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Elektrische Maschinen, insbesondere Elektromotoren, können kurzzeitig deutlich über ihrer zulässigen Dauerleistung belastet werden. Dies ist in der Regel so lange zulässig, bis die Temperatur des Rotors der Maschine einen Grenzwert überschreitet, welcher in der Regel bei ca. 180°C liegt. Eine Möglichkeit zur Erhöhung der Dauer einer möglichen Belastung mit einer Hochlast ist eine aktive Kühlung des Rotors, die auch als Rotorinnenkühlung (RIK) bezeichnet wird.
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Im Stand der Technik sind derartige Rotorinnenkühlungen für Fahrzeuge bekannt.
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So ist aus dem Dokument
DE 10 2012 020 958 A1 eine Kühleinrichtung zur Kühlung einer elektrischen Maschine sowie eine elektrische Maschine mit einer solchen bekannt. Dabei ist ein Stator der elektrischen Maschine mit mehreren Phasenwechselmaterialien verbunden, die eine Kühlung des Stators und eines Rotors erzeugen.
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Aus dem Dokument
DE 20 2015 009 553 U1 ist ein Elektromotor bekannt. Dabei ist ein Rotor des Elektromotors zweigeteilt ausgeführt, wobei zwischen zwei Teilen des Rotors ein Phasenwechselmaterial angeordnet ist.
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Aus dem Dokument
DE 10 2015 216 374 A1 sind eine Elektromaschine und ein Fahrzeug mit einer Elektromaschine bekannt. Dabei ist ein Verguss eines Rotors der Elektromaschine, der mit einem Phasenwechselmaterial zur Kühlung ausgestattet ist, gezeigt.
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Die im Stand der Technik bekannten Rotorinnenkühlungen in Elektromaschinen werden zur Erhöhung der Hochlast als aktive Kühlung ausgeführt. Dabei wird ein Rotor beispielsweise aktiv von einem Kühlmittel durchflossen. Derartige aktive Rotorinnenkühlungen (RIK) weisen jedoch aufgrund ihrer Komplexität aufgrund der offenen, durchströmbaren Bauart und der Gewährleistung der Dauerfestigkeit Nachteile auf.
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Zudem weisen die im Stand der Technik bekannten aktiven Rotorinnenkühlungen den Nachteil auf, dass sie einen Rotor bei einer Erhöhung auf die Hochlast nur über einen kurzen Zeitraum derart kühlen bzw. die Erwärmung des Rotors nur über einen kurzen Zeitraum verzögern können, so dass die Hochlast weiterhin ausführbar ist. Dadurch ist die Dauer, die ein Elektromotor umfassend einen solchen Motor unter Hochlast betrieben werden kann, gering.
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Daher ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Rotorinnenkühlung für einen Elektromotor bereitzustellen, die eingerichtet ist, die Dauer eines Betriebes des Elektromotors auf Hochlast zu verlängern.
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Diese Aufgabe wir durch eine Rotorinnenkühlung gemäß dem Anspruch 1, einen Elektromotor gemäß dem Anspruch 9 und ein Fahrzeug gemäß dem Anspruch 10 gelöst.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Rotorinnenkühlung für einen Elektromotor, umfassend einen Stator und einen Rotor mit einer Rotorwelle. Als Stator wird in der Regel der feststehend, unbewegliche Teil des Elektromotors bezeichnet, während als Rotor ein beweglicher Teil des Elektromotors bezeichnet wird. In der Regel umgibt der Stator den Rotor bzw. nimmt diesen vollständig auf. Beispielsweise kann der Stator ein Gehäuse des Elektromotors sein. Alternativ ist es auch denkbar, dass der Rotor den Stator umgibt.
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Erfindungsgemäß ist die Rotorwelle eingerichtet, ein Phasenwechselmaterial aufzunehmen. In der Regel ist die Rotorwelle eingerichtet, das Phasenwechselmaterial zentral im Inneren der Rotorwelle bspw. radialsymmetrisch aufzunehmen. Durch die zentrale Aufnahme des Phasenwechselmaterials hat die Einbringung des Phasenwechselmaterials keine oder nur eine geringe Auswirkung auf das Drehverhalten der Rotorwelle bzw. des Rotors. Durch die zentrale Einbringung wird die Rotorwelle somit vor einer Unwucht geschützt.
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In der Regel wird das Phasenwechselmaterial derart in die Rotorwelle eingebracht, dass das Phasenwechselmaterial an einem Trägermaterial und/oder der Rotorwelle des Rotors anliegt. Dies bietet den Vorteil, dass die Wärme der Rotorwelle und/oder des Trägermaterials durch den direkten Kontakt zu dem Phasenwechselmaterial besonders gut an das Phasenwechselmaterial abgeben kann. Dadurch kann die Wärme des Rotors bereits bei einem geringen Temperaturanstieg an das Phasenwechselmaterial weitergeleitet werden, sodass die Temperatur der Rotorwelle und damit des Rotors bei einer Einstellung einer Hochlast nur verzögert zu steigen beginnt.
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Ein Phasenwechselmaterial ist in der Regel ein Material, das eingerichtet ist, bei einer Erhöhung der Temperatur in einem bestimmten Temperaturbereich, bspw. im Bereich zwischen 100°C und 180°C, seine Form bzw. Phase von fest zu flüssig zu verändern bzw. zu wechseln. Das Phasenwechselmaterial wird vorzugsweise derart in die Rotorwelle eingebracht, dass keine Unwucht des Rotors entsteht und ein guter Wärmeübergang zwischen Rotorwelle oder Trägermaterial und dem Phasenwechselmaterial erzielbar ist.
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Ein Trägermaterial kann beispielsweise Stahl, Aluminium oder ein anderes thermisch leitfähiges Metall sein.
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In Ausgestaltung weist die Rotorwelle mindestens eine Ausnehmung auf, die eingerichtet ist, das Phasenwechselmaterial aufzunehmen. Die Rotorwelle kann beispielsweise eine zentrale Ausnehmung aufweisen, die eingerichtet ist, das Phasenwechselmaterial aufzunehmen. In der Regel umfasst die Rotorwelle mindestens zwei Ausnehmungen, wobei die Ausnehmungen vorteilhafterweise beabstandet zueinander angeordnet sind. Vorzugsweise sind die Ausnehmungen derart angeordnet, dass die Rotorwelle unwuchtfrei ist.
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Die mindestens zwei Ausnehmungen sind vorzugsweise in dem Trägermaterial ausgebildet. Dies bietet den Vorteil, dass eine große Kontaktoberfläche zwischen Trägermaterial und Ausnehmung besteht. Dadurch kann Wärme besonders gut an das, in die Ausnehmung aufgenommene Phasenwechselmaterial abgegeben werden. Vorzugsweise kann die Rotorwelle eine Mehrzahl an Ausnehmungen aufweisen, wobei vorzugsweise eine Anzahl an Ausnehmungen n2 oder n2 +1 ist, wobei bei einer Anzahl von n2 +1 eine Ausnehmung auf der Drehachse der Rotorwelle angeordnet ist. In der Regel sind die Ausnehmungen dabei in einem gleichbleibenden Abstand zueinander angeordnet. Dies trägt ebenfalls nach Aufnahme des Phasenwechselmaterials in den jeweiligen Ausnehmungen zu einer Vorbeugung einer Unwucht der Rotorwelle bei.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist die mindestens eine Ausnehmung als Kanal ausgebildet, in den das Phasenwechselmaterial einbringbar ist. Die kanalartige Ausgestaltung ermöglicht eine an jedem Punkt gleichbleibende Wärmeübertragung von dem Trägermaterial auf das Phasenwechselmaterial. Alternativ können die Ausnehmungen jegliche geometrische Form aufweisen, die für einen Wärmeaustausch zwischen der Rotorwelle oder dem Trägermaterial und dem Phasenwechselmaterial eingerichtet ist. Die Ausnehmungen können als Reservoire ausgestaltet sein, die verschließbar sind.
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In einer Weiterbildung ist die mindestens eine Ausnehmung eingerichtet, das Phasenwechselmaterial radialsymmetrisch in Bezug zu einer Drehachse D des Rotors aufzunehmen. Die radialsymmetrische Einbringung verhindert eine Unwucht der Rotorwelle des Rotors. Bei mehreren Ausnehmungen sind die Ausnehmungen radialsymmetrisch zur Drehachse D angeordnet.
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In einer weiteren Weiterbildung der Erfindung ist das Phasenwechselmaterial eingerichtet, bei einer Temperatur zwischen 100°C und 180°C von einer festen zu einer flüssigen Phase überzugehen und dabei thermische Energie aufzunehmen. In der Regel kann ein Rotor einen Temperaturwert, der höher als der zulässige Dauerleistungswert ist, für einen bestimmten Zeitraum überschreiten. Typischerweise liegt der Grenzwert zur Überschreitung bei 180°C. Durch den Phasenwechsel von flüssig zu fest ab einer Temperatur von 100°C kann eine ansteigende Temperatur/Wärme frühzeitig an das Phasenwechselmaterial abgeleitet werden, wodurch das Phasenwechselmaterial die thermische Energie aufnimmt. Dadurch wird der Prozess der Erwärmung bereits ab einer Erreichung einer Temperatur von 100°C frühzeitig verlangsamt, wodurch ein Elektromotor umfassend eine derartige Rotorinnenkühlung über einen längeren Zeitraum über seine zulässige Dauerleistung belastbar ist. Dies bietet den Vorteil, dass eine derartige Rotorinnenkühlung einen Elektromotor in Extremsituationen entlasten kann, indem die Rotorinnentemperatur möglichst lange möglichst niedrig gehalten wird.
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In Ausgestaltung ist das Phasenwechselmaterial ein Thermoplast oder ein anderes PCM-Material. PCM-Materialien (Phase Change Materialien) sind Substanzen mit einer hohen Schmelzwärme, die bei bzw. ab einer bestimmten Temperatur schmelzen und erstarren und große Mengen an Energie speichern und freisetzen können. Wärme wird absorbiert oder freigesetzt, wenn das Material von fest zu flüssig und umgekehrt wechselt.
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Thermoplaste sind Kunststoffe, die sich in einem bestimmten Temperaturbereich einfach (thermo-plastisch) verformen lassen. Dieser Vorgang ist reversibel, das heißt, er kann durch Abkühlung und Wiedererwärmung bis in den schmelzflüssigen Zustand beliebig oft wiederholt werden, solange nicht durch Überhitzung die sog. thermische Zersetzung des Materials einsetzt.
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Durch die Verwendung eines Phasenwechselmaterial in der Rotorwelle kann durch den Wechsel von einer festen zu einer flüssigen Phase/Form mehr thermische Energie aufgenommen werden, als bei der Verwendung eines Vollmaterials oder Luft. Somit verläuft die Erwärmung des Rotors verzögert, wodurch eine längere Belastung mit Hochleistung ermöglich wird.
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In weiterer Ausgestaltung bildet die mindestens eine Ausnehmung einen zumindest bereichsweise oder vollständig verschließbaren bzw. verschlossenen Bauraum aus. In der Regel ist die mindestens eine Ausnehmung, in die das Phasenwechselmaterial eingebracht ist, verschließbar eingerichtet. Dies bietet den Vorteil, dass die Rotorinnenkühlung aufgrund des abgeschlossenen Bauraums eine deutlich reduzierte Komplexität im Vergleich zu einer durchströmten Rotorinnenkühlung aufweist. Dies reduziert zudem die Herstellungskosten.
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Des Weiteren ist der Aufbau wartungsfrei und benötigt weder mehr Bauraum, noch mehr Gewicht als ein ungekühlter Rotor.
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In einer Weiterbildung ist die mindestens eine Ausnehmung, in die das Phasenwechselmaterial einbringbar bzw. eingebracht ist, durch stoff- oder kraftschlüssige Verbindungen abdichtbar bzw. abgedichtet. Durch die stoff- oder kraftschlüssige Verbindung wird die Ausnehmung, in der das Phasenwechselmaterial eingebracht ist, abgedichtet und verschlossen. Dadurch ist die Ausnehmung ein abgeschlossener Bauraum, der ein Durchströmen der Ausnehmung mit dem Phasenwechselmaterial oder eine Bewegung des Phasenwechselmaterials innerhalb der Ausnehmung, beispielsweise bei dem Wechsel von der festen zu der flüssigen Phase/Form verhindert. Durch den abgeschlossenen Bauraum wird sichergestellt, dass das Phasenwechselmaterial auch in der flüssigen Phase in direktem Kontakt mit dem Trägermaterial und/oder der Rotorwelle steht. Da das Phasenwechselmaterial eingerichtet ist, bereits bei einer Temperatur von 100°C von der festen in die flüssige Phase überzugehen, wird ein Verlaufen des Phasenwechselmaterial und somit ein Verlust der Möglichkeit, die Wärme des Trägermaterials und/oder der Rotorwelle durch das Phasenwechselmaterial aufnehmen zu lassen, verhindert.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen Elektromotor umfassend eine Rotorinnenkühlung mit mindestens einem der voranstehend beschriebenen Merkmale. Ein Elektromotor umfassend eine erfindungsgemäße Rotorinnenkühlung weist bei einem Betrieb in Hochlast einen verzögerten Temperaturanstieg auf, als im Stand der Technik bekannte Elektromotoren. Insbesondere ist ein derartiger Elektromotor eingerichtet, über einen längeren Zeitraum mit einer höheren Belastung mit Hochleistung belastbar zu sein, da der Temperaturgrenzwert des Rotors, verzögert erreicht wird. Dies ermöglicht beispielsweise längere Phasen starker Beanspruchung, beispielsweise in Regionen mit starken Straßenneigungen.
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Die vorliegende Erfindung betrifft zudem ein Fahrzeug, bspw. ein Auto, umfassend einen Elektromotor mit mindestens einem der voranstehend beschriebenen Merkmale. Ein derartiges Fahrzeug ist eingerichtet, über einen längeren Zeitraum mit einer höheren Belastung mit Hochleistung belastbar zu sein. Dies ermöglicht beispielsweise längere Phasen starker Beanspruchung, beispielsweise in Regionen mit starken Straßenneigungen.
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Im Folgenden werden anhand von stark vereinfachten schematischen Darstellungen bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
- 1a eine Draufsicht auf einen Schnitt durch eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Rotorinnenkühlung,
- 1b eine Seitenansicht auf die in 1a gezeigte erfindungsgemäße Rotorinnenkühlung entlang einer Rotordrehachse D.
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In den Figuren weisen dieselben konstruktiven Elemente dieselben Bezugsziffern auf.
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In der 1a ist eine Draufsicht auf einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Rotorinnenkühlung 10 dargestellt. Gezeigt ist dabei ein Stator 11 mit einer Statorwicklung 12 sowie ein Rotor 13 mit mindestens einer Rotorwicklung 14 oder mindestens einem Rotormagneten und einer Rotorwelle 15. Die Rotorwelle 15 weist Ausnehmungen 17 auf, die dazu eingerichtet sind, ein Phasenwechselmaterial 18 aufzunehmen. Der Stator 11 mit der bzw. den Statorwicklungen 12 ist um den Rotor 13 mit der bzw. den Rotorwicklungen bzw. den Rotormagneten 14 ausgebildet.
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In der Rotorwelle 13 ist in der vorliegenden Ausführungsform ein Trägermaterial 16 ausgebildet. Das Trägermaterial 16 kann ein Stahl oder ein Aluminium oder ein anderes leitfähiges Material sein, das geeignet ist, die Wärme der Rotorwelle 15 bzw. des Rotors 13 an das Phasenwechselmaterial 18 schnell und direkt weiterzuleiten.
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Die Ausnehmungen 17 sind in dem Trägermaterial 16 ausgebildet. Die Ausnehmungen 17 sind in der vorliegenden Ausführungsform rund ausgebildet. Die Ausnehmungen 17 können alternativ eckig, oval oder in einer anderen geometrischen Form ausgebildet sein. Die Ausnehmungen 17 sind beabstandet zueinander angeordnet. Die vorliegende Ausführungsform weist eine Mehrzahl an Ausnehmungen 17 aus, wobei die Anzahl der Ausnehmungen 17 vorteilhafterweise n2 ist. Die Ausnehmungen 17 sind im Zentrum der Rotorwelle 15 vorliegend radial- bzw. rotationssymmetrisch um die Drehachse D und beabstandet zueinander angeordnet. Zwischen zwei Ausnehmungen 17 ist dabei das Trägermaterial 16 ausgebildet.
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Bei einem Betrieb eines - nicht gezeigten - Elektromotors entsteht durch das Zusammenwirken von Stator 11 und Rotor 13 Wärme. Die vorliegende Ausführungsform der Rotorinnenkühlung ist geeignet, einen Wärmeanstieg bzw. Temperaturanstieg des Elektromotors zu verzögern.
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Dies wird durch die vorstehend beschriebene ausgestaltete Rotorinnenkühlung durch Ableitung der Wärme der Rotorwelle 15 auf das Phasenwechselmaterial 18 erzielt.
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Das Phasenwechselmaterial 18 weist die Eigenschaft auf, ab einer Temperatur von 100°C und bis zu einer Temperatur von 180°C von einer festen Phase zu einer flüssigen Phase zu wechseln. Bei dem Wechsel von der festen zu der flüssigen Phase kann das Phasenwechselmaterial 18 thermische Energie, d. h. Wärme aufnehmen.
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Der Elektromotor ist dadurch eingerichtet, kurzzeitig deutlich über seiner Dauerleistung belastbar zu sein. Dies ist in der Regel so lange zulässig, bis die Temperatur des Rotors einen Grenzwert überschreitet, welcher in der Regel bei ca. 180°C liegt.
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Dadurch, dass das Phasenwechselmaterial 18 bereits bei einer Temperatur von 100°C anfängt von einer festen zu einer flüssigen Phase zu wechseln, ist die Rotorinnenkühlung eingerichtet, die Temperatur des Rotors 13 bzw. der Rotorwelle 15 bereits frühzeitig zu verringern bzw. einen Temperaturanstieg zu verzögern, sodass die Temperatur des Rotors 13 über einen längeren Zeitraum niedriger als 180°C gehalten werden kann. Insbesondere wird der Anstieg der Temperatur des Rotors 13 verlangsamt. Dadurch kann die Dauer, über die ein Elektromotor deutlich über seine zulässige Dauerleistung belastet werden kann, deutlich verlängert werden, da der Zeitraum, bis zur Erreichung des kritischen Grenzwertes von 180°C verlängert wird.
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Generell kann die Rotorwelle 15 des Rotors 13 das Trägermaterial 16 umfassen, das die Wärme des Rotors 13 weiterleiten kann.
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Generell leitet das Trägermaterial 18 die Wärme der Rotorwelle 15 an das Phasenwechselmaterial 18 weiter. Durch die schnelle und direkte Weiterleitung der Wärme der Rotorwelle kann die Wärme des Rotors besonders effizient ab- bzw. weitergeleitet werden.
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In der 1b ist eine Seitenansicht auf die in 1a gezeigten erfindungsgemäße Rotorinnenkühlung 10 entlang der Drehachse D des Rotors 13, d. h. der Rotordrehachse D dargestellt.
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Gezeigt ist der Stator 11 mit der mindestens einen Statorwicklung 12, sowie der Rotor 13 mit der mindestens einen Rotorwicklung 14 oder dem mindestens einen Rotormagneten 14 und einer Rotorwelle 15. Der Stator 11 mit der mindestens einen Statorwicklung 12 umschließt den Rotor 13 mit der mindestens einen Rotorwicklung oder dem mindestens einen Rotormagneten 14.
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Die Rotorwelle 15 umfasst das Trägermaterial 16, wobei in dem Trägermaterial 16 die Ausnehmungen 17 ausgebildet sind, die das Phasenwechselmaterial 18 aufnehmen.
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Die Ausnehmungen 17 sind in der Regel symmetrisch um und entlang der Rotordrehachse D angeordnet, um eine Unwucht des Rotors zu vermeiden.
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Die Rotorwelle 15 umfasst dabei eine Mehrzahl an Ausnehmungen 17, wobei die Anzahl der Ausnehmungen 17 derart gewählt ist, dass die Rotorwelle 17 vor einer Unwucht geschützt ist.
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Die Ausnehmungen 17 sind beabstandet zueinander angeordnet, wobei in der vorliegenden Ausführungsform - wie in 1 a gezeigt - die Anzahl und Anordnung der Ausnehmungen 17 n2 + 1 ist, wobei eine Ausnehmung auf der Drehachse der Rotorwelle 15 angeordnet ist.
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Die Ausnehmungen 17, die das Phasenwechselmaterial 18 aufnehmen, sind in der Rotorwelle 15 verschlossen dargestellt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Rotorinnenkühlung
- 11
- Stator
- 12
- Statorwicklung
- 13
- Rotor
- 14
- Rotorwicklung bzw. Rotormagnet
- 15
- Rotorwelle
- 16
- Trägermaterial
- 17
- Ausnehmung, bspw. Kanäle
- 18
- Phasenwechselmaterial
- D
- Drehachse des Rotors
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012020958 A1 [0003]
- DE 202015009553 U1 [0004]
- DE 102015216374 A1 [0005]
