WO2018149669A1 - Rotorwelle für eine elektrische maschine sowie elektrische maschine - Google Patents

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WO2018149669A1
WO2018149669A1 PCT/EP2018/052689 EP2018052689W WO2018149669A1 WO 2018149669 A1 WO2018149669 A1 WO 2018149669A1 EP 2018052689 W EP2018052689 W EP 2018052689W WO 2018149669 A1 WO2018149669 A1 WO 2018149669A1
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rotor shaft
main body
core
electric machine
cooling cavity
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PCT/EP2018/052689
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Endre Barti
Julian BLUM
Markus Lang
Daniel Loos
Holger Ulbrich
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2209/00—Specific aspects not provided for in the other groups of this subclass relating to systems for cooling or ventilating

Definitions

  • the invention relates to a rotor shaft for an electric machine and an electric machine.
  • Rotor shafts for electrical machines are often equipped in the prior art with a so-called hollow shaft cooling.
  • the shaft is provided with an axial bore into which a cooling fluid, for. As water is introduced.
  • the cooling fluid can be introduced into the axial bore by means of a so-called cooling fluid lance.
  • the axial bore may be a blind bore.
  • the cooling fluid then exits on the same side of the shaft on which it is introduced by the cooling fluid lance.
  • known rotor shafts are generally produced from a solid material. Then, a good thermal conductivity between the cooling fluid and a lateral surface of the rotor shaft is ensured.
  • the introduction of cavities for weight reduction is associated with a significant deterioration of this thermal conductivity, so that is dispensed with in many cases.
  • the object of the present invention is to further improve known rotor shafts.
  • rotor shafts are to be provided, which are efficient and can be effectively cooled and at the same time have a low weight and thus a low inertia.
  • a rotor shaft for an electric machine having a rotor shaft main body and a rotor shaft core arranged therein, the rotor shaft comprising a substantially axially extending cooling cavity for conducting a cooling fluid and the rotor shaft core comprising a material other than the rotor shaft main body is.
  • the cooling fluid is e.g. Water.
  • the cooling cavity can be open axially on one side. Then, a cooling fluid lance can be introduced in a known manner, so that a sufficient cooling effect is provided.
  • the cooling cavity can also be opened axially on both sides. Then, the cooling fluid can be passed axially through the rotor shaft.
  • the rotor shaft core is made of a material having a lower density than the material from which the rotor shaft main body is made.
  • the thermal conductivities of the two materials are of a similar order of magnitude.
  • the thermal conductivity of the material of the rotor shaft core may be greater than that of the rotor shaft main body.
  • a good heat conduction between the lateral surface of the rotor shaft and the cooling cavity is ensured. Due to the reduced weight and the inertia of the rotor shaft is reduced. This allows dynamic movement of the rotor.
  • the aforementioned effects and advantages apply in particular to rotor shafts having a comparatively large outer diameter, which are designed for rapid rotation, since in such rotor shafts the heat conduction path between the lateral surface of the rotor shaft and the cooling cavity is relatively long. Accordingly, a lot of weight can be saved.
  • a cooling fluid lance and preferably a cooling fluid deflection piece are arranged in the cooling cavity.
  • the cooling fluid is introduced in a known manner from one axial side into the rotor shaft.
  • the Fluidumlenk vinegar then ensures that the cooling fluid exits on the same side again from the rotor shaft.
  • the connection to a cooling fluid conduit system takes up only a small space.
  • the cooling cavity can be produced with little effort, for example by a blind hole.
  • Thedefluidumlenk Republic is then the bottom of the blind hole.
  • the rotor shaft core may be made of an aluminum material, a magnesium material and / or a plastic and the rotor shaft main body preferably made of a steel material. Due to the steel material, the rotor shaft thereby receives sufficient mechanical strength and rigidity. Since aluminum and magnesium have a significantly lower density than steel, weight can be saved by using such a rotor core. This also applies to the use of a plastic, which also usually has a lower density than steel. At the same time, aluminum and magnesium have a significantly higher thermal conductivity than steel, which significantly improves the heat conduction from the rotor shaft jacket to the cooling cavity. This also facilitates the coolability of the rotor shaft. It is also conceivable to manufacture the rotor shaft core from a combination of said materials.
  • the cooling cavity extends substantially centrally and continuously in the rotor shaft. Throughout this means that the cooling cavity extends from one axial end of the rotor shaft to the other axial end of the rotor shaft.
  • a uniform cooling of the rotor shaft is ensured both in the radial direction and in the axial direction. Thermal expansion stresses are thus effectively prevented, resulting in reliable operation and long life of the rotor shaft.
  • the cooling cavity may partially extend in the rotor shaft body and partially in the rotor shaft core.
  • the rotor shaft core is axially spaced from a first and / or a second rotor shaft end.
  • the two rotor shaft ends are therefore as Components of the rotor shaft body formed. It is thus ensured a high mechanical stability of the rotor shaft ends, which are often designed as bearings or the like.
  • the rotor shaft core is introduced into the rotor shaft main body by means of a casting process. After the space provided for the rotor shaft core space was created in the rotor shaft body, the rotor shaft core is thus introduced in liquid form in this. The rotor core then solidifies inside the rotor shaft body. A mechanical post-processing, for. B. by chipping, can join. In particular, the cooling cavity can be introduced subsequently by machining. The rotor shaft is thus manufactured easily and inexpensively. At the same time, a particularly good heat-technical contacting between the rotor shaft core and the rotor shaft main body is ensured.
  • the rotor shaft core is introduced as a solid body into the rotor shaft main body.
  • the rotor shaft core is inserted into the rotor shaft main body.
  • the cooling cavity or at least a part thereof can already be prefabricated in the rotor shaft main body and / or in the rotor shaft core.
  • the rotor shaft main body may be in two parts, wherein the two rotor shaft main body parts are preferably connected to each other after the introduction of the rotor shaft core and in particular by welding.
  • a rotor shaft main body is particularly advantageous in connection with a rotor shaft core, which is introduced as a solid in the rotor shaft main body.
  • the rotor shaft main body includes a rotor shaft main body and a rotor shaft end piece which is connected to the rotor shaft main body after the assembly of the rotor shaft core.
  • the rotor shaft comprises at least one axially continuous air duct.
  • the air duct runs parallel to a rotor shaft axis.
  • the air duct further reduces the weight and inertia of the rotor shaft.
  • an additional air cooling of the rotor shaft is made possible.
  • the air duct can be produced for example by drilling and / or eroding. Its production is therefore simple and inexpensive. In addition, when produced by erosion, any, even varying, cross-sectional shape can be selected.
  • the air duct includes an acute angle with a rotor shaft axis.
  • the air duct is thus inclined with respect to the axis of rotation of the rotor shaft.
  • the mass inertia of the air creates a suction effect that causes ambient air to be drawn through the air duct.
  • several air ducts may be arranged at the same or at different acute angles.
  • the air duct may extend partly in the rotor shaft main body and partly in the rotor shaft core. This results in a great freedom of design of the rotor shaft with respect to the air duct.
  • the rotor shaft may comprise a plurality, preferably between four and ten, air passages and may equally circumferentially distribute the air passages circumferentially and may each be disposed at the same radial distance around the cooling cavity.
  • effective air cooling takes place in addition to cooling via the cooling cavity.
  • the air cooling is uniform in radial and axial respects.
  • such a rotor shaft is balanced in the axial and radial directions, so that there are no imbalances.
  • an electric machine with a rotor shaft according to the invention.
  • Such an electric machine is preferably an electric motor, for.
  • PSM permanent magnet synchronous machine
  • ASM asynchronous machine Due to the improved cooling, such electric machines are particularly powerful.
  • the low weight of the rotor shaft requires that the electric machine can be controlled and moved very dynamically.
  • FIG. 1 shows schematically a rotor shaft according to the invention of an electric machine according to the invention according to a first embodiment
  • FIG. 2 shows schematically a rotor shaft according to the invention of an electric machine according to the invention according to a second embodiment
  • FIG. 3 shows schematically a rotor shaft according to the invention of an electric machine according to the invention according to a third embodiment
  • FIG. 4 shows schematically a cross-section along the line IV - IV from FIG. 1 and FIG. 2, in which, for reasons of clarity, only one rotor shaft main body and one rotor shaft core are shown, and
  • FIG. 5 shows schematically a cross section of a rotor shaft according to the invention of an electric machine according to the invention according to a second embodiment of the cross section.
  • FIG. 1 shows a rotor shaft 10 for an electric machine not shown in detail, the rotor shaft 10 comprising a rotor shaft main body 12 and a rotor shaft core 14 arranged in the rotor shaft main body 12 and connected to the rotor shaft main body 12.
  • a cooling cavity 16 which in the illustrated embodiment is a centric, substantially axial bore, is arranged in the rotor shaft 10.
  • a cooling fluid lance 18 is inserted, via which a cooling fluid 20 is introduced into the cooling cavity 16.
  • the introduction direction is shown by an arrow 22.
  • the cooling cavity 16 basically runs continuously in the rotor shaft 10, but is delimited at the end remote from the cooling fluid lance 18 by a cooling fluid deflection piece 24. This deflects the cooling fluid 20, as symbolized by the arrows 26, so that this exits on the same side of the rotor shaft 10 again from the cooling cavity 16, on which it was introduced into the cooling cavity 16 (see arrow 22). The exit is symbolized by the arrows 28.
  • cooling cavity 16th If the cooling cavity 16 is viewed starting from the side at which the cooling fluid 20 enters it, the cooling cavity 16 initially extends in the rotor shaft main body 12 and then in the rotor shaft core 14.
  • the rotor shaft core 14 is at a distance from a first and / or a second end of the rotor shaft. It is therefore also in the axial direction centric in the rotor shaft 10th
  • the rotor shaft core 14 is made of a different material than the rotor shaft main body 12.
  • the rotor shaft core 14 is made of an aluminum material and the rotor shaft main body 12 made of a steel material.
  • the rotor shaft 10 is produced as follows: First, the rotor shaft main body 12 is manufactured. Thereafter, the rotor shaft core 14 is poured in liquid form in the space provided in the rotor shaft main body 12. Subsequently, that is, after the rotor shaft core 14 is solidified, the cooling cavity 16 is produced by machining.
  • second embodiment of the rotor shaft 10 differs from the embodiment of Figure 1, by the rotor shaft main body 12 is made in two parts.
  • the rotor shaft main body part 12a is designed as a rotor shaft main body and the rotor shaft main body part 12b as a rotor shaft end piece.
  • the rotor shaft core 14 is placed in this embodiment as a solid in the space provided in the rotor shaft main body part 12a. Then, the two rotor shaft main body parts 12a and 12b are connected to each other, for example, by welding.
  • FIG. 3 shows another embodiment of the rotor shaft 10. This differs from the aforementioned embodiments in that the rotor shaft 10 comprises an axially continuous air channel 30a and an axially continuous air channel 30b. Both air channels 30a, 30b extend partially in the rotor shaft main body 12 and partially in the rotor shaft core 14 and are produced by drilling and / or eroding.
  • the air duct 30a runs essentially parallel to a rotor shaft axis 32.
  • the air duct 30b encloses an acute angle ⁇ with the rotor shaft axis 32.
  • the rotor shaft 10 includes only a single air duct, which is then either the type of air duct 30a or the type of air duct 30b.
  • the rotor shaft 10 may also include a plurality of air channels.
  • FIG. 5 shows by way of example a cross section of a rotor shaft 10 which has eight air channels 30c to 30j. For reasons of clarity, neither the cooling fluid lance 18 nor the cooling fluid 20 are shown in this cross section.
  • the air ducts 30c to 30j are arranged circumferentially equally distributed in the rotor shaft 10 and each have a same radial distance from the cooling cavity 16th

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  • Power Engineering (AREA)
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  • Motor Or Generator Cooling System (AREA)
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Abstract

Rotorwelle für eine elektrische Maschine sowie elektrische Maschine Es wird eine Rotorwelle (10) für eine elektrische Maschine beschrieben, die einen Rotorwellengrundkörper (12) und einen darin angeordneten, mit dem Rotor- wellengrundkörper (12) verbundenen Rotorwellenkern (14) umfasst. Die Rotorwelle (10) umfasst darüber hinaus eine im Wesentlichen axial verlaufende Kühlkavität (16) zur Leitung eines Kühlfluids (20). Der Rotorwellenkern (14) ist dabei aus einem anderen Material als der Rotorwellengrundkörper (12). Zusätzlich wird eine elektrische Maschine mit einer solchen Rotorwelle (10) präsentiert.

Description

Rotorwelle für eine elektrische Maschine sowie elektrische Maschine
Die Erfindung betrifft eine Rotorwelle für eine elektrische Maschine sowie eine elektrische Maschine.
Rotorwellen für elektrische Maschinen werden im Stand der Technik häufig mit einer sogenannten Hohlwellenkühlung ausgestattet. Dabei wird die Welle mit einer axialen Bohrung versehen, in die ein Kühlfluid, z. B. Wasser, eingebracht wird.
Das Kühlfluid kann mittels einer sogenannten Kühlfluidlanze in die axiale Bohrung eingeleitet werden. Dabei kann die axiale Bohrung eine Sackbohrung sein. Das Kühlfluid tritt dann auf der selben Seite der Welle wieder aus, auf der es durch die Kühlfluidlanze eingebracht wird.
Zusätzlich ist aus dem Stand der Technik bekannt, dass ein in einer axialen Bohrung vorliegendes Kühlfluid beim Drehen der Rotorwelle Reibungsverluste generiert. Die axiale Bohrung für das Kühlfluid wird daher bei Rotorwellen, die mit hohen Drehzahlen drehen, mit einem verhältnismäßig kleinen Durchmesser ausgeführt. So können durch das Kühlfluid hervorgerufene Reibungsverluste verringert werden.
Um mittels des Kühlfluids eine gute Kühlwirkung zu erreichen, werden bekannte Rotorwellen in der Regel aus einem Vollmaterial hergestellt. Dann ist eine gute Wärmeleitfähigkeit zwischen dem Kühlfluid und einer Mantelfläche der Rotorwelle gewährleistet. Das Einbringen von Hohlräumen zur Gewichtsreduktion ist dabei mit einer deutlichen Verschlechterung dieser Wärmeleitfähigkeit verbunden, sodass in vielen Fällen darauf verzichtet wird.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, bekannte Rotorwellen weiter zu verbessern. Insbesondere sollen Rotorwellen bereitgestellt werden, die effizient und wirkungsvoll gekühlt werden können sowie gleichzeitig über ein geringes Gewicht und damit über eine geringe Trägheit verfügen.
Die Aufgabe wird durch eine Rotorwelle für eine elektrische Maschine, mit einem Rotorwellengrundkörper und einem darin angeordneten, mit dem Rotorwellen- grundkörper verbundenen Rotorwellenkern gelöst, wobei die Rotorwelle eine im Wesentlichen axial verlaufende Kühlkavität zur Leitung eines Kühlfluids umfasst und der Rotorwellenkern aus einem anderen Material als der Rotorwellengrundkörper ist.
Das Kühlfluid ist z.B. Wasser.
Die Kühlkavität kann axial einseitig offen sein. Dann kann in bekannter Weise eine Kühlfluidlanze eingebracht werden, sodass für eine ausreichende Kühlwirkung gesorgt ist. Die Kühlkavität lässt sich auch axial beidseitig offen ausführen. Dann kann das Kühlfluid axial durch die Rotorwelle hindurch geleitet werden.
Vorzugsweise ist der Rotorwellen kern aus einem Material hergestellt, das eine geringere Dichte aufweist als das Material, aus dem der Rotorwellengrundkörper hergestellt ist.
Weiter vorzugsweise liegen die Wärmeleitfähigkeiten der beiden Materialien in einer ähnlichen Größenordnung.
Alternativ kann die Wärmeleitfähigkeit des Materials des Rotorwellenkerns größer sein als diejenige des Rotorwellengrundkörpers. Somit ist eine solche Welle im Vergleich zu bekannten Wellen leichter. Gleichzeitig ist eine gute Wärmeleitung zwischen der Mantelfläche der Rotorwelle und der Kühlkavität gewährleistet. Durch das verringerte Gewicht ist auch die Trägheit der Rotorwelle verringert. Dadurch wird eine dynamische Beweglichkeit des Rotors ermöglicht. Die genannten Effekte und Vorteile gelten insbesondere für Rotorwellen mit einem vergleichsweise großen Außendurchmesser, die für eine schnelle Drehung ausgelegt sind, da bei solchen Rotorwellen der Wärmeleitpfad zwischen der Mantelfläche der Rotorwelle und der Kühlkavität relativ lang ist. Dementsprechend kann auch viel Gewicht eingespart werden. Durch die jeweiligen Anteile des Rotorwellengrundkörpers und des Rotorwellenkerns sowie durch die für diese beiden Bauteile verwendeten Materialien können zudem die mechanischen Eigenschaften der Rotorwelle, z. B. in Bezug auf Biegung, Torsion oder Wärmeausdehnung, genau eingestellt werden. Gemäß einer Ausführungsform sind in der Kühlkavität eine Kühlfluidlanze und vorzugsweise ein Kühlfluidumlenkstück angeordnet. Durch die Kühlfluidlanze wird das Kühlfluid in bekannter Weise von einer axialen Seite aus in die Rotorwelle eingebracht. Das Fluidumlenkstück sorgt dann dafür, dass das Kühlfluid auf der selben Seite wieder aus der Rotorwelle austritt. Für eine solche Welle nimmt der Anschluss an ein Kühlfluidleitungssystem nur einen geringen Bauraum in Anspruch. Gleichzeitig kann die Kühlkavität beispielsweise durch eine Sackbohrung aufwandsarm hergestellt werden. Das Kühlfluidumlenkstück ist dann der Boden der Sackbohrung.
Der Rotorwellenkern kann aus einem Aluminiumwerkstoff, einem Magnesiumwerkstoff und/oder einem Kunststoff und der Rotorwellengrundkörper vorzugsweise aus einem Stahlwerkstoff hergestellt sein. Durch den Stahlwerkstoff erhält die Rotorwelle dabei eine ausreichende mechanische Festigkeit und Steifigkeit. Da Aluminium und Magnesium eine deutlich geringere Dichte als Stahl aufweisen, kann durch das Verwenden eines solchen Rotorkerns Gewicht eingespart werden. Dies gilt auch für die Verwendung eines Kunststoffs, der in der Regel ebenfalls eine geringere Dichte als Stahl hat. Gleichzeitig verfügen Aluminium und Magnesium über eine deutlich höhere Wärmeleitfähigkeit als Stahl, wodurch die Wärmeleitung vom Mantel der Rotorwelle zur Kühlkavität deutlich verbessert wird. Dadurch wird auch die Kühlbarkeit der Rotorwelle erleichtert. Es ist zudem denkbar, den Rotorwellenkern aus einer Kombination der genannten Materialien herzustellen.
Vorzugsweise verläuft die Kühlkavität im Wesentlichen zentrisch und durchgängig in der Rotorwelle. Durchgängig bedeutet dabei, dass die Kühlkavität von einem axialen Rotorwellenende bis zum anderen axialen Rotorwellenende verläuft. Es ist somit sowohl in radialer Hinsicht als auch in axialer Hinsicht eine gleichmäßige Kühlung der Rotorwelle gewährleistet. Spannungen durch Wärmeausdehnung werden so wirkungsvoll verhindert, was eine zuverlässige Funktion und eine hohe Lebensdauer der Rotorwelle bewirkt.
Die Kühlkavität kann teilweise im Rotorwellengrundkörper und teilweise im Rotorwellenkern verlaufen. Somit ist eine hohe Gestaltungsfreiheit bei der mechanischen und thermischen Auslegung der Rotorwelle gegeben. Die Rotorwelle wird damit einfach und zuverlässig an die gegebenen Einsatzbedingungen angepasst.
In einer Variante ist der Rotorwellenkern axial von einem ersten und/oder einem zweiten Rotorwellenende beabstandet. Die beiden Rotorwellenenden sind also als Bestandteile des Rotorwellengrundkörpers ausgebildet. Es wird so eine hohe mechanische Stabilität der Rotorwellenenden sichergestellt, die häufig als Lagerstellen oder Ähnliches ausgebildet sind.
In einer Ausführungsform ist der Rotorwellenkern mittels eines Gießverfahrens in den Rotorwellengrundkörper eingebracht. Nachdem im Rotorwellengrundkörper der für den Rotorwellenkern vorgesehene Raum geschaffen wurde, wird der Rotorwellenkern also in flüssiger Form in diesen eingebracht. Der Rotorwellenkern erstarrt dann im Inneren des Rotorwellengrundkörpers. Eine mechanische Nachbearbeitung, z. B. durch Spanen, kann sich anschließen. Insbesondere kann die Kühlkavität im Nachgang durch eine spanende Bearbeitung eingebracht werden. Die Rotorwelle wird somit einfach und kostengünstig hergestellt. Gleichzeitig wird so eine besonders gute wärmetechnische Kontaktierung zwischen dem Rotorwellenkern und dem Rotorwellengrundkörper gewährleistet.
In einer alternativen Ausführungsform ist der Rotorwellenkern als Festkörper in den Rotorwellengrundkörper eingebracht. Beispielsweise wird dazu der Rotorwellenkern in den Rotorwellengrundkörper eingesteckt. Die Kühlkavität oder zumindest ein Teil davon kann dabei schon im Rotorwellengrundkörper und/oder im Rotorwellenkern vorgefertigt sein.
Der Rotorwellengrundkörper kann zweiteilig sein, wobei die zwei Rotorwellen- grundkörperteile vorzugsweise nach dem Einbringen des Rotorwellenkerns und insbesondere durch Schweißen miteinander verbunden sind. Ein solcher Rotorwellengrundkörper ist insbesondere in Verbindung mit einem Rotorwellenkern, der als Festkörper in den Rotorwellengrundkörper eingebracht wird, vorteilhaft. Beispielsweise umfasst der Rotorwellengrundkörper einen Rotorwellenhauptkörper und ein Rotorwellenendstück, das nach der Montage des Rotorwellenkerns mit dem Rotorwellenhauptkörper verbunden wird. Somit ist eine einfache Montage der Rotorwelle gegeben.
In einer Ausführungsform umfasst die Rotorwelle mindestens einen axial durchgängigen Luftkanal. Insbesondere verläuft der Luftkanal parallel zu einer Rotorwellenachse. Durch den Luftkanal werden das Gewicht und die Trägheit der Rotorwelle weiter reduziert. Darüber hinaus wird so eine zusätzliche Luftkühlung der Rotorwelle ermöglicht. Im Vergleich zu bekannten Rotorwellen, insbesondere im Vergleich zu solchen mit Hohlräumen, die jedoch ohne Rotorwellenkern ausgeführt sind, ergibt sich eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit zwischen dem Mantel der Rotorwelle und der Kühlkavität.
Der Luftkanal kann beispielsweise durch Bohren und/oder Erodieren hergestellt sein. Dessen Herstellung ist also einfach und kostengünstig. Bei einer Herstellung durch Erodieren kann darüber hinaus eine beliebige, auch variierende, Querschnittsform gewählt werden.
Gemäß einer Variante schließt der Luftkanal mit einer Rotorwellenachse einen spitzen Winkel ein. Der Luftkanal ist also bezüglich der Rotationsachse der Rotorwelle schräg. Wenn sich die Rotorwelle dreht, ergibt sich dann durch die Massenträgheit der Luft ein Saugeffekt, der dazu führt, dass Umgebungsluft durch den Luftkanal gesaugt wird. Für den Fall, dass mehrere Luftkanäle in der Rotorwelle eingebracht sind, können diese mit dem gleichen oder mit unterschiedlichen spitzen Winkeln angeordnet sein.
Der Luftkanal kann teilweise im Rotorwellengrundkörper und teilweise im Rotorwellenkern verlaufen. Es ergibt sich so eine große Gestaltungsfreiheit der Rotorwelle hinsichtlich des Luftkanals.
Weiter kann die Rotorwelle mehrere, vorzugsweise zwischen vier und zehn, Luftkanäle umfassen und können die Luftkanäle umfangsmäßig gleichverteilt sowie jeweils mit einem gleichen radialen Abstand um die Kühlkavität herum angeordnet sein. Bei einer solchen Rotorwelle findet eine wirkungsvolle Luftkühlung zusätzlich zur Kühlung über die Kühlkavität statt. Darüber hinaus ist die Luftkühlung in radialer und axialer Hinsicht gleichförmig. Weiter ist eine solche Rotorwelle in axialer und radialer Hinsicht ausbalanciert, sodass sich keinerlei Unwuchten ergeben.
Zusätzlich wird die Aufgabe durch eine elektrische Maschine mit einer erfindungsgemäßen Rotorwelle gelöst. Eine solche elektrische Maschine ist vorzugsweise ein Elektromotor, z. B. eine permanenterregte Synchronmaschine (PSM) oder eine Asynchronmaschine (ASM). Durch die verbesserte Kühlung sind solche elektrischen Maschinen besonders leistungsfähig. Das geringe Gewicht der Rotorwelle bedingt, dass die elektrische Maschine sehr dynamisch angesteuert und bewegt werden kann.
Die Erfindung wird nachstehend anhand verschiedener Ausführungsbeispiele erläutert, die in den beigefügten Zeichnungen gezeigt sind. Es zeigen: - Figur 1 schematisch eine erfindungsgemäße Rotorwelle einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine gemäß einer ersten Ausführungsform,
- Figur 2 schematisch eine erfindungsgemäße Rotorwelle einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine gemäß einer zweiten Ausführungsform,
- Figur 3 schematisch eine erfindungsgemäße Rotorwelle einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine gemäß einer dritten Ausführungsform,
- Figur 4 schematisch einen Querschnitt entlang der Linie IV - IV aus Figur 1 und Figur 2, bei dem aus Gründen der Übersichtlichkeit nur ein Rotorwellengrundkörper und ein Rotorwellenkern gezeigt sind, und
- Figur 5 schematisch einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Rotorwelle einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine gemäß einer zweiten Ausführungsform des Querschnitts.
Figur 1 zeigt eine Rotorwelle 10 für eine nicht weiter dargestellte elektrische Maschine, wobei die Rotorwelle 10 einen Rotorwellengrundkörper 12 und einen im Rotorwellengrundkörper 12 angeordneten und mit dem Rotorwellengrundkörper 12 verbundenen Rotorwellenkern 14 umfasst.
In der Rotorwelle 10 ist darüber hinaus eine Kühlkavität 16 angeordnet, die in der dargestellten Ausführungsform eine zentrische, im Wesentlichen axiale Bohrung ist.
In die Kühlkavität 16 ist eine Kühlfluidlanze 18 eingesteckt, über die ein Kühlfluid 20 in die Kühlkavität 16 eingeleitet wird. Die Einleitungsrichtung ist dabei durch einen Pfeil 22 dargestellt.
Die Kühlkavität 16 verläuft grundsätzlich durchgängig in der Rotorwelle 10, ist jedoch am der Kühlfluidlanze 18 abgewandten Ende durch ein Kühlfluidumlenkstück 24 begrenzt. Dieses lenkt das Kühlfluid 20 um, wie durch die Pfeile 26 symbolisiert, sodass dieses auf der selben Seite der Rotorwelle 10 wieder aus der Kühlkavität 16 austritt, auf der es in die Kühlkavität 16 eingeleitet wurde (siehe Pfeil 22). Der Austritt ist durch die Pfeile 28 symbolisiert.
Es ergibt sich so ein kontinuierlicher Strom des Kühlfluids 20 durch die Kühlkavität
16. Betrachtet man die Kühlkavität 16 ausgehend von derjenigen Seite, an der das Kühlfluid 20 in diese eintritt, so verläuft die Kühlkavität 16 zunächst im Rotorwellengrundkörper 12 und dann im Rotorwellenkern 14.
Der Rotorwellenkern 14 ist dabei von einem ersten und/oder einem zweiten Rotorwellendende beabstandet. Er liegt also auch in axialer Richtung zentrisch in der Rotorwelle 10.
Der Rotorwellenkern 14 ist aus einem anderen Material hergestellt als der Rotorwellengrundkörper 12. Beispielsweise ist der Rotorwellenkern 14 aus einem Aluminiumwerkstoff und der Rotorwellengrundkörper 12 aus einem Stahlwerkstoff.
Die Herstellung der Rotorwelle 10 erfolgt dabei folgendermaßen: Zunächst wird der Rotorwellengrundkörper 12 gefertigt. Danach wird der Rotorwellenkern 14 in flüssiger Form in den dafür vorgesehenen Raum im Rotorwellengrundkörper 12 eingegossen. Anschließend, also nachdem der Rotorwellenkern 14 erstarrt ist, wird die Kühlkavität 16 durch spanende Bearbeitung hergestellt.
Die in Figur 2 dargestellte, zweite Ausführungsform der Rotorwelle 10 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß Figur 1 , indem der Rotorwellengrundkörper 12 zweiteilig ausgeführt ist.
Zur Herstellung der Rotorwelle werden in dieser Ausführungsform zunächst die beiden Rotorwellengrundkörperteile 12a und 12b hergestellt, wobei in der dargestellten Ausführungsform das Rotorwellengrundkörperteil 12a als ein Rotorwellenhauptkörper und das Rotorwellengrundkörperteil 12b als ein Rotorwellenendstück ausgebildet ist.
Der Rotorwellenkern 14 wird in dieser Ausführungsform als Festkörper in dem im Rotorwellengrundkörperteil 12a vorgesehenen Raum platziert. Dann werden die beiden Rotorwellengrundkörperteile 12a und 12b miteinander verbunden, zum Beispiel durch Schweißen.
Die übrigen Merkmale der Rotorwelle 10 aus Figur 2 entsprechen denjenigen aus Figur 1 , auf die an dieser Stelle verwiesen wird.
Figur 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Rotorwelle 10. Diese unterscheidet sich von den vorgenannten Ausführungsformen dadurch, dass die Rotorwelle 10 einen axial durchgängigen Luftkanal 30a sowie einen axial durchgängigen Luftkanal 30b umfasst. Beide Luftkanäle 30a, 30b verlaufen dabei teilweise im Rotorwellengrundkörper 12 und teilweise im Rotorwellenkern 14 und sind durch Bohren und/oder Erodieren hergestellt.
Der Luftkanal 30a verläuft dabei im Wesentlichen parallel zu einer Rotorwellenachse 32.
Der Luftkanal 30b schließt mit der Rotorwellenachse 32 einen spitzen Winkel α ein.
Es ist dabei auch denkbar, dass die Rotorwelle 10 nur einen einzigen Luftkanal umfasst, der dann entweder vom Typ des Luftkanals 30a oder vom Typ des Luftkanals 30b ist.
Die Rotorwelle 10 kann auch mehrere Luftkanäle umfassen.
Figur 5 zeigt hierzu exemplarisch einen Querschnitt einer Rotorwelle 10, die über acht Luftkanäle 30c bis 30j verfügt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in diesem Querschnitt weder die Kühlfluidlanze 18 noch das Kühlfluid 20 dargestellt.
Die Luftkanäle 30c bis 30 j sind umfangsmäßig gleichverteilt in der Rotorwelle 10 angeordnet und haben jeweils einen gleichen radialen Abstand von der Kühlkavität 16.
Wird die Rotorwelle 10 in eine Drehbewegung versetzt, so kann Luft durch die Luftkanäle 30a bis 30 j strömen. Somit wird eine Luftkühlung der Rotorwelle 10 realisiert. Die Luftströmung ist durch die Pfeile 34 symbolisiert.
Für die übrigen Merkmale der Rotorwelle 10 gemäß der dritten Ausführungsform wird auf die Ausführungen zu den Figuren 1 und 2 verwiesen.

Claims

Patentansprüche
1 . Rotorwelle (10) für eine elektrische Maschine, mit einem Rotorwellengrundkörper (12) und einem darin angeordneten, mit dem Rotorwellengrundkörper (12) verbundenen Rotorwellenkern (14), wobei die Rotorwelle (10) eine im Wesentlichen axial verlaufende Kühlkavität (16) zur Leitung eines Kühlfluids (20) umfasst und der Rotorwellenkern (14) aus einem anderen Material als der Rotorwellengrundkörper (12) ist.
2. Rotorwelle (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in der Kühlkavität (16) eine Kühlfluidlanze (18) und vorzugsweise ein Kühlfluidumlenkstück (24) angeordnet sind.
3. Rotorwelle (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorwellenkern (14) aus einem Aluminiumwerkstoff, einem Magnesiumwerkstoff und/oder einem Kunststoff und der Rotorwellengrundkörper (12) vorzugsweise aus einem Stahlwerkstoff hergestellt ist.
4. Rotorwelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkavität (16) im Wesentlichen zentrisch und durchgängig in der Rotorwelle (10) verläuft.
5. Rotorwelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkavität (16) teilweise im Rotorwellengrundkörper (12) und teilweise im Rotorwellenkern (14) verläuft.
6. Rotorwelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorwellenkern (14) axial von einem ersten und/oder einem zweiten Rotorwellenende beabstandet ist.
7. Rotorwelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorwellenkern (14) mittels eines Gießverfahrens in den Rotorwellengrundkörper (12) eingebracht ist.
8. Rotorwelle (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorwellenkern (14) als Festkörper in den Rotorwellengrundkörper (12) eingebracht ist.
9. Rotorwelle (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorwellengrundkörper (12) zweiteilig ist, wobei die zwei Rotorwellengrundkörperteile (12a, 12b) vorzugsweise nach dem Einbringen des Rotorwellenkerns (14) und insbesondere durch Schweißen miteinander verbunden sind.
10. Rotorwelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorwelle (10) mindestens einen axial durchgängigen Luftkanal (30a - 30j) umfasst.
1 1 . Rotorwelle (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftkanal (30a - 30j) durch Bohren und/oder Erodieren hergestellt ist.
12. Rotorwelle (10) nach Anspruch 10 oder 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Luftkanal (30b) mit einer Rotorwellenachse (32) einen spitzen Winkel (a) einschließt.
13. Rotorwelle (10) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftkanal (30a, 30b) teilweise im Rotorwellengrundkörper (12) und teilweise im Rotorwellenkern (14) verläuft.
14. Rotorwelle (10) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorwelle (10) mehrere, vorzugsweise zwischen vier und zehn, Luftkanäle (30c - 30j) umfasst und die Luftkanäle (30c - 30j) umfangsmäßig gleichverteilt sowie jeweils mit einem gleichen radialen Abstand um die Kühlkavität (16) herum angeordnet sind.
15. Elektrische Maschine mit einer Rotorwelle (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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