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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere als Antriebsmaschine für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug.
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Elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge sind im Stand der Technik bekannt. Sie weisen elektrische Maschinen auf, welche für den Antrieb des Kraftfahrzeugs verwendet werden. Diese elektrischen Maschinen weisen typischerweise einen Rotor und einen Stator auf, welche im Betrieb der elektrischen Maschine aufgrund des Stromflusses durch die stromdurchflossenen Leiter der elektrischen Maschine und aufgrund von Wirbelstromverlusten und anderen Verlusten eine thermische Beaufschlagung erfahren, so dass eine Kühlung der elektrischen Maschine notwendig wird.
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Im Stand der Technik ist die Statorkühlung zur Kühlung des Stators der elektrischen Maschinen vielfältig bekannt. Diesbezüglich wird auf die
AT 521063 A2 , die
DE 10 2017 221 805 A1 und die
DE 10 2017 218 828 A1 Bezug genommen. Diese Druckschriften zum Stand der Technik sehen eine Ausbildung von Kühlkanälen im Stator zur Durchströmung eines Kühlmittels zur Kühlung der elektrischen Maschine vor. Die in Rotor und Stator erzeugte Abwärme wird durch Wärmeleitung zum radial außen liegenden Stator transportiert, welche durch Wärmeübertragung auf das Kühlmittel übertragen wird und mit dem Kühlmittel abgeführt wird. Das Kühlmittel zirkuliert dabei in einem Kühlkreislauf und wird mittels eines vorgesehenen Kühlmittelkühlers rückgekühlt, bevor es der elektrischen Maschine wieder zugeführt wird.
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Solche elektrischen Maschinen mit Statorkühlung mittels Kühlmittel haben einerseits den Nachteil, dass das Kühlmittel sorgfältig von spannungsführenden Teilen ferngehalten werden muss, was die Ausgestaltung und Abdichtung kompliziert macht und andererseits sich Grenzen der effektiven Kühlung zeigen, da die Wärmeleitung über den Spalt zwischen Rotor und Stator einen thermischen Widerstand zur Begrenzung der Wärmeübertragung darstellt.
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Mit einer wenig effektiven Kühlung der elektrischen Maschine ist auch die Leistung der elektrischen Maschine begrenzt, was insbesondere für Kraftfahrzeuge mit hoher Antriebsleitung hinderlich ist.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Maschine zu schaffen, welche eine verbesserte Kühlung aufweist, so dass die Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine und insbesondere die Dauerleistung der elektrischen Maschine erhöht wird.
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Die Aufgabe wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere als eine Antriebsmaschine eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, mit einem Rotor und mit einem Stator, wobei der Stator einen im Wesentlichen zylinderförmigen Raumbereich umgibt, in welchem der Rotor verdrehbar angeordnet ist, wobei der Rotor eine Rotorwelle aufweist, auf welchem ein Rotorkern angeordnet ist, welcher nutartige Aussparungen aufweist, welche sich in Richtung der Rotorwelle erstrecken, wobei in den jeweiligen nutartigen Aussparungen elektrisch leitende Leiter einer Rotorwicklung und ein Verdrängerkörper zur Anordnung der Leiter in der nutartigen Aussparung vorgesehen sind, wobei in zumindest einer nutartigen Aussparung auch zumindest ein Kühlkanal angeordnet ist, welcher sich in Längsrichtung der Rotorwelle erstreckt. Damit wird erreicht, dass der Rotor durch eine Fluidversorgung direkt kühlbar ist, so dass eine verbesserte Wärmeabfuhr direkt aus dem Rotor ermöglicht wird und somit eine höhere Dauerleistungsdichte und eine höhere Dauerleistung erzielbar ist. Weiterhin ist es auch vorteilhaft, dass dazu eine homogenere Bauteiltemperatur erzielbar ist, was eine risikoärmere Auslegung der Betriebsstrategie erlaubt.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Rotorkern aus einem Paket von Rotorblechen ausgebildet ist. Dies erlaubt gute elektrische und thermische Eigenschaften und eine vereinfachte Montage.
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Vorteilhaft ist es auch, wenn in mehreren nutartigen Aussparungen oder in jeder nutartigen Aussparung zumindest ein Kühlkanal angeordnet ist, welcher sich in Längsrichtung der Rotorwelle erstreckt. Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn in allen nutartigen Aussparungen oder in über den Umfang des Rotors gleichverteilt angeordneten nutartigen Aussparungen jeweils ein Kühlkanal oder jeweils mehrere Kühlkanäle vorgesehen sind. Dadurch lässt sich die Kühlung räumlich gleichverteilt erreichen, was für die Gleichverteilung der Temperatur des Rotors Vorteile hat.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn der zumindest eine Kühlkanal in dem Verdrängerkörper und/oder zwischen den Leitern der Rotorwicklung angeordnet und/oder ausgebildet ist. Damit wird eine definierte und sichere Anordnung des jeweiligen Kühlkanals erreicht, was zur Dauerhaltbarkeit und zu einer verbesserten Kühlung beiträgt.
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Auch ist es zweckmäßig, wenn der zumindest eine Kühlkanal einteilig mit dem Verdrängerkörper ausgebildet ist oder in den Verdrängerkörper integriert ist und/oder in den Verdrängerkörper eingesetzt ist und/oder zwischen den Leitern der Rotorwicklung ausgebildet und/oder eingesetzt ist, insbesondere mit den Leitern verbunden ausgebildet ist. Damit lässt sich der Kühlkanal sehr effektiv gestalten und den Montageaufwand reduzieren.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn der zumindest eine Kühlkanal mit den Leitern der Rotorwicklung in eine Vergussmasse eingegossen ist. Damit wird der Kühlkanal durch eine einfache Maßnahme thermisch eingebettet und mechanisch festgelegt, wobei dies vorteilhaft zusammen mit dem Eingießen der Leiter erfolgt.
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Auch ist es vorteilhaft, wenn die Rotorwelle Fluidkanäle ausbildet zur Zuführung und/oder zur Abführung eines Kühlmittels zum Rotor und/oder vom Rotor.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Rotor endseitig an zumindest einem axialen Ende des Rotorkerns oder an beiden axialen Endseiten des Rotorkerns eine Abdeckscheibe aufweist, in welcher oder in welchen zumindest ein Fluidkanal vorgesehen ist zur Zuführung und/oder zur Abführung eines Kühlmittels zu zumindest einem Kühlkanal in dem Rotor. Mittels der Abdeckscheibe bzw. mittels der Abdeckscheiben kann ein sehr guter Anschluss des Rotors an einen Kühlmittelkreislauf erreicht werden, wobei dadurch der Anschluss auch vereinfacht werden kann und das Kühlmittel auf die vorgesehenen Kühlkanäle gleichmäßig verteilt werden kann.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Rotorwicklung zumindest einen endseitigen Wickelkopf oder endseitige Wickelköpfe der elektrischen Leiter ausbildet, welcher oder welche in einem Fluidkanal des Rotors und/oder in einem Fluidkanal einer Abdeckscheibe angeordnet und von einem Kühlmittel umströmbar ist oder sind. Dadurch kann der thermisch besonders sensible Wickelkopf oder die thermisch sensiblen Wickelköpfe dauerhaft und stabil gekühlt werden.
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist es zweckmäßig, wenn die Leiter der Rotorwicklung als Runddrahtleiter, Haarnadelleiter, Formstableiter oder als Wellenwicklungselemente ausgebildet sind. Dadurch kann der Leiter je nach Anwendung gut an die thermischen und elektrischen Anforderungen angepasst verwendet werden, wobei eine vereinfachte Herstellung und ein geringer Bauraumbedarf erreicht werden können.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert erläutert. In den Zeichnungen zeigt:
- 1 eine Schnittdarstellung eines ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels einer elektrischen Maschine mit einem Schnitt entlang der Rotorachse,
- 2 eine Schnittdarstellung des Rotors des ersten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels der elektrischen Maschine gemäß 1 mit einem Schnitt senkrecht zur Rotorachse,
- 3 eine Schnittdarstellung eines zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels einer elektrischen Maschine mit einem Schnitt entlang der Rotorachse,
- 4 eine Schnittdarstellung des Rotors des zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels der elektrischen Maschine gemäß 3 mit einem Schnitt senkrecht zur Rotorachse,
- 5 eine Schnittdarstellung eines dritten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels einer elektrischen Maschine mit einem Schnitt entlang der Rotorachse, und
- 6 eine Schnittdarstellung des Rotors des dritten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels der elektrischen Maschine gemäß 5 mit einem Schnitt senkrecht zur Rotorachse.
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Die 1 bis 6 zeigen in verschiedenen Schnittdarstellungen ein erstes bis dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 1 bzw. eines Rotors 2 der elektrischen Maschine 1. Die elektrische Maschine 1 ist insbesondere eine elektrische Maschine 1, die als eine Antriebsmaschine eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs eingesetzt ist. Eine solche elektrische Maschine 1 kann also in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden, beispielsweise als alleinige elektrische Maschine 1 zum Antrieb von Rädern einer Achse des Kraftfahrzeugs oder aller Räder des Kraftfahrzeugs. Die elektrische Maschine 1 kann beispielsweise auch mit einer weiteren elektrischen Maschine 1 eingesetzt werden, so dass beispielsweise jeweils eine elektrische Maschine 1 vorgesehen ist zum Antrieb von Rädern einer zugeordneten Achse des Kraftfahrzeugs.
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Dabei zeigen die 1 bis 6 zum Teil identische Teile, die jedoch nicht zu jedem Ausführungsbeispiel getrennt beschrieben werden, so dass die Beschreibung einzelner Ausführungsbeispiele und deren Teile grundsätzlich auch für andere Ausführungsbeispiele gilt.
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Die elektrische Maschine 1 weist einen Rotor 2 und einen Stator 3 auf. Der Rotor 2 ist dabei um die Achse x-x verdrehbar angeordnet, wobei der Stator 3 in Bezug auf ein nicht dargestelltes Motorgehäuse feststehend angeordnet ist.
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Der Stator 3 ist dabei beispielsweise derart im Wesentlichen hohlzylinderförmig ausgebildet, dass er einen im Wesentlichen zylinderförmigen Raumbereich 4 umgibt, in welchem der Rotor 2 verdrehbar angeordnet ist.
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Der Rotor 2 weist eine Rotorwelle 5 auf, welche um die Achse x-x verdrehbar gelagert angeordnet ist.
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Auf der Rotorwelle 5 ist ein Rotorkern 6 angeordnet. In einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel ist der Rotorkern 6 aus einem Paket von Rotorblechen 7 ausgebildet, die aufeinander gestapelt sind. Auch kann der Rotorkern 6 anderweitig ausgebildet sein.
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Der Rotorkern 6 weist nutartige Aussparungen 8 auf, welche sich in Richtung der Rotorwelle 5 erstrecken. Dabei sind die nutartigen Aussparungen 8 über den Umfang des Rotors 2 verteilt angeordnet, insbesondere gleichverteilt angeordnet. Das in 2 gezeigte Ausführungsbeispiel zeigt einen Rotor 2 mit sechs über den Umfang verteilt angeordnete nutartige Aussparungen 8. Bei anderen Ausführungsbeispielen sind auch mehr oder weniger solcher nutartiger Aussparungen 8 möglich.
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Die nutartigen Aussparungen 8 sind in dem gezeigten Ausführungsbeispiel im Schnitt etwa sechseckig ausgebildet mit schmalen radial innen und außen liegenden Basisflächen 9 und dazwischen sich erweiternden Flanken 10, die in einem stumpfen Winkel aufeinander zu laufen.
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In den jeweiligen nutartigen Aussparungen 8 sind elektrisch leitende Leiter 11 einer Rotorwicklung 12 und ein Verdrängerkörper 13 zur Anordnung der Leiter 11 in der nutartigen Aussparung 8 vorgesehen.
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In den 2, 4 und 6 ist gezeigt, dass die Leiter 11 beiderseits des Verdrängerkörpers 13 angeordnet sind. Dies kann auch anderweitig ausgestaltet sein.
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Die Leiter 11 der Rotorwicklung 12 können als Runddrahtleiter, Haarnadelleiter, Formstableiter oder als Wellenwicklungselemente ausgebildet sein.
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Zur Kühlung des Rotors 2 ist in zumindest einer nutartigen Aussparung 8 auch zumindest ein Kühlkanal 14 angeordnet, welcher sich in Längsrichtung der Rotorwelle 5 erstreckt.
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Die 2 zeigt in einer nutartigen Aussparung 8 einen Kühlkanal 14. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann in mehreren nutartigen Aussparungen 8 oder in jeder nutartigen Aussparung 8 zumindest ein Kühlkanal 14 angeordnet sein, welcher sich in Längsrichtung der Rotorwelle 5 erstreckt, siehe diesbezüglich auch 4, bei welcher alternativ ein Rotor 2 gezeigt ist, bei welchem in jedem Verdrängerkörper 13 ein Kühlkanal 14 vorgesehen ist.
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Dabei kann der zumindest eine Kühlkanal 14 in dem Verdrängerkörper 13 angeordnet sein, wie dies in 2 zu erkennen ist.
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Bei einem anderen Ausführungsbeispiel kann der zumindest eine Kühlkanal 14 auch alternativ oder zusätzlich zwischen den Leitern 11 der Rotorwicklung 12 angeordnet und/oder ausgebildet sein, wie dies beispielsweise in 6 dargestellt ist. Dabei ist in jeder Gruppe von Leitern 11 beiderseits des Verdrängerkörpers 13 zumindest ein Kühlkanal 14, vorteilhaft beispielsweise zwei oder mehr Kühlkanäle 14 vorgesehen.
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Dabei kann der zumindest eine Kühlkanal 14 einteilig mit dem Verdrängerkörper 13 ausgebildet sein, beispielsweise durch ein Spritzgussverfahren oder Ähnliches, oder der Kühlkanal 14 kann auch in den Verdrängerkörper 13 integriert sein, beispielsweise als Rohr, welches in eine Aussparung des Verdrängerkörpers 13 eingeschoben ist und/oder der Kühlkanal 14 kann auch in den Verdrängerkörper 13 eingesetzt sein.
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Alternativ oder zusätzlich kann der zumindest eine Kühlkanal 14 oder der jeweilige Kühlkanal 14 auch zwischen den Leitern 11 der Rotorwicklung 12 ausgebildet und/oder eingesetzt sein, insbesondere mit den Leitern 11 verbunden ausgebildet sein, siehe 6. Dabei kann es beispielsweise vorteilhaft sein, wenn der zumindest eine Kühlkanal 14 mit den Leitern 11 der Rotorwicklung 12 in eine Vergussmasse eingegossen ist. Dazu kann der jeweilige Kühlkanal 14 beispielsweise als Rohr ausgebildet sein, insbesondere als Kunststoffrohr oder Metallrohr, welches mit den Leitern 11 in der Vergussmasse eingegossen ist.
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Zur Versorgung mit einem Kühlmittel zu dem zumindest einen Kühlkanal 14 weist die Rotorwelle 5 Fluidkanäle 15, 16 auf zur Zuführung und/oder zur Abführung eines Kühlmittels zum Rotor 2 und/oder vom Rotor 2. Dabei ist der Fluidkanal 15 radial innen vorgesehen und dient der Zuführung des Kühlmittels und der Fluidkanal 16 ist radial weiter außen und koaxial zum Fluidkanal 15 angeordnet und dient der Abführung des Kühlmittels.
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Weiterhin weist der Rotor 2 endseitig an zumindest einem axialen Ende des Rotorkerns 6 oder an beiden axialen Endseiten des Rotorkerns 4 eine Abdeckscheibe 17 auf, in welcher oder in welchen zumindest ein Fluidkanal 18 in radialer Richtung vorgesehen ist zur Zuführung und/oder zur Abführung eines Kühlmittels zu zumindest einem Kühlkanal 14 in dem Rotor 2. Die Abdeckscheiben 17 dienen also zur Fluidverbindung zwischen der Rotorwelle 5 und den Kühlkanälen 14 des Rotors 2.
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Die Abdeckscheiben 17 sind dazu an den axialen Enden des Rotorkerns 6 mit dem Rotorkern 6 des Rotors 2 fest und abgedichtet verbunden.
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Der Rotor 2 ist vorzugsweise so ausgebildet, dass die Rotorwicklung zumindest einen endseitigen Wickelkopf 20 oder endseitige Wickelköpfe 20 der elektrischen Leiter 11 ausbildet. Diese sind in einem Fluidraum 19 oder in einem Fluidkanal 19 des Rotors 2 und/oder in einem Fluidkanal 19 einer Abdeckscheibe 17 angeordnet und von einem Kühlmittel umströmbar. Gemäß der 1 und 5 ist der jeweilige Wickelkopf 20 in einem Fluidraum 19 oder Fluidkanal 19 der Abdeckscheibe 17 angeordnet und so von Kühlmittel versorgt und umströmt. Gemäß 3 ist der jeweilige Wickelkopf 20 in einem Fluidraum 19 oder Fluidkanal 19 des Rotors 2 angeordnet und wird aus einem Fluidkanal 18 der Abdeckscheibe 17 mit Kühlmittel versorgt und von dem Kühlmittel umströmt.
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Der Stator 3 ist nicht weiter beschrieben. Er kann ebenso mit Kühlkanälen zur Fluiddurchströmung versehen sein, um auch den Stator direkt kühlen zu können. Dabei können die Kühlkanäle des Stators 3 in den Kühlkreislauf integriert sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektrische Maschine
- 2
- Rotor
- 3
- Stator
- 4
- Raumbereich
- 5
- Rotorwelle
- 6
- Rotorkern
- 7
- Rotorblech
- 8
- Aussparung
- 9
- Basisfläche
- 10
- Flanke
- 11
- Leiter
- 12
- Rotorwicklung
- 13
- Verdrängerkörper
- 14
- Kühlkanal
- 15
- Fluidkanal
- 16
- Fluidkanal
- 17
- Abdeckscheibe
- 18
- Fluidkanal
- 19
- Fluidraum / Fluidkanal
- 20
- Wickelkopf
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- AT 521063 A2 [0003]
- DE 102017221805 A1 [0003]
- DE 102017218828 A1 [0003]
