WO2024109982A1 - Rotor mit kühlkanälen und elektrische maschine mit derartigem rotor - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a rotor of an electrical machine, in particular for a drive train of a motor vehicle, comprising a rotor body with a plurality of magnetic pockets extending axially through the rotor body, in each of which at least one rotor magnet is accommodated, and the rotor magnets are each fixed by means of a plastic body running in the magnetic pockets, wherein the rotor body further comprises a plurality of cooling channels extending axially through the rotor body, through which a cooling fluid can flow, wherein the cooling channels have a front-side outlet opening in the rotor body, from which the cooling fluid is released from the cooling channels into the rotor environment during operation of the rotor.
- the invention further relates to an electrical machine.
- Electric motors are increasingly being used to power motor vehicles in order to create alternatives to combustion engines that require fossil fuels.
- Considerable efforts have already been made to improve the suitability of electric drives for everyday use and to offer users the same driving comfort they are used to.
- hybrid drive trains are also known.
- Such drive trains in a hybrid vehicle usually comprise a combination of an internal combustion engine and an electric motor and enable - for example in urban areas - purely electric operation while at the same time providing sufficient range and availability, especially for cross-country journeys.
- hydraulic fluids such as cooling oils have become the standard in most concepts for removing heat from the thermally stressed areas of an electrical machine.
- jacket cooling and winding head cooling are known from the state of the art for the implementation of cooling of electrical machines using hydraulic fluids. While jacket cooling transfers the heat generated on the outer surface of the rotor core into a cooling circuit, with winding head cooling the heat transfer takes place directly on the conductors outside the rotor core in the area of the winding heads into the fluid.
- a rotor of an electric machine in particular for a drive train of a motor vehicle, comprising a rotor body with a plurality of magnetic pockets extending axially through the rotor body, in each of which at least one rotor magnet is accommodated, and the rotor magnets are each fixed by means of a plastic body running in the magnetic pockets, wherein the rotor body further has a plurality of cooling channels extending axially through the rotor body, through which a cooling fluid can flow, wherein the cooling channels have a front-side outlet opening in the rotor body, from which the cooling fluid is released from the cooling channels into the rotor environment during operation of the rotor, wherein at least one of the plastic bodies protrudes axially from the rotor body with a fluid guide element and interacts with one of the outlet openings in such a way that cooling fluid emerging from the outlet opening during operation of the rotor is subjected to an axial force component by the fluid guide element of the plastic body.
- the fluid guide element can be formed integrally with the plastic body, for example during transfer molding or an injection molding process to fix the stator magnets, which means that the fluid guide element can be manufactured particularly cost-effectively.
- plastic has the further advantage that it offers many degrees of geometric freedom in terms of its shape.
- a rotor is the rotating part of an electrical machine.
- the rotor comprises in particular a rotor shaft.
- the rotor shaft can be hollow which on the one hand results in a weight saving and on the other hand allows the supply of lubricant or coolant to the rotor body.
- the hollow shaft of the contactless energy transmission device is a rotor shaft of a rotor of an electrical machine which is hollow at least in sections.
- a rotor body is understood to mean the rotor without a rotor shaft.
- the rotor body is therefore composed in particular of a rotor laminated core and the permanent magnets introduced into the pockets of the rotor laminated core or fixed circumferentially to the rotor laminated core, as well as any axial cover parts present for closing the pockets.
- the rotor preferably has a plurality of rotor bodies.
- the rotor bodies are particularly preferably formed from essentially the same parts, in particular essentially identical. It is highly preferred that the rotor bodies are formed from identical, in particular essentially identical rotor laminations.
- the rotor bodies are therefore particularly preferably formed from a rotor lamination stack, which is composed of a plurality of laminated individual laminations or rotor laminations, usually made from electrical steel, which are layered and packaged one above the other to form a stack, the so-called rotor lamination stack.
- the individual laminations can be held together in the rotor lamination stack by gluing, welding or screwing.
- a rotor lamination stack can in particular also have permanent magnets introduced into the pockets of the rotor lamination stack or fixed to the circumference of the rotor lamination stack. It is possible for the rotor lamination stacks to be interlocked with one another, i.e. arranged at an angle to one another. This interlocking can be linear or V-shaped in order to avoid or at least reduce axial forces.
- the cooling channels are then preferably designed in such a way that no radial undercut is formed and that cooling fluid can flow out axially.
- the term rotor magnet refers to the permanent magnets that are to be inserted into the pockets of the rotor core. Permanent magnets can preferably be inserted into the pockets of the rotor core. In this case, a single larger rotor magnet designed as a bar magnet or several smaller rotor magnets designed as permanent magnet elements can be provided per pocket.
- a rotor laminated core can in particular form a rotor body.
- a rotor laminated core is understood to be a plurality of laminated individual sheets or rotor sheets, usually made of electrical steel, which are layered and packaged on top of one another to form a stack, the so-called rotor laminated core. The individual sheets can then remain held together in the laminated core by gluing, welding or screwing.
- a rotor laminated core can in particular also have magnetic elements introduced into the pockets of the rotor laminated core or fixed circumferentially to the rotor laminated core, as well as any axial cover parts for closing the pockets and the like.
- the electrical machine can be designed in particular as a rotary machine.
- the rotary machine can be configured in particular as a radial flux machine.
- a radial flux machine is characterized by the fact that the magnetic field lines in the air gap formed between the rotor and stator extend in a radial direction.
- the gap between the rotor and the stator is referred to as the air gap.
- this is a gap that is circular in cross-section and has a radial width that corresponds to the distance between the rotor body and the rotor body.
- the electric machine is intended in particular for use within a drive train of a hybrid or fully electric motor vehicle.
- the electric machine is dimensioned such that vehicle speeds of greater than 50 km/h, preferably greater than 80 km/h and in particular greater than 100 km/h can be achieved.
- the electric motor particularly preferably has an output of greater than 50 kW, preferably greater than 80 kW and in particular greater than 150 kW. It is also preferred that the electric machine provides speeds greater than 8,000 ll/min, particularly preferably greater than 12,000 ll/min, most preferably greater than 15,000 ll/min.
- motor vehicles are considered to be land vehicles that are moved by mechanical power without being tied to railway tracks.
- a motor vehicle can, for example, be selected from the group of passenger cars (PKW), lorries (LKW), mopeds, light motor vehicles, motorcycles, buses (KOM) or tractors.
- the cooling channels are arranged on a circular path in the cross section of the rotor body.
- the advantage of this embodiment is that a particularly uniform cooling performance can be achieved. It is particularly preferred that the diameter of the circular path is selected such that the cooling channels run radially below the rotor magnets. It is also preferred that the center of the circular path runs coaxially to the axis of rotation of the rotor.
- the fluid guide element is arranged radially above the outlet opening assigned to it. According to a further preferred development of the invention, it can also be provided that the fluid guide element is positioned radially in alignment with the outlet opening assigned to it, whereby a particularly short fluid path can be realized between the outlet opening and the fluid guide element, which contributes to a particularly good and controlled fluid line.
- a fluid guide element is assigned to all outlet openings on a first end face of the rotor body and/or a fluid guide element is assigned to all outlet openings on a second end face of the rotor body, which contributes to a particularly good cooling effect.
- two circumferentially adjacent Magnetic pockets in the cross section of the rotor body have a V-shaped arrangement with a tip pointing radially inwards.
- the invention can also be further developed in such a way that the outlet openings in the cross section of the rotor body are positioned between two V-shaped arrangements of magnetic pockets. Placing the cooling channel between the poles has the advantage that the space there has the least negative influence on the electrical machine from a strength and electromagnetic point of view.
- the plastic bodies of two V-shaped arrangements adjacent in the circumferential direction emerge axially from the magnet pockets on the first end face of the rotor body and form a substantially W-shaped contour in cross section, with the fluid guide element being formed on the radially outward-pointing tip of the W-shaped contour.
- the fluid guide element is designed as a ramp which has a ramp surface inclined axially away from the rotor body and radially outwards, whereby particularly effective cooling can be achieved.
- an electrical machine comprising a hollow cylindrical stator and a rotor rotatably arranged in the stator, wherein a stator winding is accommodated in the stator, which to form a winding head each, exiting axially from the two end faces of the stator, wherein the rotor is designed according to one of the preceding claims and the fluid guide element is configured such that cooling fluid is guided to one of the winding heads during operation of the electrical machine.
- Figure 1 shows a motor vehicle with an electric drive train in a schematic block diagram
- Figure 2 shows an electrical machine in a schematic axial section
- Figure 3 shows an electrical machine in an axial section view
- Figure 4 shows a rotor in a first perspective axial sectional view
- Figure 5 shows a rotor in a second perspective axial sectional view.
- the electric machine 2 is shown in an axial sectional view in Figure 2.
- the electric machine 2 comprises a hollow cylindrical stator 19 and a rotor 1 rotatably arranged in the stator 19, wherein a stator winding 20 is accommodated in the stator 19, which emerges axially from the two end faces of the stator 19, forming a winding head 21.
- the rotor body 5 of the rotor 1, formed from a plurality of packaged rotor laminations 22, is connected in a rotationally fixed manner to the rotor shaft 23 and has a fluid guide element 12 which is configured in such a way that during operation of the electrical machine 2, cooling fluid 10 is directed to one of the winding heads 21. This is explained in more detail with reference to Figures 2-5.
- the rotor 1 of the electric machine 2 has a rotor body 5 with a plurality of magnetic pockets 6 extending axially through the rotor body 5, in each of which at least one rotor magnet 7 is accommodated.
- the rotor magnets 7 are each fixed by means of a plastic body 8 running in the magnetic pockets 6, wherein the rotor body 5 further has a plurality of cooling channels 9 extending axially through the rotor body 5, through which a cooling fluid 10 can flow.
- the cooling channels 9 each have a front-side outlet opening 11 in the rotor body 5, from which the cooling fluid 10 is released from the cooling channels 9 into the rotor environment when the rotor 1 is in operation.
- One of the plastic bodies 8 projects axially out of the rotor body 5 with a fluid guide element 12 and interacts with one of the outlet openings 11 in such a way that, during operation of the rotor 1, cooling fluid 10 emerging from the outlet opening 11 is subjected to an axial force component by the fluid guide element 12 of the plastic body 8.
- the fluid guide element 12 is arranged radially above the outlet opening 11 assigned to it and the fluid guide element 12 is positioned radially aligned with the outlet opening 11 assigned to it.
- a fluid guide element 12 is assigned to all outlet openings 11 on a first end face 13 of the rotor body 5, and a fluid guide element 12 is assigned to all outlet openings 11 on a second end face 14 of the rotor body 5.
- Each two magnetic pockets 6 adjacent in the circumferential direction have a V-shaped arrangement 15 with a tip pointing radially inwards in the cross section of the rotor body 5.
- the outlet openings 11 are positioned in the cross section of the rotor body 5 between two V-shaped arrangements 15 of the magnetic pockets 6.
- the plastic bodies 8 of two V-shaped arrangements 15 adjacent in the circumferential direction emerge axially from the magnet pockets 6 on the first end face 13 of the rotor body 5 and form a substantially W-shaped contour in cross section, with the fluid guide element 12 being formed on the radially outward-pointing tip 16 of the W-shaped contour.
- the fluid guide element 12 is designed as a ramp 17 which has a ramp surface 18 inclined axially away from the rotor body 5 and radially outward. In a plurality of fluid guide elements 12 formed on a first end face 13, their ramp surfaces 18 are designed differently from one another.
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Abstract
Ein Rotor (1) einer elektrischen Maschine (2) für ein Kraftfahrzeug (4) umfasst einen Rotorkörper (5) mit einer Mehrzahl von sich axial durch den Rotorkörper (5) erstreckenden Rotormagnet (7) in Magnettaschen (6). Jeder Rotormagnet (7) ist mittels eines in den Magnettaschen (6) verlaufenden Kunststoffkörpers (8) fixiert. Zusätzlich befindet sich im Rotorkörper (5) eine Mehrzahl von axialen Kühlkanäle (9), welche von einem flüssigen Kühlfluid (10) durchströmbar sind. Jeder Kühlkanal (9) besitzt eine stirnseitige Austrittsöffnung (11) im Rotorkörper (5), aus der im Betrieb des Rotors (1) das Kühlfluid (10) aus den Kühlkanälen (9) in die Rotorumgebung abgegeben wird. Dabei ragt wenigstens ein Kunststoffkörper (8) mit einem Fluidleitelement (12) axial aus dem Rotorkörper (5) heraus und wirkt so mit einer der Austrittsöffnungen (11) zusammen, dass das im Betrieb des Rotors (1) aus der Austrittsöffnung (11) austretende Kühlfluid (10) vom Fluidleitelement (12) des Kunststoffkörpers (8) mit einer axialen Kraftkomponente beaufschlagt wird.
Description
ROTOR MIT KÜHLKANÄLEN UND ELEKTRISCHE MASCHINE MIT DERARTIGEM ROTOR
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor einer elektrischen Maschine, insbesondere für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, umfassend einen Rotorkörper mit einer Mehrzahl von sich axial durch den Rotorkörper erstreckenden Magnettaschen, in denen jeweils wenigstens ein Rotormagnet aufgenommen ist, und die Rotormagnete jeweils mittels eines in den Magnettaschen verlaufenden Kunststoffkörpers fixiert sind, wobei der Rotorkörper ferner eine Mehrzahl von sich axial durch den Rotorkörper erstreckenden Kühlkanäle aufweist, welche von einem Kühlfluid durchströmbar sind, wobei die Kühlkanäle eine stirnseitige Austrittsöffnung im Rotorkörper besitzen, aus denen im Betrieb des Rotors das Kühlfluid aus den Kühlkanälen in die Rotorumgebung abgegeben wird. Die Erfindung betrifft ferner eine elektrische Maschine.
Bei Kraftfahrzeugen werden für den Antrieb verstärkt Elektromotoren eingesetzt, um Alternativen zu Verbrennungsmotoren zu schaffen, die fossile Brennstoffe benötigen. Um die Alltagstauglichkeit der Elektroantriebe zu verbessern und zudem den Benutzern den gewohnten Fahrkomfort bieten zu können, sind bereits erhebliche Anstrengungen unternommen worden.
Eine ausführliche Darstellung zu einem Elektroantrieb ergibt sich aus einem Artikel der Zeitschrift ATZ 113. Jahrgang, 05/2011 , Seiten 360-365 von Erik Schneider, Frank Fickl, Bernd Cebulski und Jens Liebold mit dem Titel: Hochintegrativ und Flexibel Elektrische Antriebseinheit für E-Fahrzeuge. Derartige Antriebseinheiten werden auch als E-Achsen oder elektrisch betreibbarer Antriebsstrang bezeichnet.
Neben den rein elektrisch betriebenen Antriebssträngen sind auch hybride Antriebsstränge bekannt. Derartige Antriebsstränge eines Hybridfahrzeuges umfassen üblicherweise eine Kombination aus einer Brennkraftmaschine und einem Elektromotor, und ermöglichen - beispielsweise in Ballungsgebieten - eine rein elektrische Betriebsweise bei gleichzeitiger ausreichender Reichweite und Verfügbarkeit gerade bei Überlandfahrten. Zudem besteht die Möglichkeit, in bestimmten Betriebssituationen gleichzeitig durch die Brennkraftmaschine und den Elektromotor anzutreiben.
Bei der Entwicklung der für E-Achsen und Hybridmodule vorgesehenen elektrischen Maschinen besteht ein anhaltendes Bedürfnis daran, deren Leistungsdichten zu steigern, so dass der hierzu notwendigen Kühlung der elektrischen Maschinen wachsende Bedeutung zukommt. Aufgrund der notwenigen Kühlleistungen haben sich in den meisten Konzepten Hydraulikflüssigkeiten, wie Kühlöle, zum Abtransport von Wärme aus den thermisch beaufschlagten Bereichen einer elektrischen Maschine durchgesetzt.
Für die Statoren von elektrischen Maschinen ist beispielsweise die Mantelkühlung sowie die Wickelkopfkühlung aus dem Stand der Technik für die Realisierung einer Kühlung von elektrischen Maschinen mittels Hydraulikflüssigkeiten bekannt. Während die Mantelkühlung die entstehende Wärme an der äußeren Oberfläche des Rotorblechpakets in einen Kühlkreislauf überträgt, erfolgt bei der Wickelkopfkühlung der Wärmeübergang direkt an den Leitern außerhalb des Rotorblechpakets im Bereich der Wickelköpfe in das Fluid.
Weitere Verbesserungen bieten getrennt ausgeführte Kühlkanäle, welche sowohl in das Blechpaket des Stators (siehe z. B. EP3157138 A1 ) als auch in die Nut zusätzlich zu den Leitern eingebracht werden (siehe z. B. Markus Schiefer: Indirekte Wicklungskühlung von hochausgenutzten permanenterregten Synchronmaschinen mit Zahnspulenwicklung, Dissertation, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2017).
Es sind auch Konzepte bekannt, bei denen die Wicklungen direkt mit Hydraulikflüssigkeit umströmt werden, um die Leistungsdichte zu erhöhen. Eine verbesserte Kühlung mit direktem Kontakt von Hydraulikflüssigkeit und Leiter in der Nut ist bereits grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt. So beschreibt beispielsweise DE102015013018 A1 eine Lösung für elektrische Maschinen mit Einzelzahnwicklung, wobei das Fluid direkt die Wicklungen, welche um die Zähne gewickelt sind, umströmt.
Neben der Kühlung der Statoren ist es grundsätzlich auch bekannt, die Rotoren der elektrischen Maschinen zu kühlen.
Es ist die Aufgabe der Erfindung einen Rotor zu realisieren, welcher eine hohe Kühlleistung bei gleichzeitig geringen Fertigungskosten bereitstellen kann. Es ist ferner die Aufgabe der Erfindung eine verbesserte elektrische Maschine zu realisieren.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Rotor einer elektrischen Maschine, insbesondere für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, umfassend einen Rotorkörper mit einer Mehrzahl von sich axial durch den Rotorkörper erstreckenden Magnettaschen, in denen jeweils wenigstens ein Rotormagnet aufgenommen ist, und die Rotormagnete jeweils mittels eines in den Magnettaschen verlaufenden Kunststoffkörpers fixiert sind, wobei der Rotorkörper ferner eine Mehrzahl von sich axial durch den Rotorkörper erstreckenden Kühlkanäle aufweist, welche von einem Kühlfluid durchströmbar sind, wobei die Kühlkanäle eine stirnseitige Austrittsöffnung im Rotorkörper besitzen, aus denen im Betrieb des Rotors das Kühlfluid aus den Kühlkanälen in die Rotorumgebung abgegeben wird, wobei wenigstens einer der Kunststoffkörper mit einem Fluidleitelement axial aus dem Rotorkörper herausragt und so mit einer der Austrittsöffnungen zusammenwirkt, dass im Betrieb des Rotors aus der Austrittsöffnung austretendes Kühlfluid von dem Fluidleitelement des Kunststoffkörpers mit einer axialen Kraftkomponente beaufschlagt wird.
Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass das Fluidleitelement, beispielsweise während des Transfer-Moulding oder eines Spritzgussprozesses zur Fixierung der Statormagnete, integral mit dem Kunststoffkörper ausgebildet werden kann, wodurch das Fluidleitelement besonders kostengünstig hergestellt werden kann. Kunststoff hat als Werkstoff noch den weiteren Vorteil, dass es geometrisch viele Freiheitsgrade hinsichtlich seiner Formgebung bietet.
Zunächst werden die einzelnen Elemente des beanspruchten Erfindungsgegenstandes in der Reihenfolge ihrer Relevanz oder ihrer Nennung im Anspruchssatz erläutert und nachfolgend besonders bevorzugte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes beschrieben.
Ein Rotor ist der sich drehende (rotierende) Teil einer elektrischen Maschine. Der Rotor umfasst insbesondere eine Rotorwelle. Die Rotorwelle kann hohl ausgeführt
sein, was zum einen eine Gewichtsersparnis zur Folge hat und was zum anderen die Zufuhr von Schmier- oder Kühlmittel zum Rotorkörper erlaubt. Bevorzugt ist die Hohlwelle der kontaktlosen Energieübertragungsvorrichtung eine zumindest abschnittsweise hohl ausgeführte Rotorwelle eines Rotors einer elektrischen Maschine.
Unter einem Rotorkörper wird im Sinne der Erfindung demnach der Rotor ohne Rotorwelle verstanden. Der Rotorkörper setzt sich demnach insbesondere zusammen aus einem Rotorblechpaket sowie den in die Taschen des Rotorblechpakets eingebrachten oder den umfänglich an dem Rotorblechpaket fixierten Permanentmagneten sowie ggf. vorhandenen axialen Deckelteilen zum Verschließen der der Taschen.
Der Rotor weist bevorzugt eine Mehrzahl von Rotorkörpern auf. Besonders bevorzugt sind die Rotorkörper im Wesentlichen gleichteilig, insbesondere im Wesentlichen identisch, ausgebildet. Höchst bevorzugt ist es, dass die Rotorkörper aus gleichteiligen, insbesondere im Wesentlichen identischen Rotorblechen gebildet sind. Die Rotorkörper sind also insbesondere bevorzugt aus einem Rotorblechpaket gebildet, welche aus einer Mehrzahl von in der Regel aus Elektroblech hergestellten laminierten Einzelblechen bzw. Rotorblechen zusammengesetzt sind, die übereinander zu einem Stapel, dem sog. Rotorblechpaket geschichtet und paketiert sind. Die Einzelbleche können in dem Rotorblechpaket durch Verklebung, Verschweißung oder Verschraubung zusammengehalten bleiben. Ein Rotorblechpaket kann insbesondere auch in die Taschen des Rotorblechpakets eingebrachte oder den umfänglich an dem Rotorblechpaket fixierte Permanentmagnete aufweisen. Es ist möglich, dass die Rotorblechpakete eine Verschränkung zueinander aufweisen, also um einen Winkel zueinander verdreht angeordnet sind. Diese Berschränkung kann linear oder auch V-förmig ausgebildet sein, um Axialkräfte zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren. Die Kühlkanäle sind dann bevorzugt so ausgeführt, dass sich kein radialer Hinterschnitt bildet und dass Kühlfluid axial rausfließen kann.
Als Rotormagnet werden die in die Taschen des Rotorblechpakets einzubringenden Permanentmagnete verstanden. Permanentmagnete können bevorzugt in die Taschen des Rotorblechpakets eingebracht sein. Dabei kann pro Tasche ein einziger größerer, als Stabmagnet ausgebildeter Rotormagnet oder mehrere kleinere Permanentmagnetelemente ausgebildete Rotormagnete vorgesehen werden.
Ein Rotorblechpaket kann insbesondere einen Rotorkörper bilden. Als Rotorblechpaket werden eine Mehrzahl von in der Regel aus Elektroblech hergestellten laminierten Einzelblechen bzw. Rotorblechen verstanden, die übereinander zu einem Stapel, dem sog. Rotorblechpaket geschichtet und paketiert sind. Die Einzelbleche können dann in dem Blechpaket durch Verklebung, Verschweißung oder Verschraubung zusammengehalten bleiben. Ein Rotorblechpaket kann insbesondere auch in die Taschen des Rotorblechpakets eingebrachte oder den umfänglich an dem Rotorblechpaket fixierte Magnetelemente sowie ggf. vorhandenen axialen Deckelteilen zum Verschließen der Taschen und dergleichen aufweisen.
Die elektrische Maschine kann insbesondere als Rotationsmaschine ausgebildet sein. Die Rotationsmaschine kann insbesondere als Radialflussmaschine konfiguriert sein. Dabei zeichnet sich eine Radialflussmaschine dadurch aus, dass die Magnetfeldlinien in dem zwischen Rotor und Stator ausgebildeten Luftspalt, sich in radialer Richtung erstrecken. Als Luftspalt wird der zwischen dem Rotor und dem Stator existierende Spalt bezeichnet. Bei einer Radialflussmaschine ist das ein im Querschnitt kreisringförmiger Spalt mit einer radialen Breite, die dem Abstand zwischen Rotorkörper und Rotorkörper entspricht.
Die elektrische Maschine ist insbesondere für die Verwendung innerhalb eines Antriebsstrang eines hybrid- oder vollelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs vorgesehen. Insbesondere ist die elektrische Maschine so dimensioniert, dass Fahrzeuggeschwindigkeiten größer als 50 km/h, vorzugsweise größer als 80 km/h und insbesondere größer als 100 km/h erreicht werden können. Besonders bevorzugt weist der Elektromotor eine Leistung größer als 50 kW, vorzugsweise größer als 80 kW und insbesondere größer als 150 kW auf. Es ist des Weiteren
bevorzugt, dass die elektrische Maschine Drehzahlen größer als 8.000 ll/min, besonders bevorzugt größer als 12.000 ll/min, ganz besonders bevorzugt größer als 15.000 ll/min bereitstellt.
Als Kraftfahrzeuge im Sinne dieser Anmeldung gelten Landfahrzeuge, die durch Maschinenkraft bewegt werden, ohne an Bahngleise gebunden zu sein. Ein Kraftfahrzeug kann beispielsweise ausgewählt sein aus der Gruppe der Personenkraftwagen (PKW), Lastkraftwagen (LKW), Kleinkrafträder, Leichtkraftfahrzeuge, Krafträder, Kraftomnibusse (KOM) oder Zugmaschinen
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Kühlkanäle im Querschnitt des Rotorkörpers auf einer Kreisbahn angeordnet sind. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass eine besonders gleichmäßige Kühlleistung erzielbar ist. Es ist besonders bevorzugt, dass der Durchmesser der Kreisbahn so gewählt ist, dass die Kühlkanäle radial unterhalb der Rotormagnete verlaufen. Es ist ferner bevorzugt, dass der Mittelpunkt der Kreisbahn koaxial zu der Rotationsachse des Rotors verläuft.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Fluidleitelement radial oberhalb der ihm zugeordneten Austrittsöffnung angeordnet ist. Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass das Fluidleitelement radial fluchtend zu der ihm zugeordneten Austrittsöffnung positioniert ist, wodurch ein besonders kurzer Fluidweg zwischen der Austrittsöffnung und dem Fluidleitelement realisierbar ist, was zu einer besonders guten und kontrollierten Fluidleitung beiträgt.
Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass allen Austrittsöffnungen an einer ersten Stirnseite des Rotorkörpers ein Fluidleitelement zugeordnet ist und/oder allen Austrittsöffnungen an einer zweiten Stirnseite des Rotorkörpers ein Fluidleitelement zugeordnet ist, was zu einer besonders guten Kühlwirkung beiträgt.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass jeweils zwei in Umfangsrichtung benachbarte
Magnettaschen im Querschnitt des Rotorkörpers eine V-förmige Anordnung mit einer radial nach innen weisenden Spitze aufweisen. Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass die Austrittsöffnungen im Querschnitt des Rotorkörpers zwischen zwei V-förmigen Anordnungen der Magnettaschen positioniert sind. Zwischen den Polen den Kühlkanal zu setzten hat den Vorteil, dass der Platz dort unter festigkeits- und elektromagnetischen Gesichtspunkten am wenigsten negative Einflüsse auf die elektrische Maschine hat.
In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass die Kunststoffkörper von zwei in Umfangsrichtung benachbarten V-förmigen Anordnungen axial an der ersten Stirnseite des Rotorkörpers aus den Magnettaschen austreten und im Querschnitt eine im Wesentlichen W-artige Kontur ausbilden, wobei das Fluidleitelement an der radial nach außen weisenden Spitze der W-artigen Kontur ausgeformt ist. Hierdurch wird erreicht, dass die Funktion der elektrischen Maschine nicht negativ beeinflusst wird. Das Öl näher zu den Magneten zu bringen ist auch daher wünschenswert, da sich dort auch der thermische Hotspot befindet und hierdurch die Kühlung weiter verbessert werden kann.
Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass das Fluidleitelement als eine Rampe ausgebildet ist, welche eine sich axial von dem Rotorkörper weg und radial nach außen geneigte Rampenfläche aufweist, wodurch eine besonders effektive Kühlung realisierbar wird.
Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann vorgesehen sein, dass bei einer Mehrzahl von an einer ersten Stirnseite ausgebildeten Fluidleitelementen deren Rampenflächen voneinander verschieden ausgebildet sind. Hierdurch kann erreicht werden, dass je nach Rotationsgeschwindigkeit des Rotors stets eine ausreichende Kühlung des Wickelkopf sichergestellt werden kann.
Die Aufgabe der Erfindung wird ferner gelöst durch eine elektrische Maschine umfassend einen hohlzylindrischen Stator und einen in dem Stator drehbar angeordneten Rotor, wobei in dem Stator eine Statorwicklung aufgenommen ist, die
unter Ausbildung jeweils eines Wickelkopfes axial aus den beiden Stirnseiten des Stators austritt, wobei der Rotor nach einem der vorherigen Ansprüche ausgebildet und das Fluidleitelement so konfiguriert ist, dass im Betrieb der elektrischen Maschine Kühlfluid zu einem der Wickelköpfe geleitet wird.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
Es zeigt:
Figur 1 ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsstrang in einer schematischen Blockschaltdarstellung,
Figur 2 eine elektrische Maschine in einer schematischen Axialschnittdarstellung,
Figur 3 eine elektrische Maschine in einer Axialschnittansicht,
Figur 4 einen Rotor in einer ersten perspektivischen Axialschnittansicht,
Figur 5 einen Rotor in einer zweiten perspektivischen Axialschnittansicht.
Die Erfindung wird anhand einer elektrischen Maschine 2 für einen Antriebsstrang 3 eines Kraftfahrzeugs 4 erläutert, wie es exemplarisch auch in der Figur 1 skizziert ist.
Die elektrische Maschine 2 ist in der Figur 2 in einer Axialschnittansicht gezeigt. Die elektrische Maschine 2 umfasst einen hohlzylindrischen Stator 19 und einen in dem Stator 19 drehbar angeordneten Rotor 1 , wobei in dem Stator 19 eine Statorwicklung 20 aufgenommen ist, die unter Ausbildung jeweils eines Wickelkopfes 21 axial aus den beiden Stirnseiten des Stators 19 austritt. Der aus einer Vielzahl von paketierten Rotorblechen 22 gebildete Rotorkörper 5 des Rotors 1 ist drehfest mit der Rotorwelle 23 verbunden und besitzt ein Fluidleitelement 12
das so konfiguriert ist, dass im Betrieb der elektrischen Maschine 2 Kühlfluid 10 zu einem der Wickelköpfe 21 geleitet wird. Dies wird anhand der Figuren 2-5 näher erläutert.
Der Rotor 1 der elektrischen Maschine 2 besitzt einen Rotorkörper 5 mit einer Mehrzahl von sich axial durch den Rotorkörper 5 erstreckenden Magnettaschen 6, in denen jeweils wenigstens ein Rotormagnet 7 aufgenommen ist. Die Rotormagnete 7 sind jeweils mittels eines in den Magnettaschen 6 verlaufenden Kunststoffkörpers 8 fixiert, wobei der Rotorkörper 5 ferner eine Mehrzahl von sich axial durch den Rotorkörper 5 erstreckenden Kühlkanäle 9 aufweist, welche von einem Kühlfluid 10 durchströmbar sind. Die Kühlkanäle 9 besitzen jeweils eine stirnseitige Austrittsöffnung 11 im Rotorkörper 5, aus denen im Betrieb des Rotors 1 das Kühlfluid 10 aus den Kühlkanälen 9 in die Rotorumgebung abgegeben wird.
Einer der Kunststoffkörper 8 ragt mit einem Fluidleitelement 12 axial aus dem Rotorkörper 5 heraus und so mit einer der Austrittsöffnungen 11 zusammenwirkt, dass im Betrieb des Rotors 1 aus der Austrittsöffnung 11 austretendes Kühlfluid 10 von dem Fluidleitelement 12 des Kunststoffkörpers 8 mit einer axialen Kraftkomponente beaufschlagt wird.
Das Fluidleitelement 12 ist radial oberhalb der ihm zugeordneten Austrittsöffnung 11 angeordnet und das Fluidleitelement 12 radial fluchtend zu der ihm zugeordneten Austrittsöffnung 11 positioniert ist.
Allen Austrittsöffnungen 11 ist an einer ersten Stirnseite 13 des Rotorkörpers 5 ein Fluidleitelement 12 zugeordnet ist und allen Austrittsöffnungen 11 an einer zweiten Stirnseite 14 des Rotorkörpers 5 ein Fluidleitelement 12 zugeordnet ist.
Jeweils zwei in Umfangsrichtung benachbarte Magnettaschen 6 weisen im Querschnitt des Rotorkörpers 5 eine V-förmige Anordnung 15 mit einer radial nach innen weisenden Spitze auf. Die Austrittsöffnungen 11 sind im Querschnitt des Rotorkörpers 5 zwischen zwei V-förmigen Anordnungen 15 der Magnettaschen 6 positioniert.
Was der Figur 4 auch entnommen werden kann ist, dass die Kunststoffkörper 8 von zwei in Umfangsrichtung benachbarten V-förmigen Anordnungen 15 axial an der ersten Stirnseite 13 des Rotorkörpers 5 aus den Magnettaschen 6 austreten und im Querschnitt eine im Wesentlichen W-artige Kontur ausbilden, wobei das Fluidleitelement 12 an der radial nach außen weisenden Spitze 16 der W-artigen Kontur ausgeformt ist. Das Fluidleitelement 12 ist als eine Rampe 17 ausgebildet, welche eine sich axial von dem Rotorkörper 5 weg und radial nach außen geneigte Rampenfläche 18 aufweist. Bei einer Mehrzahl von an einer ersten Stirnseite 13 ausgebildeten Fluidleitelementen 12 sind deren Rampenflächen 18 voneinander verschieden ausgebildet.
Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung 'erste' und 'zweite' Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
Bezuqszeichenliste
1 Rotor
2 elektrische Maschine
3 Antriebsstrang
4 Kraftfahrzeug
5 Rotorkörper
6 Magnettasche
7 Rotormagnet
8 Kunststoffkörper
9 Kühlkanäle
10 Kühlfluid
11 Austrittsöffnung
12 Fluidleitelement
13 Stirnseite
14 Stirnseite
15 Anordnung
16 Spitze
17 Rampe
18 Rampenfläche
19 Stator
20 Statorwicklung
21 Wickel köpfe
22 Rotorblech
23 Rotorwelle
Claims
Ansprüche Rotor (1 ) einer elektrischen Maschine (2), insbesondere für einen Antriebsstrang (3) eines Kraftfahrzeugs (4), umfassend einen Rotorkörper (5) mit einer Mehrzahl von sich axial durch den Rotorkörper (5) erstreckenden Magnettaschen (6), in denen jeweils wenigstens ein Rotormagnet (7) aufgenommen ist, und die Rotormagnete (7) jeweils mittels eines in den Magnettaschen (6) verlaufenden Kunststoffkörpers (8) fixiert sind, wobei der Rotorkörper (5) ferner eine Mehrzahl von sich axial durch den Rotorkörper (5) erstreckenden Kühlkanäle (9) aufweist, welche von einem Kühlfluid (10) durchströmbar sind, wobei die Kühlkanäle (9) eine stirnseitige Austrittsöffnung (11 ) im Rotorkörper (5) besitzen, aus denen im Betrieb des Rotors (1 ) das Kühlfluid (10) aus den Kühlkanälen (9) in die Rotorumgebung abgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer der Kunststoffkörper (8) mit einem Fluidleitelement (12) axial aus dem Rotorkörper (5) herausragt und so mit einer der Austrittsöffnungen (11 ) zusammenwirkt, dass im Betrieb des Rotors (1 ) aus der Austrittsöffnung (11 ) austretendes Kühlfluid (10) von dem Fluidleitelement (12) des Kunststoffkörpers (8) mit einer axialen Kraftkomponente beaufschlagt wird. Rotor (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Fluidleitelement (12) radial oberhalb der ihm zugeordneten Austrittsöffnung (11 ) angeordnet ist. Rotor (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluidleitelement (12) radial fluchtend zu der ihm zugeordneten Austrittsöffnung (11 ) positioniert ist.
Rotor (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass allen Austrittsöffnungen (11 ) an einer ersten Stirnseite (13) des Rotorkörpers (5) ein Fluidleitelement (12) zugeordnet ist und/oder allen Austrittsöffnungen (11 ) an einer zweiten Stirnseite (14) des Rotorkörpers (5) ein Fluidleitelement (12) zugeordnet ist. Rotor (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei in Umfangsrichtung benachbarte Magnettaschen (6) im Querschnitt des Rotorkörpers (5) eine V-förmige Anordnung (15) mit einer radial nach innen weisenden Spitze aufweisen. Rotor (1 ) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittsöffnungen (11 ) im Querschnitt des Rotorkörpers (5) zwischen zwei V-förmigen Anordnungen (15) der Magnettaschen (6) positioniert sind. Rotor (1 ) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffkörper (8) von zwei in Umfangsrichtung benachbarten V-förmigen Anordnungen (15) axial an der ersten Stirnseite (13) des Rotorkörpers (5) aus den Magnettaschen (6) austreten und im Querschnitt eine im Wesentlichen W- artige Kontur ausbilden, wobei das Fluidleitelement (12) an der radial nach außen weisenden Spitze (16) der W-artigen Kontur ausgeformt ist. Rotor (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluidleitelement (12) als eine Rampe (17) ausgebildet ist, welche eine sich axial von dem Rotorkörper (5) weg und radial nach außen geneigte Rampenfläche (18) aufweist. Rotor (1 ) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass
bei einer Mehrzahl von an einer ersten Stirnseite (13) ausgebildeten Fluidleitelementen (12) deren Rampenflächen (18) voneinander verschieden ausgebildet sind. 10. Elektrische Maschine (2) umfassend einen hohlzylindrischen Stator (19) und einen in dem Stator (19) drehbar angeordneten Rotor (1 ), wobei in dem Stator (19) eine Statorwicklung (20) aufgenommen ist, die unter Ausbildung jeweils eines Wickelkopfes (21 ) axial aus den beiden Stirnseiten des Stators (19) austritt, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (1) nach einem der vorherigen Ansprüche ausgebildet und das Fluidleitelement (12) so konfiguriert ist, dass im Betrieb der elektrischen Maschine (2) Kühlfluid (10) zu einem der Wickelköpfe (21 ) geleitet wird.
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