DE102021207594A1

DE102021207594A1 - Elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102021207594A1
Application number: DE102021207594.0A
Authority: DE
Inventors: Attila Farkas; Attila Nyitrai
Original assignee: Magna Powertrain GmbH and Co KG
Current assignee: Magna Powertrain GmbH and Co KG
Priority date: 2021-07-16
Filing date: 2021-07-16
Publication date: 2023-01-19
Also published as: WO2023285595A1; CN117616667A; DE112022003574A5

Abstract

Elektrische Maschine (1) umfassend einen feststehenden Stator (2), wobei der Stator (2) einen Statorkern (3) aufweist, an dem Statorwicklungen festgelegt sind, die an den Stirnseiten des Statorkerns (3) Wickelköpfe (4) bilden, einen in Bezug auf den Stator (2) drehbar gelagerten Rotor (5), wobei der Rotor (5) einen Rotorkern (6) aufweist, der fest auf einer Rotorwelle (7) angeordnet ist und in dem mehrere umlaufend gleichmäßig beabstandete Aufnahmebereiche (8) ausgebildet sind, in die jeweils ein Permanentmagnet (9) eingesetzt und über eine Fixiermasse (10) fixiert ist, ein Kühlsystem zum Kühlen des Rotors, wobei das Kühlsystem zumindest einen Fluidkanal (11) aufweist über den Kühlfluid an die Stirnseiten des Rotorkerns (6) führbar ist, wobei die Fixiermasse (10) derart ausgeformt ist, dass sie an den Stirnseiten des Rotorkerns (6) des Rotors (5) jeweils einen Ring (12) ausbildet, der jeweils derart geformt ist, dass bei Drehung des Rotors (5) das Kühlfluid an den Stirnseiten des Rotorkerns (6) in Richtung zu den Wickelköpfen (4) des Stators (2) geleitet wird.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine umfassend einen feststehenden Stator, wobei der Stator einen Statorkern aufweist, an dem Statorwicklungen festgelegt sind, die an den Stirnseiten des Statorkerns Wickelköpfe bilden, einen in Bezug auf den Stator drehbar gelagerten Rotor, wobei der Rotor einen Rotorkern aufweist, der fest auf einer Rotorwelle angeordnet ist und in dem mehrere umlaufend gleichmäßig beabstandete Aufnahmebereiche ausgebildet sind, in die jeweils ein Permanentmagnet eingesetzt und über eine Fixiermasse fixiert ist und ein Kühlsystem zum Kühlen des Rotors, wobei das Kühlsystem zumindest einen Fluidkanal aufweist über den Kühlfluid an die Stirnseiten des Rotorkerns führbar ist.
Stand der Technik
Elektrische Maschinen der oben genannten Art dienen der Energiewandlung von elektrischer in mechanischer Energie und umgekehrt und werden als Motor und/oder Generator vielfach im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik eingesetzt.
Elektrische Maschinen umfassen einen feststehenden Stator und einen beweglichen Rotor, wobei der Rotor in der gängigsten Bauform einer elektrischen Maschine drehbar innerhalb eines ringförmig ausgebildeten Stators gelagert ist. Der Stator weist einen Statorkern und zumindest eine an dem Statorkern angeordnete Statorwicklung auf, die an den Stirnseiten des Statorkerns jeweils einen Wicklungskopf ausbildet. Der Rotor weist einen fest an einer Rotorwelle angeordneten Rotorkern und in einer gängigen Ausbildung des Rotors in oder an diesem angeordnete in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilte Permanentmagnete auf.
Elektrische Maschinen erzeugen aufgrund des dielektrischen Verlusts während ihres Betriebs Wärme, wobei der Wickelkopf einer elektrischen Maschine hierbei aufgrund der dichten Anordnung der Stromleiter meist der heißeste Punkt ist, insbesondere durch die Überlagerung der Phasen der Spulenwicklung in diesem Bereich.
Die Folge einer zu starken Erwärmung eines Wickelkopfs ist eine Erhöhung des dielektrischen Verlustfaktors, wodurch noch mehr elektrische Energie in Wärme umgewandelt wird, was zum einen eine Verschlechterung des Wirkungsgrads der elektrischen Maschine bewirkt und zum anderen einen zuverlässigen Betrieb der elektrischen Maschine über ihre Lebensdauer negativ beeinflusst. Deshalb ist in Antriebsanordnungen mit elektrischen Maschinen in der Regel eine Kühlvorrichtung vorgesehen, die die zu kühlenden Teile der elektrischen Maschine, insbesondere einen Wickelkopf, kühlt. Herkömmlich erfolgt eine Kühlung eines Wickelkopfes durch thermische Anbindung des Wickelkopfes an das jeweilige Statorpaket zur Abgabe der auftretenden Verlustwärme und gegebenenfalls an dort vorgesehene Kühlvorrichtungen (indirekte Kühlung). Eine direkte Kühlung eines Wickelkopfs mittels beispielsweise Öl, das direkt auf den Wickelköpfe gespritzt bzw. gelenkt wird, ist ebenfalls bekannt.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine elektrische Maschine darzustellen, die sich durch eine einfache, bauteiloptimierte direkte Wickelkopfkühlung auszeichnet, die eine möglichst gleichmäßige und zielgerichtete Kühlung eines Wickelkopfs erlaubt.
Dieser Bedarf kann durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gedeckt werden. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine dient insbesondere dem Einsatz in einem Kraftfahrzeug.
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine umfasst einen feststehenden Stator, einen in Bezug auf den Stator drehbar gelagerten Rotor und ein Kühlsystem zum Kühlen des Rotors.
Der Stator weist erfindungsgemäß einen Statorkern auf, an dem Statorwicklungen festgelegt sind, die an den Stirnseiten des Statorkerns Wickelköpfe bilden.
Der Rotor weist erfindungsgemäß einen Rotorkern auf, der fest auf einer Rotorwelle angeordnet ist und in dem mehrere umlaufend gleichmäßig beabstandete Aufnahmebereiche ausgebildet sind, in die jeweils ein Permanentmagnet eingesetzt und über eine Fixiermasse fixiert ist.
Das Kühlsystem weist erfindungsgemäß zumindest einen Fluidkanal auf über den Kühlfluid an die Stirnseiten des Rotorkerns führbar ist.
Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist die Fixiermasse zumindest teilweise derart ausgeformt, dass sie an den Stirnseiten des Rotorkerns des Rotors jeweils einen Ring ausbildet.
Der jeweilige Ring ist erfindungsgemäß derart geformt, dass bei Drehung des Rotors das Kühlfluid an den Stirnseiten des Rotorkerns jeweils in Richtung zu den Wickelköpfen des Stators geleitet wird. Beispielsweise weist der Ring eine Abschrägung in Richtung zu den Wickelköpfen auf.
Die Aufnahmebereiche weisen jeweils bevorzugt einen ersten Bereich und zumindest einen an den ersten Bereich direkt angrenzenden zweiten Bereich auf, wobei in den ersten Bereich jeweils zumindest ein Permanentmagnet eingesetzt ist und der zweite Bereich jeweils mit Fixiermasse ausgefüllt ist. Derart können die Permanentmagnete auf einfache Art und Weise insbesondere axial fixiert werden.
Die Fixiermasse ist vorzugsweise ein Kunststoff oder ein Verbundmaterial. So kann der Kunststoff beispielsweise ein mit Fasern, wie zum Beispiel Glas-, Polyester- und/oder Karbonfasern, verstärkter Kunststoff sein. Dadurch kann eine besonders mechanisch stabile Ausführung des jeweiligen Rings erzielt werden.
In einer vorteilhaften Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung sind an den Stirnseiten des Rotorkerns jeweils im Bereich des aus der Fixiermasse gebildeten Rings Fixiermulden ausgebildet, in die die Fixiermasse gefüllt ist. Derart kann eine zusätzliche Fixierung des jeweiligen Rings an der jeweiligen Stirnseite des Rotorkerns erfolgen.
Vermittels der erfindungsgemäßen Ausbildung der elektrischen Maschine wird auf einfache Art und Weise eine zielgerichtete, effiziente Kühlung von Wickelköpfen des Stators erzielt. Durch die synergetische Nutzung der Fixiermasse als Fixiermittel für die Permanentmagnete sowie als Material zur Ausbildung eines Kühlfluidverteilungs-Rings kann die zielgerichtete Kühlung besonders bauraum-, montage- und somit kosteneffizient realisiert werden.
Figurenliste
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.

1 zeigt eine Draufsicht auf eine Stirnseite eines Rotors mit Ring.
2 zeigt eine Detail-Schnittansicht einer elektrischen Maschine, wobei der Schnitt durch den Rotor entlang der Schnittebene A-A gemäß 1 erfolgt.
3 zeigt eine Draufsicht auf eine Stirnseite eines Rotors ohne Ring.
4 zeigt eine isometrische Ansicht eines Rotors mit Ring.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1 bis 4 zeigen jeweils schematisch eine erfindungsgemäße elektrische Maschine 1 in unterschiedlichen Ansichten bzw. Detaillierungsgraden.
Die elektrische Maschine 1 umfasst einen feststehenden Stator 2, einen in Bezug auf den Stator 2 drehbar gelagerten Rotor 5 und ein Kühlsystem zum Kühlen des Rotors 5 (2).
Der Stator 2 weist einen Statorkern 3 auf, an dem Statorwicklungen festgelegt sind, die an den Stirnseiten des Statorkerns 3 Wickelköpfe 4 bilden (2).
Der Rotor 5 weist einen Rotorkern 6 auf, der fest auf einer Rotorwelle 7 angeordnet ist und in dem mehrere umlaufend gleichmäßig beabstandete Aufnahmebereiche 8 ausgebildet sind (1, 3, 4). Die Aufnahmebereiche 8 sind in einem radial äußeren Bereich des Rotorkerns 6 ausgebildet entlang der axialen Erstreckung des Rotorkerns 6 ausgebildet.
Die Richtungsangabe „radial“ beschreibt eine Richtung normal auf eine Drehachse 14 des Rotors 5 der elektrischen Maschine 1. Die Richtungsangabe „axial“ beschreibt eine Richtung entlang oder parallel zu der Drehachse 14 des Rotors 5 der elektrischen Maschine 1.
Das Kühlsystem weist mehrere Fluidkanäle 11 auf über die Kühlfluid an die Stirnseiten des Rotorkerns 6 führbar ist (1, 3, 4). Die Fluidkanäle sind in einem radial inneren Bereich des Rotorkerns 6 ausgebildet entlang der axialen Erstreckung des Rotorkerns 6 ausgebildet.
Die Aufnahmebereiche 8 weisen jeweils einen ersten Bereich 8a und zwei an den ersten Bereich 8a direkt angrenzende zweite Bereiche 8b auf, wobei in den ersten Bereichen 8a jeweils ein Permanentmagnet 9 eingesetzt ist und die zweiten Bereiche jeweils mit Fixiermasse 10 ausgefüllt sind (3).
Die Fixiermasse 10 ist zumindest teilweise derart aus den zweiten Bereichen 8b heraus axial erweitert, dass sie an den Stirnseiten des Rotorkerns 6 des Rotors 5 jeweils einen umlaufenden Ring 12 ausbildet (1, 2, 4).
D.h., dass die Fixiermasse 10 neben der Fixierung der Permanentmagnete 9 in den ersten Bereichen 8a der Aufnahmebereiche 8 durch die Ausbildung der Ringe 12 an den Stirnseiten des Rotorkerns 6 auch eine zielgerichtete Führung bzw. Verteilung von Kühlfluid an die jeweiligen Wickelköpfe 4 des Stators 2 übernimmt. Weiterhin wird durch die Ausbildung der Ringe 12 an den Stirnseiten des Rotorkerns 6 auch eine zusätzliche axiale Fixierung der Permanentmagnete 9 erzielt.
Betrachtet man die Fixiermasse 10 für sich allein, d.h. ohne Rotorkern 6, so ergibt diese einen Käfig aus Kunststoff mit an den Enden umlaufenden Ringen 12, die über die in den zweiten Bereichen 8b durch die Fixiermasse 10 ausgebildeten axial verlaufenden Streben miteinander verbunden sind.
Der Ring 12 ist derart geformt, dass bei Drehung des Rotors 5 das Kühlfluid an den Stirnseiten des Rotorkerns 6 jeweils in Richtung zu den Wickelköpfen 4 des Stators 2 geleitet wird (2).
Weiterhin sind an den Stirnseiten des Rotorkerns 6 des Rotors jeweils im Bereich des aus der Fixiermasse 10 gebildeten Rings 12 umlaufend eine Vielzahl von Fixiermulden 13 ausgebildet, in die die Fixiermasse 10 beim Ausbilden des Rings 12 fließen kann und die demnach mit Fixiermasse 10 gefüllt sind (3).
Bezugszeichenliste

1: Elektrische Maschine
2: Stator
3: Statorkern
4: Wickelkopf
5: Rotor
6: Rotorkern
7: Rotorwelle
8: Aufnahmebereich
8a: Erster Bereich
8b: Zweiter Bereich
9: Permanentmagnet
10: Fixiermasse
11: Fluidkanal
12: Ring
13: Fixiermulde
14: Drehachse (des Rotors)

Claims

Elektrische Maschine (1) umfassend - einen feststehenden Stator (2), wobei der Stator (2) einen Statorkern (3) aufweist, an dem Statorwicklungen festgelegt sind, die an den Stirnseiten des Statorkerns (3) Wickelköpfe (4) bilden, - einen in Bezug auf den Stator (2) drehbar gelagerten Rotor (5), wobei der Rotor (5) einen Rotorkern (6) aufweist, der fest auf einer Rotorwelle (7) angeordnet ist und in dem mehrere umlaufend gleichmäßig beabstandete Aufnahmebereiche (8) ausgebildet sind, in die jeweils ein Permanentmagnet (9) eingesetzt und über eine Fixiermasse (10) fixiert ist, - ein Kühlsystem zum Kühlen des Rotors, wobei das Kühlsystem zumindest einen Fluidkanal (11) aufweist über den Kühlfluid an die Stirnseiten des Rotorkerns (6) führbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Fixiermasse (10) zumindest teilweise derart ausgeformt ist, dass sie an den Stirnseiten des Rotorkerns (6) des Rotors (5) jeweils einen Ring (12) ausbildet, der jeweils derart geformt ist, dass bei Drehung des Rotors (5) das Kühlfluid an den Stirnseiten des Rotorkerns (6) in Richtung zu den Wickelköpfen (4) des Stators (2) geleitet wird.
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahmebereiche (8) jeweils einen ersten Bereich (8a) und zumindest einen an den ersten Bereich (8a) direkt angrenzenden zweiten Bereich (8b) aufweisen, wobei in den ersten Bereich (8a) jeweils ein Permanentmagnet (9) eingesetzt ist und der zweite Bereich (8b) jeweils mit Fixiermasse (10) ausgefüllt ist.
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fixiermasse (10) ein Kunststoff oder ein Verbundmaterial ist.
Elektrische Maschine (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass an den Stirnseiten des Rotorkerns (6) im Bereich des jeweiligen aus der Fixiermasse (10) gebildeten Rings (12) Fixiermulden (13) ausgebildet sind, in die die Fixiermasse (10) gefüllt ist.