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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine für einen Kraftfahrzeugantrieb, mit einem Stator und einem relativ zum Stator verdrehbar gelagerten Rotor, wobei der Rotor eine Rotorwelle mit einem hohl ausgebildeten Kühlmittelverteilungsabschnitt aufweist und wobei der Kühlmittelverteilungsabschnitt eine sich zu einem axialen Ende hin konisch verjüngende radiale Innenwandung aufweist.
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Aus dem Stand der Technik sind bereits gattungsgemäße elektrische Maschinen mit entsprechenden Kühlmittelverteilungssystemen bekannt. Demnach offenbart bspw. die
US 2 330 121 A1 eine elektrische Maschine mit einer Welle, die eine konische Innenfläche aufweist, um im Betrieb mittels entsprechender Leitschaufeln ein Fluid zirkulieren zu lassen.
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Diese bekannten Kühlmittelverteilungssysteme sind jedoch im Aufbau relativ aufwändig, sodass die elektrische Maschine einen relativ hohen Herstellaufwand sowie Montageaufwand aufweist.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Maschine zur Verfügung zu stellen, die insbesondere bei fehlender externer Kühlmittelpumpe einen verlässlichen Kühlmittelstrom erzeugt, im Herstellaufwand jedoch deutlich reduziert ist.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Kühlmittelverteilungsabschnitt als ein in einem Hohlraum der Rotorwelle aufgenommenes, in mehrere Umfangssegmente unterteiltes Rohr ausgebildet ist.
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Durch ein derart ausgebildetes mehrteiliges Rohr wird der Herstellaufwand des Kühlmittelverteilungsabschnittes deutlich reduziert. Bei einem Gießverfahren zur Herstellung des Rohres werden die Umfangssegmente dann einzeln möglichst einfach hergestellt, da auf bisher verwendete Kern- oder Schieberelemente verzichtet werden kann.
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Weitergehende vorteilhafte Ausführungsformen sind mit den Unteransprüchen beansprucht und nachfolgend näher erläutert.
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Demnach ist es auch von Vorteil, wenn das Rohr mehrteilig, bevorzugt zweiteilig ausgebildet ist. Dadurch ergibt sich ein besonders geeigneter Kompromiss zwischen einer Bauteilanzahl und dem Herstellaufwand. Diesbezüglich sei auch darauf hingewiesen, dass das Rohr auch aus mehr als zwei Teilen, etwa drei- oder vierteilig ausgebildet sein kann.
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Des Weiteren ist es zweckmäßig, wenn das Rohr aus einem Kunststoff hergestellt ist. Dadurch wird der Herstellaufwand deutlich reduziert und das Rohr effizient in Serie herstellbar.
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Zudem ist es vorteilhaft, wenn ein erstes Umfangssegment über mehrere in Vertiefungen eines zweiten Umfangssegmentes kraftschlüssig und/oder formschlüssig eingeschobene Haltelaschen mit dem zweiten Umfangssegment verbunden ist. Bevorzugt sind entlang des ersten Umfangssegmentes mehrere zueinander beabstandete Haltelaschen ausgebildet, die einzeln oder paarweise in eine (nutartige) Vertiefung des anderen zweiten Umfangssegmentes eingedrückt / eingepresst sind.
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Demnach ist es ebenso von Vorteil, wenn das zweite Umfangssegment über mehrere in Vertiefungen des ersten Umfangssegmentes kraftschlüssig und/oder formschlüssig eingeschobene Haltelaschen mit dem ersten Umfangssegment verbunden ist. Dadurch ist eine möglichst einfache Montierbarkeit des Rohrs sichergestellt. Dadurch wird die Haltekraft zwischen den Umfangssegmenten weiter erhöht.
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Für eine zentrierte sowie robuste Aufnahme des Rohrs ist es auch zweckmäßig, wenn das Rohr mit seinem ersten Ende an einem Absatz der Rotorwelle axial abgestützt ist.
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Ist die Rotorwelle zudem in ihrem das erste Ende des Rohrs aufnehmenden Endbereich mit einer zur Umgebung hin austretenden (axialen) Öffnung versehen, ist der Hohlraum auf möglichst einfache Weise mit weiteren Bereichen einer Kühlmittelversorgung koppelbar.
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Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn ein zweites Ende des Rohrs radiale Durchtrittslöcher aufweist, über die ein radialer Innenraum des Rohrs mit einem radial zwischen der Hohlwelle und dem Rohr gebildeten Spaltraum verbunden ist. Der Spaltraum verläuft bevorzugt weiterhin gegenläufig zu dem Innenraum und bildet eine Kühlmittelrückführung mit aus. Dadurch ergibt sich eine möglichst einfache, jedoch effizient den Rotor im Betrieb kühlende Kanalstruktur.
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Demnach ist es auch zweckmäßig, wenn die Rotorwelle in ihrem ersten Endbereich mit radialen Austrittsöffnungen (Bohrungen) versehen ist, über die das Kühlmittel wiederum dem entsprechenden Kühlmittelkreislauf rückgeführt wird.
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Axial benachbart zu dem zweiten Ende (des Rohrs) ist die Rotorwelle weiter bevorzugt mit einem den Hohlraum hin abschließenden Verschlusskörper versehen. Dadurch wird die Rotorwelle sicher zu ihrem, dem ersten Endbereich entgegengesetzten, zweiten Endbereich abgedichtet.
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Sind die beiden Umfangssegmente als zwei sich zu dem Rohr ergänzende Halbschalen ausgebildet, ist es möglich, die Umfangssegmente als Gleichteile zu realisieren und somit den Herstellaufwand weiter zu senken.
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Mit anderen Worten ausgedrückt, ist somit erfindungsgemäß eine spezielle Welleninnenkühlung einer E-Achse vorgesehen, die mit einem Konus (konische Innenwandung des Rohrs) sowie unter Verwendung von Schnappnasen / Quetschrippen (Haltelaschen) in Verbindung mit Vertiefungen ausgestattet ist.
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Die Erfindung wird nun nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine Längsschnittdarstellung einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, wobei eine im Betrieb erzeugte Kühlmittelströmung gut zu erkennen ist,
- 2 eine explodierte Darstellung eines in einer Rotorwelle der elektrischen Maschine nach 1 eingesetzten Rohrs zur Ausbildung eines Kühlmittelverteilungsabschnittes, wobei mehrere miteinander zusammenwirkende Haltelaschen und Vertiefungen an den Umfangssegmenten gut zu erkennen sind,
- 3 eine perspektivische Darstellung eines der beiden als Gleichteile ausgebildeten Umfangssegmente nach 2,
- 4 eine perspektivische Darstellung des Rohrs im zusammengebauten Zustand,
- 5 eine perspektivische Darstellung des in Querrichtung geschnittenen Rohres, wodurch eine Verbindung der beiden Umfangssegmente mittels einer Haltelasche und einer Vertiefung gut zu erkennen ist,
- 6 eine perspektivische Darstellung eines in der Rotorwelle im montierten Zustand fest aufgenommenen Endabschnittes des Rohres, sowie
- 7 eine schematische Darstellung eines Herstellvorgangs eines Umfangssegmentes.
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Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Ein prinzipieller Aufbau einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 1, wie sie bevorzugt in einem Antriebsstrang eines hybridisch oder rein elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeuges eingesetzt ist, ist in 1 gut zu erkennen. Die elektrische Maschine 1 ist vorzugsweise in einer E-Achse, d. h. einer Antriebseinheit mit einem ihr nachgeschalteten, koaxial zu einer Abtriebsachse angeordneten Getriebe, eingesetzt. Die elektrische Maschine 1 weist auf typische Weise einen im Wesentlichen ringförmigen, in einem Gehäuse aufgenommenen Stator 2 sowie einen radial innerhalb des Stators 2 drehbar gelagerten Rotor 3 auf. Der Rotor 3 dient im Betrieb auf übliche Weise zum Antreiben einer Eingangswelle des der Übersichtlichkeit halber nicht näher dargestellten Getriebes.
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Der Rotor 3 weist in dieser Ausführung eine integrierte Kühleinrichtung 23 auf. Diese Kühleinrichtung 23 ist mit einer hier der Übersichtlichkeit halber nicht weiter dargestellten Kühlmittelzuführung, etwa einem Reservoir, verbunden. Die Kühleinrichtung 23 dient dazu, bei rotierendem Rotor 3 einen Kühlmittelkreislauf selbsttätig aufzubauen, um den Rotor 3 zu kühlen.
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Der Rotor 3 weist eine Rotorwelle 4 auf, auf der ein Rotorkörper 24 aufgesetzt und befestigt ist. Der Rotorkörper 24 weist bevorzugt mehrere, hier der Übersichtlichkeit halber nicht weiter dargestellte Bleche auf, die axial zu einem Blechpaket gestapelt sind und fest miteinander sowie mit der Rotorwelle 4 weiter verbunden sind. Zudem weist der Rotorkörper 24 auf übliche Weise mehrere der Übersichtlichkeit halber ebenfalls nicht dargestellte Magnetelemente auf, die mit Spulen des Stators 2 auf übliche Weise zusammenwirken.
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Es ist zu erkennen, dass die Rotorwelle 4 zu jeder axialen Seite des Rotorkörpers 24 um eine bestimmte Länge über diese Seite hinausragt. Demnach weist die Rotorwelle 4 einen ersten Endbereich 14, der zu einer ersten axialen Seite des Rotorkörpers 24 hinausragt und einen zweiten Endbereich 22, der zu einer zweiten axialen Seite des Rotorkörpers 24 hinausragt, auf.
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Der zweite Endbereich 22 ist unmittelbar über ein Lager 25 relativ zu einem Gehäuse drehbar gelagert ist.
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Die Rotorwelle 4 ist durchgängig hohl ausgebildet. Die Rotorwelle 4 weist folglich einen radial innerhalb des Rotorkörpers 24 angeordneten, über die gesamte Länge des Rotorkörpers 24 hinweg verlaufenden Hohlraum 8 auf.
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Zu dem zweiten Endbereich 22 hin ist der Hohlraum 8 mit einem direkt in die Rotorwelle 4 eingepressten Verschlusskörper 20, hier einem Verschlussstopfen, abgedichtet.
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Zu dem ersten Endbereich 14 hin ist die Rotorwelle 4 mit einer axialen Öffnung 15 versehen, die weiter mit einer Kühlmittelzuführung der Kühleinrichtung 23 gekoppelt ist. Durch die Öffnung 15 gelangt folglich im Betrieb zentral ein Kühlmittel / Kühlfluid axial in den Hohlraum 8 hinein.
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Zur Verteilung und Förderung des im Betrieb durch die Öffnung 15 in den Hohlraum 8 eintretenden Kühlmittels ist ein erfindungsgemäß ausgebildeter Kühlmittelverteilungsabschnitt 5 vorgesehen. Dieser Kühlmittelverteilungsabschnitt 5 ist als ein von der Rotorwelle 4 separates Rohr 10 ausgebildet.
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Das Rohr 10 ist erfindungsgemäß mehrteilig realisiert. Das Rohr 10 ist auch in Verbindung mit den 2 bis 6 detailliert dargestellt. In dieser Ausführung ist das Rohr 10 zweiteilig realisiert, in diesem Zusammenhang sei jedoch auch darauf hingewiesen, dass das Rohr 10 gemäß weiteren Ausführungen auch mehr als zweiteilig, etwa drei- oder vierteilig, ausbildbar ist.
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Das Rohr 10 ist aus einem Kunststoff hergestellt. Somit sind mehrere Umfangssegmente 9a, 9b, hier zwei an der Zahl, jeweils aus einem Kunststoff hergestellt.
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Es ist zudem zu erkennen, dass die Umfangssegmente 9a, 9b als Gleichteile realisiert sind. Die Umfangssegmente 9a, 9b bilden somit jeweils eine Halbschale, wobei sich die beiden Halbschalen im miteinander verbundenen Zustand gemäß 1 und 4 zu dem Rohr 10 vervollständigen.
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Zu einem ersten axialen Ende 6 des Rohrs 10 bildet das Rohr 10 einen ringförmigen Bund 26, der unmittelbar axial an einem Absatz 13 der Rotorwelle 4 anliegt. Dieser Bund 26 ist zudem seitens einer radialen Stützfläche 27 der Rotorwelle 4 zentriert relativ zu der Rotorwelle 4 abgestützt. Beginnend von dem Bund 26 erstreckt sich eine radiale Innenwandung 7 des Rohrs 10, wie sie durch die Innenseiten der beiden Umfangssegmente 9a, 9b gebildet wird, in axialer Richtung konisch. Von dem ersten Ende 6 beginnend erweitert sich somit die Innenwandung 7 des Rohrs 10 zu dem zweiten Ende 16 hin. Umgekehrt bedeutet dies, dass sich das Rohr 10 ausgehend von dem zweiten Ende 16 seitens seiner Innenwandung 7 hin zu dem ersten Ende 6 konisch verjüngt.
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Die konische Erstreckung der Innenwandung 7 erfolgt kontinuierlich über annähernd die gesamte Länge des Rohrs 10 hinweg. Insbesondere weist das Rohr 10 über die gesamte Länge seines axial den Rotorkörper 24 durchdringenden Abschnittes / Bereiches diese konische Erstreckung auf.
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An dem zweiten Ende 16 sind in dem Rohr 10 mehrere in Umfangsrichtung des Rohrs 10 verteilt angeordnete, radiale Durchtrittslöcher 17 eingebracht. Dadurch wird ein radial innerhalb des Rohrs 10 ausgebildeter Innenraum 18 mit einem radial außerhalb des Rohrs 10, nämlich radial zwischen dem Rohr 10 und der Rotorwelle 4, umgesetzten Spaltraum 19 verbunden.
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Eine radiale Außenwandung 28 des Rohrs 10 verläuft auf typische Weise bevorzugt ebenfalls konisch und erweitert sich (gegensinnig zu der Innenwandung 7) von dem zweiten Ende 16 zu dem ersten Ende 6 hin. Somit erweitert sich der Spaltraum 19 zum ersten Endbereich 14 der Rotorwelle 4 hin. In dem aus dem Rotorkörper 24 hinausragenden ersten Endbereich 14 sind mehrere in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Austrittsöffnungen 21 in Form von Radialbohrungen umgesetzt, um eine Rückführung des Kühlmittels zu ermöglichen. Somit kommt es zu einer effizienten Kühlung des Rotors 3 im Betrieb.
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Mit den 2 bis 6 ist auch die nähere Befestigung der Umfangssegmente 9a, 9b aneinander dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel weist das jeweilige Umfangssegment 9a, 9b mehrere in Längsrichtung verteilt angeordnete Haltelaschen 12 auf. Die Haltelaschen 12 werden in eine Vertiefungen 11 des anderen Umfangssegmentes 9a, 9b eingepresst. Es ist zu erkennen, dass axial zwischen je zwei Paaren an Haltelaschen 12 eine längliche Vertiefung 11 vorhanden ist, in die ein Paar an Haltelaschen 12 des anderen Umfangssegmentes 9a, 9b eingepresst ist. Dadurch kommt es zu einer kraft- sowie formschlüssigen Verbindung der beiden Umfangssegmente 9a, 9b im montierten Zustand.
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Mit 7 wird schließlich noch auf den Herstellvorteil bei dem erfindungsgemäß eingesetzten Rohr 10 hingewiesen, woraus gut zu erkennen ist, dass bei einem entsprechenden Kunststoffspritzvorgang das jeweilige Umfangssegment 9a, 9b ohne Kern- oder Schieberelement hergestellt werden kann, sondern lediglich durch Einsatz zweier Werkzeugformen 29a, 29b.
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Mit anderen Worten ausgedrückt, wird erfindungsgemäß der konische Zylinder (Rohr 10) in axialer Richtung geschnitten und mehrteilig, etwa zweiteilig, ausgeführt. Dies hat insbesondere dahingehend Vorteile, als dass ein für die Fertigung des Zylinders verwendetes Werkzeug keinen Schieber mehr haben braucht, der aus dem inneren herausgezogen werden muss. Dadurch sinken Werkzeugkosten und Komplexität. Des Weiteren braucht eine bisher notwendige Entformungsschräge von 1,5° auf dem inneren Zylinder nicht eingehalten werden. Dadurch kann der Bauraum auf dem Innendurchmesser der Welle kleiner gestaltet werden. Zudem kann eine Geometrie auf die Innenfläche aufgebracht werden (wird hier der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt).
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektrische Maschine
- 2
- Stator
- 3
- Rotor
- 4
- Rotorwelle
- 5
- Kühlmittelverteilungsabschnitt
- 6
- erstes Ende
- 7
- Innenwandung
- 8
- Hohlraum
- 9a
- erstes Umfangssegment
- 9b
- zweites Umfangssegment
- 10
- Rohr
- 11
- Vertiefung
- 12
- Haltelasche
- 13
- Absatz
- 14
- erster Endbereich
- 15
- Öffnung
- 16
- zweites Ende
- 17
- Durchtrittsloch
- 18
- Innenraum
- 19
- Spaltraum
- 20
- Verschlusskörper
- 21
- Austrittsöffnung
- 22
- zweiter Endbereich
- 23
- Kühleinrichtung
- 24
- Rotorkörper
- 25
- Lager
- 26
- Bund
- 27
- Stützfläche
- 28
- Außenwandung
- 29a
- erste Werkzeugform
- 29b
- zweite Werkzeugform
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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