DE102017207056B4

DE102017207056B4 - Elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102017207056B4
Application number: DE102017207056.0A
Authority: DE
Inventors: Christoph Sigmund
Original assignee: Magna Powertrain GmbH and Co KG
Current assignee: Magna Powertrain GmbH and Co KG
Priority date: 2017-04-26
Filing date: 2017-04-26
Publication date: 2022-03-31
Anticipated expiration: 2037-04-27
Also published as: WO2018197192A1; DE102017207056A1

Abstract

Elektrische Maschine, umfassend einen Stator einen mit dem Stator magnetisch wirkenden Rotor, wobei der Rotor um eine Drehachse drehbar gelagert ist, eine Welle (11) auf welcher der Rotor befestigt ist, wobei die Welle (11) als Hohlwelle ausgebildet ist, wobei die Welle (11) ein erstes Wellenende (13) und ein zweites Wellenende (14) aufweist und die Welle (11) einen Abschnitt aufweist der als Strangpressprofil (12) ausgebildet ist, wobei das erste Wellenende (13) und das zweite Wellenende (14) mit dem Strangpressprofil (12) an den jeweils gegenüberliegenden Enden des Strangpressprofils (12) dauerhaft verbunden sind und wobei das Strangpressprofil (12) zumindest einen im Wesentlichen ringförmigen Kühlkanal (K1) ausbildet, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster zylindrischer Körper (16) und ein zweiter zylindrischer Körper (15) vorhanden sind und ein zweiter Kühlkanal (K2) im Wesentlichen durch den Außendurchmesser des zweiten zylindrischen Körpers (15) und dem Innendurchmesser des Strangpressprofils (12) des ersten zylindrischen Körpers (16) gebildet wird.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, umfassend einen Stator einen mit dem Stator magnetisch wirkenden Rotor, wobei der Rotor um eine Drehachse drehbar gelagert ist, eine Welle auf welcher der Rotor befestigt ist, wobei die Welle als Hohlwelle ausgebildet ist.
Stand der Technik
Elektrische Maschinen erwärmen sich während der Energiewandlung von elektrischer in mechanische Energie und umgekehrt. Zur Erhöhung des Wirkungsgrades solcher elektrischer Maschinen ist es daher erforderlich diese zu kühlen. Es ist bekannt, Wellen solcher elektrischer Maschinen als Hohlwellen auszubilden, durch welche ein Kühlmedium strömen kann. Andere Lösungen sehen ein System vor bei der die Welle Bohrungen und mechanisch bearbeitete Rillen aufweist, welche mittels einer Stahlhülse umschlossen werden und so Kühlkanäle ausbilden.
Die DE 10 2012 203 697 A1 zeigt eine elektrische Maschine, umfassend einen Stator, einen um eine Drehachse drehbar gelagerten Rotor, eine Welle auf welcher der Rotor befestigt ist, wobei die Welle eine axiale Bohrung aufweist, ein Zuflusselement, das sich so in die axiale Bohrung erstreckt, dass ein Kühlmedium aus dem Zuflusselement in die axiale Bohrung fließen kann.
Aus der DE 10 2015 205 724 A1 ist eine elektrische Maschine bekannt, mit einer Rotorwelle, in der ein Tauchrohr angeordnet ist. Das Tauchrohr dient zum Kühlen der Rotorwelle, wobei Kühlmittel aus der Innenseite des Tauchrohres heraus im Bereich der Umlenkung nach außen strömt und von einem Schaufelrad beschleunigt wird.
Aus der gattungsgemäßen EP 2 846 439 A1 ist eine elektrische Maschine bekannt, die eine axiale Bohrung aufweist, durch welche Kühlmittel strömen kann. Dabei ist ein Teil der Welle aus einem Strangpressprofil hergestellt.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, elektrische Maschinen in der Hinsicht zu verbessern, dass eine Welle vorgesehen wird, welche eine verbesserte Kühlung der elektrischen Maschine gewährleistet und dabei platzsparend, gewichtsreduzierend und kostengünstig herstellbar ist.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen aus Anspruch 1.
Erfindungsgemäß ist eine elektrische Maschine vorgesehen, umfassend einen Stator einen mit dem Stator magnetisch wirkenden Rotor, wobei der Rotor um eine Drehachse drehbar gelagert ist, eine Welle auf welcher der Rotor befestigt ist, wobei die Welle als Hohlwelle ausgebildet ist, wobei die Welle einen Abschnitt aufweist der als Strangpressprofil ausgebildet ist und wobei die Welle ein erstes Wellenende und ein zweites Wellenende aufweist, wobei das erste Wellenende und das zweite Wellenende mit dem Strangpressprofil an den jeweils gegenüberliegenden Enden des Strangpressprofils dauerhaft verbunden sind.
Ein wesentlicher Vorteil bei der erfindungsgemäßen Ausbildung der Welle besteht darin, dass durch die Welle beispielsweise eine weitere mit dieser konzentrisch angeordneten Welle, ohne zusätzlichen Bauraum zu benötigen, verlaufen kann.
Gemäß der Ausgestaltung der Erfindung weist das Strangpressprofil zumindest einen Kanal auf, durch welchen ein Kühlmedium strömen kann, wobei ein erster zylindrischer Körper und ein zweiter zylindrischer Körper vorhanden sind und ein zweiter Kühlkanal im Wesentlichen durch den Außendurchmesser des zweiten zylindrischen Körpers und dem Innendurchmesser des Strangpressprofils des ersten zylindrischen Körpers gebildet wird.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen angegeben.
Vorzugsweise ist das Strangpressprofil aus Aluminium oder Aluminiumlegierung hergestellt.
Aluminium bzw. geeignete Aluminiumlegierungen werden im Automobilbau und im Maschinenbau aufgrund ihrer Eigenschaften und aufgrund von Gewichtsreduktion bevorzugt für solche Anwendungen eingesetzt.
Durch das Strangpressen lassen sich einfach und kostengünstig geeignete Geometrien herstellen. Dadurch können in der Welle zumindest in einem gewünschten Abschnitt besonders kostengünstig und platzsparend Kühlkanäle ausgebildet werden. Das Bauteil kann dabei auch gewichtsoptimiert hergestellt werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind das erste Wellenende und das zweite Wellenende aus Stahl hergestellt.
An die Wellenenden oder Wellenstummel werden höhere Anforderungen gestellt und werden daher aus einem anderen Werkstoff als der Abschnitt mit dem Strangpressprofil hergestellt.
Bevorzugt erfolgt im Bereich des ersten Wellenendes und/oder des zweiten Wellenendes die Lagerung der Welle in einem Gehäuse der elektrischen Maschine.
Das erste Wellenende und das zweite Wellenende sind gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform mittels Schweißen, insbesondere mittels Reibschweißen, mit dem Strangpressprofil verbunden.
Das Verbinden unterschiedlicher Materialien kann oft ein Problem darstellen. Reibschweißen, insbesondere Rührreibschweißen, hat sich zum Verbinden von Stahl- mit Aluminiumteilen als vorteilhaft festgestellt.
Es können aber auch andere im Stand der Technik bekannte Verbindungsverfahren, beispielsweise Kleben, angewendet werden.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weisen das erste Wellenende und/oder das zweite Wellenende und/oder ein erster zylindrischer Körper und/oder ein zweiter zylindrischer Körper eine Ausgestaltung auf, welche ein Umlenken des Kühlmediums bewirken.
Diese Ausgestaltung ist bevorzugt an der dem Strangpressprofil zugewandten Stirnseite des ersten Wellenendes und/oder des zweiten Wellenendes ausgebildet.
Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform ist im ersten Wellenende oder im Strangpressprofil ein erster zylindrischer Körper angeordnet.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist im zweiten Wellenende oder im Strangpressprofil ein zweiter zylindrischer Körper angeordnet.
Die zylindrischen Körper dienen zur Gewährleistung des Kühlmittelstromzulaufs und -ablaufs bzw. zur Trennung des Zulaufs und des Ablaufs.
Der erste und der zweite zylindrische Körper sind bevorzugt als Hülsen ausgebildet, wobei die Hülsen so angeordnet ist, dass sie zumindest einen Kanal bilden, wobei ein erster Kanal den Zulauf definiert und wobei ein zweiter Kanal den Ablauf definiert und die Hülsen den Zulauf und Ablauf von einander Trennen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist der erste zylindrische Körper in das erste Wellenende oder das Strangpressprofil eingepresst.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der zweite zylindrische Körper in das zweite Wellenende oder das Strangpressprofil eingepresst.
Der erste und der zweite zylindrische Körper sind bevorzugt aus Stahl hergestellt, können jedoch auch aus einem beliebig anderen geeigneten Material hergestellt sein.
Figurenliste
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.

1 ist eine Schnittansicht einer nicht erfindungsgemäßen Welle für eine elektrische Maschine in ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform.
2 ist eine Schnittansicht einer Welle für eine elektrische Maschine einer zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsform.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung
In den 1 und 2 werden zwei alternative Ausführungsvarianten einer Welle 1, 11 für eine elektrische Maschine dargestellt. In den Figuren werden die Bauteile einer elektrischen Maschine wie Rotor, Stator, elektrische Komponenten und Gehäuse nicht dargestellt.
1 zeigt eine nicht erfindungsgemäße Ausführungsvariante bei der eine Welle 1 einer elektrischen Maschine ein Strangpressprofil 2 entlang eines Abschnitts AS mit zumindest einem Kühlkanal K aufweist, wobei der Kühlkanal K im Wesentlichen eine gemeinsame Achse zur Drehachse der Welle 1 bildet. Damit ist zu verstehen, dass der Kühlkanal K im Wesentlichen ringförmig, um die Drehachse der Welle 1 angeordnet ist. Er ist zudem in dieser Ausführungsvariante so ausgebildet, dass er durchgängig um die Achse herum ausgestaltet ist oder aber voneinander getrennte Kammern aufweist. Das Strangpressprofil 2 weist ein erstes und ein zweites Ende des Abschnitts AS auf, wobei am ersten Ende ein erstes Wellenende 3 und am zweiten Ende ein zweites Wellenende 4 angeordnet ist. Das erste Wellenende 3 und das zweite Wellenende 4 sind dabei bevorzugt mittels Rührreibschweißen mit dem Strangpressprofil 2 dauerhaft verbunden. Mit diesem Verfahren lassen sich auch unterschiedliche Materialien gut verbinden, also wie im Ausführungsbeispiel ein Aluminium-Strangpressprofil mit Wellenenden aus Stahl.
Der erste zylindrische Körper 6, der im Wesentlichen die Form einer Hülse aufweist, ist so ausgebildet, dass ein Zulauf Z von nicht dargestelltem Kühlmedium in den Kühlkanal K des Strangpressprofils 2 erlaubt wird. Ein zweiter zylindrischer Körper 5, welcher ebenfalls im Wesentlichen die Form einer Hülse aufweist, ist mittels einer Presspassung P1 mit dem Strangpressprofil 2 dauerhaft verbunden. Der zweite zylindrische Körper 5 erstreckt sich in axialer Richtung beginnend vom Endbereich des Strangpressprofils 2 durch den ersten zylindrischen Körper 6 hindurch, wobei das Ende des zweiten zylindrischen Körpers 5 mit einer Überlänge aus den ersten zylindrischen Körper 6 hinausragt. Der Außendurchmesser A5 des hülsenförmigen ersten zylindrischen Körpers 5 ist kleiner als der Innendurchmesser I6 des hülsenförmigen zweiten zylindrischen Körpers 6 und bilden einen ringförmigen Kanal A5-I6 für den Zulauf Z des Kühlmediums. Im Bereich des Endbereichs des Strangpressprofils 2 bilden die einander zugewandten Stirnseiten des ersten zylindrischen Körpers 6 und des zweiten zylindrischen Körpers 5 einen Spalt S, so dass das Kühlmedium vom Kanal A5-I6 in den Kühlkanal K des Strangpressprofils 2 strömen kann. Der erste zylindrische Körper 6 und der Kanal K des Strangpressprofils 2 sind dabei derart ausgestaltet, dass das Kühlmedium nur in dafür vorgesehene erste Kammern des Kühlkanals K strömen kann. Das Kühlmedium strömt axial in Richtung des zweiten Wellenendes 4, wobei das zweite Wellenende 4 stirnseitig eine Ausgestaltung R aufweist, welche ein Umlenken des Kühlmediums in, von den ersten Kammern getrennten, zweite Kammern des Kühlkanals K in Richtung Ablauf A bewirkt. Um den Auslass zu gewährleisten sind im ersten Wellenende 3 Bohrungen B vorgesehen. Die Bohrungen B sind derart ausgebildet, dass eine Fluidverbindung der zweiten Kammern des Kühlkanals K und einem Kanal A6-I3 gewährleistet ist. Die Bohrungen B erstrecken sich dabei in einem Winkel oder einer Neigung von Spalt S bis zum Innendurchmesser des ersten Wellenendes 3. Der erste zylindrische Körper 6 ist dabei mittels einer Presspassung P2 mit dem ersten Wellenende 3 dauerhaft verbunden. Alternativ kann der erste zylindrische Körper 6 im nicht dargestellten Gehäuse verpresst sein. Bei dieser Ausführungsvariante weist der erste zylindrische Körper 6 einen Luftspalt zu dem ersten Wellenende 3 auf. Der erste zylindrische Körper 6 weist eine Abstufung auf, wodurch der Innendurchmesser des ersten Wellenendes 3 größer ist als der Außendurchmesser des ersten zylindrischen Körpers 6. Die Bohrungen B des ersten Wellenendes 3 sind daher in einen Winkel oder einer Neigung ausgebildet, dass die Bohrungen B mit der Abstufung fluidverbunden sind. Dadurch wird der Kanal A6-I3 gebildet, durch welchen das Kühlmedium in Richtung Ablauf A strömen kann. Der zweite zylindrische Körper 6 ragt dabei axial durch das erste Wellenende 3 hinaus.
Eine zweite erfindgungsgemäße Ausführungsvariante ist in 2 dargestellt. Die Welle 11 umfasst einen Abschnitt AS der als Strangpressprofil 12 ausgebildet ist, wobei das Strangpressprofil 12 zumindest einen im Wesentlichen ringförmigen Kühlkanal K1 ausbildet. Der Kühlkanal K1 kann auch separate Kammern aufweisen die so ausgebildet sind, dass nur in dazu ausgebildete Kammern Kühlmedium einströmen kann und nach einem Umlenken des Kühlmediums im Bereich des zweiten zylindrischen Körpers 4 in den anderen Kammern das Kühlmedium wieder aus dem Strangpressprofil 12 ausströmen kann. An beiden Enden des Abschnitts AS des Strangpressprofils 12 sind Wellenenden 13, 14 angeordnet, wobei die Wellenenden 13, 14 aus einem anderen Material, beispielsweise Stahl, als das Strangpressprofil 12, beispielsweise Aluminiumlegierung, gefertigt sind. Das erste Wellenende 13 und das zweite Wellenende 14 sind mit dem Strangpressprofil 12 mittels Rührreibschweißen dauerhaft verbunden. Alternativ könnten die beiden Wellenenden 13, 14 auch durch Kleben mit dem Abschnitt AS, verbunden werden.
Ein zweiter zylindrischer Körper 15 ist mittels einer Presspassung P1' mit dem ersten Wellenende 13 dauerhaft verbunden. Der zweite zylindrische Körper 15 erstreckt sich axial durch den Abschnitt AS der Welle 11 und einem ersten zylindrischen Körper 16, wobei der zweite zylindrische Körper 15 aus den ersten zylindrischen Körper 16 hinausragt. Der Außendurchmesser des zweiten zylindrischen Körper 15 und der Innendurchmesser des ersten zylindrischen Körpers 16 bilden einen Kanal A15-I16 durch welchen ein Kühlmedium über einen Zulauf Z in axialer Richtung strömen kann. Der erste zylindrische Körper 16 weist zum Strangpressprofil 12 eine Ausgestaltung R1 derart auf, dass sich der Innendurchmesser des ersten zylindrischen Körper 16 weitet, bis er den gleichen Außendurchmesser wie der Kühlkanal K2 aufweist. Dieser Kühlkanal K2 wird im Wesentlichen durch den Außendurchmesser des zweiten zylindrischen Körper 15 und dem Innendurchmesser des Strangpressprofils 12 gebildet. Das Kühlmedium kann durch diesen Kühlkanal K2 strömen, bis es Spalt S' erreicht, welcher durch das Strangpressprofil 12 dem zweiten Wellenende 14 und dem zweiten zylindrischen Körper 15 gebildet wird. Das Kühlmedium wird über den Spalt S' in den Kühlkanal K1 geleitet. Das Kühlmedium wird durch das Strangpressprofil 12, welches den Kühlkanal K1 ausbildet, in Richtung des ersten Wellenendes 13 geleitet. Das erste Wellenende 13 weist eine Ausgestaltung auf, welche das Kühlmedium von Kühlkanal K1 in den Kanal A16-I13 erlaubt, welcher weiter zum Ablauf A führt. Die Ausgestaltung ist dabei so ausgebildet, dass sich der Innendurchmesser des zweiten zylindrischen Körper 15 weitet, bis er den gleichen Außendurchmesser wie der Kühlkanal K1 aufweist. Kanal A16-I13 ist im Wesentlichen ringförmig und wird durch den Außendurchmesser des ersten zylindrischen Körpers 16 und den Innendurchmesser des ersten Wellenendes 13 gebildet. Der erste zylindrische Körper 16 ist mittels einer Presspassung P2' in ein Ende des Abschnitts AS des Strangpressprofils 12 eingepresst. Der erste zylindrische Körper 16 erstreckt sich in axialer Richtung durch das erste Wellenende 13 und ragt aus diesem heraus.
Bezugszeichenliste

1, 11: Welle
2, 12: Strangpressprofil
3, 13: erstes Wellenende
4, 14: zweites Wellenende
5, 15: zweiter zylindrischer Körper
6, 16: erster zylindrischer Körper
AS: Abschnitt
K, K1, K2: Kühlkanal
A6-I3: Kanal
A5-I6: Kanal
A16-I13: Kanal
A15-I16: Kanal
B: Bohrung
S, S': Spalt
R, R1: Ausgestaltung
A: Ablauf
Z: Zulauf
P1, P1': Presspassung
P2, P2': Presspassung

Claims

Elektrische Maschine, umfassend einen Stator einen mit dem Stator magnetisch wirkenden Rotor, wobei der Rotor um eine Drehachse drehbar gelagert ist, eine Welle (11) auf welcher der Rotor befestigt ist, wobei die Welle (11) als Hohlwelle ausgebildet ist, wobei die Welle (11) ein erstes Wellenende (13) und ein zweites Wellenende (14) aufweist und die Welle (11) einen Abschnitt aufweist der als Strangpressprofil (12) ausgebildet ist, wobei das erste Wellenende (13) und das zweite Wellenende (14) mit dem Strangpressprofil (12) an den jeweils gegenüberliegenden Enden des Strangpressprofils (12) dauerhaft verbunden sind und wobei das Strangpressprofil (12) zumindest einen im Wesentlichen ringförmigen Kühlkanal (K1) ausbildet, dadurch gekennzeichnet, dass ein erster zylindrischer Körper (16) und ein zweiter zylindrischer Körper (15) vorhanden sind und ein zweiter Kühlkanal (K2) im Wesentlichen durch den Außendurchmesser des zweiten zylindrischen Körpers (15) und dem Innendurchmesser des Strangpressprofils (12) des ersten zylindrischen Körpers (16) gebildet wird.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Strangpressprofil (12) aus Aluminium oder Aluminiumlegierung hergestellt ist.
Elektrische Maschine nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Wellenende (13) und das zweite Wellenende (14) aus Stahl hergestellt sind.
Elektrische Maschine nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass das erste Wellenende (3, 13) und das zweite Wellenende (14) mittels Schweißen, insbesondere mittels Reibschweißen, mit dem Strangpressprofil (12) verbunden sind.
Elektrische Maschine nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass das erste Wellenende (13) und/oder das zweite Wellenende (14) und/oder der erste zylindrischer Körper (16) und/oder der zweite zylindrischer Körper (15) eine Ausgestaltung (R, R1) aufweisen, welche ein Umlenken des Kühlmediums bewirken.
Elektrische Maschine nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass im ersten Wellenende (3, 13) der erste zylindrische Körper (16) angeordnet ist.
Elektrische Maschine nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass im zweiten Wellenende (4, 14) der zweite zylindrische Körper (15) angeordnet ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , dass der erste zylindrische Körper (6, 16) in das erste Wellenende (13) oder das Strangpressprofil (12) eingepresst ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , dass der zweite zylindrische Körper (5, 15) in das zweite Wellenende (15) oder das Strangpressprofil (12) eingepresst ist.