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Die Erfindung betrifft eine Rotoranordnung für eine elektrische Maschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Zudem betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine und ein Kraftfahrzeug.
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Die Kühlung von Wicklungen elektrischer Maschinen, insbesondere Antriebsmaschinen für Fahrzeuge, stellt speziell bei hohen Momenten und/oder hohen Strömen eine Herausforderung dar. Um Derating zu verhindern, müssen thermisch hochbelastete Zonen gut gekühlt werden.
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DE 10 2011 078 784 A1 beschreibt, dass der Motorwirkungsgrad durch Herabsetzen der Rotortemperatur erhöht werden soll. Daher wird eine elektrische Maschine mit einem Stator, einem Rotor, der mit dem Stator magnetisch zusammenwirkt, einem Gehäuse, das den Stator und den Rotor umgibt, und einer Hohlwelle, auf der der Rotor angeordnet ist und die an dem Gehäuse gelagert ist, vorgeschlagen. An der Belüftungsseite ist auf der Hohlwelle drehfest ein Radiallüfter vorgesehen. Ein Abschnitt eines Lüfterflügels des Radiallüfters erstreckt sich weiter axial von dem Gehäuse weg als die Hohlwelle. In der Hohlwelle ist ein Führungselement mit einem sich radial erstreckenden Teller angeordnet, wobei der Teller axial weiter von dem Gehäuse weg angeordnet ist als die Stirnseite der Hohlwelle an der Belüftungsseite. Damit ist ein innerer Kühlmittelstrom von dem Abschnitt des Lüfterflügels des Radiallüfters aus der Hohlwelle durch einen Durchgang zwischen der Stirnseite der Hohlwelle an der Belüftungsseite und dem Teller radial nach außen förderbar.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte Rotoranordnung für eine elektrische Maschine, eine elektrische Maschine und ein Kraftfahrzeug anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Rotoranordnung für eine elektrische Maschine gemäß Anspruch 1, durch eine elektrische Maschine gemäß Anspruch 7 und durch ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 8.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine Rotoranordnung für eine elektrische Maschine umfasst eine Rotorwelle, die als eine zumindest einseitig offene Hohlwelle mit einer Axialbohrung ausgebildet ist, durch die ein Kühlmedium einströmbar ist, wobei ein Insert in die Axialbohrung der Rotorwelle eingebracht ist, das eine Anzahl von in Axialrichtung der Rotorwelle verlaufenden, und an einer Innenseite der Axialbohrung anliegenden Stegen umfasst, so dass jeweils zwischen zwei benachbarten Stegen eine Kammer entsteht, wobei das Insert an einem offenen Ende der Axialbohrung eine Nabe aufweist, an der die Stege befestigt sind. Erfindungsgemäß ist von der Axialbohrung ausgehend in einer Mantelfläche der Rotorwelle eine Anzahl von Radialbohrungen vorgesehen, durch die das Kühlmedium radial aus der Rotorwelle ausströmbar ist, wobei die Radialbohrungen über den Umfang der Axialbohrung jeweils im Bereich von deren Enden verteilt sind, wobei die Kammern so angeordnet sind, dass aus je einer Kammer jeweils eine der Radialbohrungen mit dem Kühlmedium versorgbar ist, wobei das Insert aus einem Material gebildet ist, welches gegen das Kühlmedium beständig ist.
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Mittels der erfindungsgemäßen Rotoranordnung wird eine gute Kühlung thermisch hochbelasteter Zonen der Rotorwelle erzielt, indem mittels der Kammern eine definierte Verteilung von Volumenströmen des Kühlmediums in der Rotorwelle weitgehend unabhängig von deren Drehzahl und vom Volumenstrom des Kühlmediums erfolgt. Insbesondere werden durch die erfindungsgemäße Rotoranordnung die beiden Wickelköpfe in der elektrischen Maschine mit einer ähnlichen Ölmenge versorgt und somit auch ähnlich stark gekühlt.
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Durch die Rotation der Rotorwelle und somit auch des Inserts und wegen der nicht oder mit anderer Drehzahl rotierenden Zuströmung des Kühlmediums werden die Kammern nach und nach gefüllt. Über die Ausdehnung der Kammern in Umfangsrichtung der Axialbohrung ergibt sich aufgrund der Rotation für jede Kammer eine definierte Befüllungszeit, weshalb die Verteilung des Öls gezielt gesteuert werden kann.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
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Dabei zeigt:
- 1 eine schematische Ansicht einer Rotorwelle für eine elektrische Maschine.
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Die einzige 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Rotorwelle 1 für eine elektrische Maschine, insbesondere einer Antriebsmaschine für ein Kraftfahrzeug. Die Rotorwelle 1 ist als eine zumindest einseitig offene Hohlwelle mit einer Axialbohrung 2 ausgebildet, durch die ein Kühlmedium, insbesondere Öl, einströmen kann. Von der Axialbohrung 2 ausgehend sind in einer Mantelfläche der Hohlwelle 1 eine Anzahl von Radialbohrungen 3 vorgesehen, durch die das Kühlmedium in Richtung eines nicht dargestellten, auf der Rotorwelle 1 angeordneten Rotor-Blechpakets und in Richtung eines nicht dargestellten Stators austreten kann. Dabei sind die Radialbohrungen 3 insbesondere über den Umfang der Axialbohrung 2 jeweils im Bereich von deren Enden 2.1, 2.2 verteilt.
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Um eine gute Kühlung thermisch hochbelasteter Zonen der Rotorwelle 1 zu erzielen, wird eine definierte Verteilung von Volumenströmen des Kühlmediums in der elektrischen Maschine bei stark einseitiger Zuströmung des Kühlmediums in die Rotorwelle 1 angestrebt.
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Um die Versorgung mit Kühlmedium an beiden Enden der Rotorwelle 1 möglichst unabhängig von deren Drehzahl und vom Volumenstrom des Kühlmediums sicherzustellen, wird vorgeschlagen, ein Insert 4 in die Axialbohrung 2 der Rotorwelle 1 einzubringen, das so konfiguriert ist, dass es die Axialbohrung 2 in Kammern 6 aufteilt, die über den Umfang der Axialbohrung 2 einzelnen Radialbohrungen 3 zugewiesen sind. Das Insert 4 umfasst dazu beispielsweise eine Anzahl von in Axialrichtung der Rotorwelle 1 verlaufenden Stegen 5, die an einer Innenseite der Axialbohrung 2 anliegen und radial nach innen ragen, beispielsweise etwa 20 % des Durchmessers der Axialbohrung 2. Am offenen Ende 2.1 der Rotorwelle 1 kann das Insert 4 eine Nabe 7 aufweisen, an der die Stege 5 befestigt sind. Zwischen zwei benachbarten Stegen 5 ist jeweils eine Kammer 6 ausgebildet. In der dargestellten Ausführungsform sind vier Radialbohrungen 3 gleichförmig über den Umfang der Axialbohrung 2 verteilt am offenen Ende 2.1 der Axialbohrung 2 und vier Radialbohrungen 3 gleichförmig über den Umfang der Axialbohrung 2 verteilt an einem weiteren, beispielsweise geschlossenen oder offenen, Ende 2.2 der Axialbohrung 2 vorgesehen. Dabei sind die Radialbohrungen 3 am weiteren Ende 2.2 um einen Winkel von beispielsweise 45° versetzt zu den Radialbohrungen 3 am offenen Ende 2.1 angeordnet, so dass jede Radialbohrung 3 genau einer Kammer 6 zugeordnet ist. Durch die Rotation der Rotorwelle 1 und somit auch des Inserts 4 und wegen der nicht oder mit anderer Drehzahl rotierenden Zuströmung des Kühlmediums werden die Kammern 6 nach und nach gefüllt. Über die Ausdehnung der Kammern 6 in Umfangsrichtung der Axialbohrung 2 ergibt sich aufgrund der Rotation für jede Kammer 6 eine definierte Befüllungszeit, weshalb die Verteilung des Öls gezielt gesteuert werden kann.
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Damit kann eine bedarfsgerechte Kühlung beider Enden der elektrischen Maschine in verschiedenen Einsatzszenarien sichergestellt werden.
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Das Insert 4 ist aus einem Material gebildet, welches gegen das Kühlmedium beständig ist.
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In einer Ausführungsform weist dieses Material eine höhere Dichte auf als das Kühlmedium. Aufgrund der bei der Rotation der Rotorwelle 1 wirkenden Zentrifugalkraft dichten die Stege 5 die Kammern 6 somit selbst gegen die Innenwand der Axialbohrung 2 und gegeneinander ab. Hierzu weisen die Stege 5 auf ihrer radial außen liegenden Seite eine zur Axialbohrung 2 komplementäre Kontur auf. Beispielsweise weist die Axialbohrung 2 über ihre Länge einen gleichförmigen Durchmesser auf und die Stege 5 sind dementsprechend auf ihrer radial außen liegenden Seite gerade. Das Insert 4 bildet für jede Radialbohrung 3 eine eigene Kammer 6 aus, die aufgrund der Rotation der Rotorwelle 1 nacheinander befüllt werden. Über die Wahl der Größe der Kammern 6 kann die Verteilung des Volumenstroms des Kühlmediums nahezu drehzahl- und volumenstromunabhängig eingestellt werden.
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In einer Ausführungsform kann das Insert 4 als ein separates Einlegeteil ausgebildet sein. Zusätzlich kann das Insert 4 in die Rotorwelle 1 eingeklebt werden. In diesem Fall ist die Dichte des Materials des Inserts 4 unwesentlich. In einer weiteren Ausführungsform kann das Insert 4 direkt in die Rotorwelle 1 eingespritzt sein. Auch in diesem Fall ist die Dichte des Materials des Inserts 4 unwesentlich.
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In der dargestellten Ausführungsform ist die Rotorwelle 1 am weiteren Ende 2.2 offen. Das Kühlmedium, beispielsweise Öl, kann beispielsweise innerhalb des rechts gezeigten Sechskants zugeführt werden. Zwischen dem nicht rotierenden Sechskant und der Rotorwelle 1 kann ein kleiner Spalt vorgesehen sein.
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Die Rotorwelle 1 kann auf beiden Seiten oder nur einer Seite offen sein. An dem jeweiligen Ende 2.1, 2.2 soll die Axialbohrung 2 der Rotorwelle 1 in beiden Fällen einen geringeren Radius als im Bereich der Kammern 6 aufweisen. Ohne die so gebildete „Stufe“ an den Enden 2.1, 2.2 würde eine erhebliche Ölmenge nicht durch die Radialbohrungen 3 sondern in axialer Richtung aus der Rotorwelle 1 fließen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rotorwelle
- 2
- Axialbohrung
- 2.1
- Ende, offenes Ende
- 2.2
- Ende, geschlossenes Ende
- 3
- Radialbohrung
- 4
- Insert
- 5
- Steg
- 6
- Kammer
- 7
- Nabe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011078784 A1 [0003]
