Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine und ein Fahrzeug mit der elektrischen Maschine.

Im Betrieb einer elektrischen Maschine, wie beispielsweise ein Generator oder ein Elektromotor, erfolgt eine Wärmefreisetzung in der elektrischen Maschine, wobei die Wärmefreisetzung zu einer Temperaturerhöhung der elektrischen Maschine führt. Dadurch führt die maximal zulässige Temperatur für die elektrische Maschine zu einer Begrenzung der von der elektrischen Maschine dauerhaft lieferbaren Leistung. Daher ist es erforderlich die elektrische Maschine in ihrem Betrieb zu kühlen. Dabei gestaltet sich besonders die Kühlung des Rotors der elektrischen Maschine als schwierig.

Herkömmlich wird der Rotor gekühlt, indem der Rotor mit einer hohl ausgeführten Welle ausgestattet wird, innerhalb derer im Betrieb der elektrischen Maschine eine Flüssigkeit geströmt wird. Nachteilig hierbei ist jedoch, dass ein langer Wärmeleitpfad von der radialen Außenseite des Rotors bis zu der Flüssigkeit vorliegt. Zudem ist die im Inneren der Welle angeordnete Oberfläche, die mit der Flüssigkeit in Kontakt tritt und via die die Wärme von dem Rotor auf die Flüssigkeit übertragen wird, klein. Zudem stellt in dem Fall, dass auf der Welle ein Blechpaket angeordnet ist, die Grenzfläche zwischen der Welle und dem Blechpaket einen thermischen Widerstand für die Wärmeleitung dar. Dadurch ist insgesamt die Kühlung des Rotors mit der hohl ausgeführten Welle nachteilig wenig effektiv.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine elektrische Maschine und ein Fahrzeug mit der elektrischen Maschine zu schaffen, wobei die elektrische Maschine, insbesondere deren Rotor, effektiv kühlbar ist. Die erfindungsgemäße elektrische Maschine weist einen Rotor auf, der eine Hohlwelle, die in ihrem Inneren einen sich in Axialrichtung erstreckenden Hohlwellenaxialkanal begrenzt, in den im Betrieb der elektrischen Maschine ein Kühlfluid einströmbar ist, ein radial außen an der Hohlwelle angebrachtes Rotorblechpaket, das zwei axiale Stirnseiten aufweist, und einen von dem Rotorblechpaket begrenzten, sich in der Axialrichtung von der einen der beiden Stirnseiten des Rotorblechpakets zu der anderen der beiden Stirnseiten des Rotorblechpakets erstreckenden Axialkanal aufweist, der fluidleitend mit dem Hohlwellenaxialkanal verbunden ist, so dass im Betrieb der elektrischen Maschine das Kühlfluid von dem Hohlwellenaxialkanal via den Axialkanal an die Stirnseiten strömbar ist und durch Fliehkraft stromab des Axialkanals nach radial außen strömbar ist. Dadurch gerät das Kühlfluid direkt mit dem Blechpaket in Kontakt und kann dieses somit effektiv kühlen. Zudem fällt die Grenzfläche zwischen der Hohlwelle und dem Rotorblechpaket als Barriere für die Wärmeleitung zu dem Kühlfluid weg. Außerdem ist es möglich den Axialkanal derart anzuordnen, dass der Wärmeleitpfad zu dem Kühlfluid innerhalb des Rotors kurz ist, wodurch die Kühlung ebenfalls effektiv ist. Weil das Kühlfluid via das Blechpaket zurückgeführt wird, ist eine Rückführung innerhalb der Welle nicht erforderlich, so dass die Welle in Radialrichtung kurz ausgeführt werden kann.

Die elektrische Maschine weist bevorzugt einen Stator auf, der radial außerhalb des Rotors angeordnet ist, ein Statorblechpaket, das zwei axiale Stirnseiten aufweist, und eine Wicklung elektrischer Leiter aufweist, wobei die axialen Stirnseiten des Statorblechpakets fluchtend mit den axialen Stirnseiten des Rotorblechpakets angeordnet sind und die elektrischen Leiter an den axialen Stirnseiten des Statorblechpakets aus dem Statorblechpaket austreten und radial außerhalb des Statorblechpakets Wickelköpfe bilden, so dass das stromab des Axialkanals nach radial außen strömbare Kühlfluid auf die Wickelköpfe des Stators treffen kann und diese somit kühlen kann. Damit wird das Kühlfluid verwendet, um sowohl den Rotor als auch die Wickelköpfe des Stators zu kühlen.

Es ist bevorzugt, dass der Axialkanal zwischen der Hohlwelle und dem Rotorblechpaket angeordnet ist und von der Hohlwelle und dem Rotorblechpaket begrenzt ist. Damit kann das im Betrieb in dem Axialkanal strömende Kühlfluid sowohl die Hohlwelle als auch das Blechpaket kühlen. Dabei ist bevorzugt, dass die Hohlwelle und/oder das Rotorblechpaket eine Aussparung aufweisen, die den Axialkanal bilden. Alternativ ist bevorzugt, dass der Axialkanal in Radialrichtung innen und außen von dem Rotorblechpaket begrenzt ist. Damit kann das Rotorblechpaket besonders effektiv gekühlt werden. Besonders bevorzugt ist, dass der Axialkanal in der Mitte zwischen der radialen Innenseite und der radialen Außenseite des Rotorblechpakets angeordnet ist. Damit können die Wärmeleitpfade zu dem Axialkanal innerhalb des Rotorblechpakets minimiert werden.

Bevorzugt ist eine Mehrzahl der Axialkanäle vorgesehen, die in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Dadurch kann der Rotor in Umfangsrichtung gleichmäßig gekühlt werden, wodurch besonders heiße Punkte in dem Rotor vermieden werden können.

Es ist bevorzugt, dass der Rotor einen Radialkanal aufweist, via den der Axialkanal fluidleitend mit dem Hohlwellenaxialkanal verbunden ist. Falls die elektrische Maschine eine Mehrzahl der Axialkanäle aufweist, kann für jeden der Axialkanäle ein jeweiliger Radialkanal vorgesehen sein, der den jeweiligen Axialkanal fluidleitend mit dem Hohlwellenaxialkanal verbindet.

Das Rotorblechpaket weißt üblicherweise einen zylindrischen Innendurchmesser auf der etwas kleiner ist als der entsprechende Außendurchmesser der Rotorwelle. Beim Aufschrumpfen des Blechpakes auf die Rotorwelle wird durch eine thermische Weitung durch Erhitzen des Rotorsblechs und/oder Kühlen der Welle ein verdrehsicherer mechanischer Presssitz hergestellt. Dazu sind allerdings sehr genaue Fertigungstoleranzen und ein langwieriger und teurer Ofenprozess erforderlich.

Alternativ können die einzelnen Bleche des Rotorblechpakets eine Vielzahl um den Innendurchmesser verteilte Aussparungen aufweisen. Dadurch entsteht ein Zackenmuster welches das ansonsten übliche Kreisloch unterbricht. Die Zacken sind dabei vorteilhaft derart angeordnet, dass beim Stapeln der Bleche zum Blechpaket immer eine Aussparung und eine Zacke übereinander zu liegen kommen. Das hat den Vorteil, dass die Zacken der Bleche beim Montieren auf der Welle Federn können und sich das Blechpaket und die Rotorwelle dadurch bei kleineren Temperaturdifferenzen fügen lassen, was den Prozess vereinfacht und beschleunigt. Zudem lassen sich bei der Herstellung der Zacken/Aussparungen gleichzeitig auch einfach die fluidführenden Axialkanäle mit integrieren.

Es ist bevorzugt, dass die elektrische Maschine ein Maschinengehäuse aufweist, das den Rotor und den Stator einhaust. Dadurch sind der Rotor und der Stator vor Umgebungseinflüssen schützbar und zudem kann das aus den Stirnseiten des Rotorblechpakets austretende Kühlfluid aufgefangen werden. Dabei ist es bevorzugt, dass das Maschinengehäuse ein an dem unteren Ende des Maschinengehäuses angeordnetes Durchgangsloch aufweist, via das das Kühlfluid aus dem Maschinengehäuse austreten kann. Somit ist das aus den Stirnseiten des Rotorblechpakets austretende Kühlfluid einsammelbar und anschließend wieder in die Hohlwelle einströmbar.

Das Maschinengehäuse weist bevorzugt einen Gehäusekühlkanal auf, durch das zum Kühlen des Maschinengehäuses ein weiteres Kühlfluid strömbar ist, insbesondere ist die elektrische Maschine eingerichtet eine Wasser und Glykol aufweisende Mischung durch den Gehäusekühlkanal zu strömen.

Damit kann das aus den Stirnseiten des Rotorblechpakets ausgetretene Kühlfluid gekühlt werden und kann sich somit bereits wieder eignen, um zum Erneuten Kühlen der elektrischen Maschine in die Hohlwelle eingeströmt zu werden.

Es ist bevorzugt, dass das Kühlfluid elektrisch nicht leitfähig ist. Damit können die Wickelköpfe selbst dann mit dem Kühlfluid gekühlt werden, wenn die elektrischen Leiter der Wickelköpfe nicht elektrisch isoliert sind. Das Kühlfluid ist bevorzugt ein Öl, insbesondere ein Getriebeöl.

Die elektrische Maschine ist bevorzugt ein Elektromotor, insbesondere für ein Fahrzeug.

Das erfindungsgemäße Fahrzeug weist die erfindungsgemäße elektrische Maschine auf, wobei das Fahrzeug eine Fördereinrichtung aufweist, die eingerichtet ist das Kühlfluid in die Hohlwelle einzuströmen, wobei die Fördereinrichtung insbesondere eingerichtet ist, ein Getriebeöl des Fahrzeugs zu fördern. Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten schematischen Zeichnung näher erläutert. Die Figur zeigt einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße elektrische Maschine.

Wie es aus der Figur ersichtlich ist, weist eine elektrische Maschine 1 , beispielsweise ein Elektromotor für ein Fahrzeug, einen im Betrieb der elektrischen Maschine 1 rotierbaren Rotor 4 und einen feststehenden Stator 5 auf. Der Rotor 4 weist eine Hohlwelle 2 und einen im Inneren der Hohlwelle 2 angeordneten und sich in Axialrichtung erstreckenden Hohlwellenaxialkanal 9 auf, der von der Hohlwelle 2 begrenzt ist und in den im Betrieb der elektrischen Maschine 1 ein Kühlfluid einströmbar ist. Das Kühlfluid kann elektrisch nicht leitfähig sein. Beispielsweise kann das Kühlfluid ein Öl und insbesondere für den Fall, dass die elektrische Maschine in einem Fahrzeug eingebaut ist, ein Getriebeöl, sein. Weiterhin weist der Rotor 4 ein Rotorblechpaket 3 auf, das radial außen an der Hohlwelle 2 angebracht ist. Der Rotor 4 weist Permanentmagnete und/oder elektrischer Leiter zum Erzeugen eines Magnetfelds auf, die in das Rotorblechpaket 3 eingebracht sind. Das Rotorblechpaket 3 weist eine erste axiale Stirnseite 34 und eine zweite axiale Stirnseite 35 auf, die in Axialrichtung äußeren Enden des Rotorblechpakets 3 sind. Es ist denkbar, dass das Rotorblechpakets 3 an seinen äußeren Enden Endscheiben aufweist. In diesem Fall sind die axialen Stirnseiten die außen liegenden Enden der Endscheiben. Zudem ist denkbar, dass an den axialen Stirnseiten 34, 35 Rotorwickelköpfe oder Kurzschlussringe angeordnet sind. Weiterhin weist der Rotor 4 einen von dem Rotorblechpaket 3 begrenzten, sich in der Axialrichtung von der einen der beiden Stirnseiten 34 des Rotorblechpakets 3 zu der anderen der beiden Stirnseiten 35 des Rotorblechpakets 3 erstreckenden Axialkanal 1 1 auf, der fluidleitend mit dem Hohlwellenaxialkanal 9 verbunden ist, so dass im Betrieb der elektrischen Maschine 1 das Kühlfluid von dem Hohlwellenaxialkanal 9 via den Axialkanal 1 1 an die beiden Stirnseiten 34, 35 strömbar ist und durch Fliehkraft stromab des Axialkanals 1 1 nach radial außen strömbar ist.

Zum Einströmen des Kühlfluids in den Hohlwellenaxialkanal 9 weist die elektrische Maschine 1 ein feststehendes Rohr 14 auf, das koaxial mit der Hohlwelle 2 angeordnet ist und mit einem Längsende des Rohrs 14 in einem Längsende der Hohlwelle 2 angeordnet ist, so dass das Kühlfluid via das Rohr 14 in den Hohlwellenaxialkanal 9 einströmbar ist. Zum Abdichten des Ringspalts zwischen dem Rohr 14 und der Hohlwelle 2 ist zwischen der radialen Außenseite des Rohrs 14 und der radialen Innenseite der Hohlwelle 2 eine Spaltdichtung 15 angeordnet. Der Innendurchmesser des Rohrs 14 kann gleich dem Durchmesser des Hohlwellenaxialkanals 9 sein, damit das Kühlfluid möglichst ablösefrei und damit mit einem möglichst geringen Strömungswiderstand von dem Rohr 14 in den Hohlwellenaxialkanal 9 eintreten kann.

Wie es aus der Figur ersichtlich ist, weist der Rotor 4 zwei der Axialkanäle 1 1 auf, die in Umfangsrichtung gegenüberliegend angeordnet sind. Dabei ist auch eine beliebige andere Anzahl der Axialkanäle 1 1 denkbar, wobei die Axialkanäle insbesondere in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Der Hohlwellenaxialkanal 9 erstreckt sich im Wesentlichen von dem einen Längsende der Hohlwelle 2 bis zur axialen Mitte des Rotorblechpakets 3. Von der axialen Mitte des Rotorblechpakets 3 erstreckt sich für jeden der Axialkanäle 1 1 ein Radialkanal 10, via den der jeweilige Axialkanal 1 1 fluidleitend mit dem Hohlwellenaxialkanal 9 verbunden ist. Es ist denkbar, dass das Rotorblechpaket 3 eine Mehrzahl an Vorsprüngen, insbesondere Zacken, aufweist, die von der radialen Innenseite des Rotorblechpakets 3 abstehen, und die Hohlwelle 2 eine Mehrzahl an Aussparungen aufweist, die in die radiale Außenseite der Hohlwelle 2 eingebracht sind, wobei die Vorsprünge in die Aussparungen eingreifen und mindestens einer der Radialkanäle 10 sich innerhalb einem der Vorsprünge erstreckt. Die Vorsprünge können bei aufeinanderfolgenden Blechen des Rotorblechpakets 3 versetzt angeordnet sein. Damit lässt sich der Montageprozess des Rotors 4 vereinfachen.

Der Axialkanal 1 1 gemäß der Figur ist zwischen der Hohlwelle 2 und dem Rotorblechpaket 3 angeordnet und ist von der Hohlwelle 2 radial innen begrenzt und von dem Rotorblechpaket 3 radial außen begrenzt. Dazu weist gemäß Figur 3 das Rotorblechpaket 3 an seiner radialen Innenseite 3 eine Aussparung auf, die den Axialkanal 1 1 bildet. Zusätzlich oder alternativ ist denkbar, dass die Hohlwelle 2 an seiner radialen Außenseite eine Aussparung aufweist, die den Axialkanal 1 1 bildet.

Alternativ kann der Axialkanal 1 1 auch derart angeordnet sein, dass er in Radialrichtung innen und außen von dem Rotorblechpaket 3 begrenzt ist, was bedeutet dass er vollumfänglich von dem Rotorblechpaket 3 begrenzt ist. Insbesondere kann der Axialkanal 1 1 im Wesentlichen in der Mitte von der radialen Innenseite des Rotorblechpakets 3 und der radialen Außenseite des Rotorblechpakets 3 angeordnet sein.

Die Figur zeigt, dass die elektrische Maschine 1 einen Stator 5 aufweist, der radial außerhalb des Rotors 4 angeordnet ist. Der Stator 5 weist ein Statorblechpaket 6 auf. Das Statorblechpaket 6 weist eine erste axiale Stirnseite 36 und eine zweite axiale Stirnseite 37 auf, die die in Axialrichtung äußeren Enden des Statorblechpakets 6 sind. Dabei ist die erste axiale Stirnseite 36 des Statorblechpakets 6 in der gleichen Axialposition wie und fluchtend mit der ersten axialen Stirnseite 34 des Rotorblechpakets 3 angeordnet und die zweite axiale Stirnseite 37 des Statorblechpakets 6 ist in der gleichen Axialposition wie und fluchtend mit der zweiten axialen Stirnseite 35 des Rotorblechpakets 3 angeordnet. Weiterhin weist der Stator 5 eine Wicklung elektrischer Leiter auf, die an den axialen Stirnseiten 36, 37 des Statorblechpakets 6 aus dem Statorblechpaket 6 austreten und axial außerhalb des Statorblechpakets 6 Wickelköpfe 7 bilden. Damit trifft im Betrieb der elektrischen Maschine 1 das stromab dem Axialkanal 1 1 nach radial außen strömbare Kühlfluid auf die Wickelköpfe 7 und kühlt diese somit.

Wie es aus der Figur ersichtlich ist, weist die elektrische Maschine 1 ein Maschinengehäuse 8 auf, das den Rotor 4 und den Stator 5 einhaust und zudem eingerichtet ist, das Kühlfluid stromab seines Austritts aus den axialen Stirnseiten 34, 35 des Rotorblechpakets 3 aufzufangen. Zum Weiterleiten des von dem Maschinengehäuse 8 aufgefangenen Kühlfluids weist das Maschinengehäuse 8 ein an dem unteren Ende des Maschinengehäuses 8 angeordnetes Durchgangsloch 12 auf, via das das Kühlfluid aus dem Maschinengehäuse 8 austreten kann. Zudem trägt das Maschinengehäuse 8 ein erstes Lager 18 und ein zweites Lager 19, die in zwei verschiedenen Axialpositionen die Hohlwelle 2 drehbar lagern.

Weiterhin zeigt die Figur, dass das Maschinengehäuse 8 einen Gehäusekühlkanal 17 aufweist, durch das zum Kühlen des Maschinengehäuses 8 ein weiteres Kühlfluid strömbar ist. Beispielsweise kann die elektrische Maschine 1 eingerichtet sein, in ihrem Betrieb eine Wasser und Glykol aufweisende Mischung als das Kühlfluid durch den Gehäusekühlkanal 17 zu strömen. Der Kreislauf der Kühlfluidströmung 13 des Kühlfluids erfolgt im Betrieb der elektrischen Maschine 1 wie folgt: Nach dem Eintritt in das Rohr 14 strömt das Kühlfluid in den Hohlwellenaxialkanal 9 und anschließend via den Radialkanal 10 in den Axialkanal 1 1 . In dem Axialkanal 1 1 teilt sich die Kühlfluidströmung 13, um zu der ersten axialen Stirnseite 34 und zu der zweiten axialen Stirnseite 35 des Rotorblechpakets 3 zu strömen. Dort tritt das Kühlfluid aus dem Axialkanal 1 1 aus, wird durch die im Betrieb der elektrischen Maschine 1 vorhandenen Fliehkräfte nach radial außen transportiert und trifft dort auf die Wickelköpfe 7. Anschließend sammelt sich durch die Schwerkraft das Kühlfluid am Boden des Maschinengehäuses 8. An dem Boden des Maschinengehäuses 8 ist eine Mehrzahl an Löchern vorgesehen, die via einen Ablaufkanal 16 mit dem Durchgangsloch 12 verbunden sind. Um das Kühlfluid via das Durchgangsloch aus dem Maschinengehäuse 8 abzuführen und in das Rohr 14 zu strömen, kann stromab des Durchgangslochs 12 und stromauf des Rohrs 14 eine Fördereinrichtung angeordnet sein. Insbesondere in dem Fall, dass die elektrische Maschine in einem Fahrzeug eingebaut ist, kann die Fördereinrichtung eingerichtet sein, das Getriebeöl zu fördern. Um das Kühlfluid vor seinem Eintritt in das Rohr 14 zu kühlen, ist stromab dem Durchgangsloch 12 und stromauf des Rohrs 14 ein Wärmetauscher 38 vorgesehen. Der Wärmetauscher 38 kann, wie in der Figur dargestellt, mit dem weiteren Kühlfluid gekühlt werden. Dabei ist der Kühlfluidstrom 20 des weiteren Kühlfluids derart, dass das Kühlfluid zuerst durch den Wärmetauscher 38 und anschließend durch das Maschinengehäuse 8 strömt.

Bezugszeichenliste

1 Elektrische Maschine

2 Hohlwelle

3 Rotorblechpaket

4 Rotor

5 Stator

6 Statorblechpaket

7 Wickelkopf

8 Maschinengehäuse

9 Hohlwellenaxialkanal

10 Radialkanal

1 1 Axialkanal

12 Durchgangsloch

13 Kühlfluidströmung

14 Rohr

15 Spaltdichtung

16 Absaugkanal

17 Gehäusekühlkanal

18 erstes Lager

19 zweites Lager

20 Kühlfluidstrom des weiteren Kühlfluids 27 Zahnrad

34 erste Stirnseite des Rotorblechpakets

35 zweite Stirnseite des Rotorblechpakets

36 erste Stirnseite des Statorblechpakets

37 zweite Stirnseite des Statorblechpakets

38 Wärmetauscher