DE102021105338A1

DE102021105338A1 - Elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102021105338A1
Application number: DE102021105338.2A
Authority: DE
Inventors: Florian Nachtmann; Laurent Ineichen; Matthias Bauer; Kay Juckelandt
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2021-03-05
Filing date: 2021-03-05
Publication date: 2022-09-08
Also published as: KR20230135673A; WO2022184211A1; US20240146133A1; JP2024509116A; EP4302385A1; CN116888863A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine (1) umfassend einen Stator (2) und einen relativ zum Stator (2) drehbar gelagerten Rotor (3), Wobei der Rotor (3) eine Rotorwelle (4) und einen drehfest mit der Rotorwelle (4) verbundenen Rotorkörper (5) umfasst, wobei die Rotorwelle (4) einen sich in Axialrichtung erstreckenden mit einem Hydraulikfluid (16) befüllbaren Hydraulikkanal (6) aufweist, von dem aus sich ein erster Radialfluidkanal (7)) in radialer Richtung nach Außen erstreckt, Wobei an einer axialen Stirnfläche (9) des Rotorkörpers (5), wenigstens ein ringscheibenförmiges Deckelelement (10) drehfest mit dem Rotorkörper (5) verbunden ist, und das Deckelelement (10) mit der axialen Stirnfläche (9) des Rotorkörpers (5) wenigstens einen ersten zweiseitig offenen Kühlkanal (18) ausbildet, der hydraulisch mit dem ersten Radialfluidkanal (7) koppelbar ist, so dass ein Hydraulikfluid (16) zentrifugalkraftunterstützt aus dem Hydraulikkanal (6) der Rotorwelle und in Radialrichtung durch den Radialfluidkanal (7) und den ersten Kühlkanal (18) förderbar ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine umfassend einen Stator und einen relativ zum Stator drehbar gelagerten Rotor, wobei der Rotor eine Rotorwelle und einen drehfest mit der Rotorwelle verbundenen Rotorkörper umfasst, wobei die Rotorwelle einen sich in Axialrichtung erstreckenden mit einem Hydraulikfluid befüllbaren Hydraulikkanal aufweist, von dem aus sich ein erster Radialfluidkanal in radialer Richtung nach Außen erstreckt, wobei an einer axialen Stirnfläche des Rotorkörpers, wenigstens ein ringscheibenförmiges Deckelelement drehfest mit dem Rotorkörper verbunden ist, und das Deckelelement mit der axialen Stirnfläche des Rotorkörpers wenigstens einen ersten zweiseitig offenen Kühlkanal ausbildet, der hydraulisch mit dem ersten Radialfluidkanal koppelbar ist, so dass ein Hydraulikfluid zentrifugalkraftunterstützt aus dem Hydraulikkanal der Rotorwelle und in Radialrichtung durch den Radialfluidkanal und den ersten Kühlkanal förderbar ist.
Bei Kraftfahrzeugen werden für den Antrieb verstärkt Elektromotoren eingesetzt, um Alternativen zu Verbrennungsmotoren zu schaffen, die fossile Brennstoffe benötigen. Um die Alltagstauglichkeit der Elektroantriebe zu verbessern und zudem den Benutzern den gewohnten Fahrkomfort bieten zu können, sind bereits erhebliche Anstrengungen unternommen worden.
In vielen derartiger Elektromobilitätsanwendungen werden permanenterregte Synchronmaschinen eingesetzt. Eine solche permanenterregte Synchronmaschine umfasst einen zu bestromenden Stator und einen permanenterregten Rotor. Der Rotor umfasst zumeist eine Welle, Wuchtbleche, Rotorblechpakete und Magnete. Die Magnete sind im Allgemeinen in den Rotorblechpaketen fixiert.
Die Leistung einer elektrischen Rotationsmaschine ist unter anderem abhängig von der bei Betrieb entstehenden Wärme, da mit zunehmender Wärme der Wirkungsgrad der Maschine sinkt.
Es ist weiterhin bekannt, dass in einer elektrischen Rotationsmaschine sogenannte Hotspots auftreten können. Ein Hotspot ist ein Bereich der Entstehung der größten Wärme im Rotor und/oder Stator beim Betrieb der Elektromaschine.
In der Regel angewandte Maßnahmen zur Kühlung eines Rotors und Stators einer Elektromaschine sind eine Kühlung des Rotors unter Ausnutzung der Fliehkraft von radial innen durch Kühlmittel, wobei das Kühlmittel hierbei entlang der Rotor-Stirnseiten fließt, und eine Kühlung des Stators von radial außen durch ein Kühlmittel sowie eine Ableitung des Kühlmittels und damit auch der vom Kühlmittel aufgenommenen Wärme.
Aufgrund des Trends zu immer höheren Drehzahlen von elektrischen Maschinen im Bereich der Elektromobilität ist bei den Rotorstacks in der Regel ein Querpressverband erforderlich, weshalb üblicherweise keine Kühlmittelzufuhr in den Stack erfolgen kann. Die hohen Drehzahlen moderner Elektroantriebe im Fahrzeugbereich haben weiterhin zur Folge, dass sich fliehkraftbedingte Saugeffekte an den radial verlaufenden Kühlmittelkanälen einstellen, welche eine unkontrollierte Verteilung von Hydraulikfluid in dem Kühlsystem der entsprechenden elektrischen Maschine zur Folge haben kann. Diese unkontrollierte und unerwünschte Verteilung von Hydraulikfluid durch derartige Saugeffekte kann folglich zu einer nicht ausreichenden Kühlleistung in thermisch kritischen Bereichen der elektrischen Maschine führen. Dies wiederum führt zu reduzierten Wirkungsgraden der elektrischen Maschine oder gar zur thermischen Schädigung und Versagen der elektrischen Maschine.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher diese Nachteile abzumildern oder vollständig zu beseitigen und eine elektrische Maschine bereitzustellen, welche auch bei hohen Drehzahlen eine kontrollierte und sichere Kühlung des Rotors bereitstellen kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Maßnahmen. Weiere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Gemäß einem Aspekt umfasst eine elektrische Maschine einen Stator und einen relativ zum Stator drehbar gelagerten Rotor, wobei der Rotor eine Rotorwelle und einen drehfest mit der Rotorwelle verbundenen Rotorkörper umfasst, wobei die Rotorwelle einen sich in Axialrichtung erstreckenden mit einem Hydraulikfluid befüllbaren Hydraulikkanal aufweist, von dem aus sich ein erster Radialfluidkanal in radialer Richtung nach Außen erstreckt, wobei an einer axialen Stirnfläche des Rotorkörpers, wenigstens ein ringscheibenförmiges Deckelelement drehfest mit dem Rotorkörper verbunden ist, und das Deckelelement mit der axialen Stirnfläche des Rotorkörpers wenigstens einen ersten zweiseitig offenen Kühlkanal ausbildet, der hydraulisch mit dem ersten Radialfluidkanal koppelbar ist, so dass ein Hydraulikfluid zentrifugalkraftunterstützt aus dem Hydraulikkanal der Rotorwelle und in Radialrichtung durch den Radialfluidkanal und den ersten Kühlkanal förderbar ist, wobei der erste Radialfluidkanal einen ersten Strömungsquerschnitt und einen in radialer Richtung oberhalb des ersten Strömungsabschnitts ausgebildeten zweiten Strömungsquerschnitt aufweist, wobei der erste Strömungsquerschnitt und der zweite Strömungsquerschnitt ein Verhältnis zwischen 1:1.5-1:25 aufweist, wobei zwischen 5%-75%, bevorzugt zwischen 15-25% des zweiten Strömungsquerschnitts des ersten Radialfluidkanals in axialer Richtung abschnittsweise von dem Rotorkörper überdeckt ist und wobei der zweite Strömungsquerschnitt in eine erste Speicherkammer mündet, welche in radialer Richtung zwischen der Rotorwelle und dem ersten Kühlkanal angeordnet ist, wobei das Volumen des ersten Radialflusskanals zum Volumen der ersten Speicherkammer in Verhältnis zwischen 0,5:1 - 3:1 aufweist.
Durch diese Ausgestaltung des hydraulischen Kühlpfades an einem Rotor der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine kann das Auftreten von Saugeffekten bei hohen Drehzahlen sicher unterbunden werden.
Die abschnittsweise Überdeckung des zweiten Strömungsquerschnitts des ersten Radialfluidkanals in axialer Richtung durch den Rotorkörper kann insbesondere bei hohen Drehzahlen die Benetzung des Rotorkörpers verbessern.
Die Begriffe „radial“, und „axial“ beziehen sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung immer auf die Drehachse des Rotors.
Zunächst werden die einzelnen Elemente des beanspruchten Erfindungsgegenstandes in der Reihenfolge ihrer Nennung im Anspruchssatz erläutert und nachfolgend besonders bevorzugte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes beschrieben.
Elektrische Maschinen dienen zur Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie und/oder umgekehrt, und umfassen in der Regel einen als Stator, Ständer oder Anker bezeichneten ortsfesten Teil sowie einen als Rotor oder Läufer bezeichneten und gegenüber dem ortsfesten Teil beweglich angeordneten Teil. Die elektrische Maschine ist insbesondere für die Verwendung innerhalb eines Antriebsstrang eines hybrid- oder vollelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs vorgesehen. Insbesondere ist die elektrische Maschine so dimensioniert, dass Fahrzeuggeschwindigkeiten größer als 50 km/h, vorzugsweise größer als 80 km/h und insbesondere größer als 100 km/h erreicht werden können. Besonders bevorzugt weist der Elektromotor eine Leistung größer als 30 kW, vorzugsweise größer als 50 kW und insbesondere größer als 70 kW auf. Es ist des Weiteren bevorzugt, dass die elektrische Maschine Drehzahlen größer als 5.000 U/min, besonders bevorzugt größer als 10.000 U/min, ganz besonders bevorzugt größer als 12.500 U/min bereitstellt.
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine ist insbesondere als Radialflussmaschine konfiguriert, insbesondere zur Verwendung innerhalb eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs. Im Sinne dieser Anmeldung werden unter dem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges alle Komponenten verstanden, die im Kraftfahrzeug die Leistung für den Antrieb des Kraftfahrzeugs generieren und über die Fahrzeugräder bis auf die Straße übertragen.
Der Stator ist der elektrischen Maschine ist bevorzugt zylindrisch aufgebaut und besteht bevorzugt aus gegeneinander elektrisch isolierten und geschichtet aufgebauten und zu Blechpaketen paketierten Elektroblechen.
Ein Rotor ist der sich drehende (rotierende) Teil einer elektrischen Maschine. Der Rotor umfasst eine Rotorwelle und einen oder mehrere drehfest auf der Rotorwelle angeordnete Rotorkörper. Die Rotorwelle kann hohl ausgeführt sein, was zum einen eine Gewichtsersparnis zur Folge hat und was zum anderen die Zufuhr von Schmier- oder Kühlmittel zum Rotorkörper erlaubt.
Unter einem Rotorkörper wird im Sinne der Erfindung der Rotor ohne Rotorwelle verstanden. Der Rotorkörper setzt sich demnach insbesondere zusammen aus dem Rotorblechpaket sowie den in die Taschen des Rotorblechpakets eingebrachten oder den umfänglich an dem Rotorblechpaket fixierten Magnetelementen sowie ggf vorhandenen axialen Deckelteilen zum Verschließen der Taschen.
Der Rotorkörper kann ein oder mehrere Rotorblechpakete, welche gelegentlich auch als Stacks bezeichnet werden, umfassen. Als Rotorblechpaket werden eine Mehrzahl von in der Regel aus Elektroblech hergestellten laminierten Einzelblechen bzw. Rotorblechen verstanden, die übereinander zu einem Stapel, dem sog. Rotorblechpaket geschichtet und paketiert sind. Die Einzelbleche können dann in dem Blechpaket durch Verklebung, Verschweißung oder Verschraubung zusammengehalten bleiben.
Die elektrische Maschine kann des Weiteren ein Kühlsystem aufweisen. Ein Kühlsystem dient der Abfuhr der innerhalb einer elektrischen Maschine durch elektrische Verluste erzeugten Wärme. Ein derartiges Kühlsystem kann Kühlkanäle innerhalb von Rotor (Rotorkühlkanal) und/oder Stator (Statorkühlkanal) aufweisen, durch die ein entsprechendes Kühlmedium bzw. Hydraulikfluid zwecks Abtransport der Wärme geführt ist. Hierzu kann das Kühlsystem insbesondere eine oder mehrere Pumpen aufweisen, welche das Kühlmedium durch das Kühlsystem, bevorzugt in einem geschlossenen Kreislauf, bewegen.
Das Hydraulikfluid hat in der elektrischen Maschine die Funktion, Wärme möglichst effizient aus sich erwärmenden Bereichen der elektrischen Maschine abzuführen und ein unerwünschtes Überhitzen dieser Bereiche zu vermeiden. Neben dieser Hauptaufgabe kann das Hydraulikfluid insbesondere auch die Schmierung und den Korrosionsschutz für die beweglichen Teile und die Metalloberflächen des Kühlsystems der elektrischen Maschine bereitstellen. Außerdem kann es insbesondere auch Verunreinigungen (beispielsweise durch Abrieb), Wasser und Luft abführen.
Das Hydraulikfluid ist bevorzugt eine Flüssigkeit. Das Hydraulikfluid kann insbesondere ein Öl sein. Grundsätzlich ist es allerdings auch denkbar, wässrige Hydraulikfluide, beispielsweise auch Emulsionen, zu verwenden.
Die elektrische Maschine kann des Weiteren bevorzugt zur Verwendung innerhalb eines Hybridmoduls für ein Kraftfahrzeug vorgesehen sein. In einem Hybridmodul können Bau- und Funktionselemente eines hybridisierten Antriebsstrangs räumlich und/oder baulich zusammengefasst und vorkonfiguriert sein, so dass ein Hybridmodul in einer besonders einfachen Weise in einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs integrierbar ist. Insbesondere können eine elektrische Maschine und ein Kupplungssystem, insbesondere mit einer Trennkupplung zum Einkuppeln der elektrischen Maschine in und/oder Auskuppeln der elektrischen Maschine aus dem Antriebsstrang, in einem Hybridmodul vorhanden sein.
Die elektrische Maschine kann insbesondere bevorzugt auch zur Verwendung in einem elektrischen Achsantriebsstrang innerhalb eines Antriebsstrangs eines Kraftfahrzeugs vorgesehen sein. Ein elektrischer Achsantriebsstrang eines Kraftfahrzeugs umfasst eine elektrische Maschine und ein Getriebe, wobei die elektrische Maschine und das Getriebe eine bauliche Einheit bilden. Diese bauliche Einheit wird gelegentlich auch als E-Achse bezeichnet.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Rotorwelle einen sich in Axialrichtung erstreckenden mit einem Hydraulikfluid befüllbaren Hydraulikkanal aufweist, von dem aus sich der erste Radialfluidkanal und ein davon axial beabstandeter zweiter Radialfluidkanal in radialer Richtung nach Außen erstrecken, wobei an den axialen Stirnflächen des Rotorkörpers, wenigstens jeweils ein ringscheibenförmiges Deckelelement drehfest mit dem Rotorkörper verbunden ist, und das Deckelelement jeweils mit einer der axialen Stirnflächen des Rotorkörpers wenigstens einen zweiseitig offenen Kühlkanal ausbildet, der hydraulisch mit einem der Radialfluidkanäle, koppelbar ist, so dass der Rotor wenigstens einen entsprechenden ersten Kühlkanal und wenigstens einen zweiten Kühlkanal aufweist, so dass ein Hydraulikfluid zentrifugalkraftbewirkt aus dem Hydraulikkanal der Rotorwelle und in Radialrichtung durch die Radialfluidkanäle, und die Kühlkanäle, förderbar ist, wobei der zweite Radialfluidkanal einen dritten Strömungsquerschnitt und einen in radialer Richtung oberhalb des dritten Strömungsabschnitts ausgebildeten vierten Strömungsquerschnitt aufweist, wobei der dritte Strömungsquerschnitt und der vierte Strömungsquerschnitt ein Verhältnis zwischen 1:1.5-1:25 aufweist und wobei zwischen 5%-75%, bevorzugt zwischen 15-25% des vierten Strömungsquerschnitts des zweiten Radialfluidkanals in axialer Richtung abschnittsweise von dem Rotorkörper überdeckt ist, und der vierte Strömungsquerschnitt in eine zweite Speicherkammer mündet, welche in radialer Richtung zwischen der Rotorwelle und dem zweiten Kühlkanal angeordnet ist, wobei das Volumen des ersten Radialflusskanals zum Volumen der ersten Speicherkammer ein Verhältnis zwischen 0,5:1 - 3:1 aufweist.
Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass eine gleichmäßige Verteilung von Hydraulikfluid zwischen den beiden hydraulischen Pfaden zur Kühlung des Rotorkörpers erzielt werden kann, da Saugeffekte durch die Konfiguration des hydraulischen Systems sicher unterbunden werden können.
Die Anzahl der Kühlkanäle zwischen einem Deckelelement und dem Rotorkörper entspricht besonders bevorzugt der Polpaarzahl, ganz besonders bevorzugt der doppelten Polpaarzahl, um eine möglichst symmetrische Kühlleistung über den Umfang des Statorkörpers zu erzielen. Die Kühlkanäle sind bevorzugt identisch ausgebildet und verlaufen entlang einer radialen, geraden Linie. Die Kühlkanäle sind ferner bevorzugt äquidistant über den Umfang des Rotorkörpers angeordnet.
Ein Deckelelement ist bevorzugt aus hochfestem Aluminium gefertigt, um eine hinreichende Festigkeit bereitstellen zu können.
Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass der erste Kühlkanal einen Strömungsquerschnitt aufweist, welcher zwischen 0,5-1,5 des ersten Strömungsquerschnitts des ersten Radialfluidkanals entspricht. Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass der zweite Kühlkanal einen Strömungsquerschnitt aufweist, welcher zwischen 0,5-1,5 des dritten Strömungsquerschnitts des zweiten Radialfluidkanals entspricht. Diese Maßnahmen unterstützen ebenfalls das Unterdrücken von unerwünscht auftretenden Saugeffekten.
Ein oder mehrere Kühlkanäle können insbesondere auf der dem Rotorkörper zugewandten Stirnfläche eines ringscheibenförmigen Deckelelements ausgebildet sein, welche besonders bevorzugt durch einen Prägeprozess in das Deckelement eingebracht sind. Die dem Rotorkörper abgewandte Stirnfläche eines ringscheibenförmigen Deckelelements kann insbesondere eben ausgebildet sein, wodurch beispielsweise die Ausbildung von Sensorfunktionen erfolgen kann, bei denen eine ebene Sensortarget-Ausbildung benötigt wird. Beispielsweise kann ein Deckelelement aus Aluminium gefertigt sein, welches in Umfangsrichtung über äquidistant angeordnete, taschenförmige Aussparungen verfügt, welche von einem Inkrementalsensor bei Drehung des Rotors erfasst und zu einem Rotorlagesignal verarbeitet werden.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass wenigstens eines der Deckelelemente einen in axialer Richtung verlaufenden Austrittskanal aufweist. Hierdurch lässt sich insbesondere die Wirkung erzielen, dass axial austretendes Hydraulikfluid auf die radial oberhalb des Austrittskanals angeordneten Wickelköpfe des Stators gelenkt werden kann, welche üblicherweise thermisch stark belastet sein können und so eine verbesserte Gesamtkühlung der elektrischen Maschine erfolgen kann.
Ein Austrittskanal ist besonders bevorzugt im Wesentlichen mittig zu den im Rotorkörper vorhandenen Magnettaschen positioniert.
Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass der Austrittskanal einen Strömungsquerschnitt aufweist, welcher zwischen 50-300% des ersten Strömungsquerschnitts des ersten oder zweiten Radialfluidkanals, entspricht, wodurch ein unerwünschter Saugeffekt weiter unterdrückt werden kann.
In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass wenigstens eines der Deckelelemente an seiner radial inneren Mantelfläche eine Fase aufweist, so dass ein trichterartiger Übergang zwischen einem der Kühlkanale, und der entsprechenden Speicherkammer, gegeben ist. Auch hierdurch kann eine gleichmäßige Beschickung von Hydraulikfluid an den hydraulischen Kühlpfaden des Rotors unterstützt werden, da sich gezeigt hat, dass durch einen trichterähnlichen Übergang unerwünschte Saugeffekte weiter reduziert werden können. Die Fase lenkt dabei ferner das Hydraulikfluid in Richtung des Rotorkörpers, was sich vorteilhaft auf die Kühlung auswirkt. Die Fase kann sich in einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung in radialer Richtung vollständig durch eine Speicherkammer erstrecken und so eine ringförmige Speicherkammerwand ausbilden
Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass der Rotor mit Umdrehungszahlen von bis zu 12.000-18.000 U/min betrieben wird, wobei in diesen Drehzahlbereichen das hydraulische System zur Verminderung oder Vermeidung von unerwünschten Saugeffekten besonders effizient und sicher funktioniert.
Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann vorgesehen sein, dass der Hydraulikkanal der Rotorwelle einen sich in radialer Richtung nach Außen erstrecken dritten Radialfluidkanal aufweist, welcher in axialer Richtung außerhalb des Rotorkörpers in der Rotorwelle angeordnet ist, wodurch insbesondere eine Kühlung von weiteren Bauteilen außerhalb des Rotorkörpers innerhalb der elektrischen Maschine erfolgen kann.
Schließlich kann die Erfindung auch in vorteilhafter Weise dahingehend ausgeführt sein, dass wenigstens eine der Speicherkammern, eine im Querschnitt konvexe, radial nach außen gewölbte, äußere Radialkontur aufweist, was sich ebenfalls als eine wirksame Maßnahme zur Verminderung oder Vermeidung von unerwünschten Saugeffekten herausgestellt hat.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
Es zeigen

1 eine elektrische Maschine in einer Axialschnittansicht,
2 einen Rotor der elektrischen Maschine in einer Axialschnittansicht,
3 eine Detailansicht des Bereichs um eine Speicherkammer des Rotors in einer Axialschnittansicht,
4 eine Querschnittsdarstellung des Rotors, und
5 ein Kraftfahrzeug mit einem hybriden und vollelektrischen Antriebsstrang in einer schematischen Blockschaltdarstellung.

Die 1 zeigt eine elektrische Maschine 1 umfassend einen Stator 2 und einen relativ zum Stator 2 drehbar gelagerten Rotor 3. Der Rotor 3 besitzt eine Rotorwelle 4 und einen drehfest mit der Rotorwelle 4 verbundenen Rotorkörper 5.
Wie gut aus der 2 ersichtlich, weist die Rotorwelle 4 einen sich in Axialrichtung erstreckenden mit einem Hydraulikfluid 16 befüllbaren Hydraulikkanal 6 auf, von dem aus sich ein erster Radialfluidkanal 7 in radialer Richtung nach Außen erstreckt. An beiden axialen Stirnfläche 9 des Rotorkörpers 5 ist je ein ringscheibenförmiges Deckelelement 10 drehfest mit dem Rotorkörper 5 verbunden. Das Hydraulikfluid 16 ist mittels einer nicht dargestellten Hydraulikpumpe durch das nachfolgend beschriebene hydraulische System förderbar.
Das Deckelelement 10 bildet mit der axialen Stirnfläche 9 des Rotorkörpers 5 wenigstens einen ersten zweiseitig offenen Kühlkanal 18 aus, der hydraulisch mit dem ersten Radialfluidkanal 7 koppelbar ist, so dass ein Hydraulikfluid 16 zentrifugalkraftunterstützt aus dem Hydraulikkanal 6 der Rotorwelle und in Radialrichtung durch den Radialfluidkanal 7 und den ersten Kühlkanal 18 förderbar ist.
Wie in der Detailansicht der 3 gezeigt, besitzt der erste Radialfluidkanal 7 einen ersten Strömungsquerschnitt 12 und einen in radialer Richtung oberhalb des ersten Strömungsabschnitts 12 ausgebildeten zweiten Strömungsquerschnitt 13. Der erste Strömungsquerschnitt 12 und der zweite Strömungsquerschnitt 13 weisen ein Verhältnis zwischen 1:1.5-1:25 auf, wobei zwischen 15-25% des zweiten Strömungsquerschnitts 13 des ersten Radialfluidkanals 7 in axialer Richtung abschnittsweise von dem Rotorkörper 5 überdeckt ist. Der zweite Strömungsquerschnitt 13 mündet in eine erste Speicherkammer 17, welche in radialer Richtung zwischen der Rotorwelle 4 und dem ersten Kühlkanal 18 angeordnet ist, wobei das Volumen des ersten Radialflusskanals 7 zum Volumen der ersten Speicherkammer 17 ein Verhältnis zwischen 0,5:1 - 3:1 aufweist.
Aus der 2 ist ferner ersichtlich, dass von dem Hydraulikkanal 6 ausgehend, sich der erste Radialfluidkanal 7 und ein davon axial beabstandeter zweiter Radialfluidkanal 8 in radialer Richtung nach Außen erstrecken. Das Deckelelement 10 bildet auch hier mit der entsprechenden axialen Stirnfläche 9 des Rotorkörpers 5 wenigstens einen zweiseitig offenen Kühlkanal aus, der hydraulisch mit dem Radialfluidkanal 8 koppelbar ist, so dass der Rotor 3 wenigstens einen entsprechenden ersten Kühlkanal 18 und wenigstens einen zweiten Kühlkanal 19 aufweist.
Das Hydraulikfluid 16 ist somit zentrifugalkraftbewirkt aus dem Hydraulikkanal 6 der Rotorwelle 4 und in Radialrichtung durch die Radialfluidkanäle 7,8 und die Kühlkanäle 18,19 förderbar. Wie der erste so weist auch der zweite Radialfluidkanal 8 einen dritten Strömungsquerschnitt 14 und einen in radialer Richtung oberhalb des dritten Strömungsabschnitts 14 ausgebildeten vierten Strömungsquerschnitt 15 aufweist, wobei der dritte Strömungsquerschnitt 14 und der vierte Strömungsquerschnitt 15 ein Verhältnis zwischen 1:1.5-1:25 aufweist und wobei zwischen 15-25%, des vierten Strömungsquerschnitts 15 des zweiten Radialfluidkanals 8 in axialer Richtung abschnittsweise von dem Rotorkörper 5 überdeckt ist. Der vierte Strömungsquerschnitt 12 mündet in eine zweite Speicherkammer 24, welche in radialer Richtung zwischen der Rotorwelle 4 und dem zweiten Kühlkanal 19 angeordnet ist, wobei das Volumen des zweiten Radialflusskanals 8 zum Volumen der zweiten Speicherkammer 24 ein Verhältnis zwischen 0,5:1 - 3:1 aufweist.
Die Deckelelemente 10 besitzen jeweils einen in axialer Richtung verlaufenden Austrittskanal 20, welcher einen Strömungsquerschnitt 21 aufweist, der zwischen 50-300% des ersten Strömungsquerschnitts 12,14 des ersten oder zweiten Radialfluidkanals 7,8 entspricht. Hierdurch ist es ermöglicht, dass das Hydraulikfluid 16 aus dem Rotor 2 auf die Wickelköpfe des Stators 2 geschleudert wird, und diese so entsprechend gekühlt werden können, was gut anhand der 1 nachvollzogen werden kann. Die Kühlkanäle 18,19 können insbesondere in die Deckelelemente 10 eingeprägt sein, so dass auf eine spanende Fertigung verzichtet werden kann.
Wie aus der 2 gut ersichtlich ist, sind die beiden hydraulischen Pfade ausgehend von dem ersten Strömungsabschnitt 12 und dem dritten Strömungsabschnitt 14 zum jeweiligen Austrittskanal 20 im Wesentlichen identisch ausgebildet.
Der 3 ist auch gut entnehmbar, dass der erste Kühlkanal 18 einen Strömungsquerschnitt aufweist, welcher zwischen 0,5-1,5 des ersten Strömungsquerschnitts 12 des ersten Radialfluidkanals 7 und der zweite Kühlkanal 19 einen Strömungsquerschnitt aufweist, welcher zwischen 0,5-1,5 des dritten Strömungsquerschnitts 14 des zweiten Radialfluidkanals 8 entspricht.
Die Deckelelemente 10 weisen jeweils an ihrer radial inneren Mantelfläche 22 eine Fase 23 auf, so dass ein trichterartiger Übergang zwischen einem der Kühlkanale 18,19 und der entsprechenden Speicherkammer 17,24 gegeben ist.
Der Hydraulikkanal 6 der Rotorwelle 4 besitzt ferner einen sich in radialer Richtung nach Außen erstrecken dritten Radialfluidkanal 25, welcher in axialer Richtung außerhalb des Rotorkörpers 5 in der Rotorwelle 4 angeordnet ist. Der dritte Radialfluidkanal 25 ist insbesondere dazu vorgesehen andere Bauteile der elektrischen Maschine 1 zu kühlen.
4 zeigt eine Querschnittsansicht des aus der 2 bekannten Rotors 3. Man erkennt vier um 90° in Umfangsrichtung versetzt zueinander angeordnete, radial von der Rotorwelle 4 nach außen verlaufende Kühlkanäle 18,19, welche jeweils in einem Austrittskanal 20 münden. Man erkennt anhand der Querschnittsansicht gut, dass die Speicherkammern 17,24 jeweils eine im Querschnitt konvexe, radial nach außen gewölbte, äußere Radialkontur 26 aufweisen.
Die elektrische Maschine 1 ist insbesondere vorgesehen zur Verwendung in einem hybriden oder vollelektrischen Antriebsstrang 28 eines Kraftfahrzeugs 27, wie es in der 5 exemplarisch gezeigt ist. In der oberen Abbildung der 5 ist ein Hybridmodul 30 mit einer elektrischen Maschine 1 in den Antriebsstrang 28 integriert, währen in der unteren Abbildung ein elektrischer Achsantriebsstrang 29 mit einer elektrischen Maschine 1 in den Antriebsstrang 28 des entsprechenden Kraftfahrzeugs 27 integriert ist.
Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung ‚erste‘ und ‚zweite‘ Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
Bezugszeichenliste

1: elektrische Maschine
2: Stator
3: Rotor
4: Rotorwelle
5: Rotorkörper
6: Hydraulikkanal
7: erster Radialfluidkanal
8: zweiter Radialfluidkanal
9: Stirnfläche
10: Deckelelement
12: erster Strömungsquerschnitt
13: zweiter Strömungsquerschnitt
14: dritter Strömungsquerschnitt
15: vierter Strömungsquerschnitt
16: Hydraulikfluid
17: erste Speicherkammer
18: erster Kühlkanal
19: zweiter Kühlkanal
20: Austrittskanal
21: Strömungsquerschnitt
22: Mantelfläche
23: Fase
24: zweite Speicherkammer
25: dritter Radialfluidkanal
26: Radialkontur
27: Kraftfahrzeug
28: Antriebsstrang
29: elektrischer Achsantriebsstrang
30: Hybridmodul

Claims

Elektrische Maschine (1) umfassend einen Stator (2) und einen relativ zum Stator (2) drehbar gelagerten Rotor (3), wobei der Rotor (3) eine Rotorwelle (4) und einen drehfest mit der Rotorwelle (4) verbundenen Rotorkörper (5) umfasst, wobei die Rotorwelle (4) einen sich in Axialrichtung erstreckenden mit einem Hydraulikfluid (16) befüllbaren Hydraulikkanal (6) aufweist, von dem aus sich ein erster Radialfluidkanal (7) in radialer Richtung nach Außen erstreckt, wobei an einer axialen Stirnfläche (9) des Rotorkörpers (5), wenigstens ein ringscheibenförmiges Deckelelement (10) drehfest mit dem Rotorkörper (5) verbunden ist, und das Deckelelement (10) mit der axialen Stirnfläche (9) des Rotorkörpers (5) wenigstens einen ersten zweiseitig offenen Kühlkanal (18) ausbildet, der hydraulisch mit dem ersten Radialfluidkanal (7) koppelbar ist, so dass ein Hydraulikfluid (16) zentrifugalkraftunterstützt aus dem Hydraulikkanal (6) der Rotorwelle und in Radialrichtung durch den Radialfluidkanal (7) und den ersten Kühlkanal (18) förderbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Radialfluidkanal (7) einen ersten Strömungsquerschnitt (12) und einen in radialer Richtung oberhalb des ersten Strömungsabschnitts (12) ausgebildeten zweiten Strömungsquerschnitt (13) aufweist, wobei der erste Strömungsquerschnitt (12) und der zweite Strömungsquerschnitt (13) ein Verhältnis zwischen 1:1.5-1:25 aufweist, wobei zwischen 5%-75%, bevorzugt zwischen 15-25% des zweiten Strömungsquerschnitts (13) des ersten Radialfluidkanals (7) in axialer Richtung abschnittsweise von dem Rotorkörper (5) überdeckt ist und wobei der zweite Strömungsquerschnitt (13) in eine erste Speicherkammer (17) mündet, welche in radialer Richtung zwischen der Rotorwelle (4) und dem ersten Kühlkanal (18) angeordnet ist, wobei das Volumen des ersten Radialflusskanals 7 zum Volumen der ersten Speicherkammer 17 ein Verhältnis zwischen 0,5:1 - 3:1 aufweist.
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorwelle (4) einen sich in Axialrichtung erstreckenden mit einem Hydraulikfluid (16) befüllbaren Hydraulikkanal (6) aufweist, von dem aus sich der erste Radialfluidkanal (7) und ein davon axial beabstandeter zweiter Radialfluidkanal (8) in radialer Richtung nach Außen erstrecken, wobei an den axialen Stirnflächen (9) des Rotorkörpers (5), wenigstens jeweils ein ringscheibenförmiges Deckelelement (10) drehfest mit dem Rotorkörper (5) verbunden ist, und das Deckelelement (10) jeweils mit einer der axialen Stirnflächen (9) des Rotorkörpers (5) wenigstens einen zweiseitig offenen Kühlkanal (19) ausbildet, der hydraulisch mit einem der Radialfluidkanäle (7,8) koppelbar ist, so dass der Rotor (3) wenigstens einen entsprechenden ersten Kühlkanal (18) und wenigstens einen zweiten Kühlkanal (19) aufweist, so dass ein Hydraulikfluid (16) zentrifugalkraftbewirkt aus dem Hydraulikkanal (6) der Rotorwelle und in Radialrichtung durch die Radialfluidkanäle (7,8) und die Kühlkanäle (18,19) förderbar ist, wobei der zweite Radialfluidkanal (8) einen dritten Strömungsquerschnitt (14) und einen in radialer Richtung oberhalb des dritten Strömungsabschnitts (14) ausgebildeten vierten Strömungsquerschnitt (15) aufweist, wobei der dritte Strömungsquerschnitt (14) und der vierte Strömungsquerschnitt (15) ein Verhältnis zwischen 1:1.5-1:25 aufweist und wobei zwischen 5%-75%, bevorzugt zwischen 15-25%, des vierten Strömungsquerschnitts (15) des zweiten Radialfluidkanals (8) in axialer Richtung abschnittsweise von dem Rotorkörper (5) überdeckt ist, und der vierte Strömungsquerschnitt (12) in eine zweite Speicherkammer (24) mündet, welche in radialer Richtung zwischen der Rotorwelle (4) und dem zweiten Kühlkanal (19) angeordnet ist, wobei das Volumen des zweiten Radialflusskanals 8 zum Volumen der zweiten Speicherkammer 24 ein Verhältnis zwischen 0,5:1 - 3:1 aufweist.
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kühlkanal (19) einen Strömungsquerschnitt aufweist, welcher zwischen 0,5-1,5 des dritten Strömungsquerschnitts (14) des zweiten Radialfluidkanals (8) entspricht.
Elektrische Maschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kühlkanal (18) einen Strömungsquerschnitt aufweist, welcher zwischen 0,5-1,5 des ersten Strömungsquerschnitts (12) des ersten Radialfluidkanals (7) entspricht.
Elektrische Maschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Deckelelemente (10) einen in axialer Richtung verlaufenden Austrittskanal (20) aufweist.
Elektrische Maschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Austrittskanal (20) einen Strömungsquerschnitt (21) aufweist, welcher zwischen 50-300% des ersten Strömungsquerschnitts (12,14) des ersten oder zweiten Radialfluidkanals (7,8) entspricht.
Elektrische Maschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Deckelelemente (10) an seiner radial inneren Mantelfläche (22) eine Fase (23) aufweist, so dass ein trichterartiger Übergang zwischen einem der Kühlkanale (18,19) und der entsprechenden Speicherkammer (17,24) gegeben ist.
Elektrische Maschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (3) mit Umdrehungszahlen von bis zu 12.000-18.000 U/min betrieben wird.
Elektrische Maschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hydraulikkanal (6) der Rotorwelle (4) einen sich in radialer Richtung nach Außen erstrecken dritten Radialfluidkanal (25) aufweist, welcher in axialer Richtung außerhalb des Rotorkörpers (5) in der Rotorwelle (4) angeordnet ist.
Elektrische Maschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Speicherkammern (17,24) eine im Querschnitt konvexe, radial nach außen gewölbte, äußere Radialkontur (26) aufweist.