DE102021119197A1

DE102021119197A1 - Electric machine with improved liquid cooling

Info

Publication number: DE102021119197A1
Application number: DE102021119197.1A
Authority: DE
Inventors: Jonas Hens
Original assignee: SEG Automotive Germany GmbH
Current assignee: SEG Automotive Germany GmbH
Priority date: 2021-07-23
Filing date: 2021-07-23
Publication date: 2023-01-26

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, umfassend einen Stator (10) und einen in dem Stator (10) um eine Rotorachse (28) laufenden Rotor (20), wobei der Rotor Aussparungen aufweist, welche in einem Abstand von der Rotorachse (28) mindestens einen durchgängigen Kanal (30, 430, 530) jeweils von einer ersten Öffnung (34, 434, 534) in einer ersten axialen Stirnfläche (24) des Rotors bis zu einer zweiten Öffnung (36, 436, 536) in einer zweiten axialen Stirnfläche (26) des Rotors (20) bilden, und mindestens eine auf die erste axiale Stirnfläche (24) gerichtete Düse (40, 440, 540) zum Erzeugen eines Kühlmittelstrahls (50), wobei die mindestens eine Düse (40, 440, 540) so ausgebildet ist, dass zumindest ein Teil des aus der Düse (40, 440, 540) austretenden Kühlmittelstrahls auf der ersten axialen Stirnfläche in einem Bereich zwischen einer ersten Kreisbahn, deren Radius dem Abstand eines radial inneren Rands der ersten Öffnung zur Rotorachse entspricht, und einer zweiten Kreisbahn, deren Radius dem Abstand eines radial äußeren Rands der ersten Öffnung zur Rotorachse entspricht, auftrifft.The invention relates to an electrical machine, comprising a stator (10) and a rotor (20) running in the stator (10) about a rotor axis (28), the rotor having recesses which are at a distance from the rotor axis (28) at least a continuous channel (30, 430, 530) each from a first opening (34, 434, 534) in a first axial face (24) of the rotor to a second opening (36, 436, 536) in a second axial face ( 26) of the rotor (20), and at least one nozzle (40, 440, 540) directed towards the first axial end face (24) for generating a coolant jet (50), the at least one nozzle (40, 440, 540) being so is designed such that at least part of the coolant jet exiting the nozzle (40, 440, 540) is on the first axial end face in a region between a first circular path, the radius of which corresponds to the distance between a radially inner edge of the first opening and the rotor axis, and a second orbit, i whose radius corresponds to the distance between a radially outer edge of the first opening and the rotor axis.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit direkter Flüssigkühlung.The present invention relates to an electric machine with direct liquid cooling.

Hintergrund der ErfindungBackground of the Invention

Elektrische Maschinen mit großer Leistungsdichte sind im Betrieb einer hohen thermischen Belastung ausgesetzt. Dabei sollten jedoch bestimmte Temperaturen nicht überschritten werden. Permanentmagnete, die z.B. zur Erzeugung des magnetischen Rotorfelds in einer elektrischen Maschine verwendet werden können, weisen beispielsweise eine maximale Einsatztemperatur auf, bei deren Überschreitung die Magnetisierung verloren geht. Ebenso sind insbesondere die Wickelköpfe des Stators thermisch hoch beansprucht und sollten eine Maximaltemperatur nicht überschreiten.Electrical machines with a high power density are exposed to high thermal loads during operation. However, certain temperatures should not be exceeded. Permanent magnets, which can be used, for example, to generate the magnetic rotor field in an electrical machine, have a maximum operating temperature which, if exceeded, causes the magnetization to be lost. Likewise, the winding overhangs of the stator in particular are subject to high thermal loads and should not exceed a maximum temperature.

Daher können verschiedene Methoden zur Kühlung der Bauteile angewendet werden. Beispielsweise kann das Gehäuse der elektrischen Maschine luftdurchströmt und/oder mit einem Kühlmantel versehen sein, so dass Wärme vom Stator über das metallische Gehäuse an Kühlwasser, das in dem Kühlmantel zirkuliert, abgeleitet wird. Der Rotor einer elektrischen Maschine kann aber lediglich über die Wälzlager und über die ihn umgebende Luft Wärme an die Umgebung übertragen. Ebenso ist der Wärmepfad zwischen den Wickelköpfen im Stator und einem etwaigen Kühlmantel vergleichsweise lang und bedarf eines hohen Temperaturgradienten zwischen Wärmequelle und Wärmesenke.Therefore, different methods can be used to cool the components. For example, air can flow through the housing of the electrical machine and/or it can be provided with a cooling jacket, so that heat is dissipated from the stator via the metallic housing to cooling water that circulates in the cooling jacket. However, the rotor of an electrical machine can only transfer heat to the environment via the roller bearings and the air surrounding it. Likewise, the heat path between the end windings in the stator and any cooling jacket is comparatively long and requires a high temperature gradient between the heat source and the heat sink.

Es besteht daher weiter Bedarf an einer effektiveren Kühlung für eine elektrische Maschine.There is therefore still a need for more effective cooling for an electric machine.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of Invention

Erfindungsgemäß wird eine elektrische Maschine mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung. According to the invention, an electrical machine with the features of the independent patent claims is proposed. Advantageous configurations are the subject of the dependent claims and the following description.

Gegenstand der Erfindung ist eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem in dem Stator um eine Rotorachse rotierenden Rotor, wobei der Rotor Aussparungen aufweist, welche in einem Abstand von der Rotorachse mindestens einen durchgängigen Kanal jeweils von einer ersten Öffnung in einer ersten axialen Stirnfläche des Rotors bis zu einer zweiten Öffnung in einer zweiten axialen Stirnfläche des Rotors bilden. Auf die erste axiale Stirnfläche ist mindestens eine Düse zum Erzeugen eines Kühlmittelstrahls aus einem flüssigen Kühlmittel gerichtet. Dabei ist diese mindestens eine Düse so ausgebildet, dass zumindest ein Teil des aus der Düse austretenden Kühlmittelstrahls auf der ersten axialen Stirnfläche in einem Bereich zwischen einer ersten Kreisbahn, deren Radius dem Abstand eines radial inneren Rands der ersten Öffnung zur Rotorachse entspricht, und einer zweiten Kreisbahn, deren Radius dem Abstand eines radial äußeren Rands der ersten Öffnung zur Rotorachse entspricht, auftrifft.The subject matter of the invention is an electrical machine with a stator and a rotor rotating in the stator about a rotor axis, the rotor having cutouts which, at a distance from the rotor axis, form at least one continuous channel from a first opening in a first axial end face of the rotor up to a second opening in a second axial face of the rotor. At least one nozzle for generating a coolant jet from a liquid coolant is directed onto the first axial end face. This at least one nozzle is designed in such a way that at least part of the coolant jet exiting the nozzle is directed onto the first axial end face in a region between a first circular path, the radius of which corresponds to the distance between a radially inner edge of the first opening and the rotor axis, and a second Circular path, the radius of which corresponds to the distance between a radially outer edge of the first opening and the rotor axis, impinges.

Ein so ausgerichteter Kühlmittelstrahl trifft also zumindest teilweise in die Öffnung eines Kühlmittelkanals hinein und kann dabei sowohl eine Kühlung der Stirnfläche des Rotors als auch eine Innenkühlung des Rotors erreichen. Insbesondere kann so Wärme über das Kühlmittel im Kanal direkt von den üblicherweise unmittelbar darüber angeordneten Permanentmagneten effizient abgeleitet werden.A jet of coolant aligned in this way therefore hits at least partially the opening of a coolant channel and can thereby achieve both cooling of the end face of the rotor and internal cooling of the rotor. In particular, heat can be efficiently dissipated via the coolant in the channel directly from the permanent magnets usually arranged directly above.

Bevorzugt ist dabei die mindestens eine Düse so ausgebildet, dass der Kühlmittelstrahl eine Geschwindigkeit erreicht, mittels der das in die erste Öffnung eingespritzte Kühlmittel durch den Kühlmittelkanal hindurch und durch die zweite Öffnung auf die zweite axiale Stirnfläche transportiert wird. Somit können mit einer einseitigen Düse und einer einfachen Konstruktion sowohl die Rotorflächen als auch das Innere des Rotors gekühlt werden. Bei drehendem Rotor wird außerdem das flüssige Kühlmittel nach außen geschleudert und trifft somit auf den Stator, also z.B. die Wickelköpfe, die damit ebenfalls durch direkten Kontakt mit dem Kühlmittel gekühlt werden können.The at least one nozzle is preferably designed such that the coolant jet reaches a speed by means of which the coolant injected into the first opening is transported through the coolant channel and through the second opening onto the second axial end face. Thus, with a one-sided nozzle and a simple construction, both the rotor surfaces and the interior of the rotor can be cooled. When the rotor is turning, the liquid coolant is also thrown outwards and thus hits the stator, e.g. the end windings, which can also be cooled through direct contact with the coolant.

Die Kanäle können speziell für das Kühlmittel vorgesehen sein oder beispielsweise einem üblichen Leichtbau-Design eines Rotors entsprechen. Dabei kann in einer möglichen Ausführungsform mindestens ein Kanal im Wesentlichen parallel zur Rotorachse verlaufen. Damit kann das Kühlmittel mit ausreichendem Druck von einer Seite zur zweiten Rotorseite übertreten und beide Rotor- und Statorseiten kühlen. Ebenso ist es denkbar, dass das Rotor-Lamellenpaket eine Schrägung aufweist, d.h. benachbarte Lamellen sind zueinander leicht verdreht. Kühlkanäle, die durch vorhandene Lamellenöffnungen gebildet werden, verlaufen dann nicht parallel zur Rotorachse, sondern spiral- bzw. helixförmig. Bei geeigneter Einstellung von Strahl- und Schrägungswinkel zueinander kann das Kühlmittel auch einen geschrägten Rotor axial durchdringen.The channels can be provided specifically for the coolant or, for example, correspond to a conventional lightweight design of a rotor. In one possible embodiment, at least one channel can run essentially parallel to the rotor axis. This allows the coolant to pass from one side to the second rotor side with sufficient pressure and cool both rotor and stator sides. It is also conceivable that the rotor laminations have a slant, i.e. adjacent laminations are slightly twisted in relation to one another. Cooling channels, which are formed by existing fin openings, then do not run parallel to the rotor axis, but in a spiral or helix shape. If the jet angle and helix angle are set appropriately to one another, the coolant can also penetrate axially through a canted rotor.

Es kann aber auch ein Kanal so ausgebildet sein, dass ein radial äußerer Rand des durchgängigen Kanals schräg zur Rotorachse verläuft, und ein radial innerer Rand des durchgängigen Kanals parallel zur Rotorachse verläuft, so dass eine im Längsschnitt konische Kanalform entsteht. Alternativ kann ein Kanal schräg zur Rotorachse verlaufen, wobei der Abstand der ersten Öffnung von der Rotorachse geringer ist als der Abstand der zweiten Öffnung von der Rotorachse. Die teilweise oder vollständig schräg ausgebildeten Kanalwände unterstützen dabei den Transport des Kühlmittels auf die zweite Seite des Rotors, da das Kühlmittel bei rotierendem Rotor mit durch die Zentrifugalkraft beschleunigt wird. Durch die schräge Anordnung wird ein Teil des nach außen gerichteten Beschleunigungsvektors genutzt. Dieser variable Radius lässt sich kontinuierlich durch einen schrägen Kanal, oder durch diskrete Radiusänderungen verschiedener Rotorsegmente (Stufen) erreichen.However, a channel can also be designed such that a radially outer edge of the continuous channel runs obliquely to the rotor axis and a radially inner edge of the continuous channel runs parallel to the rotor axis, resulting in a conical channel shape in longitudinal section. Alternatively, a channel can run obliquely to the rotor axis, the distance between the first opening and the rotor axis being less than the distance between the second opening and the rotor axis. The partial or complete The sloping channel walls support the transport of the coolant to the second side of the rotor, since the coolant is accelerated by the centrifugal force when the rotor is rotating. Due to the inclined arrangement, part of the outward acceleration vector is used. This variable radius can be achieved continuously by a sloping canal, or by discrete radius changes of different rotor segments (stages).

Es ist auch möglich, dass mehrere unterschiedliche Kanäle nach den hier genannten Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, dass also in einem Rotor beispielsweise mindestens ein schräger und ein parallel verlaufender Kanal vorhanden sind, oder dass abwechselnd konische und schräg verlaufende Kanäle vorgesehen sind.It is also possible for several different channels to be combined with one another according to the embodiments mentioned here, ie for example at least one oblique and one parallel channel to be present in a rotor, or for alternating conical and oblique channels to be provided.

Dabei kann in verschiedenen dieser Ausführungsformen mindestens eine Düse parallel zur Rotorachse ausgerichtet werden. Diese Ausrichtung bietet sich insbesondere an, wenn zumindest eine der Kanalwände ebenfalls parallel zur Rotorachse verläuft. Ebenso kann die Düse so angestellt werden, dass - im Bezugssystem des Rotors gesehen - dem Kühlmittel bereits eine Umfangsgeschwindigkeitskomponente aufgeprägt wird und der Aufprall des Flüssigkeitsstrahls im Rotorkanal eine schwächere Rückwirkung hat. Gleiches kann durch einen helixförmigen Kanal im Rotor erreicht oder noch verstärkt werden. Die Relativgeschwindigkeit zwischen Flüssigkeit und Kanalwandung kann damit eingestellt werden.In various of these embodiments, at least one nozzle can be aligned parallel to the rotor axis. This orientation is particularly useful if at least one of the channel walls also runs parallel to the rotor axis. The nozzle can also be adjusted in such a way that - as seen in the reference system of the rotor - the coolant is already subjected to a circumferential velocity component and the impact of the liquid jet in the rotor channel has a weaker reaction. The same can be achieved or enhanced by a helical channel in the rotor. The relative speed between the liquid and the channel wall can thus be adjusted.

Alternativ oder, bei mehreren Düsen, auch zusätzlich kann mindestens eine Düse schräg zur Rotorachse ausgerichtet sein. Falls auch eine der Kanalwände schräg verläuft, kann auf diese Weise ein möglichst ungehindertes Durchtreten des Kühlmittelstrahls durch den Kanal erreicht werden. Bevorzugt ist dabei die Ausrichtung der Düse bzw. des Kühlmittelstrahls zur Rotorachse im Wesentlichen parallel zu der Ausrichtung des Kanals bzw. der Kanalwand gegenüber der Rotorachse.Alternatively or, in the case of several nozzles, also in addition, at least one nozzle can be aligned at an angle to the rotor axis. If one of the channel walls also runs obliquely, it is possible in this way for the coolant jet to pass through the channel as unhindered as possible. The orientation of the nozzle or the coolant jet relative to the rotor axis is preferably essentially parallel to the orientation of the channel or the channel wall relative to the rotor axis.

Die Düse kann in allen Ausführungsformen beispielsweise so ausgerichtet sein, dass der Kühlmittelstrahl vollständig zwischen dem Abstand des inneren Rands der ersten Öffnung zur Rotorachse und dem Abstand des äußeren Rands der ersten Öffnung zur Rotorachse liegt. Dies bedeutet, dass der Kühlmittelstrahl vollständig in die Öffnung trifft, wenn die Öffnung während der Rotation des Rotors mit der Düsenlage übereinstimmt, und dass der Kühlmittelstrahl die Oberfläche zwischen den Öffnungen (bzw. außerhalb der Öffnung) trifft, wenn sich der Rotor weiterdreht. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass Kühlmittel sowohl auf der düsenseitigen Rotorfläche verteilt wird, als auch durch den Rotor hindurch auf die zweite Rotorfläche transportiert wird.In all embodiments, the nozzle can, for example, be aligned such that the coolant jet lies completely between the distance between the inner edge of the first opening and the rotor axis and the distance between the outer edge of the first opening and the rotor axis. This means that the coolant jet will hit fully into the orifice if the orifice coincides with the nozzle position during rotation of the rotor, and the coolant jet will hit the surface between the orifices (or outside the orifice) as the rotor continues to rotate. This ensures that coolant is distributed both on the nozzle-side rotor surface and is transported through the rotor to the second rotor surface.

In beispielhaften Ausführungsformen kann auch eine zweite auf die erste axiale Stirnfläche gerichtete Düse zum Erzeugen eines zweiten Kühlmittelstrahls vorhanden sein, wobei der zweite Kühlmittelstrahl immer, d.h. bei jedem Drehwinkel des Rotors, außerhalb der mindestens einen ersten Öffnung auf die Stirnfläche trifft. Die zweite Düse kann eine eigene Düse oder eine Öffnung einer zweigeteilten Düse sein. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass ein vorgegebener Strahlanteil bzw. ein erster Kühlmittelstrahl in die Kanäle im Rotor trifft, während ein zweiter Strahlanteil bzw. ein zweiter Kühlmittelstrahl nur die Oberfläche der ersten Stirnfläche trifft.In exemplary embodiments, there can also be a second nozzle directed towards the first axial end face for generating a second jet of coolant, the second jet of coolant always, i.e. at any angle of rotation of the rotor, impinging on the end face outside of the at least one first opening. The second nozzle can be a separate nozzle or an opening of a two-part nozzle. In this way it is ensured that a predetermined part of the jet or a first jet of coolant hits the channels in the rotor, while a second part of the jet or a second jet of coolant hits only the surface of the first end face.

In weiteren Ausführungsformen kann die Düse so ausgerichtet sein, dass der aus der Düse austretende Kühlmittelstrahl den radial äußeren Rand der ersten Öffnung trifft, so dass ein erster Teil des Kühlmittelstrahls in die erste Öffnung trifft und ein zweiter Teil des Kühlmittelstrahls auf die erste Stirnfläche des Rotors trifft. Auf diese Weise kann mit nur einem Kühlmittelstrahl, also nur einer einseitig angebrachten Düse, die gesamte elektrische Maschine auf beiden Maschinenseiten gekühlt werden.In other embodiments, the nozzle may be oriented such that the jet of coolant exiting the nozzle strikes the radially outer edge of the first opening, such that a first portion of the jet of coolant strikes the first opening and a second portion of the jet of coolant strikes the first face of the rotor meets. In this way, the entire electrical machine can be cooled on both sides of the machine with just one coolant jet, i.e. just one nozzle attached on one side.

Optional kann die elektrische Maschine mehrere auf die erste axiale Stirnfläche gerichtete Düsen zum Erzeugen mehrerer Kühlmittelstrahlen umfassen, die um den Rotorumfang herum angeordnet sind und jeweils einen Kühlmittelstrahl mit im wesentlichen gleichem Abstand zur Rotorachse erzeugen. Damit wird eine gleichmäßigere Kühlung von Rotor und Stator erreicht, insbesondere bei hohen Bauteiltemperaturen, bei denen das Kühlmittel schon nach dem Erreichen der oberen Wickelköpfe am Stator viel Wärme aufgenommen hat und daher beim Ablaufen über die unteren Wickelköpfe nur noch begrenzte Kühlleistung bieten kann.Optionally, the electric machine may include a plurality of coolant jet nozzles directed toward the first axial face, disposed about the rotor periphery and each producing a coolant jet substantially equidistant from the rotor axis. This achieves more even cooling of the rotor and stator, especially at high component temperatures, where the coolant has already absorbed a lot of heat after it has reached the upper end windings on the stator and can therefore only offer a limited cooling capacity when draining over the lower end windings.

Mit den beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung sind keine beidseitigen Düsen für Kühlmittel mehr erforderlich. Auch eine gesonderte Zuführung von Kühlmittel in die Rotorwelle oder andere Bohrungen im Rotor ist nicht nötig. Durch den direkten Kontakt des flüssigen Kühlmittels mit den Bauteilen kann sehr effizient mit kurzem Wärmepfad gekühlt werden.With the described embodiments of the invention, nozzles for coolant on both sides are no longer required. A separate supply of coolant to the rotor shaft or other holes in the rotor is also not necessary. The direct contact of the liquid coolant with the components allows very efficient cooling with a short heat path.

Für weitere Ausführungen und Vorteile sei insofern und zur Vermeidung von Wiederholungen auch auf obige Ausführungen verwiesen, die hier entsprechend gelten.For further explanations and advantages, and to avoid repetition, reference is also made to the above explanations, which apply here accordingly.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.Further advantages and refinements of the invention result from the description and the attached drawing.

Figurenlistecharacter list

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben, wobei

1 einen Längsschnitt durch eine schematisch dargestellte elektrische Maschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt;
2a bis 2e jeweils eine Stirnseite verschiedener beispielhafter Rotoren zeigen; und
3a und 3b Längsschnitte durch zwei beispielhafte Ausführungsformen mit schräg verlaufendem Kanal darstellen.

The invention is illustrated schematically in the drawing using exemplary embodiments and is described below with reference to the drawing, in which:

1 shows a longitudinal section through a schematically illustrated electrical machine according to an embodiment of the invention;
2a until 2e each show an end face of various exemplary rotors; and
3a and 3b Represent longitudinal sections through two exemplary embodiments with an inclined channel.

Ausführungsformen der ErfindungEmbodiments of the invention

1 zeigt die wesentlichen Teile einer beispielhaften elektrischen Maschine als Innenläufer gemäß einer möglichen Ausführungsform in einem Längsschnitt entlang der Rotorachse. 1 shows the essential parts of an exemplary electrical machine as an internal rotor according to a possible embodiment in a longitudinal section along the rotor axis.

Die elektrische Maschine 100 weist einen Stator 10 und einen Rotor 20 auf. Der Rotor 20 weist eine Rotorwelle 22 und einen auf dieser drehfest angebrachten Rotorkörper 23 auf. Der Rotorkörper 23 umfasst die elektromagnetisch wirkenden Komponenten des Rotors, wie etwa Permanentmagnete 21. Die Rotorwelle 22 ist über nicht im Einzelnen dargestellte Lager in einem Gehäuse 12 drehbar gelagert. Das Gehäuse 12 trägt an seiner Innenseite den Stator 10, der in an sich bekannter Weise einen Statorkern (Eisenkern, Lamellenpaket) mit einer Statorwicklung mit Wickelköpfen 11, die über den Statorkern hinausragen, aufweist. In den Wickelköpfen ist auch die Wärmeentwicklung größer, da die Wärme nicht unmittelbar abgeleitet werden kann. Es wäre aber ebenfalls möglich, den Stator 10 mit Permanentmagneten auszubilden. Soweit in der nachstehenden Beschreibung die Wickelköpfe eines Stators genannt sind, können die jeweiligen Ausführungsformen auch entsprechend auf einen Stator mit Permanentmagneten übertragen werden. Zwischen Stator 10 und Rotorkörper 23 ist ein Luftspalt ausgebildet.Electrical machine 100 has a stator 10 and a rotor 20 . The rotor 20 has a rotor shaft 22 and a rotor body 23 fixed in rotation thereon. The rotor body 23 includes the electromagnetically acting components of the rotor, such as permanent magnets 21. The rotor shaft 22 is rotatably mounted in a housing 12 via bearings that are not shown in detail. On its inside, the housing 12 carries the stator 10, which in a manner known per se has a stator core (iron core, laminated core) with a stator winding with end windings 11 that protrude beyond the stator core. The development of heat is also greater in the end windings, since the heat cannot be dissipated directly. However, it would also be possible to design the stator 10 with permanent magnets. Insofar as the winding overhangs of a stator are mentioned in the following description, the respective embodiments can also be transferred accordingly to a stator with permanent magnets. An air gap is formed between the stator 10 and the rotor body 23 .

Die elektrische Maschine kann ein ein- oder mehrteiliges Gehäuse 12 umfassen, welches den Rotorkörper 23 und den Stator 10 gegenüber der Umgebung der elektrischen Maschine 100 abschließt oder zumindest teilweise abschirmt. Das Gehäuse 12 kann so ausgebildet sein, dass es gegenüber der Umgebung fluid- bzw. flüssigkeitsdicht abschließt, oder es kann nur Teile der Maschine so abdecken, dass das eingebrachte Kühlmittel nicht in unerwünschte Bereiche gelangen kann, beispielsweise durch eine Spritzschutzabdeckung kombiniert mit einer Wanne im unteren Bereich der Maschine.The electrical machine can include a one-part or multi-part housing 12 which closes off the rotor body 23 and the stator 10 from the environment of the electrical machine 100 or at least partially shields them. The housing 12 can be designed in such a way that it seals against the environment in a fluid-tight or liquid-tight manner, or it can only cover parts of the machine in such a way that the coolant introduced cannot get into undesirable areas, for example by means of a splash guard combined with a trough in the lower part of the machine.

Dabei kann die Seite der elektrischen Maschine, die in der Figur links liegend ist und an der über die Rotorwelle üblicherweise eine Last angekuppelt wird, als Antriebsseite oder A-Seite bezeichnet werden, während das andere axiale Ende der elektrischen Maschine, an dem nichts angekuppelt wird, als B-Seite bezeichnet wird. Die Endflächen 24, 26 des Rotorkörpers werden im Folgenden auch als Stirnflächen des Rotors 20 bezeichnet.The side of the electrical machine that is on the left in the figure and to which a load is usually coupled via the rotor shaft can be referred to as the drive side or A-side, while the other axial end of the electrical machine, to which nothing is coupled , called the B-side. The end faces 24, 26 of the rotor body are also referred to below as end faces of the rotor 20.

Zur Kühlung der elektrischen Maschine, insbesondere der thermisch stark belasteten Komponenten wie den Wickelköpfen 11 des Stators und den Permanentmagneten 21 des Rotors, ist nun ein flüssiges Kühlmittel vorgesehen, das in direkten Kontakt mit zumindest einem Teil der Oberflächen von Rotor und Stator gebracht wird. Zu diesem Zweck kann auf einer Seite des Maschinengehäuses 12 mindestens eine Düse 40 vorgesehen sein, deren Düsenöffnung auf eine erste Stirnfläche 24 des Rotors 20 gerichtet wird. In den nachfolgenden Beispielen werden die Düse 40 und die zugehörigen weiteren Elemente auf der B-Seite (in der Figur rechts) dargestellt und beschrieben; grundsätzlich ist es aber auch möglich, die Düse auf der A-Seite anzuordnen.A liquid coolant is provided for cooling the electrical machine, in particular the thermally highly stressed components such as the end windings 11 of the stator and the permanent magnets 21 of the rotor, which is brought into direct contact with at least part of the surfaces of the rotor and stator. For this purpose, at least one nozzle 40 can be provided on one side of the machine housing 12, the nozzle opening of which is directed onto a first end face 24 of the rotor 20. In the following examples, the nozzle 40 and the associated further elements on the B side (on the right in the figure) are shown and described; in principle, however, it is also possible to arrange the nozzle on the A side.

Über diese Düse 40 kann flüssiges Kühlmittel zugeführt werden. Durch geeigneten Druck entsteht damit ein Kühlmittelstrahl 50, der unmittelbar als Freistrahl auf der Stirnfläche 24 des Rotors auftrifft, welche der Düse zugewandt ist. Damit kann zumindest ein Teil der Wärmeleistung des Rotors 20 und der im Rotor befindlichen Permanentmagnete 21 von dem Kühlmittel aufgenommen werden.Liquid coolant can be supplied via this nozzle 40 . With suitable pressure, a coolant jet 50 is thus created, which impinges directly as a free jet on the end face 24 of the rotor, which faces the nozzle. At least part of the heat output of the rotor 20 and of the permanent magnets 21 located in the rotor can thus be absorbed by the coolant.

Im Betrieb der elektrischen Maschine wird das auf der Stirnfläche 24 auftreffende flüssige Kühlmittel 52 sich aufgrund der Rotation des Rotors 20 in radialer Richtung nach außen und damit in Richtung der Wickelköpfe 11 des Stators ausbreiten. Das Kühlmittel 52 trifft somit unmittelbar auf die Innenseite der Wickelköpfe 11 des Stators bzw. kann die Wickelköpfe auch zumindest teilweise durchdringen und damit Wärmeenergie von den Wickelköpfen ableiten. Von dort kann das Kühlmittel nach unten ablaufen, wobei im Maschinengehäuse 12 an geeigneter Stelle Öffnungen 15 vorgesehen sein können, über welche das Kühlmittel ablaufen oder abgesaugt werden kann und anschließend beispielsweise über einen Wärmetauscher geleitet werden kann. Es versteht sich, dass dabei die Öffnungen bevorzugt so angeordnet sind, dass sie beim Betrieb der elektrischen Maschine im unteren Bereich liegen, z.B. am tiefsten Punkt des Maschinengehäuses 12, und damit das erwärmte Kühlmittel aufgrund der Schwerkraft dort abgeleitet werden kann.During operation of the electrical machine, the liquid coolant 52 impinging on the end face 24 will spread out in the radial direction due to the rotation of the rotor 20 and thus in the direction of the end windings 11 of the stator. The coolant 52 thus strikes directly the inside of the end windings 11 of the stator or can also at least partially penetrate the end windings and thus dissipate heat energy from the end windings. From there, the coolant can drain downwards, with openings 15 being provided at a suitable point in the machine housing 12, through which the coolant can drain or be sucked off and can then be routed, for example, via a heat exchanger. It goes without saying that the openings are preferably arranged in such a way that they are in the lower region during operation of the electrical machine, e.g. at the lowest point of the machine housing 12, and the heated coolant can thus be discharged there due to gravity.

Dabei ist die Ausbreitung des Kühlmittels beim Auftreffen auf die Rotor-Stirnfläche auch von der Strahlgeometrie und der Strömungsgeschwindigkeit des eingespritzten Kühlmittels abhängig. Bevorzugt kann die Strömungsgeschwindigkeit bzw. der Druck des eingespritzten Kühlmittels so groß gewählt werden, dass auch bei langsamer Rotation oder stillstehendem Rotor eine Ausbreitung über die Rotor-Stirnfläche hinweg und eine möglichst durchgehende Benetzung der Wickelköpfe durch das Kühlmittel möglich wird.The spread of the coolant when it hits the front face of the rotor also depends on the jet geometry and the flow rate of the injected coolant. Preferably, the flow rate or the pressure of the injected coolant can be chosen so large that, even with slow rotation or a stationary rotor, it can spread over the front face of the rotor and wet the end windings as continuously as possible with the coolant.

Zusätzlich zu der einseitigen Benetzung der ersten Rotor-Stirnfläche 24 und der benachbarten Wickelköpfe kann auch eine Innenkühlung des Rotors sowie eine Kühlung der zweiten Rotorfläche 26 und der angrenzenden Statorbereiche erreicht werden. Zu diesem Zweck kann in dem Rotor, bevorzugt im Rotorkörper 23 in der Nähe der Permanentmagnete 21, mindestens eine Aussparung bzw. ein Kanal 30 vorgesehen sein, der durchgehend von einer Stirnfläche 24 zur anderen 26 reicht. Derartige Kanäle 30 oder Aussparungen sind häufig bereits im Rotor vorhanden, um das Gewicht und den Materialbedarf zu senken, so dass auch von einem Rotor in Leichtbauweise gesprochen wird. Zur Kühlung können also sowohl bereits vorhandene Öffnungen und Kanäle als auch zusätzliche, speziell zu diesem Zweck in den Rotor eingebrachte Kanäle genutzt werden.In addition to the one-sided wetting of the first rotor face 24 and the adjacent end windings, internal cooling of the rotor and cooling of the second rotor face 26 and the adjacent stator areas can also be achieved. For this purpose, at least one recess or channel 30 can be provided in the rotor, preferably in the rotor body 23 in the vicinity of the permanent magnets 21, which extends continuously from one end face 24 to the other 26. Such channels 30 or recesses are often already present in the rotor in order to reduce the weight and the material requirements, so that one also speaks of a rotor of lightweight construction. Existing openings and ducts as well as additional ducts specially introduced into the rotor for this purpose can be used for cooling.

Die mindestens eine Düse 40, über welche das flüssige Kühlmittel auf den Rotor gespritzt wird, kann dann so ausgebildet und ausgerichtet werden, dass der auf die Stirnfläche 24 geleitete Kühlmittelstrahl 50 zumindest teilweise in den axial verlaufenden Kanal 30 des Rotoreisens hineinreicht, wie in der Figur durch den zweiten Teil 54 des Kühlmittelstrahls angedeutet ist. Das flüssige Kühlmittel wird also teilweise durch den Kanal 30 hindurch verlaufen.The at least one nozzle 40, via which the liquid coolant is sprayed onto the rotor, can then be designed and aligned in such a way that the coolant jet 50 directed onto the end face 24 reaches at least partially into the axially running channel 30 of the rotor iron, as shown in the figure is indicated by the second part 54 of the coolant jet. The liquid coolant will thus partially pass through the channel 30 therethrough.

Bevorzugt wird die Geschwindigkeit des Kühlmittelstrahls 50 so groß gewählt, dass der in den Kanal 30 eingespritzte Strahlteil 54 des Kühlmittelstrahls 50 bis auf die gegenüberliegende zweite Rotorseite (A-Seite) geführt werden kann. Dort wird das Kühlmittel, das bei rotierendem Rotor durch die Zentrifugalkraft nach außen beschleunigt wird, nun auch entlang der zweiten Stirnfläche 26 radial in Richtung der Wickelköpfe geschleudert, so dass auch diese zweite Stirnfläche 26 und die daran angrenzenden Bereiche der Wickelköpfe 11 gekühlt werden. Wie auf der ersten Seite 24 kann das Kühlmittel anschließend nach unten ablaufen und dort auf geeignete Weise über eine oder mehrere Öffnungen im Gehäuse abgeleitet werden. Bei der Durchleitung des Kühlmittels 54 durch den Kühlmittelkanal 30 im Rotor wird ein wesentlicher Teil der im Rotor erzeugten Wärme aufgenommen.The speed of the coolant jet 50 is preferably chosen so high that the jet part 54 of the coolant jet 50 injected into the channel 30 can be guided to the opposite, second rotor side (A-side). There, the coolant, which is accelerated outwards by the centrifugal force when the rotor is rotating, is now also thrown radially along the second end face 26 in the direction of the end windings, so that this second end face 26 and the adjacent areas of the end windings 11 are also cooled. As on the first side 24, the coolant can then drain downwards and be diverted there in a suitable manner via one or more openings in the housing. As the coolant 54 is conducted through the coolant channel 30 in the rotor, a substantial part of the heat generated in the rotor is absorbed.

Der Strahldurchmesser und seine Lage kann dabei so gewählt werden, dass die gewünschte Aufteilung der Kühlmittelmenge zwischen den beiden Stirnseiten erreicht wird. Je größer beispielsweise der Strahldurchmesser gewählt wird, desto unempfindlicher wird die Ausrichtung des Kühlmittelstrahls 50 gegen Abweichungen, z.B. Erschütterungen der elektrischen Maschine.The jet diameter and its position can be selected in such a way that the desired distribution of the coolant quantity between the two end faces is achieved. For example, the larger the jet diameter selected, the less sensitive the alignment of the coolant jet 50 becomes to deviations, e.g. vibrations of the electrical machine.

Es versteht sich, dass verschiedene Varianten dieser Ausführungsform möglich sind. Beispielsweise kann der Rotor mehrere um seinen Umfang verteilte Öffnungen und Kanäle aufweisen, so dass eine kontinuierliche Kühlung beider Maschinenseiten gewährleistet werden kann. Es können etwa im Rotor vier oder mehr symmetrisch angeordnete Kanäle vorgesehen sein, die jeweils um einen Winkel von 90° zueinander versetzt sind. Die Anzahl der Kanäle kann aber auch kleiner oder deutlich größer sein, solange die Stabilität des Rotors ausreichend ist. Ebenso können die Kanäle unterschiedlich ausgeformt sein, z.B. mit rundem Kanalquerschnitt, mit einem Kanalquerschnitt in Form eines Bogenabschnitts, oder in anderen geeigneten Formen.It goes without saying that different variants of this embodiment are possible. For example, the rotor can have several openings and channels distributed around its circumference, so that continuous cooling of both sides of the machine can be ensured. For example, four or more symmetrically arranged channels can be provided in the rotor, which are each offset by an angle of 90° to one another. However, the number of channels can also be smaller or significantly larger, as long as the stability of the rotor is sufficient. Likewise, the channels can be shaped differently, e.g. with a round channel cross-section, with a channel cross-section in the form of an arc section, or in other suitable shapes.

Bevorzugt kann das Kühlmittel dann kontinuierlich auf die Stirnseite eingespritzt werden, so dass zumindest ein Teil 54 des Strahls in die jeweiligen Öffnungen trifft, wenn deren Lage mit der Düse übereinstimmt, während der Strahl nur die Oberfläche der Stirnfläche trifft, wenn die Düse dem geschlossenen Abschnitt zwischen zwei Kanälen gegenübersteht. Bei rotierendem Rotor ist so ein ständiger Kühlmittelfluss auf die zweite Stirnseite des Rotors gewährleistet.Preferably, the coolant can then be continuously injected onto the face so that at least part 54 of the jet hits into the respective openings when their location coincides with the nozzle, while the jet hits only the surface of the face when the nozzle is in the closed section between two channels. When the rotor is rotating, this ensures a constant flow of coolant to the second end face of the rotor.

2a bis 2e zeigen schematisch jeweils einen Querschnitt durch eine elektrische Maschine mit Blick auf die Stirnfläche eines Rotors auf der B-Seite, d.h. auf die Stirnfläche 24 der Rotorseite, die in den vorliegenden Beispielen der Kühlmitteldüse 40 zugewandt ist, gemäß verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen. Dabei läuft der Rotor 20 in einem Stator (nicht gezeigt), wobei der Rotor an einer Rotorwelle axial gelagert ist und um diese Achse rotiert. In der Stirnfläche 24 des Rotors ist jeweils mindestens eine zur Rotorachse 28 radial versetzte Öffnung 34 vorgesehen, die durchgängig als Kanal bis zur zweiten Stirnfläche fortgesetzt ist. Außerdem ist schematisch als schraffierte Fläche der auf die Fläche auftreffende Kühlmittelstrahl 50 dargestellt. 2a until 2e each schematically show a cross section through an electrical machine with a view of the end face of a rotor on the B-side, ie the end face 24 of the rotor side that faces the coolant nozzle 40 in the present examples, according to various exemplary embodiments. The rotor 20 runs in a stator (not shown), the rotor being mounted axially on a rotor shaft and rotating about this axis. At least one opening 34 is provided in the end face 24 of the rotor, which is offset radially with respect to the rotor axis 28 and continues as a continuous channel up to the second end face. In addition, the coolant jet 50 impinging on the surface is shown schematically as a hatched surface.

In 2a ist ein im wesentlichen kreisförmiger Strahlquerschnitt gezeigt, so dass etwa die Hälfte des eingespritzten Kühlmittels in das Innere der Kanalöffnung 34 gelangt und damit bei ausreichendem Druck zur zweiten Seite des Rotors geleitet wird. Der Kühlmittelstrahl 50 bzw. die Düse, welche das Kühlmittel einspritzt, ist also so angeordnet, dass der Strahl 50 etwa auf die obere Randkante der Kanalöffnung trifft und in zwei Strahlteile 52 und 54 aufgeteilt wird. Dabei ist hier beispielhaft ein Rotor mit acht Kühlmittelkanälen zur gegenüberliegenden Rotorseite gezeigt, so dass die Stirnseiten jeweils acht Öffnungen 34 aufweisen, die gleichmäßig um den Kreisumfang verteilt liegen. Dabei liegt der radial äußere Rand jeder der Öffnungen 34 etwa im gleichen Abstand zur Rotorachse 28 wie der Düsenausgang der Kühlmitteldüse, um ein Auftreffen des Strahls auf die Kante der Öffnung 34 und damit eine Aufteilung des Kühlmittelstrahls 50 sicherzustellen.In 2a 1, a substantially circular jet cross-section is shown so that approximately half of the injected coolant enters the interior of the channel opening 34 and is thus directed to the second side of the rotor with sufficient pressure. The coolant jet 50 or the nozzle which injects the coolant is therefore arranged in such a way that the beam 50 strikes approximately the upper edge of the channel opening and is divided into two beam parts 52 and 54. A rotor with eight coolant channels on the opposite side of the rotor is shown here by way of example, so that the end faces each have eight openings 34 which are evenly distributed around the circumference. The radially outer edge of each of the openings 34 is approximately the same distance from the rotor axis 28 as the nozzle outlet of the coolant nozzle in order to ensure that the jet hits the edge of the opening 34 and thus splits the coolant jet 50 .

In 2b ist ein Rotor gezeigt, der wie in 2a mit 8 gleichmäßig verteilten Kühlmittelkanälen von einer Stirnseite zur anderen und entsprechenden Öffnungen 34 in der hier sichtbaren Stirnfläche 24 versehen ist. Anstelle eines im wesentlichen kreisförmigen Strahlquerschnitts wird hier aber ein Kühlmittelstrahl 50 mit länglichem Querschnitt gezeigt, der beispielsweise durch eine radial ausgerichtete Flachdüse erreicht werden kann. Mit einem derartigen Strahlquerschnitt kann die Ausrichtung des Kühlmittelstrahls an der Randkante der Öffnung 34 erleichtert werden und wird unempfindlicher gegen Störungen, z.B. Erschütterungen und Bewegungen im Betrieb. Auch die geometrische Aufteilung des Strahls kann damit vereinfacht werden, so dass besser sichergestellt werden kann, dass ein ausreichender Anteil des Kühlmittels durch die Öffnung hindurch auf die zweite Seite tritt.In 2 B a rotor is shown which is as in 2a is provided with 8 evenly distributed coolant channels from one end face to the other and corresponding openings 34 in the end face 24 visible here. Instead of an essentially circular jet cross section, however, a coolant jet 50 with an elongated cross section is shown here, which can be achieved, for example, by a radially aligned flat nozzle. With such a jet cross-section, the alignment of the coolant jet at the peripheral edge of the opening 34 can be facilitated and becomes less sensitive to disturbances, such as vibrations and movements during operation. The geometric division of the jet can also be simplified in this way, so that it can be better ensured that a sufficient proportion of the coolant passes through the opening onto the second side.

2c zeigt denselben Rotor wie in den 2a und 2b, wobei nun zwei Kühlmitteldüsen auf der gleichen Rotorseite vorgesehen sind. Dabei ist eine Düse oberhalb der Rotorachse 28 angeordnet, während die zweite Düse unterhalb der Rotorachse angeordnet ist. Somit treffen also zwei Kühlmittelstrahlen 50a, 50b gleichzeitig in verschiedenen Bereichen der düsenseitigen Stirnfläche auf. Insbesondere bei sehr hohen Temperaturen kann so sichergestellt werden, dass nicht nur Kühlmittel, das bereits Wärme vom Rotor und den oberen Wickelkopfwindungen aufgenommen hat, im unteren Bereich auftrifft, sondern dass auch der untere Teil des Stators bzw. der Wickelköpfe mit Kühlmittel niedriger Temperatur in Kontakt kommt und ausreichend gekühlt wird. Selbstverständlich kann diese Ausführungsform auch durch eine größere Anzahl von Düsen oder durch eine andere Verteilung der Düsen variiert werden. 2c shows the same rotor as in the 2a and 2 B , whereby two coolant nozzles are now provided on the same rotor side. In this case, one nozzle is arranged above the rotor axis 28, while the second nozzle is arranged below the rotor axis. Thus, two coolant jets 50a, 50b impinge simultaneously in different areas of the nozzle-side end face. Particularly at very high temperatures, it can be ensured that not only coolant, which has already absorbed heat from the rotor and the upper end windings, reaches the lower area, but also that the lower part of the stator or the end windings comes into contact with coolant at a low temperature comes and is sufficiently cooled. Of course, this embodiment can also be varied by a larger number of nozzles or by a different distribution of the nozzles.

2d zeigt erneut denselben Rotor, wobei nun der Kühlmittelstrahl 50so ausgerichtet ist, dass er im gleichen Abstand zur Rotorachse 28 liegt wie die Öffnungen und einen kleineren Durchmesser aufweist als die Öffnungen. Auf diese Weise trifft der Kühlmittelstrahl 50 bei rotierendem Rotor abwechselnd auf die geschlossene Oberfläche der ersten Stirnseite 24 und dann wieder vollständig oder im Wesentlichen vollständig in eine der Öffnungen 34 und damit durch den Kanal auf die zweite Rotorseite. Bei rotierendem Rotor wird damit der Anteil an Kühlmittel 54, der auf die zweite Rotorseite geleitet wird, hauptsächlich von der Anzahl und Größe der Öffnungen bestimmt, bzw. vom Verhältnis zwischen geöffneten Kanalbereichen und geschlossener Oberfläche im Bereich der Düse. Das Kühlmittel 52, das auf die geschlossenen Oberflächenbereiche zwischen den Öffnungen auftrifft, wird wie bereits beschrieben nach außen über die Rotorfläche und auf die Wickelköpfe geschleudert. Auf diese Weise kann beispielsweise auch bei einem sehr hohen Druck des Kühlmittelstrahls verhindert werden, dass sich beim Auftreffen des Strahls auf der Kante durch flächige Ausbreitung des aufprallenden Kühlmittels ein „Flüssigkeitsschirm“ über die Kanalöffnung hinweg bildet, der die Menge an Kühlmittel, das in den Kanal eintritt, verringern könnte. 2d FIG. 12 again shows the same rotor, now with the coolant jet 50 aligned so that it is equidistant from the rotor axis 28 as the orifices and has a smaller diameter than the orifices. In this way, with the rotor rotating, the coolant jet 50 alternately hits the closed surface of the first end face 24 and then completely or substantially completely into one of the openings 34 and thus through the channel onto the second rotor side. When the rotor is rotating, the proportion of coolant 54 that is conducted to the second side of the rotor is mainly determined by the number and size of the openings, or by the ratio between the open channel areas and the closed surface area in the area of the nozzle. The coolant 52 impinging on the closed surface areas between the openings is thrown outwardly over the rotor face and onto the end turns as previously described. In this way, for example, even with a very high pressure of the coolant jet, it can be prevented that when the jet hits the edge, a "liquid screen" is formed over the channel opening due to the extensive spread of the impacting coolant, which increases the amount of coolant that gets into the Channel enters could decrease.

2e zeigt die Stirnseite 24 des beschriebenen Rotors 20 mit einem zweiteiligen Kühlmittelstrahl 50, der beispielsweise durch zwei einzelne, nebeneinander bzw. übereinander angeordnete Düsenöffnungen oder zwei einzelne Zuleitungen mit Düsen erreicht werden kann. Ein erster Strahl bzw. Strahlteil trifft in die Öffnung 34, während ein zweiter Strahlteil darüber auf die Oberfläche der Stirnseite trifft. Da nun der Strahl nicht mehr exakt auf die Kanalkante treffen muss, um beide Rotorseiten zu erreichen, kann die ausreichende Kühlmittelzufuhr einfacher sichergestellt werden. 2e shows the end face 24 of the described rotor 20 with a two-part coolant jet 50, which can be achieved, for example, by two individual nozzle openings arranged next to one another or one above the other, or two individual feed lines with nozzles. A first jet or part of the jet impinges into the opening 34, while a second part of the jet impinges on the surface of the face above. Since the jet no longer has to hit the channel edge exactly in order to reach both sides of the rotor, it is easier to ensure sufficient coolant supply.

Es versteht sich, dass viele weitere Möglichkeiten zur Ausgestaltung der Strahlgeometrie des eingespritzten Kühlmittels, der Öffnungen im Rotor und der Düsen zum Einspritzen des Kühlmittels bestehen. Beispielsweise kann auch ein Kühlmittelstrahl eingespritzt werden, dessen Querschnitt größer ist als der Querschnitt einer der Kanalöffnungen, so dass der Strahl den gesamten Kanal trifft und ein Teil des Strahls z.B. oberhalb und unterhalb der Öffnung auf der Stirnfläche auftritt. So wird die Kanalöffnung auch bei Abweichungen maximal getroffen.It goes without saying that there are many other possibilities for designing the jet geometry of the injected coolant, the openings in the rotor and the nozzles for injecting the coolant. For example, a jet of coolant can also be injected, the cross section of which is larger than the cross section of one of the channel openings, so that the jet hits the entire channel and part of the jet occurs, for example, above and below the opening on the end face. In this way, the canal opening is hit to the maximum even in the event of deviations.

In dem in 1 dargestellten Beispiel ist der Kanal 30 bzw. die durchgehende Aussparung im Rotor, durch welche das Kühlmittel auf die zweite Rotorseite geleitet wird, im Wesentlichen parallel zur Rotorachse ausgebildet, so dass die Ein- und Austrittsöffnungen für das Kühlmittel auf den beiden Stirnflächen etwa im gleichen Abstand von der Rotorachse eingebracht sind. Es ist aber in weiteren möglichen Ausführungsformen auch denkbar, diese Aussparungen bzw. Kanäle anders auszugestalten, wie etwa in den 3a und 3b gezeigt ist.in the in 1 shown example, the channel 30 or the continuous recess in the rotor, through which the coolant is directed to the second side of the rotor, is formed essentially parallel to the rotor axis, so that the inlet and outlet openings for the coolant on the two end faces are roughly the same distance apart are brought in from the rotor axis. However, it is also conceivable in other possible embodiments to design these recesses or channels differently, such as in FIGS 3a and 3b is shown.

3a zeigt eine Ausführungsform mit schräg verlaufendem Kühlmittelkanal 430. Wie in vorherigen Ausführungsformen ist mindestens ein durchgehender Kühlmittelkanal 430 von einer Stirnseite 24 zur zweiten Stirnseite 26 ausgebildet. Dabei kann nun aber mindestens ein Kanal schräg gegenüber der Rotorachse verlaufen. Die erste Öffnung 434 auf der ersten Stirnseite, welche als Eintrittsöffnung für das eingespritzte Kühlmittel dient, liegt dabei näher an der Rotorachse als die zweite Öffnung 436 bzw. die Austrittsöffnung auf der zweiten Stirnseite. Auf diese Weise wird die Ausbreitung des in den Kanal eintretenden Kühlmittels 54 auf die zweite Stirnseite erleichtert, da das Kühlmittel durch die Rotation des Rotors aufgrund der Zentrifugalkraft auch nach außen beschleunigt wird. Damit kann der erforderliche Strahldruck für das Kühlmittel zumindest bei rotierendem Rotor geringer gewählt werden, und Rückströmungen zur Düsenseite werden verhindert. 3a shows an embodiment with inclined coolant channel 430. As in previous embodiments, at least one continuous coolant channel 430 is formed from one end face 24 to the second end face 26 . However, at least one canal can now run at an angle to the rotor axis. The first opening 434 on the first end, which serves as an inlet opening for the injected coolant, is closer to the rotor axis than the second opening 436 or the outlet opening on the second end. In this way, the spread of the coolant 54 entering the channel to the second end face is facilitated, since the coolant is also accelerated outwards by the rotation of the rotor due to the centrifugal force. In this way, the jet pressure required for the coolant can be selected to be lower, at least when the rotor is rotating, and backflow to the nozzle side is prevented.

Bevorzugt kann in einer Variante mit geneigtem Kühlmittelkanal auch der Kühlmittelstrahl 50 selbst in einem Winkel zur Rotorachse ausgerichtet sein, und zwar bevorzugt so, dass der Kühlmittelstrahl parallel zu dem Kanal 430 verläuft, also der Neigungswinkel des Kühlmittelstrahls 50 dem Neigungswinkel des Kühlmittelkanals 430 durch den Rotor entspricht - der Strahl also im Bezugssystem des Rotors bereits mit einer anfänglichen nach außen gerichteten radialen Geschwindigkeitskomponente im Rotor einströmt. Damit kann auch bei niedrigen Drehzahlen sichergestellt werden, dass das Kühlmittel durch den Strahldruck auf die andere Stirnseite geleitet wird und nicht an den Kanalwänden abprallt. Wie in der Figur gezeigt, kann dazu die Düse 440 entsprechend unter einem Winkel im Gehäuse eingesetzt sein, wobei die Ausrichtung der Düse 440 in der Schnittebene durch die Rotationsachse bevorzugt parallel zur Ausrichtung des Kühlmittelkanals 430 ist. Erneut kann in diesen Ausführungsformen jeweils die Düse so angeordnet sein, dass der Kühlmittelstrahl 50 auf die radial äußere Kante des Kanals auftrifft, also zumindest teilweise in den Kanal trifft und teilweise auf die Stirnfläche des Rotors trifft und sich dort verteilt.In a variant with an inclined coolant channel, the coolant jet 50 itself can preferably also be aligned at an angle to the rotor axis, preferably in such a way that the coolant jet runs parallel to the channel 430, i.e. the angle of inclination of the coolant jet 50 corresponds to the angle of inclination of the coolant channel 430 through the rotor corresponds - the jet thus in the reference system of the rotor already flows into the rotor with an initial radial velocity component directed outwards. This ensures, even at low engine speeds, that the coolant is directed to the other end face by the jet pressure and does not bounce off the channel walls. As shown in the figure, the nozzle 440 can accordingly be inserted at an angle in the housing, with the orientation of the nozzle 440 in the sectional plane through the axis of rotation preferably being parallel to the orientation of the coolant channel 430 . In these embodiments, the nozzle can again be arranged in such a way that the coolant jet 50 impinges on the radially outer edge of the channel, ie at least partially impinges into the channel and partially impinges on the end face of the rotor and is distributed there.

Alternativ könnte auch ein Kühlmittelkanal 530 so ausgebildet sein, dass eine im wesentlichen konusförmige Aussparung entsteht, so dass beispielsweise die radial innere Kanalwand im Wesentlichen parallel zur Rotorachse verläuft, während die äußere Kanalwand schräg zur Rotorachse verläuft. Eine derartige Ausführungsform ist in 3b gezeigt. Die Eintrittsöffnung 534 ist also in diesem Fall kleiner als die Austrittsöffnung 536, wobei der innere Rand der Eintrittsöffnung 534 und der innere Rand der Austrittsöffnung 536 etwa im gleichen Abstand von der Rotorachse ausgebildet sind. Diese Kanalform kann beispielsweise wieder mit einer achsparallelen Einspritzung des Kühlmittels kombiniert werden, also mit einer Düse 540, die wie in 1 einen Kühlmittelstrahl parallel zur Rotorachse erzeugt. Bei langsamen Drehzahlen oder Rotorstillstand kann das Kühlmittel damit ungehindert durch den Kanal aufgrund des Strahldrucks auf die zweite Stirnseite 26 durchtreten, während bei größeren Rotationsgeschwindigkeiten bzw. Drehzahlen das Kühlmittel im Kanal mitbeschleunigt wird und entlang der äußeren Wand bis zur zweiten Stirnseite 26 geschleudert wird.Alternatively, a coolant channel 530 could also be designed in such a way that an essentially conical recess is formed, so that, for example, the radially inner channel wall runs essentially parallel to the rotor axis, while the outer channel wall runs obliquely to the rotor axis. Such an embodiment is 3b shown. In this case, the inlet opening 534 is smaller than the outlet opening 536, the inner edge of the inlet opening 534 and the inner edge of the outlet opening 536 being formed at approximately the same distance from the rotor axis. This channel shape can, for example, be combined again with an axis-parallel injection of the coolant, i.e. with a nozzle 540, which, as in 1 generates a jet of coolant parallel to the rotor axis. At slow speeds or when the rotor is at a standstill, the coolant can thus pass unhindered through the channel due to the jet pressure onto the second end face 26, while at higher rotational speeds or speeds the coolant in the channel is also accelerated and is thrown along the outer wall to the second end face 26.

Die Neigung des Kühlmittelkanals 430, 530 kann in diesen und ähnlichen Ausführungsformen abhängig von weiteren Faktoren wie etwa der Zusammensetzung des Kühlmittels, den erwarteten Drehzahlen des Rotors und den Geometrien von Kühlmittelstrahl und Rotoraussparungen gewählt werden. In den 3a und 3b ist nur beispielhaft ein Neigungswinkel von etwa 10° dargestellt, es ist jedoch ebenso denkbar, Kühlmittelkanäle mit einem größeren oder kleineren Neigungswinkel einzubringen. Beispielsweise könnte auch ein Neigungswinkel von nur 2-4° gegenüber der Rotorachse bereits ausreichende Effekte bringen. Ebenso kann der gleiche Effekt erzielt werden, indem ein aus mehreren Segmenten zusammengesetzter Rotor Kanäle mit variablem Durchmesser aufweist. Dadurch entsteht keine kontinuierliche Neigung im Kühlkanal, sondern ein Treppen- oder auch Stufenmuster. Dies fördert ebenso die Strömung zu einer bevorzugten Seite und verhindert Rückströmungen. Zusätzlich ist ein Stufenmuster in der Segmentbauweise des Rotors einfach umzusetzenThe inclination of the coolant channel 430, 530 may be selected in these and similar embodiments depending on other factors such as the composition of the coolant, the expected speeds of the rotor, and the geometries of the coolant jet and rotor pockets. In the 3a and 3b an angle of inclination of about 10° is only shown as an example, but it is also conceivable to introduce coolant channels with a larger or smaller angle of inclination. For example, an angle of inclination of only 2-4° compared to the rotor axis could already bring sufficient effects. Likewise, the same effect can be achieved in that a rotor composed of several segments has channels with variable diameters. As a result, there is no continuous incline in the cooling channel, but rather a stair or stepped pattern. This also promotes flow to a preferred side and prevents backflow. In addition, a step pattern in the segmented design of the rotor is easy to implement

Dabei können natürlich die hier beschriebenen Ausführungsformen auch miteinander kombiniert werden. Beispielsweise können die in den 2a bis 2e gezeigten Strahlgeometrien auch mit schräg verlaufenden Kühlmittelkanälen kombiniert werden. Ebenso kann in allen Fällen die Anzahl, Lage und Ausgestaltung der Öffnungen und der anschließenden Kanäle anders gestaltet sein, als es in den Beispielen gezeigt wurde; es können also beispielsweise mehr oder weniger Kanäle vorgesehen sein als beschrieben, oder Kanäle in unterschiedlichen Abständen zur Rotorachse. Es können auch zusätzliche Düsen oder andere Methoden zur Einbringung von Kühlmittel in die elektrische Maschine angewendet werden. Die elektrische Maschine kann in einem im wesentlichen flüssigkeitsdichten Gehäuse angeordnet sein, in welches die Düse und die entsprechenden Ableitungen für das abgelaufene Kühlmittel eingebracht werden; es könnte aber auch ein Gehäuse gewählt werden, das nicht absolut flüssigkeitsdicht ist und nur an den relevanten Stellen einen Spritzschutz für das eingespritzte und beschleunigte Kühlmittel bietet und das ein Sammeln und Ableiten des erwärmten Kühlmittels erlaubt.Of course, the embodiments described here can also be combined with one another. For example, those in the 2a until 2e jet geometries shown can also be combined with inclined coolant channels. Likewise, in all cases, the number, position and design of the openings and the subsequent channels can be designed differently than was shown in the examples; it is therefore possible, for example, to provide more or fewer channels than described, or channels at different distances from the rotor axis. Additional nozzles or other methods of introducing coolant into the electric machine may also be used. The electric machine can be arranged in a substantially liquid-tight housing, in which the nozzle and the corresponding drains for the drained coolant are introduced; however, a housing could also be selected which is not absolutely liquid-tight and only offers splash protection for the injected and accelerated coolant at the relevant points and which allows the heated coolant to be collected and discharged.

Die weitere Auslegung des Kühlsystems kann ebenfalls beliebig gewählt werden. Das erwärmte Kühlmittel kann beispielsweise in einem geschlossenen Kreislauf fließen und über einen Wärmetauscher geleitet werden, in dem die aufgenommene Wärme nach außen abgegeben werden kann, bevor das Kühlmittel erneut auf den Rotor eingespritzt wird. Als Kühlmittel kommen verschiedene flüssige Kühlmittel in Frage, wobei bevorzugt isolierende Stoffe oder Stoffgemische verwendet werden. Beispielsweise können bestimmte Öle als Kühlmittel verwendet werden.The further design of the cooling system can also be selected as desired. That Heated coolant can, for example, flow in a closed circuit and be passed through a heat exchanger, in which the absorbed heat can be released to the outside before the coolant is reinjected onto the rotor. Various liquid coolants can be used as coolants, with insulating substances or mixtures of substances preferably being used. For example, certain oils can be used as coolants.

Claims

Electrical machine comprising a stator (10) and a rotor (20) running in the stator (10) about a rotor axis (28), wherein the rotor has recesses which at a distance from the rotor axis (28) have at least one continuous channel (30, 430, 530) each from a first opening (34, 434, 534) in a first axial end face (24) of the rotor to to form a second opening (36, 436, 536) in a second axial face (26) of the rotor (20), and at least one nozzle (40, 440, 540) directed towards the first axial end face (24) for generating a coolant jet (50), wherein the at least one nozzle (40, 440, 540) is designed in such a way that at least part of the coolant jet exiting the nozzle (40, 440, 540) is projected onto the first axial end face in a region between a first circular path, the radius of which corresponds to the distance a radially inner edge of the first opening corresponds to the rotor axis, and a second circular path, the radius of which corresponds to the distance of a radially outer edge of the first opening to the rotor axis, impinges.

Electric machine after claim 1 , wherein the at least one continuous channel (30) runs essentially parallel to the rotor axis.

Electric machine after claim 1 wherein a radially outer edge of the continuous channel (530) is oblique to the rotor axis, and wherein a radially inner edge of the continuous channel (530) is parallel to the rotor axis (28).

Electric machine after claim 1 , wherein the at least one continuous channel (430) runs obliquely to the rotor axis (28), the distance of the first opening (434) from the rotor axis being less than the distance of the second opening (436) from the rotor axis.

Electrical machine according to one of the preceding claims, wherein the at least one nozzle (50, 450, 550) is aligned parallel to the rotor axis.

Electric machine according to one of Claims 1 until 4 , wherein the at least one nozzle is aligned obliquely to the rotor axis.

The electric machine of claim 1 , wherein the at least one nozzle is oriented such that the coolant jet lies entirely between the distance from the inner edge of the first opening to the rotor axis and the distance from the outer edge of the first opening to the rotor axis.

Electric machine after claim 7 , further comprising at least a second nozzle directed at the first axial face for producing a second jet of coolant, the second jet of coolant impinging the face at any angular position of the rotor outside of the at least one first opening.

Electrical machine according to one of the preceding claims, wherein the at least one nozzle is aligned in such a way that the jet of coolant emerging from the nozzle impinges partially within the region between the first and the second circular path on the end face, such that a first part of the jet of coolant in certain angular positions of the rotor in the first opening and a second part of the coolant jet in each angular position hits the first end face of the rotor.

Electrical machine according to one of the preceding claims, wherein the at least one nozzle is designed such that the coolant jet reaches a speed by means of which the coolant injected into the first opening is transported through the coolant channel and through the second opening onto the second axial end face.

The electric machine of any preceding claim, wherein the electric machine includes a plurality of coolant jets directed toward the first axial face, disposed about the rotor periphery and each producing a coolant jet substantially equidistant from the rotor axis.