DE102022213027A1

DE102022213027A1 - Rotor und elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102022213027A1
Application number: DE102022213027.8A
Authority: DE
Inventors: Philipp Licht
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2022-12-02
Filing date: 2022-12-02
Publication date: 2024-06-13
Also published as: WO2024115011A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rotor (1) einer elektrischen Maschine (2),- mit einer Hohlwelle (3), die einen ersten Kühlkanal (4) für ein Kühlmedium (5) aufweist,- mit einem auf der Hohlwelle (3) angeordneten Blechpaket (7),- mit einer längsendseitig des Blechpakets (7) angeordneten Wuchtscheibe (8).Dabei ist vorgesehen, dass zwischen der Wuchtscheibe (8) und dem Blechpaket (7) ein Bauteil (9) aus einer Spritzgussmasse/Vergussmasse angeordnet ist, das zumindest einen in Axialrichtung (10) offenen und mit dem ersten Kühlkanal (4) in der Hohlwelle (3) kommunizierend verbundenen zweiten Kühlkanal (11) aufweist, der in Axialrichtung (10) von der Wuchtscheibe (8) abgedeckt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor einer elektrischen Maschine mit einer Hohlwelle, die einen ersten Kühlkanal für ein Kühlmedium aufweist, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem einen Elektromotor, insbesondere einen Traktionsmotor, mit einem solchen Rotor.
Aus der DE 10 2015 014 535 A1 ist ein gattungsgemäßer Rotor einer elektrischen Maschine mit einer Hohlwelle bekannt, die einen ersten Kühlkanal für ein Kühlmedium aufweist. Auf der Hohlwelle ist dabei ein Lamellenpaket angeordnet, an dessen axialem Längsende eine Wuchtscheibe zum Ausgleichen einer gegebenenfalls auftretenden Unwucht angeordnet ist.
Aus der US 8 450 890 B2 ist ein weiterer Rotor einer elektrischen Maschine mit einer einen ersten Kühlkanal aufweisenden Rotorwelle bekannt.
Durch die zunehmende Anzahl an Elektrofahrzeugen wird auch eine zunehmende Anzahl an elektrischen Traktionsmotoren zum Antrieb dieser Elektrofahrzeuge benötigt, wobei derartige Elektromotoren einerseits gewichts- und bauraumoptimiert und andererseits leistungsstark sein sollen. Aus diesem Grund ist es bekannt, derartige Elektromotoren aktiv zu kühlen, beispielsweise durch eine Ölkühlung. Erfolgt dies nicht, können sich insbesondere die von einem Erregerstrom durchflossenen Rotorwicklungen während des Betriebs stark erhitzen, was zu einem Leistungsverlust des Elektromotors führt. Darüber hinaus bewirken insbesondere dynamische Betriebszustände Magnetfeldänderungen, die Wirbelströme im Rotor hervorrufen, so dass auch die im Rotor von permanenterregten Maschinen vorgesehenen Magnete unter Umständen zur Aufrechterhaltung ihrer Funktion einer aktiven Kühlung bedürfen.
Nachteilig bei den aus dem Stand der Technik bekannten Rotoren bzw. Elektromotoren ist jedoch, dass eine Herstellung von Kühlmedium, d. h. üblicherweise Öl, führenden Kühlkanälen nicht nur technisch aufwendig und damit teuer ist, sondern oftmals auch axialen Bauraum erfordert, der entweder nicht vorhanden ist, oder nur durch Inkaufnahme einer geringeren Leistung geschaffen werden kann. Zudem ist bei den bekannten Rotoren bzw. Elektromotoren auch eine Kühlung von Wickelköpfen der Rotorwicklungen, von PSM-Magneten (permanenterregte Synchronmaschine) oder von Statorwickelköpfen nicht oder nur schwierig möglich.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für einen Rotor der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch einfach herzustellende Kühlkanäle, die zudem noch in Axialrichtung kompakt bauen, auszeichnet.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen Rotor einer elektrischen Maschine mit mehrschalig ausgebildeten Kühlkanälen auszustatten, wodurch deren Herstellung deutlich vereinfacht wird, da diese nicht mehr als Bohrung oder Fräsung hergestellt werden müssen. Die erste Schale eines solchen Kühlkanals wird dabei durch eine Spritzgussmasse/Vergussmasse gebildet, die beispielsweise Rotorwicklungen (fremderregte Synchronmaschine) oder PSM-Magnete des Rotors abdeckt, in welcher mit einem entsprechend ausgebildeten Spritzgusswerkzeug/Umspritzwerkzeug/Vergusswerkzeug ein offener entformbarer Kühlkanal kostengünstig und zugleich hoch präzise geformt werden kann. Mittels des Kunststoffspritzgusswerkzeugs werden die Längsenden der Rotorwicklungen oder der PSM-Magnete umspritzt und damit beispielsweise auch elektrisch isoliert. Eine zweite Schale des Kühlkanals wird dabei durch eine einfach herzustellende Wuchtscheibe gebildet, die den Kühlkanal in dem aus der Spritzgussmasse/Vergussmasse hergestellten Bauteil lediglich noch abdeckt. Hierdurch kann auf ein aufwändiges Bohren und/oder Fräsen komplett verzichtet werden. Der erfindungsgemäße Rotor einer elektrischen Maschine, beispielsweise eines Traktionsmotors in einem Elektrofahrzeug, weist dabei eine Hohlwelle auf, die einen ersten Kühlkanal für ein Kühlmedium, beispielsweise Öl, besitzt. Auf der Hohlwelle ist dabei ein Blechpaket mit einzelnen Rotorblechen angeordnet, wobei an zumindest einem Längsende des Blechpakets eine Wuchtscheibe auf der Rotorwelle angeordnet ist, um eine gegebenenfalls bestehende Unwucht ausgleichen zu können. Erfindungsgemäß ist nun zwischen dieser Wuchtscheibe und dem Blechpaket ein Bauteil aus einer Spritzgussmasse/Vergussmasse angeordnet, das zumindest einen in Axialrichtung zunächst offenen und damit leicht entformbaren und mit dem ersten Kühlkanal in der Hohlwelle kommunizierend verbundenen zweiten Kühlkanal aufweist, der in Axialrichtung von der Wuchtscheibe abgedeckt und dadurch verschlossen ist. Das Bauteil aus der Spritzgussmasse/Vergussmasse und die Wuchtscheibe bilden somit die beiden Schalen für den zweiten Kühlkanal. Der große Vorteil dieser Lösung liegt dabei darin, dass der zumindest eine zweite Kühlkanal mit einer entsprechenden Negativform eines Kunststoffspritzgießwerkzeugs/Umspritzwerkzeugs/Vergusswerkzeugs vergleichsweise einfach und zugleich kostengünstig herstellbar ist. Durch den zumindest einen in Axialrichtung offenen zweiten Kühlkanal in dem Bauteil ist dieser auch nicht nur vergleichsweise einfach herstellbar, sondern gegebenenfalls auch vergleichsweise einfach nachbearbeitbar. Ein Verschließen des rinnenartig in dem Bauteil ausgebildeten zweiten Kühlkanals erfolgt dabei in Axialrichtung durch die Wuchtscheibe, wodurch ein vergleichsweise flexibler und fertigungstechnisch einfacher sowie kostengünstiger Aufbau des zumindest einen zweiten Kühlkanals möglich ist.
Dabei ist selbstverständlich klar, dass die Spritzgussmasse/Vergussmasse aus Kunststoff und dadurch elektrisch isolierend ausgebildet sein kann.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Rotors ist das Bauteil konisch ausgebildet. Das Bauteil kann zudem ringförmig ausgebildet sein und im Einbauzustand einen ringförmigen Zwischenraum zwischen einer Außenmantelfläche der Hohlwelle und dem Bauteil freilassen. Durch die konische Ausbildung des Bauteils lassen sich vergleichsweise einfach unterschiedlichste Kanalgeometrien des zumindest einen zweiten Kühlkanals vergleichsweise einfach realisieren. Das Bauteil kann dabei eine radial nach außen zunehmende axiale Dicke aufweisen, sodass in diesem Fall die zugehörige Wuchtscheibe in diesem Bereich eine radial nach außen abnehmende axiale Dicke besitzt. Selbstverständlich ist auch eine nicht konische Ausführungsform des Bauteils, beispielsweise gestuft oder mit radial nach außen gleichbleibender axialer Dicke, denkbar. Durch das erfindungsgemäß als Vergussbauteil bzw. als Spritzgussbauteil hergestellte Bauteil lassen sich die zweiten Kühlkanäle mit hoher geometrischer Flexibilität und geringen Kosten herstellen, da diese lediglich ein einziges Mal in ein entsprechendes Spritzgusswerkzeug gefräst werden müssen. Ein separates Einbringen von beispielsweise die zweiten Kühlkanäle bildenden Bohrungen in die Wuchtscheibe bei jeder einzelnen Wuchtscheibe ist dadurch entbehrlich.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotors sind in dem Blechpaket Rotorwicklungen mit längsendseitigen Wickelköpfen angeordnet, die in die Spritzgussmasse/Vergussmasse des Bauteils eingebettet sind. Hierdurch ist eine direkte Kühlung dieser Wickelköpfe durch eine entsprechende Anordnung bzw. Ausgestaltung des zumindest einen zweiten Kühlkanals in dem Bauteil problemlos möglich, wodurch eine verbesserte Kühlung der Rotorwicklungen und damit eine erhöhte Leistung einer fremderregten Synchronmaschine erreicht werden können. Durch das nach außen abspritzende Kühlmedium können in diesem Fall Statorwicklungen bzw. Statorwickelköpfe einer fremderregten Synchronmaschine gekühlt werden. Alternativ ist auch denkbar, dass in einem auf der Hohlwelle angeordneten Blechpaket PSM-Magnete angeordnet sind, wobei die PSM-Magnete unter anderem an ihren Längsenden in die Spritzgussmasse/Vergussmasse des Bauteils eingebettet sind. Mittels der Spritzgussmasse/Vergussmasse des Bauteils können die PSM-Magnete gehalten bzw. fixiert werden. Durch das nach außen abspritzende Kühlmedium können auch Statorwicklungen bzw. Statorwickelköpfe einer permanent erregten Synchronmaschine gekühlt werden.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotors weist der zumindest eine zweite Kühlkanal einen konstanten oder einen variablen Querschnitt auf. Zusätzlich oder alternativ kann er auch linear oder gebogen ausgebildet sein. Bereits diese nicht abschließende Aufzählung lässt erahnen, welch mannigfaltige und äußerst flexible Möglichkeiten der Gestaltung der Kanalgeometrie bzw. des Kanalquerschnitts bei dem erfindungsgemäßen Rotor gegeben sind. Hierdurch lassen sich insbesondere auch unterschiedliche Kühlmediumströme individuell beeinflussen.
Weiter zusätzlich oder alternativ kann der zumindest eine zweite Kühlkanal nach radial außen geschlossen oder offen ausgebildet sein. Bei einer nach radial au-ßen offenen Ausbildung ist auch eine weitere Kühlung von umliegenden Bauteilen möglich, während bei einer radial nach außen geschlossenen Ausbildung eine verbesserte Kühlung der Rotorwicklungen oder der PSM-Magnete erreicht werden kann.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotors ist an beiden Längsenden des Blechpakets jeweils eine Wuchtscheibe und ein Bauteil aus einer Spritzgussmasse/Vergussmasse angeordnet, die jeweils zumindest einen in Axialrichtung offenen und mit dem ersten Kühlkanal in der Hohlwelle kommunizierend verbundenen zweiten Kühlkanal aufweist, der in Axialrichtung von der zugehörigen Wuchtscheibe abgedeckt ist. Durch das Vorsehen jeweils zumindest eines zweiten Kühlkanals an einem jeweiligen Längsende des Blechpakets ist eine nochmals verbesserte Kühlung des Rotors, insbesondere an den sich gegenüberliegenden Wickelköpfen der Rotorwicklungen oder der Längsenden der PSM-Magnete und damit der PSM-Magnete selbst, möglich, wodurch die Leistung eines mit einem derartigen Rotor ausgestatteten Elektromotors gesteigert werden kann. Dabei ist eine direkte kommunizierende Verbindung jedes zweiten Kühlkanals mit dem in der Hohlwelle angeordneten ersten Kühlkanal denkbar, oder alternativ auch eine Versorgung mit Kühlmedium, insbesondere mit Kühlöl oder Getriebeöl, über lediglich einen zweiten Kühlkanal oder einen diese beiden zweiten Kühlkanäle verbindenden Verbindungskanal. Eine Verbindung zwischen dem ersten und zweiten Kühlkanal bzw. zwischen dem ersten Kühlkanal und dem Verbindungskanal erfolgt dabei üblicherweise über eine Bohrung oder Längsöffnung in der Hohlwelle.
Zweckmäßig ist zwischen den zumindest zwei gegenüberliegenden zweiten Kühlkanälen bzw. zwischen den zwei gegenüberliegenden Zwischenräumen zumindest ein Verbindungskanal angeordnet. Über einen derartigen Verbindungskanal kann eine Kühlmediumzuführung zu beiden gegenüberliegenden zweiten Kühlkanälen erfolgen, oder aber eine Kühlmediumzuführung von dem einen zweiten Kühlkanal/Zwischenraum auf der einen Längsseite zum gegenüberliegenden zweiten Kühlkanal/Zwischenraum auf der anderen Längsseite.
Der Verbindungskanal kann dabei im Blechpaket oder zwischen diesem und der Hohlwelle verlaufen. Der Verbindungskanal kann zudem durch einen Radialkanal direkt mit dem ersten Kühlkanal in der Hohlwelle verbunden sein. Bei einer Anordnung des Verbindungskanals im Blechpaket ist eine besonders effektive Kühlung der Rotorwicklungen oder der im Blechpaket angeordneten Magnete (PSM-Magnete) möglich. Hierzu können in dem Blechpaket entsprechende Längsdurchgangsöffnungen vorgesehen werden, die den Verbindungskanal bilden. Bei einer Anordnung des Verbindungskanals zwischen dem Blechpaket und der Außenmantelfläche der Hohlwelle, kann der Verbindungskanal als Nut an einer Innenmantelfläche des Blechpakets vorgesehen sein und sich ebenfalls in Längsrichtung erstrecken.
Zweckmäßig ist die Wuchtscheibe aus Metall, insbesondere aus Aluminium oder Edelstahl, ausgebildet. Alternativ ist auch denkbar, dass die Wuchtscheibe aus Kunststoff ausgebildet ist und Ausnehmungen zur Aufnahme von Wuchtgewichten aufweist. Durch die Ausbildung aus Aluminium oder Edelstahl ist es möglich, die Wuchtscheibe aufgrund des im Vergleich zu Kunststoff höheren Gewichts in Axialrichtung vergleichsweise dünn auszubilden, wodurch eine in Axialrichtung besonders kompakte Bauform erreicht werden kann.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist die Spritzgussmasse/Vergussmasse aus Kunststoff ausgebildet. Hierdurch lässt sich das Bauteil nicht nur vergleichsweise einfach und zugleich gewichtsoptimiert herstellen, sondern es kann auch zugleich ein elektrischer Isolator geschaffen werden, der die Wickelköpfe der Rotorwicklungen oder die PSM-Magnete von der Wuchtscheibe trennt, insbesondere, sofern diese aus Metall ausgebildet ist.
Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, eine elektrische Maschine, insbesondere einen Traktionsmotor, mit einem Rotor entsprechend den vorherigen Absätzen auszustatten und dadurch die bezüglich des Rotors beschriebenen Vorteile auf die elektrische Maschine zu übertragen. Konkret liegen diese Vorteile in einer vergleichsweise kompakten Bauform des Elektromotors in Axialrichtung sowie einer sowohl fertigungstechnisch einfachen und kostengünstigen Herstellungsweise.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine, weist diese Statorwicklungen auf, die bzw. deren Wickelköpfe von dem aus den zweiten Kühlkanälen austretenden Kühlmedium gekühlt werden. In diesem Fall wären im Rotor PSM-Magnete im Blechpaket angeordnet. Es handelt sich somit um eine permanenterregte Synchronmaschine. Alternativ können jedoch auch Rotorwicklungen (Erregerwicklungen) vorhanden sein, sodass es sich um eine fremderregte Synchronmaschine handelt.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Vorstehend genannte und nachfolgend noch zu nennende Bestandteile einer übergeordneten Einheit, wie z.B. einer Einrichtung, einer Vorrichtung oder einer Anordnung, die separat bezeichnet sind, können separate Bauteile bzw. Komponenten dieser Einheit bilden oder integrale Bereiche bzw. Abschnitte dieser Einheit sein, auch wenn dies in den Zeichnungen anders dargestellt ist.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
Dabei zeigen, jeweils schematisch,

1 eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Rotor in einer ersten Ausführungsform,
2 eine Darstellung wie in 1, jedoch mit zumindest einem Verbindungskanal,
3 eine Darstellung wie in 2, jedoch mit zumindest einem zwischen einem Blechpaket und einer Außenmantelfläche einer Hohlwelle angeordneten Verbindungskanal,
4 eine Darstellung wie in 2, jedoch mit einer anderen Strömungsführung, beginnend mittig in der Hohlwelle zwischen den Blechpaketenden,
5 eine Frontalansicht auf ein Bauteil mit unterschiedlichen zweiten Kühlkanälen und ohne Wuchtscheibe,
6 eine Detaildarstellung des Bauteils mit einem konstanten und linearen zweiten Kühlkanal,
7 eine Ansicht wie in 5, jedoch bei einer weiteren Modifikation des zweiten Kühlkanals.
8 eine Ansicht einer weiteren möglichen Ausführungsform des Bauteils mit einem Kragen,
9 eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Rotor mit einem Bauteil nach 8,
10 eine Schnittdarstellung wie in 9, jedoch in einer anderen Schnittebene,
11 eine Schnittdarstellung wie in 10, jedoch mit einem Kühlmittelstrom.

Entsprechend den 1 bis 4 weist ein erfindungsgemäßer Rotor 1 einer elektrischen Maschine 2, beispielsweise eines Traktionsmotors eines im Übrigen nicht dargestellten Elektrofahrzeugs, eine Hohlwelle 3 auf, die einen ersten Kühlkanal 4 für ein Kühlmedium 5 umfasst. Das Kühlmedium 5 kann beispielsweise Kühlöl oder Getriebeöl sein. Auf einer Außenmantelfläche 6 der Hohlwelle 3 ist ein Blechpaket 7 mit nicht näher bezeichneten Blechscheiben angeordnet. Längsendseitig des Blechpakets 7 sind hier zwei Wuchtscheibe 8 angeordnet, die eventuell vorhandene Unwuchten des Rotors 1 ausgleichen sollen. Selbstverständlich ist auch ein Rotor 1 mit lediglich einer einzigen derartigen Wuchtscheibe 8 denkbar. Erfindungsgemäß ist nun zwischen der Wuchtscheibe 8 und dem Blechpaket 7 ein Bauteil 9 (vergl. auch die 5 bis 8) aus einer Spritzgussmasse/Vergussmasse angeordnet, das zumindest einen in Axialrichtung 10 offenen und mit dem ersten Kühlkanal 4 in der Hohlwelle 3 kommunizierend verbundenen zweiten Kühlkanal 11 (vergleiche insbesondere die 5 bis 7) aufweist, der in Axialrichtung 10 von der Wuchtscheibe 8 abgedeckt ist und einen geschlossenen Kühlkanal bildet. Über entsprechende Austrittsöffnungen 19 kann das Kühlmedium 5 zu Statorwicklungen bzw. Statorwickelköpfen 20' gelangen und diese kühlen. Die Austrittsöffnungen 19 bewirken dabei ein im Wesentlichen radiales und/oder schräges bzw. axiales nach außen Spritzen des Kühlmediums 5. Das Bauteil 9 hüllt dabei längsendseitig des Blechpakets 7 angeordnete Wickelköpfe 12 der Rotorwicklungen 18 ein und isoliert diese zugleich elektrisch. Die Wickelköpfe 12 dienen dabei der Umlenkung eines Wickeldrahtes, beispielsweise eines Kupferdrahtes; sowie einer elektrischen Anbindung einer nicht näher beschriebenen Rotorwicklung 18. Es handelt sich somit in diesem Fall um eine fremderregte Synchronmaschine.
Generell können die Austrittsöffnungen 19 in radialer Richtung offen sein (vgl. die 1 bis 7 und bei einer Öffnungen 22 in 11), aber auch in axialer Richtung, wie dies beispielsweise in den 8 bis 11 dargestellt ist. Die Öffnung 22 kann dabei in radialer Richtung oder schräg zur Achse des Rotors 1 ausgerichtet sein.
Alternativ ist auch denkbar, dass im Blechpaket 7 auf der Hohlwelle 3 PSM-Magnete 18' angeordnet sind, wobei die PSM-Magnete 18' an ihren Längsenden 12' in die Spritzgussmasse/Vergussmasse des Bauteils 9 eingebettet sind. Mittels der Spritzgussmasse/Vergussmasse des Bauteils 9 können die PSM-Magnete 18' gehalten bzw. fixiert werden. Über entsprechende Austrittsöffnungen 19 kann das Kühlmedium 5 in diesem Fall zu Statorwickelköpfen 20' gelangen und diese kühlen. Es handelt sich somit in diesem Fall um eine permanenterregte Synchronmaschine. Die PSM-Magnete 18' können in der Fachwelt bekannte, z.B. seltenerdmetallhaltige Permanentmagnetwerkstoffe, wie etwa NdFeB enthalten.
Somit sind am Rotor 1 als Erregerwicklung mindestens eine mit Gleichstrom zu speisende Rotorwicklung 18 (bei der fremderregten Synchronmaschine) oder Permanentmagnete 18' (bei der permanenterregten Synchronmaschine) angeordnet. Am Stator befinden sich in beiden Fällen mehrere, zur Erzeugung eines rotierenden Magnetfeldes mit Wechselstrom zu speisende Statorwicklungen mit Statorwickelköpfen 20'.
Durch das erfindungsgemäße Bauteil 9, mit welchem die Wickelköpfe 12 oder Längsenden 12' der PSM-Magnete 18' umspritzt bzw. umgossen werden, gelingt es erstmals, eine Kanalgeometrie zumindest eines zweiten Kühlkanals 11 mittels eines zur Herstellung des Bauteils 9 verwendeten Kunststoffspritzgießwerkzeugs/Vergusswerkzeugs/Umspritzwerkzeugs einfach und dennoch qualitativ hochwertig herzustellen, wobei der mindestens eine zweite Kühlkanal 11 in dem Bauteil 9 lediglich in der Art einer Rinne bzw. einer Nut ausgebildet und erst durch das Anbringen der Wuchtscheibe 8 überdeckt und damit kanalartig geschlossen wird. Der große Vorteil eines solchen mehrschaligen zweiten Kühlkanals 11 liegt darin, dass eine nahezu beliebige Kühlkanalgeometrie sowie nahezu beliebige Querschnitte vergleichsweise einfach realisierbar sind, was mit bislang beispielsweise in der Wuchtscheibe 8 verlaufenden zweiten Kühlkanälen, die gebohrt werden mussten, nicht möglich war. Zudem ist mit dem erfindungsgemäß vorgesehenen Bauteil 9 auch nicht das Bearbeiten jeder Wuchtscheibe 8 zur Realisierung der zweiten Kühlkanäle 11 erforderlich, da diese durch das Spritzgusswerkzeug bzw. Umspritzwerkzeug zur Herstellung des Bauteils 9 als Negativform bereitgestellt werden können. Das Herstellen eines derartigen zweiten Kühlkanals 11 erfordert somit lediglich eine einmalige Bearbeitung des Werkzeugs, was deutlich einfacher und kostengünstiger ist, wie ein individuelles Bearbeiten jeder Wuchtscheibe 8, wie dies zum Herstellen bisheriger Kühlkanäle erforderlich war. Die Spritz-/Vergussmasse des Bauteils 9 kann dabei durch das Blechpaket 7 durchgespritzt werden, sodass beide endseitigen Bauteile 9 über entsprechende Stege, die durch die Blechpakete 7 hindurch verlaufen miteinander verbunden sind und das Bauteil 9 aus einem Guss besteht, das heißt einstückig ist.
Betrachtet man die Schnittdarstellungen durch den Rotor 1 entsprechend den 1 bis 4, so kann man erkennen, dass das Bauteil 9 konisch ausgebildet ist und eine radial nach außen zunehmende axiale Dicke aufweist. In gleicher Weise ist eine komplementär dazu ausgebildete Schräge 13 an der Wuchtscheibe 8 angeordnet. Selbstverständlich ist auch eine nicht konische Ausführungsform des Bauteils 9, beispielsweise gestuft oder mit radial nach außen gleichbleibender axialer Dicke, denkbar.
Durch eine entsprechende Gestaltung des Spritzgusswerkzeug bzw. des Umspritzwerkzeugs ist es möglich, dem zweiten Kühlkanal 11 einen konstanten Querschnitt und beispielsweise linearen Verlauf zu verleihen, wie dies in 6 dargestellt ist. Gemäß der 6 besitzt der zweite Kühlkanal 11 eine rinnenförmige Gestalt. Alternativ hierzu kann der zweite Kühlkanal 11 auch einen variablen Querschnitt aufweisen, wie dies bei dem zweiten Kühlkanal 11 gemäß der 7 und entsprechend der 5 dargestellt ist. Der zweite Kühlkanal 11 entsprechend der 7 besitzt darüber hinaus zudem einen gebogenen Verlauf. Ebenfalls ist es möglich, den zweiten Kühlkanal 11 nach radial außen geschlossen auszubilden, wie dies mit dem Bezugszeichen 11 a in 5 dargestellt ist, oder nach radial außen offen, wie dies mit dem Bezugszeichen 11 bezeichnet ist. Ein radial nach außen geschlossener zweiter Kühlkanal 11 a besitzt dabei den Vorteil, dass eine Stirnseite des Rotors und über diese beispielsweise die Rotorwickelköpfe bzw. der PSM-Magnet 18' besser gekühlt werden kann.
Betrachtet man die 8 bis 11, so kann man erkennen, dass das Bauteil 9 einen zumindest teilweise außen umlaufenden Kragen 21 aufweist. Der Kragen 21 des Bauteils 9 kann dabei die Wuchtscheibe 8 umgeben, sodass die Austrittsöffnung 19 hier in axiale Richtung weist. Der zweite Kühlkanal 11 ist dabei im Bereich des Kragens 21 von diesem und einer Außenmantelfläche der Wuchtscheibe 8 gebildet und besitzt dort einen axialen Abschnitt. Das Kühlmedium 5 kann so in Axialrichtung austreten. Aufgrund der Fliehkraft trifft es nun axial versetzt auf (siehe 11) und kann so andere Bereiche kühlen, z. B. weiter über das Blechpaket 7 überstehende Statorwickelköpfe 20'. Denkbar hierbei ist auch, dass der Kragen 21 zumindest eine Öffnung 22 aufweist oder nicht voll umläuft, sondern Durchbrüche hat, durch die ein Teil des Kühlmediums 5 analog zu dem Bauteil gemäß beispielsweise 5, das heißt in der bisher beschriebenen Weise, ohne axialen Versatz austritt, so dass das Kühlmedium 5 insgesamt besser im Stator verteilt wird.
Während die, insbesondere radial, nach außen durchgehenden zweiten Kühlkanäle 11 das Kühlmedium 5 zu den Statorwickelköpfen 20' leiten, nehmen sie evtl. zu wenig Wärme vom Rotor 1 auf, der auch Verlustwärme erzeugt (Wirbelstromverluste durch Feldunsymmetrien und -schwankungen, und bei Fremderregung auch Wicklungs- und ggfs. Gleichrichterverluste). Abhilfe schaffen hier die nicht nach radial außen offene Kanäle 11 a (vgl. 5), die Kühlmedium 5 führen, um den Rotor 1 besser zu kühlen.
Bereits diese nicht abschließende Aufzählung bzw. Darstellung lässt erahnen, welch mannigfaltige Querschnittsgeometrien und Verläufe für den zweiten Kühlkanal 11 denkbar sind, wobei eine Herstellung der jeweiligen Form lediglich eine einmalige Bearbeitung des Spritzgusswerkzeugs bzw. des Umspritzwerkzeugs erfordert.
Betrachtet man die 1 weiter, so kann man erkennen, dass in der Hohlwelle 3 zwei Durchgangsöffnung 14 angeordnet sind, über welche der jeweilige zweite Kühlkanal 11 mit dem ersten Kühlkanal 4 in der Hohlwelle 3 kommunizierend verbunden und über welche der jeweilige zweite Kühlkanal 11 mit Kühlmedium 5 versorgt wird.
In 2 ist lediglich eine einzige Durchgangsöffnung 14 vorgesehen, über welche Kühlmedium 5 direkt in den linken zweiten Kühlkanal 11 eingeleitet wird. Dies liegt jedoch an der Schnittebenen-Darstellung, sodass üblicherweise mehrere derartiger Durchgangsöffnungen 14 über den Umfang verteilt angeordnet sind. Das Bauteil 9 ist in der gezeigten Ausführungsform ringförmig ausgebildet, wodurch in Radialrichtung zwischen dem Bauteil 9 und der Außenmantelfläche 6 der Hohlwelle 3 ein Zwischenraum 15 verbleibt. Das Bauteil 9 erstreckt sich über die Länge des Rotors 1, wobei die Spritzgussmasse/Vergussmasse durch Aufnahmen für die Rotorwicklungen 18 oder die PSM-Magnete 18' (Magnettaschen) gespritzt wird, sodass es beispielsweise links eingespritzt wird und rechts wieder austritt. Entsprechend den 2 bis 4 und 9 ist zwischen den beiden Kühlkanälen 11 bzw. zwischen den beiden Zwischenräumen 15 zumindest ein Verbindungskanal 16 angeordnet, der durch das Blechpaket 7 führt, sodass das über die Durchgangsöffnung 14 von dem ersten Kühlkanal 4 in der Hohlwelle 3 in den Zwischenraum 15 strömende Kühlmedium 5 sich auf den zweiten Kühlkanal 11 und den Verbindungskanal 16 aufteilt. An der rechten Seite gelangt das Kühlmedium 5 vom Verbindungskanal 16 in den dortigen Zwischenraum 15 und von dort über den zweiten Kühlkanal 11 weiter nach radial außen.
Entsprechend der 3 ist ebenfalls ein solcher Verbindungskanal 16 vorgesehen, der jedoch als Nut an einer Innenmantelfläche des Blechpakets 7 ausgebildet und andererseits von der Außenmantelfläche 6 der Hohlwelle 3 abgedeckt ist. In diesem Fall verläuft der Verbindungskanal 16 zwischen dem Blechpaket 7 und der Außenmantelfläche 6 der Hohlwelle 3. Eine Zuführung von Kühlmedium 5 erfolgt dabei über die Durchgangsöffnung 14, beispielsweise eine Bohrung, direkt in den Verbindungskanal 16 und von dort in beide Axialrichtungen 10 in die jeweiligen Zwischenräume 15 bzw. die jeweiligen zweiten Kühlkanäle 11. Der Zwischenraum 15 bildet dabei einen Bestandteil des jeweiligen zweiten Kühlkanals 11.
Bei der Ausführungsform gemäß der 4 ist ebenfalls ein Verbindungskanal 16 vorgesehen, welcher jedoch bezüglich einer radialen Höhe analog zu dem gemäß der 2 dargestellten Verbindungskanal 16 angeordnet ist. Eine Zuführung von Kühlmedium 5 in den Verbindungskanal 16 erfolgt dabei über einen Verbindungskanalabschnitt 17, der einerseits über die Durchgangsöffnung 14 mit dem ersten Kühlkanal 4 und andererseits mit dem Verbindungskanal 16 kommunizierend verbunden ist. Dadurch kann beispielsweise im Vergleich zu der in 2 dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotors 1 eine besonders gleichmäßige Beaufschlagung der beiden sich gegenüberliegenden zweiten Kühlkanäle 11 mit Kühlmedium 5 erfolgen.
Der erste Kühlkanal 4 ist dabei entsprechend der 2 direkt mit zumindest einem zweiten Kühlkanal 11 bzw. einem zugehörigen Zwischenraum 15 verbunden, gemäß der 2 mit dem linken zweiten Kühlkanal 11 bzw. Zwischenraum 15 und mit zumindest einem gegenüberliegenden zweiten Kühlkanal 11, hier dem rechten Kühlkanal 11 bzw. dem rechten Zwischenraum 15, indirekt über den Verbindungskanal 16.
Entsprechend den Ausführungsformen gemäß den 3 und 4 ist der erste Kühlkanal 4 ausschließlich direkt mit dem Verbindungskanal 16 und über diesen indirekt mit den zumindest zwei zweiten Kühlkanälen 11 kommunizierend verbunden.
Allen Ausführungsformen ist dabei gemein, dass in der Hohlwelle 4 zumindest eine Durchgangsöffnung 14 zur kommunizierenden Verbindung mit dem jeweiligen Zwischenraum 15 bzw. zweiten Kühlkanal 11 oder dem Kanalabschnitt 17 vorgesehen ist. Diese Durchgangsöffnungen 14 können beispielsweise als Bohrungen ausgebildet sein.
Die eingesetzte Wuchtscheibe 8 kann aus Metall, insbesondere aus Aluminium oder aus Edelstahl, ausgebildet sein und dadurch aufgrund ihres Gewichts eine lediglich geringe axiale Bauhöhe erfordern. Zusammen mit der Anordnung des zweiten Kühlkanals 11 zwischen der Wuchtscheibe 8 und dem Blechpaket 7 kann eine besonders kompakte Bauform des Rotors 1 in Axialrichtung 10 erreicht werden. Durch eine unterschiedliche Ausgestaltung bzw. Anordnung und Anzahl der zweiten Kühlkanäle 11 kann auch eine besonders effektive und individuell steuerbare Kühlung des Rotors 1, konkret der Wickelköpfe 12 oder der Längsenden 12' der PSM-Magnete 18' erfolgen, wodurch die Leistungsfähigkeit einer mit einem solchen Rotor 1 ausgestatteten elektrischen Maschine 2 gesteigert werden kann.
Zwischen der jeweiligen Wuchtscheibe 8 und dem Blechpaket 7 verbleibt dabei einen Axialabstand, der den Zwischenraum 15 bildet, sodass eine direkte Anlage der Wuchtscheibe 8 am Blechpaket 7 vorzugsweise vermieden wird. Da das Bauteil 9 aus einer Spritzgussmasse/Vergussmasse, vorzugsweise aus Kunststoff ausgebildet ist, ist es sogar möglich, die Wuchtscheibe 8 aus Metall, auszubilden, da das Bauteil 9 in diesem Fall einen elektrischen Isolator bildet.
Unabhängig von den gewählten bzw. beschriebenen Ausführungsformen kann mit dem erfindungsgemäßen Rotor 1 eine in Axialrichtung 10 besonders kompakte Bauweise des Rotors 1 erreicht werden, ebenso wie eine besonders effektive Kühlung desselben, wodurch eine damit ausgestattete elektrische Maschine 2 nicht nur kompakt bauend, sondern auch leistungsstark ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015014535 A1 [0002]
US 8450890 B2 [0003]

Claims

Rotor (1) einer elektrischen Maschine (2), - mit einer Hohlwelle (3), die einen ersten Kühlkanal (4) für ein Kühlmedium (5) aufweist, - mit einem auf der Hohlwelle (3) angeordneten Blechpaket (7), - mit einer längsendseitig des Blechpakets (7) angeordneten Wuchtscheibe (8), dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Wuchtscheibe (8) und dem Blechpaket (7) ein Bauteil (9) aus einer Spritzgussmasse/Vergussmasse angeordnet ist, das zumindest einen in Axialrichtung (10) offenen und mit dem ersten Kühlkanal (4) in der Hohlwelle (3) kommunizierend verbundenen zweiten Kühlkanal (11) aufweist, der in Axialrichtung (10) von der Wuchtscheibe (8) abgedeckt ist und einen zumindest teilweise geschlossenen Kühlkanal bildet.
Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (9) konisch ausgebildet ist, insbesondere eine radial nach au-ßen zunehmende axiale Dicke aufweist.
Rotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, - dass in dem Blechpaket (7) Rotorwicklungen (18) mit längsendseitigen Wickelköpfen (12) angeordnet sind, wobei die Wickelköpfe (12) in die Spritzgussmasse/Vergussmasse des Bauteils (9) eingebettet sind, oder - dass in dem Blechpaket (7) PSM-Magnete (18') angeordnet sind, wobei die PSM-Magnete (18') an ihren Längsenden (12') in die Spritzgussmasse/Vergussmasse des Bauteils (9) eingebettet sind.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine zweite Kühlkanal (11) einen konstanten oder einen variablen Querschnitt aufweist.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, - dass der zumindest eine zweite Kühlkanal (11) als nach radial außen geschlossener Kühlkanal (11 a) oder radial nach außen offen ausgebildet ist, und/oder - dass der zumindest eine zweite Kühlkanal (11) linear oder gebogen ausgebildet ist.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an beiden Längsenden des Blechpakets (7) eine Wuchtscheibe (8) und ein Bauteil (9) aus einer Spritzgussmasse/Vergussmasse angeordnet sind, die jeweils zumindest einen in Axialrichtung (10) offenen und mit dem ersten Kühlkanal (4) in der Hohlwelle (3) kommunizierend verbundenen zweiten Kühlkanal (11) aufweisen, der in Axialrichtung (10) von der zugehörigen Wuchtscheibe (8) abgedeckt ist.
Rotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, - dass zwischen der Wuchtscheibe (8) und dem Blechpaket (7) ein Zwischenraum (15) angeordnet ist, - dass zwischen sich gegenüberliegenden Zwischenräumen (15) oder zwischen zumindest zwei zweiten Kühlkanälen (11) zumindest ein Verbindungskanal (16) angeordnet ist.
Rotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kühlkanal (4) mit zumindest einem zweiten Kühlkanal (11) direkt und mit zumindest einem gegenüberliegenden zweiten Kühlkanal (11) indirekt über den Verbindungskanal (16) kommunizierend verbunden ist.
Rotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kühlkanal (4) ausschließlich mit dem Verbindungskanal (16) und über diesen mit den zumindest zwei zweiten Kühlkanälen (11) kommunizierend verbunden ist.
Rotor nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungskanal (16) im Blechpaket (7) oder zwischen diesem und der Hohlwelle (3) verläuft.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wuchtscheibe (8) aus Metall, insbesondere aus Aluminium oder Edelstahl, ausgebildet ist.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spritzgussmasse/Vergussmasse aus Kunststoff ausgebildet ist.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (9) einen zumindest teilweise außen umlaufenden Kragen (21) aufweist.
Elektrische Maschine (2), insbesondere ein Traktionsmotor, mit einem Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.