(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シャフト空洞（Ｈ）を取り囲む円筒形ジャケット（３）と、前記円筒形ジャケット（３）の両側に配置された端部フランジ（４，５）とを備える、電気機械の長手方向軸線（Ｌ）を中心として回転するロータ（１）用の組み立てられた中空ロータシャフト（２）であって、
シャフトジャーナル（４．１，５．１）が、各前記端部フランジ（４，５）上に配置され、入口（７）が、一方の前記端部フランジ（４）の前記シャフトジャーナル（４．１）内に設けられ、前記入口（７）を介して冷却媒体（Ｋ）が、前記シャフト空洞（Ｈ）内に、かつ前記円筒形ジャケット（３）の内面（３．１）に向けて誘導され得る、組み立てられた中空ロータシャフト（２）であって、
冷却媒体分配要素（１０）が前記シャフト空洞（Ｈ）内に配置され、前記冷却媒体分配要素（１０）が前記長手方向軸線（Ｌ）に対して垂直に対称的に形成され、かつ前記入口（７）を介して、受取り領域（１１）を介して入る前記冷却媒体（Ｋ）を受け取り、除去領域（１２）を介して前記冷却媒体を前記円筒形ジャケット（３）の前記内面（３．１）の方向へ案内し、排出領域（１３）を介して前記冷却媒体を前記内面（３．１）に向けて排出し、
前記冷却媒体分配要素（１０）が、前記入口（７）を有する前記端部フランジ（４）に対向して配置される前記端部フランジ（５）上に前記冷却媒体分配要素（１０）を取り付ける働きをする取付け領域（１４）を備え、
前記取付け領域（１４）は、閉鎖されるように設計されていることを特徴とする、組み立てられた中空ロータシャフト（２）。
【請求項２】
前記冷却媒体分配要素（１０）が、シャフト空洞（Ｈ）を対称的に分割することを特徴とする、請求項１に記載の中空ロータシャフト（２）。
【請求項３】
前記冷却媒体分配要素（１０）が、少なくとも部分的に回転楕円体の設計を有することを特徴とする、請求項１または２に記載の中空ロータシャフト（２）。
【請求項４】
前記冷却媒体分配要素（１０）が、少なくとも一方の前記端部フランジ（４）から他方の前記端部フランジ（５）まで前記シャフト空洞（Ｈ）内に延在する、請求項１から３のいずれか一項に記載の中空ロータシャフト（２）。
【請求項５】
前記排出領域（１３）が、前記除去領域（１２）の軸方向範囲の中心に形成されることを特徴とする、請求項１から４のいずれか一項に記載の中空ロータシャフト（２）。
【請求項６】
前記排出領域（１３）が、前記冷却媒体分配要素（１０）の範囲に亘って互いから等しい距離に形成される複数の半径方向出口開口部（１５）を備えることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載の中空ロータシャフト（２）。
【請求項７】
前記冷却媒体分配要素（１０）が、前記冷却媒体分配要素（１０）の全範囲に亘って前記冷却媒体（Ｋ）を分配するために、少なくとも１つの構造（１６）をその内壁上に備えることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載の中空ロータシャフト（２）。
【請求項８】
前記構造（１６）が、凸状の設計であることを特徴とする、請求項７に記載の中空ロータシャフト（２）。
【請求項９】
前記入口（７）が、前記シャフトジャーナルの円周上に均一に分配され、前記冷却媒体分配要素（１０）の前記受取り領域（１１）内に開口する複数の入口チャンネル（１９，３０）によって形成されることを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載の中空ロータシャフト（２）。
【請求項１０】
前記円筒形ジャケット（３）が、前記中空ロータシャフト（２）が回転するにつれて前記冷却媒体（Ｋ）が半径方向に流れることを可能にし、かつ前記ロータ（１）を取り囲むステータを濡らすことを可能にする少なくとも１つの通路開口部（１７）を備えることを特徴とする、請求項１から９のいずれか一項に記載の中空ロータシャフト（２）。
【請求項１１】
前記円筒形ジャケット（３）の円周に亘って均一に分配されるように、複数の通路開口部（１７）が形成されていることを特徴とする、請求項１０に記載の中空ロータシャフト（２）。
【請求項１２】
前記円筒形ジャケット（３）内の縁部領域内に形成される通路開口部（１７）が、前記円筒形ジャケット（３）の他の縁部領域に形成される前記通路開口部（１７）に対して円周に亘って互いにずらして配置されていることを特徴とする、請求項１０または１１に記載の中空ロータシャフト（２）。
【請求項１３】
積層アセンブリを備える、請求項１から１２のいずれか一項に記載の中空ロータシャフト（２）を備えるロータ（１）。
【請求項１４】
請求項１３に記載のロータ（１）を備える非同期モータ。
【請求項１５】
請求項１３に記載のロータ（１）を備える永久励磁型同期機械。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シャフト空洞を取り囲む円筒形ジャケットと、円筒形ジャケットの両側に配置された端部フランジとを含む、電気機械の長手方向軸線を中心として回転するロータ用の組み立てられた中空ロータシャフトであって、シャフトジャーナルが、各端部フランジ上に配置され、入口が、一方の端部フランジ内に、特にそのシャフトジャーナル内に設けられ、冷却媒体が、その入口を介してシャフト空洞内に、かつ円筒形ジャケットの内面に向けて誘導され得る、中空ロータシャフトに関する。
【背景技術】
【０００２】
基本的に、電気機械上に配置され、例えば積層アセンブリを形成するように結合された積層を有する電気機械用の組み立てられたロータが知られている。前記ロータは、例えば、非同期機械または永久励磁型同期機械の中に使用される。知られているように、電気機械は、ロータ内の電磁作用のために、また他の重量最適化された支持構成要素に発生する熱伝達のために、動作中に大きく加熱される。不都合なことに、電気機械の加熱は、その効率の低下につながる。電気機械の出力を増加させ、特にその効率を最適化するために、冷却システムは既知の方法で一体化される。特に液体冷却用の冷却システムの様々な概念が、基本的に知られている。前記液体冷却は、ここでは、例えば特別な冷却剤導入構造を使用する特定のロータ設計に関連している。他の概念は、ロータの設計に影響を及ぼすだけでなく、電気機械全体およびそのインターフェース構成要素の設計に影響を及ぼす多数の追加の構成要素をさらに必要とする。
【０００３】
さらに、冷却媒体を伝熱面に伝導させ、分配するための様々な解決策もまた基本的に知られていると考えられ、前記解決策は、不都合なことに、チャンネルまたは穴内への冷却剤の完全な誘導を含む可能性があり、前記誘導は、軸方向および半径方向の全範囲に亘って強制案内として構成されている。前記強制案内は、流れ抵抗のために大きい圧力損失を引き起こし、したがって、特に遠心力に逆らう流れ方向が含まれる場合には、冷却剤ポンプが必要となる。さらに、前記概念の使用は、多数の穴、特に軸方向のドリル穴が原因で特に複雑である。
【０００４】
例えば、スイス特許第３３７２６７号明細書は、中空シャフトを有する電気機械を開示しており、その中で、冷却液体をロータジャケットに十分に相互作用させ、かつ良好に熱伝達することを達成するために、ロータの空洞全体が液体で満たされる必要がある。しかしながら、この方式で十分な量の熱を除去することができないことが判明した。米国特許第３８０９９３３号明細書は、冷却された電気機械をやはり記載する。この場合、冷却媒体はパイプを介して中空ロータシャフトの内部に誘導され、漏斗を介して中空ロータシャフトの円筒形ジャケットの内面に向けて排出される。中空ロータシャフトと共に回転する漏斗は、一方の側で固定され、長手方向軸線の方向に、中空ロータシャフトの半分までだけ延在する。その結果、様々な、相互結合された大容量が、中空ロータシャフト空洞内に導入される冷却媒体にとって利用可能となる。冷却媒体が壁の近傍の領域に同伴されるような方式で、接線方向のガス流に重畳される軸方向に均一な流れがここで発生する。その結果、漏斗が配置または形成されているロータシャフトの半分の中に、冷却媒体の不均一な分配が引き起こされる。
【０００５】
必要な容量を減らすために、冷却剤のために設けられる小さな断面の導管を選択することが基本的に知られている。しかし、そのような小さな貫通穴は、冷却されるべき中空ロータシャフトの重量をほとんど減少させることはない。さらに、いずれの場合も小さい表面が原因で、冷却剤は、冷却すべき構成要素、特にとりわけ加熱する積層アセンブリまで、わずかにしか導入されない。冷却剤は、加熱された表面上の小さな表面のみを濡らし、全周囲に亘って広範囲に分配されないことが多い。
【０００６】
一方、中空ロータシャフト内の大きな導管断面および空洞については、熱を伝達するために大きな表面が実現され得るだけでなく、特に軽量構造もやはり実現される可能性がある。しかしながら、これは、運転中に中空シリンダが冷却剤によって事実上完全に充填されなければならない場合には不都合であり、必要な冷却剤が増加し、次いで移動質量の増加につながるが、それは軽量構造によって回避されるように特に意図されることである。
【０００７】
流体力学の観点から、このことは、中空ロータシャフト、したがって電動モータ全体の不均一な、結果として不十分な冷却につながる可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】スイス特許第３３７２６７号明細書
【特許文献２】米国特許第３８０９９３３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
したがって、本発明の目的は、簡単で、かつ費用効率良く製造されることができ、ロータの広範かつ効率的な冷却を可能にする、電気機械のロータ用の組み立てられた中空ロータシャフトを提供することである。加えて、対応するロータおよび対応する電気機械を提案することが目的である。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
これらの目的は、請求項１に記載の特徴を有する中空ロータシャフト、請求項１１に記載の特徴を有するロータ、および請求項１２に記載の特徴を有する電気機械によって達成される。本発明の追加の特徴および詳細は、従属クレーム、説明および図面から明らかになる。本発明による中空ロータシャフトに関連して記載されている特徴および詳細は、やはりもちろんのこと、本発明によるロータおよび本発明による電気機械にも当てはまり、各場合にその逆も同様であり、したがって開示に関して、常に本発明の個々の態様に対して、参照が相互になされ、かつ常になされることが可能である。
【００１１】
電気機械の長手方向軸線を中心として回転するロータ用の本発明による組み立てられた中空ロータシャフトは、シャフト空洞を取り囲む円筒形ジャケットと、円筒形ジャケットの両側に配置された端部フランジとを備え、シャフトジャーナルが各端部フランジ上に配置される。入口が、端部フランジの一方の中、特にそのシャフトジャーナルの中に設けられており、その入口を介して冷却媒体が、シャフト空洞内に、かつ円筒形ジャケットの内面に向けて誘導され得る。冷却媒体分配要素が、シャフト空洞内に配置され、前記冷却媒体分配要素が、回転軸線に対して対称的に垂直に形成されており、かつ冷却媒体分配要素は、入口を介して入る冷却媒体が、冷却媒体分配要素の受取り領域を介して受け取られることができ、冷却媒体分配要素の除去領域を介して円筒形ジャケットの内面の方向に案内されることができ、冷却媒体分配要素の排出領域を介して円筒形ジャケットの内面に向けて排出されることができる方式で設計されている。したがって、冷却媒体分配要素が、中空ロータシャフトの入口のすぐ後に、中空ロータシャフトのシャフト空洞内に配置され、前記冷却媒体分配要素が、入口を介して入る冷却媒体を受け取り、前記冷却媒体を送って分配し、同じ冷却媒体を所定の点でシャフト空洞内に放出し、そこで前記冷却媒体を円筒形ジャケットの内面に向けて排出することが有利である。
【００１２】
冷却媒体分配要素の除去領域は、有利には回転対称に、特に長手方向軸線に対して対称に形成され、ここで第１に不均衡を回避し、第２に冷却媒体を半径方向外側へ円筒形ジャケットの内面の方向に誘導または案内し、円筒形ジャケットの全内面に沿って冷却媒体を均一に分布させる働きをする。特に、冷却媒体分配要素の対称的な幾何学的形状は、有利には、静止壁または非移動壁に沿って移動する流体、または移動壁上の非移動性または静止流体の流体力学から知られている流れ挙動のために、例えば液体または気体流体の形態で存在する冷却媒体の均一で広範な分配を可能にする。これは、例えば固定円筒形ジャケットのような静止壁に突き当たると、運動を起こす流体が、壁面上に発生する静止摩擦力が原因で、速度を全く持たず、結果的に、前記壁上に流れ挙動を全く持たないことを意味する。したがって、運動する流体の動きは壁によって抑制される。流体の速度およびそれに応じた流れ挙動は、静止摩擦力が減少することが原因で、静止壁から移動する流体の距離が増加すると共に発生し、増加する。逆のケースが存在する場合、すなわち、冷却すべき壁が、例えば対応する回転軸線を中心とする回転運動中に移動しており、流体に速度がない場合、流体中に速度が生まれる、言い換えれば、静止摩擦力が発生することが原因で、壁の近傍の領域における流体が引きずられる。流体力学の観点から、電気機械の冷却すべきロータの中空ロータシャフトの場合には、したがってシステムは均衡させようと努め、結果として、中空ロータシャフトの移動壁と、シャフト空洞内に導入されたために運動を起こす流体という異なる速度勾配を均等にしようと働くであろう。冷却媒体は、有利には、特に冷却媒体分配要素のような、シャフト空洞内に配置された全ての構成要素上に取り込まれる。したがって、冷却媒体は、冷却媒体分配要素の表面上と同様に、円筒形ジャケットの内面に沿って運動するように設定される。したがって、シャフト空洞内の均一にされた壁分配は、特に、長手方向軸線に対して回転対称かつ対称的な方式で、冷却媒体分配要素の構成によって可能になり、冷却媒体は、ロータ中空シャフトの円筒形ジャケットの内面に沿って、少なくとも長手方向軸線の方向から見て均一に分配され、したがって、前記内面は均一に濡らされる。除去領域は、薄壁材料、特にプラスチック材料または金属シートから有利に製造される。
【００１３】
冷却媒体が中空ロータシャフトの円周方向に円筒形ジャケットの内面に沿ってやはり均一に分配されるように、有利に排出領域が使用される。冷却媒体分配要素の排出領域は、円筒形ジャケットの内面に向けて冷却媒体を排出する働きをする。ロータの運動エネルギー、したがって中空ロータシャフトの運動エネルギーは、ここでは冷却媒体を輸送するために有利に使用される。したがって、遠心力によって駆動される冷却媒体の輸送は、ロータ軸線から熱交換の位置に向かって進む。冷却媒体のシャフト空洞からの排出は、有利に円筒形ジャケット内または端部フランジの外側領域内に設けられる開口部を介して行われる。内面の完全なすすぎ、特に中空ロータシャフトの円筒形ジャケットの完全なすすぎが行われる以外に、冷却すべき表面を冷却媒体で濡らすことが有利である。
【００１４】
中空ロータシャフトは、大容積のシャフト空洞を備えるのが有利であり、本発明の範囲内では、大容積のシャフト空洞とは、シャフト空洞の直径対シャフトジャーナルの直径（特に軸受の直径）の比が、１．５より大きく、有利には２より大きい空洞であると考えられる。
【００１５】
より低い温度が原因で、ロータのより大きい出力が、特に所定の構成要素の限界温度で達成されることが可能であり、したがって、電気機械の改善された重量対出力比または出力容積をもたらす。本発明によれば、したがって冷却媒体の少量の使用、特に効率的な冷却によって、ロータの軽量構造を目指す構想が可能になる。ここでは、冷却媒体の容量にもかかわらず、回転されるべき質量が依然として小さいことが特に有利である。
【００１６】
冷却媒体分配要素の特別な利点は、冷却構想を実現するために、組み立てられたロータまたは組み立てられた中空ロータシャフトに必要とされるのは、軽微な構造上の修正だけであるという点である。追加的な冷却媒体分配要素は、簡単な結合の幾何学的形状を介してロータおよび供給導管に結合可能であり、したがって、最小の数の追加の構成要素を伴う簡単な冷却システム構成が提供される。本発明は、多部品で、組み立てられた軽量中空ロータシャフトの場合、特に有利に実現され得る。
【００１７】
少量の冷却媒体、対応する小さな体積流によって、シャフト空洞全体の限られた量を通過するので、熱交換に不可欠である、シャフト空洞の円筒形ジャケットの内面だけが濡れるという点で有利である。冷却媒体が冷却すべき表面に突き当たるにつれて、冷却媒体の広範な作用または冷却媒体による濡れがここで既に発生している。したがって、冷却媒体、および熱が発生する場所で壁上への直接的湿潤またはその作用は、少量の冷却媒体にもかかわらず最適な熱の除去に寄与する。
【００１８】
冷却された構成要素が原因で、電気機械全体の使用可能な電力が有利に追加的に増加し、加速挙動に対する冷却の影響が最小限に抑えられる。さらなる利点は、冷却、特に有利には液体冷却がロータに対して重要でない構造的修正だけに関連しており、最小限の追加費用を用いる組立キットの解決策としてやはり実現可能であるということである。
【００１９】
有利な方式では、冷却媒体分配要素は、シャフト空洞を対称的に分割する。したがって、互いに幾何学的に同じ大きさの２つの領域セグメントが、対称軸線の両側のシャフト空洞内に生成され、断面を回転させるにつれて、有利に、それによって中空ロータシャフト内に含有される空気量の同一の速度および圧力の比を保証する。したがって、冷却媒体を用いて壁を濡らすことによって均一な分布を損なうという影響が、効果的に回避される。本発明の範囲内では、対称軸線は、中空ロータシャフトの長手方向軸線に垂直に延在し、シャフト空洞を互いに同じ大きさの２つの部分に分割する。したがって、冷却媒体分配要素は、特に有利には、対称軸線に沿って、かつ中空ロータシャフトの長手方向軸線に沿って対称的に延在する。
【００２０】
本発明の範囲内では、冷却媒体分配要素が回転楕円体の設計を含むことが考えられる。前記回転楕円体の設計は、この場合、有利には球形または卵形である。回転楕円体に設計された冷却媒体分配要素またはその除去領域の寸法または円周が異なって形成される場合、最大円周は有利に長手方向軸線、すなわち軸線方向に沿って延在する。
【００２１】
さらに、冷却媒体分配要素が、一方の端部フランジから他方の端部フランジまで、シャフト空洞内に延在することも考えられる。冷却媒体分配要素の除去領域は、有利には、軸方向から見て、その全長に沿ってシャフト空洞内に完全に延在する。この手段によって、円筒形ジャケットの壁面に沿った冷却媒体の移動が、軸方向から見て円筒形ジャケットの全長に亘って有利にも可能になる。冷却媒体を受け取り、除去領域、特に除去領域の内面に沿ってその同じ冷却媒体を輸送するために、冷却媒体案内要素は、有利には、端部フランジの一方の内部、特に、端部フランジの一方の内部の入口内に、または入口に沿って少なくとも部分的に延在する受取り領域を有する。冷却媒体が中空ロータシャフトの中に導入される、中空ロータシャフトの少なくとも入口側に冷却媒体案内要素を取り付けるために、かつ有利には、冷却媒体案内要素を中空ロータシャフトに結合して、それと共に回転させるために、前記受取り領域が軸受としてもやはり同時に機能する方式で、受取り領域は端部フランジの入口の中に導入される。
【００２２】
冷却媒体分配要素が、入口を有する端部フランジに対向して配置される端部フランジ上に冷却媒体分配要素を取り付ける働きをする取付け領域を含むことが可能である。したがって、冷却媒体案内要素は、中空ロータシャフトの両側に、特に中空ロータシャフトの端部フランジ上に、有利に支持され、または取り付けられる。この手段によって、シャフト空洞内の冷却取付け分配要素の不都合な取付けによって引き起こされる、意図せずに生じる不均衡が回避される。加えて、冷却媒体の分配に悪影響を及ぼす可能性がある追加の要素、例えば支持ピンの使用が回避され得る。前記取付けは、冷却媒体分配要素の除去領域の内側ロータ直径および外側直径で厳密な嵌合公差をさらに回避し、冷却媒体の出口領域で、特に排出領域で狭過ぎる断面をやはり回避する。
【００２３】
排出領域は、除去領域の軸方向範囲の中心に形成されることがさらに考えられる。このことは有利なことに、円筒形ジャケットの内面に突き当たった後の冷却媒体が、長手方向軸線に沿って両方向に均一に分配されるということにつながる。これは、特に中空ロータシャフトが回転するにつれて、この時点で排出される冷却媒体が、円筒形ジャケットの内面に亘って両側に事実上均質に分配されることを意味する。
【００２４】
排出領域は、除去領域の半径方向の最大範囲の領域内に形成されることも同様に可能である。最大半径方向範囲が、例えば半径方向から見て偏心して形成されている場合、または前記最大範囲が軸方向に延在する長手方向軸線に沿った追加の領域に亘って延在する場合には、それに応じて、軸方向から見て前記排出領域が、２つの端部フランジの一方に対するよりも、２つの端部フランジの他方に対して、より小さい間隔にあるような方式で、排出領域がやはり偏心して形成される。このような分配領域の偏心配置または設計は、実施例として、長手方向軸線に沿った冷却媒体による中空ロータシャフトの内面への所定の特定の、特に意図された不均一な作用につながる。特に、冷却媒体流量は、分配領域が端部フランジからより小さい距離にある中空ロータシャフトの領域で増加する。これは、例えば、中空ロータシャフトまたはロータの冷却に加えて、中空ロータシャフトを搭載する軸受または前記軸受の一部が、導入された冷却媒体によって冷却されることが意図されている場合に特に有利である。
【００２５】
円筒形ジャケットの内面への冷却媒体の良好な移送および冷却媒体の均一な分布に関して、冷却媒体分配要素の少なくとも排出領域が、シリンダージャケットの内面から短い距離にあることが可能である。
【００２６】
ロータの十分な冷却のためには、円筒形ジャケットの内面への冷却媒体の適切な排出が必要であり、したがって、排出領域は、冷却媒体分配要素の除去領域から冷却媒体の排出を確実にするために、十分な数の通路開口部を有する必要がある。この目的のために、冷却媒体分配要素の排出領域は、少なくとも１つの出口開口部、特に有利には、冷却媒体分配要素の円周に亘って分配される方式で、互いから等距離に形成される複数の半径方向出口開口部を備える。
【００２７】
冷却媒体による内面の不完全な濡れにつながる、円筒形ジャケットの内面への冷却媒体の局部的または点状のみの排出を回避するために、冷却媒体分配要素は、有利には冷却媒体分配要素の全周に亘って冷却媒体を分配するために、その内面上に少なくとも１つの構造を備える。冷却媒体分配要素の内面上、特に冷却媒体分配要素の除去領域内に形成され、または配置された誘導構造および／または分配構造として使用される複数の構造が特に有利である。前記構造は、互いから等間隔に離隔配置されていることが可能である。しかしながら、前記構造が、冷却媒体分配要素の内面上で互いから異なる距離を含む配置を有することもまた考えられる。少なくとも１つの構造の助けにより、冷却媒体分配要素の全角度範囲、特に約３６０°に亘る冷却媒体の（均一な）分配が、有利には、冷却媒体分配要素が、中空ロータシャフトの円筒形ジャケットの内面に沿って軸方向および円周方向に冷却媒体を均一に分配するようにもたらされる。
【００２８】
１つまたは複数の構造は、有利には、冷却媒体分配要素の空洞の方向に凸状の設計を有する。したがって、少なくとも１つの構造は結果的に鋭い縁部で形成されない。
【００２９】
さらに、入口が、シャフトジャーナルの円周上に均一に分配され、冷却媒体分配要素の受取り領域内に開口する複数の入口チャンネルによって形成されることが考えられる。そのような入口チャンネルを介して別々の流れで供給される冷却媒体は、回転およびその結果としての遠心力により均質化され、有利には除去面上の構造によってもまた均質化される。さらに、本発明による冷却に加えて、ロータによる媒体のさらなる別々の輸送が実現され得る。前記媒体輸送のために、特にパイプ部分の形態の貫通要素が、中空ロータシャフト内に設けられている。パイプ部分が空洞を通って、一方のシャフトジャーナルから他方のシャフトジャーナルに突出することが考えられ、その結果、中空ロータシャフトを通る別々の媒体輸送によるロータ一体型冷却のための組み合わせ配置が可能になる。２つの媒体流は、別々に導入および除去されることが可能であり、したがって、異なる作動状態に対してオンおよびオフに切り替えることもまた可能である。
【００３０】
冷却媒体の除去は、有利には、円筒形ジャケットまたは端部フランジの開口部を通って可能である。ロータを取り囲むステータコイルを冷却するために、シャフト空洞内に配置され、シャフト空洞から除去される冷却媒体を使用することが特に有利である。この目的のために、少なくとも１つの通路開口部、有利には複数の通路開口部が、ロータ中空シャフトの円筒形ジャケット内に設けられており、中空ロータシャフトが回転するにつれて、冷却媒体が通路開口部から半径方向に除去され、周囲のステータを濡らす。情報に基づく濡れを達成するために、通路開口部が、円筒形ジャケットの縁部領域内の円周に亘って均一に分配される方式で、それぞれ配置される場合は有利である。
【００３１】
同様に、円筒形ジャケットの縁部領域に形成される通路開口部が、円筒形ジャケットの他の縁部領域内に形成される通路開口部に対して円周に亘って互いに対してずらして配置されていることが考えられる。前述したように、通路開口部を二等分線上に配置することより、電気モータがスイッチオフされ、したがって中空ロータシャフトが静止している場合、重力によって中空ロータシャフトの最も低い領域に蓄積した冷却媒体が、シャフト空洞から流れ出るという利点がある。この手段により、電動モータの始動中、したがってロータ、特に中空ロータシャフトの始動中に不均衡が発生することが、やはり有利に回避される。
【００３２】
個々の入口チャンネルの数および直径、ならびに半径方向に円周に分配された出口開口部の数および直径によって、冷却媒体流量およびロータ内の冷却媒体の存在量を調整し、したがって、冷却能力を制御することが可能である。
【００３３】
ある状況下では、複数の供給導管から成り、中空ロータシャフトの一部である構成要素の中央の軸方向穴として設計される冷却媒体供給部を一方の端部上に備えるロータが考えられる。供給導管は、有利には、中空ロータシャフトの中空円筒形領域の半径方向延長部で直接始まる冷却媒体分配要素内に開口する。この配置により、軽量ロータ構成の典型であるような、断面積の急激で大きな増加が克服される。冷却媒体が冷却媒体分配要素に移送された後、冷却媒体は、ロータの回転およびその結果生じる遠心力ならびに冷却媒体回路とロータ周囲部との間の差圧の結果として、組み立てられた中空ロータシャフトの円筒形ジャケットの内面上に誘導される。冷却媒体は、ここでは事実上中央で前記内面に突き当たる。冷却媒体の入口から内面に向けて排出するまでの流れ区域の間、冷却媒体を前記中央に導入し、かつそれを周方向に分配することが、冷却媒体分配要素の仕事である。流入する冷却媒体および遠心力により、その後流れの分配が生じ、両側で冷却媒体を軸方向外側へ案内する。エネルギーおよび冷却媒体の体積をできるだけ少なくして、効率的な冷却が達成されるような方式で、冷却媒体供給導管の数および直径は、ここで設計されるべきである。冷却媒体分配要素は、ここでは、圧入、物質と物質間の嵌合または形状嵌合によって供給導管要素に結合される。
【００３４】
中空シャフト内の断面積の急激な増加は、特に軽量構造、および熱を伝達するために利用可能な表面の非常に大きい増加を保証する。冷却媒体は、円筒形ジャケットの内面に向けて標的化方式で導かれ、冷却されるべき活動状態の積層アセンブリに沿って特に接近して流れることが有利である。シャフト空洞全体が冷却媒体で満たされないことが有利である。むしろ、中空ロータシャフトの円筒形ジャケットの内面のみが、冷却媒体によって完全に作用を受ける。冷却媒体は、遠心力の助けによって分配される。
【００３５】
シャフト空洞に入ると、冷却媒体分配要素に冷却媒体を直接的に移送することにより、冷却剤の必要最小限の量に抑えられた強制案内が達成される。これにより、圧力損失および流体抵抗が減少する。その結果、冷却剤ポンプの使用が回避され得る。
【００３６】
さらに、上述のタイプによる積層アセンブリを備える中空ロータシャフトを含むロータが特許請求される。本発明によるロータは、本発明の第１の態様による中空ロータシャフトについて既に説明された全ての利点をもたらす。
【００３７】
本発明のさらなる態様は、電気機械、特に、上述のタイプのロータを含む非同期モータまたは永久励磁型同期機械である。本発明の電気機械によれば、効率およびその性能の向上が、有利にも可能となる。さらに、要求される駆動力を維持しながら、より小型の構成の電気機械を製造することができる。使用可能な過負荷持続時間の増加が、さらに可能である。
【００３８】
本発明による中空ロータシャフトの実施形態が、各場合に概略的に図面を参照して以下により詳細に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】球状の冷却媒体分配要素を備える、本発明による、組み立てられた中空ロータシャフトの実施形態の横断面図である。
【図２】本発明による、組み立てられた中空ロータシャフトの、図１の断面として図示された実施形態の斜視図である。
【図３】卵形の冷却媒体分配要素を備える、本発明による、組み立てられた中空ロータシャフトの追加の実施形態の横断面図である。
【図４】本発明による、組み立てられた中空ロータシャフトの、図３の断面として図示された追加の実施形態の斜視図である。
【図５】円筒型の冷却媒体分配要素を有する、本発明による、組み立てられた中空ロータシャフトの追加の実施形態の横断面図である。
【図６】本発明による、組み立てられた中空ロータシャフトの、図５の断面として図示された追加の実施形態の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
図１は、球形の冷却媒体分配要素１０または冷却媒体分配要素１０の球形の除去領域１２を備える、本発明による、組み立てられた中空ロータシャフト２の一実施形態の横断面図を概略的に示す。中空ロータシャフト２は、中空ロータシャフト２上に配置された積層アセンブリ６を含むロータ１の部分である。積層アセンブリ６は、積層アセンブリ６を形成するために一体に接合された複数の積層（ここでは詳細には示されていない）から既知の方法で構成されている。中空ロータシャフト２は、円筒形ジャケット３と、少なくとも部分的に外から閉鎖され、その内部に冷却媒体分配要素１０が配置されるシャフト空洞Ｈがそれにより生成されるような方式で円筒形ジャケット３に結合された２つの端部フランジ４、５とを有している。各端部フランジ４、５は、それぞれの場合、例えば少なくともロータ１を取り付け、またはロータ１を変速機などに結合するために使用可能であるシャフトジャーナル４．１または５．１を有する。本明細書では、参照符号５．２で例として図示されている凹所内に、配置されるべき構成要素の対応する外部歯部（本明細書では図示せず）と相互作用を結ぶことができる歯部５．３、特に内部歯部が形成されると考えられる。
【００４１】
冷却媒体分配要素１０、特にその除去領域１２は、図１に示す実施形態では、回転楕円体状に、特に球状に形成されている。冷却媒体分配要素１０は、受取り領域１１、除去領域１２、排出領域１３および軸受領域１４を有する。受取り領域１１は、端部フランジ４の１つの中に形成された入口７を介して、冷却媒体分配要素１０の空洞Ｒ内に導入される冷却媒体Ｋ（破線で概略的に図示される）を受け取る働きをする。受取り領域１１は、除去領域１２から入口７の中に少なくとも部分的に、したがって中空ロータシャフト２の端部フランジ４のシャフトジャーナル４．１の中に少なくとも部分的にパイプの形態で延在する。受取り領域１１の直径は、有利には、冷却媒体分配要素１０の除去領域１２の直径よりも小さい。受取り領域１１は、有利には、冷却媒体分配要素１０の開口部、特に入口開口部として機能する。受取り領域１１の反対側には、軸受領域１４が除去領域１２に隣接して形成されている。したがって、除去領域１２は、受取り領域１１と軸受領域１４との間に形成される。軸受領域１４は、有利には突出部または隆起部として設計され、円筒形ジャケット３の端部側に配置されている端部フランジ５の切欠き５．２の中に延在し、入口７を備える他方の端部フランジ４が配置されている端部側と反対側に位置する。冷却媒体分配要素１０は、長手方向軸線Ｌに沿って延在する。冷却媒体分配要素１０を幾何学的に中央で分割する対称軸線Ｓは、長手方向軸線Ｌに対して垂直に形成されている。冷却媒体分配要素１０は、長手方向軸線Ｌに対して、かつ対称軸線Ｓに対して対称的に形成される。したがって、冷却媒体分配要素１０は、有利にも長手方向軸線に対して対称的に、かつ対称軸線に対して対称的に形成される。冷却媒体分配要素１０の排出領域１３は、対称軸線Ｓ上に配置される方式で、冷却媒体分配要素１０の円周方向に延在する。排出領域１３は、円周方向に分配される方式で、冷却媒体分配要素１０の壁に互いから等間隔に形成される複数の出口開口部１５を有する。出口開口部１５は、冷却媒体分配要素１０の空洞Ｒからシャフト空洞Ｈ内に、特に中空ロータシャフト２の円筒形ジャケット３の内面３．１に向かって冷却媒体Ｋを排出する働きをする。
【００４２】
冷却媒体分配要素１０は、ブロー成形ブランクから製造されたブロー成形プラスチック部品として有利に製造される。冷却媒体分配要素１０の受取り領域１１は、ブロー成形ブランクをその最終形態に膨張させるために、圧力媒体を導入するための単一の入口開口部としてここでは特に有利に機能する。構造１６は、この方法によって、冷却媒体分配要素１０の内面３．１上に、特に冷却媒体分配要素１０の除去領域１２上にもやはり生成され得る。
【００４３】
図１に示す構造１６は、伝導構造または分配構造として機能し、冷却媒体分配要素１０の内面上、特に除去領域１２内に形成される。実施例として図示されるように、構造１６はＶ字形の設計を有し、各構造１６のＶ字形アームは、いずれの場合も排出領域１３の方向に延在する。
【００４４】
入口７の内径よりも小さい外径を有するパイプ部分２１が、入口７を通って延在する。これにより、互いに異なる入口チャンネル１９、２０が生成され、パイプ部分２１の外周に生成される入口チャンネル２０は、パイプ部分２１のパイプ通路によって形成される入口チャンネル１９よりも小さい流れ断面を有する。パイプ部分２１は、冷却媒体Ｋが一方の入口チャンネル１９から出て他方の入口チャンネル２０へと通過する半径方向開口部１８を有することが可能である。
【００４５】
図２は、配置された積層アセンブリ６を有する、本発明による中空ロータシャフト２の実施形態の、図１に示す断面図の斜視図を示す。この図は、冷却媒体分配要素１０の少なくとも断面において回転楕円体状の設計を示しており、その除去領域１２は球状の設計である。受取り領域１１および取付け領域１４は、除去領域１２から始まる延長部として設計されている。排出領域１３は、図１および図２に示すように、通路穴の形態であるか、あるいは細長い穴または類似の形状の形態である多数の出口開口部１５を有する。出口開口部１５は、有利には、冷却媒体分配要素１０の円周方向に、排出領域１３内の壁、または除去領域１２内の壁に沿って分配され、排出領域１３は、出口開口部１５の設計によって形成される。出口開口部１５は、図１および図２の実施形態に示すように、円周方向に互いから等しい距離で分布する方式で、特に有利に配置される。しかしながら、出口開口部１５が除去領域１２の円周に沿って不均一に分配されることもまた考えられる。
【００４６】
図３および図４は、本発明による中空ロータシャフト２の追加の実施形態を示す。この追加の実施形態は、冷却媒体分配要素１０、特に冷却媒体分配要素１０の除去領域１２が、卵形回転体の形態で、特に伸長された回転楕円体の形態で設計されている点で、図１および図２に示された実施形態とは異なる。冷却媒体分配要素１０の回転軸線は、ここでは、中空ロータシャフト２の回転軸線に相当し、したがって長手方向軸線Ｌに相当する。
【００４７】
さらに、本発明による中空ロータシャフト２の図３および図４に示す実施形態は、図１および図２に示されるパイプ部分２１などの追加の構成要素が入口７の中に導入されないという点で、図１および図２に示される実施形態とは異なっている。したがって、冷却媒体分配要素１０の空洞Ｒに冷却媒体Ｋが導入される入口チャンネル１９が、１つだけ形成される。冷却媒体分配要素はまた、いかなる構造１６も有さない。
【００４８】
図３および図４の実施形態によれば、冷却媒体分配要素１０の取付け領域１４は、特に過剰な冷却媒体Ｋが、冷却媒体分配要素１０の空洞Ｒから外へ案内される開口部を有する。したがって、冷却媒体Ｋは、出口開口部１５を介して、冷却媒体分配要素１０の空洞Ｒから外へ、中空ロータシャフト２のシャフト空洞Ｈ内に案内されるだけでなく、そこからさらに通路開口部１７を介して、積層アセンブリ６または電気機械のステータ（ここでは図示せず）まで案内され得る。加えて、端部フランジ５を介して、特に端部フランジの一方のシャフトジャーナル５．１を介して、追加の冷却媒体誘導経路が可能にされることもまた可能である。ここで有利には、冷却媒体Ｋを中空ロータシャフト２内に、特に冷却媒体分配要素１０内に導入するための端部フランジ４、特に第１の端部フランジ４が使用されるが、同時に、他方の端部フランジ５、特に第２の端部フランジ５は、中空ロータシャフト２、特に冷却媒体分配要素１０から外へ冷却媒体Ｋを誘導する働きをする。第２の端部フランジ５を介して誘導される冷却媒体Ｋは、電気機械のステータを冷却するために有利に使用されることが考えられる。この目的のために必要な冷却媒体誘導経路は、見やすくする理由から図示されていない。
【００４９】
図５および図６は、本発明による中空ロータシャフト２の追加の実施形態を示すが、冷却媒体分配要素１０、特に除去領域１２が、特に円柱状の、有利には円筒形の形態の角度回転式の形態を含むという効果のために図３および図４に示された実施形態とは異なっている。図５および図６に示すように、傾斜１２．３が、円筒形の除去領域１２のジャケット面１２．１と端面１２．２との間に形成されることがここでは可能である。冷却媒体分配要素１０は、事実上シャフト空洞Ｈを完全に満たすように寸法決めされることが有利である。これは、冷却媒体分配要素１０の空洞Ｒ、特に冷却媒体分配要素１０の除去領域１２の空洞Ｒが、中空ロータシャフト２の残りのシャフト空洞Ｈよりも大きくなることが考えられることを意味する。
【００５０】
冷却媒体分配要素１０の幾何学的設計は、図１〜図６に示す幾何学的形態に限定されない。逆に、円筒形ジャケット３の内面３．１に沿って冷却媒体Ｋを均一に分配できるように適する任意の幾何学的形状が考えられる。図１〜図６に示す実施形態の特徴は、互いに変更することができ、定義された実施形態に限定されない。例えば、図１および図２に示すパイプ部分２１は、図３〜図６の実施形態によるロータ中空シャフト２の場合にもまた使用され得ると考えられる。あるいは、実施例として図１および図２に示す取付け領域１２が、図３〜図６に示す開口部２２を同様に備えることができることが考えられるが、図３〜図６に図示される取付け領域１４が、閉鎖されるように設計され、すなわち開口部２２を備えないこともまた考えることができる。
【符号の説明】
【００５１】
１  ロータ
２  中空ロータシャフト
３  円筒形ジャケット
３．１  円筒形ジャケットの内面
４  （第１の）端部フランジ
４．１  シャフトジャーナル
５  （第２の）端部フランジ
５．１  シャフトジャーナル
５．２  切欠き
５．３  歯部
６  積層アセンブリ
７  入口
１０  冷却媒体分配要素
１１  受取り領域
１２  除去領域
１２．１  ジャケット面
１２．２  端面
１２．３  傾斜
１３  排出領域
１４  取付け領域
１５  出口開口部
１６  構造
１７  通路開口部
１８  穴
１９  入口チャンネル
２０  入口チャンネル
２１  パイプ部分
２２  開口部
Ｈ  シャフト空洞
Ｋ  冷却媒体
Ｌ  長手方向軸線
Ｒ  空洞
Ｓ  対称軸線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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