-
Die Erfindung betrifft eine elektrische Rotationsmaschine mit einem Rotor, einem Stator und einer Welle, wobei der Rotor auf der Welle befestigt ist, die als Hohlwelle mit einem sich in axialer Richtung erstreckenden Kühlmittelkanal für ein flüssiges Kühlmittel ausgebildet ist.
-
Elektrische Rotationsmaschinen, die als Traktionsmaschinen in Kraftfahrzeugen, wie z.B. PKWs, eingesetzt werden, bedürfen der Kühlung. Es ist bekannt, den Rotor der elektrischen Rotationsmaschine indirekt über die mit ihm verbundene rotierende Welle zu Kühlen. Dabei ist die Welle als Hohlwelle ausgebildet, durch die das Kühlmittel, z.B. Kühlflüssigkeit strömt.
-
Ein Zuflusselement ermöglicht, das Kühlmittel in die Hohlwelle strömt. Ein Einlass und ein Auslass für das Kühlmittel sind dabei auf der gleichen Seite der Welle angeordnet. Dies erfordert jedoch ein abdichtendes Gehäuse.
-
Aus der
DE 103 42 790 A1 ist eine elektrische Maschine mit einem Gehäuse, insbesondere mit einem geschlossenen Gehäuse, bekannt, in dem ein Stator und ein Rotor angeordnet sind. Um mit geringem Bauaufwand eine effiziente Kühlung, insbesondere des Rotors, zu ermöglichen, ist in dem Rotor ein Mittel zur Erzeugung einer den Rotor kühlenden Luftströmung integriert, das als Luftturbine ausgebildet ist. Die Luftturbine ist als Kanalsystem ausgebildet, das zumindest eine Einlassöffnung und zumindest eine Auslassöffnung aufweist, wobei die Einlassöffnung im Bereich einer ersten Stirnseite des Rotors und die Auslassöffnung im Bereich der gegenüberliegenden zweiten Stirnseite des Rotors angeordnet sind. Jedoch lässt sich mit einer Luftkühlung keine optimale Kühlung der Wärmequelle erreichen.
-
Aus der
DE 2013 007 706 A1 ist eine elektrische Maschine, insbesondere für einen Kraftwagen, bekannt, die wenigstens ein Statorelement als erstes Maschinenelement und ein Rotorelement als zweitem Maschinenelement aufweist, welches um eine Drehachse relativ zu dem Rotorelement drehbar ist. Wenigstens eines der Maschinenelemente weist eine Spule auf, welche durch wenigstens eine Wicklung mindestens eines elektrischen Leiters gebildet ist. In der Wicklung ist wenigstens ein von einem Kühlmedium durchströmbares Leitungselement zumindest teilweise aufgenommen, wobei das Leitungselement wenigstens eine in der Wicklung angeordnete Ausströmöffnung für das Kühlmedium zum Kühlen der Wicklung aufweist. Jedoch ist die Integration des durchströmbaren Leitungselements in Wicklungen sehr aufwändig.
-
Aus der
DE 602 21 614 T2 ist eine Kühlanordnung für eine elektrische Drehmaschine bekannt, die mittels eines flüssigen Kühlmediums gekühlt wird. Die elektrische Drehmaschine gemäß der
DE 602 21 614 T2 weist einen Rotor, einen im Wesentlichen zylindrischen Statorkern mit Zähnen und einen rückwärtigen Kern auf, von dem die Zähne vorspringen. Statorwicklungen sind auf Zähne des Statorkerns gewickelt und ein Schlitz ist zwischen zwei benachbarten Zähnen gebildet. Ein erster Kühlmediumkanal erstreckt sich entlang einer axialen Richtung des Statorkerns, wobei der Kühlmediumkanal in dem Schlitz und zwischen zwei benachbarten Statorwicklungen durch Abdichten der Schlitzöffnung, die dem Rotor zugewandt ist, gebildet ist. Ein zweiter Kühlmediumkanal erstreckt sich parallel zu dem ersten Kühlmediumkanal, wobei der zweite Kühlmediumkanal das Fließen von Kühlmedium, das in dem ersten Kühlmediumkanal fließt, ermöglicht. Der Statorkern bildet zumindest einen Abschnitt einer Kanalwand des zweiten Kühlmediumkanals und das Zentrum des zweiten Kühlmediumkanals ist radial von einem Zentrum des ersten Kühlmediumkanals verlagert. Jedoch erlaubt die Kühlanordnung gemäß der
DE 602 21 614 T2 nur ein Kühlen des Stators und allenfalls eine indirekte Kühlung des Rotor.
-
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, zumindest einen Weg aufzuzeigen, wie die Kühlung eines Rotors mit einem flüssigen Kühlmedium verbessert werden kann.
-
Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch eine elektrische Rotationsmaschine mit einem Rotor, einem Stator und einer Welle. Der Rotor ist auf der Welle befestigt, die als Hohlwelle mit einem ersten, sich in axialer Richtung erstreckenden Kühlmittelkanal für ein flüssiges Kühlmittel ausgebildet ist. Ein zweiter Kühlmittelkanal ist vorgesehen, der mit dem ersten Kühlmittelkanal kühlmittelführend verbunden ist und der sich durch den Rotor in axialer Richtung erstreckt.
-
Dabei wird unter einer elektrischen Rotationsmaschine eine elektrische Maschine mit einem rotierenden Rotor und einem ortsfesten Stator verstanden, die motorisch und/oder generatorisch betrieben werden kann. Der Rotor (auch Läufer genannt) ist ein bewegliches Teil, das auf der rotierenden Welle angebracht ist und sich üblicherweise innerhalb des feststehenden Stators (auch Ständer genannt) befindet.
-
Der üblicherweise zylindrisch aufgebaute Rotor kann aus gegeneinander elektrisch isolierten und geschichtet aufgebauten Elektroblechen bestehen, um die durch das Ständerfeld verursachten Wirbelströme im Rotor gering zu halten. Über den Umfang verteilt sind in das Elektroblech Nuten eingelassen, welche Rotorwicklungen aufnehmen. In Abhängigkeit von der Konstruktion zur Oberfläche hin können die Nuten verschlossen sein, um ein Herauslösen der Rotorwicklungen durch Fliehkräfte zu verhindern.
-
In einem Kraftfahrzeug kann eine derartige elektrische Rotationsmaschine als Traktionsmaschine und/oder als Generator zum Rekuperieren von Bremsenergie verwendet werden. Dabei kann durch die Ausbildung als Hohlwelle, die den ersten Kühlmittelkanal bereitstellt, die Welle gekühlt werden, während durch den zweiten Kühlmittelkanal, der sich durch den Rotor erstreckt, der Rotor effizient gekühlt werden kann. So kann eine verbesserte Kühlung des Rotors mit einem flüssigen Kühlmittel erreicht werden.
-
Bevorzugt ist vorgesehen, dass der zweite Kühlmittelkanal in radialer Richtung beabstandet von dem ersten Kühlmittelkanal angeordnet ist. So werden durch den radialen Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Kühlmittelkanal unterschiedliche Bereiche des Rotors effizient gekühlt und damit die Kühlung insgesamt verbessert.
-
Bevorzugt ist vorgesehen, dass ein erster Verbindungskanal und ein zweiter Verbindungskanal jeweils den ersten Kühlmittelkanal mit dem zweiten Kühlmittelkanal kühlmittelführend verbinden, wobei sich die beiden Verbindungskanäle jeweils in radialer Richtung erstrecken. Somit erstrecken sich die beiden Verbindungskanäle in eine andere Richtung als die beiden Kühlmittelkanäle. So kann mit besonders geringem Fertigungsaufwand eine kühlmittelführende Verbindung zwischen den beiden Kühlmittelkanälen gebildet werden.
-
Bevorzugt ist vorgesehen, dass beide Verbindungskanäle jeweils durch eine stirnseitige Abdeckung gebildet sind. Bei der stirnseitigen Abdeckung kann es sich um ein Kunststoffteil, wie z.B. ein Kunststoffspritzgussteil, handeln. Die stirnseitige Abdeckung verschließt sonst offene Kanäle an den Stirnseiten des Rotors. Somit müssen keine zusätzlichen Kanäle gebildet werden, was die Fertigung vereinfacht.
-
Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Rotor eine Mehrzahl von Rotorwicklungen aufweist, die in Umfangsrichtung des Rotor gleichmäßig beabstandet angeordnet sind, wobei zwischen zwei benachbarten Rotorwicklungen der zweite Kühlmittelkanal angeordnet ist. So kann mit dem zweiten Kühlkanal eine besonders effiziente Kühlung der Rotorwicklungen erreicht werden und damit die Kühlung verbessert werden.
-
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die beiden Verbindungskanäle den ersten Kühlmittelkanal und den zweiten Kühlmittelkanal in Reihe miteinander verbinden. Mit anderen Worten, Kühlmittel strömt zuerst durch den ersten Kühlmittelkanal und kühlt die Welle und strömt anschließend durch den zweiten Kühlmittelkanal und kühlt dort den Rotor. So kann die Kühlkapazität des Kühlmittels optimal ausgenutzt werden.
-
Bevorzugt ist vorgesehen, dass der erste Kühlmittelkanal einen Einlass und der zweite Kühlmittelkanal einen Auslass aufweist, wobei der Einlass und der Auslass beide auf einer ersten Stirnseite von zwei Stirnseiten der elektrischen Rotationsmaschine angeordnet sind. Mit anderen Worten, sowohl der Einlass als auch der Auslass befinden sich auf der gleichen Seite der elektrischen Rotationsmaschine. Somit strömt Kühlmittel durch den ersten Kühlmittelkanal in einer ersten Richtung entlang der axialen Erstreckungsachse der Welle und das Kühlmittel strömt durch den zweiten Kühlmittelkanal in einer zweiten, zur ersten Richtung entgegen gesetzten Richtung.
-
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die beiden Verbindungskanäle den ersten Kühlmittelkanal und den zweiten Kühlmittelkanal parallel miteinander verbinden. Mit anderen Worten, eine Zuführleitung verzweigt in zwei Zweige, nämlich den ersten und den zweiten Kühlmittelkanal, die sich wieder zu einer gemeinsamen Abführleitung vereinigen. So kann eine besondere große Menge an Kühlmittel dem Rotor zugeführt werden, um eine besonders starke Kühlung zu erreichen.
-
Bevorzugt ist vorgesehen, dass der erste Kühlmittelkanal einen Einlass und der zweite Kühlmittelkanal einen Auslass aufweist, wobei der Einlass und der Auslass beide auf verschiedenen Stirnseiten von zwei Stirnseiten der elektrischen Rotationsmaschine angeordnet sind. Mit anderen Worten, der Einlass als auch der Auslass befinden sich auf unterschiedlichen Seiten der elektrischen Rotationsmaschine. Somit strömt Kühlmittel durch den ersten Kühlmittelkanal in einer Richtung entlang der axialen Erstreckungsachse der Welle. Zugleich strömt Kühlmittel durch den zweiten Kühlmittelkanal in der gleichen Richtung entlang der axialen Erstreckungsachse der Welle.
-
Ferner gehören zur Erfindung ein Rotor für eine derartige elektrische Rotationsmaschine und ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen elektrischen Rotationsmaschine.
-
Es wird die Erfindung nun unter Bezugnahme auf eine Zeichnung erläutert. Es zeigt:
-
1 in schematischer Schnittdarstellung ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rotors,
-
2 eine weitere Schnittdarstellung eines Abschnitts des in 1 dargestellten Rotors entlang der Schnittlinie B-B, und
-
3 in schematischer Schnittdarstellung einen Abschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Rotors.
-
Es wird zunächst auf 1 Bezug genommen.
-
Dargestellt ist eine elektrischen Rotationsmaschine 2, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel sowohl als Traktionsmotor eines Kraftfahrzeugs, wie eines z.B. PKWs, als auch als Generator zum Rekuperieren von Bremsenergie eingesetzt werden kann. Die elektrische Rotationsmaschine 2 weist einen Rotor 4, einen Stator 6 und eine Welle 8 auf.
-
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die elektrische Rotationsmaschine 2 als Synchronmaschine mit Stromerregung ausgebildet, wobei der Rotor 4 als Innenläufer ausgebildet ist. Somit könnte der Rotor 4 im vorliegenden Ausführungsbeispiel auch als Polrad einer Synchronmaschine bezeichnet werden. Abweichend vom vorliegenden Ausführungsbeispiel kann die elektrische Rotationsmaschine 2 auch eine Gleichstrommaschine, eine Wechsel- oder Drehstromstrommaschine, wie eine Asynchronmaschine, oder eine Universalmaschine sein, die als Motor sowohl mit Gleich- als auch mit Wechselstrom betrieben werden kann. Ferner kann die elektrische Rotationsmaschine 2 auch permanenterregt sein.
-
Der Rotor 4 im vorliegenden Ausführungsbeispiel im Wesentlichen zylinderförmiger Grundform weist ein Blechpakt 34 auf, das aus gegeneinander elektrisch isolierten und geschichtet aufgebauten Elektroblechen besteht. In das Blechpaket 34 sind Nuten eingelassen, in denen Rotorwicklungen (in 2 dargestellt) aufgenommen sind. Das Blechpaket 34 ist verdrehfest auf der Welle 8 der elektrischen Rotationsmaschine 2 befestigt. Die Welle 8 ist als Hohlwelle ausgebildet. Somit erstreckt sich durch die Welle 8 ein erster Kühlmittelkanal 10 in axialer Richtung A der Welle 8.
-
Der erste Kühlmittelkanal 10 beginnt an einer ersten Stirnseite 26 des Rotors 4 an einem Einlass 22 und endet an einer zweiten Stirnseite 28 des Rotors 4, die der ersten Stirnseite 26 gegenüberliegt.
-
An der zweiten Stirnseite 28 mündet der erste Kühlmittelkanal 10 in einen ersten Verbindungskanal 14. Der erste Verbindungskanal 14 erstreckt sich in radialer Richtung R auswärts, bis er in einen zweiten Kühlmittelkanal 14 mündet.
-
Auch der zweite Kühlmittelkanal 12 erstreckt sich wie der erste Kühlmittelkanal 10 in axialer Richtung A. Mit anderen Worten, der ersten Kühlmittelkanal 10 und der zweite Kühlmittelkanal 12 verlaufen parallel zueinander. Dabei verläuft der zweite Kühlmittelkanal 12 durch das Blechpakte 6 des Rotors 2, wie dies noch detailliert unter Bezugnahme auf 2 erläutert wird.
-
Der zweite Kühlmittelkanal 12 endet an der ersten Stirnseite 26 in einen zweiten Verbindungskanal 16, der sich wie der erste Verbindungskanal 14 sich in radialer Richtung R, allerdings einwärts, erstreckt, bis er in einen Auslass 24 mündet. Mit anderen Worten, der erste Kühlmittelkanal 10, der erste Verbindungskanal 14, der zweite Kühlmittelkanal 12 und der zweiter Verbindungskanal 16 sind in Strömungsrichtung des Kühlmittels in Reihe hintereinander angeordnet. Ferner befinden sich der Einlass 22 und der Auslass 24 auf der gleichen Stirnseite, im vorliegenden Ausführungsbeispiel auf der ersten Stirnseite 26.
-
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind der erste Verbindungskanal 14 und der zweite Verbindungskanal 16 durch Aufsetzen von jeweils stirnseitigen Abdeckungen 18 gebildet, die einen flüssigkeitsdichten Verschluss der ersten Stirnseite 26 und der zweiten Stirnseite 28 des Rotors 2 bewirken und zugleich aufgrund ihrer Formgebung, z.B. in Abhängigkeit von einer Wicklungsform, den ersten Verbindungskanal 14 und den zweiten Verbindungskanal 16 bilden. Die stirnseitigen Abdeckungen 18 können Kunststoffspritzgussteile sein. Ferner können die stirnseitigen Abdeckungen 18 elektrisch isolierend sein.
-
Es wird zusätzlich auf 2 Bezug genommen.
-
Dargestellt ist der Rotor 2 auf der Welle 10, von der sich in radialer Richtung R zwei erste Verbindungskanäle 14 bis zu je zwei zweiten Kühlmittelkanälen 12 erstrecken.
-
Ferner sind in der 2 Rotorwicklungen 20 des Rotors 2 dargestellt, die in Umfangsrichtung U des Rotor 2 gleichmäßig beabstandet voneinander angeordnet sind. Dabei sind in der 2 zwei Wicklungsteile 36 eine um einen Zahn 30 des Rotors 4 gewickelten Rotorwicklung 20 dargestellt sowie je ein Wicklungsteil 36 zweier benachbarter Rotorwicklungen 20. Mit anderen Worten, der Rotor 2 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel weist neben dem Blechpaket 34 zumindest die Rotorwicklungen 20 und den Zahn 30 auf.
-
Des Weiteren sind in der 2 zwei Deckschieber 32 dargestellt, die als Versteifungs- bzw. Sicherungselement die Rotorwicklung 20 gegen ein Herausfallen aus ihren Nuten in dem Rotor 4 aufgrund von rotationsbedingten Fliehkräften verhindern.
-
Die beiden in 2 dargestellten zweiten Kühlmittelkanäle 14 sind jeweils zwischen benachbarten Rotorwicklungen 20 angeordnet. Somit sind die zweiten Kühlmittelkanäle 14 in einem ohnehin freien Bauraum des Rotors 4 angeordnet und bewirken aufgrund ihre Nähe zu den Wärmequellen darstellenden Rotorwicklungen 20 eine besonders effiziente Kühlung direkt an der Wärmequelle.
-
Somit bewirken die beiden zweiten in 2 dargestellten Kühlmittelkanäle 12 eine effiziente Kühlung der ihnen zugeordneten Rotorwicklungen 20.
-
Im Betrieb wird flüssiges Kühlmittel durch den Einlass 22 in den ersten Kühlmittelkanal 10 eingeleitet. Das Kühlmittel strömt durch den ersten Kühlmittelkanal 10 in Richtung zum der zweiten Stirnseite 28 hin und kühlt dabei die Welle 8 des Rotors 2. Dann tritt das Kühlmittel in den ersten Verbindungskanal 14 und strömt radial auswärts, bis es in den zweiten Kühlmittelkanal 12 eintritt. Dann strömt das Kühlmittel in entgegen gesetzter Richtung, d.h. von der zweiten Stirnseite 28 zu der ersten Stirnseite 26 hin und kühlt dabei das Blechpaket 6 des Rotors 2. Dann tritt das Kühlmittel in den zweiten Verbindungskanal 18 ein und strömt radial einwärts, bis es durch den Auslass 24 wieder austritt.
-
Es wird nun zusätzlich auf 3 Bezug genommen.
-
Das in 3 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch, dass der erste Kühlmittelkanal 10 zusammen mit dem ersten Verbindungskanal 14 und dem zweiten Verbindungskanal 16, die Strömungsrichtung des Kühlmedium hintereinander in Reihe angeordnet sind, parallel zu dem zweiten Kühlmittelkanal 12 angeordnet sind.
-
Somit befindet sich bei diesem Ausführungsbeispiel der Einlass 22 wie bei dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel an der ersten Stirnseite 26, während sich der Auslass 24 an der zweiten Stirnseite 28 befindet. Mit anderen Worten, der Einlass 24 und der Auslass 26 befinden sich an unterschiedlichen Stirnseiten 26, 28.
-
Im Betrieb wird flüssiges Kühlmittel durch den Einlass 22 in den ersten Kühlmittelkanal 10 eingeleitet. Das Kühlmittel strömt durch den ersten Kühlmittelkanal 10 in Richtung zum der zweiten Stirnseite 28 hin und kühlt dabei die Welle 8 des Rotors 2. Zugleich tritt Kühlmittel in den ersten Verbindungskanal 14 und strömt radial auswärts, bis es in den zweiten Kühlmittelkanal 12 eintritt. Dann strömt das Kühlmittel in gleicher Richtung wie im ersten Kühlmittelkanal 10 der ersten Stirnseite 26 zu der zweiten Stirnseite 26 und kühlt dabei das Blechpaket 6 des Rotors 2. Dann tritt das Kühlmittel in den zweiten Verbindungskanal 18 ein und strömt radial einwärts, bis der zweite Verbindungskanal 18 in den ersten Kühlmittelkanal 10 mündet und durch den Auslass 24 wieder austritt.
-
So kann mit dem zweiten Kühlkanal 12 eine besonders effiziente Kühlung der Rotorwicklungen 20 erreicht werden und damit die Kühlung verbessert werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 2
- elektrische Rotationsmaschine
- 4
- Rotor
- 6
- Stator
- 8
- Welle
- 10
- erster Kühlmittelkanal
- 12
- zweiter Kühlmittelkanal
- 14
- erster Verbindungskanal
- 16
- zweiter Verbindungskanal
- 18
- stirnseitige Abdeckung
- 20
- Rotorwicklungen
- 22
- Einlass
- 24
- Auslass
- 26
- erste Stirnseite
- 28
- zweite Stirnseite
- 30
- Zahn
- 32
- Deckschieber
- 34
- Blechpaket
- 36
- Wicklungsteile
- A
- axiale Richtung
- R
- radiale Richtung
- U
- Umfangsrichtung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 10342790 A1 [0004]
- DE 2013007706 A1 [0005]
- DE 60221614 T2 [0006, 0006, 0006]
