DE102019118963A1

DE102019118963A1 - ELECTRIC MACHINE

Info

Publication number: DE102019118963A1
Application number: DE102019118963.2A
Authority: DE
Inventors: Jonas Hens; Victor Chowdhury; Frieder Lennart Müntze
Original assignee: SEG Automotive Germany GmbH
Current assignee: SEG Automotive Germany GmbH
Priority date: 2019-07-12
Filing date: 2019-07-12
Publication date: 2021-01-14

Abstract

Elektrische Maschine mit einem Stator (20) und einem Rotor (30), wobei der Rotor (30) eine drehbar gelagerte Rotorwelle (32) und einen auf der Rotorwelle drehfest angebrachten Rotorkörper (34) aufweist, wobei die Rotorwelle (32) als abgeschlossene Hohlwelle, die einen Hohlraum (36) definiert, ausgebildet ist, wobei der Hohlraum (36) mit einem Kühlmedium (38) befüllt ist, welches in einem ersten Temperaturbereich, insbesondere bei einer ersten Temperatur fest, und in einem zweiten Temperaturbereich, insbesondere bei einer zweiten Temperatur, flüssig ist.Electrical machine with a stator (20) and a rotor (30), the rotor (30) having a rotatably mounted rotor shaft (32) and a rotor body (34) fixedly attached to the rotor shaft, the rotor shaft (32) as a closed hollow shaft , which defines a cavity (36), is formed, the cavity (36) being filled with a cooling medium (38) which is fixed in a first temperature range, in particular at a first temperature, and in a second temperature range, in particular at a second Temperature, is liquid.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, beispielsweise zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug. Derartige elektrische Maschinen sind insbesondere als Traktionsmaschinen einsetzbar. Auch im Rahmen der Hybridisierung und Elektrifizierung von Fahrzeugen sind diese elektrischen Maschinen einsetzbar.The present invention relates to an electrical machine, for example for use in a motor vehicle. Such electrical machines can be used in particular as traction machines. These electrical machines can also be used in the context of hybridization and electrification of vehicles.

Wesentlich bei der Konzeption derartiger elektrischer Maschinen ist deren thermische Grenze, die unter anderem die Zeitdauer einer nutzbaren Peakleistung, die Höhe der kontinuierlichen Leistungsabgabe und die Lebensdauer bestimmt. Insbesondere bei Fahrzeugen mit elektrischen Traktionsmaschinen stellt diese thermische Grenze eine Herausforderung dar, da die elektromechanische Energiewandlung bei großen Leistungsdichten mit erhöhten Verlustleistungen einhergeht. Kühllösungen müssen Wärme von verschiedenen Wärmequellen in der Maschine effektiv ableiten, um die Temperaturen trotz hoher Leistung niedrig zu halten und die Lebensdauer der Maschine zu gewährleisten.In the design of such electrical machines, their thermal limit is essential, which among other things determines the duration of a usable peak power, the amount of continuous power output and the service life. In vehicles with electric traction machines in particular, this thermal limit poses a challenge, since the electromechanical energy conversion is associated with increased power losses at high power densities. Cooling solutions must effectively dissipate heat from various heat sources in the machine in order to keep temperatures low despite high performance and to guarantee the service life of the machine.

Variable Last- und Drehzahlprofile führen zu transienten Erwärmungsprofilen. Es treten in derartigen elektrischen Maschinen verschiedene Wärmequellen auf, wobei beispielhaft Stromwärmeverluste (Kupfer), Ummagnetisierungsverluste (Eisen, Magnete) oder mechanische Verluste genannt seien. Diese Wärmequellen weisen unterschiedliche Abhängigkeiten bezüglich Last- und Drehzahl auf. Hieraus ergeben sich insgesamt komplexe Anforderungen an das Wärmepfaddesign und das Kühlverfahren für rotierende Elemente (Rotor) und nicht-rotierende Elemente (Stator) der elektrischen Maschine.Variable load and speed profiles lead to transient heating profiles. Various heat sources occur in such electrical machines, with current heat losses (copper), magnetic reversal losses (iron, magnets) or mechanical losses being mentioned as examples. These heat sources have different dependencies with regard to load and speed. Overall, this results in complex requirements for the heat path design and the cooling process for rotating elements (rotor) and non-rotating elements (stator) of the electrical machine.

Es sind verschiedene Kühlkonzepte zur Kühlung von elektrischen Maschinen bekannt. Weit verbreitet ist beispielsweise eine direkte oder indirekte Kühlung des Stators einer elektrischen Maschine. Bei der direkten Kühlung wird die entstehende Wärme direkt im Statorkern abgeführt. Bei der indirekten Kühlung wird die entstehende Wärme axial oder radial nach außen geleitet, bevor sie durch ein Kühlmedium abgeleitet wird. Eine derartige indirekte Kühlung ist beispielsweise aus der DE 10 2016 214 405 A1 bekannt.Various cooling concepts for cooling electrical machines are known. For example, direct or indirect cooling of the stator of an electrical machine is widespread. With direct cooling, the resulting heat is dissipated directly in the stator core. In the case of indirect cooling, the heat generated is directed axially or radially outwards before it is dissipated by a cooling medium. Such indirect cooling is for example from the DE 10 2016 214 405 A1 known.

Kühlkonzepte zur Kühlung eines Rotors einer elektrischen Maschine umfassen beispielsweise eine Luftkühlung, wie beispielsweise in der DE 10 2011 078 784 A1 beschrieben, oder eine Rotorwellenkühlung, wie beispielsweise in der DE 10 2016 216 685 A1 beschrieben.Cooling concepts for cooling a rotor of an electrical machine include, for example, air cooling, for example in FIG DE 10 2011 078 784 A1 described, or a rotor shaft cooling, such as in the DE 10 2016 216 685 A1 described.

Der Rotor der meisten elektrischen Maschinen steht typischerweise nur über die Lager in mechanischem Kontakt zu einem Maschinengehäuse. Beim Betrieb der Maschine auftretende Wärme wird daher hauptsächlich über die Lager und mit Luft benetzte Flächen in die Umgebung abgeleitet. Diese Art der Wärmeübertragung weist jedoch einen tendenziell niedrigen Wärmeübergangskoeffizienten auf. Daher müssen hohe Temperaturen im Rotor vorliegen um die Wärme übertragen zu können.The rotor of most electrical machines is typically only in mechanical contact with a machine housing via the bearings. The heat generated during the operation of the machine is therefore mainly dissipated into the environment via the bearings and surfaces wetted with air. However, this type of heat transfer tends to have a low heat transfer coefficient. Therefore, high temperatures must be present in the rotor in order to be able to transfer the heat.

Mit einer Rotorkühlung lässt sich Wärme insbesondere bei niedrigeren Temperaturen aus dem Rotor abführen.With rotor cooling, heat can be removed from the rotor, especially at lower temperatures.

Viele Rotorkühlungen arbeiten mit der Durchströmung des Rotors mittels eines Kühlmediums. Dabei wird das Kühlmedium beispielsweise durch eine Drehdurchführung in den Rotor eingeleitet und durch radiale Bohrungen in das Maschinengehäuse oder eine weitere Drehdurchführung abgeleitet. Derartige Kühlsysteme basieren entweder auf einem gasförmigen oder einem flüssigen Kühlmedium. Gasförmige Kühlmedien sind einfacher anzuwenden, bieten jedoch im Vergleich zu Flüssigkeiten schlechte Wärmeübertragungseigenschaften. Flüssige Kühlmedien sind schwieriger anzuwenden, da das Maschinengehäuse oder der Flüssigkeitskreislauf zuverlässig abgedichtet werden muss. Drehdurchführungen sind kostenintensiv und konstruktiv aufwändig.Many rotor cooling systems work with the flow through the rotor by means of a cooling medium. In this case, the cooling medium is introduced into the rotor, for example, through a rotary feedthrough and diverted through radial bores into the machine housing or another rotary feedthrough. Such cooling systems are based either on a gaseous or a liquid cooling medium. Gaseous cooling media are easier to use, but have poor heat transfer properties compared to liquids. Liquid cooling media are more difficult to use because the machine housing or the liquid circuit must be reliably sealed. Rotary feedthroughs are cost-intensive and structurally complex.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Ausgehend von diesem Stand der Technik wird eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung. Damit wird eine Verbesserung einer Rotorkühlung und Vermeidung der oben genannten Nachteile erreicht.Based on this prior art, an electrical machine with the features of claim 1 is proposed. Advantageous refinements of the invention are the subject matter of the subclaims and the following description. This improves rotor cooling and avoids the disadvantages mentioned above.

Die erfindungsgemäße elektrische Maschine ist ausgebildet mit einem Stator und einem Rotor, wobei der Rotor eine drehbar gelagerte Rotorwelle und einen auf der Rotorwelle drehfest angebrachten Rotorkörper aufweist. Hierbei ist die Rotorwelle als abgeschlossene Hohlwelle, die einen Hohlraum definiert, ausgebildet, wobei der Hohlraum mit einem Kühlmedium befüllt ist, welches in einem ersten Temperaturbereich, insbesondere bei einer ersten Temperatur, fest, und in einem zweiten Temperaturbereich, insbesondere bei einer zweiten Temperatur, flüssig ist.The electrical machine according to the invention is designed with a stator and a rotor, the rotor having a rotatably mounted rotor shaft and a rotor body mounted on the rotor shaft in a rotationally fixed manner. Here, the rotor shaft is designed as a closed hollow shaft that defines a cavity, the cavity being filled with a cooling medium that is solid in a first temperature range, in particular at a first temperature, and in a second temperature range, in particular at a second temperature, is liquid.

Mit der erfindungsgemäßen Ausbildung eines Rotors mit einer einen Hohlraum definierenden Hohlwelle, wobei in den Hohlraum ein Kühlmedium vorgesehen ist, welches seinen Aggregatzustand temperaturabhängig ändert, ist eine hocheffektive und einfach zu handhabende Rotorkühlung zur Verfügung gestellt. Da das Kühlmedium lediglich innerhalb eines abgeschlossenen Hohlraums vorliegt, kann insbesondere auf Drehdurchführungen zum Einleiten bzw. Ableiten von Kühlmedium verzichtet werden.With the inventive design of a rotor with a hollow shaft defining a cavity, a cooling medium being provided in the cavity, which changes its physical state as a function of temperature, a highly effective and easy-to-use rotor cooling is made available. Since the cooling medium is only present within a closed cavity, can In particular, rotary feedthroughs for introducing or discharging cooling medium can be dispensed with.

Zweckmäßigerweise umfasst der erste Temperaturbereich eine Temperatur T1, die die elektrische Maschine aufweist, wenn sie nicht in Betrieb ist oder mit niedriger Last betrieben wird, also beispielsweise 10°C - 100°C, und der zweite Temperaturbereich eine Temperatur T2, die der Rotor beim Betrieb der elektrischen Maschine mit Dauer- oder Peakleistung maximal erreicht, also beispielsweise 100°C-200°C. Hierdurch ist es beispielsweise möglich, dass bei kurzzeitigem Betrieb der elektrischen Maschine oder im Bereich der Schmelztemperatur des Kühlmediums die entstehende Wärme im Wesentlichen oder vollständig für das Schmelzen des Kühlmediums verwendet wird, so dass keine weiteren Kühlmaßnahmen notwendig sind. Bei Dauerbetrieb der elektrischen Maschine können insbesondere innerhalb des Hohlraums auftretende Strömungen bzw. Verschiebungen des Kühlmediums ausgenutzt werden, um eine effektive Kühlung zu gewährleisten, wie weiter unten noch im Einzelnen beschrieben wird.The first temperature range expediently comprises a temperature T1 that the electrical machine has when it is not in operation or is operated with a low load, for example 10 ° C.-100 ° C., and the second temperature range is a temperature T2 that the rotor reaches maximum when operating the electrical machine with continuous or peak power, for example 100 ° C-200 ° C. This makes it possible, for example, for brief operation of the electrical machine or in the region of the melting temperature of the cooling medium to use the resulting heat essentially or completely for melting the cooling medium, so that no further cooling measures are necessary. In the case of continuous operation of the electrical machine, flows or displacements of the cooling medium occurring within the cavity in particular can be used to ensure effective cooling, as will be described in detail further below.

Vorteilhafterweise ist die axiale Erstreckung der Rotorwelle größer als die axiale Erstreckung des Rotorkörpers bzw. des elektromagnetisch aktiven Teils des Rotors. Hierdurch kann, unter Ausnutzung der konvektiven Ströme und der diffusiven Wärmeleitung, Wärme effektiv axial durch die Rotorwelle aus dem Rotorkörper abgeführt werden.The axial extension of the rotor shaft is advantageously greater than the axial extension of the rotor body or the electromagnetically active part of the rotor. In this way, using the convective currents and the diffusive heat conduction, heat can be effectively carried away axially through the rotor shaft from the rotor body.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Rotorwelle mittels zweier Lager drehbar gelagert ist, wobei der Rotorkörper nicht-mittig auf der Rotorwelle zwischen den zwei Lagern angeordnet ist. Mit einer derartigen nicht-mittigen bzw. axial asymmetrischen Anordnung sind die erwähnten Ströme des Kühlmediums innerhalb des Hohlraums besonders ausgeprägt.According to a preferred embodiment, the rotor shaft is rotatably mounted by means of two bearings, the rotor body being arranged off-center on the rotor shaft between the two bearings. With such a non-central or axially asymmetrical arrangement, the aforementioned flows of the cooling medium within the cavity are particularly pronounced.

Es ist aber auch in vorteilhafter Weise möglich, dass die Rotorwelle mittels zweier Lager drehbar gelagert, wobei der Rotorkörper mittig auf der Rotorwelle zwischen den zwei Lagern angeordnet ist.However, it is also advantageously possible for the rotor shaft to be rotatably mounted by means of two bearings, the rotor body being arranged centrally on the rotor shaft between the two bearings.

Bevorzugt wird als Kühlmedium ein Öl oder ein Metall mit einem Schmelzpunkt, der zwischen dem ersten und dem zweiten Temperaturbereich liegt, verwendet. Als besonders vorteilhaft hat sich hier die Verwendung von Natrium, welches eine Schmelztemperatur im Bereich von 100°C aufweist, erwiesen.An oil or a metal with a melting point between the first and the second temperature range is preferably used as the cooling medium. The use of sodium, which has a melting temperature in the region of 100 ° C., has proven to be particularly advantageous here.

Es ist insbesondere auch möglich, ein Kühlmedium zu verwenden, das verschiedene Kühlmittel, zum Beispiel unterschiedliche Öle oder Metalle, mit jeweils unterschiedlichen Schmelzpunkten beinhaltet. Hiermit kann die Kühlwirkung im Zusammenhang mit der Umwandlung entstehender Wärme in Schmelzenergie über einen größeren Temperaturbereich ausgedehnt und optimiert werden.In particular, it is also possible to use a cooling medium that contains different coolants, for example different oils or metals, each with different melting points. In this way, the cooling effect in connection with the conversion of the resulting heat into melt energy can be extended and optimized over a larger temperature range.

Zweckmäßigerweise ist die dem Hohlraum zugewandte Innenseite der Rotorwelle strukturiert ausgebildet. Hiermit können die Effekte im Zusammenhang mit dem den Strömen des Kühlmediums innerhalb des Hohlraums verbessert werden. Zusätzlich wird die Wärmeübertragung effizienter, da die wärmeübertragende Fläche dadurch vergrößert wird. Als geeignete Struktur erweist sich z.B. eine Rippenstruktur oder eine Innenverzahnung.The inner side of the rotor shaft facing the cavity is expediently structured. In this way, the effects in connection with the flows of the cooling medium within the cavity can be improved. In addition, the heat transfer becomes more efficient because the heat transfer area is enlarged. A rib structure or internal toothing has proven to be a suitable structure.

Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnung näher beschrieben.A particularly preferred embodiment of the invention will now be described in more detail with reference to the accompanying drawing.

Es zeigt

1 eine schematische seitliche Schnittansicht einer ersten bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine,
2 verschiedene Diagramme zur Erläuterung verschiedener, bei dem Betrieb der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine gemäß der ersten Ausführungsform auftretender physikalischer Größen,
3 eine schematische seitliche Schnittansicht einer zweiten bevorzugten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine, und
4 verschiedene Diagramme zur Erläuterung verschiedener, bei dem Betrieb der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine gemäß der zweiten Ausführungsform auftretender physikalischer Größen,

It shows

1 a schematic side sectional view of a first preferred embodiment of an electrical machine according to the invention,
2 various diagrams to explain various physical quantities occurring during the operation of the electrical machine according to the invention according to the first embodiment,
3 a schematic side sectional view of a second preferred embodiment of an electrical machine according to the invention, and
4th various diagrams to explain various physical quantities that occur during the operation of the electrical machine according to the invention according to the second embodiment,

Eine erste bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ist in 1 dargestellt und insgesamt mit 100 bezeichnet.A first preferred embodiment of an electrical machine according to the invention is shown in FIG 1 shown and overall with 100 designated.

Die elektrische Maschine 100 weist einen rein schematisch dargestellten Stator 10 und einen Rotor 30 auf. Auf eine Darstellung von Statorkomponenten wie etwa einem Statorgehäuse oder einer Statorwicklung bzw. einem Statorkern ist aus Gründen der Anschaulichkeit der Darstellung verzichtet.The electric machine 100 has a stator shown purely schematically 10 and a rotor 30th on. Stator components such as a stator housing or a stator winding or a stator core are not shown for reasons of clarity of the illustration.

Der Rotor 30 weist eine Rotorwelle 32 und einen auf der Rotorwelle 32 aufgebrachten Rotorkörper 34, welcher insbesondere ein Blechpaket oder Permanentmagnete umfasst, auf. Die Rotationsache des Rotors ist mit A bezeichnet.The rotor 30th has a rotor shaft 32 and one on the rotor shaft 32 applied rotor body 34 , which in particular comprises a laminated core or permanent magnets. The rotation thing of the rotor is with A. designated.

Die Rotorwelle 32 weist eine größere axiale Länge auf als der Rotorkörper 34. Der Bereich der Rotorwelle 32, der der axialen Länge des Rotorkörpers entspricht, ist mit 32' bezeichnet. Der Bereich der Rotorwelle, welcher axial neben dem Rotorkörper liegt bzw. in axialer Richtung über diesen hinausgeht, ist mit 32" bezeichnet.The rotor shaft 32 has a greater axial length than the rotor body 34 . The area of the rotor shaft 32 , which corresponds to the axial length of the rotor body, is with 32 ' designated. The area of the rotor shaft which is axially adjacent to the rotor body lies or goes beyond this in the axial direction is with 32 " designated.

Zwischen dem Stator 10 und dem Rotorkörper 34 ist in an sich bekannter Weise ein Luftspalt 17 ausgebildet. Die Rotorwelle 32 und somit der Rotor ist mittels zweier Lager 40a, 40b, welcher in der dargestellten Ausführungsform an entgegengesetzten Enden der Rotorwelle 32 ausgebildet sind, drehbar an einem wie erwähnt nicht im einzelnen dargestellten Gehäuse des Stators 10 gelagert.Between the stator 10 and the rotor body 34 is an air gap in a manner known per se 17th educated. The rotor shaft 32 and thus the rotor is by means of two bearings 40a , 40b , which in the illustrated embodiment at opposite ends of the rotor shaft 32 are designed to be rotatable on a housing of the stator, not shown in detail as mentioned 10 stored.

Die Rotorwelle 32 ist als Hohlwelle ausgebildet, und definiert einen abgeschlossenen Hohlraum 36, in dem ein Kühlmedium 38 bereitgestellt ist. Das Kühlmedium 38 füllt den Hohlraum fast vollständig aus. Vorteilhafterweise ist ein kleines Ausgleichsvolumen (z.B. eine Gasblase) vorgesehen, um temperaturbedingte Dichteänderungen und damit Volumenänderungen zulassen zu können.The rotor shaft 32 is designed as a hollow shaft and defines a closed cavity 36 in which a cooling medium 38 is provided. The cooling medium 38 fills the cavity almost completely. A small compensating volume (for example a gas bubble) is advantageously provided in order to be able to allow temperature-related changes in density and thus changes in volume.

Das Kühlmedium ist bei Raumtemperatur bzw. normaler Umgebungstemperatur fest, und weist eine Schmelztemperatur auf, welche unterhalb der Temperatur des Rotors 30, insbesondere der Temperatur des Rotorkörpers 34, beim Betrieb, insbesondere Volllastbetrieb oder Dauerbetrieb, der elektrischen Maschine 100 liegt. Als geeignetes Kühlmittel sei beispielhaft Natrium genannt, dass bei etwa 100°C vom festen in den flüssigen Zustand übergeht. Das Kühlmedium ist somit bei Nichtbetrieb der elektrischen Maschine 100 fest, und kann beim Betrieb der Maschine in den flüssigen Zustand übergehen. Das Kühlmedium 38 ist so ausgewählt, dass seine Dichte mit steigender Temperatur abnimmt, wie im Folgenden noch ausführlicher erläutert wird. Als geeignete Kühlmedien erweisen sich beispielsweise Öle oder sogenannte Flüssigmetalle mit entsprechend niedrigem Schmelzpunkt. Flüssigmetalle bieten hierbei den Vorteil hoher Wärmeleitfähigkeit und, je nach gewählter Konfiguration, einer zusätzlichen Wärmekapazität durch latente Wärmespeicherung.The cooling medium is solid at room temperature or normal ambient temperature, and has a melting temperature which is below the temperature of the rotor 30th , especially the temperature of the rotor body 34 , during operation, in particular full load operation or continuous operation, of the electrical machine 100 lies. An example of a suitable coolant is sodium, which changes from the solid to the liquid state at around 100 ° C. The cooling medium is thus when the electrical machine is not in operation 100 solid, and can change to a liquid state when the machine is in operation. The cooling medium 38 is selected so that its density decreases with increasing temperature, as will be explained in more detail below. Suitable cooling media are, for example, oils or so-called liquid metals with a correspondingly low melting point. Liquid metals offer the advantage of high thermal conductivity and, depending on the selected configuration, additional heat capacity through latent heat storage.

Das Kühlmedium 38 ist bei Raumtemperatur bzw. vor einer Inbetriebnahme der elektrischen Maschine 100, wie erwähnt, fest. Nach Inbetriebnahme der elektrischen Maschine 100 erwärmt sich allmählich der gesamte Rotor 30, insbesondere der Rotorkörper 34. Die entstehende Wärme wird über den Mantel 32a der als Hohlwelle ausgebildeten Rotorwelle 32 auf das Kühlmedium 38 übertragen, wobei sich das Kühlmedium erwärmt. Dieser Wärmeeintrag ist in 1 mittels Pfeilen 50 veranschaulicht.The cooling medium 38 is at room temperature or before the electrical machine is started up 100 , as mentioned, firmly. After commissioning the electrical machine 100 the entire rotor gradually heats up 30th , especially the rotor body 34 . The resulting heat is over the coat 32a the rotor shaft designed as a hollow shaft 32 on the cooling medium 38 transferred, wherein the cooling medium is heated. This heat input is in 1 by means of arrows 50 illustrated.

Bei Erreichen der Schmelztemperatur des Kühlmediums 38 geht weitere zugeführte Wärme zunächst bei nahezu konstanter Temperatur in die Phasenumwandlung des Kühlmediums zur Gewährleistung des Phasenübergangs von fest nach flüssig ein. Diese latente Wärmespeicherung erhöht die Wärmekapazität der Rotorwelle 32, und ermöglicht insbesondere die Bereitstellung zeitlich begrenzter Leistungsspitzen der elektrischen Maschine 100, ohne das hierbei unzulässige Temperaturspitzen im Rotor 30, insbesondere dem Rotorkörper 34, hervorgerufen werden. Durch den Einsatz geeigneter Kühlmedien, die mehrere Kühlmittel mit verschiedenen Schmelzpunkten umfassen, kann der Temperaturbereich der latenten Wärmespeicherung vergrößert bzw. ausgedehnt werden.When the melting temperature of the cooling medium is reached 38 further supplied heat is initially included in the phase transition of the cooling medium at an almost constant temperature to ensure the phase transition from solid to liquid. This latent heat storage increases the heat capacity of the rotor shaft 32 , and in particular enables the provision of time-limited power peaks of the electrical machine 100 without the inadmissible temperature peaks in the rotor 30th , especially the rotor body 34 , are caused. By using suitable cooling media, which comprise several coolants with different melting points, the temperature range of the latent heat storage can be enlarged or expanded.

Oberhalb des Schmelzpunktes bzw. nach vollständigem Schmelzen des Kühlmediums 38 führt eine weitere Wärmezufuhr zu einer lokalen Temperaturerhöhung im Kühlmedium im Bereich unterhalb des Rotorkörpers 34, also im Bereich 32' der Rotorwelle 32.Above the melting point or after the cooling medium has completely melted 38 a further supply of heat leads to a local temperature increase in the cooling medium in the area below the rotor body 34 , so in the area 32 ' the rotor shaft 32 .

Dieser Temperaturverlauf in axialer Richtung der Rotorwelle ist in 2, erste Zeile anschaulich dargestellt, wo die Temperatur T schematisch über der axialen Erstreckung der Rotorwelle 32 aufgetragen ist.This temperature profile in the axial direction of the rotor shaft is shown in 2 , first line clearly shows where the temperature T schematically over the axial extent of the rotor shaft 32 is applied.

Diese weitere Temperaturerhöhung resultiert in einer lokalen Senkung der Dichte D des Kühlmediums im Bereich 32' der Rotorwelle (in 2, Zeile 2 analog zur Temperatur T anschaulich dargestellt). Da die Rotorwelle 32 rotiert, wird dem Kühlmedium 38 eine Zentrifugalkraft aufgeprägt, aus der durch die Gegenkraft der Rotorwelle 32 ein Zentrifugaldruck im Kühlmedium 38 resultiert.This further increase in temperature results in a local decrease in density D. of the cooling medium in the area 32 ' the rotor shaft (in 2 , Row 2 analogous to temperature T clearly shown). As the rotor shaft 32 rotates, becomes the cooling medium 38 a centrifugal force is imposed from it by the counterforce of the rotor shaft 32 a centrifugal pressure in the cooling medium 38 results.

In axialer Richtung außerhalb des Rotorkörpers 34, also im Bereich 32" der Rotorwelle ist hierbei die Temperatur im Kühlmedium 38 geringer, und die Dichte des Kühlmediums 38 somit höher. Da der Zentrifugaldruck proportional zu der Dichte ist bzw. mit dieser skaliert, ist im Kühlmedium 38 außerhalb der Rotationsachse A ein Gradient des Druckes P in axialer Richtung vorhanden (in 2, Zeile 3 veranschaulicht). Durch diesen Druckgradienten wird kälteres, im Bereich 32" befindliches Kühlmedium an der Innenfläche der als Hohlwelle ausgebildeten Rotorwelle 32 axial in Richtung Rotorkörper befördert. Bei Erreichen des Bereiches 32' unterhalb des Rotorkörpers erwärmt sich das Kühlmedium, wobei seine Dichte sich verringert, so dass es schließlich in der Umgebung der Rotationsachse A zurück zur kühleren Seite (also in der Darstellung der 1 der rechten Seite) der Rotorwelle 32 befördert wird. Somit stellt sich insgesamt ein aufgrund der Temperaturunterschiede und der Drehzahl des Rotors abhängiger Kühlmittelstrom ein, der mittels Bezugszeichen 60 veranschaulicht ist.In the axial direction outside the rotor body 34 , so in the area 32 " of the rotor shaft is the temperature in the cooling medium 38 lower, and the density of the cooling medium 38 thus higher. Since the centrifugal pressure is proportional to the density or scales with this, is in the cooling medium 38 outside the axis of rotation A. a gradient of pressure P present in axial direction (in 2 , Row 3 illustrated). This pressure gradient makes the area colder 32 " cooling medium located on the inner surface of the rotor shaft designed as a hollow shaft 32 conveyed axially in the direction of the rotor body. When reaching the area 32 ' The cooling medium heats up below the rotor body, whereby its density is reduced, so that it is finally in the vicinity of the axis of rotation A. back to the cooler side (i.e. in the representation of the 1 the right side) of the rotor shaft 32 is promoted. Thus, on the whole, a coolant flow dependent on the temperature differences and the speed of the rotor is established, which is indicated by reference numerals 60 is illustrated.

Hierbei wird Wärme insgesamt radial vom Rotorkörper 34 durch Wärmeleitung (Konduktion) nach innen in Richtung der Achse A durch die Hohlwelle 32 zum Kühlmedium 38 geleitet. Im Kühlmedium wird die Wärme anschließend durch Wärmeleitung (Konduktion) und Konvektion axial aus dem Bereich 32' der Rotorwelle 32 innerhalb des Rotorkörpers 34 zum Bereich 32" abgeführt. Die Wärmeleitung wird somit durch konvektiven Transport ergänzt, womit die Wärmeübertragung im Vergleich zu einer Welle aus Vollmaterial bzw. einem festen Werkstoff verbessert ist. Der konvektive Transport nimmt mit steigendem Temperaturunterschied und steigender Drehzahl zu. Dieser Effekt ist im Fall elektrischer Maschinen besonders günstig, da die Ummagnetisierungsverluste ebenfalls mit steigender Drehzahl zunehmen. In 2, Zeile 4 ist der Wärmeeintrag bzw. Wärmeaustrag (beispielsweise in Form der flächenbezogenen Wärmestromdichte Q (also der übertragenen Wärme pro Fläche und Zeit) in axialer Richtung der Rotorwelle 32 veranschaulicht. Man erkennt, dass bezüglich der Rotorwelle 32 der Bereich 32' eine Wärmequelle, und der Bereich 32" eine Wärmesenke darstellt. Zweckmäßigerweise können im Bereich 32" weitere (nicht dargestellte) Kühlungseinrichtungen vorgesehen sein, an welche die im Kühlmedium geführte Wärme abgegeben wird.In this case, heat is generated radially from the rotor body 34 by heat conduction inwards in the direction of the axis A. through the hollow shaft 32 to the cooling medium 38 directed. in the The coolant then removes the heat axially from the area by conduction and convection 32 ' the rotor shaft 32 inside the rotor body 34 to the area 32 " discharged. The heat conduction is thus supplemented by convective transport, whereby the heat transfer is improved in comparison to a shaft made of solid material or a solid material. The convective transport increases with increasing temperature difference and increasing speed. This effect is particularly favorable in the case of electrical machines, since the magnetic reversal losses also increase with increasing speed. In 2 , Row 4th is the heat input or heat output (for example in the form of the area-related heat flux density Q (i.e. the heat transferred per area and time) in the axial direction of the rotor shaft 32 illustrated. It can be seen that with respect to the rotor shaft 32 the area 32 ' a heat source, and the area 32 " represents a heat sink. Appropriately, in the area 32 " further cooling devices (not shown) can be provided to which the heat carried in the cooling medium is given off.

Durch Konturierung der Innenfläche der als Hohlwelle ausgebildeten Rotorwelle 32, beispielsweise durch die Ausbildung von Rippen, welche beispielsweise in Form einer Innenverzahnung ausgebildet sein können, kann die wärmeübertragende Fläche vergrößert und der rotatorische Antrieb, gewissermaßen ein „Mitschleppen“ des Kühlmediums in axialer Richtung, verbessert werden.By contouring the inner surface of the rotor shaft designed as a hollow shaft 32 , for example through the formation of ribs, which can be in the form of internal teeth, for example, the heat-transferring surface can be enlarged and the rotary drive, so to speak “dragging along” the cooling medium in the axial direction, can be improved.

In den 3 und 4 ist eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine dargestellt. Gleiche bzw. gleichartige Komponenten sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Auf eine Darstellung des Stators 10 ist hier vollständig verzichtet.In the 3 and 4th a second embodiment of the electrical machine according to the invention is shown. Identical or similar components are provided with the same reference symbols. On a representation of the stator 10 is completely omitted here.

Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten dadurch, dass der Rotorkörper 34 zwischen den Lagern 40a,40b mittig auf der Rotorwelle 32 angeordnet ist. Der Bereich der Rotorwelle, der in axialer Länge dem Rotorkörper entspricht bzw. radial innerhalb von diesem liegt, ist wiederum mit 32' bezeichnet. In dieser Ausführungsform ergeben sich axial zu beiden Seiten des Rotorkörpers 34 weitere Bereiche der Rotorwelle 32, welche mit 32''' bezeichnet sind.This embodiment differs from the first in that the rotor body 34 between the camps 40a , 40b centered on the rotor shaft 32 is arranged. The area of the rotor shaft which corresponds in axial length to the rotor body or lies radially inside it is in turn with 32 ' designated. In this embodiment there are axially on both sides of the rotor body 34 further areas of the rotor shaft 32 which with 32 ''' are designated.

Die oben unter Bezugnahme auf die erste Ausführungsform erläuterten Ströme des Kühlmittels 38 ergeben sich hier in analoger Weise, wobei es aufgrund der mittigen bzw. symmetrischen Anordnung des Rotorkörpers zu zwei gegenläufigen Teilströmen kommt, wie mittels der Bezugszeichen 60a, 60b veranschaulicht. Die Verläufe der entsprechenden physikalischen Größen Temperatur T, Dichte D, Druck P und Wärmeeintrag bzw.- austrag Q̇̇̇sind in 4 in analoger Weise zu 2 dargestellt.The flows of the coolant explained above with reference to the first embodiment 38 are obtained here in an analogous manner, with two opposing partial flows occurring due to the central or symmetrical arrangement of the rotor body, as indicated by the reference symbols 60a , 60b illustrated. The curves of the corresponding physical parameters temperature T , Density D. , Pressure P and heat input or output Q̇̇̇are in 4th in an analogous way to 2 shown.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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.This list of the documents listed by the applicant was generated automatically and is included solely for the better information of the reader. The list is not part of the German patent or utility model application. The DPMA assumes no liability for any errors or omissions.

Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

DE 102016214405 A1 [0004]
DE 102011078784 A1 [0005]
DE 102016216685 A1 [0005]

Claims

Electrical machine with a stator (20) and a rotor (30), the rotor (30) having a rotatably mounted rotor shaft (32) and a rotor body (34) fixedly attached to the rotor shaft, the rotor shaft (32) as a closed hollow shaft , which defines a cavity (36), is formed, the cavity (36) being filled with a cooling medium (38) which is fixed in a first temperature range, in particular at a first temperature, and in a second temperature range, in particular at a second Temperature, is fluid.

Electric machine after Claim 1 , wherein the first temperature range comprises a temperature T1 which the electrical machine has when it is not in operation or in partial load operation, and the second temperature range comprises a temperature T2 which the rotor (30) has during continuous or overload operation of the electrical machine reached maximum.

Electrical machine according to one of the preceding claims, wherein the axial extent of the rotor shaft (32) is greater than the axial extent of the rotor body (34).

Electrical machine according to one of the preceding claims, wherein the rotor shaft is rotatably mounted by means of two bearings (40a, 40b), the rotor body (34) not being arranged centrally on the rotor shaft between the two bearings (40a, 40b).

Electrical machine according to one of the preceding Claims 1 to 3 wherein the rotor shaft is rotatably mounted by means of two bearings (40a, 40b), the rotor body (34) being arranged centrally on the rotor shaft between the two bearings (40a, 40b).

Electrical machine according to one of the preceding claims, wherein the cooling medium is a liquid or a metal with a melting point which is between the first and the second temperature range.

Electric machine according to one of the preceding claims, wherein the inside of the rotor shaft (32) facing the cavity (36) is structured.

Use of an electrical machine according to one of the preceding claims as a motor and / or generator in a vehicle.