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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Motorwellenanordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und einen Elektromotor, insbesondere Permanentmagnet-Synchronmotor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 10.
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Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSM) umfassen einen Rotor, der mit einer Motorwelle verbunden ist und in einem Gehäuse drehbar gelagert ist. Der Rotor ist mit Permanentmagneten versehen. Um den Motor herum ist ein Stator angeordnet, der auf einem Eisenkern eine Anzahl von Wicklungen trägt. Bei geeigneter Ansteuerung erzeugen die Wicklungen ein Magnetfeld, das den Rotor zur Rotation antreibt.
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Elektromotoren mit hoher spezifischer Leistung sind durch ihre Eigenerwärmung in der Leistungsabgabe begrenzt. Es ist daher bekannt, den Rotor mittels flüssiger Kühlmittel zu kühlen. Das Kühlmittel wird über eine als Hohlwelle konzipierte Motorwelle in den Elektromotor geleitet. Über Öffnungen in der Motorwelle im Inneren des Motors wird das flüssige Kühlmittel entweder direkt oder über entsprechend positionierte und ausgeführte Rotorendplatten in den Motor gespritzt. Ein Nachteil ist, dass sich das Kühlmittel abhängig von der Rotationsgeschwindigkeit der Motorwelle in der Welle und im Motor unterschiedlich verteilt. Es kommt dadurch insbesondere im Bereich der Wicklungsenden zu warmen Stellen, die kritisch sein können.
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Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Motorwellenanordnung und einen Elektromotor anzugeben, die eine effiziente und gleichmäßige Kühlung erlauben.
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Diese Aufgabe wird von einer Motorwellenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einem Elektromotor mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Demnach ist eine Motorwellenanordnung aufweisend eine Motorwelle, die als Hohlwelle mit einem offenen Ende und einem geschlossenen Ende ausgebildet ist und die einen Raum umschließt, vorgesehen. Zur Kühlung des Motors ist die Motorwelle zumindest teilweise von einem Zulaufrohr durchsetzt, das sich in den Raum erstreckt und das einen Zulauf für ein Kühlmedium, insbesondere Öl, in die Hohlwelle bildet. Das Zulaufrohr weist wenigstens eine innerhalb der Welle liegende Öffnung auf, die strömungsmäßig mit dem das Zulaufrohr umgebenden Teil des Raums verbunden ist. Zudem weist die Hohlwelle durchsetzende Öffnungen auf, die von dem Kühlmedium aus dem Teil des Raums nach außen hin durchströmbar sind. Das Zulaufrohr definiert somit den Zufluss des Kühlmediums in die Motorwelle. Ungleichmäßigkeiten in der Verteilung des Kühlmittels, die durch unterschiedliche Rotationsgeschwindigkeiten der Motorwelle auftreten können, werden so verhindert. Die innerhalb der Welle liegende Öffnung des Zulaufrohrs liegt in einem Bereich zwischen 30% und 70% der axialen Länge der Motorwelle. Das Kühlmittel fließt dadurch erst in einem mittleren Bereich in die Welle und kann von dort ausgehend gleichmäßig in der Motorwelle und dem an die Motorwelle anschließenden Rotor verteilt werden. Vorzugsweise ist der axiale Abstand zwischen der wenigstens einen innerhalb der Motorwelle liegende Öffnung des Zulaufrohrs und den die Motorwelle durchsetzenden Öffnungen etwa gleich.
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Vorzugsweise liegt die wenigstens eine innerhalb der Welle liegende Öffnung des Zulaufrohrs auf etwa der Hälfte der axialen Länge der Motorwelle.
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In einer Ausführungsform ist die wenigstens eine innerhalb der Welle liegende Öffnung des Zulaufrohrs derart ausgestaltet, dass das Zulaufrohr radial zur Drehachse der Motorwelle nach außen durchströmbar ist. Dabei ist es vorteilhaft, dass die wenigstens eine innerhalb der Welle liegende Öffnung des Zulaufrohrs eine Vielzahl an Öffnungen umfasst, die im Bereich der Mantelfläche des Zulaufrohrs liegen und in Umfangsrichtung zur Drehachse gleichmäßig beabstandet sind. Ein gleichmäßiges Ausströmen des Kühlmediums aus dem Zulaufrohr kann so sichergestellt werden.
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In einer anderen Ausführungsform ist die wenigstens eine innerhalb der Welle liegende Öffnung des Zulaufrohrs ein offenes Ende des Zulaufrohrs. Das Kühlmedium strömt somit aus dem offenen Ende des Zulaufrohrs in die Hohlwelle. Um das Kühlmedium gleichmäßig in der Hohlwelle zu verteilen, ist es vorteilhaft, wenn das geschlossene Ende der Motorwelle durch einen Deckel oder Einsatz gebildet ist, der auf der Innenseite eine Erhebung aufweist, die an ihrem Ende einen Strömungswiderstand hat, der mit dem offenen Ende des Zulaufrohrs derart korrespondiert, dass der Bereich zwischen der Öffnung des offenen Endes und des Strömungswiderstandes etwa radial zur Drehachse von dem Kühlmedium durchströmbar ist.
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Es ist allgemein bevorzugt, wenn das Zulaufrohr zylindrisch, insbesondere kreiszylindrisch ist. Dabei ist es vorteilhaft, wenn das Zulaufrohr koaxial in der Motorwelle angeordnet ist.
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Es kann sein, dass das Zulaufrohr vollständig in der Motorwelle aufgenommen ist. In diesem Fall wird bevorzugt das Zulaufrohr im Inneren der Motorwelle an dieser befestigt, bevorzugt verschraubt, eingepresst, geschweißt oder dergleichen. Zudem kann eine Düse eingesetzt werden, durch die das Kühlmedium in das Zulaufrohr geleitet wird.
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Weiterhin ist ein Elektromotor, insbesondere Permanentmagnet-Synchronmotor, bevorzugt als Traktionsmotor für Kraftfahrzeuge, mit einer zuvor beschriebenen Motorwellenanordnung vorgesehen, wobei der Permanentmagnet-Synchronmotor einen Rotor mit Permanentmagneten umfasst, der strömungsmäßig mit den Öffnungen der Motorwelle verbunden ist und somit von dem Kühlmedium durchströmbar ist. Bevorzugt ist der Motor ein Innenläufer-PMSM. Der Rotor umgibt die Motorwelle der Motorwellenanordnung und ist an dieser drehfest befestigt. Die Lage und Anzahl der Öffnungen in der Hohlwelle sind bevorzugt so gewählt, dass das Kühlmedium gleichmäßig in den Rotor zur Kühlung strömen kann. Vorzugsweise sind jeweils im Endbereich diametral angeordneten Öffnungen vorgesehen. Danach fließt das Kühlmedium vorzugsweise ab und durchströmt den Stator und den gesamten Motorraum bevor es durch eine Öffnung in die Rotoranordnung bzw. das Zulaufrohr zurückgeführt wird.
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Bevorzugt wird der Elektromotor in einer elektrischen Antriebseinheit für batterieelektrische Fahrzeug oder Hybridelektrofahrzeuge aufweisend eine Fahrzeugachse und ein Getriebe eingesetzt. Solche Einheiten sind auch unter dem Begriff „E-Achse“ bekannt.
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Zwei bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile sind dabei in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
- 1: eine räumliche Darstellung einer Motorwellenanordnung,
- 2: eine räumliche Ansicht eines Zulaufrohrs der Motorwellenanordnung der 1,
- 3: einen Querschnitt durch die Motorwellenanordnung der 1,
- 4: eine räumliche Ansicht einer weiteren Motorwellenanordnung, sowie
- 5: einen Längsschnitt durch die Motorwellenanordnung der 4.
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In 1 ist eine Motorwellenanordnung 1 eines Innenläufer-PMSM dargestellt. Ein nicht dargestellter Rotor umgibt eine Motorwelle 2 der Motorwellenanordnung 1 und ist an dieser drehfest befestigt. Die Motorwelle 2 definiert mit ihrer Rotationsachse und/oder Symmetrieachse eine Drehachse D. Eine Rotoranordnung aus Rotor und Motorwelle ist koaxial aufgebaut. Die Innenseite des Rotors liegt in Anlage mit der Außenseite der Motorwelle. Die Motorwelle 2 ist als Hohlwelle mit einem offenen Ende 3 und einem geschlossenen Ende 4 ausgebildet. Sie bildet einen Kanal zum Durchfluss des Kühlmediums. Die Motorwellenanordnung 1 weist ein Zulaufrohr 5 auf, welches zur Zufuhr eines Kühlmittels in die Hohlwelle ausgebildet ist. Das Zulaufrohr 5 ist in Bezug auf die Drehachse D koaxial in der Motorwelle 2 angeordnet. Es erstreckt sich in axialer Richtung in Bezug auf die Drehachse D über etwa die Hälfte der axialen Länge der Motorwelle 2. Es weist ein offenes Ende 6 zur Einleitung des Kühlmittels und ein geschlossenes Ende 7 auf. Das Zulaufrohr 5 weist an seinem in der Motorwelle liegenden geschlossenen Ende 7 mehrere durchsetzende Öffnungen 8 im Bereich der Mantelfläche 9 auf. Die Öffnungen 8 sind schlitzförmig und erstrecken sich jeweils mit ihrer Längsachse parallel zur Drehachse D. Die Öffnungen 8 sind entlang des Umfangs gleichmäßig beabstandet. Die Öffnungen 8 liegen im mittleren Bereich der Motorwelle 2 und sind somit zentral in der Welle 2 angeordnet.
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Zwischen einer Außenseite des Zulaufrohrs 5 und einer Innenseite der Motorwelle 2 ist ein Zwischenraum 10 zur Aufnahme eines Kühlmittels gebildet. Der Außendurchmesser des Zulaufrohrs 5 ist dabei kleiner als der Innendurchmesser der Motorwelle 2, sodass der Zwischenraum 10 ein Ringraum ist. Das offene Ende 3 der Motorwelle ist gegenüber dem Zulaufrohr 5 abgedichtet.
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Ein flüssiges Kühlmittel wird ausschließlich durch das Zulaufrohr 5 in die Motorwelle 2 geleitet. Die Pfeile zeigen schematisch die Strömungsrichtung des Kühlmittels an. Durch die Öffnungen 8 in dem Zulaufrohr 5 tritt das Kühlmittel radial in den Zwischenraum 10 zwischen Motorwelle 2 und Zulaufrohr 5 aus und gelangt mittig in die Welle 2. Von dort ausgehend wird das Kühlmittel in dem Kanal der gesamten Welle 2 verteilt. Die Motorwelle 2 weist durchsetzende Öffnungen 11 auf, durch die das Kühlmittel in den Rotor geleitet wird. Es können zudem in dem Rotor Kühlkanäle vorgesehen sein, so dass das Kühlmittel gezielt an den Magneten vorbeigeführt werden kann. Die durchsetzenden Öffnungen 11 sind bevorzugt diametral und an zwei unterschiedlichen axialen Positionen in der Motorwelle 2 vorgesehen. Eine erste Position 12 befindet sich nahe dem offenen Ende 3 und eine zweite Position 13 befindet sich nahe dem geschlossenen Ende 4. An jeder Position 12,13 sind zwei sich gegenüberliegende Öffnungen vorgesehen. Der axiale Abstand in Längsrichtung zwischen den beiden Positionen 12,13 und den Öffnungen 8 ist dabei etwa gleich.
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In der 2 ist im Detail das Zulaufrohr 5 dargestellt. Es ist zylindrisch und weist in unmittelbarer Nähe zu seinem geschlossenen Ende 7 die Öffnungen 8 zum radialen Einspritzen des Kühlmittels in den Zwischenraum auf.
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3 zeigt einen Querschnitt durch die Motorwellenanordnung 1 auf axialer Höhe der Öffnungen des Zulaufrohrs. Das Kühlmittel wird in der axialen Mitte der Motorwelle 2 in den Zwischenraum 10 geleitet und kommt erst dort in Kontakt mit der Innenseite 20 der Motorwelle 2. Von dort aus verteilt sich das Kühlmittel unabhängig von der Drehgeschwindigkeit der Motorwelle 2 gleichmäßig im Zwischenraum 10. Durch die jeweils im Endbereich diametral angeordneten Öffnungen der Motorwelle 11 strömt das Kühlmedium aus der Motorwellenanordnung 1 in den nicht dargestellten Rotor. Danach fließt das Kühlmedium ab und durchströmt den Stator und den gesamten Motorraum bevor es durch eine Öffnung in die Rotoranordnung bzw. das Zulaufrohr zurückgeführt wird.
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4 zeigt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Motorwellenanordnung 1. Im Folgenden werden ausschließlich die Unterschiede zur ersten Ausführungsform beschrieben. Das Zulaufrohr 5 weist zwei offene Enden 6,70 auf. Das Zulaufrohr 5 ist zylindrisch und mit der Motorwelle auf der Innenseite verschraubt. Das Kühlmedium wird in die Motorwelle durch das Zulaufrohr 5 geleitet und tritt an dem offenen Ende 70 in den Kanal aus. Das geschlossene Ende 4 der hohlzylindrischen Motorwelle 2 ist durch einen Deckel 14 bzw. Einsatz gebildet. Der Deckel 14 weist auf der Innenseite eine Erhebung 140 auf, die in den Kanal ragt. An dem Ende der Erhebung 140 ist ein Strömungswiderstand 141 angeordnet, der derart ausgeformt ist, dass der Außendurchmesser größer als der Innendurchmesser des Zulaufrohrs 5 ist. Der Strömungswiderstand 141 ist tellerförmig und in Axialrichtung beabstandet zu dem offenen Ende des Zulaufrohrs 70 platziert. Der Abstand ist derart gewählt, dass das aus dem Zulaufrohr 5 austretende Kühlmittel radial nach außen strömt und sich erst danach gleichmäßig in der Welle 2 bzw. dem Kanal verteilt.
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In der 5 ist ein Längsschnitt durch die zuvor beschriebene Anordnung dargestellt. Das Kühlmittel wird durch eine Düse 15 in das Zulaufrohr 5 geleitet. Das Zulaufrohr 5 befindet sich somit vollständig innerhalb der Motorwelle 2. Das Zulaufrohr 5 ist an der Motorwelle 2 befestigt und das offene Ende der Motorwelle 3 wird durch das Zulaufrohr 5 abgedichtet. Die Hohlwelle 2 definiert somit einen in Axialrichtung abgeschlossenen Raum 16.
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Durch die Düse 15 wird die Kühlflüssigkeit, insbesondere Öl, in das Welleninnere eingeleitet. In etwa der Mitte der Welle 2 tritt die Flüssigkeit radial nach außen aus dem Zulaufrohr 5 in den das Zulaufrohr umgebenden Teil des Raums 16 aus und strömt gleichmäßig zu den Öffnungen 11 in der Welle. Die Öffnungen 11 sind diametral angeordnet. Die Öffnungen eines Endes 12 sind dabei um 90° in Umfangsrichtung versetzt zu den Öffnungen des anderen Endes 13 platziert.
