DE102014214136A1

DE102014214136A1 - Rotor arrangement for an electrical machine with a cooling device and electric machine

Info

Publication number: DE102014214136A1
Application number: DE102014214136.2A
Authority: DE
Inventors: Martin Koehne
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-07-21
Filing date: 2014-07-21
Publication date: 2016-01-21

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Rotoranordnung (3), insbesondere eine Rotorscheibe, für eine rotatorische elektrische Maschine (1), insbesondere einen Scheibenläufermotor, umfassend:
– einen Rotorkörper mit einem oder mehreren radial außen liegenden magnetisch aktiven Bereichen (31), insbesondere einen oder mehreren Permanentmagneten;
– einen oder mehrere abgeschlossene Hohlräume (32, 40, 50), die teilweise mit einem flüssigen Wärmeübertragungsmedium gefüllt sind;
wobei ein Wärmeaufnahmebereich (32a, 42, 54) des einen oder der mehreren Hohlräume (32, 40, 50) thermisch leitend mit dem einen oder den mehreren magnetisch aktiven Bereichen gekoppelt ist,
wobei ein bezüglich des Wärmeaufnahmebereichs (32a, 42, 54) radial innen liegender Wärmeableitbereich (32b, 43, des einen oder der mehreren Hohlräume (32, 40, 50) vorgesehen ist und mit einer Wärmesenke in Kontakt steht. The invention relates to a rotor assembly (3), in particular a rotor disk, for a rotary electric machine (1), in particular a pancake motor, comprising:
- A rotor body with one or more radially outer magnetically active regions (31), in particular one or more permanent magnets;
- One or more closed cavities (32, 40, 50), which are partially filled with a liquid heat transfer medium;
wherein a heat receiving region (32a, 42, 54) of the one or more cavities (32, 40, 50) is thermally coupled to the one or more magnetically active regions,
wherein a heat dissipation region (32b, 43) of the one or more cavities (32, 40, 50) radially inward of the heat receiving region (32a, 42, 54) is provided and in contact with a heat sink.

Description

Technisches Gebiet Technical area

Die Erfindung elektrische Maschinen, insbesondre Maßnahmen zur Kühlung von beweglichen Maschinenkomponenten, insbesondere Rotoranordnungen von elektrischen Maschinen. The invention relates to electrical machines, in particular measures for cooling moving machine components, in particular rotor arrangements of electrical machines.

Stand der Technik State of the art

Beim Betrieb einer durch Permanentmagnete erregten elektrischen Maschine treten im Luftspalt zwischen einer Statoranordnung und einer Rotoranordnung üblicherweise wechselnde Magnetfelder auf, die eine Grundschwingung und Oberschwingungen aufweisen. Die Grundschwingung der wechselnden Magnetfelder dient bei einer als Motor betriebenen elektrischen Maschine dazu, ein Drehmoment bereitzustellen. Dagegen erzeugen die Oberschwingungen der wechselnden Magnetfelder im Luftspalt erhebliche Wärmeverluste in die magnetisch und elektrisch leitfähigen Komponenten der Rotoranordnung und der Statoranordnung aufgrund von Wirbelstromverlusten. Ist die aufgrund der Wirbelstromverluste entstehende Wärmeentwicklung zu hoch, muss die Leistung der elektrischen Maschine beschränkt werden oder bei der Auslegung der elektrischen Maschine aktive Komponenten überdimensioniert werden. In the operation of an electrical machine excited by permanent magnets, alternating magnetic fields, which have a fundamental oscillation and harmonics, usually occur in the air gap between a stator arrangement and a rotor arrangement. The fundamental of the alternating magnetic fields is used in an electric machine operated as a motor to provide a torque. In contrast, the harmonics of the alternating magnetic fields in the air gap generate significant heat losses in the magnetically and electrically conductive components of the rotor assembly and the stator assembly due to eddy current losses. If the heat generated by the eddy current losses is too high, the power of the electrical machine must be limited or over-dimensioned in the design of the electrical machine active components.

Zur Vermeidung von Wärmeverlusten in der Rotoranordnung können Rotormagnete, die das Erregermagnetfeld bereitstellen, segmentiert werden. Ein solcher Ansatz ist jedoch sehr aufwändig, da ein einzelner Rotormagnet aus einer Vielzahl einzelner Permanentmagneten hergestellt werden muss und dann in die Rotoranordnung eingebracht werden muss. To avoid heat losses in the rotor assembly, rotor magnets providing the exciting magnetic field can be segmented. However, such an approach is very complex, since a single rotor magnet must be made of a plurality of individual permanent magnets and then has to be introduced into the rotor assembly.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Abführung von in einer Rotoranordnung entstehenden Wärme beim Betrieb der elektrischen Maschine zur Verfügung zu stellen. It is an object of the present invention to provide an improved dissipation of heat generated in a rotor assembly during operation of the electrical machine.

Offenbarung der Erfindung Disclosure of the invention

Diese Aufgabe wird durch die Rotoranordnung für eine elektrische Maschine gemäß Anspruch 1 sowie durch die elektrische Maschine gemäß dem nebengeordneten Anspruch gelöst. This object is achieved by the rotor assembly for an electric machine according to claim 1 and by the electric machine according to the independent claim.

Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Further embodiments are specified in the dependent claims.

Gemäß einem ersten Aspekt ist eine Rotoranordnung, insbesondere eine Rotorscheibe, für eine rotatorische elektrische Maschine, insbesondere einen Scheibenläufermotor, vorgesehen, umfassend:

– einen Rotorkörper mit einem oder mehreren radial außen liegenden magnetisch aktiven Bereichen, insbesondere einen oder mehrere Permanentmagneten;
– einen oder mehrere abgeschlossene Hohlräume, die teilweise mit einem flüssigen Wärmeübertragungsmedium gefüllt sind;

wobei ein Wärmeaufnahmebereich des einen oder der mehreren Hohlräume thermisch leitend mit dem einen oder den mehreren magnetisch aktiven Bereichen gekoppelt ist, wobei ein bezüglich des Wärmeaufnahmebereichs radial innen liegender Wärmeableitbereich des einen oder der mehreren Hohlräume vorgesehen ist und mit einer Wärmesenke in Kontakt steht. According to a first aspect, a rotor assembly, in particular a rotor disk, is provided for a rotary electric machine, in particular a pancake motor, comprising:

A rotor body having one or more radially outer magnetically active regions, in particular one or more permanent magnets;
- One or more closed cavities, which are partially filled with a liquid heat transfer medium;

wherein a heat receiving area of the one or more cavities is thermally coupled to the one or more magnetically active areas, wherein a heat dissipation area of the one or more cavities radially inward of the heat receiving area is provided and in contact with a heat sink.

Eine Idee der obigen Rotoranordnung besteht grundsätzlich darin, die in magnetisch aktiven Bereichen, wie z.B. in den Permanentmagneten, entstehende Wärme zur Rotorwelle hin abzuleiten. Dazu wird mindestens ein sich zumindest teilweise in radialer Richtung erstreckender Hohlraum in der Rotoranordnung vorgesehen, in denen ein Wärmeübertragungsmedium eingebracht ist. Das Wärmeübertragungsmedium weist eine Siedetemperatur auf, die der Temperatur entspricht, auf der ein magnetisch aktiver Bereich, insbesondere die Permanentmagnete, in der Rotoranordnung gehalten werden soll und die möglichst nicht überschritten werden soll. An idea of the above rotor assembly is basically that in magnetically active regions, such as. in the permanent magnets, to dissipate heat to the rotor shaft. For this purpose, at least one at least partially extending in the radial direction cavity in the rotor assembly is provided, in which a heat transfer medium is introduced. The heat transfer medium has a boiling temperature which corresponds to the temperature at which a magnetically active region, in particular the permanent magnets, is to be held in the rotor assembly and which should preferably not be exceeded.

Beim Betrieb der elektrischen Maschine wird durch die Rotation der Rotoranordnung das flüssige Wärmeübertragungsmedium infolge der Fliehkraft nach außen zu einem Wärmeaufnahmebereich an einer äußeren Begrenzung des Hohlraumes bewegt. Der Wärmeaufnahmebereich ist thermisch mit dem magnetisch aktiven Bereich der Rotoranordnung gekoppelt. Während des Betriebs wird das flüssige Wärmeübertragungsmedium durch die Fliehkraft dort gehalten bzw. an den Wärmeaufnahmebereich gedrückt. During operation of the electric machine, the rotation of the rotor assembly causes the liquid heat transfer medium to move outward due to centrifugal force to a heat receiving area at an outer boundary of the cavity. The heat receiving area is thermally coupled to the magnetically active area of the rotor assembly. During operation, the liquid heat transfer medium is held there by the centrifugal force or pressed to the heat receiving area.

Wird in dem Wärmeaufnahmebereich der Rotoranordnung die Siedetemperatur des flüssigen Wärmeübertragermediums erreicht oder überschritten, verdampft das Wärmeübertragungsmedium und entzieht aufgrund der Verdampfungsenthalpie der Rotoranordnung im Bereich des Wärmeaufnahmebereichs Wärme. Dadurch wird die Temperatur des magnetisch aktiven Bereichs der Rotoranordnung auf der Siedetemperatur gehalten. If the boiling temperature of the liquid heat transfer medium is reached or exceeded in the heat absorption area of the rotor arrangement, the heat transfer medium evaporates and withdraws heat in the area of the heat absorption area due to the enthalpy of vaporization of the rotor arrangement. As a result, the temperature of the magnetically active region of the rotor assembly is maintained at the boiling temperature.

Es ist vorgesehen, die Betriebswärme über eine Rotorwelle oder eine Rotornabe abzuführen. Dazu ist ein Wärmeabführungsbereich in dem Hohlraum vorgesehen, der mit der Rotorwelle bzw. der Rotornabe thermisch gekoppelt ist oder an diese angrenzt, so dass in dem Wärmeabführungsbereich befindliche Wärme über die Rotorwelle bzw. der Rotornabe abgeführt werden kann. Da die Temperatur an der Rotorwelle bzw. der Rotornabe niedriger ist als die Siedetemperatur des Wärmeübertragungsmediums kondensiert das Wärmeübertragungsmedium dort und die frei werdende Kondensationswärme wird an die thermisch gekoppelte Rotorwelle bzw. die Rotornabe abgegeben. Das kondensierte Wärmeübertragungsmedium wird dann aufgrund seiner Dichte der Fliehkraft folgend wieder in den Wärmeaufnahmebereich des Hohlraumes zurückbewegt. Auf diese Weise ist es möglich, zum einen sehr effizient Betriebswärme aus den magnetisch aktiven Bereichen der Rotoranordnung, die in der Regel flusspaltnah sind, abzuführen und in Richtung der Rotorwelle bzw. Rotornabe nach radial innen zu transportieren, von wo die Wärme abgeführt wird. It is intended to dissipate the operating heat via a rotor shaft or a rotor hub. For this purpose, a heat dissipation region is provided in the cavity, which is thermally coupled to the rotor shaft or the rotor hub or adjacent thereto, so that in the heat dissipation region located heat through the rotor shaft or the Rotor hub can be removed. Since the temperature at the rotor shaft or the rotor hub is lower than the boiling temperature of the heat transfer medium condenses the heat transfer medium there and the released heat of condensation is delivered to the thermally coupled rotor shaft or the rotor hub. The condensed heat transfer medium is then moved back into the heat absorption area of the cavity due to its density of centrifugal force. In this way, it is possible, for a very efficient dissipate operating heat from the magnetically active regions of the rotor assembly, which are usually near river gap, and to transport in the direction of the rotor shaft or rotor hub radially inward, from where the heat is dissipated.

Insbesondere kann durch geeignete Wahl der Siedetemperatur die Betriebstemperatur der Rotoranordnung der elektrischen Maschine genau eingestellt werden und so die Permanentmagneten, die in dem magnetisch aktiven Bereich eingesetzt werden, in einem Bereich mit definierten magnetischen Eigenschaften zu betreiben. In particular, by suitable choice of the boiling temperature, the operating temperature of the rotor assembly of the electric machine can be accurately adjusted, and so to operate the permanent magnets, which are used in the magnetically active region, in a range with defined magnetic properties.

Weiterhin kann das flüssige Wärmeübertragungsmedium eine vorgegebene Siedetemperatur aufweisen, die in einem Bereich liegt, bei dem magnetische Eigenschaften des magnetisch aktiven Bereichs erhalten sind, wobei die Siedetemperatur insbesondere zwischen 30° und 160°, bevorzugt zwischen 60° und 100° liegt. Furthermore, the liquid heat transfer medium may have a predetermined boiling temperature, which is in a range in which magnetic properties of the magnetically active region are obtained, wherein the boiling temperature is in particular between 30 ° and 160 °, preferably between 60 ° and 100 °.

Insbesondere kann das flüssige Wärmeübertragungsmedium Wasser und/oder Alkohol, insbesondere Methanol, enthalten oder einem herkömmlichen Kältemittel entsprechen. Insbesondere kann der das Wärmeübertragungsmedium unter einem Druck in dem Hohlraum aufgenommen sein, so dass die Siedetemperatur über den Druck und die Wahl des Wärmeübertragungsmediums einstellbar ist. In particular, the liquid heat transfer medium may contain water and / or alcohol, in particular methanol, or correspond to a conventional refrigerant. In particular, the heat transfer medium can be accommodated under a pressure in the cavity, so that the boiling temperature is adjustable via the pressure and the choice of the heat transfer medium.

Gemäß einer Ausführungsform kann der Hohlraum ringförmig sein und zwischen zwei axial beabstandeten Trägerscheiben gebildet sein. According to one embodiment, the cavity may be annular and formed between two axially spaced support discs.

Es können mehrere separate Hohlräume vorgesehen sein, die in Umfangsrichtung voneinander beabstandet sind. It can be provided a plurality of separate cavities, which are spaced apart in the circumferential direction.

Weiterhin kann mindestens einer der Hohlräume einen radialen Kanal aufweisen, wobei der radial äußere Wärmeaufnahmebereich einen zum Querschnitt des Kanals vergrößerten Querschnitt und/oder der radial innere Wärmeabführungsbereich einen zum Querschnitt des Kanals vergrößerten Querschnitt aufweisen. Furthermore, at least one of the cavities can have a radial channel, wherein the radially outer heat receiving area has an enlarged cross-section of the channel cross-section and / or the radially inner heat dissipation area to the cross section of the channel enlarged cross-section.

Es kann vorgesehen sein, dass mindestens einer der Hohlräume lediglich als ein radial verlaufender Kanal mit einem konstanten Querschnitt ausgebildet ist. It can be provided that at least one of the cavities is formed only as a radially extending channel with a constant cross-section.

Eine Wärmeaufnahmefläche des einen oder der mehreren Wärmeaufnahmebereiche des einen oder der mehreren Hohlräume und/oder eine Wärmeableitfläche des einen oder der mehreren Wärmeableitbereiche des einen oder der mehreren Hohlräume können zumindest teilweise mit die Wärmeaufnahmefläche bzw. die Wärmeableitfläche vergrößernden Strukturen, insbesondere einem Metallschaum, eine oder mehreren Rippen, versehen sein. A heat receiving surface of the one or more heat receiving regions of the one or more cavities and / or a heat dissipating surface of the one or more heat dissipating regions of the one or more cavities may at least partially with the heat receiving surface or the Wärmeableitfläche increasing structures, in particular a metal foam, or several ribs, be provided.

Insbesondere kann mindestens einer des einen oder der mehreren abgeschlossenen Hohlräume durch ein von dem Rotorkörper separates Hohlelement gebildet sein. In particular, at least one of the one or more closed cavities may be formed by a hollow element separate from the rotor body.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine elektrische Maschine mit mindestens einer Statoreinheit und der obigen dazu axial versetzten Rotoranordnung vorgesehen. According to a further aspect, an electric machine with at least one stator unit and the above axially offset rotor arrangement is provided.

Weiterhin kann die Rotoranordnung an einer Rotorwelle bzw. einer Rotornabe angeordnet sein, wobei der Wärmeableitbereich mit der Rotorwelle bzw. der Rotornabe thermisch gut leitend gekoppelt ist. Furthermore, the rotor arrangement may be arranged on a rotor shaft or a rotor hub, wherein the heat dissipation region is coupled with good thermal conductivity to the rotor shaft or the rotor hub.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings

Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Embodiments are explained below with reference to the accompanying drawings. Show it:

1 eine Querschnittsdarstellung durch eine Axialflussmaschine als elektrische Maschine mit einem Scheibenrotor und einer Kühleinrichtung; und 1 a cross-sectional view through an axial flow machine as an electric machine with a disc rotor and a cooling device; and

2a und 2b Schnittdarstellungen von Rotoranordnungen mit mehreren Hohlräumen. 2a and 2 B Sectional views of rotor assemblies with multiple cavities.

Beschreibung von Ausführungsformen Description of embodiments

In 1 ist eine schematische Querschnittsdarstellung durch eine elektrische Maschine 1, die in Form einer Axialflussmaschine ausgebildet ist, dargestellt. Die elektrische Maschine 1 weist zwei einander bezüglich einer axialen Richtung A gegenüberliegende Statoreinheiten 2 auf, die in einem Abstand von einer Drehachse D konzentrisch umlaufende zueinander benachbarte Statorzähne 21 aufweisen. Die Statorzähne 21 sind zueinander ausgerichtet und voneinander durch einen Zwischenraum 6 beabstandet. In 1 is a schematic cross-sectional view through an electric machine 1 , which is designed in the form of an axial flow machine shown. The electric machine 1 has two opposite each other with respect to an axial direction A stator 2 on, at a distance from a rotational axis D concentric circumferential adjacent stator teeth 21 exhibit. The stator teeth 21 are aligned with each other and from each other by a gap 6 spaced.

In dem Zwischenraum 6 zwischen den abstehenden Enden der Statorzähne 21 ist eine Rotoranordnung 3 in Form einer Rotorscheibe drehbeweglich angeordnet. Dazu kann die Rotoranordnung 3 an einer drehbeweglich gelagerten Rotorwelle 4 angeordnet sein. Anstelle der Rotorwelle 4 kann die Rotorscheibe 3 auch an einer feststehenden Nabe, an der die Rotorscheibe drehbar gelagert ist, angeordnet sein. In the gap 6 between the protruding ends of the stator teeth 21 is a rotor assembly 3 rotatably arranged in the form of a rotor disk. This can be the rotor assembly 3 at a rotatably mounted rotor shaft 4 be arranged. Instead of the rotor shaft 4 can the rotor disk 3 also on a fixed hub, on which the rotor disk is rotatably mounted, to be arranged.

Die Rotoranordnung 3 weist im Bereich des Zwischenraums 6 zwischen den aufeinander zugewandten Statorzähnen magnetisch aktive Bereiche 31 auf. Die magnetisch aktiven Bereiche 31 können beispielsweise mit einem weichmagnetischen Material oder mit Permanentmagneten ausgebildet sein oder diese umfassen. The rotor arrangement 3 points in the area of the gap 6 between the facing stator teeth magnetically active areas 31 on. The magnetically active areas 31 For example, they may be formed with or include a soft magnetic material or permanent magnets.

Im Betrieb der elektrischen Maschine 1 werden die die Statorzähne 21 umgebende Statorwicklungen (nicht gezeigt) bestromt, dass in dem Zwischenraum 6 ein umlaufendes Wechselmagnetfeld von den Statorzähnen 21 in Richtung des magnetisch aktiven Bereichs der Rotoranordnung 3 abgegeben wird bzw. sich in einem jeweiligen Luftspalt 5 zwischen den abstehenden Enden der Statorzähnen 21 und den magnetisch aktiven Bereichen 31 der Rotoranordnung 3 ausbildet. In operation of the electric machine 1 become the stator teeth 21 surrounding stator windings (not shown) energized in that space 6 a rotating alternating magnetic field from the stator teeth 21 in the direction of the magnetically active region of the rotor assembly 3 is discharged or in a respective air gap 5 between the protruding ends of the stator teeth 21 and the magnetically active areas 31 the rotor assembly 3 formed.

In den zwischen der Rotoranordnung 3 und den jeweiligen abstehenden Enden der Statorzähne 21 definierten Luftspalte 5 bestehen beim Betrieb der elektrischen Maschine 1 Wechselmagnetfelder mit einer Grundschwingung und Oberwellen. Insbesondere die Oberwellen des Wechselmagnetfelds im Luftspalt tragen nicht zum Bereitstellen eines Drehmoments durch die Rotoranordnung 3 bei und führen lediglich zur Entwicklung von Wärme in den magnetischen aktiven Bereichen 31 der Rotoranordnung 3. In between the rotor assembly 3 and the respective projecting ends of the stator teeth 21 defined air gaps 5 exist during operation of the electrical machine 1 Alternating magnetic fields with a fundamental and harmonics. In particular, the harmonics of the alternating magnetic field in the air gap do not contribute to providing a torque through the rotor assembly 3 and only lead to the development of heat in the magnetic active areas 31 the rotor assembly 3 ,

Insbesondere bei Scheibenrotoren als Rotoranordnungen ist es schwierig, die in den magnetisch aktiven Bereichen 31 entstehende Wärme in geeigneter Weise abzuführen. Während üblicherweise die Rotoranordnungen 3 außerhalb des magnetisch aktiven Bereichs 31 magnetisch nichtleitend, insbesondere aus einem Kunststoff ausgebildet ist, ist ein abgeschlossener Hohlraum 32 vorgesehen, der sich radial von der Rotorwelle 4 bis angrenzend an den magnetisch aktiven Bereich 31 erstrecken kann. Der Hohlraum 32 ist in der gezeigten Ausführungsform zwischen zwei axial beabstandeten ringförmigen Trägerscheiben 33 ausgebildet, die an der Rotorwelle 4 fest angeordnet sind, zum Beispiel angespritzt sind, und nach radial außen hin durch die magnetisch aktiven Bereiche 31 abgeschlossen sind. Dadurch wird ein ringförmiger Hohlraum 32 radial innerhalb der magnetisch aktiven Bereiche 31 ausgebildet. Particularly in disk rotors as rotor arrangements, it is difficult to find in the magnetically active areas 31 dissipate the resulting heat in a suitable manner. While usually the rotor assemblies 3 outside the magnetically active area 31 is magnetically non-conductive, in particular made of a plastic, is a closed cavity 32 provided, extending radially from the rotor shaft 4 until adjacent to the magnetically active region 31 can extend. The cavity 32 is in the embodiment shown between two axially spaced annular support discs 33 formed on the rotor shaft 4 are fixed, for example, molded, and radially outward through the magnetically active areas 31 Are completed. This will create an annular cavity 32 radially within the magnetically active regions 31 educated.

In den Hohlraum 32 ist ein flüssiges Wärmeübertragungsmedium 8 eingebracht, das den Hohlraum 32 teilweise füllt, insbesondere 10 bis 50%, vorzugsweise zwischen 10 und 20%, füllt. Beim Betrieb der elektrischen Maschine 1 wird die Rotoranordnung 3 in Drehung versetzt, so dass sich das zunächst auf z.B. Umgebungstemperatur befindliche, flüssige Wärmeübertragungsmedium aufgrund der wirkenden Fliehkraft nach radial außen bewegt und dann in einem Wärmeaufnahmebereich 32a an einer Wärmeaufnahmefläche 34 des Hohlraums anliegt, die vorzugsweise thermisch gut leitend mit dem magnetisch aktiven Bereichs 31 gekoppelt ist. Insbesondere kann eine Wärmeaufnahmefläche 34 des Wärmeaufnahmebereichs 32a durch den magnetisch aktiven Bereich 31 gebildet sein oder einem damit gekoppelten (nicht gezeigten) Wärmkoppelelement in Kontakt stehen. Die Wärmeaufnahmefläche 34 ermöglicht es, dass die Wärme aus dem magnetisch aktiven Bereich 31 an das flüssige Wärmeübertragungsmedium 8 übertragen wird. In the cavity 32 is a liquid heat transfer medium 8th introduced the cavity 32 partially fills, in particular 10 up to 50%, preferably between 10 and 20%, fills. During operation of the electric machine 1 becomes the rotor assembly 3 set in rotation, so that the initially located on eg ambient temperature, the liquid heat transfer medium moves radially outward due to the centrifugal force acting and then in a heat receiving area 32a on a heat receiving surface 34 the cavity abuts, preferably thermally well conductive with the magnetically active region 31 is coupled. In particular, a heat receiving surface 34 the heat receiving area 32a through the magnetically active area 31 be formed or a coupled (not shown) heat coupling element in contact. The heat absorption surface 34 allows the heat from the magnetically active area 31 to the liquid heat transfer medium 8th is transmitted.

Das flüssige Wärmeübertragungsmedium 8 ist so gewählt, dass es eine Siedetemperatur aufweist, die möglichst einer optimalen Betriebstemperatur der elektrischen Maschine 1, insbesondere der Rotoranordnung 3, entspricht. Beispielsweise kann als Wärmeübertragermedien ein Gemisch aus Wasser und Alkohol, insbesondere Methanol, gewählt werden. Insbesondere wird die Siedetemperatur so gewählt, dass sie zwischen 30 und 160°C liegt, vorzugsweise zwischen 60 und 100°C. Weiterhin kann das Wärmeübertragungsmedium unter einem Druck in dem Hohlraum 32 aufgenommen sein, so dass die Siedetemperatur über den Druck und die Wahl des Wärmeübertragungsmediums einstellbar ist. The liquid heat transfer medium 8th is chosen so that it has a boiling temperature, the best possible optimum operating temperature of the electric machine 1 , in particular the rotor assembly 3 , corresponds. For example, as the heat transfer media, a mixture of water and alcohol, in particular methanol, can be selected. In particular, the boiling temperature is chosen to be between 30 and 160 ° C, preferably between 60 and 100 ° C. Furthermore, the heat transfer medium may be under a pressure in the cavity 32 be recorded so that the boiling temperature on the pressure and the choice of the heat transfer medium is adjustable.

Erreicht beim Betrieb der elektrischen Maschine 1 die Temperatur im magnetisch aktiven Bereich 31 die Siedetemperatur oder überschreitet diese, so wird die Wärmeenergie an das flüssige Wärmeübertragungsmedium 8 übertragen und ein Teil des Wärmeübertragungsmediums 8 verdampft. Dadurch wird dem aktiven magnetischen Bereich 31 aufgrund der Verdampfungsenthalpie Wärme entzogen. Das verdampfte Wärmeübertragungsmedium 9 ist gasförmig und wird sich aufgrund der deutlich geringeren Dichte radial nach innen zu einem Wärmeableitbereich 32b bewegen und dort an kühleren Oberflächen, insbesondere an einer Wärmeableitfläche 36, die einer Oberfläche der Rotorwelle 4 oder einer Fläche entspricht, die mit der Rotorwelle 4 (oder der Rotornabe) in wärmeleitfähigem Kontakt steht, abgekühlt, so dass das gasförmige Wärmeübertragungsmedium 9 kondensiert und die Kondensationswärme an die Wärmeableitfläche 36 abgibt. Achieved during operation of the electric machine 1 the temperature in the magnetically active region 31 the boiling temperature or exceeds this, the heat energy to the liquid heat transfer medium 8th transferred and a part of the heat transfer medium 8th evaporated. This will change the active magnetic field 31 deprived of heat due to the enthalpy of vaporization. The evaporated heat transfer medium 9 is gaseous and due to the significantly lower density radially inward to a heat dissipation 32b move and there on cooler surfaces, especially on a heat dissipation surface 36 that is a surface of the rotor shaft 4 or an area corresponding to the rotor shaft 4 (or the rotor hub) is in thermally conductive contact, cooled, so that the gaseous heat transfer medium 9 condenses and the heat of condensation to the heat dissipation surface 36 emits.

Im Wärmeaufnahmebereich 32a kann die Wärmeaufnahmefläche 34 des Hohlraums 32 zumindest teilweise noch mit Rippen oder anderen Strukturen, wie beispielsweise einem Metallschaum, versehen sein, um die Wärmeaufnahmefläche 34 zu vergrößern und somit den Wärmeübertrag von dem magnetisch aktiven Material 31 zu dem flüssigen Wärmeübertragungsmedium 8 zu erhöhen. Insbesondere entspricht das Volumen des Wärmeaufnahmebereichs 32a der Menge an flüssigem Wärmeübertragungsmedium 8. In the heat absorption area 32a can the heat receiving surface 34 of the cavity 32 at least partially still be provided with ribs or other structures, such as a metal foam, to the heat receiving surface 34 to increase and thus the heat transfer from the magnetically active material 31 to the liquid heat transfer medium 8th to increase. In particular, the volume of the heat absorption area corresponds 32a the amount of liquid heat transfer medium 8th ,

Alternativ oder zusätzlich kann die Wärmeableitfläche 36 des Wärmeableitbereichs 32b ebenfalls mit Rippen oder anderen Strukturen, wie beispielsweise einem porigem Metallschaum, versehen sein, um die Wärmeübertragung von dem kondensierenden Wärmeübertragungsmedium zur Rotorwelle 4 (bzw. im Falle einer Rotornabe zur Rotornabe hin) durch Vergrößern der Übertragungsfläche zu verbessern. Alternatively or additionally, the heat dissipation surface 36 the heat dissipation area 32b also be provided with ribs or other structures, such as a porous metal foam, to transfer heat from the condensing heat transfer medium to the rotor shaft 4 (or in the case of a rotor hub towards the rotor hub) to improve by increasing the transfer area.

Die durch einen Teil der Innenwand des Hohlraums 32 gebildete Wärmeaufnahmefläche 34 kann sich zumindest teilweise in radialer Richtung über einen Abschnitt der dem Hohlraum 32 zugewandten Innenwand der Trägerscheibe 33, d.h. in einen radial äußeren Teil der Trägerscheibe 33, erstrecken. Auf diese Weise kann bei Temperaturen unterhalb der Siedetemperatur das flüssige Wärmeübertragungsmedium 8 mit der gesamten Wärmeaufnahmefläche 34 in thermischen Kontakt stehen. The through part of the inner wall of the cavity 32 formed heat receiving surface 34 may be at least partially in the radial direction over a portion of the cavity 32 facing inner wall of the carrier disc 33 ie in a radially outer part of the carrier disk 33 , extend. In this way, at temperatures below the boiling temperature, the liquid heat transfer medium 8th with the entire heat receiving surface 34 to be in thermal contact.

Ebenso kann sich die Wärmeableitfläche 36 zusätzlich über einen radial inneren Abschnitt der dem Hohlraum 32 zugewandten Innenwand mindestens einer der Trägerscheiben 33 erstrecken. Die Trägerscheiben 33 können dazu ebenfalls mit die Wärmeübertragung verbessernden Strukturen versehen sein. Likewise, the heat dissipation surface 36 additionally via a radially inner portion of the cavity 32 facing inner wall of at least one of the carrier discs 33 extend. The carrier discs 33 can also be provided with the heat transfer improving structures.

Die obige Ausführungsform beschreibt einen ringförmigen Hohlraum 32. Jedoch kann der Hohlraum 32 auch mehrteilig als mehrere separate voneinander getrennte Hohlräume ausgebildet sein. Insbesondere können Strukturen, wie sie in den Querschnittsdarstellungen der 2a bis 2b dargestellt sind, vorgesehen sein. The above embodiment describes an annular cavity 32 , However, the cavity may be 32 also be designed in several parts as a plurality of separate separate cavities. In particular, structures as shown in the cross-sectional representations of 2a to 2 B are shown, be provided.

2a zeigt eine Schnittdarstellung einer Rotoranordnung 3 quer zur axialen Richtung mit mehreren, voneinander getrennten Hohlräumen 40, die jeweils einen radialen Kanal 41 und einen radial äußeren Wärmeaufnahmebereich 42 und einen radial inneren Wärmeableitbereich 43 aufweisen. Dadurch ist es möglich, die Robustheit des Scheibenrotors 3 zu verbessern, da das Trägermaterial zwischen den Hohlräumen 40 die Festigkeit erhöhen kann. Weiterhin können dadurch Unwuchten vermieden oder durch individuelles Anpassen der Menge an Wärmeübertragungsmedium in jeder der Hohlräume 40 ausgeglichen werden 2a shows a sectional view of a rotor assembly 3 transverse to the axial direction with a plurality of separate cavities 40 each having a radial channel 41 and a radially outer heat receiving area 42 and a radially inner heat sink area 43 exhibit. This makes it possible to increase the robustness of the disc rotor 3 to improve, since the carrier material between the cavities 40 can increase the strength. Furthermore, this can avoid imbalances or by individually adjusting the amount of heat transfer medium in each of the cavities 40 be compensated

Auch kann, wie in der Schnittdarstellung der 2b quer zur axialen Richtung gezeigt, die Rotoranordnung 3 mit mehreren, voneinander getrennten Hohlräumen 50 versehen sein. Die Kühleinrichtung wird mit Hilfe sich lediglich in radialer Richtung erstreckenden Kanälen 51 konstanten Querschnitts in radialer Richtung vorgesehen. Diese stehen mit einer Wärmeaufnahmefläche 52 in einem Wärmeaufnahmebereich 54 an dem magnetisch aktiven Bereich 31 und mit einer Wärmeableitfläche 53 in einem Wärmeableitbereich 55, die thermisch mit der Rotorwelle 4 gekoppelt ist, in Kontakt. Also, as in the sectional view of 2 B shown transverse to the axial direction, the rotor assembly 3 with several, separate cavities 50 be provided. The cooling device is by means of only radially extending channels 51 constant cross-section provided in the radial direction. These stand with a heat receiving surface 52 in a heat receiving area 54 at the magnetically active area 31 and with a heat dissipation surface 53 in a heat dissipation area 55 , which thermally with the rotor shaft 4 coupled, in contact.

Bei weiteren Ausführungsformen der Kühleinrichtung können der Hohlraum 32 oder die Hohlräume 40, 50 in der Rotorscheibe 3 durch ein entsprechendes Hohlelement gebildet sein. Das Hohlelement kann separat gefertigt sein und ein jeweils abgeschlossenes Volumen aufweisen, das mit dem Wärmeübertragungsmedium der oben beschriebenen Art gefüllt ist. das Hohlelement weist eine Außenkontur auf, so dass es fest in dem Hohlraum 32 bzw. in den Hohlräumen 40, 50 aufgenommen werden kann und zumindest in dem Wärmeaufnahmebereich 32a, 42, 54 und in dem Wärmeableitbereich 32b, 43, 55 bündig an den betreffenden Abschnitten der Innenwand bzw. Innenwände des Hohlraums 32 bzw. der Hohlräume 40, 50 anliegt. Auf diese Weise kann eine Rotoranordnung 3 in einfacher Weise mit der entsprechenden Kühleinrichtung lediglich durch Einsetzen des Hohlelementes gebildet werden. Das Hohlelement kann weiterhin einen Austritt des Wärmeübertragungsmediums verhindern, so dass die Trägerscheiben 33 keine Abdichtung gegenüber dem Wärmeübertragungsmedium mehr gewährleisten müssen. Da das Hohlelement die Funktion der Abdichtung gegenüber dem Wärmeübertragungsmedium übernehmen kann, kann die Rotoranordnung 3 dadurch wesentlich einfacher ausgeführt sein. In further embodiments of the cooling device, the cavity 32 or the cavities 40 . 50 in the rotor disk 3 be formed by a corresponding hollow element. The hollow element may be manufactured separately and have a respective closed volume, which is filled with the heat transfer medium of the type described above. the hollow element has an outer contour, so that it firmly in the cavity 32 or in the cavities 40 . 50 can be included and at least in the heat receiving area 32a . 42 . 54 and in the heat dissipation area 32b . 43 . 55 flush with the relevant sections of the inner wall or inner walls of the cavity 32 or the cavities 40 . 50 is applied. In this way, a rotor assembly 3 be formed in a simple manner with the corresponding cooling device only by inserting the hollow element. The hollow element may further prevent leakage of the heat transfer medium, so that the carrier discs 33 no longer have to ensure a seal against the heat transfer medium. Since the hollow element can take over the function of sealing against the heat transfer medium, the rotor assembly 3 be carried out much easier.

Claims

Rotoranordnung (3), insbesondere eine Rotorscheibe, für eine rotatorische elektrische Maschine (1), insbesondere einen Scheibenläufermotor, umfassend: – einen Rotorkörper mit einem oder mehreren radial außen liegenden magnetisch aktiven Bereichen (31), insbesondere einen oder mehreren Permanentmagneten; – einen oder mehrere abgeschlossene Hohlräume (32, 40, 50), die teilweise mit einem flüssigen Wärmeübertragungsmedium gefüllt sind; wobei ein Wärmeaufnahmebereich (32a, 42, 54) des einen oder der mehreren Hohlräume (32, 40, 50) thermisch leitend mit dem einen oder den mehreren magnetisch aktiven Bereichen gekoppelt ist, wobei ein bezüglich des Wärmeaufnahmebereichs (32a, 42, 54) radial innen liegender Wärmeableitbereich (32b, 43, des einen oder der mehreren Hohlräume (32, 40, 50) vorgesehen ist und mit einer Wärmesenke in Kontakt steht. Rotor arrangement ( 3 ), in particular a rotor disk, for a rotary electric machine ( 1 ), in particular a pancake motor, comprising: a rotor body with one or more radially outer magnetically active regions ( 31 ), in particular one or more permanent magnets; - one or more closed cavities ( 32 . 40 . 50 ) partially filled with a liquid heat transfer medium; wherein a heat receiving area ( 32a . 42 . 54 ) of the one or more cavities ( 32 . 40 . 50 ) is thermally coupled to the one or more magnetically active regions, with respect to the heat receiving region ( 32a . 42 . 54 ) radially inward heat dissipation area ( 32b . 43 , one or more cavities ( 32 . 40 . 50 ) is provided and is in contact with a heat sink.

Rotoranordnung (3) nach Anspruch 1, wobei das flüssige Wärmeübertragungsmedium eine vorgegebene Siedetemperatur aufweist, die in einem Bereich liegt, bei dem magnetische Eigenschaften des magnetisch aktiven Bereichs (31) erhalten sind, wobei die Siedetemperatur insbesondere zwischen 30° und 160°, bevorzugt zwischen 60° und 100° liegt. Rotor arrangement ( 3 ) according to claim 1, wherein the liquid heat transfer medium has a predetermined boiling temperature which is within a range in which magnetic properties of the magnetically active region ( 31 ), wherein the boiling temperature is in particular between 30 ° and 160 °, preferably between 60 ° and 100 °.

Rotoranordnung (3) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das flüssige Wärmeübertragungsmedium Wasser und/oder Alkohol, insbesondere Methanol, enthält. Rotor arrangement ( 3 ) according to claim 1 or 2, wherein the liquid heat transfer medium contains water and / or alcohol, in particular methanol.

Rotoranordnung (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Hohlraum (32, 40, 50) ringförmig ist und zwischen zwei axial beabstandeten Trägerscheiben (33) gebildet ist. Rotor arrangement ( 3 ) according to one of claims 1 to 3, wherein the cavity ( 32 . 40 . 50 ) is annular and between two axially spaced support discs ( 33 ) is formed.

Rotoranordnung (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei mehrere separate Hohlräume (40, 50) vorgesehen sind, die in Umfangsrichtung voneinander beabstandet sind. Rotor arrangement ( 3 ) according to one of claims 1 to 3, wherein a plurality of separate cavities ( 40 . 50 ) are provided, which are spaced apart in the circumferential direction.

Rotoranordnung nach Anspruch 5, wobei mindestens einer der Hohlräume (40, 50) einen radialen Kanal (41) aufweist, wobei der radial äußere Wärmeaufnahmebereich (42, 54) einen zum Querschnitt des Kanals (41) vergrößerten Querschnitt und der radial innere Wärmeabführungsbereich (43, 55) einen zum Querschnitt des Kanals (41) vergrößerten Querschnitt aufweisen. Rotor assembly according to claim 5, wherein at least one of the cavities ( 40 . 50 ) a radial channel ( 41 ), wherein the radially outer heat receiving area ( 42 . 54 ) one to the cross section of the channel ( 41 ) enlarged cross-section and the radially inner heat dissipation area ( 43 . 55 ) one to the cross section of the channel ( 41 ) have enlarged cross-section.

Rotoranordnung (3) nach Anspruch 5, wobei mindestens einer der Hohlräume (50) lediglich als ein radial verlaufender Kanal (51) mit einem konstanten oder kontinuierlich sich ändernden Querschnitt ausgebildet ist. Rotor arrangement ( 3 ) according to claim 5, wherein at least one of the cavities ( 50 ) merely as a radially extending channel ( 51 ) is formed with a constant or continuously changing cross section.

Rotoranordnung (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine Wärmeaufnahmefläche des einen oder der mehreren Wärmeaufnahmebereiche (32a, 42, 54) des einen oder der mehreren Hohlräume (32, 40, 50) und/oder eine Wärmeableitfläche des einen oder der mehreren Wärmeableitbereiche (32b, 43, 55) des einen oder der mehreren Hohlräume (32, 40, 50) zumindest teilweise mit die Wärmeaufnahmefläche bzw. die Wärmeableitfläche vergrößernden Strukturen, insbesondere einem Metallschaum, eine oder mehreren Rippen, versehen sind. Rotor arrangement ( 3 ) according to one of claims 1 to 7, wherein a heat receiving surface of the one or more heat receiving areas ( 32a . 42 . 54 ) of the one or more cavities ( 32 . 40 . 50 ) and / or a heat dissipation surface of the one or more heat dissipation regions ( 32b . 43 . 55 ) of the one or more cavities ( 32 . 40 . 50 ) are at least partially provided with the heat receiving surface or the heat dissipation surface enlarging structures, in particular a metal foam, one or more ribs.

Rotoranordnung (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei mindestens einer des einen oder der mehreren abgeschlossenen Hohlräume (32, 40, 50) durch ein von dem Rotorkörper separates Hohlelement gebildet ist. Rotor arrangement ( 3 ) according to one of claims 1 to 8, wherein at least one of the one or more closed cavities ( 32 . 40 . 50 ) is formed by a hollow member separate from the rotor body.

Elektrische Maschine (1) mit mindestens einer Statoreinheit (2) und einer dazu axial versetzten rotatorischen Rotoranordnung (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 8. Electric machine ( 1 ) with at least one stator unit ( 2 ) and an axially offset rotational rotor assembly ( 3 ) according to one of claims 1 to 8.

Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 10, wobei die Rotoranordnung (3) an einer Rotorwelle (4) bzw. einer Rotornabe angeordnet ist, wobei der Wärmeableitbereich (32a, 42, 54) mit der Rotorwelle (4) bzw. der Rotornabe thermisch gut leitend gekoppelt ist. Electric machine ( 1 ) according to claim 10, wherein the rotor assembly ( 3 ) on a rotor shaft ( 4 ) or a rotor hub is arranged, wherein the heat dissipation area ( 32a . 42 . 54 ) with the rotor shaft ( 4 ) or the rotor hub is coupled thermally well conductive.