DE102019204960A1

DE102019204960A1 - Rotor für eine elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102019204960A1
Application number: DE102019204960.5A
Authority: DE
Inventors: Korbinian Weber; Lars Wetterau
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2019-04-08
Filing date: 2019-04-08
Publication date: 2020-10-08
Also published as: CN111799906B; CN111799906A; US11637468B2; US20200321817A1

Abstract

Rotor für eine elektrische Maschine, mit einem auf einer Welle (8) angeordneten, mit Magneten (3) versehenes Blechpaket bestehend aus mehreren einzelnen, auf eine Welle (8) aufgeschobenen, aneinander anschließenden Blechen oder aus mehreren Blechen bestehenden Teilblechpaketen (1) mit einer mittigen, die Welle (8) aufnehmenden Bohrung (4), wobei zumindest ein Teil der Bleche oder Teilblechpakete (1) um einen vorbestimmten Verdrehwinkel (a) verdreht auf der Welle (8) aufgeschoben sind, wobei jedes Blech oder Teilblechpaket (1) mehrere um das Zentrum (Z) der Bohrung (4) herum verteilt angeordnete Kühlmitteldurchbrechungen (6) aufweist, wobei der Winkelversatz zweier benachbarter Kühlmitteldurchbrechungen (6) dem Verdrehwinkel (a) entspricht.

Description

Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine, mit einem auf einer Welle angeordneten, mit Magneten versehenes Blechpaket bestehend aus mehreren einzelnen, auf eine Welle aufgeschobenen, aneinander anschließenden Blechen oder aus mehreren Blechen bestehenden Teilblechpaketen mit einer mittigen, die Welle aufnehmenden Bohrung, wobei zumindest ein Teil der Bleche oder der Teilblechpakete um einen vorbestimmten Verdrehwinkel verdreht auf der Welle aufgeschoben sind.
Elektrische Maschine, insbesondere Permanentmagnet-erregte Synchronmaschinen besitzen üblicherweise einen Rotor bestehend aus einer Welle, ein auf der Welle angeordnetes Blechpaket mit daran vorgesehenen Magneten und einer Wucht- oder Abschlussscheibe an jedem Ende des Blechpakets. Das Blechpaket selbst besteht entweder aus einzelnen hintereinander auf die Welle aufgeschobenen Blechen oder aus mehreren axial kürzeren Teilblechpaketen, die jeweils aus mehreren separaten Einzelblechen bestehen. Um eine möglichst gleichmäßige Drehmomenterzeugung und damit eine Reduzierung der Drehmoment-Welligkeit der elektrischen Maschine zu gewährleisten, werden die Bleche respektive Teilblechpakete auf der Welle üblicherweise geringfügig verdreht zueinander angeordnet, also um einen vorbestimmten Verdrehwinkel versetzt aufgeschoben. Dieser Verdrehwinkel wird auch „Staffelwinkel“ genannt.
Im Betrieb der elektrischen Maschine erwärmt sich der Rotor aufgrund von Verlustenergie, wobei der meiste Teil der Verlustenergie im Betrieb bei diesen Rotoren nahe dem Außenumfang entsteht. Hierbei fungieren sowohl das Blechpaket als auch die paketseitig integrierten Magnete als Verlustquelle. Um einen solchen Rotor zu kühlen, ist es bekannt, die Welle mit einem Kühlfluid zu durchströmen. Dies ist jedoch insofern nachteilig, als ein langer Entwärmungspfad vom Außenbereich des Rotors durch das Blechpaket und die Welle-Nabe-Verbindung bis zur gekühlten Innenfläche der hohlen Welle gegeben ist.
Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, einen Rotor mit verbesserter Kühlung anzugeben.
Zur Lösung dieses Problems ist bei einem Rotor der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass jedes Blech oder Teilblechpaket mehrere um das Zentrum der Bohrung herum verteilt angeordnete Kühlmitteldurchbrechungen aufweist, wobei der Winkelversatz zweier benachbarter Bohrungen dem Verdrehwinkel entspricht.
Erfindungsgemäß ist jedes Blech oder jedes Teilblechpaket mit einer Mehrzahl von Kühlmitteldurchbrechungen, die um das Zentrum der Bohrung herum verteilt, also auf einem entsprechend definierten Radius, ausgebildet sind, versehen. Das Durchbrechungsbild aller Bleche oder Teilbleche ist identisch, das heißt, dass die Herstellung der Bleche oder Teilblechpakete insoweit standardisiert werden kann und alle Bleche eines Rotors in gleicher Weise üblicherweise gestanzt werden können.
Erfindungsgemäß ist nun der Winkelversatz zweier benachbarter Bohrungen so gewählt, dass er exakt dem Verdrehwinkel, also dem Staffelwinkel, um den die Bleche oder Teilblechpakete versetzt auf die Welle aufgeschoben werden, entspricht. Das heißt, dass der Teilungswinkel der Kühlmitteldurchbrechungen dem Staffelwinkel entspricht.
Dies ermöglicht es nun mit besonderem Vorteil, die Bleche oder Teilblechpakete entsprechend versetzt aufschieben zu können, wobei die Kühlmitteldurchbrechungen trotz verdrehten Aufschiebens miteinander fluchten und auf diese Weise sich axial durch den Rotor erstreckende Kühlkavitäten ergeben, ohne dass eine Varianz innerhalb der Blech- oder Teilblechpaketausgestaltung gegeben wäre.
Da um das Zentrum der Bohrung der Bleche oder Teilblechpakete herum mehrere Kühlmitteldurchbrechungen angeordnet sind, die relativ klein vom Durchbrechungsdurchmesser her gehalten werden können, kann eine entsprechend große Anzahl an sich axial durch den Rotor erstreckender Kühlkanäle oder Kavitäten ausgebildet werden, so dass aufgrund der Vielzahl dieser einzelnen Kanäle eine in der Summe große gekühlte Oberfläche innerhalb des Rotors gegeben ist, was zu einer hohen Kühlwirkung mit kurzen Entwärmungspfaden führt, da wie beschrieben die Kühlmitteldurchbrechungen blech- oder teilblechpaketseitig ausgebildet sind und demzufolge deutlich näher am Ort des Verlustenergieeintrags und damit der starken Erwärmung liegen, als dies bei einer Wellenkühlung der Fall wäre.
Zusätzlich sind die verhältnismäßig kleinen, vielen Kavitäten weniger anfällig für Be- und Entschleunigungsvorgänge innerhalb des Rotors, da sich auch bei einem beschleunigungsbedingten Abdrängen von Kühlfluid die Kühlfläche nicht signifikant reduziert. Das heißt, dass auch bei dynamischem Betrieb die Kühlleistung erhalten bleibt.
Jede Bohrung eines Blechs oder eines Teilblechpakets weist für eine drehfeste Verbindung mit der Welle zweckmäßigerweise eine Innenverzahnung auf, mit der sie auf eine Außenverzahnung der Welle aufgeschoben ist, wobei die Kühlmitteldurchbrechungen benachbart zu der Innenverzahnung ausgebildet sind. Dabei kann der Winkelversatz der Kühlmitteldurchbrechungen dem Winkelversatz der Innenverzahnung entsprechen. Da über den Teilungswinkel der Innenverzahnung und damit auch den der wellenseitigen Außenverzahnung der mögliche Verdreh- oder Staffelwinkel definiert wird, orientiert sich zweckmäßigerweise der Winkelversatz der Kühlmitteldurchbrechungen am Winkelversatz der Innenverzahnung, das heißt, dass die Teilung der Kühlmitteldurchbrechungen der Teilung der Innenverzahnung entspricht.
Die Kühlmitteldurchbrechungen sind dabei bevorzugt in radialer Verlängerung der Täler zwischen zwei Zähnen der Innenverzahnung angeordnet und zur Bohrung hin offen. Gemäß dieser Erfindungsalternative sind also die Kühlmitteldurchbrechungen so angebracht, dass sie in unmittelbarer radialer Verlängerung der Täler zwischen zwei Innenverzahnungszähnen angeordnet sind, wobei sich diese Täler quasi radial am Innenumfang der Bohrung in das jeweilige Blech respektive Teilblechpaket erstrecken. Die Kühlmitteldurchbrechungen sind nun so angeordnet, dass sie zu diesen Tälern hin offen sind, mithin also zur Bohrung hin offen sind. Dies bringt den besonderen Vorteil mit sich, dass mit der Ausbildung der Bohrung zugleich auch die entsprechenden Kühlmitteldurchbrechungen ausgebildet werden können, das heißt, dass mit einem gemeinsamen Werkzeug sowohl die Bohrung als auch die Kühlmitteldurchbrechungen ausgebildet, üblicherweise ausgestanzt werden können.
Alternativ hierzu besteht die Möglichkeit, die Kühlmitteldurchbrechungen auch als geschlossene Durchbrechungen auszubilden, wobei diese in diesem Fall nicht unbedingt in radialer Verlängerung der Täler zwischen zwei Innenverzahnungszähnen angeordnet sein müssen, sondern auch in radialer Verlängerung der Zähne positioniert sein können, oder auch versetzt dazwischen, solange der Teilungswinkel der Kühlmitteldurchbrechungen dem Teilungswinkel der Innenverzahnung entspricht.
Die Kühlmitteldurchbrechungen selbst sind bevorzugt gestanzt, wie üblicherweise jedes Blech ebenfalls in einem Stanzverfahren ausgebildet wird.
Neben dem Rotor selbst betrifft die Erfindung ferner eine elektrische Maschine, umfassend einen Rotor der vorbeschriebenen Art. Bei der elektrischen Maschine handelt es sich bevorzugt um eine Permanentmagnet-erregte Synchronmaschine.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

1 eine Prinzipdarstellung eines Teilblechpakets, bestehend aus mehreren einzelnen Blechen, mit im Teilblechpaket angeordneten, integrierten Magneten und Kühlmitteldurchbrechungen,
2 eine Seitenansicht eines Rotors mit vier auf eine Welle aufgesteckten, um einen Staffelwinkel versetzt angeordneten Teilblechpakete,
3 eine Teilansicht eines Rotors unter Darstellung des Verbindungsbereichs von Welle zum Blech respektive Teilblechpaket mit zur Bohrung hin offenen Kühlmitteldurchbrechungen, und
4 eine Ansicht entsprechend 3 mit geschlossenen Kühlmitteldurchbrechungen.

1 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Teilblechpakets 1, das üblicherweise aus mehreren separaten, hintereinander angeordneten Blechen besteht, die zu dem Teilblechpaket 1 paketiert sind. An den Blechen respektive dem Teilblechpaket 1 sind eine Mehrzahl an Durchbrechungen 2 ausgebildet, die längs, also in Axialrichtung, durch das Teilblechpaket 1 laufen, und in denen Permanentmagnete 3 eingesetzt, z. B. eingeklebt sind.
Vorgesehen ist des Weiteren auch eine Bohrung 4, die eine Innenverzahnung 5 aufweist, mit der das Teilblechpaket 1 auf eine eine Außenverzahnung aufweisende Welle aufgeschoben wird.
Um das Zentrum Z der Bohrung 4 verteilt und äquidistant voneinander beabstandet sind eine Vielzahl einzelner, relativ kleiner Kühlmitteldurchbrechungen 6 ausgebildet. Sie liegen allesamt auf dem gleichen Radius und sind um einen definierten Winkel a voneinander in Umfangsrichtung beabstandet. Dieser Winkel a entspricht exakt dem Verdreh- oder Staffelwinkel, um den zwei benachbarte Blechpakete versetzt zueinander auf der Welle aufgeschoben werden können. Da dieser Staffelwinkel durch die Teilung der Innenverzahnung 5 definiert wird, entspricht demzufolge die Teilung der Kühlmitteldurchbrechungen 6 der Teilung der Innenverzahnung 5.
Diese erfindungsgemäße Anordnung der Kühlmitteldurchbrechungen 6 führt nun dazu, dass die Kühlmitteldurchbrechungen 6 zweier benachbarter Teilblechpakete 1 miteinander axial gesehen fluchten, auch wenn die Teilblechpakete 1 um den Verdreh- oder Staffelwinkel a versetzt auf die Welle aufgeschoben werden. Denn trotz dieses Winkelversatzes der Teilblechpakete 1 liegen die Kühlmitteldurchbrechungen 6 axial gesehen deckungsgleich übereinander, so dass sich durch den Rotor axial erstreckende Kühlmittelkanäle durch die miteinander kommunizierenden Kühlmitteldurchbrechungen ausbilden. Da eine Vielzahl solcher kleiner Kühlmitteldurchbrechungen 6 vorgesehen sind, bilden sich demzufolge eine Vielzahl von im Querschnitt kleinen Kühlmittelkanälen aus, die in der Summe eine beachtlich große Oberfläche bilden, an der ein Wärmeübergang vom sich erwärmenden Rotormaterial zum die Kühlmittelkanäle durchströmenden Kühlfluid ermöglichen.
2 zeigt eine Prinzpdarstellung eines erfindungsgemäßen Rotors 7, bei dem im gezeigten Ausführungsbeispiel vier das Blechpaket bildende Teilblechpakete 1 axial hintereinander auf eine Welle 8, die eine Außenverzahnung 9 aufweist, aufgeschoben sind. Über die gestrichelten Linien sind die vergrabenen Magnete 3 angedeutet, wobei anhand der Lage der Magnete 3 ersichtlich wird, dass die Teilblechpakete 1 um den Verdreh- oder Staffelwinkel a verdreht zueinander aufgeschoben sind. Die beiden äußeren Teilblechpakete 1 sind jeweils um den Winkel a verdreht zu den beiden weiter innen liegenden Teilblechpaketen angeordnet, wobei die beiden innenliegenden Teilblechpakete in gleicher Ausrichtung aufgeschoben sind.
Unabhängig von diesem Verdrehwinkel liegen sämtliche Kühlmitteldurchbrechungen 6 der vier Teilblechpakete 1 allesamt axial fluchtend zueinander, so dass sich eine Vielzahl einzelner, sich axial durch den Rotor 7 erstreckender Kühlmittelkanäle 10 ergibt, wobei in 2 nur zwei derartiger gestrichelter Kühlmittelkanäle 10 dargestellt sind.
3 zeigt eine erste Prinzipdarstellung betreffend die Anordnung und Ausbildung der Kühlmitteldurchbrechungen 6. Gezeigt ist ein Ausschnitt aus dem Bereich der Verzahnungskopplung eines Blechs oder Teilblechpakets 1 und der Welle 8. Ersichtlich greifen die Zähne 11 der Innenverzahnung 5 zwischen die Zähne 12 der Außenverzahnung 9, so dass sich ein drehfester Verzahnungseingriff ergibt.
Sämtliche Kühlmitteldurchbrechungen 6 sind in radialer Verlängerung der zwischen zwei Zähnen 11 gegebenen Täler der Innenverzahnung 5 angeordnet. Sie sind dabei zur Bohrung 4 hin offen, das heißt, dass im Rahmen der Herstellung die Kühlmitteldurchbrechungen 6 zusammen mit der Bohrung 4 ausgestanzt werden können, wozu ein einziges Werkzeug verwendet werden kann. Die Kühlkanäle 10 werden demzufolge einerseits radial gesehen über das jeweilige Blech oder Teilblechpaket 1 geschlossen, andererseits radial nach innen über die Zähne 12 der Außenverzahnung 9 der Welle 8.
Eine alternative Ausgestaltung hierzu zeigt 4. Bei dieser sind die Kühlmitteldurchbrechungen 6 als separate, geschlossene Bohrungen radial weiter außenliegend als die Innenverzahnung 5 ausgebildet. Sie sind bei diesem gezeigten Beispiel in radialer Verlängerung der Zähne 11 der Innenverzahnung 5 ausgebildet, gleichwohl entspricht aber auch hier die Teilung der Kühlmitteldurchbrechungen 6 der Teilung der Innenverzahnung 5. Bei dieser Ausgestaltung liegen die Kühlmitteldurchbrechungen 6 und demzufolge auch die Kühlkanäle 10 radial weiter außen, also näher zum Ort des stärksten Verlustleistungseintrags, der wie beschrieben im Außenbereich des Rotors liegt, wo die Magneten 3 integriert sind.
Wenngleich 4 eine Ausbildung der Kühlmitteldurchbrechungen 6 in radialer Verlängerung der Zähne 11 zeigt, wäre es gleichermaßen auch denkbar, die Kühlmitteldurchbrechungen 6 in radialer Verlängerung der zwischen zwei Zähnen 11 befindlichen Täler auszubilden, oder auch zwischen den Zähnen und Tälern, solange die Teilung der Kühlmitteldurchbrechungen 6 der Teilung der Innenverzahnung 5 entspricht.

Claims

Rotor für eine elektrische Maschine, mit einem auf einer Welle (8) angeordneten, mit Magneten (3) versehenes Blechpaket bestehend aus mehreren einzelnen, auf eine Welle (8) aufgeschobenen, aneinander anschließenden Blechen oder aus mehreren Blechen bestehenden Teilblechpaketen (1) mit einer mittigen, die Welle (8) aufnehmenden Bohrung (4), wobei zumindest ein Teil der Bleche oder Teilblechpakete (1) um einen vorbestimmten Verdrehwinkel (a) verdreht auf der Welle (8) aufgeschoben sind, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Blech oder Teilblechpaket (1) mehrere um das Zentrum (Z) der Bohrung (4) herum verteilt angeordnete Kühlmitteldurchbrechungen (6) aufweist, wobei der Winkelversatz zweier benachbarter Kühlmitteldurchbrechungen (6) dem Verdrehwinkel (a) entspricht.
Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jede Bohrung (4) eine Innenverzahnung (5), mit der sie auf eine Außenverzahnung (9) der Welle (8) aufgeschoben ist, aufweist, wobei die Kühlmitteldurchbrechungen (6) benachbart zu der Innenverzahnung (5) ausgebildet sind.
Rotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkelversatz der Kühlmitteldurchbrechungen (6) dem Winkelversatz der Innenverzahnung (5) entspricht.
Rotor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmitteldurchbrechungen (6) in radialer Verlängerung der Täler zwischen zwei Zähnen (11) der Innenverzahnung (5) angeordnet und zur Bohrung (4) hin offen sind.
Rotor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmitteldurchbrechungen (6) geschlossene Durchbrechungen sind.
Rotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmitteldurchbrechungen (6) gestanzt sind.
Elektrische Maschine, umfassend einen Rotor (7) nach einem der vorangehenden Ansprüche.