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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Rotoranordnung für eine elektrische Maschine, umfassend einen Rotorkern und eine Welle, die drehfest mit dem Rotorkern verbunden ist, wobei innerhalb der Rotoranordnung eine Kühlkanalanordnung ausgebildet ist, welche einen Kühlkanal, der sich innerhalb der Welle erstreckt aufweist.
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Daneben betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine für ein Fahrzeug und ein Fahrzeug.
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Beim Betrieb elektrischer Maschinen entstehen Eisenverluste, wenn magnetische Wechselfelder erzeugt werden. Die Eisenverluste erzeugen Wärme in einem Rotorkern und erwärmen dort angeordnete Permanentmagnete, wobei eine Demagnetisierungstemperatur der Permanentmagnete nicht überschritten werden darf. Zur Verbesserung der Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine ist es bekannt, die Wärme von den Permanentmagneten abzuführen. Bei elektrischen Maschinen mit einer hohen Ausnutzung, wie sie bei elektrisch antreibbaren Fahrzeugen verwendet werden, kann dies durch die Kühlung einer drehfest mit dem Rotorkern verbunden Welle erfolgen.
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Das Dokument
DE 10 2011 121 042 A1 offenbart eine Kühlanordnung für eine elektrische Maschine mit einem Rotor mit einer Mehrzahl von Permanentmagneten, welche jeweils in einer Magnettasche angeordnet sind. An einem Innenumfang eines Rotorkerns ist eine Mehrzahl von axial verlaufenden ersten Kühlkanälen angeordnet und in einem Rotorträger jeweils zumindest eine Durchtrittsöffnung zwischen einem Innenraum des Rotors und einem ersten Kühlkanal angeordnet, wobei endseitig des Rotorkerns jeweils ein Ölleitring angeordnet ist, in welchem Kanäle zur fluidischen Koppelung von erstem Kühlkanal und Magnettasche oder stirnseitigen Öffnungen der Magnettasche angeordnet sind.
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Der Erfindung liegt mithin die Aufgabe zugrunde, eine Möglichkeit zum robusten Betreib einer über eine Rotoranordnung gekühlten elektrischen Maschine anzugeben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Rotoranordnung der eingangs genannten Art, ferner umfassend ein Trennelement, welches einen sich in Umfangsrichtung an einem Innenradius der Welle erstreckenden Trennabschnitt aufweist, wobei der Trennabschnitt ein Inneres der Welle in einen ersten Wellenabschnitt, in welchem sich der Kühlkanal erstreckt, und in einen zweiten Wellenabschnitt trennt, wobei das Trennelement ein Dichtmittel aufweist, welches die Wellenabschnitte gegeneinander abdichtet.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf der Überlegung, das Innere der Welle in zwei Wellenabschnitte zu trennen und diese durch das Dichtmittel fluiddicht gegeneinander abzudichten. So kann ein unerwünschter Austritt eines Kühlfluids verhindert werden, was vorteilhafterweise einen robusteren Betrieb der elektrischen Maschine ermöglicht.
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Die Kühlkanäle sind bevorzugt dazu ausgebildet, ein flüssiges Kühlfluid zu führen, beispielsweise Öl, Wasser oder ein Glykol-Wasser-Gemisch. Es ist jedoch auch denkbar, dass die Kühlkanäle zum Führen eines gasförmigen Kühlfluids ausgebildet sind.
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Es wird bei der erfindungsgemäßen Rotoranordnung besonders bevorzugt, wenn das Dichtmittel ein O-Ring ist. Zweckmäßigerweise weist der Trennabschnitt eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Nut auf, in welche der O-Ring eingesetzt ist.
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Um ein Heraustreten des Kühlfluids aus der Welle zu verhindern ist es ferner vorteilhaft, wenn das Trennelement einen Endabschnitt, welcher an einem freien Ende in das Innere der Welle ragend angeordnet ist, aufweist, wobei wenigstens ein weiteres Dichtmittel vorgesehen ist, das den Endabschnitt und die Welle gegeneinander abdichtet.
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Bei der erfindungsgemäßen Rotoranordnung kann auch ein Abschlusselement vorgesehen sein, welches den zweiten Wellenabschnitt an einem dem ersten Wellenabschnitt gegenüberliegenden freien Ende fluiddicht abschließt, wobei wenigstens ein weiteres Dichtmittel vorgesehen sein kann, das das Abschlusselement und die Welle gegeneinander abdichtet.
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Ein den Endabschnitt bzw. das Abschlusselement abdichtendes Dichtmittel kann ein O-Ring sein. Alternativ oder zusätzlich ist das Dichtmittel eine an einer Oberfläche des Endabschnitts bzw. des Abschlusselements angeordnete Klebeschicht. Besonders bevorzugt ist die Oberfläche aufgeraut. Die Oberfläche ist typischerweise die Mantelfläche eines im Wesentlichen zylinderförmigen Teils des Endabschnitts bzw. des Abschlusselements.
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Gemäße einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Rotoranordnung erstreckt sich die Kühlkanalanordnung durch den Rotorkern in den zweiten Wellenabschnitt. Das Dichtmittel des Trennelements erlaubt dann eine besonders vorteilhafte Abdichtung der fluiddurchflossenen Wellenabschnitte, wenn durch die Kühlkanalanordnung ein in die Welle zurückgeführter Kühlpfad ausgebildet werden soll.
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Die erfindungsgemäße Rotoranordnung umfasst beispielsweise eine stirnseitig auf dem Rotorkern angeordnete Endplatte, welche zumindest abschnittsweise einen zweiten Kühlkanal der Kühlkanalanordnung ausbildet, der sich an den ersten Kühlkanal anschließt. Ferner kann sich an den zweiten Kühlkanal ein dritter Kühlkanal der Kühlkanalanordnung anschließen, der sich ein durch den Rotorkern erstreckt. So wird eine besonders günstige Wärmeabfuhr aus dem Rotorkern ermöglicht.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass sich an den dritten Kühlkanal ein vierter Kühlkanal der Kühlkanalanordnung anschließt, welcher zumindest teilweise durch eine weitere am Rotorkern angeordnete Endplatte ausgebildet ist und in den zweiten Wellenabschnitt mündet. Durch derartige Endplatten können vorteilhafterweise herkömmliche Rotorkerne einfach nachgerüstet werden.
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Dabei kann die oder eine jeweilige Endplatte mittels eines weiteren Dichtmittels gegen den Rotorkern abgedichtet sein. Bevorzugt ist das weitere Dichtmittel in einem Kragen, welcher sich an einer äußeren Radialposition auf der dem Rotorkern zugewandten Seite der Endplatte befindet, angeordnet. Im Kragen ist zweckmäßigerweise eine Nut ausgebildet, welche das weitere Dichtmittel aufnimmt. Das die Endplatte gegen den Rotorkern abdichtende weitere Dichtmittel kann ein O-Ring sein.
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Außerdem ist es von Vorteil, wenn die oder eine jeweilige Endplatte mittels eines weiteren Dichtmittels gegen die Welle abdichtet ist. Die Endplatte kann dazu auf ihrer dem Rotorkern abgewandten Stirnseite eine die Welle umgebende Wulst aufweisen, in welcher das weitere Dichtmittel aufgenommen ist. Typischerweise ist in der Wulst eine Nut ausgebildet, welche das weitere Dichtmittel aufnimmt. Das die Endplatte gegen die Welle abdichtende weitere Dichtmittel kann ein O-Ring sein.
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Um ein Heraustreten des Kühlfluids aus dem Rotorkern zu vermeiden, kann mit Vorteil vorgesehen sein, dass ein Blechpaket des Rotorkerns eine äußere Dichtschicht oder mehrere aufeinander ausgebildete äußere Dichtschichten aus einem Harzmaterial aufweist. Durch die äußere Dichtschicht wird eine Flüssigkeitsbarriere gebildet, welche mögliche Undichtigkeiten zwischen den Blechen abschließt. Bevorzugt sind zwei äußere Dichtschichten vorgesehen. Die Dichtschichten können durch ein- bzw. mehrmaliges Eintauchen des Blechpakets in das Harzmaterial ausgebildet sein.
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Im Hinblick auf eine Realisierung der erfindungsgemäßen Rotoranordnung für eine permanenterregte elektrische Maschine wird es bevorzugt, wenn die Rotoranordnung mehrere Permanentmagnete, die jeweils innerhalb einer im Rotorkern ausgebildeten Magnettasche unter Ausbildung eines sich in axialer Richtung erstreckenden Freiraums angeordnet sind, aufweist. Dabei erstreckt sich die Kühlkanalanordnung, insbesondere der dritte Kühlkanal, bevorzugt durch die Freiräume. So werden die Permanentmagnete direkt gekühlt, so dass die Gefahr einer Demagnetisierung auch bei einem Volllastbetrieb der elektrischen Maschine reduziert wird und eine hohe Leistungsdichte der elektrischen Maschine erzielt wird. Wegen der effizienten Kühlung wird ferner die Verwendung preisgünstigerer Permanentmagnete mit einer niedrigen Demagnetisierungstemperatur bei gleicher Ausnutzung der Maschine ermöglicht. Vorteilhafterweise können die Permanentmagnete frei von seltenen Erden sein, da die bei der erfindungsgemäßen Rotoranordnung realisierte Kühlstrategie die Notwendigkeit derartiger hochtemperaturgeeigneter Permanentmagnete entfallen lässt.
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Bevorzugt weist das Trennelement der erfindungsgemäßen Rotoranordnung einen Fluidleitabschnitt auf, welcher sich durch den ersten Wellenabschnitt bis zu einer axialen Position zwischen den Stirnseiten des Rotorkerns erstreckt und den zweiten Wellenabschnitt teilweise ausbildet. Der zweite Wellenabschnitt kann mithin das Innere der Welle bis zur axialen Position und den durch eine Innenwand des Fluidleitabschnitts begrenzten Abschnitt der Welle umfassen. Der erste Wellenabschnitt kann den durch den Trennabschnitt und den durch eine Außenwand des Fluidleitabschnitts begrenzten Abschnitt der Welle umfassen. Zweckmäßigerweise ist der Fluidleitabschnitt koaxial bezüglich der Welle angeordnet. Der Fluidleitabschnitt mündet typischerweise in das Trennelement. In der Regel ist der Fluidleitabschnitt durch ein Rohr ausgebildet.
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Besonders bevorzugt ist bei der erfindungsgemäßen Rotoranordnung ferner ein Anschlusselement vorgesehen, bezüglich dessen die Welle drehbar ist, wobei ein dem ersten Wellenabschnitt zugehöriges freies Ende der Welle in das Anschlusselement mündet und fluidleitend mit einem Speisekanal des Anschlusselements verbunden ist. So wird eine besonders einfache endseitige Speisung des ersten Wellenabschnitts realisiert. Typischerweise weist das Anschlusselement einen Radialwellendichtring auf, in dem die Welle drehbar ist.
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Besonders bevorzugt mündet der Fluidleitabschnitt in das Anschlusselement und ist fluidleitend mit einem weiteren Speisekanal verbunden. Das Anschlusselement realisiert folglich sowohl einen Zulauf als auch ein Rücklauf für das Kühlfluid und ermöglicht so eine besonders einfache Speisung der Welle an nur einem freien Ende.
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Der Speisekanal oder die Speisekanäle können in radialer Richtung verlaufen. Dadurch wird verhindert, dass die axiale Erstreckung der Rotoranordnung durch eine Fluidleitung, die mit einem Speisekanal verbunden ist, verlängert wird, um eine baumsparende Realisierung der Rotoranordnung zu ermöglichen. Zweckmäßigerweise umfasst das Anschlusselement an seiner Mantelfläche wenigstens einen Kühlfluidanschluss, der mit dem oder einem jeweiligen Speisekanal fluidleitend verbunden ist.
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Gemäß einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Rotoranordnung erstreckt sich der erste Kühlkanal zwischen einem freien Ende der Welle und dem zweiten Kühlkanal, wobei sich ein an den vierten Kühlkanal anschließender fünfter Kühlkanal zum anderen freien Ende der Welle erstreckt. Auf diese Weise kann das Kühlfluid an einem freien Ende zugeführt und an einem anderen freien Ende der Welle abgeführt werden. Der Trennabschnitt des Trennelements dichtet dann vorteilhafter Weise die Welle an einer axialen Position zwischen den Stirnseiten vollständig ab. Auch bei dieser Ausführungsform kann ein Fluidleitelement vorgesehen sein, das typischerweise Durchgangslöcher aufweist, damit eine fluidleitendend Verbindung des ersten Kühlkanals mit dem zweiten Kühlkanal gebildet ist.
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Hinsichtlich des Rotorkerns der erfindungsgemäßen Rotoranordnung wird es bevorzugt, wenn mehrere Magnettaschenanordnungen jeweils aus mehreren der Magnettaschen ausgebildet sind, deren Freiräume jeweils einen Kühlkanalabschnitt des dritten Kühlkanals ausbilden. Dies ermöglicht eine verbesserte Kühlung der Rotoranordnung, in dem der dritte Kühlkanal in die mehreren Kühlkanalabschnitte unterteilt ist.
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Dabei kann der zweite Kühlkanal mehrere voneinander getrennte Kühlkanalabschnitte aufweisen, an die sich jeweils einer der Kühlkanalabschnitte des dritten Kühlkanals anschließt. Alternativ oder zusätzlich kann der vierte Kühlkanal mehrere voneinander getrennte Kühlkanalabschnitte aufweisen, die sich jeweils an einen der Kühlkanalabschnitte des dritten Kühlkanals anschließen. D. h., dass für jeden sich in axialer Richtung erstreckenden Kühlkanalabschnitt des dritten Kühlkanals ein mit diesem verbundener Kühlkanalabschnitt des zweiten bzw. des vierten Kühlkanals vorgesehen ist, sodass eine zielgerichtete Zu- bzw. Abführung des Kühlfluid bezüglich des dritten Kühlkanals ermöglicht wird.
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Es wird ferner bevorzugt, wenn jede Magnettaschenanordnung zwei radial voneinander beanstandete Paare V-förmig angeordneter Magnettaschen umfasst. So lassen sich auch Rotoranordnungen mit sogenannten „Double-V“-Permanentmagneten effizient kühlen.
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Zweckmäßigerweise ist bei der erfindungsgemäßen Rotoranordnung vorgesehen, dass jede Magnettasche einen weiteren Freiraum innerhalb der Magnettasche ausbildet, wobei sich der dritte Kühlkanal auch durch den weiteren Freiraum erstreckt. Mit anderen Worten trennt ein jeweiliger Permanentmagnet die beiden innerhalb einer Magnettasche ausgebildeten Freiräume. Dies ermöglicht eine besonders gleichmäßige Kühlung der Permanentmagnete.
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Bevorzugt ist bei der erfindungsgemäßen Rotoranordnung ferner vorgesehen, dass der zweite Kühlkanal zur Verbindung mit dem ersten Kühlkanal teilweise durch die Welle durchsetzende Durchgangslöcher ausgebildet ist. Alternativ oder zusätzlich kann der vierte Kühlkanal zur Verbindung mit dem zweiten Wellenabschnitt teilweise durch die Welle durchsetzende Durchgangslöcher ausgebildet sein. So lassen sich vorteilhafterweise herkömmliche Rotoranordnungen ohne eine Kühlung der Permanentmagnete aufwandsarm nachrüsten, indem lediglich zusätzliche Durchgangslöcher an entsprechenden axialen Positionen der Welle ausgebildet werden. Typischerweise ist für jeden Kühlkanalabschnitt des zweiten bzw. vierten Kühlkanals ein Durchgangsloch in der Welle vorgesehen.
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Außerdem kann bei der erfindungsgemäßen Rotoranordnung der zweite Kühlkanal zur Verbindung mit dem dritten Kühlkanal teilweise durch Erhebungen in der Endplatte ausgebildet sein. Alternativ oder zusätzlich kann der vierte Kühlkanal zur Verbindung mit dem dritten Kühlkanal teilweise durch Erhebungen in der Endplatte ausgebildet sein. Der zweite Kühlkanal bzw. der vierte Kühlkanal werden folglich einerseits durch die Endplatte mit ihren Erhebungen und andererseits durch eine Stirnseite des Rotorkerns begrenzt.
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Die Endplatte kann eine mittige Durchgangsöffnung zum Durchführen der Welle aufweisen. Der Kragen kann radial außen in Umfangsrichtung ausgebildet sein, wobei die Erhebungen und der Kragen den zweiten bzw. vierten Kühlkanal axial begrenzen, wobei die Kühlkanalabschnitte des Kühlkanals beidseitig durch jeweils eine Erhebung begrenzt sind, wobei zwei einen Kühlkanalabschnitt begrenzende Erhebungen an einer ersten Radialposition zwischen der Durchgangsöffnung und dem Kragen um eine erste Bogenlänge voneinander beabstandet sind und an einer durch Kragen begrenzten zweiten Radialposition um eine zweite Bogenlänge, die größer als die erste Bogenlänge ist, voneinander beabstandet sind. Typischerweise erstreckt sich jeder Kühlkanalabschnitt bis zur Durchgangsöffnung.
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Vorteilhafterweise weist ein jeweiliger Kühlkanalabschnitt zwischen der ersten Radialposition und der zweiten Radialposition wenigstens ein Fluidleitelement auf. So kann eine strömungsmechanisch verbesserte Verteilung des Kühlfluids innerhalb der Magnettaschen erreicht werden, was eine höhere Kühlleistung der elektrischen Maschine ermöglicht. Gleichzeitig kann durch das wenigstens eine Fluidleitelement ohne zusätzliche Bauelemente eine Hemmung, insbesondere eine Verhinderung, der axialen Bewegung des Permanentmagneten erreicht werden, was eine höhere mechanische Stabilität der Rotoranordnung bewirkt.
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Es kann beispielsweise ein Fluidleitelement vorgesehen sein, das durch einen Vorsprung einer Erhebung ausgebildet ist. Das Fluidleitelement, welches im Folgenden auch als erstes Fluidleitelement bezeichnet wird, realisiert mithin eine den Kühlkanalabschnitt verengende Ausbuchtung. Das erste Fluidleitelement dient dabei bevorzugt dazu, einen Permanentmagneten, insbesondere einen radial inneren Permanentmagneten, zu stützen.
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Vorteilhaft ist es ferner, wenn ein Fluidleitelement vorgesehen ist, das durch eine freie Erhebung ausgebildet ist, die in zwei orthogonalen Richtungen einer zur Axialrichtung senkrechten Ebene eine gleiche Ausdehnung aufweist. Ein solches, im Folgenden auch als zweites Fluidleitelement bezeichnetes, Fluidleitelement dient zweckmäßigerweise der Abstützung eines radial äußeren Permanentmagneten. Bevorzugt ist die freie Erhebung kreisrund.
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Besonders bevorzugt ist das durch den Vorsprung ausgebildete (erste) Fluidleitelement radial weiter innen angeordnet als das durch die freie Erhebung ausgebildete (zweite) Fluidleitelement. Zwischen dem ersten und dem zweiten Fluidleitelement wird so ein Teilkühlkanal ausgebildet, der das Kühlfluid zu radial äußeren Freiräumen der Magnettaschen leitet.
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Ferner kann ein Fluidleitelement vorgesehen sein, das durch eine freie Erhebung, die sich länglich in radialer Richtung erstreckt, ausgebildet ist. Ein solches, auch als drittes Fluidleitelement bezeichnetes, Fluidleitelement dient typischerweise primär zur strömungsmechanischen Optimierung des Kühlkanals.
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Besonders bevorzugt ist zu dem Fluidleitelement oder einem jeweiligen Fluidleitelement ein bezüglich einer sich in radialer Richtung durch die Mitte des Kühlkanalabschnitts erstreckenden Ebene symmetrisches weiteres Fluidleitelement vorgesehen. Dabei sind insbesondere die dritten Fluidleitelemente radial innen nicht weiter als die erste Bogenlänge voneinander beanstandet und/oder radial außen weiter voneinander beanstandet als radial innen. So bilden die dritten Fluidleitelementen einen Teilkühlkanal aus, um das Kühlfluid zu den inneren Freiräumen der radial äußeren Permanentmagnete zu führen.
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Daneben kann ein Fluidleitelement vorgesehen sein, das als mittig vom Kragen in den Kühlkanalabschnitt weisender Vorsprung ausgebildet ist. Dieser optimiert den Kühlfluidstrom zwischen den radial äußeren Permanentmagneten.
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Besonders bevorzugt setzen sich die Kühlkanalabschnitte von der ersten Radialposition gerade zur Durchgangsöffnung fort. So kann ein strömungsmechanisch vorteilhafter Querschnitt der Kühlkanalabschnitte zwischen der Durchgangsöffnung und der ersten Radialposition vorgegeben werden.
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Daneben betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine, umfassend einen Stator und eine innerhalb des Stators angeordnete erfindungsgemäße Rotoranordnung.
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Die Erfindung betrifft außerdem ein Fahrzeug, umfassend eine erfindungsgemäße elektrische Maschine, welche zum Antreiben des Fahrzeugs eingerichtet ist.
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Alle Ausführungen zur erfindungsgemäßen Rotoranordnung lassen sich analog auf die erfindungsgemäße elektrische Maschine und auf das erfindungsgemäße Fahrzeug übertragen, so dass auch mit diesen die zuvor genannten Vorteile erzielt werden können.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Diese sind schematische Darstellungen und zeigen:
- 1 eine geschnittene Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Rotoranordnung;
- 2 eine perspektivische Ansicht eines Rotorkerns mit darin aufgenommenen Permanentmagneten der in 1 gezeigten Rotoranordnung;
- 3 eine perspektivische Darstellung einer Endplatte der in 1 gezeigten Rotoranordnung;
- 4 eine Detaildarstellung der in 3 gezeigten Endplatte;
- 5 eine geschnittene Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Rotoranordnung; und
- 6 eine Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Fahrzeugs mit einem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine.
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1 ist eine geschnittene Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels einer Rotoranordnung 1, umfassend einen Rotorkern 2, mehrere Permanentmagnete 3a-3d, eine Welle 4, die drehfest mit dem Rotorkern 2 verbunden ist, und ein Trennelement 5.
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2 ist eine perspektivische Darstellung des Rotorkerns 2 mit den darin aufgenommenen Permanentmagneten 3a-3d. Der Rotorkern 2 ist als Blechpaket aus einer Vielzahl laminierter Einzelbleche gebildet. Innerhalb des Rotorkerns sind eine Vielzahl von Magnettaschenanordnung, vorliegend acht Stück in einem Abstand von jeweils 45°, ausgebildet.
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Jede Magnettaschenanordnung 6 umfasst ein Paar Magnettaschen 7a, 7b, in denen die Permanentmagneten 3a, 3b aufgenommen sind, und ein Paar Magnettaschen 7c, 7d, in denen die Permanentmagnete 3c, 3d aufgenommen sind. Die Magnettaschenanordnung 6 bildet dabei eine sogenannte „Double-V“-Anordnung aus, bei der jedes Paar V-förmig angeordnet ist, wobei das Paar Magnettaschen 7a, 7b radial weiter außen angeordnet ist als das Paar Magnettaschen 7c, 7d. Zu beiden Seiten eines jeweiligen Permanentmagneten 3a-3d sind sich in axialer Richtung erstreckende Freiräume innerhalb der Magnettaschen 7a-7d ausgebildet.
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Aus 1 ist ferner ersichtlich, dass das Trennelement 5 die Welle in einen ersten Wellenabschnitt 8 und in einen zweiten Wellenabschnitt 9 trennt. Dazu weist das Trennelement 5 einen Trennabschnitt 10 auf, der sich in Umfangsrichtung entlang eines Innenradius der Welle 4 erstreckt. In den Trennabschnitt 10 mündet ein Fluidleitabschnitt 11 des Trennelements 5, welcher rohrartig ausgebildet ist und sich von einer axialen Position zwischen zwei Stirnseiten 16, 19 des Rotorkerns 2 über ein freies Ende 4a der Welle 4 hinaus erstreckt. Der Fluidleitabschnitt 11 erstreckt sich folglich durch den ersten Wellenabschnitt 8 und setzt den zweiten Wellenabschnitt 9 durch diesen fort. Daneben umfasst das Trennelement 5 einen Stützabschnitt 12, welcher zwischen dem freien Ende und dem Trennabschnitt 10 am Fluidleitabschnitt 11 angeordnet ist und das Trennelement 5 derart im ersten Wellenabschnitt 8 abstützt, dass ein Kühlfluid am Stützabschnitt 12 vorbei durch den ersten Wellenabschnitt 8 fließen kann.
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Innerhalb der Rotoranordnung 1 ist eine Kühlkanalanordnung 13 ausgebildet. Diese umfasst einen ersten Kühlkanal 14, der sich im Inneren der Welle entlang des ersten Wellenabschnitts 8 in axialer Richtung erstreckt. Ein zweiter Kühlkanal 15 der Kühlkanalanordnung 13 erstreckt sich in radialer Richtung entlang der Stirnseite 16 des Rotorkerns 2 und schließt unmittelbar an den ersten Kühlkanal 14 an. Daneben ist ein dritter Kühlkanal 17 vorgesehen, der sich an den zweiten Kühlkanal anschließend in axialer Richtung durch die Freiräume in den Magnettaschen 7a-7d erstreckt. Ein sich an den dritten Kühlkanal 17 anschließender vierter Kühlkanal 18 der Kühlkanalanordnung erstreckt sich in radialer Richtung entlang der anderen Stirnseite 19 des Rotorkerns 2 und mündet in den zweiten Wellenabschnitt 9, der einen fünften Kühlkanal 20 ausbildet. Mithin wird so ein in 1 durch Pfeile gezeichneter Kühlpfad für das Kühlfluid gebildet, der sich vom freien Ende 4a der Welle 4 durch den ersten Wellenabschnitt 8, den Rotorkern 2 und den zweiten Wellenabschnitt 9 zurück um freien Ende 4a der Welle 4 erstreckt.
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Der zweite Kühlkanal 15 weist mehrere voneinander getrennte Kühlkanalabschnitte 21, 22 auf, an die sich jeweils ein Kühlkanalabschnitt 23a, 23b des dritten Kühlkanals 17 anschließt. Jeder Kühlkanalabschnitt 23a, 23b des dritten Kühlkanals 17 ist dabei aus den Freiräumen einer Magnettaschenanordnung 6 bildet. Mit anderen Worten ist jeder Kühlkanalabschnitt 23a, 23b durch die Freiräume achtfach unterteilt.
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Der zweite Kühlkanal 15 ist dabei in einem radial inneren Teil durch Durchgangslöcher 24 innerhalb der Welle 4 ausgebildet. Dabei ist für jeden Kühlkanalabschnitt 21, 22 ein Durchgangsloch 24 in der Welle 4 vorgesehen. Ein an den radial inneren Teil anschließender radial äußerer Teil des zweiten Kühlkanals 15 ist durch die Stirnseite 16 des Rotorkerns 2 und durch eine Endplatte 25 der Rotoranordnung 1 begrenzt.
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3 ist eine perspektivische Darstellung der Endplatte 25 mit Blick auf eine der Stirnseite 16 des Rotorkerns 2 zugewandte Stirnseite 26. Auf der Stirnseite 26 ist radial außen in Umfangsrichtung ein Kragen 27 ausgebildet. Daneben sind auf der Stirnseite 26 mehrere Erhebungen 28, 29 ausgebildet, welche den zweiten Kühlkanal 15 begrenzen. Dabei ist jeder Kühlkanalabschnitt 21, 22 des zweiten Kühlkanals 15 durch ein Paar benachbarter Erhebungen 28, 29 begrenzt. Alle Kühlkanalabschnitte 21, 22 sind identisch aufgebaut, so dass deren Beschreibung im Folgenden anhand des Kühlkanalabschnitts 21 erfolgt:
- Die Erhebungen 28, 29 sind an einer durch einen Punkt 30 markierten ersten Radialposition um eine erste Bogenlänge voneinander beanstandet. Die erste Radialposition befindet sich zwischen einer Durchgangsöffnung 31 der Endplatte 25 und dem Kragen 27, der eine durch einen Punkt 32 markierte zweite Radialposition definiert. An der zweiten Radialposition sind die Erhebungen 28, 29 um eine zweite Bogenlänge, die größer als die erste Bogenlänge ist, voneinander beanstandet. Dadurch bilden die Erhebungen 28, 29 einen im Wesentlichen V-förmigen Teil des Kühlkanalabschnitts 21 aus, welcher der Anordnung der Magnettaschen 7a-7d einer der Magnettaschenanordnungen 6 entspricht. Von der ersten Radialposition setzt sich der Kühlkanalabschnitt 21 gerade bis zur Durchgangsöffnung 31 fort, wo die Erhebungen 28, 29 an eines der Durchgangslöcher 24 (siehe 1) anschlie-ßen.
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Innerhalb eines jeweiligen Kühlkanalabschnitts 21, 22 sind Paare von ersten Fluidleitelementen 33, zweiten Fluidleitelementen 34 und dritten Fluidleitelementen 35 vorgesehen, die bezüglich einer sich in radialer Richtung durch die Mitte des Kühlkanalabschnitts 21 erstreckenden Ebene 36 symmetrisch sind. Daneben ist ein viertes Fluidleitelement 37 vorgesehen.
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4 ist eine Detaildarstellung der Endplatte 25 mit darin gestrichelt eingezeichneten Projektionen der Positionen der Permanentmagnete 3a-3d.
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Die ersten Fluidleitelemente 33 sind jeweils als Vorsprung einer der Erhebungen 28, 29 ausgebildet und stützen das radial innere Paar Permanentmagnete 3c, 3d ab. Die zweiten Fluidleitelemente 34 sind als kreisrunde freie Erhebungen innerhalb des Kühlkanalabschnitts 21 ausgebildet und stützen das radial äußere Paar Permanentmagnete 3a, 3b. Eine Bewegung der Permanentmagnete 3a-3d aus den Magnettaschen 7a-7b (siehe 2) heraus wird so verhindert. Die ersten Fluidleitelemente 33 sind dementsprechend radial weiter innen angeordnet als die zweiten Fluidleitelemente 34. Das erste Fluidleitelement 33 und das zweiten Fluidleitelement 34 auf einer Seite der Ebene 36 bilden ferner einen Teilkühlkanalabschnitt aus, der den Strömungsquerschnitt des in die radial äußeren Freiräume der Magnettaschen 7a-7d (siehe 2) fließenden Kühlfluids verbessert.
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Die dritten Fluidleitelemente 35 sind ebenfalls als freie Erhebungen ausgebildet und erstrecken sich bogenförmig in radialer Richtung. Dabei sind die dritten Fluidleitelemente 35 radial innen weniger als die erste Bogenlänge voneinander beanstandet und radial außen weiter voneinander beanstandet als radial innen. Die dritten Fluidleitelemente 35 dienen ebenfalls einer Verbesserung des Strömungsquerschnitts für das in die radial inneren Freiräume der radial äußeren Magnettaschen 7a, 7b (siehe 2) fließende Kühlfluid.
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Das vierte Fluidleitelement 37 ist als mittig vom Kragen 27 in den Kühlkanalabschnitt 21 weisender Vorsprung ausgebildet und optimiert den Strömungsquerschnitt für das in die radial äußeren Freiräume der radial äußeren Magnettaschen 7a, 7b fließende Kühlfluid.
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Wie in 1 ersichtlich ist, ist auch ein radial innerer Teil des vierten Kühlkanals 18 abschnittsweise durch Durchgangslöcher 38 in der Welle 4, die an einer der Stirnseite 19 des Rotorkern 2 entsprechenden axialen Position angeordnet sind, ausgebildet. Wie beim zweiten Kühlkanal 15 ist auch ein radial äußerer Teil jeweiliger Kühlkanalabschnitte 39, 40 durch die Stirnseite 19 und eine daran angeordnete Endplatte 41 begrenzt sind. Der Aufbau der Endplatte 41 entspricht dem zuvor beschriebenen Aufbau der Endplatte 25, sodass die Kühlkanalabschnitte 39, 40 analog zu den Kühlkanalabschnitt 21, 22 des zweiten Kühlkanals 15 ausgebildet sind.
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An einem dem Trennelement 5 gegenüberliegenden freien Ende 4b der Welle 4 weist die Rotoranordnung 1 ein Abschlusselement 42 in Form eines Blindstropfens auf, welches den zweiten Wellenabschnitt 9 axial begrenzt.
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Darüber hinaus weist die Rotoranordnung 1 eine Vielzahl von Dichtmitteln auf, die ein Heraustreten des Kühlfluids aus der Kühlkanalanordnung 13 verhindert:
- Das Trennelement 5 umfasst ein erstes Dichtmittel 43, dass in einer am Trennabschnitt 10 ausgebildeten, in Umfangsrichtung verlaufenden radialen Nut 44 angeordnet ist und die Wellenabschnitte 8, 9 gegeneinander abdichtet. Das erste Dichtmittel 43 ist ein O-Ring.
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Ein zweites Dichtmittel 45 in Form eines O-Rings ist innerhalb einer in Umfangsrichtung verlaufenden radialen Nut 46 des Abschlusselements 42 vorgesehen. Darüber hinaus ist eine sich in Umfangsrichtung erstreckende Oberfläche 47 des Abschlusselements 42 aufgeraut und mit einem dritten Dichtmittel 48 in Form einer Klebeschicht versehen, sodass das zweite Dichtmittel 45 und das dritte Dichtmittel 48 das Abschlusselement 42 gegenüber der Welle 4 abdichten.
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Die Endplatten 25, 41 sind gegenüber dem Rotorkern 2 durch ein viertes Dichtmittel 49 bzw. ein fünftes Dichtmittel 50 abgedichtet, die jeweils in einer im Kragen 27 ausgebildeten, in Umfangsrichtung verlaufenden axialen Nut 51 angeordnet sind. Die Endplatten 25, 40 weisen außerdem auf ihrer dem Rotorkern 2 gegenüberliegenden Stirnseite 52 eine in Umfangsrichtung um die Durchgangsöffnung 31 (siehe 3) ausgebildete Wulst 53 auf, in der ein sechstes Dichtmittel 54 bzw. ein siebtes Dichtmittel 55 innerhalb einer in Umfangsrichtung verlaufenden radialen Nut 56 angeordnet ist.
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Zur weiteren Abdichtung des Rotorkerns 2 weist dieser zwei äußere Dichtschichten (nicht gezeigt) auf, die durch zweimaliges Eintauchen des Rotorkerns ohne die in ihm aufgenommenen Permanentmagnete 3a-3d in ein flüssiges Harzmaterial ausgebildet sind.
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Die Rotoranordnung 1 weist außerdem ein Anschlusselement 57 auf, bezüglich dessen die Welle 4 drehbar ist. Das dem ersten Wellenabschnitt 8 zugehörige freie Ende 4a der Welle 4 mündet in das Anschlusselement 57 und ist fluidleitend mit einem ersten Speisekanal 58 des Abschlusselements 57 verbunden. Daneben mündet auch der Fluidleitabschnitt 11 am freien Ende 4a in das Anschlusselement 57 und ist fluidleitend mit einem zweiten Speisekanal 59 verbunden. Die Speisekanäle 58, 59 verlaufen axial beanstandet in radialer Richtung zueinander und münden in einer Mantelfläche des im Wesentlichen zylindrisch geformten Anschlusselements 57. Das Anschlusselementelement 57 weist darüber hinaus an seiner Mantelfläche angeordnete Kühlfluidanschlüsse 60, 61 auf, um beispielsweise Fluidleitungen, die das Kühlfluid zuführen bzw. abführen mit den Speisekanälen 58, 59 zu verbinden. Das Anschlusselement 57 weist darüber hinaus einen Radialwellendichtring 62 auf, in dem die Welle 4 rotieren kann.
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Lediglich beispielhaft ist in 1 dargestellt, dass das Kühlfluid durch den ersten Speisekanal 58 in den ersten Wellenabschnitt 8 gelangt, den ersten Kühlkanal 14, den zweiten Kühlkanal 15, den dritten Kühlkanal 17, den vierten Kühlkanal 18 und den fünften Kühlkanal 20 durchfließt und zurück in den zweiten Speisekanal 59 des Anschlusselements 57 strömt. Es ist ebenso möglich, dass der Kühlfluidfluss in umgekehrter Richtung realisiert wird.
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5 ist eine geschnittene Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Rotoranordnung 1, die der in 1 gezeigten Rotoranordnung bis auf die nachfolgend beschriebenen Abweichungen entspricht. Dabei sind gleiche oder gleichwirkende Komponenten der Ausführungsbeispiele mit identischen Bezugszeichen versehen. Die Rotoranordnung 1 gemäß 5 unterscheidet sich primär dadurch, dass das Kühlfluid an unterschiedlichen freien Enden 4a, 4b der Welle 4 in diese ein- und ausleitbar ist.
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Dazu ist der Trennabschnitt 10 des Trennelements 5 derart ausgebildet, dass er die Welle 4 an einer axialen Position zwischen den Stirnseiten 16, 19 vollständig trennt. D. h., der zweite Wellenabschnitt 9 erstreckt sich nicht durch den ersten Wellenabschnitt 8. Ebenso wird der Fluidleitabschnitt 11 axial vollständig durch den Trennabschnitt 10 begrenzt. Der Fluidleitabschnitt 11 weist darüber hinaus mehrere Durchgangslöcher 63 auf, damit das Kühlfluid aus dem Fluidleitabschnitt 11 austreten und zu den Durchgangslöchern 24 gelangen kann.
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Am freien Ende 4a der Welle 4 weist das Trennelement 5 einen Endabschnitt 64 auf, welcher in das freie Ende 4a hineinragt. Der Fluidleitabschnitt 11 mündet in den Endabschnitt 64, sodass das Kühlfluid durch ein zylindrisches Speiseelement 65 in den ersten Wellenabschnitt 8 gelangen kann. Der Endabschnitt 64 ist analog zum Abschlusselement 42 mit einem Dichtmittel 66 in Form eines O-Rings, der in einer in Umfangsrichtung verlaufenden radialen Nut 67 angeordnet ist, sowie mittels eines Dichtmittel 68 in Form einer an einer aufgeräumten Oberfläche 69 des Endabschnitts 64 angeordneten Klebeschicht abgedichtet.
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Das Abschlusselement 42 ist bei diesem Ausführungsbeispiel nicht als Blindstopfen ausgebildet, sondern weist einen Durchlass für ein weiteres Speiseelement 70 auf, um das Kühlfluid nach einem Einleiten in den Fluidleitabschnitt 11 und einem Durchströmen der Kühlkanalanordnung 13 aus dem zweiten Wellenabschnitt 9 herauszuleiten. Analog zum ersten Ausführungsbeispiel kann auch bei diesem Ausführungsbeispiel die Richtung des Kühlfluidflusses umgekehrt sein.
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6 ist eine Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels eines Fahrzeugs 71 in Form eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs, umfassend eine elektrische Maschine 72, die zum Antreiben des Fahrzeugs 71 eingerichtet ist. Die elektrische Maschine 72 umfasst einen Stator 73 und eine darin drehbar gelagerte Rotoranordnung 1 gemäß einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele. Mittels einer Kühleinrichtung 74, die ein Fördermittel und einen Wärmetauscher aufweist, wird ein die Kühlkanalanordnung 13 umfassender Kühlkreislauf geschlossen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011121042 A1 [0004]
