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1. WO2020120603 - ROTOREINRICHTUNG FÜR EINE ELEKTRISCHE MASCHINE, SOWIE ELEKTRISCHE MASCHINE

Anmerkung: Text basiert auf automatischer optischer Zeichenerkennung (OCR). Verwenden Sie bitte aus rechtlichen Gründen die PDF-Version.

[ DE ]

Rotoreinrichtung für eine elektrische Maschine, sowie elektrische Maschine

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Rotoreinrichtung für eine elektrische Maschine, insbesondere für einen Elektromotor, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 , sowie eine elektrische Maschine, insbesondere einen Elektromotor, gemäß Anspruch 15.

Eine elektrische Maschine weist gewöhnlich einen Rotor (Läufer) und einen Stator (Ständer) auf, wobei der Rotor gegenüber dem Stator um eine gemeinsame Längsachse drehbar gelagert ist. Der Rotor kann als hohlzylindrischer Körper (Hohlwelle) ausgebildet sein.

Um Rotoren von elektrischen Maschinen, insbesondere deren Wicklungen, Rotorwellen bzw. Rotorblechpaket, vor thermischer Überlastung zu schützen, werden diese oftmals über eine Rotorinnenkühlung, bei der ein Kühlfluild durch eine Hohlwelle strömt, gekühlt.

Für eine gleichmäßige Kühlung der Welle hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, die Welle nicht in einer Richtung von Kühlfluid durchströmen zu lassen, sondern Kühlfluid mittensymmetrisch aufzubringen und gleichmäßig nach beiden Seiten abzuführen.

Für die mittensymetrische Kühlfluideinbringung sind im Stand der Technik mit der Hohlwelle mitdrehende und gegenüber der Hohlwelle nicht mitdrehende, das heißt stehende Fluid-Lanzen bekannt. Fluidlanzen sind in Hohlwellen positionierte Hohlkörper, die von einem axialen Ende der Hohlwelle ausgehend in die Hohlwelle hineinragen und dazu eingerichtet sind, ein Fluid von einem axialen Ende der Fluidlanze bis zu einer Auslassöffnung am gegenüberliegenden Ende der Fluildlanze zu transportieren, an welchem das Fluid in gerichteter oder ungerichteter Weise die Fluidlanze verlässt und auf eine Innenbewandung der Hohlwelle trifft. Eine mitdrehende Fluidlanze zeigt z.B. die W02017214232A1 oder DE102013020324A1. Eine stehende Fluidlanze zeigt z.B. die DE102016004931A1.

Eine derartige Rotoreinrichtung, umfassend einen Rotor und eine Fluidlanze, ist verbesserungswürdig, insbesondere wenn der Rotor in einem Elektromotor eines Fahrzeuges verbaut ist. Hier haben dynamische Belastungen, wie beispielsweise Kurvenfahren des Fahrzeuges, Einfluss auf den Austritt des Kühlfluids aus der Fluidlanze. Wird dieser Kühlfluidstrom unvorteilhaft abgelenkt, kann dies eine Verringerung der Kühlwirkung zu Folge haben.

Hier setzt die vorliegende Erfindung an und macht es sich zur Aufgabe, eine verbesserte Rotoreinrichtung zur Verfügung zu stellen, insbesondere eine Rotoreinrichtung bereitzustellen, deren Kühlung unabhängig oder zumindest unabhängiger von deren Lage im Raum bzw.

dynamischen Einflüssen ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Rotoreinrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dadurch, dass eine Innenwandung der Hohlwelle mit einem Aufprallhügel ausgestattet ist, kann ein auf den Aufprallhügel gerichteter Kühlfluidstrom einer Kühllanze in vorbestimmter Weise geteilt und insofern auf vorbestimmte Wege innerhalb der Hohlwelle geleitet werden. Als Aufprallhügel ist dabei eine nach innen gerichtete geometrische Erhebung gegenüber der Innenwand der Hohlwelle insbesondere auf axialer Höhe einer Auslassöffnung einer Kühlfluidlanze zu verstehen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorgeschlagenen Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Merkmalen der Unteransprüche. Die Gegenstände bzw. Merkmale der verschiedenen Ansprüche können grundsätzlich beliebig miteinander kombiniert werden.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Fluidlanze mit einer radialen Fluidaustrittsöffnung, vorzugsweise einer konusförmigen Bohrung, ausgestattet ist, wobei die Fluidaustrittsöffnung auf den Aufprallhügel gerichtet ist. Dadurch kann der Kühlfluidstrom gezielt ausgestaltet und gerichtet werden. Die radiale Fluidaustrittsöffnung sorgt dafür, dass der austretende Kühlfluidstrahl stets auf den Aufprallhügel gerichtet ist, wobei die konusförmige Bohrung dafür sorgen kann, dass der Kühlfluidstrahl etwas aufgefächert wird. Hierdurch kann weiter unterstützend sichergestellt werden, dass der Kühlfluidstrahl auf den Aufprallhügel trifft, auch wenn beispielsweise der Kühlfluidstrahl durch Bewegungen der Rotorwelleneinrichtung im Raum abgelenkt werden sollte. Hierdurch kann eine nahezu mittensymmetrische Aufteilung des Kühlfluidstroms zu beiden Seiten der Hohlwelle erreicht werden, wobei der Unterschied im Kühlfluidstromvolumen beiderseits weniger als 10 % beträgt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass es sich bei der Fluidlanze um eine stehende Fluidlanze handelt. Nachteilig an mitdrehenden Lanzen ist, dass das Kühlfluid durch die Fluidlanze selbst bereits vor Aufprall auf die Innenumfangsfläche eine rotative Bewegungskomponente erfährt, so dass die Relativgeschwindigkeit zwischen Fluid und Fluid-Auftreffpunkt niedrig ist. Der Aufprallpunkt des Fluids auf der Innenumfangsfläche ist statisch; er bewegt sich nicht. Stehende Fluidlanzen sind hingegen vorteilhaft, da die Geschwindigkeitsdifferenz zwischen Öl und Ölaufprallpunkt höher ist. Der Aufprallpunkt ist dynamisch und überstreicht den gesamten Innenumfang der Rotorwelle. Dadurch kann die Kühlleistung verbessert werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Aufprallhügel die Innenwandung in einen ersten Innenwandungsabschnitt und einen zweiten

Innenwandungsabschnitt teilt. Über die sich ergebenden Innenwandungsabschnitte fließt das Kühlfluid, welches durch den Aufprallhügel entsprechend aufgeteilt wurde.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass eine erste Fluidabflussöffnung in dem ersten Innenwandungsabschnitt und eine zweite Fluidabflussöffnung in dem zweiten Innenwandungsabschnitt angeordnet ist. Das Kühlfluid fließt über die Fluidabflussöffnungen ab. Die Fluidabflussöffnungen sind vorzugsweise möglichst weit von dem Aufprallhügel entfernt, so dass das Kühlfluid eine entsprechend lange Strecke zurücklegen kann und ein möglichst umfangreicher Wärmeaustausch stattfinden kann. Die Fluidauslassöffnungen können dazu eingerichtet sein, das Kühlfluid in Richtung einer Rotorstirnseite oder einen Wickelkopf eines Stators zu lenken und/oder zu sprühen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Rotorwelle als zusammengebaute und/oder rotationsverschweißte Rotorwelle aus mindestens zwei Teilen, insbesondere einer ersten Rotorhalbwelle und einer zweiten Rotorhalbwelle, ausgestaltet ist. Dies kann beispielsweise die Einbringung oder auch Ausformung des Aufprallhügels in die Mitte der Rotorwelle erleichtern, beispielsweise wenn der Aufprallhügel vor der Verbindung der Rotorhalbwellen eingebracht wird.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Innenwandung der Rotorwelle mit Wellenschultern ausgestattet ist, insbesondere mit einer ersten Wellenschulter zwischen dem Aufprallhügel und der ersten Fluidabflussöffnung, vorzugsweise unmittelbar vor der ersten Fluidabflussöffnung, und einer zweite Wellenschulter zwischen dem Aufprallhügel und der zweiten Fluidabflussöffnung, vorzugsweise unmittelbar vor der zweiten Fluidabflussöffnung. Im Ergebnis bildet die Hohlwelle je eine Badewanne zwischen dem Aufprallhügel und der jeweiligen Fluidabflussöffnung aus. Die Wellenschultern wirken als Rückhaltedamm für das Kühlfluid. Durch die Wellenschultern kann das Kühlfluid gewissermaßen gestaut werden. Durch die Höhe der Wellenschultern über der Innenwandung kann die Dicke des Fluidfilms eingestellt werden. Weiterhin ist es damit möglich, die Durchlaufzeit des Kühlfluids zu verzögern, so dass ein zu schnelles Abfließen des Kühfluids verhindert und die Wärmeaufnahmefähigkeit des Kühlfluids besser ausgenutzt werden kann.

Es ist denkbar und möglich, eine Rotorhohlwelle mit Wellenschultern vor den Auslassöffnungen unabhängig von der Verwendung eines Aufprallhügels zur Fluidleitung einzusetzen. Der Aufprallhügel könnte weggelassen werden, ohne auf die durch die „Badewannenform“ bedingten Vorteile, siehe oben, verzichten zu müssen. Die Badwanne erstreckt sich dann zwischen einer ersten und einer zweiten Wellenschulter.

Vorteilhaft schließt sich in Strömungsrichtung des Kühlfluids gesehen hinter der ersten Auslassöffnung, bevorzugt hinter der ersten und der zweiten Auslassöffnung, eine weitere Wellenschulter an. Dadurch kann das Eintreten von Kühlfluid in ungewollte Bereiche der Hohlwelle vermieden und etwa ein Überhitzen von stehendem Fluid verhindert werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der erste Innenwandungsabschnitt und/oder der zweite Innenwandungsabschnitt strukturiert ist, insbesondere mit axial verlaufende geraden oder spiralförmigen Rippen, einer Mikrostrukturierung durch Sandstrahlen und/oder kleinen Kratern. Die Strukturierungen haben grundsätzlich eine oberflächenvergrößernde Wirkung, so dass ein verbesserter Wärmeaustausch ermöglicht wird. Die durch die Rippen definierten Kanäle sind, insbesondere technisch vorteilhaft, spiralförmig oder, herstellungstechnisch vorteilhaft, geradlinig ausgeführt. Spiralförmige Kanäle haben den Vorteil, dass der Kühlfluidfilm durch die Rotation nach axial außen in Richtung der Fluidauslassöffnungen beschleunigt und dadurch eine definierte Fluidförderung entsteht, so dass ein Stehen von Öl wirksam vermieden wird. Bei geradlinigen Kanälen oder glatter Innenwandung erfolgt die Verdrängung vornehmlich durch das zentrifugalbedingte Bestreben, einen möglichst dünnwandigen und gleichmäßigen Fluidfilm auszubilden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Strukturierung, insbesondere die Rippen, in einem axialen Abstand vom Aufprallhügel anfängt, an welchem der Fluidfilm >= 90% der Wellen- Umfangsgeschwindigkeit erreicht hat, sowie insbesondere dass die Rippen gleichmäßig hoch oder in Richtung des jeweiligen Rotorwellenendes ansteigend ausgestaltet sind. Die Rippenstrukturen setzen bevorzugt in einem axialen Abstand vom Aufprallhügel an, an welchem der Fluidfilm weitestgehend (z.B. >= 90% der) Wellen-Umfangsgeschwindigkeit erreicht hat, damit eine ausreichende Angleichung der Relativ-Tangentialgeschwindigkeit zwischen Fluid und Wandoberfläche (Innenwand der Hohlwelle) stattgefunden hat. Die Rippen können gleichmäßig hoch sein oder nach axial außen, also in Richtung des jeweiligen Rotorwellenendes, ansteigend ausgestaltet sein, d.h. die Nuttiefe vergrößert sich. Gleichmäßig ansteigende Rippen können axial näher am Aufprallhügel beginnen, an dem noch eine größere Differenz zwischen Wellen-Umfangsgeschwindigkeit und Fluidfilm-Umfangsgeschwindigkeit vorliegt. Der Fluidfilm schwappt dann - wegen dem längeren Weg -thermisch vorteilhaft von einer Nut in die Nächste bis die Relativgeschwindigkeit sich weitestgehend angepasst hat. Die durch die Rippen definierten Kanäle sind, insbesondere technisch vorteilhaft, spiralförmig oder, herstellungstechnisch vorteilhaft, geradlinig ausgeführt. Spiralförmige Kanäle haben den Vorteil, dass der Kühlfluidfilm durch die Rotation beschleunigt und dadurch eine definierte Fluidförderung entsteht, so dass ein Stehen von Kühlfluid wirksam vermieden wird. Bei geradlinigen Kanälen oder glatter Innenwandung erfolgt die Verdrängung vornehmlich durch das Bestreben, einen möglichst dünnwandigen und gleichmäßigen Fluidfilm auszubilden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass ein fluidischer Bypass (Ausgleichskanal) zwischen dem ersten Innenwandungsabschnitt und dem zweiten Innenwandungsabschnitt, insbesondere der sich ergebenden wannenförmigen Struktur aus Wellenschulter, Innenwandung und Aufprallhügel einerseits sowie Aufprallhügel Innenwandung und Wellenschulter andererseits, vorgesehen ist. Hierdurch kann eine anfängliche Ungleichverteilung von Kühlfluid ausgeglichen werden, da das Kühlfluid durch die rotationsbedingten Umfangskräfte bestrebt ist, einen gleichmäßig dicken Fluidfilm auszubilden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der fluidische Bypass durch Nuten in der Rotorwelle oder einem als separates Teil ausgeführten ringförmigen Aufprallhügel, insbesondere mit axialen Außennuten versehenen Teil, gebildet wird. Ein derartig ausgestalteter fluidischer Bypass ist produktionstechnisch leicht herstellbar.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Aufprallhügel mit radial verlaufenden Kanälen versehen ist, wobei die Kanäle insbesondere in dem fluidischen Bypass enden. Hierdurch kann ein „Stehen“ des Fluids unterhalb des Aufprallhügels in dem fluidischen Bypass vermieden werden. Ein Teil des auf den Aufprallhügel gesprühten Kühlfluids kann unmittelbar in die radial verlaufenden Kanäle eintreten und dadurch über den fluidischen Bypass in die jeweiligen Innenwandungsabschnitte gelangen.

Die radial verlaufenden Kanäle können insbesondere auch in Form eines durchgehenden Radialspaltes ausgebildet sein. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Aufprallhügel einstückig mit der Rotorwelle oder als separates Teil, insbesondere als Ring aus einem gut wärmeleitenden Material, vorzugsweise aus Aluminium oder Kupfer, ausgestaltet ist. Eine einstückige Ausgestaltung mit der Rotorwelle bietet sich insbesondere im Zusammenhang mit einer zweiteiligen Rotorwelle an, da ein mittiger Aufprallhügel hier produktionstechnisch gut ausgeformt werden kann. Eine separate Ausgestaltung eröffnet insbesondere eine Auswahl von Materialien für den Aufprallhügel, die von dem Material der Rotorwelle - in der Regel Stahl - abweichen können, insbesondere hinsichtlich ihrer Wärmeleitfähigkeit.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Aufprallhügel in axialer Richtung eine ansteigende Flanke, einen Gipfel und eine absteigende Flanke aufweist. Alternativ weist der Aufprallhügel eine ansteigende Flanke, einen ersten Gipfel, eine Mulde, einen zweiten Gipfel und eine absteigende Flanke auf. Insbesondere die zweite Variante vermag den Fluidstrahl noch besser „einzufangen“, falls sich Abweichungen durch dynamische Einwirkungen ergeben. Auch wird durch diese Form des Aufprallhügels das auftreffende Kühlfluid auch bei nicht-mittigem Auftreffen annähernd gleichmäßig zu beiden Seiten verteilt.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine verbesserte elektrische Maschine bereitzustellen, insbesondere eine elektrische Maschine vorzuschlagen, deren Rotorinnenkühlung unanfälliger gegenüber der Lage der elektrischen Maschine im Raum ist. In der Regel ist die elektrische Maschine in einem Kraftfahrzeug verbaut. Es soll eine möglichst gleichmäßige Kühlfluidverteilung in allen Fahrsituationen, insbesondere bei Schieflage, Zentrifugalkräfte bei Kurvenfahrt, etc. gewährleistet werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine elektrische Maschine mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst. Dadurch, dass die elektrische Maschine eine Rotoreinrichtung gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist, können die oben skizzierten Vorteile der Rotoreinrichtung für den Elektromotor nutzbar gemacht werden.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen

Fig. 1 eine erfindungsgemäße elektrische Maschine mit einer erfindungsgemäßen

Rotoreinrichtung in einer geschnittenen schematischen Darstellung;

Fig. la ein vergrößerter Ausschnitt aus Fig. 1 ;

Fig. 2a)-c) Querschnittdarstellungen durch die Rotorwelle gemäß den Schnitten A bis C aus

Fig. la;

Fig. 3 eine Rotorwelle mit Fluidlanze einer erfindungsgemäßen Rotoreinrichtung mit angedeutetem Strömungsverlauf des Kühlfluids;

Fig. 4 eine Variante einer Rotorwelle mit Fluidlanze einer erfindungsgemäßen

Rotoreinrichtung mit angedeutetem Strömungsverlauf des Kühlfluids;

Fig. 5 eine Variante einer Rotorwelle mit Fluidlanze einer erfindungsgemäßen

Rotoreinrichtung mit angedeutetem Strömungsverlauf des Kühlfluids;

Fig. 6a)-d) Querschnittdarstellungen durch die Rotorwelle gemäß den Schnitten A bis D aus Fig. 5;

Fig. 7 eine Variante einer Rotorwelle mit Fluidlanze einer erfindungsgemäßen

Rotoreinrichtung mit angedeutetem Strömungsverlauf des Kühlfluids;

Fig. 8a)-d) Querschnittdarstellungen durch die Rotorwelle gemäß den Schnitten A bis D aus

Fig. 7;

Fig. 9 eine Variante einer Rotorwelle mit Fluidlanze einer erfindungsgemäßen

Rotoreinrichtung mit angedeutetem Strömungsverlauf des Kühlfluids;

Fig. 9a eine Querschnittdarstellung durch die Rotorwelle gemäß dem Schnitt A aus Fig. 9;

Fig. 10 dieRotorwelle mit Fluidlanze einer erfindungsgemäßen Rotoreinrichtung mit

angedeutetem Strömungsverlauf des Kühlfluids aus Fig. 9 in Schieflage;

Fig. 11 eine Variante einer Rotorwelle mit Fluidlanze einer erfindungsgemäßen

Rotoreinrichtung mit angedeutetem Strömungsverlauf des Kühlfluids;

Fig. 11a ein vergrößerter Ausschnitt aus Fig. 11 ;

Fig. 12a) bis e)eine Rotorwelle mit Fluidlanze einer erfindungsgemäßen Rotoreinrichtung in einer

Querschnittdarstellung in verschiedenen Varianten von eingesetzten Aufprallhügeln mit Durchlassöffnungen.

Fig. 13 ein ringförmiger Aufprallhügel als Einzelteil in einer perspektivischen Ansicht;

Fig. 14 ein ringförmiger Aufprallhügel als Einzelteil in einer perspektivischen Ansicht.

Fig. 15 einen ringförmigen Aufprallhügel als aus zwei spiegelsymmetrisch eingesetzten

Einzelteilen in einer perspektivischen und einer geschnittenen Ansicht.

Folgende Bezugszeichen werden in den Abbildungen verwendet

R Rotor

S Stator

1 Rotorwelle

2 Rotorpaket

3 Fluidlanze

4 Aufprallhügel

11 Längsachse

12 (a/b) Innenwandung

13 (a/b) Fluidabflussöffnung

14 Wellenschulter

31 Längsachse

32 Fluidaustrittsöffnung

41 ansteigende Flanke

42 (a/b) Gipfel

43 absteigende Flanke

44 Bypass

45 radialer Kanal

46 Mulde

121 Rippe

Zunächst wird auf Fig. 1 Bezug genommen.

Eine erfindungsgemäße Rotoreinrichtung umfasst im Wesentlichen einen Rotor R mit einer Rotorwelle 1 und einem Rotorpaket 2. Das Rotorpaket 2 besteht in der Regel aus einer Anzahl von Rotorblechen, die verdrehtest mit der Rotorwelle 1 verbunden sind. Bei der Rotorwelle 1 handelt es sich um eine mindestens abschnittsweise hohle Welle, vorzugsweise um eine Hohlwelle. Zudem umfasst die erfindungsgemäße Rotoreinrichtung eine Fluidlanze 3 zur Rotorinnenkühlung.

Eine erfindungsgemäße elektrische Maschine, insbesondere ein Elektromotor, umfasst im Wesentlichen einen Stator S, sowie die erfindungsgemäßen Rotoreinrichtung. Bei der elektrischen Maschine kann es sich grundsätzlich auch um einen elektrischen Generator handeln.

Bei der Rotorwelle 1 handelt es sich um eine zumindest abschnittsweise hohle Welle, vorzugsweise um eine Hohlwelle. Die Rotorwelle weist eine Drehachse bzw. Längsachse 11 auf. Die Rotorwelle 1 weist ferner eine Innenwandung 12 auf.

Bei der Fluidlanze 3 handelt es sich im Wesentlichen um ein längliches Rohr, welches seitlich in die Rotorwelle 1 eingeführt ist. Im Idealfalle verläuft die Längsachse 31 der Fluidlanze 3 in der Längsachse 11 der Hohlwelle 1. Die Fluidlanze 3 ist einseitig endseitig verschlossen, jedoch im Bereich dieses Endes mit einer radialen Fluidaustrittsöffnung 32, vorzugsweise einer konusförmigen Bohrung, ausgestattet. Die Fluidaustrittsöffnung 32 ist vorzugsweise mit Drosselwirkung ausgestaltet und/oder weist ein zusätzliches Drosselelement auf. Dadurch lässt sich die Austrittsgeschwindigkeit des Kühlfluids steigern.

Bei der hier eingesetzten Fluidlanze 3 handelt es sich bevorzugt um eine stehende Fluidlanze. Dadurch ist die Geschwindigkeitsdifferenz zwischen Aufprallhügel 4 und Fluid höher als bei Verwendung einer mitrotierenden Fluidlanze. Denkbar ist aber auch der Einsatz einer mitdrehenden Fluidlanze.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Innenwandung 12 der Rotorwelle 1 mit einem Aufprallhügel 4 ausgestattet ist. Der Aufprallhügel 4 ist grundsätzlich als Erhebung gegenüber der Innenwandung 12 ausgestaltet. Der Aufprallhügel 4 erstreckt sich in der Regel über den Umfang der Innenwandung. Insofern ist der Aufprallhügel 4 vorzugsweise als ringförmige Erhebungausgestaltet. Hinsichtlich seiner axialen Lage ist der Aufprallhügel 4 in etwa in der Mitte, vorzugsweise in der Mitte, der Rotorwelle 1 angeordnet. Der Aufprallhügel teilt die Innenwandung 12 gewissermaßen in einen ersten Innenwandungsabschnitt 12a und einen zweiten Innenwandungsabschnitt 12b.

Vorzugsweise ist der Aufprallhügel 4 als separates Teil, insbesondere als Einpressteil, ausgestaltet. Der Aufprallhügel 4 kann somit unabhängig von anderen Toleranzketten (z.B. bei als aus zwei Halbwellen zusammengebaute/ rotationsverschweißten Rotorwelle; Positionierungstoleranz der Fluidlanze; etc.) platziert werden. Der Aufprallhügel 4 kann auch unabhängig gefertigt werden. Der Aufprallhügel 4 ist vorzugsweise aus gut wärmeleitendem Material wie Kupfer oder Aluminium gefertigt. Er wird vorzugsweise durch thermisches Fügen in die Hohlwelle eingesetzt. Einen Aufprallhügel als separates Einlege- bzw. Einpressteil zeigen exemplarisch Fig. 13, Fig. 14 und Fig. 15. In Figuren 13 und 14 ist der Aufprallhügel als einteiliger Ring gefertigt, wobei der Ring zur Veranschaulichung angeschnitten ist, um den Querschnitt darzustellen. In Fig. 15 ist der Aufprallhügel dabei als aus zwei gleichen, aber gespiegelt ersetzbaren und axial voneinander beabstandeten Ringteilen ausgeführt, wobei die Beabstandung einen durchgehenden Radialspalt ausbildet.

Denkbar ist aber auch eine einteilige Ausgestaltung des Aufprallhügels aus der Rotorwelle bzw. zweier Rotorhalbwellen durch ein umformendes Verfahren eines Hohlwellenrohlings wie

beispielsweise Hämmern oder Schmieden.

Vorzugsweise sind Fluidabflussöffnungen 13 in der Rotorwelle 1 , insbesondere endseitig, aber zumindest axial beabstandet von dem Aufprallhügel 4, vorgesehen. Insofern ist eine erste Fluidabflussöffnung 13a im Bereich des ersten axialen Endes und eine zweite Fluidabflussöffnung 13b im Bereich des anderen axialen Endes der Rotorwelle 1 vorgesehen bzw. ist eine erste Fluidabflussöffnung 13a ist in dem ersten Innenwandungsabschnitt 12a und eine zweite Fluidabflussöffnung 13b in dem zweiten Innenwandungsabschnitt 12b angeordnet. Es handelt sich bei den Fluidabflussöffnungen 13 vorzugsweise um radiale Bohrungen in der Rotorwelle 1.

Die grundsätzliche Funktionsweise der erfindungsgemäßen Rotoreinrichtung stellt sich wie folgt dar.

In einer ersten Variante, gemäß beispielsweise Fig. 1 oder Fig. 13, weist der Aufprallhügel 4 in axialer Richtung eine ansteigende Flanke 41, einen Gipfel 42 und eine absteigende Flanke 43 auf.

Kühlfluid strömt in die Fluidlanze 3 ein und wird aus der Fluidaustrittsöffnung 32 in Richtung des Aufprallhügels 4 gelenkt. Um eine Sprühnebelbildung zu verhindern, wird das Kühlfluid vorzugsweise als kompakter Fluidstrahl aus der Fluidlanze ausgeleitet. Die Fluidaustrittsöffnung 32 der Fluidlanze 3 ist idealerweise derart positioniert, dass hier austretendes Kühlfluid auf den Gipfel 42 des Aufprallhügels 4 trifft. Der Aufprallhügel verhindert bzw. verringert eine stehende Grenzschicht: Der Fluidstrahl trifft den Aufprallhügel vorzugsweise unmittelbar; er wird nicht von einer darüber befindlichen Grenzschicht abgelenkt.

Der Kühlstrahl trifft vorzugsweise senkrecht auf die Oberfläche des Aufprallhügels.

Durch den stetigen Fluidaustausch in der hochturbulenten Wandströmung im Aufprallbereich des Fluidstroms der 32 auf der Wandoberfläche wird der Wärmeübergang zwischen Kühlfluid und Hohlwelle bzw. Aufprallhügel erhöht.

Der Fluidstrahl wird gewissermaßen durch den Aufprallhügel 4 geteilt und ein Teil des Fluids strömt über den erste Innenwandungsabschnitt 12a in Richtung der ersten Fluidabflussöffnung 13a ab, während der andere Teil des Fluids über den zweiten Innenwandungsabschnitt 12b in Richtung der zweiten Fluidabflussöffnung 13b abfließt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Rotoreinrichtung sind beispielsweise wie folgt ausgestaltet.

Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Rotorwelle der Rotoreinrichtung als zusammengebaute und/oder rotationsverschweißte Rotorwelle ausgestaltet ist. Wesentlich ist hier, dass die Rotorwelle aus zwei Teilen, insbesondere einer ersten Rotorhalbwelle la und einer zweiten Rotorhalbwelle lb, zusammengesetzt ist. Dies kann beispielsweise die Einbringung oder auch Ausformung des Aufprallhügels 4 in die Mitte der Rotorwelle erleichtern, beispielsweise wenn der Aufprallhügel 4 vor der Verbindung der Rotorhalbwellen la, lb eingebracht wird.

Ein Beispiel für eine derartige Ausführungsform ist in der Fig. 3 dargestellt.

Es kann ferner beispielsweise vorgehen sein, dass die Rotoreinrichtung, insbesondere die Rotorwelle R, mit Wellenschultern 14 ausgestattet ist. Eine Wellenschulter ist ein Absatz zwischen einem größeren Rotorwelleninnendurchmesser und einem kleineren Rotorwelleninnendurchmesser. Der Übergang ist nicht abrupt, sondern über einen Übergangsbereich ausgestaltet, in welchem der Durchmesser abnimmt. Vorzugsweise ist eine erste Wellenschulter 14a zwischen dem Aufprallhügel 4 und der ersten Fluidabflussöffnung 13a, insbesondere unmittelbar vor der ersten Fluidabflussöffnung 13a, und eine zweite Wellenschulter 14b zwischen dem Aufprallhügel 4 und der zweiten Fluidabflussöffnung 13b, insbesondere unmittelbar vor der zweiten Fluidabflussöffnung 13b, angeordnet. Im Ergebnis bildet die Hohlwelle je eine Badewanne zwischen dem Aufprallhügel 4 und der jeweiligen Fluidabflussöffnung aus. Die Wellenschultern 14 wirken als Rückhaltedamm. Durch die Höhe der Wellenschultern 14 über der Innenwandung 12 kann die Dicke des Fluidfilms eingestellt werden. Weiterhin ist es damit möglich, die Durchlaufzeit des Kühlfluids zu verzögern, so dass ein zu schnelles Abfließen des Kühfluids verhindert und die Wärmeaufnahmefähigkeit des Kühlfluids besser ausgenutzt werden kann. Die Fluidabflussöffnungen 13, insbesondere deren Durchmesser oder mögliche Varianzen in verschiedenen Fluidabflussöffnungen, werden als Einflussfaktor für die Abflussgeschwindigkeit des Kühlfluids aus der Hohlwelle eliminiert. Die Abflussgeschwindigkeit des Kühlfluids wird nicht durch die Gestalt der Fluidabflussöffnungen verändert. Weiterhin sind Wellenschultern 14 vorteilhaft bei asymmetrisch wirkenden Kraftkomponenten, insbesondere bei Kurvenfahrt oder bei Schieflage der Rotorachse, da das Fluid nicht ungehindert einseitig abfließen kann, sondern an einer Wellenschulter 14a bzw. 14b ansteht und sich ein schräg anstehender Fluidfilm ausbildet, der sich über beide Halbseiten 12a, 12b der Rotorinnenwandung erstreckt. Dieser Effekt ist v.a. bei niedrigen Umdrehungsgeschwindigkeiten, insbesondere <500/min, von Bedeutung, bei denen die Zentripetalkräfte noch nicht dominierend sind und keine gleichmäßige Fluidfilmdicke erzwingen können. Ein Beispiel für eine derartige Ausführungsform ist in der Fig. 4 dargestellt.

Es kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Innenwandung 12a bzw. 12b nicht glatt,

sondern strukturiert ausgeführt ist. Als Struktur kommen beispielsweise axial verlaufende Rippen 121 in Frage. Die Rippen können im Querschnitt rechteckförmig ausgebildet sein. Die dadurch gebildeten Nuten zwischen zwei Rippen können rechteckförmig ausgebildet sein. Bei abgewickelter Hohlwelle stellt das Innenprofil der Hohlwelle dadurch eine kontinuierliche Rechteckfunktion dar. Die Rippen können im Querschnitt aber auch wellenförmig ausgebildet sein. Die Nuten können entsprechend wellenförmig ausgebildet sein. Bei abgewickelter Hohlwelle stellt die Kontur des Innenprofils der Hohlwelle dann eine näherungsweise sinusförmigen Verlauf dar.

Als Veranschaulichung von rechteckförmigen bzw. wellenförmigen Rippen bzw. Nuten können die Figuren 12a bzw. 12e herangezogen werden.

Die Rippen 121 haben eine oberflächenvergrößernde Wirkung. Die durch die Rippen 121 definierten Kanäle sind, insbesondere technisch vorteilhaft, spiralförmig oder, herstellungstechnisch vorteilhaft, geradlinig ausgeführt. Spiralförmige Kanäle haben den Vorteil, dass der Kühlfluidfilm durch die Rotation beschleunigt und dadurch eine definierte Fluidförderung entsteht, so dass ein Stehen von Öl wirksam vermieden wird. Bei geradlinigen Kanälen oder glatter Innenwandung erfolgt die Verdrängung vornehmlich durch das Bestreben, einen möglichst dünnwandigen und gleichmäßigen Fluidfilm auszubilden. Die Rippen 121 können gleichmäßig hoch sein oder nach axial außen, also in Richtung des jeweiligen Rotorwellenendes, ansteigend, d.h. die Nuttiefe vergrößert sich. Gleichmäßige Rippenstrukturen setzen bevorzugt in einem axialen Abstand vom Aufprallhügel an, an welchem der Fluidfilm weitestgehend (z.B. >= 90% der) Wellen- Umfangsgeschwindigkeit erreicht hat, insbesondere nach ausreichender Angleichung der Relativ-Tangentialgeschwindigkeit zwischen Fluid und Wandoberfläche. Ansteigende Rippen können axial näher am Aufprallhügel beginnen, an dem noch eine größere Differenz zwischen Wellen-Umfangsgeschwindigkeit und Fluidfilm-Umfangsgeschwindigkeit vorliegt. Der Fluidfilm schwappt dann - wegen dem längeren Weg -thermisch vorteilhaft von einer Nut in die Nächste bis die Relativgeschwindigkeit sich weitestgehend angepasst hat.

Die Innenwandung der Welle kann auch eine Mikrostrukturierung aufweisen, z.B. durch Sandstrahlen oder das Einbringen von kleinen Kratern (dimples). Das Einbringen der Mikrostrukturierung kann beispielsweise auch in Form eines Prägeverfahrens erfolgen, insbesondere bei der Fertigung der Hohlwelle mittels eines Innendornes.

Beispiele für derartige Ausführungsformen sind in den Fig. 5 bis 8 dargestellt, insbesondere konstant hohe Rippen, ohne Anstieg, beginnend mit Abstand von dem Aufprallhügel in der Fig. 5 bzw. Fig. 6. Ansteigende Rippen mit Verdrehung sind beispielsweise in der Fig. 7 bzw. 8 dargestellt. Auch hier beginnen die Rippen mit axialem Abstand von dem Aufprallhügel 4.

Es kann ferner beispielsweise vorgesehen sein, dass ein fluidischer Bypass 44 zwischen dem ersten Innenwandungsabschnitt 12a und dem zweiten Innenwandungsabschnitt 12b bzw. der sich ergebenden wannenförmigen Struktur aus Wellenschulter 14a, Innenwandung 12a und Aufprallhügel 4 einerseits sowie Aufprallhügel 4 Innenwandung 12b und Wellenschulter 14b andererseits, vorgesehen ist. Mit fluidischer Bypass 44 ist eine fluidische Verbindung gemeint, die nicht durch den Innenraum des ringförmig ausgestalteten Aufprallhügels 4 gebildet wird. Vielmehr ist hiermit eine fluidische Verbindung gemeint, die durch separate Durchlassöffnungen gebildet wird, die beispielsweise durch Nuten in der Rotorwelle oder dem als Einpressteil ausgeführten ringförmigen Aufprallhügel gebildet werden. Hierdurch kann eine anfängliche Ungleichverteilung von Kühlfluid ausgeglichen werden, da das Kühlfluid durch die rotationsbedingten Umfangskräfte bestrebt ist, einen gleichmäßig dicken Fluidfilm auszubilden. Eine Ungleichverteilung kann z.B. Folge eines nicht-mittigen Aufprallhügels 4 oder einer fliehkraftbedingten Ablenkung des Austrittsstrahls bei Kurvenfahrt sein.

Ein Beispiel für eine derartige Ausführungsform ist in den Fig. 9 und 10 dargestellt, in der Fig. 10 mit angedeuteter Schräglage.

Es kann ferner beispielsweise vorgesehen sein, dass der Aufprallhügel 4 mit radial verlaufenden Kanälen 45 versehen ist. Diese Ausführungsform kommt in der Regel nur dann zum Einsatz, wenn der oben genannte fluidische Bypass 44 vorgesehen ist. Die radial verlaufenden Kanäle 45 münden dann in die axial verlaufenden Bypasskanäle 44. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel ist in Fig. 14 in Form eines separaten Aufprallhügels 4 dargestellt.

Die radial verlaufenden Kanäle 45 können aber auch als ein durchgehender Radialspalt ausgebildet sein. In diesem Falle kann der Aufprallhügel als separates Einlegeteil in Form von zwei gleichen, aber spiegelverkehrt in die Hohlwelle einzusetzenden Ringteilen ausgebildet sein. Die Ringe können symmetrisch oder unsymmetrisch gestaltet sein, ersteres vereinfacht jedoch die Montage missverständnisfrei, da zweiteres richtungsabhängig / gespiegelt montiert werden muss. Der axiale Abstand der Ringteile bestimmt dabei die Breite des Ringspalts. Das Spaltmaß zwischen den gespiegelt nebeneinander positionierten Ringen ist abhängig von der Ausgestaltung des Ölstrahls aus der Lanze und entsprechend mit Distanzring/-scheibe einzustellen. Ein Ausführungsbeispiel mit zwei jeweils achsenasymmetrischen Ringen ist in Fig. 15 angegeben. Es könnten jedoch auch zwei gleiche voneinander beabstandete Ringe, wie einer in Fig. 13 dargestellt ist, verwendet werden, wobei ein fluidischer Bypass (Ausgleichskanal) als Außenumfangs-Nut in den Ringen selbst analog Fig. 14 oder als Innenumfangs-Nut der Rotorhohlwelle analog Fig. 12 a, ergänzt werden könnte,

Hierdurch kann ein „Stehen“ des Fluids unterhalb des Aufprallhügels 4 in dem fluidischen Bypass vermieden werden. Ein Teil des auf den Aufprallhügel 4 gesprühten Kühlfluids kann unmittelbar in die Durchgangsöffnungen eintreten und dadurch unmittelbar in die Abschnitte 12a bzw. 12b der Innenwandung gelangen. Der Durchmesser der radialen Kanäle 45 ist dabei kleiner als der aus der Fluidlanze 3 bzw. deren Fluidaustrittsöffnung 31 austretende bzw. auf dem Aufprallhügel 4 auftreffende Fluidstrahl, so dass der Großteil des Kühlfluids über den Aufprallhügel 4 zu beiden Seiten hin abgelenkt wird. Die radialen Kanäle 45 sind derart tief ausgebildet, dass eine Sprühnebelbildung unterbunden wird. Der in den axialen Bypasskanälen 44 auftreffende Fluidstrahl wird durch die Seitenwände der Bypasskanäle 44 unmittelbar auf die volle Umfangsgeschwindigkeit gezwungen, wodurch dieser zerfetzt wird. Da der Sprühnebel keinen Raum zur Ausbreitung hat, sondern sich sofort an den Bewandungen der Bypasskanäle 44 absetzt bzw. vom nachkommenden Fluidstrom mitgerissen wird, wird eine Sprühnebelbildung wirksam unterbunden.

Weiterhin vorteilhaft kann der Aufprallhügel 4 mit einer Mulde 46 auf dem Aufprallhügel ausgestaltet sein. Letztendlich weist der Aufprallhügel damit in einen Querschnitt auf, der sich durch folgend Abfolge entlang der Längsachse auszeichnet: eine ansteigende Flanke 41, einen ersten Gipfel 42a, eine Mulde 46, einen zweiten Gipfel 42b und eine absteigende Flanke 43. Durch diese Form des Aufprallhügels wird das auftreffende Kühlfluid auch bei nicht-mittigem Auftreffen annähernd gleichmäßig zu beiden Seiten verteilt. Dadurch können insbesondere auch der Einfluss fertigungsbedingter Positionierungsfehler zwischen Fluidlanze und Aufprallhügel gemindert werden. Erfindungsgemäße Ausführungsformen sind beispielsweise in den Figuren 11 oder 14 dargestellt.

Hinsichtlich des Herstellungsverfahrens der erfindungsgemäßen Rotoreinrichtung bzw. der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine haben sich folgende, nicht abschließend aufgezählte, Herstellungsverfahren bzw. Verfahrensschritte als besonders vorteilhaft erwiesen.

Der Aufprallhügel kann integral mit der Welle ausgestaltet sein, z.B. gehämmert. Der Aufprallhügel kann als separates Einpressteil ausgeführt sein.

Das Innenprofil der Welle bzw. Teile des Innenprofils kann gehämmert sein. Zum Innenprofil können die Makrostrukturierung in Form der Innenwandung, des Aufprallhügels, der Rippen bzw. Nuten und Wellenschultern gezählt werden. Auch die Mikrostrukturierung (Oberflächengestaltung bzw. Vergrößerung durch beispielsweise Krater) kann durch Prägen oder Hämmern erfolgen.

Die Rotorwelle kann zusammengebaut sein, insbesondere aus zwei miteinander (rotations)verschweißten Halbwellen. Die Halbwellen können insbesondere ungleich ausgeführt sein, so dass der Aufprallhügel vollständig in einer Halbwelle ausgebildet wird.

Zusammenfassend ergeben sich insbesondere folgende Vorteile bzw. Funktionen der erfindungsgemäßen Rotoreinrichtung bzw. elektrischen Maschine. Der Aufprallhügel 4 teilt den Fluidstrom symmetrisch links- und rechtsseitig. Die mittensymmetrische Kühlaufteilung ist weitgehend unempfindlich gegenüber Lagetoleranzen. Die Fluidlanze leicht exzentrisch, also axial verschoben gegenüber der Mitte des Aufprallhügels, zu montieren, ist weitestgehend folgenlos.

Die Kühlung funktioniert auch bei Schräglage des Fahrzeugs einwandfrei, in welcher die erfindungsgemäße Rotoreinrichtung bzw. elektrische Maschine angebracht ist, insbesondere bei Drehung des Fahrzeugs um die Längsachse oder Kurvenfahrt. Die Kühlung arbeitet auch bei geringem Fluiddruck gut, da keine hohen Austrittsgeschwindigkeiten an der Fluidlanze notwendig sind, um eine am Aufprallpunkt vorhandenen Fluidfilm bzw. Grenzschicht des Kühlfluids zu durchdringen. Durch den Aufprallhügel kann sich insbesondere kein stehender Fluidfilm ausbilden, so dass eine Grenzschicht des Kühlfluids nicht vorhanden bzw. stark verringert ist. Dadurch kann der Druck des Kühlsystems gesenkt werden im Vergleich zum Standard.

Typisches Anwendungsgebiet der Erfindung ist die Implementierung in Fahrzeuge mit mindestens einer elektrischen Maschine als Antrieb.

Es gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit einem Verfahren beschrieben sind selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung und umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann. Außerdem kann ein ggf. beschriebenes erfindungsgemäßes Verfahren mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt werden.