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Die Erfindung betrifft einen Elektromotor.
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Elektromotoren, insbesondere Elektromotoren, die eine hohe Leistung aufweisen und beispielsweise zum Antreiben eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs eingesetzt werden, weisen eine erhebliche Verlustleistung auf, die in Form von Wärme abgegeben wird. Durch die entstehende Wärme erwärmen sich der Motorstator und/oder der Motorrotor des Elektromotors. Die Erwärmung des Motorstators und/oder des Motorrotors führt zu einer Reduzierung des elektrischen Wirkungsgrades des Elektromotors sowie bei einer sehr starken Erwärmung des Motorstators und/oder des Motorrotors unter Umständen zu einer Beschädigung des Elektromotors.
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Im Stand der Technik sind unterschiedliche Kühlsysteme bekannt, durch die die entstehende Wärme abgeführt wird. Die Kühlsysteme unterscheiden sich derart, dass abhängig von der Elektromotorart nur der Motorstator, nur der Motorrotor oder sowohl Motorstator als auch Motorrotor gekühlt werden. Eine bekannte Möglichkeit für die Kühlung eines Motorstators und/oder eines Motorrotors ist es, einen Kühlmittelkanal in dem Motorstator und/oder in dem Motorrotor auszubilden, der von einer Kühlflüssigkeit durchströmt wird, wodurch die im Motorstator und/oder im Motorrotor entstehende Wärme abgeführt wird.
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Bei permanenterregten Synchronmotoren hoher Leistung wird beispielsweise der Motorrotor gekühlt, da sich die Permanentmagneten des Motorrotors im Betrieb stark erwärmen können und die starke Erwärmung der Permanentmagneten zu einer Entmagnetisierung der Permanentmagnete führen kann. Die
WO 2014/140709 A2 offenbart beispielsweise einen permanenterregten Synchronmotor mit einem Motorstator und einem Motorrotor, wobei der Motorrotor eine Rotorwelle, ein Rotorblechpaket und Permanentmagnete aufweist. Das Rotorblechpaket umgibt die Rotorwelle und ist drehfest mit der Rotorwelle verbunden. Das Rotorblechpaket nimmt die Permanentmagnete auf, wobei die Permanentmagnete fest in dem Rotorblechpaket angeordnet sind. Der Motorrotor weist außerdem einen Kühlmittelkanal zum Kühlen des Motorrotors, insbesondere des Rotorblechpakets und der Permanentmagnete, auf. Der Kühlmittelkanal verläuft durch die Rotorwelle und durch das Rotorblechpaket.
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Nachteilhaft an der in der
WO 2014/140709 A2 beschriebenen Ausführung des Elektromotors ist, dass der Kühlmittelkanal im Inneren des Rotorblechpakets verläuft und die Herstellung eines derartigen Kühlmittelkanals aufwendig und teuer ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Elektromotor derart weiterzuentwickeln, dass der Motorrotor einen kostengünstig und einfach herstellbaren Kühlmittelkanal zum Kühlen des Motorrotors aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch einen Elektromotor mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst.
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Der Elektromotor weist einen feststehenden Motorstator und einen rotierenden Motorrotor auf. Der Motorrotor weist eine Rotorwelle auf, die von einem ferromagnetischen Rotorkörper umgeben ist, wobei der Rotorkörper drehfest an der Rotorwelle angeordnet ist. Im Rotorkörper sind mehrere Permanentmagnete angeordnet. Es handelt sich vorzugsweise um einen bürstenlosen Elektromotor.
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Der Motorrotor weist außerdem einen Kühlmittelkanal auf. Durch den Kühlmittelkanal strömt eine Kühlflüssigkeit, die beispielsweise durch eine Pumpe gefördert wird und die die im Betrieb des Elektromotors entstehende Verlustwärme, insbesondere die im Rotorkörper sowie in den Permanentmagneten entstehende Wärme, abführt.
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Der Kühlmittelkanal wird erfindungsgemäß ausschließlich durch die Rotorwelle und den ferromagnetischen Rotorkörper gebildet, wobei die Umfangswände des Kühlmittelkanals sowohl durch die Rotorwelle als auch teilweise von dem ferromagnetischen Rotorkörper gebildet werden. Der gesamte Kühlmittelkanal-Querschnitt wird also über einen wesentlichen Teil der Strömungsstrecke von dem Rotorkörper und der Rotorwelle definiert. Der Kühlmittelkanal weist beispielsweise einen rechteckigen Durchströmungsquerschnitt auf, wobei eine Bodenfläche sowie die Seitenflächen des Kühlmittelkanals durch die Rotorwelle und eine Deckenfläche des Kühlmittelkanals durch den Rotorkörper gebildet werden.
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Durch eine derartige Ausgestaltung des Kühlmittelkanals kann der Kühlmittelkanal einfach und kostengünstig hergestellt werden, da die zum Erzeugen des Kühlmittelkanals benötigten Elemente an der Rotorwelle und dem Rotorkörper durch ein einfaches Herstellungsverfahren herstellbar sind, wobei erst durch den Zusammenbau der Rotorwelle und des Rotorkörpers der Kühlmittelkanal erzeugt wird. Durch eine derartige Ausgestaltung des Kühlmittelkanals wird der Rotorkörper unmittelbar durch die Kühlflüssigkeit benetzt und gekühlt, wodurch die Kühlung des Rotorkörpers sowie der darin angeordneten Permanentmagneten verbessert wird.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Rotorwelle einen Rotorwellenkörper auf, der radial außen, also auf seiner Außenumfangsseite, eine nach radial außen offene Kanalnut aufweist, wobei die Kanalnut gemeinsam mit der Innenumfangsfläche des Rotorkörpers, die gewissermaßen den Kanaldeckel bildet, den Kühlmittelkanal bildet. Der Kühlmittelkanal kann einfach hergestellt werden, indem die Kanalnut in einem ersten Prozessschritt am Rotorwellenkörper hergestellt wird und in einem darauffolgenden zweiten Prozessschritt der Rotorkörper auf dem Rotorwellenkörper montiert wird. Durch die Montage des Rotorkörpers auf den Rotorwellenkörper wird die Kanalnut durch die Innenumfangsfläche des Rotorkörpers geschlossen, wodurch der geschlossene Kühlmittelkanal entsteht.
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Vorzugsweise verläuft der Kühlmittelkanal helixförmig, also schraubenförmig, wodurch die Strömung des Kühlmittels durch den Kühlmittelkanal verbessert wird, da keine abrupte Richtungsänderung der Strömung des Kühlmittels erfolgt.
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In einer bevorzugen Ausgestaltung ist der Rotorkörper von einer Vielzahl von Rotorblechen gebildet, wobei die Rotorbleche miteinander zu einem Rotorblechpaket verbunden sind. Durch Verwendung einer Vielzahl von Rotorblechen wird der magnetische Fluss im Rotorkörper wunschgemäß geführt. Durch die Drehung des Motorrotors verändert sich ständig das Magnetfeld, wodurch Wirbelströme bzw. Wirbelstromverluste entstehen können. Dadurch, dass der Rotorkörper aus einer Vielzahl separater Rotorbleche gebildet wird, werden die Wirbelstromverluste reduziert.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung stehen die Rotorbleche in einer Querebene, also in einer Radialebene, und sind fluiddicht miteinander paketiert. Die Rotorbleche liegen mit ihren zueinander parallelen Blechrändern auf dem Rotorwellenkörper auf bzw. bilden die Deckwand auf der Kanalnut. Damit das Kühlmittel nicht zwischen den einzelnen Rotorblechen entweichen kann, sind die Spalte jedenfalls an den der Kanalnut zugewandten Seite fluiddicht abgedichtet bzw. abgedeckt.
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Vorzugsweise ist der Rotorkörper durch eine zwischen den Rotorblechen angeordnete Füllmasse fluiddicht ausgeführt. Die Füllmasse ist beispielsweise ein Klebstoff oder ein Backlack, wobei durch den Klebstoff oder Backlack die Rotorbleche miteinander verbunden werden und die Zwischenräume zwischen den Rotorblechen fluiddicht geschlossen bzw. ausgeführt sind. Auf diese Weise wird eine Leckage aus dem Kühlmittelkanal durch die Zwischenräume zwischen den einzelnen radial ausgerichteten Rotorblechen verhindert.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der ferromagnetische Rotorkörper aus einem Pulververbundwerkstoff hergestellt. Der Pulververbundwerkstoff bildet die Permanentmagnete, die nach der Herstellung des Rotorkörpers definiert werden. Der Rotorkörper wird aus kleinen Partikeln eines magnetischen Werkstoffs hergestellt, die beschichtet und danach zu dem Rotorkörper verpresst werden. Ein derartiger aus einem Pulververbundwerkstoff hergestellte Rotorkörper weist eine dreidimensionale Isotropie auf und ist einfach herstellbar.
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Vorzugsweise weist der Motorstator einen zweiten Kühlmittelkanal zum Kühlen des Motorstators auf. Die im Motorstator entstehende Verlustleistung wird in Form von Wärme frei, die abgeführt werden muss. Durch den im Motorstator ausgebildeten zweiten Kühlmittelkanal wird diese Wärme abgeführt. Dadurch wird der elektrische Wirkungsgrad erhöht sowie ein Ausfall des Elektromotors aufgrund einer Überhitzung vermieden.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Außenumfangsfläche der Rotorwelle und die Innenumfangsfläche des Rotorkörpers zylindrisch ausgebildet, wobei die Innenumfangsfläche des Rotorkörpers an der Außenumfangsfläche der Rotorwelle fluiddicht anliegt.
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Vorzugsweise ist die Rotorwelle spanend hergestellt. Die Rotorwellen mit einem integrierten Kühlmittelkanal im Stand der Technik werden üblicherweise durch ein aufwendiges Guss- oder 3D-Druck-Verfahren hergestellt. Durch eine spanende Herstellung der Rotorwelle werden der Herstellungsaufwand und somit die Herstellungskosten des Motorrotors reduziert.
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen:
- 1 einen Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Elektromotors, und
- 2 einen Längsschnitt des Motorrotors des Elektromotors aus 1.
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1 zeigt einen Längsschnitt eines elektronisch kommutierten Elektromotors 10 mit einem feststehenden Motorstator 20 und einem rotierenden Motorrotor 30. In dieser Ausführung ist der Elektromotor 10 ein permanenterregter Synchronmotor, der beispielsweise als Traktionsmotor eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs eingesetzt wird.
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Der Motorstator 20 weist ein Statorblechpaket 22 auf, das aus einer Vielzahl von Statorblechen 371 bis 37n gebildet ist. Das Statorblechpaket 22 bildet mehrere Polzähne, auf denen jeweils eine Statorwicklung 24 angeordnet ist, die bei Bestromung jeweils ein magnetisches Feld erzeugt.
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Der Motorrotor 30 weist eine Rotorwelle 32 mit einem Rotorwellenkörper 34 und einen ferromagnetischen Rotorkörper 36 auf. Der ferromagnetische Rotorkörper 36 umgibt den Rotorwellenkörper 34 und ist drehfest an dem Rotorwellenkörper 34 angeordnet.
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2 zeigt die erfindungsgemäße Ausführung eines Motorrotors 30. Der metallische Rotorwellenkörper 34 weist mittig eine axiale Durchgangsbohrung 35 auf, so dass der Rotorwellenkörper 34 mit einem ringförmigen Querschnitt ausgeführt ist. Der ferromagnetische Rotorkörper 36 ist an der zylindrischen Rotorwellenkörper-Außenumfangsfläche 38 fest angeordnet, wobei der ferromagnetische Rotorkörper 36 über seine zylindrische Innenumfangsfläche 40 an der zylindrischen Außenumfangsfläche 38 anliegt.
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Der ferromagentische Rotorkörper 36 ist ein Rotorblechpaket 42, der sich aus einer Vielzahl von in einer Querebene angeordneten Rotorblechen 431 bis 43n zusammensetzt. Die einzelnen Rotorbleche 431 bis 43n sind durch eine Füllmasse, beispielsweise Backlack oder ein Klebstoff, fluiddicht miteinander verbunden. Das Rotorblechpaket 42 weist Aussparungen 44 auf, die konzentrisch zur Außenumfangsfläche 40 des Rotorkörpers 34 angeordnet sind und in denen jeweils ein Permanentmagnet 46 angeordnet ist. In 2 sind beispielhaft eine einzige Aussparung 44 und ein darin angeordneter Permanentmagnet 46 dargestellt. Der ferromagnetische Rotorkörper 36 kann anderenfalls aus einem Pulververbundwerkstoff ausgeführt werden, wobei der Pulververbundwerkstoff die Permanentmagnete bildet. Dabei werden kleine Partikel eines magnetischen Werkstoffs beschichten und danach zu dem Rotorkörper 36 verpresst.
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Im Betrieb des Elektromotors 10 erwärmen sich der Rotorkörper 36 und die Permanentmagnete 46. Um den Rotorkörper 36 und die Permanentmagnete 46 zu kühlen, weist der Motorrotor 30 einen Kühlmittelkanal 50 auf. Der Kühlmittelkanal 50 ist helixförmig ausgeführt und wird durch den Rotorwellenkörper 34 und den Rotorkörper 36 gebildet. Der Rotorwellenkörper 34 weist an seiner Außenumfangsfläche 38 eine in einer Schraubenlinie verlaufende Kanalnut 52 auf. Durch die Montage des Rotorkörpers 36 an dem Rotorwellenkörper 34 schließt die zylindrische Innenumfangsfläche 40 des Rotorkörpers 36 die Kanalnut 52 ab. Der Kühlmittelkanal 50 weist einen rechteckigen Durchströmungsquerschnitt auf, wobei die Seitenwände 54, 56 und eine Bodenfläche 58 durch den Rotorwellenkörper 34 und eine Deckenfläche 60 durch die Innenumfangsfläche 40 des Rotorkörpers 36 gebildet wird.
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Es sind auch andere konstruktive Ausführungsformen als die beschriebenen Ausführungsformen möglich, die in den Schutzbereich des Hauptanspruchs fallen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2014/140709 A2 [0004, 0005]
