本发明涉及一种旋转机器、尤其是电机，包括沿轴向方向延伸并且具有空腔以及热管的轴，在该热管中设置有第一热介质。本发明还涉及一种包括这种旋转机器的机动车。
背景技术：
例如在EP 0152785 A1中描述了一种旋转机器。
旋转机器大多具有通常被称为定子的固定部件和被称为转子并且在运行中围绕旋转轴线旋转的旋转部件。此外，转子通常包括用于与其它部件或机器连接的轴。旋转机器构造为驱动机器、即发动机或构造为发电机并且有时也可用于两种功能。
基于旋转机器的可动部件、即转子和其轴，在运行中通常产生热量，该热量在冷却不充分时可能导致旋转机器损坏和/或可能不利地影响其长期运转效率。特别是在具有快速旋转的转子的旋转机器中，尤其是转子的冷却形成特别的挑战。原则上可通过空气来冷却转子。这种空气冷却一方面是稳健的、易于实现和运行，但另一方面效率不高，尤其是与液体冷却相比。液体冷却基于较高的比热容可实现明显更高的散热，因此效率更高。
也可使用热管来散热。热管一般是通常细长的容器，在其中设置有热介质，热介质最初为液态并且在输热时蒸发。通过适合地设计热管，热量可从转子的热位置传递到一个另外的较冷的或甚至主动被冷却的位置。轴例如可构造为空心轴，在其内部设置有热管，借助该热管沿轴向方向散热。
在轴内部使用热管在原则上是已知的，例如由EP 0152785 A1或US 2014/0368064 A1中已知。由那里所示的实施方式均可得到一个具有轴的发动机，所述轴具有空腔，在该空腔内部设有热管或该空腔本身被设计为热管。另外，在US 2014/0368064 A1中也示出多个热管以一个与轴同心的圆设置在轴内部。
相反，US 7,443,062 B2描述了一种发动机，在其中多个热管在轴之外沿圆周方向围绕轴分布地设置。这些热管在此分别延伸穿过固定在转子上的转子叠片组。与空心轴相比，该实施方式的优点在于：该轴并非空心轴并且因此明显更稳定。
技术实现要素：
有鉴于此，本发明的任务在于提供一种具有改进的冷却的旋转机器。此外，应提供一种机动车，其包括具有改进的冷却的驱动机器。
根据本发明，所述任务通过具有根据权利要求1的特征的旋转机器以及具有根据权利要求11的特征的机动车来解决。有利方案、扩展方案以及变型方案是从属权利要求的主题。在此与旋转机器相关的说明按意义也适用于机动车，并且反之亦然。
旋转机器尤其是电机并且在此尤其是电气驱动机器、即发动机。旋转机器包括沿轴向方向延伸并且具有空腔以及热管的轴。在热管中设置有第一热介质。根据本发明，所述热管构造为包围空腔的环形腔。换言之，热管在旋转方向上围绕空腔延伸并且包围空腔。
旋转机器优选是电机并且尤其是包括定子以及转子，该转子在运行中围绕旋转轴线旋转。所述轴在此是转子的一部分并且尤其是沿旋转轴线设置。转子尤其是还包括转子叠片组或类似物，其无相对转动地与轴连接。此外，所述轴尤其是构造成基本上旋转对称的，即至少在轴的设有转子叠片组的区段上构造成基本上旋转对称的。
本发明的核心思想尤其是在于：这样设计热管，使得借助该热管首先在径向方向上散热并且随后将该热量释放到空腔中并且最终沿着轴向方向从轴散出。在前面引用的现有技术、如EP 0152785 A1中利用了离心力作用于热管中的第一热介质以便结合热管的倾斜或圆锥形内壁实现沿轴向方向的输送。第一热介质在沿轴向方向彼此分离的不同位置上蒸发和冷凝。由此不可避免地导致沿轴向方向不均匀的冷却，即通过第一热介质不均匀地吸收热量。
与此相反，在根据本发明的旋转机器中，在运行中产生的热量通过热管在径向方向上被输送、即相对于轴从外向内被输送并且随后通过空腔排出。由此在轴向方向上实现特别均匀和因此改进的冷却。这通过热管的环状设计以及结合热管围绕空腔的布置来实现。总之，轴构造为被热管包围得空心轴。
此外，热管的所描述布置以及借助其的径向散热总体上实现了一种显著简化的轴设计。由于不需要在轴向方向上的功能分离来散热，因此在设计轴时对其产生较少的边缘条件并且旋转机器总体上也可更灵活设计并且在结构上可特别简单地实现。
在所描述的旋转机器中特别有利地使用空心轴冷却、尤其是液体冷却。为此在一种优选方案中，在所述空腔中设置有第二热介质，以便从热管散热。这种组合能实现上述的借助热管的有利的均匀冷却并且同时可通过作为第二热介质尤其是连续地穿流空腔的冷却液体实现沿轴向方向特别有效的散热。原则上也可设想使用气体作为第二热介质，但液体、如水或适合的油具有显著更好的冷却效果并且因此是优选的。
与没有热管的纯空心轴冷却相比，热管围绕空腔的环形布置结合空心轴冷却具有特别的优点。在纯空心轴冷却中，通常在优化设计轴的外径、即总直径和内径、即空腔直径时存在冲突。一方面，为了减小冷却介质、即第二热介质在空腔内壁上的摩擦，特别小的内径是有利的。另一方面，为了在轴和转子叠片组之间实现良好的转矩传递，大的外径是有利的。在考虑这两个标准的情况下，所述轴具有相应大的壁厚并且由此具有高的重量和减小的强度。通过现在所谓的“套装上”的热管有利地增大了轴的外径，而在此无需增大内径并且同时有利的是无需忍受通过额外的实心材料带来的显著重量增加，因为环形腔首先是空心的并且仅被填充第一热介质。
优选热管与空腔同心设置。在此，热管构造为空心圆柱体并且环形腔因此形成尤其是连续的、闭合的环。空心圆柱体在径向方向上通过两个圆柱周面限定、即内圆柱周面和外圆柱周面，它们与空腔和整个轴同心设置并且此外在轴向方向上平行于旋转轴线延伸。通过这种定向实现在轴向方向上的特别均匀的冷却，因为通过在运行中产生的离心力第一热介质被压到外圆柱周面上并且在那里均匀地分布。
有利的是，环形腔仅部分地填充有第一热介质，从而产生两种相、尤其是液相和气相。在运行中，液相、即液态的第一热介质被压向外。在那里所述热介质形成蒸发区，热介质从蒸发区通过吸热而蒸发，蒸发的热介质随后沿径向方向向内运动并且在那里形成冷凝区。有利的是，冷凝区通过空腔和设置在那里的第二热介质冷却，使得第一热介质在环形腔中冷凝并且再次被压向外。以这种方式，热介质反复改变物态并且实现在径向方向上从外向内的传热。冷凝区和蒸发区因此在径向方向上彼此分离。
优选环形腔密封地封闭，从而不发生压力补偿并且第一热介质不能逸出。以这种方式也可在制造轴时优化地调节适合的环形腔压力，其因此根据待预期的运行条件并且根据希望的旋转机器工作范围确保优化散热。环形腔压力尤其是取决于使用的冷却介质和希望的蒸发温度。例如可使用纯水，其例如应在130℃时蒸发。为此在环形腔内须始终存在过压。特别是在强烈蒸发时可能的过压通常不构成问题并且有利地在设计轴和环形腔时加以考虑。
有利的是，轴具有内壁，该内壁包围空腔并且将其与环形腔分离。尤其是热量经由内壁从第一热介质传递到第二热介质。为此有利的是，内壁向内和/或向外设置有轮廓，以便获得增大的相互作用表面。内壁包围腔体并且由此定义空腔直径、轴的内径。同时内壁尤其是也定义内圆柱周面、即热管向内的边界并且在这个意义上构成空腔和环形腔的共同的壁、也就是分隔壁。这种实施方式特别简单。此外，通过仅借助这样的分隔壁来分离环形腔和空腔有利地确保了改进的热传递。
在一种适合的实施方式中，所述轴具有外壁，该外壁包围内壁并且在一个热管区段上与内壁沿径向方向间隔开。由此在热管区段上自动构成合适的环形腔。在热管区段之外，内壁这样在内侧贴靠在外壁上或相应于外壁，使得环形腔相对于周围环境密封。
在一种特别优选的实施方式中，外壁构造成弯曲的并且在热管区段上具有增大的直径。换言之，外壁具有内径，该内径仅在部分区段上大于内壁的外径并且在其它位置上相应于内壁的外径。这种实施方式特别简单，因为尤其是可使用弯曲的空心轴来制造轴，然后为该空心轴设置附加的内壁。
在一种特别优选的扩展方案中，内壁构造为尤其是圆柱形的套筒并且插入外壁中。因此，轴尤其是构造成两件式的、即具有外壁和设置在其中的内壁。这种实施方式能特别容易地实现，因为只需将套筒插入外壁中来形成环形腔。在这个意义上也得到轴的一定的模块化，从而可在制造轴时将不同的外壁与不同的套筒组合起来，以便根据需要最佳地调节环形腔的体积和空腔的流动横截面。
优选外壁和内壁在轴向方向上均具有基本上恒定的壁厚。尤其是套筒可被制造成低成本的金属板件。内壁具有例如在0.5至5mm范围内的壁厚。外壁具有例如为4至20mm的壁厚。
为了形成环形腔，原则上也可设想将外壁构造为圆柱形的直筒并且内壁在部分区段上变细地构造、即具有减小的直径。但由此尤其是失去了增大直径的上述优点。
特别有利的是，旋转机器用作机动车的驱动机器、尤其是用作电动或混合动力车辆的电气驱动机器。旋转机器因此是用于机动车行驶的传动系的一部分。驱动机器在汽车领域中通常受到非常高的要求并且必须能够在尽可能长的时间内在通常很大的工作范围中承受动态负荷。在上述旋转机器中，在热管中的第一热介质现在有利地构成用于尤其是转子的废热的缓冲储存器。在运行中废热的突然增加因此可被热管特别快地吸收，由此尤其是改善了旋转机器的动态工作范围及其尤其是在测试规范ECE R85意义上的额定功率。因此，旋转机器基于改进的冷却可承受更强的负荷并且被更有效地使用。
原则上也可设想，旋转机器除了用于驱动之外也可用于车辆中的其它部位，但尤其是在如下情况下：常规的空气冷却或简单的空心轴冷却是不适合或不充分的，并且优选尤其是在具有极高转速的紧凑型高性能驱动机器中。
附图说明
下面参考附图详细说明本发明的一种优选实施例。在此唯一的附图1示意性且局部性地示出旋转机器的纵向剖视图。
具体实施方式
图1局部性地示出旋转机器2，其例如用作用于驱动未详细示出的机动车的电气驱动机器。旋转机器2具有定子4和转子6，该转子在运行中围绕旋转轴线R旋转。转子6具有轴8，在该轴上安装有转子叠片组10并且该轴在轴向方向Ax上沿旋转轴线R延伸。
在图1中所示的轴8相对于旋转轴线R构造成旋转对称的。此外，轴8构造为空心轴并且具有在此是圆柱形的空腔12。空腔12在径向方向Rad上被内壁14包围，该内壁又被外壁16包围。内壁14和外壁16分别具有内径D1i或D2i并且分别具有外径D1a或D2a。在这里所示的实施例中，内壁14是圆柱形套筒，其插入到外壁16中。在此，外壁16构造成弯曲的并且在部分区段上具有增大的直径D2i、D2a，由此形成环形腔18，该环形腔在内壁之外围绕空腔12延伸。在环形腔18区域中，外壁16与内壁14以内壁14的外径D1a和外壁16的内径D2i之差间隔开。在这里所示的实施例中环形腔18在纵向剖视图中大致呈梯形。在环形腔18之外，直径D1a和D2i相等，从而内壁14贴靠在外壁16上。由此，环形腔18构造为密封封闭的体积。
环形腔18部分地填充有第一热介质并且以这种方式形成热管20，该热管环状地围绕空腔12延伸。所述热介质为液相和气相，其中，液相在旋转机器2运行时基于在此存在的离心力在径向方向Rad上被压向外。以这种方式产生蒸发区22，在该蒸发区中热介质为液态并且通过吸收例如转子叠片组10或外壁16的废热而蒸发。气态热介质被挤向内并且聚积在冷凝区24中，该冷凝区在径向方向Rad上比蒸发区更靠内侧。具体而言，冷凝区24构成在内壁14上，该内壁在此是在空腔12和环形腔18之间的分隔壁。在内壁14的另一侧上、即在空腔12中可借助第二热介质排出废热。为此，第二热介质作为冷却剂并且在空心轴冷却的意义上沿轴向方向Ax穿流空腔12。在冷凝区24中以这种方式被冷却的第一热介质冷凝并且再次被驱动到蒸发区中。
环形腔18沿轴向方向Ax在特定区域——其也被称为热管区段26——上延伸。在该热管区段上外壁16构造成弯曲的并且与内壁14间隔开以形成环形腔18。该环形腔尤其是构造为空心圆柱体并且平行于旋转轴线延伸，使得液态的第一热介质在轴向方向Ax上沿整个环形腔18被均匀地向外压(如图1所示)并且由此确保在整个热管区段26上的均匀冷却。冷凝区24和蒸发区22因此沿着径向方向Rad相继设置，而不是沿轴向方向Ax相继设置。由此，在热管20中的热传输沿径向方向Rad、更确切地说从外向内进行。然后热量经由内壁14被传递到空腔12中并且从那里借助第二热介质沿轴向方向Ax排出。
附图标记列表
2 旋转机器
4 定子
6 转子
8 轴
10 转子叠片组
12 空腔
14 内壁
16 外壁
18 环形腔
20 热管
22 蒸发区
24 冷凝区
26 热管区段
Ax 轴向方向
Rad 径向方向
R 旋转轴线
D1i 内壁的内径
D1a 内壁的外径
D2i 外壁的内径
D2a 外壁的外径