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Die Erfindung betrifft eine Rotorwelle für einen Rotor einer elektrischen Maschine. Die Rotorwelle weist eine Hohlwelle zum Tragen eines Rotorkerns des Rotors und zum Führen eines Kühlfluids in einem durch eine rohrförmige Außenwandung der Hohlwelle gebildeten Hohlraum der Hohlwelle auf. Außerdem weist die Rotorwelle einen endseitig an der Hohlwelle angeordneten Einströmbereich für das Kühlfluid in den Hohlraum auf. Die Erfindung betrifft außerdem einen Rotor für eine elektrische Maschine sowie eine elektrische Maschine.
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Vorliegend richtet sich das Interesse auf elektrische Maschinen, welche beispielsweise als Antriebsmaschinen für elektrifizierte Kraftfahrzeuge, also Elektro- oder Hybridfahrzeuge, verwendet werden können. Solche elektrischen Maschinen weisen üblicherweise einen Stator sowie einen bezüglich des Stators drehbar gelagerten Rotor auf. Der Rotor weist einen Rotorkern, beispielsweise ein Blechpaket, auf, durch welches eine Rotorwelle hindurchgeführt und drehfest mit dem Rotor verbunden ist. Der Rotorkern trägt außerdem eine magnetfelderzeugende Komponente des Rotors, beispielsweise Permanentmagnete oder bestrombare Rotorwicklungen. Zum Kühlen des Rotors ist es aus dem Stand der Technik bekannt, die Rotorwelle als Hohlwelle auszubilden und mit einem Kühlfluid, beispielsweise einem Öl, zu durchströmen.
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Das Kühlfluid wird meist axial auf einer Seite der Hohlwelle, beispielsweise einer Abtriebsseite bzw. Getriebeseite, in die Hohlwelle eingebracht und verlässt die Hohlwelle über Austrittsöffnungen, beispielsweise Bohrungen auf der Abtriebsseite und auf einer der Abtriebsseite axial gegenüberliegenden Seite, um es beispielsweise zur Kühlung auf Statorwickelköpfe des Stators abzuscheiden. Eine Justierung der Ölmenge zwischen der Abtriebsseite und der gegenüberliegenden Rotorseite gelingt meist nicht drehzahlunabhängig, da die eingebrachte Ölmenge eine drehzahlunabhängige Axialkomponente sowie eine drehzahlabhängige Radialkomponente aufweist.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfache Lösung zum drehzahlunabhängigen Kühlen einer elektrischen Maschine bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Rotorwelle, einen Rotor sowie eine elektrische Maschine mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
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Eine erfindungsgemäße Rotorwelle für einen Rotor einer elektrischen Maschine weist eine Hohlwelle zum Tragen eines Rotorkerns des Rotors und zum Führen eines Kühlfluids in einem durch eine rohrförmige Außenwandung der Hohlwelle gebildeten Hohlraum der Hohlwelle auf. Außerdem weist die Rotorwelle einen endseitig an der Hohlwelle angeordneten Einströmbereich für das Kühlfluid in den Hohlraum auf. Der Einströmbereich weist ein topfförmiges Gehäuse auf, welches eine in Umfangsrichtung umlaufende Seitenwandung und eine die Seitenwandung axial abdeckende Bodenwandung aufweist. Dabei sind die Bodenwandung und zumindest ein Teil der Seitenwandung in dem Hohlraum angeordnet, wobei die Bodenwandung eine Prallwand für das Kühlfluid zum Verhindern einer axialen Einströmung des Kühlfluids in den Hohlraum ausbildet und wobei der in den Hohlraum hineinragende Teil der Seitenwandung zumindest eine radiale Durchgangsöffnung zum Bereitstellen einer radialen Einströmung des Kühlfluids in einen zwischen der Seitenwandung und der Außenwandung gebildeten Ringspalt in dem Hohlraum aufweist.
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Zur Erfindung gehört außerdem ein Rotor für eine elektrische Maschine aufweisend einen Rotorkern, eine von dem Rotorkern gehaltene magnetfelderzeugende Komponente sowie eine erfindungsgemäße Rotorwelle. Eine erfindungsgemäße elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug weist einen Stator und einen bezüglich des Stators drehbar gelagerten erfindungsgemäßen Rotor auf. Die elektrische Maschine kann eine permanenterregte elektrische Maschine sein, bei welcher die magnetfelderzeugende Komponente des Rotors Permanentmagnete aufweist, oder eine fremderregte elektrische Maschine sein, bei welcher die magnetfelderzeugende Komponente des Rotors bestrombare Wicklungen aufweist. Der Rotorkern des Rotors kann beispielsweise als ein Blechpaket aus axial gestapelten Blechlamellen ausgebildet sein und eine axiale Durchführung für die Rotorwelle aufweisen, mit welcher der Rotorkern drehfest verbunden ist.
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Die Rotorwelle weist die hohlzylindrische sich in axialer Längsrichtung erstreckende Hohlwelle auf. Die rohrförmige Außenwand der Hohlwelle weist eine dem Rotorkern zugewandte Außenseite und eine dem Hohlraum zugewandte Innenseite auf. An einem der axialen Enden, insbesondere an dem getriebeseitigen Ende, über welches die Rotorwelle zur Drehmomentübertragung mit einer Getriebewelle eines Getriebes des Kraftfahrzeugs koppelbar ist, ist die Hohlwelle offen ausgebildet, an welchem sich der Einströmbereich für das Kühlfluid in den Hohlraum befindet. Das Kühlfluid kann beispielsweise Öl sein. Das dem getriebeseitigen Ende axial gegenüberliegende andere Ende kann beispielsweise stirnseitig abgedeckt und somit verschlossen sein. Der Einströmbereich weist das topfförmige, insbesondere zylindertopfförmige, Gehäuse auf, welches zumindest teilweise in dem Hohlraum angeordnet ist. Das Gehäuse und die Hohlwelle sind insbesondere einteilig ausgebildet oder zerstörungsfrei unlösbar miteinander verbunden, beispielsweise verschweißt oder verlötet.
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Bevorzugt bildet der Einströmbereich zusätzlich einen Koppelbereich zum Koppeln mit einem Getriebe bzw. einer Getriebekomponente des Getriebes des Kraftfahrzeugs aus. Beispielweise kann der Koppelbereich zum Koppeln mit einer Getriebewelle des Getriebes ausgebildet sein. Dazu kann eine Innenseite der Seitenwandung des Gehäuses eine Verzahnung aufweisen, welche mit einer Außenverzahnung an der Getriebewelle eine Steckverbindung ausbildet. Auch kann der Koppelbereich ein Getrieberitzel des Getriebes aufweisen, welches einteilig mit der Hohlwelle ausgebildet ist. Ein aus dem Hohlraum hervorstehender Teil der Seitenwandung des Gehäuses des Einströmbereiches kann außerdem einen Radialsitz bzw. Lagersitz für ein Lager der elektrischen Maschine ausbilden.
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Ein Außendurchmesser des Gehäuses ist dabei geringer als ein Innendurchmesser der Hohlwelle, sodass zwischen einer Außenseite der Seitenwand des Gehäuses und der Innenseite der Außenwand der Hohlwelle ein Ringspalt gebildet ist. Endseitig ist der Ringspalt dabei durch einen ringförmigen Deckelabschnitt abgedeckt, welcher beispielsweise einteilig mit dem Gehäuse ausgebildet sein kann und mit der Außenwandung der Hohlwelle verbunden sein kann.
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Die Bodenwandung schließt das Gehäuse dabei axial ab, sodass das in das Gehäuse eingeleitete Kühlfluid nicht axial in den Hohlraum eindringen kann, sondern an der Bodenwandung abprallt. Um ein ausschließlich radiales Eindringen des Kühlfluids in den Hohlraum bereitzustellen, weist die Seitenwandung die zumindest eine Durchgangsöffnung, beispielsweise vier in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Durchgangsöffnungen, auf. So kann das Kühlfluid aus dem Gehäuse über die zumindest eine Durchgangsöffnung radial in den Ringspalt eindringen und in Richtung der Außenwand strömen. Dort kann das Kühlfluid beispielsweise abprallen und sich somit in Richtung beider axial gegenüberliegender Enden der Hohlwelle aufteilen. Dadurch verteilt sich das Kühlfluid über eine gesamte axiale Länge der Hohlwelle bis zu beiden einander axial gegenüberliegenden Enden der Hohlwelle. Ein Aufteilungsverhältnis des Kühlfluids kann dabei beispielsweise über eine Innengeometrie der Hohlwelle eingestellt werden.
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Vorzugsweise weist die Hohlwelle an axial gegenüberliegenden Endabschnitten der Außenwandung radiale Austrittsöffnungen zum Abscheiden des aus dem Einströmbereich austretenden und in Richtung der Endabschnitte strömenden Kühlfluids in eine Umgebung des Rotors auf. Erste Austrittsöffnungen sind dabei an einem ersten Endabschnitt, beispielsweise einem an das getriebeseitige Ende angrenzenden Außenwandabschnitt, angeordnet und zweite Austrittsöffnungen sind an einem zweiten Endabschnitt, beispielsweise einem an das andere Ende angrenzenden Außenwandabschnitt, angeordnet. Über die radialen Austrittsöffnungen kann das in der Hohlwelle axial verteilte Kühlfluid an zwei gegenüberliegenden Enden, beispielsweise auf sich dort befindliche Wickelköpfe des Stators, abgeschieden werden, welche von Wicklungen des Stators an axial gegenüberliegenden Stirnseiten eines Statorkerns des Stators gebildet werden. So können sowohl der Rotorkern durch axiale Durchströmung der Hohlwelle sowie der Stator durch Abscheiden des Kühlfluids gekühlt werden.
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Es kann vorgesehen sein, dass zum Einstellen einer in die Umgebung austretenden, endabschnittspezifischen Fluidmenge eine Anzahl und/oder ein Durchmesser der ersten Austrittsöffnungen unterschiedlich zu einer Anzahl und/oder einem Durchmesser der zweiten Austrittsöffnungen ist. Die Austrittsöffnungen bilden somit statische, endabschnittspezifische Drosseln zum Regulieren der Durchtrittsmenge aus dem Hohlraum in die Umgebung.
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Es erweist sich als vorteilhaft, wenn eine Innenseite der Außenwandung mehrere in Umfangsrichtung umlaufende, axial zueinander beabstandete Kühlrippen aufweist, wobei eine Kühlrippe in radialer Richtung überlappend mit der zumindest einen Durchgangsöffnung des Gehäuses angeordnet ist und dazu ausgelegt ist, eine Aufteilung des aus dem Einströmbereich austretenden, an die Außenwandung prallende Kühlfluids in Richtung der axial gegenüberliegenden Endabschnitte zu justieren. Die Innenseite der Außenwandung ist somit zur Kühlleistungserhöhung gerippt ausgebildet, wobei die Kühlrippen beispielsweise als jeweilige Zwischenwände zwischen zwei in der Innenseite ausgebildeten Ringnuten ausgebildet sind. Eine der Kühlrippen ist dabei überlappend mit der zumindest einen Durchgangsöffnung des Gehäuses angeordnet, wobei ein Aufteilungsverhältnis des Kühlfluids abhängig von einer Position der Kühlrippe bezüglich eines Mittelpunktes der Durchgangsöffnung ist.
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Vorzugsweise weist die zum Justieren der Kühlfluidaufteilung ausgebildete Kühlrippe unter Ausbildung einer Scheidewand für das Kühlfluid eine größere radiale Höhe auf als die anderen Kühlrippen. Alternativ dazu kann eine Außenseite der Seitenwandung zumindest ein, an der zumindest einen Durchgangsöffnung angeordnetes Scheidewandelement aufweisen, welches dazu ausgelegt ist, eine Aufteilung des aus dem Einströmbereich austretenden Kühlfluids in Richtung der axial gegenüberliegenden Endabschnitte zu justieren. Das zumindest eine Scheidewandelement weist insbesondere einen Radialabschnitt zum Aufteilen des Kühlfluids und einen von dem Radialabschnitt beidseitig axial abstehenden Umlenkabschnitt zum Umlenken des Kühlfluids in Richtung der axialen Endabschnitte der Außenwandung der Hohlwelle auf. Die Scheidewand bzw. das Scheidewandelement ist dazu ausgebildet, die Aufteilung des Kühlfluids bereits an oder nahe der Durchgangsöffnung durchzuführen. Die Scheidewand bzw. das Scheidewandelement unterteilt einen Strömungsquerschnitt der Durchgangsöffnung also in zwei Flächenabschnitte, wobei sich die Volumenströme über das durch die Positionierung der Scheidewand bzw. des Scheidewandelements bereitgestellte Flächenverhältnis einstellen lassen.
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Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Rotorwelle vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für den erfindungsgemäßen Rotor sowie für die erfindungsgemäße elektrische Maschine.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
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Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine Perspektivdarstellung einer Rotorwelle für einen Rotor einer elektrischen Maschine;
- 2 eine Längsschnittdarstellung der Rotorwelle;
- 3 ein Ausschnitt aus der Längsschnittdarstellung gemäß. 2;
- 4 der Ausschnitt gemäß 3 in einer perspektivischen Darstellung;
- 5 ein weiterer Ausschnitt aus der Längsschnittdarstellung gemäß 2;
- 6 ein Ausschnitt aus einer Längsschnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform der Rotorwelle; und
- 7 ein Ausschnitt aus einer Längsschnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform der Rotorwelle.
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In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine Perspektivdarstellung einer Rotorwelle 1 für einen Rotor einer elektrischen Maschine eines Kraftfahrzeugs. Eine sich axial erstreckende Längsachse L der Rotorwelle 1 entspricht einer Rotationsachse des Rotors. Die Rotorwelle 1 weist eine Hohlwelle 2 auf, die, wie anhand des Längsschnittes in 2 gezeigt ist, durch eine einen Hohlraum 3 umschließende Außenwandung 4 gebildet wird. Dieser Hohlraum 3 ist axial von einem Kühlfluid durchströmbar, welches der Hohlwelle 2 über einen Einströmbereich 5 der Rotorwelle 1 zugeführt wird. Der Einströmbereich 5 ist an einem getriebeseitigen Ende 6 der Hohlwelle 2 angeordnet. Ein dem getriebeseitigen Ende 6 gegenüberliegendes Ende 7 der Hohlwelle 2 ist geschlossen ausgebildet.
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Das den Hohlraum 3 durchströmende Kühlfluid wird dabei über Austrittsöffnungen 8, 9 an zwei axial gegenüberliegenden Endabschnitten 10, 11 der Außenwandung 4 aus dem Hohlraum 3 in eine Umgebung des Rotors abgeschieden. Eine Anzahl und/oder ein Durchmesser von ersten Austrittsöffnungen 8 an einem getriebeseitigen ersten Endabschnitt 10 können sich von einer Anzahl und/oder einem Durchmesser von zweiten Austrittsöffnungen 9 an einem gegenüberliegenden zweiten Endabschnitt 11 unterscheiden. Aufgrund der unterschiedlichen Anzahlen und/oder Durchmesser der Austrittsöffnungen 8, 9 kann eine Menge des über die jeweiligen Austrittsöffnungen 8, 9 abgeschiedenen Kühlfluids eingestellt bzw. justiert werden.
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Der Einströmbereich 5, von welchen ein Ausschnitt aus unterschiedlichen Perspektiven in 3 und 4 gezeigt ist, ist dabei derart gestaltet, dass das Kühlfluid nur radial in den Hohlraum 3 einströmen kann. Dazu weist der Einströmbereich 5 ein topfförmiges Gehäuse 12 mit einer Seitenwandung 13 und einer Bodenwandung 14 auf. Die Bodenwandung 14 deckt einen Innenraum 15 des Gehäuses 12 axial ab, sodass die Bodenwandung 14 eine axiale Einströmung des Kühlfluids blockiert und somit eine in dem Hohlraum 3 angeordnete Prallwand für das Kühlfluid ausbildet. Die Seitenwandung 13 ist dabei teilweise in dem Hohlraum 3 angeordnet, wobei ein in dem Hohlraum 3 angeordneter Teil 13a der Seitenwandung 13 radiale Durchgangsöffnungen 16 aufweist. Über diese Durchgangsöffnungen 16 kann das Kühlfluid, wie anhand der Pfeile in 3 gezeigt ist, aus dem Innenraum 15 des Gehäuses 12 in einen zwischen dem Teil 13a der Seitenwand 13 und der Außenwandung 4 gebildeten Ringspalt 17 radial einströmen, sich von dort aus axial in Richtung der Endabschnitte 10, 11 aufteilen und über die jeweiligen Austrittsöffnungen 8, 9 aus dem Hohlraum 3 ausströmen.
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Der Einströmbereich 5 bildet außerdem einen Koppelbereich 18 für eine Getriebekomponente, beispielsweise eine Getriebewelle, des Getriebes aus und weist dazu hier eine Verzahnung 19 auf, welcher an einer dem Innenraum 15 zugewandten Innenseite der Seitenwandung 13 ausgebildet ist. Ein aus dem Hohlraum 3 herausragender Teil 13b der Seitenwandung 13 bildet einen Lagersitz 20 für ein Lager der elektrischen Maschine aus. Auch kann der Koppelbereich 18 ein an die Hohlwelle 2 angeformtes Getrieberitzel aufweisen.
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Das aus dem Gehäuse 12 radial in den Ringspalt 17 eintretende Kühlfluid trifft auf eine Innenseite 21 der Außenwandung 4, welche beispielsweise glatt sein kann oder Kühlrippen 22, 22' aufweisen kann. Die Kühlrippen 22, 22` sind dabei axial beabstandet zueinander angeordnet, ragen radial in den Hohlraum 3 hinein und sind in Umfangsrichtung umlaufend ausgebildet. Eine der Kühlrippen 22' ist dabei, wie in der Detailansicht gemäß 5 gezeigt ist, fluchtend zu bzw. überlappend mit den Durchgangsöffnungen 16 angeordnet. Anders ausgedrückt befindet sich die Kühlrippe 22' in einem radialen Strömungspfad der Kühlfluidströmung, sodass das Kühlfluid auf die Kühlrippe 22` trifft und in beide axialen Richtung aufgeteilt wird. Ein Flächenverhältnis B1, B2 eines Strömungsquerschnitts der Durchgangsöffnung 16, welches von einer Position der Kühlrippe 22' abhängt, beeinflusst die Fluidmenge, welche in die jeweilige axiale Richtung strömt.
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Diese zur Aufteilung des Kühlfluids vorgesehene Kühlrippe 22` kann, wie in 6 gezeigt, eine größere radiale Höhe aufweisend als die anderen Kühlrippen 22 und ausgehend von der Innenseite 21 der Außenwandung 4 bis zu der Durchgangsöffnung 16 ragen. Diese Kühlrippe 22` bildet eine Scheidewand 23, welche das Kühlfluid bereits beim Austritt aus der Durchgangsöffnung 16 aufteilt wird. Das aufgeteilte, im Wesentlichen radial fließende Kühlfluid prallt dabei beidseitig der Scheidewand 23 an die Innenseite 21 der Außenwand und wird somit axial zu den einander gegenüberliegenden Endabschnitten 10, 11 gelenkt.
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Auch kann, wie in 7 gezeigt, ein Scheidewandelement 24 mit einem T- oder Y-förmigen Querschnitt an der Seitenwandung 13 des Gehäuses 12 überlappend mit der Durchgangsöffnung 16 angeordnet sein. Diese Scheidewandelement 24 weist einen Radialabschnitt 15 zur Aufteilung des Kühlfluids und einen axial abstehenden Umlenkabschnitt 16 zum Ablenken des radial fließenden Kühlfluids in axialer Richtung zu den beiden Endabschnitten 10, 11 auf. Das Scheidewandelement 24 kann beispielsweise einteilig oder fest verbunden mit dem Gehäuse 12 ausgebildet sein.
