Zerstäubung eintritt. Dadurch wird die zu kühlende Komponente im Wesentlichen flächig benetzt. Das auf den Wickelkopf des Stators oder die Stirnfläche des Rotors gerichtete Kühlfluid wird in einem Maß flächig verteilt, in dem lediglich ein Minimum an Kühlfluid die zu kühlenden Komponenten verfehlt. Die erfindungsgemäße Rotorwelle erlaubt damit eine verbesserte Ausnutzung des eingesetzten Kühlfluids und steigert damit die Gesamteffizienz des erfindungsgemäßen Elektromotors.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Elektromotors weist die mindestens eine Öffnung eine geneigte Durchtrittsachse auf. Infolge der Neigung schließt die Durchtrittsachse mit der Rotorachse einen Austrittswinkel ein, durch den die Durchtrittsachse die Stirnfläche des Rotors oder den Wickelkopf des Stators erreicht und schneidet. Der Austrittswinkel liegt dabei vorzugsweise in einem Bereich zwischen 15° und 120°, besonders bevorzugt in einem Bereich zwischen 45° und 90°. Ein solcher Austrittswinkel ist in einfacher Weise durch einen entsprechenden Bohrungswinkel herstellbar und erlaubt es, das Kühlfluid beim Austritt aus der mindestens einen Öffnung in eine gewünschte Richtung zu lenken. Darüber hinaus erfordert die Öffnung keinen zusätzlichen Bauraum. Die erfindungsgemäße Lösung ist somit platzsparend und wirtschaftlich herstellbar.
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Vorzugsweise ist die Durchtrittsachse der mindestens einen Öffnung in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung in der Wandung der Rotorwelle geneigt ausgebildet. Die Neigung der Durchtrittsachse ist hierbei eine Ausrichtung der Durchtrittsachse, die von einer Radialrichtung bezüglich der Rotorachse abweicht. Zwischen der Radialrichtung und der Durchtrittsachse liegt dabei ein Kippwinkel vor, durch den der Austritt des Kühlfluids im Bereich der mindestens einen Öffnung in einem Winkel zur Mantelfläche des Hohlabschnitts erfolgt, der wesentlich von einer Normalen zur Mantelfläche abweicht. Ein entsprechender Kippwinkel gewährleistet bei einer Drehung der Rotorwelle beim Austritt des Kühlfluids eine erhöhte Tangential-Komponente des Kühlfluids. Hierdurch wird die Umlenkung des Kühlfluids bis zum Erreichen der zu kühlenden Komponenten verringert. Die verringerte Umlenkung erlaubt es, die Ausrichtung der mindestens einen Öffnung auf die zu kühlenden Komponenten zu vereinfachen. Die Neigung der mindestens einen Öffnung um den Kippwinkel stellt einen konstruktiv einfach einstellbaren Parameter dar, durch den die Gesamteffizienz des erfindungsgemäßen Elektromotors weiter gesteigert wird.
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Darüber hinaus kann die mindestens eine Öffnung einen Öffnungsdurchmesser aufweisen, der ein Zerstäuben des Kühlfluids erlaubt. Bei einer entsprechenden Ausrichtung der mindestens einen Öffnung wird durch das Zerstäuben des Kühlfluids eine im Wesentlichen flächige Kühlwirkung auf der Stirnfläche des Rotors und/oder dem Wickelkopf des Stators erzielt. Dies erlaubt eine verbesserte Ausnutzung der thermischen Kapazität des Kühlfluids. Hierdurch wird die Leistungsfähigkeit der Kühlung weiter gesteigert.
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Weiter bevorzugt ist das Kühlfluid als ein Gas, ein Gasgemisch ein Aerosol, eine Flüssigkeit oder ein Flüssigkeitsgemisch ausgebildet. Die beanspruchte Lösung erlaubt es, die verbesserte Kühlwirkung in unterschiedlichen Bauformen eines Elektromotors mit verschiedenen Kühlfluiden zu erzielen. Beispielsweise wird eine verbesserte Luftkühlung, eine verbesserte Sprühkühlung oder auch ein verbesserter Wasser- oder Ölkühlung ermöglicht.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsform umfasst das Kühlfluid ein nicht-leitendes Öl, so dass bei Beschädigungen des Stators oder des Rotors Kurzschlüsse vermieden werden. Derartige Öle weisen eine Zähigkeit auf, die ein besonders vorteilhaftes Zerstäubungsverhalten gewährleisten. Weiter bevorzugt umfasst das Kühlfluid ein Getriebeöl, das aus einem Getriebe zur Rotorwelle gefördert wird. Die beanspruchte Lösung ist fehlervermeidend für eine Vielzahl an Bauweisen von Elektromotoren geeignet. Die Anpassung an unterschiedliche Kühlfluide erfolgt dabei im Wesentlichen durch eine Anpassung des Öffnungsdurchmessers und/oder der Anzahl an Öffnungen.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist die mindestens eine Öffnung einen konvergenten oder konvergent-divergenten Querschnitt auf. Hierdurch wird in Abhängigkeit vom eingesetzten Kühlfluid und den vorliegenden Druckverhältnissen im Hohlabschnitt der Rotorwelle eine gerichtete und wirbelarme Strömung des Kühlfluids beim Austritt aus der Öffnung hervorgerufen. Darüber hinaus wird durch eine entsprechende Anpassung des Querschnitts der Öffnung eine angestrebte Zerstäubung des Kühlfluids unterstützt.
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Weiter bevorzugt ist im erfindungsgemäßen Elektromotor der im Kühlfluid herrschende Druck durch eine entsprechende Einstellung eines Förderdrucks und/oder Absaugdrucks wählbar. Hierzu ist die Förderleistung durch die Steuerung und/oder Regelung eines von einer Förderpumpe oder Umwälzpumpe, beispielsweise eines Ölkreislaufs oder einer separaten Ölpumpe, bereitgestellten dynamischen Drucks einstellbar. Die Austrittsgeschwindigkeit und der vorliegende Massenstrom des Kühlfluids an der mindestens einen Öffnung werden durch den Druck des Kühlfluids im Hohlabschnitt der Rotorwelle bestimmt. Je höher der Druck des Kühlfluids im Hohlabschnitt der Rotorwelle ist, umso höher sind an der mindestens einen Öffnung die Austrittsgeschwindigkeit und der Massenstrom des Kühlfluids, das auf den Wickelkopf des Stators und/oder die Stirnfläche des Rotors gerichtet wird. Ferner wird dadurch auch das Zerstäubungsverhalten des Kühlfluids bestimmt. Eine erhöhte Strömungsgeschwindigkeit führt hierbei zu einer stärkeren Zerstäubung durch Auswählen eines entsprechenden Förderdrucks und/oder Absaugdrucks im Hohlabschnitt der Hohlwelle. Insgesamt ist so eine verbesserte Kühlwirkung am Wickelkopf des Stators und/oder der Stirnfläche des Rotors erzielbar.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist an der Mantelfläche des Hohlabschnitts eine Mehrzahl an Öffnungen kranzförmig angeordnet. Die einzelnen Öffnungen sind im Wesentlichen gleich beabstandet und durch gleiche Teilungswinkel voneinander getrennt. Weiter bevorzugt liegt der Teilungswinkel in einen Bereich von 15° bis 120°. Durch die gleichmäßige Anordnung an der Mantelfläche des Hohlabschnitts wird im laufenden Betrieb des Elektromotors eine gleichmäßige Kühlung erzielt. Durch die Wahl einer entsprechenden Anzahl von Öffnungen wird der Massenstrom an insgesamt aus der Rotorwelle austretendem Kühlfluid bestimmt, so dass hierdurch in einfacher Weise die Intensität der Kühlung einstellbar ist. Kranzförmig angeordnete Öffnungen in einem Hohlabschnitt der Rotorwelle sind durch Bohrungen in einfacher Weise herstellbar. Die Erfindung erlaubt es, die für den Kühlvorgang relevanten Parameter durch einfach umsetzbare Fertigungsvorgaben umzusetzen. Hierdurch wird die Wirtschaftlichkeit des erfindungsgemäßen Elektromotors weiter gesteigert.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe wird auch durch ein elektrisches Antriebssystem gelöst, das eine Steuereinheit und eine Energieversorgung umfasst. Zur Energieversorgung gehört eine Energiequelle, beispielsweise eine Batterie oder eine Brennstoffzelle, die Elektrizität zum Betrieb eines Elektromotors gemäß einer der oben skizzierten Ausführungsformen an einen Umrichter bereitstellt. Die von der Energiequelle bereitgestellte Elektrizität wird vom Umrichter in eine für den Elektromotor unmittelbar nutzbare Form in puncto Spannung, Stromstärke und Frequenz umgewandelt. Ein derartiges elektrisches Antriebssystem weist eine erhöhte Leistungsfähigkeit auf und ist für eine Vielzahl an Einsatzzwecken geeignet.
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Die zugrundeliegende Aufgabenstellung wird ebenfalls durch ein erfindungsgemäßes Elektrofahrzeug gelöst, das einen Antriebsstrang umfasst, der mit einen oben skizzierten erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystem verbunden ist. Das Elektrofahrzeug ist rein elektrisch angetrieben oder als ein Hybridfahrzeug ausgebildet, bei dem das elektrische Antriebssystem einen Verbrennungsmotor unterstützt. Die Unterstützung besteht darin, zeitweise die zum Betrieb erforderliche Antriebsleistung nur über das elektrische Antriebssystem bereitzustellen, oder parallel zum Verbrennungsmotor zusätzliche Antriebsleistung an den Antriebsstrang zu liefern.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsformen dargestellt, die in den 1 bis 4 abgebildet sind. Merkmale einzelner Ausführungsformen sind im Rahmen des fachmännischen Könnens untereinander ohne Weiteres miteinander kombinierbar. Es zeigen im Einzelnen
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1 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Elektromotors im Querschnitt,
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2 eine Detailansicht der Ausführungsform nach 1,
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3 einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Rotorwelle gemäß einer zweiten Ausführungsform,
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4 einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Rotorwelle gemäßer einer dritten Ausführungsform,
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5 schematisch den Aufbau eines Elektrofahrzeugs mit einem erfindungsgemäßen Antriebssystem.
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In 1 ist schematisch eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Elektromotors 10 im Querschnitt dargestellt. Der Elektromotor 10 umfasst ein Gehäuse 12, in dem ein Stator 20 und ein auf einer Rotorwelle 36 befestigter Rotor 30 aufgenommen sind. Der Stator 20 umfasst einen Wickelkopf 24, und ist von Statorwicklungen 22 umgeben. Der Stator 20 ist vom Rotor 30 durch einen umlaufenden Luftspalt 28 getrennt und die Rotorwelle 36 ist an ihren Enden im Bereich der Wandung des Gehäuses 12 jeweils in einem Lager 14 drehbar aufgenommen. Die Drehung 15 der Rotorwelle 36 erfolgt um die Rotorachse 41. Des Weiteren gehört zum Rotor 30 eine Vielzahl an Rotorelementen 32, die je nach Bauart des Elektromotors 10 Wicklungen oder Permanentmagnete umfassen. Die Rotorwelle 36 weist an einem Ende einen Zapfenabschnitt 38 auf, der an einen Hohlabschnitt 40 der Rotorwelle 36 angrenzt, der so wie der Zapfenabschnitt 38 in einem Lager 14 drehbar aufgenommen ist. Der Hohlabschnitt 40 der Rotorwelle 36 ist durch eine Stirnfläche 44 einseitig geschlossen, die an den Zapfenabschnitt 38 angrenzt. Der Hohlabschnitt 40 ist ferner im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet und an seinem offenen Ende mit einem Zulauf 26 für ein Kühlfluid 25 verbunden. Im Betrieb des Elektromotors 10 strömt das Kühlfluid 25 in Richtung der Stirnfläche 44 des Hohlabschnitts 40 und gewährleistet so eine Kühlung der Wandung 39 des Hohlabschnitts 40. Im Hohlabschnitt 40 der Rotorwelle 36 ist im Wesentlichen mittig ein Rückführkanal 19 aufgenommen, der sich bis in den Bereich der Stirnfläche 44 des Hohlabschnitts 40 erstreckt. Durch den Rückführkanal 19 erfolgt ein Rücklauf 27 des Kühlfluids 25 aus der Rotorwelle 36 heraus.
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Die Wandung 39 des Hohlabschnitts 40 ist jeweils um einen Bereich 37, der benachbart zum Rotor 30 ist, mit Öffnungen 42 versehen, die sich im Wesentlichen aus dem Inneren des Hohlabschnitts 40 radial nach außen erstrecken. Durch die Öffnungen 42 erfolgt jeweils ein Kühlfluid-Austritt 46, der im Wesentlichen auf eine Stirnfläche 34 des Rotors 30 oder einen Wickelkopf 24 des Stators 20 gerichtet ist. Durch die Formgebung und Ausrichtung der Öffnungen 42 ist der Kühlfluid-Austritt 46, wie in 1 abgebildet, im Wesentlichen geradlinig auf die Stirnfläche 34 des Rotors 30 und den Wickelkopf 24 des Stators 20 gerichtet. Bei einer Drehung 15 der Rotorwelle 36 um die Rotorachse 41 weist der Kühlfluid-Austritt 46 räumlich im Wesentlichen eine Schraubenlinienform auf. Die Öffnungen 42 erlauben dadurch ein unmittelbares Benetzen der Wickelköpfe 24 und der Stirnflächen 34 des Rotors 30. Der vom Kühlfluid 25 von der Mantelfläche 45 des Hohlabschnitts 40 an zurückgelegte Weg ist damit minimal, so dass bis zum Erreichen des Wickelkopfes 24 oder der Stirnfläche 34 des Rotors 30 nur eine minimale Erwärmung des Kühlfluids 25 vorliegt. Dadurch wird die Kühlfähigkeit des Kühlfluids 25 in erhöhtem Maß ausgenutzt. Des Weiteren ist der Elektromotor 10 an der Wandung seines Gehäuses 12 mit einem Sumpf 23 versehen, der dazu ausgebildet ist, überschüssiges Kühlfluid 25 zu sammeln und einer erneuten Verwendung zuzuführen.
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2 zeigt im Detail den Aufbau des erfindungsgemäßen Elektromotors 10 aus 1 im Bereich zwischen der Rotorachse 41 und der Wandung des Gehäuses 12. In 2 ist, wie in 1, der Stator 20 mit Statorwicklungen 22 versehen und weist Wickelköpfe 24 an seinen Enden auf. Gleichermaßen ist der aus Rotorelementen 32 zusammengesetzte Rotor 30 auf dem Hohlabschnitt 40 der Rotorwelle 36 befestigt, die um die Rotorachse 41 drehbar ist. Zwischen dem Stator 20 und dem Rotor 30 liegt ein umlaufender Luftspalt 28 von im Wesentlichen konstanter Breite vor. Das über den Zulauf 26 in den Hohlabschnitt 40 eintretende Kühlfluid erreicht die Öffnungen 42, die in der Mantelfläche 45 des Hohlabschnitts 40 ausgebildet sind. Die Öffnungen 42 sind geneigt ausgebildet, so dass die Neigung der Öffnungen 42 deren Durchtrittsachse 47 festlegt. Die Durchtrittsachse 47 entspricht hierbei im Wesentlichen der Richtung, in der das Kühlfluid 25 den Hohlabschnitt 40 der Rotorwelle 36 verlässt, also der Kühlfluid-Austritt 46 erfolgt. Jeweils eine Durchtrittsachse 47 der Öffnungen 42 schließt einen Neigungswinkel 43 mit der Rotorachse 41 ein, der bei der Herstellung durch entsprechendes Ansetzen eines Bohrwerkzeugs an der Wandung 39 einstellbar ist. Die beiden Neigungswinkel 43 liegen jeweils in einem Bereich zwischen 5° und 120°. Ferner tritt beim Passieren der Öffnungen 42 eine Zerstäubung des Kühlfluids 25 ein. Das Kühlfluid 25 tritt jeweils aus den Öffnungen 42 in einem Sprühwinkel 53 aus, der zumindest teilweise auf den Wickelkopf 24 des Stators oder die Stirnfläche 34 des Rotors 30 gerichtet ist. Dadurch wird ein im Wesentlichen flächiges Kühlen des Wickelkopfes 24 und der Stirnfläche 34 des Rotors 30 hervorgerufen. Dabei sind die Öffnungen 42 in einem Bereich 37 an der Wandung 39 des Hohlabschnitts 40 angebracht, der benachbart zum Rotor 30 mit seinen Rotorelementen 32 liegt. Hierdurch wird die Distanz zwischen den Öffnungen 42 und dem Wickelkopf 24 bzw. der Stirnfläche 34 des Rotors 30 minimiert und so die Kühlwirkung des Kühlfluids 25 weiter gesteigert.
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In 3 ist eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Rotorwelle 36 im Bereich des Hohlabschnitts 40 im Querschnitt dargestellt. Im Hohlabschnitt 40 liegt eine Axialströmung 54 des Kühlfluids 25 entlang der Rotorachse 41 vor. Die Wandung 39 des Hohlabschnitts 40 ist mit einer Mehrzahl an Öffnungen 42 versehen, die jeweils eine Längsachse aufweisen, die mit der Durchtrittsachse 47 für das Kühlfluid 25 im Hohlabschnitt 40 korrespondiert. Die Bohrachsen bzw. Durchtrittsachsen 47 sind im Wesentlichen sternförmig auf die Rotorachse 41 der Rotorwelle 36 gerichtet, so dass die einzelnen Öffnungen 42 auf der Mantelfläche 45 des Hohlabschnitts 40 umlaufend angeordnet sind. Die Durchtrittsachsen 47 entsprechen bezüglich der Rotorachse 41 jeweils einer Radialrichtung. Zwischen den einzelnen Durchtrittsachsen 47 liegt, wie in 3 an einer Stelle beispielhaft abgebildet, ein gleicher Teilungswinkel 48 vor, so dass die Öffnungen 42 auf der Mantelfläche 45 des Hohlabschnitts 40 im Wesentlichen gleichmäßig voneinander beabstandet sind. Ferner weisen die Öffnungen 42 jeweils einen Öffnungsdurchmesser 49 auf, durch den der Massenstrom des jeweiligen Kühlfluid-Austritts 46 einstellbar ist. Im bestimmungsgemäßen Betrieb des in 3 nicht näher dargestellten Elektromotors 10 befindet sich die Rotorwelle 36 in Drehung 15 in eine Drehrichtung 17, so dass der Kühlfluid-Austritt 46 nach dem Verlassen des Hohlabschnitts 40 entgegen der Drehrichtung 17 abgelenkt wird. In der ebenen Darstellung gemäß 3 ist die Bahn des Kühlfluid-Austritts 46 im Wesentlichen spiralförmig. Die Öffnungen 42 weisen auch eine Neigung in die Zeichenebene von 3 auf. Dadurch wird weist die Bahn des Kühlfluid-Austritts 46, dreidimensional betrachtet, im Wesentlichen eine Schraubenlinienform auf. Ferner divergiert der Kühlfluid-Austritt 46 entlang seiner Bahn, was in 3 durch unterbrochene Pfeillinien angedeutet ist. Es stellt sich ein Sprühwinkel 53 ein, durch den gewährleistet ist, dass eine zu kühlende Komponente, beispielsweise ein Wickelkopf oder eine nicht näher dargestellte Stirnfläche 34 des Rotors 30, flächig gekühlt wird.
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In 4 ist eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Rotorwelle 36 im Bereich des Hohlabschnitts 40 im Querschnitt dargestellt. Im Hohlabschnitt 40 liegt eine Axialströmung 54 des Kühlfluids 25 entlang der Rotorachse 41 vor. Die Wandung 39 des Hohlabschnitts 40 ist mit einer Mehrzahl an Öffnungen 42 versehen, die jeweils eine Längsachse aufweisen, die mit der Durchtrittsachse 47 für das Kühlfluid 25 im Hohlabschnitt 40 korrespondiert. Die Öffnungen 42 sind im Wesentlichen kranzförmig um die Rotorachse 41 der Rotorwelle 36 angeordnet. Dabei liegen die Öffnungsmittelpunkte 56 auf den sternförmig ausgerichteten Bezugsachsen 52, die sich in der Rotorachse 41 schneiden. Die Bezugsachse 52 definieren jeweils eine Radialrichtung in Bezug auf die Rotorachse 41. Zwischen den einzelnen Bezugsachsen 52 liegt, wie in 4 an einer Stelle beispielhaft abgebildet, ein gleicher Teilungswinkel 48 vor, so dass die Öffnungen 42 auf der Mantelfläche 45 des Hohlabschnitts 40 im Wesentlichen gleichmäßig voneinander beabstandet sind. Die Ausrichtung der Öffnungen 42 wird auch durch den Kippwinkel 55 bestimmt, der jeweils zwischen den Durchtrittsachsen 47 und den Bezugsachsen 52 vorliegt. Die Bezugsachse 52 definiert in Bezug auf die Rotorachse 41 eine radiale Ausrichtung der Öffnungen 42. Die Kippwinkel 55 sind jeweils ein Maß für die Abweichung von der radialen Ausrichtung der Öffnungen 42. Ferner weisen die Öffnungen 42 jeweils einen Öffnungsdurchmesser 49 auf, durch den der Massenstrom des jeweiligen Kühlfluid-Austritts 46 einstellbar ist. Im bestimmungsgemäßen Betrieb des in 4 nicht näher dargestellten Elektromotors 10 befindet sich die Rotorwelle 36 in Drehung 15 in eine Drehrichtung 17, so dass der Kühlfluid-Austritt 46 nach dem Verlassen des Hohlabschnitts 40 entgegen der Drehrichtung 17 abgelenkt wird. In der ebenen Darstellung gemäß 4 ist die Bahn des Kühlfluid-Austritts 46 im Wesentlichen spiralförmig. Die Öffnungen 42 weisen auch eine Neigung in die Zeichenebene von 4 auf. Dadurch wird weist die Bahn des Kühlfluid-Austritts 46, dreidimensional betrachtet, im Wesentlichen eine Schraubenlinienform auf. Ferner divergiert der Kühlfluid-Austritt 46 entlang seiner Bahn, was in 4 durch unterbrochene Pfeillinien angedeutet ist. Es stellt sich ein Sprühwinkel 53 ein, durch den gewährleistet ist, dass eine zu kühlende Komponente, beispielsweise ein Wickelkopf oder eine nicht näher dargestellte Stirnfläche 34 des Rotors 30, flächig gekühlt wird.
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5 zeigt schematisch den Aufbau eines Elektrofahrzeugs 100, das mit einem erfindungsgemäßen Antriebssystem 90 ausgestattet ist. Das Antriebssystem 90 umfasst eine Energiequelle 74, die beispielsweise als Batterie oder als Brennstoffzelle ausgebildet ist. Die von der Energiequelle 74 bereitgestellte elektrische Energie wird durch einen Umrichter 72 in puncto Spannung, Stromstärke und Frequenz für den bestimmungsgemäßen Betrieb des Elektromotors 10 angepasst. Der Umrichter 72 und die Energiequelle 74 bilden zusammen die Energieversorgung 76 im elektrischen Antriebssystem 90. Sowohl der Umrichter 72 als auch die Energiequelle 74 werden durch eine gemeinsame Steuereinheit 70 gesteuert. Gleichermaßen steuert die Steuereinheit 70 den Elektromotor 10, der mechanische Arbeit zum Betrieb des Antriebsstrangs 80 bereitstellt. Der Elektromotor 10 ist im erfindungsgemäßen elektrischen Antriebssystem 90 gemäß einer der oben beschriebenen Ausführungsformen ausgebildet und weist eine nicht näher dargestellte Rotorwelle 36 auf, die eine verbesserte Kühlung des Elektromotors 10 gewährleistet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011078791 A1 [0002]
- US 4574210 A1 [0003]
