DE102020105487A1

DE102020105487A1 - Rotoranordnung mit flüssigkeitsgekühltem Rotor

Info

Publication number: DE102020105487A1
Application number: DE102020105487.4A
Authority: DE
Inventors: André Zolko Gasko
Original assignee: Nidec Corp
Current assignee: Nidec Corp
Priority date: 2020-03-02
Filing date: 2020-03-02
Publication date: 2021-09-02
Also published as: WO2021176309A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Rotoranordnung (3) aufweisend eine Motorwelle (2), einen Rotor (1) und zwei Rotorendplatten (8,9), die jeweils eine Stirnseite des Rotors (1) zumindest teilweise abdecken, wobei die Motorwelle (2) von dem Rotor (1) umgeben ist und die Motorwelle (2) als Hohlwelle mit einem offenen Ende (4) und einem zweiten Ende (5) ausgebildet ist, wobei das offene Ende (4) einen Zufluss für ein Kühlmedium und die Hohlwelle einen Hauptkanal zum Durchfluss des Kühlmediums bildet, der eine Abzweigung aufweist, die von einer ersten Bohrung (11) in der Hohlwelle (2) im Bereich des offenen Endes (4) und einer korrespondierenden Öffnung (22) in einer ersten Rotorendplatte (8) gebildet ist, wobei die Abzweigung mit einer Vielzahl an Kühlkanälen (23) strömungsmäßig mittels der ersten Rotorendplatte (8) verbunden ist, die den Rotor (1) durchsetzen und die in einem ersten Teilbereich (24) des Rotors (1) angeordnet sind, und wobei die Hohlwelle (2) im Bereich des zweiten Endes (5) eine zweite Bohrung (25) aufweist, die mit einer korrespondierenden Öffnung (22) in einer zweiten Rotorendplatte (9) einen Strömungskanal ausbildet, wobei der Strömungskanal mit einer Vielzahl an Kühlkanälen (23) mittels der zweiten Rotorendplatte (9) strömungsmäßig verbunden ist, die den Rotor (1) durchsetzen und die in einem zweiten Teilbereich (26) des Rotors (1) angeordnet sind, so dass die Kühlkanäle (23) im ersten Teilbereich (24) in entgegengesetzter Richtung zu den Kühlkanälen (23) im zweiten Teilbereich (26) durchströmbar sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Rotoranordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und einen Permanentmagnet-Synchronmotor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 9.
Permanentmagnet-Synchronmotoren (PMSM) umfassen einen Rotor, der mit einer Motorwelle verbunden ist und in einem Gehäuse drehbar gelagert ist. Der Rotor ist mit Permanentmagneten versehen. Um den Motor herum ist ein Stator angeordnet, der auf einem Eisenkern eine Anzahl von Wicklungen trägt. Bei geeigneter Ansteuerung erzeugen die Wicklungen ein Magnetfeld, das den Rotor zur Rotation antreibt.
Elektromotoren mit hoher spezifischer Leistung sind durch ihre Eigenerwärmung in der Leistungsabgabe begrenzt. Es ist daher bekannt, den Rotor mittels flüssiger Kühlmittel zu kühlen. Das Kühlmittel wird über eine als Hohlwelle konzipierte Motorwelle in den Elektromotor geleitet. Über Öffnungen in der Motorwelle im Inneren des Motors wird das Kühlmittel entweder direkt oder über entsprechend positionierte und ausgeführte Rotorendplatten in den Motor gespritzt. Typischerweise befinden sich die Kühlmittelöffnungen nahe den Stirnseiten des Rotors. Bei diesem Prinzip wird die erzeugte Verlustleistung primär an den Stirnseiten von Rotor und Stator, sowie an den Wicklungsenden abgeführt. Das erwärmte Kühlmittel fließt anschließend über Öffnungen im Gehäuse zurück in den Kühlkreislauf. Der grundlegende Nachteil dieses Prinzips ist eine relativ schlechte Wärmeübertragung, insbesondere aus dem mittleren Bereich von Rotor, Stator und Wicklungen. Die dadurch entstehenden warmen Stellen im Rotor erfordern den Einsatz von teuren Hochtemperaturmagneten oder alternativ die Reduzierung der Leistungsdichte des Antriebs (Erhöhung Bauraumbedarf).
Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Rotoranordnung und einen Permanentmagnet-Synchronmotoren anzugeben, die eine effiziente Kühlung im mittleren Bereich des Rotors aufweisen.
Diese Aufgabe wird von einer Rotoranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und einem Permanentmagnet-Synchronmotor mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Demnach ist eine Rotoranordnung aufweisend eine Motorwelle, einen Rotor und zwei Rotorendplatten, die jeweils eine Stirnseite des Rotors zumindest teilweise abdecken, vorgesehen, wobei die Motorwelle von dem Rotor umgeben ist, und wobei die Motorwelle als Hohlwelle mit einem offenen Ende und einem zweiten Ende ausgebildet ist, wobei das offene Ende einen Zufluss für ein Kühlmedium und die Hohlwelle einen Hauptkanal zum Durchfluss des Kühlmediums bildet. Das Kühlmedium ist bevorzugt eine Flüssigkeit, insbesondere Öl. Der Hauptkanal weist eine Abzweigung auf, die von einer ersten Bohrung in der Hohlwelle im Bereich des offenen Endes und einer korrespondierenden ersten Öffnung in einer ersten Rotorendplatte gebildet ist, wobei die Abzweigung mit einer Vielzahl an Kühlkanälen strömungsmäßig mittels der ersten Rotorendplatte verbunden ist. Die Kühlkanäle durchsetzen den Rotor und sind in einem ersten Teilbereich des Rotors angeordnet. Die Hohlwelle weist im Bereich des zweiten Endes eine zweite Bohrung auf, die mit einer korrespondierenden zweiten Öffnung in einer zweiten Rotorendplatte einen Strömungskanal ausbildet, wobei der Strömungskanal mit einer Vielzahl an Kühlkanälen mittels der zweiten Rotorendplatte strömungsmäßig verbunden ist. Diese Kühlkanäle durchsetzen ebenfalls den Rotor und sind in einem zweiten Teilbereich des Rotors angeordnet, so dass die Kühlkanäle im ersten Teilbereich in entgegengesetzter Richtung zu den Kühlkanälen im zweiten Teilbereich durchströmbar sind.
Diese Rotoranordnung erlaubt es, dass ein Hauptstrom des Kühlmediums abgezweigt wird und zwei Teilbereiche des Rotors in entgegengesetzter Richtung durchströmt werden. Dadurch ergibt sich eine gleichmäßige Kühlung der Anordnung. Das zweite Ende ist bevorzugt ein geschlossenes Ende. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass das zweite Ende ein offenes Ende ist und der durch die gesamte Hohlwelle fließende Strom des Kühlmediums in einem anderen Bereich gesammelt wird.
Vorzugsweise bildet jeweils eine Längshälfte des Rotors einen der zwei Teilbereiche.
Die Kühlkanäle erstrecken sich bevorzugt parallel zur Längsachse und durchsetzen vorzugsweise den Rotor von einer Stirnseite zur anderen Stirnseite, über die gesamte Länge.
In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die erste und zweite Rotorendplatte gleich. Ihre Einbaulage ist in der Rotoranordnung um 180° um die Längsachse und um 180° um die Querachse zueinander gedreht.
Vorzugsweise ist eine jede Rotorendplatte eine ringförmige Platte mit einer zentralen Öffnung, die im eingebauten Zustand von der Motorwelle durchsetzt wird, wobei auf einer Oberfläche, in Einbaulage zur Stirnseite des Rotors hinzeigend, Erhebungen angeordnet sind, die im montierten Zustand zwei voneinander getrennte Strömungsbereiche ausbilden, die jeweils eine radiale Öffnung haben, wobei eine der Öffnungen die strömungsmäßige Verbindung zum Hauptkanal und die andere Öffnung einen Abfluss aus der Rotoranordnung bildet.
Dabei ist es vorteilhaft, wenn die getrennten Strömungsbereiche in entgegengesetzten Strömungsrichtungen durchströmbar sind.
Vorzugsweise sind die beiden Strömungsbereiche durch zwei konzentrische und kreisringförmige Erhebung gebildet, die durch zwei sich in Umfangsrichtung gegenüberliegende und in Radialrichtung erstreckende Erhebungen voneinander getrennt sind.
Es ist bevorzugt vorgesehen, dass die Strömungsbereiche gleich groß sind.
Weiterhin ist ein Permanentmagnet-Synchronmotor mit einer zuvor beschriebenen Rotoranordnung vorgesehen, wobei der Rotor Permanentmagnete umfasst und die Kühlkanäle dicht an den Permanentmagneten vorbeilaufen. Die entsprechenden Kanäle sind vorzugsweise nahe der eingesetzten Permanentmagnete positioniert, ohne aber den magnetischen Fluss negativ zu beeinflussen.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile sind dabei in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen. Es zeigen:

1: eine schematische Darstellung eines Längsschnitts durch eine Rotoranordnung,
2: eine räumliche Darstellung des Rotors, sowie
3: eine räumliche Darstellung zweier Rotorendplatten der Rotoranordnung.

In 1 ist ein Rotor 1 eines Innenläufer-PMSM dargestellt. Der Rotor 1 umgibt eine Motorwelle 2 und ist an dieser drehfest befestigt. Die Rotoranordnung 3 aus Rotor 1 und Motorwelle 2 ist koaxial aufgebaut. Die Innenseite des Rotors 1 liegt in Anlage mit der Außenseite der Motorwelle 2. Die Motorwelle 2 ist als Hohlwelle mit einem offenen Ende 4 und einem geschlossenen Ende 5 ausgebildet. Sie weist ein kreiszylindrisches Innen- und Außenprofil auf. Die Stirnseiten des Rotors 6,7 sind jeweils von einer Rotorendplatte 8,9 abgedeckt, die ebenfalls Teil der Rotoranordnung 3 ist. Die Rotoranordnung 3 weist Kühlkanäle 10 auf, durch die entlang der Pfeile ein flüssiges Kühlmedium, insbesondere Öl, zum Abtransport von Wärme fließt.
Zur effektiven Kühlung des Rotors 1 wird ein Hauptstrom des Kühlmediums abgezweigt. Der Hauptstrom fließt durch die Hohlwelle 2 entlang der Längsachse 100 der Rotoranordnung 3. Die Motorwelle 2 weist eine erste radiale Bohrung 11 auf, die die Wandung der Motorwelle 2 durchsetzt und in einem Bereich des offenen Endes 4 der Motorwelle, auf Höhe einer ersten Rotorendplatte 8 angeordnet ist. Das Kühlmedium fließt somit in das offene Ende 4 der Motorwelle und wird dann abgezweigt. Der Hauptstrom fließt weiter durch die Motorwelle entlang der Längsachse und der abgezweigte Strom fließt in Radialrichtung zur Längsachse der Motorwelle durch die erste radiale Bohrung 11 in die erste Rotorendplatte 8 und wird von dort ausgehend in eine erste Hälfte 12 des Rotors 1 geleitet. Wie in 3 dargestellt, weist die erste Rotorendplatte 8 eine ringförmige Platte 13 mit einer zentralen Öffnung 14 auf, die im eingebauten Zustand von der Motorwelle durchsetzt wird. Die erste Rotorendplatte 8 weist auf einer Oberfläche, in Einbaulage zur Stirnseite des Rotors hinzeigend, eine erste umfangseitige, kreisringförmige Erhebung 15 auf, die an die Innenseite der ringförmigen Platte 13 ansetzt und somit die Öffnung 14 teilweise mit ausbildet. Eine zweite umfangseitige, kreisringförmige Erhebung 16 ist auf der gleichen Oberfläche an der Außenseite sitzend vorgesehen. Diese zweite Erhebung 16 begrenzt die Platte 13 in Radialrichtung nach außen. Beide Erhebungen 15,16 erstrecken sich senkrecht zur Oberfläche der Platte 13. Die beiden konzentrisch zueinander ausgebildeten Erhebungen 15,16 bilden einen ringförmigen Bereich 17 aus, der zur Leitung des Kühlmediums dient. Dieser Bereich 17 ist in zwei Strömungsbereiche 18,19 unterteilt. Dazu sind in Umfangsrichtung gegenüberliegend zwei sich in Radialrichtung erstreckende Erhebungen 20,21 vorgesehen, die einen Fluss des Kühlmediums von einem Strömungsbereich 18 in den anderen Strömungsbereich 19 und vice versa verhindern. Die Strömungsbereiche 18,19 sind gleich groß. In der Mitte eines ersten Strömungsbereichs 18 ist in der ersten Erhebung 15 eine Öffnung 22 vorgesehen, die einen Durchfluss des Kühlmediums von der Motorwelle 2 in den ersten Strömungsbereich 18 ermöglicht. Dazu liegt im montierten Zustand die Öffnung 22 der ersten Erhebung 15 der ersten Rotorendplatte 8 deckungsgleich zu der ersten radialen Bohrung 11 der Motorwelle 2, wie in 1 veranschaulicht. Ein Teil des Kühlmediumstroms fließt somit durch die erste radiale Bohrung 11 in den ersten Strömungsbereich 18 der ersten Rotorendplatte 8 und von da aus durch an den ersten Strömungsbereich 18 angeschlossene Kühlkanäle 23 des Rotors 1. 2 zeigt den Rotor 1 mit Motorwelle 2 in einer räumlichen Ansicht. Die Kühlkanäle 23 des Rotors 1 verlaufen dicht an den nicht dargestellten Magneten vorbei. Bevorzugt erstrecken sich die Kühlkanale 23 parallel zur Längsachse 100. Vorzugsweise sind eine Vielzahl an kleinen Kühlkanälen vorgesehen. Wie aus 1 ersichtlich, wird nur eine erste Hälfte 24 des Rotors 1 mit Kühlmedium in Richtung des Hauptstroms durchflossen. Der Rest des Kühlmediumstroms durchströmt die Hohlwelle 2 bis zu einer zweiten radialen Bohrung 25, die im Bereich des geschlossenen Endes 5 der Motorwelle 2, auf Höhe einer zweiten Rotorendplatte 9 angeordnet ist. Die zweite radiale Bohrung 25 liegt der ersten radialen Bohrung 11 in Umfangsrichtung gegenüber. Die zweite radiale Bohrung 25 stellt eine Verbindung zwischen dem Inneren der Hohlwelle 2 und der zweiten Rotorendplatte 9 her. Wie in 3 dargestellt, ist die zweite Rotorwendplatte 9 genauso aufgebaut wie die erste Rotorendplatte 8. Die Einbaulage ist jedoch eine andere. Die Öffnung 22 in der ersten Erhebung 15 der zweiten Rotorendplatte 9 liegt im eingebauten Zustand in Umfangsrichtung gegenüber der Öffnung 22 der ersten Erhebung 15 der ersten Rotorendplatte 8. Die Öffnung 22 in der ersten Erhebung 15 der zweiten Rotorendplatte 9 schließt somit, wie in 1 dargestellt, an die zweite radiale Bohrung 25 an, so dass das Kühlmittel in einen ersten Strömungsbereich 18 der zweiten Rotorendplatte 9 fließen kann. Der erste Strömungsbereich 18 der zweiten Rotorendplatte 9 liegt somit mit Bezug zur Längsachse 100 gegenüber dem ersten Strömungsbereich 18 der ersten Rotorendplatte 8. Vom ersten Strömungsbereich 18 der zweiten Rotorendplatte 9 aus fließt das Kühlmedium durch an diesen Bereich angeschlossene Kühlkanäle 23 des Rotors 1. Diese Kühlkanäle 23 des Rotor 1 verlaufen ebenfalls dicht an den Magneten vorbei. Bevorzugt erstrecken sich die Kühlkanale 23 parallel zur Längsachse. Vorzugsweise sind eine Vielzahl an kleinen Kühlkanälen 23 vorgesehen. Es wird somit die zweite Hälfte 26 des Rotors 1 mit Kühlmedium in entgegengesetzter Richtung zum Hauptstrom durchflossen, siehe 1. Für beide Hälften 24,26 gilt, dass das Kühlmedium nach dem Austritt aus dem Rotor 1 in den jeweiligen zweiten Strömungsbereich 19 der entsprechenden Rotorendplatte 8,9 fließt. Zum Abfluss des Kühlmediums aus der entsprechenden Rotorendplatte 8,9 weist diese im jeweiligen zweiten Strömungsbereich 19 in der zweiten Erhebung 16 eine Öffnung 27 auf. Durch diese beiden diametral angeordneten Öffnungen 27 strömt das Kühlmedium aus der Rotoranordnung in den Motorraum. Dadurch kühlt das Kühlmedium auch den Stator und den gesamten Motorraum bevor es durch eine Öffnung in die Rotoranordnung zurückgeführt wird.
Die erfindungsgemäße Rotoranordnung erlaubt es, dass das Kühlmedium innerhalb des Motors verteilt wird, um Wärme von den Stirnseiten des Stators und den Wicklungsenden abzuführen. Durch die Kühlmittelströmung im Inneren des Rotors erhöht sich die Wärmeübertragung insbesondere in der Mitte der Baugruppe. Ein Ausbilden von warmen Bereichen kann verhindert werden. Zudem wird die mittlere Temperatur der Magnete reduziert.

Claims

Rotoranordnung (3) aufweisend eine Motorwelle (2), einen Rotor (1) und zwei Rotorendplatten (8,9), die jeweils eine Stirnseite des Rotors (1) zumindest teilweise abdecken, wobei die Motorwelle (2) von dem Rotor (1) umgeben ist und die Motorwelle (2) als Hohlwelle mit einem offenen Ende (4) und einem zweiten Ende (5) ausgebildet ist, wobei das offene Ende (4) einen Zufluss für ein Kühlmedium und die Hohlwelle einen Hauptkanal zum Durchfluss des Kühlmediums bildet, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptkanal eine Abzweigung aufweist, die von einer ersten Bohrung (11) in der Hohlwelle (2) im Bereich des offenen Endes (4) und einer korrespondierenden Öffnung (22) in einer ersten Rotorendplatte (8) gebildet ist, wobei die Abzweigung mit einer Vielzahl an Kühlkanälen (23) strömungsmäßig mittels der ersten Rotorendplatte (8) verbunden ist, die den Rotor (1) durchsetzen und die in einem ersten Teilbereich (24) des Rotors (1) angeordnet sind, und wobei die Hohlwelle (2) im Bereich des zweiten Endes (5) eine zweite Bohrung (25) aufweist, die mit einer korrespondierenden Öffnung (22) in einer zweiten Rotorendplatte (9) einen Strömungskanal ausbildet, wobei der Strömungskanal mit einer Vielzahl an Kühlkanälen (23) mittels der zweiten Rotorendplatte (9) strömungsmäßig verbunden ist, die den Rotor (1) durchsetzen und die in einem zweiten Teilbereich (26) des Rotors (1) angeordnet sind, so dass die Kühlkanäle (23) im ersten Teilbereich (24) in entgegengesetzter Richtung zu den Kühlkanälen (23) im zweiten Teilbereich (26) durchströmbar sind.
Rotoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine Längshälfte des Rotors (1) einen der zwei Teilbereiche (24,26) bildet.
Rotoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (23) sich parallel zur Längsachse (100) erstrecken.
Rotoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Rotorendplatte (8,9) gleich sind und ihre Einbaulage in der Rotoranordnung um 180° um die Längsachse (100) und um 180° um die Querachse zueinander gedreht ist.
Rotoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine jede Rotorendplatte (8,9) eine ringförmige Platte (13) mit einer zentralen Öffnung (14) ist, die im eingebauten Zustand von der Motorwelle (2) durchsetzt wird, wobei auf einer Oberfläche, in Einbaulage zur Stirnseite des Rotors (2) hinzeigend, Erhebungen (15,16) angeordnet sind, die im montierten Zustand zwei voneinander getrennte Strömungsbereiche (18,19) ausbilden, die jeweils eine radiale Öffnung (22,27) haben, wobei eine der Öffnungen (22) die strömungsmäßige Verbindung zum Hauptkanal und die andere Öffnung (27) einen Abfluss des Kühlmediums aus der Rotoranordnung (3) bildet.
Rotoranordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die getrennten Strömungsbereiche (18,19) in entgegengesetzten Strömungsrichtungen durchströmbar sind.
Rotoranordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Strömungsbereiche (18,19) durch zwei konzentrische und kreisringförmige Erhebung (15,16) gebildet sind, die durch zwei sich in Umfangsrichtung gegenüberliegende und in Radialrichtung erstreckende Erhebungen (20,21) voneinander getrennt sind.
Rotoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungsbereiche (18,19) gleich groß sind.
Permanentmagnet-Synchronmotor mit einer Rotoranordnung (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Rotor (1) Permanentmagnete umfasst und die Kühlkanäle (23) dicht an den Permanentmagneten vorbeilaufen.