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Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine, eine elektrische Maschine mit einem Rotor und ein Fahrzeug mit einer elektrischen Maschine.
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Der Rotor weist eine Rotorwelle und ein auf der Rotorwelle angeordnetes, aus gestapelten Elektroblechen gebildetes Blechpaket auf. Der Rotor gehört gemeinsam mit einem Stator zu einer elektrischen Maschine.
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Elektrische Maschinen dieser Art werden in zunehmendem Maße in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen und Hybridfahrzeugen verwendet, überwiegend als Elektromotor für den Antrieb eines Rads oder einer Achse eines derartigen Fahrzeugs.
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Ein solcher Elektromotor ist zumeist mechanisch mit einem Getriebe zur Drehzahlanpassung gekoppelt. Daneben ist der Elektromotor in der Regel elektrisch mit einem Wechselrichter gekoppelt, der aus einer von einer Batterie gelieferten Gleichspannung eine Wechselspannung für den Betrieb des Elektromotors erzeugt, beispielsweise eine mehrphasige Wechselspannung.
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Es ist auch möglich, eine elektrische Maschine mit einem derartigen Rotor als Generator zur Rekuperation von Bewegungsenergie eines Fahrzeugs zu betreiben. Hierzu wird die Bewegungsenergie zunächst in elektrische Energie und dann in chemische Energie einer Fahrzeugbatterie umgewandelt.
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Bei einer bestimmten Bauart von elektrisch erregten Synchronmotoren (EESM) besitzt der Rotor Rotorwicklungen, die mit Gleichstrom gespeist werden, um ein magnetisches Erregerfeld zu erzeugen. Wenn mit den Statorwicklungen eines zugehörigen Stators ein Drehfeld erzeugt wird, bewirkt das eine Kraftwirkung auf den Rotor, sodass dieser synchron zum Statordrehfeld rotiert.
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Die Rotorwicklungen werden dabei allerdings stark erwärmt, sodass eine Kühlung erforderlich ist. Die Kühlung kann beispielsweise durch Aufsprühen von flüssigem Kühlmittel, zum Beispiel Öl, auf die Axialseiten des Rotors erfolgen. Allerdings wirkt diese Art der Kühlung nur oberflächlich und ist deshalb wenig effektiv.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Rotor für eine elektrische Maschine anzugeben, der während des Betriebs besser gekühlt werden kann.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Rotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgesehen.
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Der erfindungsgemäße Rotor umfasst ein auf der Rotorwelle angeordnetes, aus gestapelten Elektroblechen gebildetes Blechpaket, sowie Zähne, die von den Elektroblechen radial nach außen abstehen, eine an einer Axialseite des Blechpakets angeordnete erste Endplatte mit entlang ihres Umfangs angeordneten radialen Vorsprüngen, eine an der gegenüberliegenden Axialseite des Blechpakets angeordnete zweite Endplatte mit entlang ihres Umfangs angeordneten radialen Vorsprüngen, mehrere Rotorwicklungen, die jeweils um einen Vorsprung der ersten Endplatte und einen axial gegenüberliegenden Vorsprung der zweiten Endplatte gewunden sind, eine erste topfförmige Endkappe, welche die erste Endplatte axial abdeckt, eine zweite topfförmige Endkappe, welche die zweite Endplatte axial abdeckt, einen in der Rotorwelle axial verlaufenden Kühlkanal für ein Kühlmittel, der radial in einen ersten Hohlraum abzweigt, der durch die erste Endplatte und die erste topfförmige Endkappe begrenzt ist, eine in dem ersten Hohlraum angeordnete erste Fließbarriere, die den ersten Hohlraum in Umfangsrichtung begrenzt, mehrere in Lücken zwischen benachbarten Rotorwicklungen gebildete axial verlaufende Kühlkanäle, einen zweiten Hohlraum, der an der dem ersten Hohlraum gegenüberliegenden Axialseite angeordnet ist und durch die zweite Endplatte und die zweite topfförmige Endkappe begrenzt ist, und eine in dem zweiten Hohlraum angeordnete zweite Fließbarriere, die den zweiten Hohlraum in Umfangsrichtung begrenzt, wobei der durch die zweite Fließbarriere begrenzte zweite Hohlraum mit zwei der in den Lücken zwischen benachbarten Rotorwicklungen gebildeten, axial verlaufenden, eine Richtungsumkehr des Kühlmittels ermöglichenden Kühlkanälen verbunden ist.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass eine verbesserte Kühlung der Rotorwicklungen erzielt werden kann, wenn das Kühlmittel aufgrund der ersten und zweiten Fließbarriere von einer Axialseite des Rotors durch die axialen Kühlkanäle zu der gegenüberliegenden Axialseite fließt, wobei durch die Fließbarrieren eine Richtungsumkehr des Kühlmittels erfolgt. Das Kühlmittel strömt somit zunächst entlang der Axialrichtung an den Rotorwicklungen vorbei, nach einer Richtungsumkehr strömt es in die entgegengesetzte Axialrichtung an anderen Rotorwicklungen vorbei. Durch die erste und die zweite Fließbarriere verlängert sich der von dem Kühlmittel beim Durchströmen des Rotors zurückgelegte Weg, sodass es mehr Wärme aufnehmen und von den Rotorwicklungen abführen kann. Im Vergleich zu einem herkömmlichen Rotor, bei dem lediglich Kühlmittel auf die Axialseiten gesprüht wird, kann der erfindungsgemäße Rotor wesentlich besser und homogener gekühlt werden.
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Bei der elektrischen Maschine kann es sich zum Beispiel um einen elektrisch erregten Synchronmotor (EESM) handeln. Die Endplattenvorsprünge einer Endplatte, welche auch als „Plattenfortsätze“ bezeichnet werden, können entlang des Umfanges der Endplatte angeordnet sein. Sie dienen unter anderem zum Halten der Rotorwicklungen in einer bestimmten Position. Die Blechpaketvorsprünge des Blechpakets werden auch als „Zähne“ bezeichnet.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die in dem ersten Hohlraum angeordnete erste Fließbarriere wenigstens einen weiteren Abschnitt des ersten Hohlraums begrenzt, der mit zwei der in den Lücken zwischen benachbarten Rotorwicklungen gebildeten, axial verlaufenden, eine Richtungsumkehr des Kühlmittels ermöglichenden Kühlkanälen verbunden ist. Analog kann auch die in dem zweiten Hohlraum angeordnete zweite Fließbarriere wenigstens einen weiteren Abschnitt des zweiten Hohlraums begrenzen, der mit zwei der in den Lücken zwischen benachbarten Rotorwicklungen gebildeten, axial verlaufenden, eine Richtungsumkehr des Kühlmittels ermöglichenden Kühlkanälen verbunden ist.
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Indem sowohl der erste Hohlraum als auch der zweite Hohlraum in zwei oder mehr Abschnitte unterteilt ist, kann mehrfach eine Richtungsumkehr des Kühlmittels erfolgen. Dementsprechend kann ein mäanderförmiger Kühlmittelpfad gebildet sein, bei dem das Kühlmittel auf seinem Weg durch die Rotorwicklungen mehrfach die Richtung wechselt und beim Passieren der Rotorwicklungen erwärmt wird. Die Kühlung des erfindungsgemäßen Rotors ist daher besonders effizient.
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Bei dem erfindungsgemäßen Rotor kann es vorgesehen sein, dass die erste Fließbarriere und/oder die zweite Fließbarriere sich sternförmig nach außen erstreckende Arme aufweist bzw. aufweisen. Diese Arme begrenzen die einzelnen Abschnitte des ersten Hohlraums oder des zweiten Hohlraums. Derartige Fließbarrieren können einfach hergestellt werden und zeichnen sich durch eine geringe Masse aus.
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Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der von der Rotorwelle radial in den ersten Hohlraum mündende Kühlkanal mit mehreren axial verlaufenden Kühlkanälen verbunden ist und die erste und die zweite Fließbarriere jeweils so geformt sind, dass das Kühlmittel beim Passieren einer Fließbarriere seine Strömungsrichtung umkehrt. Bei dieser Ausgestaltung sind zwei oder mehr separate Kühlkanäle gebildet, durch die gleichzeitig Kühlmittel fließen kann. Dementsprechend ist der Massenstrom des Kühlmittels vergrößert. Die separaten Kühlkanäle sind so ausgebildet, dass eine Richtungsumkehr des Kühlmittels durch die Fließbarrieren erfolgt.
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Bei dem erfindungsgemäßen Rotor kann es auch vorgesehen sein, dass die erste oder die zweite topfförmige Endkappe einen Auslass für Kühlmittel aufweist. Kühlmittel gelangt somit über die hohl ausgebildete Rotorwelle in den ersten Hohlraum und entlang der Rotorwicklungen in den zweiten Hohlraum, wobei die Fließrichtung des Kühlmittels gegebenenfalls mehrfach umgekehrt wird. Anschließend verlässt das Kühlmittel den Rotor über den Auslass in der ersten oder der zweiten topfförmigen Endkappe. Es ist auch möglich, dass beide topfförmigen Endkappen jeweils einen Auslass aufweisen. Falls mehrere separate Kühlkanäle in einer topfförmigen Endkappe münden, kann auch für jeden Kühlkanal ein separater Auslass vorgesehen sein.
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Eine Variante des erfindungsgemäßen Rotors sieht vor, dass von dem in der Rotorwelle axial verlaufenden Kühlkanal ein zweiter Kühlkanal radial in den zweiten Hohlraum abzweigt, der mit einem der in den Lücken zwischen benachbarten Rotorwicklungen gebildeten, axial verlaufenden Kühlkanäle verbunden ist, wodurch ein zweiter paralleler Kühlmittelpfad gebildet ist. Bei dieser Ausgestaltung erfolgt sowohl die Zufuhr als auch die Abfuhr des Kühlmittels über die Rotorwelle. Die Rotorwelle kann dazu zwei nebeneinander angeordnete Kühlkanäle oder zwei konzentrisch zueinander angeordnete Kühlkanäle aufweisen.
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Daneben betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine mit einem Rotor der beschriebenen Art und einem Stator, der den Rotor umgibt. Der Rotor ist gegenüber dem Stator drehbar. Der Stator kann ein weiteres Blechpaket (Statorpaket) aufweisen, das aus gestapelten Elektroblechen gebildet ist. Daneben kann der Stator Wicklungen elektrischer Leiter besitzen, zum Beispiel in Form von Spulenwicklungen oder Flachdrahtwicklungen.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einer derartigen elektrischen Maschine, die zum Antreiben des Fahrzeugs vorgesehen ist. Die Maschine kann insbesondere ein Rad oder eine Achse des Fahrzeugs antreiben.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Die Figuren sind schematische Darstellungen und zeigen:
- 1 eine geschnittene Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Rotors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
- 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II von 1,
- 3 einen Schnitt entlang der Linie III-III von 1,
- 4 eine geschnittene Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Rotors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
- 5 einen Schnitt entlang der Linie V-V von 4,
- 6 einen Schnitt entlang der Linie VI-VI von 4,
- 7 eine geschnittene Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Rotors gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel;
- 8 einen Schnitt entlang der Linie VII-VII von 7,
- 9 einen Schnitt entlang der Linie IX-IX von 7, und
- 10 ein erfindungsgemäßes Fahrzeug mit einer elektrischen Maschine.
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Die 1, 2 und 3 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel eines Rotors, wobei 1 eine geschnittene Seitenansicht, 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II von 1 und 3 einen Schnitt entlang der Linie III-III von 1 zeigt.
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Der in 1 in einer geschnittenen Seitenansicht gezeigte Rotor 1 ist für eine elektrische Maschine vorgesehen, die als Elektromotor zum Antreiben eines Fahrzeugs eingesetzt wird. Der Rotor 1 umfasst ein aus gestapelten Elektroblechen gebildetes zylinderförmiges Blechpaket 2, das eine Rotorwelle 3 form- und/oder kraftschlüssig umschließt. Bei den Elektroblechen kann es sich um identisch ausgebildete Stanzteile handeln. Das Blechpaket 2 weist mehrere radial nach außen abstehende Blechpaketvorsprünge auf, die auch als „Zähne“ bezeichnet werden. Endabschnitte der Blechpaketvorsprünge sind in Umfangsrichtung verbreitert.
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An einer ersten Axialseite des Blechpakets 2 befindet sich eine erste Endplatte 4. An der entgegengesetzten zweiten Axialseite des Blechpakets 2 befindet sich eine zweite Endplatte 5. Die Endplatten 4, 5 besitzen jeweils radiale Endplattenvorsprünge 6, 7 (auch „Plattenfortsätze“), um die mehrere Rotorwicklungen 8 gewunden sind. Die Rotorwicklungen 8 bestehen aus lackiertem Kupferdraht. Beide Endplatten 4, 5 weisen jeweils einen Aluminiumkern auf, der mit Kunststoff umspritzt ist. Alternativ dazu könnten die Endplatten auch ganz aus Kunststoff bestehen.
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Eine topfförmige erste Endkappe 9 deckt die erste Endplatte 4 ab. Eine topfförmige zweite Endkappe 10 befindet sich an dem entgegengesetzten axialen Ende des Rotors 1 und deckt die zweite Endplatte 5 ab.
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In 2 und 3, die jeweils axiale Ansichten zeigen, erkennt man, dass in einem ersten Hohlraum 13 zwischen zwei benachbarten Rotorwicklungen 8 jeweils ein Poltrenner 11 angeordnet ist, der den Hohlraum 13 nach außen verschließt und bewirkt, dass die Rotorwicklungen 8 auch bei hohen Drehzahlen ihre Position beibehalten.
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Die in 1 dargestellte Rotorwelle 3 weist einen axial verlaufenden Kühlkanal 12 für ein Kühlmittel auf. Als Kühlmittel eignet sich beispielsweise ein Öl. Das in 1 rechte Ende der Rotorwelle 3 zweigt radial in den ersten Hohlraum 13 ab, der von einem Arm 14 einer ersten Fließbarriere 15 begrenzt wird. Die erste Fließbarriere 15 weist insgesamt fünf sich sternförmig nach außen erstreckende Arme 14 auf. Vier der fünf Arme 14 zweigen von einem Ring der ersten Fließbarriere 15 ab, der von der Rotorwelle 3 beabstandet ist und diese umgibt. Der erste Hohlraum 13 wird auch von der ersten Endplatte 4 und in Axialrichtung von der ersten Endkappe 9 begrenzt. Zwei benachbarte Arme 14 der ersten Fließbarriere 15 begrenzen jeweils einen Abschnitt in dem ersten Hohlraum 13.
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Wieder bezugnehmend auf 2 erkennt man, dass Kühlmittel von dem Kühlkanal 12 radial in den ersten Hohlraum 13, der sich in Umfangsrichtung zwischen zwei benachbarten Rotorwicklungen 8 befindet, strömt. Die Strömungsrichtungen des Kühlmittels werden durch Pfeile angegeben. Ein „Kreis mit Punkt“ gibt eine Strömungsrichtung des Kühlmittels aus der Zeichenebene heraus an. Ein „Kreis mit Kreuz“ gibt eine Strömungsrichtung des Kühlmittels in die Zeichenebene hinein an. Das Kühlmittel strömt entlang des ersten Hohlraums 13 axial bis zum entgegengesetzten, in 1 linken Ende des Rotors 1. In 3 ist dargestellt, dass sich dort ein zweiter Hohlraum 16 zwischen benachbarten Rotorwicklungen 8 befindet. Der zweite Hohlraum 16 wird durch zwei Arme 17 einer zweiten Fließbarriere 18 begrenzt. Die zweite Fließbarriere 18 weist insgesamt vier Arme 17 auf, die in Radialrichtung angeordnet sind und ein Kreuz bilden. Der von den beiden benachbarten Armen 17 begrenzte Abschnitt des zweiten Hohlraums 16 weist innerhalb des zweiten Hohlraums 16 einen als Einlass für Kühlmittel dienenden Zwischenraum 18 zwischen zwei Rotorwicklungen 8 und in Umfangsrichtung davon beabstandet einen als Auslass für Kühlmittel dienenden Zwischenraum 19 auf. Dementsprechend kann Kühlmittel, das axial von dem ersten Hohlraum 13 durch den Zwischenraum 19 in den zweiten Hohlraum 16 strömt, diesen durch den Zwischenraum 20 verlassen. Das Kühlmittel strömt dann wiederum axial zum gegenüberliegenden Ende des Rotors 1 und gelangt in einen weiteren Abschnitt des ersten Hohlraums 13, der durch zwei Arme 14 der ersten Fließbarriere 15 begrenzt wird. Dieser Vorgang wiederholt sich solange, bis das Kühlmittel den Rotor 1 durch einen in der ersten Endplatte 9 ausgebildeten Auslass 21 verlässt.
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Die 4, 5 und 6 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel eines Rotors 22, wobei 4 eine geschnittene Seitenansicht, 5 einen Schnitt entlang der Linie V-V von 4 und 6 einen Schnitt entlang der Linie VI-VI von 4 zeigt. Der Rotor 22 ist ähnlich wie der in dem ersten Ausführungsbeispiel beschriebene Rotor 1 aufgebaut. Für übereinstimmende Komponenten werden daher für identische Bezugszeichen verwendet. Auf eine nochmalige Beschreibung identischer Komponenten wird verzichtet.
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Die hohl ausgebildete Rotorwelle 23 besitzt einen axialen Kühlkanal 12, der an dem in 4 rechten Ende in den ersten Hohlraum 13 abzweigt, der durch die Endkappe 9 begrenzt wird. Zusätzlich zweigt der Kühlkanal 12 an dem in 4 linken Ende in den zweiten Hohlraum 16 ab, der durch die Endkappe 10 begrenzt wird.
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5 ist eine ähnliche Darstellung wie 2 und zeigt einen Schnitt entlang der Linie V-V von 4. Kühlmittel gelangt von dem axialen Kühlkanal 12 radial in den ersten Hohlraum 13, der von zwei Armen einer sternförmigen ersten Fließbarriere 24 begrenzt wird. Die erste Fließbarriere 24 teilt den ersten Hohlraum 13 in Umfangsrichtung in insgesamt fünf Abschnitte auf. Von dem in 5 obersten Abschnitt des Hohlraums 13 strömt das Kühlmittel zwischen zwei Rotorwicklungen 8 axial bis zum gegenüberliegenden Ende des Rotors 22.
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6 ist eine ähnliche Ansicht wie 3 und zeigt einen Schnitt entlang der Linie VI-VI von 4. Das Kühlmittel gelangt in den zweiten Hohlraum 16, der durch Arme einer sternförmigen zweiten Fließbarriere 25 in insgesamt fünf Abschnitte geteilt wird. Der in 6 obere Abschnitt des zweiten Hohlraums 16 weist zwischen benachbarten Rotorwicklungen 8 einen Auslass 26 auf, sodass Kühlmittel von dem Hohlraum 16 wieder entlang der Axialrichtung zur entgegengesetzten Seite des Rotors 22 strömt.
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Gleichzeitig strömt Kühlmittel von dem Kühlkanal 12 innerhalb der Rotorwelle 23 in einen benachbarten Abschnitt 27 des zweiten Hohlraums 16. Von dem Abschnitt 27 strömt das Kühlmittel in Axialrichtung zum entgegengesetzten Ende und gelangt in den ersten Hohlraum 13.
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Kühlmittel, das von der Rotorwelle 23 entweder in den ersten Hohlraum 13 oder in den zweiten Hohlraum 16 gelangt, wird durch die erste Fließbarriere 24 bzw. die zweite Fließbarriere 25 mehrfach umgelenkt, wodurch die Strömungsrichtung umgekehrt wird, bis das Kühlmittel den ersten Hohlraum 13 schließlich durch den Auslass 21 verlässt.
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Die 7, 8 und 9 zeigen ein drittes Ausführungsbeispiel eines Rotors 28, der ähnlich wie der in dem ersten Ausführungsbeispiel beschriebene Rotor 1 aufgebaut ist. 7 zeigt eine geschnittene Seitenansicht, 8 einen Schnitt entlang der Linie VII-VII von 7 und 9 einen Schnitt entlang der Linie IX-IX von 7.
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Der in 7 gezeigte Rotor 28 besitzt eine Rotorwelle 29 mit einem ersten zentralen Kühlkanal 30, der an der in 7 linken Seite einen Einlass 31 aufweist. Zusätzlich besitzt die Rotorwelle 29 einen zweiten Kühlkanal 32, der den ersten zentralen Kühlkanal 30 umgibt. Die beiden Kühlkanäle 30, 32 sind somit koaxial angeordnet. Der zweite Kühlkanal 32 besitzt einen Auslass 33, der sich an derselben Axialseite der Rotorwelle 29 wie der Einlass 31 befindet.
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In Übereinstimmung mit den vorangehenden Ausführungsbeispielen mündet der erste zentrale Kühlkanal 30 radial in den ersten Hohlraum 13, in dem sich eine sternförmige erste Fließbarriere 34 befindet, wie in 8 gezeigt ist. In einem durch die erste Fließbarriere 34 gebildeten Abschnitt 35 befindet sich zwischen zwei benachbarten Rotorwicklungen 8 ein Auslass bzw. Zwischenraum, sodass Kühlmittel axial zum entgegengesetzten Ende des Rotors 28 fließen kann.
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9 zeigt das in 7 linke Ende des Rotors 28. Man erkennt, dass sich dort in dem zweiten Hohlraum 16 eine sternförmige zweite Fließbarriere 35 befindet, die den zweiten Hohlraum 16 in insgesamt vier Abschnitte teilt. In Übereinstimmung mit den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen fließt das Kühlmittel somit mehrfach zwischen dem ersten Hohlraum 13 und dem zweiten Hohlraum 16 jeweils durch unterschiedliche Rotorwicklungen 8. Wenn das Kühlmittel einen in 8 gezeigten Abschnitt 36 in dem ersten Hohlraum 13 erreicht hat, fließt es durch die Rotorwelle 29, in der sich der äußere Kühlkanal 32 befindet. Durch den äußeren Kühlkanal 32 gelangt das Kühlmittel zu den Auslass 33.
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10 zeigt ein Fahrzeug 37 mit einer elektrischen Maschine 38, die zum Antreiben des Fahrzeugs 37 dient. Die elektrische Maschine 38 weist ein Gehäuse 39 auf, in dem der erfindungsgemäße Rotor 1 und ein Stator 40 aufgenommen sind, der den Rotor 1 umgibt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rotor
- 2
- Blechpaket
- 3
- Rotorwelle
- 4
- Endplatte
- 5
- Endplatte
- 6
- Endplattenvorsprung
- 7
- Endplattenvorsprung
- 8
- Rotorwicklung
- 9
- Endkappe
- 10
- Endkappe
- 11
- Poltrenner
- 12
- Kühlkanal
- 13
- erster Hohlraum
- 14
- Arm
- 15
- erste Fließbarriere
- 16
- zweiter Hohlraum
- 17
- Arm
- 18
- zweite Fließbarriere
- 19
- Zwischenraum
- 20
- Zwischenraum
- 21
- Auslass
- 22
- Rotor
- 23
- Rotorwelle
- 24
- erste Fließbarriere
- 25
- zweite Fließbarriere
- 26
- Auslass
- 27
- Abschnitt
- 28
- Rotor
- 29
- Rotorwelle
- 30
- erster Kühlkanal
- 31
- Einlass
- 32
- zweiter Kühlkanal
- 33
- Auslass
- 34
- erste Fließbarriere
- 35
- zweite Fließbarriere
- 36
- Abschnitt
- 37
- Fahrzeug
- 38
- elektrische Maschine
- 39
- Gehäuse
- 40
- Stator
