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Title:
ARRANGEMENT FOR COOLING A ROTOR OF AN ELECTRIC MACHINE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2023/139018
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to an arrangement for cooling a rotor of an electric machine in a housing (1), wherein a rotor shaft (2) supporting the rotor (2) is embodied as a hollow shaft, in which a coaxially running rotatable output shaft (3) is mounted, so that a radial gap (6) is produced between the inner diameter (4) of the rotor shaft (2) and the outer diameter (5) of the output shaft (3) over the axial length of the rotor shaft (2), a first axial end (7) of the rotor shaft (2) being associated with an oil injection sleeve (9), which is fixed to the housing and connected to an oil supply (8) on the housing for the purpose of injecting oil into the radial gap (6) to transport the injected oil to a second axial end (10) of the rotor shaft (2). The invention also relates to an electrically driven or driveable vehicle comprising such an arrangement.

Inventors:
STENGER MORITZ (DE)
MÜLLER MARCEL (DE)
GUDLIN MARIO (DE)
Application Number:
PCT/EP2023/050848
Publication Date:
July 27, 2023
Filing Date:
January 16, 2023
Export Citation:
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Assignee:
ZAHNRADFABRIK FRIEDRICHSHAFEN (DE)
International Classes:
H02K7/116; F16H57/04
Domestic Patent References:
WO2020069744A12020-04-09
Foreign References:
DE102018111418A12019-11-14
DE102020123478A12021-03-11
EP1914452A22008-04-23
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Claims:
Patentansprüche 1. Anordnung zum Kühlen eines Rotors einer elektrischen Maschine in einem Ge- häuse (1), wobei eine den Rotor tragende Rotorwelle (2) als Hohlwelle ausgeführt ist, in der eine koaxial verlaufende drehbare Abtriebswelle (3) gelagert ist, sodass sich zwischen dem Innendurchmesser (4) der Rotorwelle (2) und dem Außendurchmesser (5) der Abtriebswelle (3) ein Radialspalt (6) über die axiale Länge der Rotorwelle (2) ergibt, dadurch gekennzeichnet, dass einem ersten axialen Ende (7) der Rotorwelle (2) eine gehäusefeste mit einer gehäuseseitigen Ölversorgung (8) verbundene Öleinspritzhülse (9) zur axial ausgerichteten Öleinspritzung in den Radialspalt (6) zum Transport des eingespritzten Öls zu einem zweiten axialen Ende (10) der Ro- torwelle (2) zugeordnet ist. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Öleinspritzhülse (9) entlang ihres Außenumfanges mehrere axial verlaufende Nuten (17) aufweist, wobei ein erstes Ende (18) jeder Nut (17) mit Öl aus der gehäuseseitigen Ölversor- gung (8) versorgbar ist und wobei ein zweites Ende (19) jeder Nut (17) dem Radial- spalt (6) im Bereich des Innendurchmessers (4) an dem ersten axialen Ende (7) der Rotorwelle (2) zugeordnet ist. 3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (17) als im Querschnitt halbkreisförmige Kerben ausgeführt sind. 4. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Innenwand des Gehäuses (1) entlang des Außenumfanges der Ölein- spritzhülse (9) einen Ringkanal (15) aufweist, der mit der gehäuseseitigen Ölversor- gung (8) verbunden ist. 5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringkanal (15) dem geschlossenen ersten Ende (18) jeder Nut (17) derart zugeordnet ist, dass das Öl aus dem Ringkanal (15) in die Nut (17) förderbar ist. 6. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringka-

7. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem ersten axialen Ende (7) der Rotorwelle (2) ein den Innendurchmesser (4) der Rotorwelle (2) verringernder Staukantenbereich (10) zugeordnet ist. 8. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste axiale Ende (7) der Rotorwelle (2) eine Getriebeverzahnung (11) auf- weist, die zwischen einer elektromaschinenseitigen Lagerstelle (12) und einer getrie- beseitigen Lagerstelle (13) angeordnet ist. 9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Öleinspritzhülse (9) in ein gehäuseseitiges Lagerschild (14) der getriebeseitigen Lagerstelle (13) ein- gepresst ist. 10. Elektro- oder Hybridfahrzeug mit einer Anordnung nach einem der Ansprüche 1- 9, wobei die Anordnung als ein Antriebsstrang eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs ausgebildet ist und wobei die elektrische Maschine ein Antriebsaggregat zum Antrei- ben des Fahrzeugs darstellt.

Description:
Anordnung zum Kühlen eines Rotors einer elektrischen Maschine Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zum Kühlen eines Rotors einer elektrischen Maschine in einem Gehäuse, wobei eine den Rotor tragende Rotorwelle als Hohlwelle ausgeführt ist, in der eine koaxial verlaufende drehbare Abtriebswelle gelagert ist, sodass sich zwischen dem Innendurchmesser der Rotorwelle und dem Außendurchmesser der Abtriebswelle ein Radialspalt über die axiale Länge der Ro- torwelle ergibt. Die Erfindung betrifft weiter ein elektrisch angetriebenes oder antreib- bares Fahrzeug mit einer derartigen Anordnung. Um beispielsweise Öl als Kühlmittel einer gehäuseseitigen Ölversorgung in einen Radialspalt zwischen einem gehäusefesten Bauteil und zumindest einem sich dre- henden Bauteil zu fördern, ist beispielsweise aus der Druckschrift EP 1914452 A2 die Verwendung einer Drehdurchführung bekannt. Bei einer derartigen Drehdurchführung wird das Öl z.B. gehäuseseitig in einen Radi- alspalt gepumpt. Um hierbei die entgegenwirkende Fliehkraft des sich drehenden Bauteils überwinden zu können, sind zum einen eine Vielzahl von Dichtelementen und zum anderen ein hoher Betriebsdruck in der Ölversorgung erforderlich. Somit ergibt sich der Nachteil, dass die Drehdurchführung konstruktiv aufwendig und kos- tenintensiv ist. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine eingangs beschriebene Anordnung vorzuschlagen, bei der eine Ölzuführung konstruktiv einfach und kosten- günstig realisiert wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte und beanspruchte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unter- ansprüchen und der Beschreibung sowie den Zeichnungen. Demnach wird eine Anordnung zum Kühlen eines Rotors einer elektrischen Maschi- ne in einem Gehäuse vorgeschlagen, wobei eine den Rotor tragende Rotorwelle als sich drehende Hohlwelle ausgeführt ist und in dem Gehäuse gelagert ist, wobei in der Hohlwelle eine axial verlaufene ebenfalls drehbare Abtriebswelle gelagert ist, so- dass sich zwischen dem Innendurchmesser der Rotorwelle und dem Außendurch- messer der Abtriebswelle ein Radialspalt über die gesamte axiale Länge der Rotor- welle ergibt. Um eine konstruktiv einfache und kostengünstige Ölzuführung aus dem Gehäuse in den Radialspalt in das Innere der Rotorwelle zu gewährleisten, ist vorge- sehen, dass einem ersten axialen Ende der Rotorwelle eine gehäusefeste mit einer gehäuseseitigen Ölversorgung verbundene Öleinspritzhülse oder dergleichen zur axial ausgerichteten Öleinspritzung in den Radialspalt zum Transport des einge- spritzten Öls zu einem zweiten axialen Ende der Rotorwelle zugeordnet ist. Auf diese Weise wird eine kontaktlose Einspritzung von Kühlöl zur Rotorwelleninnen- kühlung bei elektrischen Maschinen vorgeschlagen, ohne dass eine aufwendige Drehdurchführung verwendet wird. Somit kann bei der vorgeschlagenen Anordnung Öl in eine zum Beispiel mit hoher Drehzahl rotierenden Hohlwelle eingespritzt wer- den, ohne dabei Reibungsverluste zu erzeugen. Zudem ist in vorteilhafter Weise nur ein geringer Betriebsdruck bei der gehäuseseitigen Ölversorgung notwendig. Eine besonders konstruktiv einfache Ausführung ergibt sich bei der vorgeschlagenen Anordnung dadurch, dass die Öleinspritzhülse entlang ihres Außenumfanges mehre- re axial verlaufende Nuten oder dergleichen aufweist, wobei ein erstes Ende jeder Nut mit Öl der gehäuseseitigen Ölversorgung versorgbar ist und somit dieser zuge- ordnet ist und wobei ein zweites Ende jeder Nut dem Radialspalt im Bereich des In- nendurchmessers an dem ersten axialen Ende der Rotorwelle zugeordnet ist. Somit bildet das erste Ende der Nut ein geschlossenes Ende, welches mit Öl aus der ge- häuseseitigen Ölversorgung versorgt wird, während das zweite Ende ein offenes En- de an der Stirnseite der Öleinspritzhülse ist, aus dem das Öl direkt in den Innenraum der Hohlwelle im Bereich des Innendurchmessers der Rotorwelle austritt. Beispielsweise können die an der Öleinspritzhülse vorgesehenen Nuten als im Quer- schnitt halbkreisförmige Kerben ausgeführt sein. Diese Kerben können beispielswei- se besonders einfach durch entsprechende Umformung an der Öleinspritzhülse her- gestellt werden. Die Form und die Position der axial verlaufenden Nuten bzw. Kerben an dem Außen- umfang der Öleinspritzhülse gewährleisten eine möglichst geringe Distanz zwischen dem statischen bzw. gehäusefesten Bauteil und dem rotierenden Bauteil, wobei die geringe Distanz durch quasi als Einspritzdüsen wirkende Nuten überbrückt wird, wozu nur ein relativ geringer Betriebsdruck bei der Ölversorgung erforderlich ist. Dadurch treten weder Reibungsverluste noch ein hoher Energieaufwand für die Öl- versorgung auf. Eine konstruktiv besonders einfache Ausführung der Ölversorgung der Öleinspritz- hülse bei der vorgeschlagenen Anordnung sieht vor, dass eine Innenwand des Ge- häuses entlang des Außenumfanges der Öleinspritzhülse einen Ringkanal oder der- gleichen aufweist, der mit der gehäuseseitigen Ölversorgung verbunden ist. Um das Öl aus dem Ringkanal zur Öleinspritzhülse zu bringen, ist vorgesehen, dass der Ringkanal dem ersten Ende jeder Nut derart zugeordnet ist, dass das Öl aus dem Ringkanal in die Nuten der Öleinspritzhülse gefördert wird. Vorzugsweise ist der Ringkanal im Querschnitt halbkreisförmig oder dergleichen ausgeführt. Sobald das Öl die Öleinspritznuten verlässt, gelangt es problemlos in das Innere der Rotorwelle. Um ein sofortiges Ausströmen des Öls aus dem ersten Ende der Rotor- welle zu verhindern, kann an dem der Stirnseite der Öleinspritzhülse zugeordneten ersten Ende der Rotorwelle ein den Innendurchmesser der Rotorwelle verringernder Staukantenbereich oder dergleichen zugeordnet sein. Durch die in axialer Richtung bereichsweise Verringerung des Innendurchmessers der Rotorwelle wird eine Auf- stauung des Öls erreicht, um eine kontinuierliche Ölversorgung zu realisieren. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann bei der Anordnung vorgesehen sein, dass das erste axiale Ende der Rotorwelle eine Getriebeverzahnung oder derglei- chen aufweist, die zwischen einer elektromaschinenseitigen Lagerstelle und einer getriebeseitigen Lagerstelle angeordnet ist. Bei einer derartigen Ausführung ist vor- zugsweise die Öleinspritzhülse in einem getriebegehäuseseitigen Lagerschild oder dergleichen der getriebeseitigen Lagerstelle eingepresst ist, wobei das Lagerschild das gehäusefeste Bauteil zur Aufnahme der Öleinspritzhülse bildet. Die Erfindung betrifft weiter ein elektrisch angetriebenes oder antreibbares Fahrzeug mit einer derartigen Anordnung. Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand der Zeichnungen weiter erläu- tert. Es zeigen: Fig.1 eine schematische geschnittene Teilansicht einer Anordnung zum Kühlen ei- nes Rotors einer elektrischen Maschine in einem Gehäuse; Fig.2 eine schematische dreidimensionale Teilansicht einer in einem Gehäuse an- geordneten Öleinspritzhülse zur axial gerichteten Öleinspritzung in eine Ro- torwelle; Fig.3 eine stirnseitige Einzelteilansicht der Öleinspritzhülse; Fig.4 eine dreidimensionale Einzelteilansicht der Öleinspritzhülse; und Fig.5 eine schematische geschnittene Teilansicht eines gehäuseseitigen Ringkanals zur Ölversorgung der Öleinspritzhülse. In den Figuren 1 bis 5 sind verschiedene Ansichten einer Anordnung zum Kühlen eines Rotors einer elektrischen Maschine in einem Gehäuse 1 dargestellt, wobei eine den Rotor tragende Rotorwelle 2 als Hohlwelle ausgeführt ist, in der eine koaxial ver- laufende drehbare Abtriebswelle 3 gelagert ist, sodass sich zwischen dem Innen- durchmesser 4 der Rotorwelle 2 und dem Außendurchmesser 5 der Abtriebswelle 3 ein Radialspalt 6 über die axiale Länge der Rotorwelle 2 ergibt. Die Anordnung kann beispielsweise als ein Antriebsstrang eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs ausgebil- det sein, wobei die elektrische Maschine ein Antriebsaggregat zum Antreiben des Fahrzeugs bildet. Um eine konstruktiv einfache und kostengünstige Ölzuführung in das Innere der als Hohlwelle ausgebildeten Rotorwelle 2 zu gewährleisten, ist einem ersten axialen En- de 7 der Rotorwelle 2 eine gehäusefeste mit einer gehäuseseitigen Ölversorgung 8 verbundene Öleinspritzhülse 9 zur axial gerichteten Öleinspritzung in den Radialspalt 6 zum Transport des eingespritzten Öls zu einem nicht weiter dargestellten zweiten axialen Ende der Rotorwelle 2 zugeordnet. Somit erfolgt die Ölzuführung im Gegensatz zur bekannten Drehdurchführung durch eine axial gerichtete Einspritzung des Öls in das erste offene axialseitige Ende der Rotorwelle 2. Dadurch kann die Übergabe in eine drehende Welle kontaktlos und damit verlustleistungsoptimiert erfolgen. Wie insbesondere in Fig.1 dargestellt ist, wird die Öleinspritzhülse 9 quasi als Ring- blech im Bereich des ersten axialen Endes 7 der Rotorwelle 2 positioniert. Bei der dargestellten Ausführungsvariante ist beispielhaft das erste axiale Ende 7 der Rotor- welle 2 mit einer Getriebeverzahnung 11 versehen, über die ein Antriebsmoment der nicht weiter dargestellten elektrischen Maschine auf eine Getriebestufe übertragen wird. Die Getriebeverzahnung 11 ist zwischen einer elektromaschinenseitigen Lager- stelle 12 und einer getriebeseitigen Lagerstelle 13 an der Rotorwelle 2 angeordnet. Die Öleinspritzhülse 9 ist in einem getriebegehäuseseitigen Lagerschild 14 der ge- triebeseitigen Lagerstelle 13 eingepresst. Das Gehäuseteil bzw. das Lagerschild 14, in dem die Öleinspritzhülse 9 eingepresst ist, weist einen umlaufenden halbkreisför- migen Ringkanal 15 auf, der um den Außenumfang der Öleinspritzhülse 9 verläuft. Dieser Ringkanal 15 wird radial über eine Bohrung 16 durch die gehäuseseitige Öl- versorgung 8 mit Öl versorgt. Dem Ringkanal 15 sind mehrere axial verlaufende Nuten 17 am Außenumfang der Öleinspritzhülse 9 zugeordnet, sodass die Nuten 17 an der Öleinspritzhülse mit Öl aus dem Ringkanal 15 versorgt werden. Hierzu sind geschlossene erste Enden 18 der Nuten 17 dem Ringkanal 15 zugeordnet, während offene zweite Enden 19 der Nuten 17 der Stirnseite der Öleinspritzhülse 9 und damit dem ersten axialen Ende 7 der Rotorwelle 2 zugeordnet sind. Somit fungieren die offenen Enden 19 der Nuten 17 als Einspritzdüsen, sodass das Öl in das Innere der Rotorwelle 2 bzw. in den Ra- dialspalt 6 eingespritzt wird und die Rotorwelle 2 im Betrieb von innen mit Öl versorgt und somit gekühlt wird. Da das Öl sobald es sich in der Rotorwelle 2 befindet drucklos ist, wird ein Staukan- tenbereich 10 quasi als Staukante im Bereich des ersten axialen Endes 7 der Rotor- welle 2 eingebracht, um ein sofortiges Ausströmen des Öl ist an diesem Ende zu verhindern. Der Staukantenbereich 10 wird durch einen den Innendurchmesser 4 der Rotorwelle 2 verringernden Absatz oder dergleichen an der Rotorwelle 2 realisiert. Durch die Drehbewegungen der Rotorwelle 2 legt sich das Öl an den Innendurch- messer 4 der Rotorwelle 2 an und wird in axialer Richtung zu dem zweiten axialen Ende der Rotorwelle 2 transportiert. Dabei passiert das Öl den sich im Betrieb er- wärmenden Bereich der Rotorwelle 2 und kann die vorgesehene Kühlleistung erbrin- gen.

Bezugszeichen 1 Gehäuse 2 Rotorwelle 3 Abtriebswelle 4 Innendurchmesser der Rotorwelle 5 Außendurchmesser der Abtriebswelle 6 Radialspalt zwischen der Rotorwelle und der Abtriebswelle 7 erstes axiales Ende der Rotorwelle 8 gehäuseseitige Ölversorgung 9 Öleinspritzhülse 10 Staukantenbereich 11 Getriebeverzahnung 12 elektromaschinenseitige Lagerstelle 13 getriebeseitige Lagerstelle 14 getriebegehäuseseitiges Lagerschild 15 Ringkanal 16 gehäuseseitige Bohrung 17 Nut 18 geschlossenes erstes Ende der Nut 19 offenes zweites Ende der Nut