DE102021127499A1

DE102021127499A1 - Rotor for an electric machine

Info

Publication number: DE102021127499A1
Application number: DE102021127499.0A
Authority: DE
Inventors: Robert Schmidt; Joachim MAERZ
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2021-10-22
Filing date: 2021-10-22
Publication date: 2023-04-27

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rotor (10) für eine elektrische Maschine, aufweisend eine fluiddurchströmte Rotorwelle (11), wenigstens ein um die Rotorwelle (11) angeordnetes Rotoreisen (12), wenigstens eine am Rotoreisen (12) angeordnete bestrombare Wicklung (13) und wenigstens ein Wärmerohr (14, 14a ,15, 15a, 15b).The invention relates to a rotor (10) for an electrical machine, having a rotor shaft (11) through which fluid flows, at least one rotor iron (12) arranged around the rotor shaft (11), at least one energizable winding (13) arranged on the rotor iron (12) and at least a heat pipe (14, 14a, 15, 15a, 15b).

Description

Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine, aufweisend eine fluiddurchströmte Rotorwelle, wenigstens ein um die Rotorwelle angeordnetes Rotoreisen und wenigstens eine am Rotoreisen angeordnete bestrombare Wicklung. Die Erfindung umfasst zudem eine elektrische Maschine sowie ein Kraftfahrzeug.The invention relates to a rotor for an electrical machine, having a rotor shaft through which fluid flows, at least one rotor iron arranged around the rotor shaft, and at least one energizable winding arranged on the rotor iron. The invention also includes an electric machine and a motor vehicle.

Elektrische Maschinen können als Arbeitsmaschinen für elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge, beispielsweise Elektro- und Hybridfahrzeuge, eingesetzt werden. Hierbei können elektrische Maschinen vielfältiger Ausprägungen zur Verwendung kommen, wobei eine elektrische Maschine typischerweise einen ortsfest gelagerten Stator und einen relativ zu dem Stator beweglich gelagerten Rotor aufweist. Bei stromerregten elektrischen Maschinen weisen aktive Komponenten magnetfelderzeugende Systeme beispielsweise in Form von bestrombaren Wicklungen auf, welche von einem Eisenkern gehalten werden, um einen magnetischen Fluss zu erzeugen. Solche Wicklungen können sich im Betrieb der elektrischen Maschine erhitzen, wodurch beispielsweise aufgrund einer inhomogenen Temperaturverteilung in der Wicklung lokale Heißpunkte bzw. Hotspots entstehen können. Da eine Erhitzung der elektrischen Maschine eine Effizienz und eine Dauerleistung negativ beeinflussen kann, sind Lösungen zur Kühlung der elektrischen Maschine bekannt. Beispielsweise kann zur Kühlung des Stators ein Kühlmantel um den Stator herum angeordnet sein, welcher von einem Kühlmedium durchströmt wird oder der Rotor kann eine Welle aufweisen, welche als Hohlwelle ausgebildet ist und von einem Kühlmedium durchströmt wird.Electrical machines can be used as working machines for electrically driven motor vehicles, for example electric and hybrid vehicles. In this case, electrical machines of various types can be used, with an electrical machine typically having a stationarily mounted stator and a rotor mounted so that it can move relative to the stator. In the case of current-excited electrical machines, active components have systems that generate magnetic fields, for example in the form of windings that can be energized, which are held by an iron core in order to generate a magnetic flux. Such windings can heat up during operation of the electrical machine, as a result of which local hot spots or hotspots can arise, for example, due to an inhomogeneous temperature distribution in the winding. Since heating of the electrical machine can negatively affect efficiency and continuous power, solutions for cooling the electrical machine are known. For example, to cool the stator, a cooling jacket can be arranged around the stator, through which a cooling medium flows, or the rotor can have a shaft which is designed as a hollow shaft and through which a cooling medium flows.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kühlung eines Rotors einer elektrischen Maschine zu verbessern.It is the object of the present invention to improve cooling of a rotor of an electrical machine.

Diese Aufgabe wird durch einen Rotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1, eine elektrische Maschine nach Anspruch 11 sowie ein Kraftfahrzeug nach Anspruch 12 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.This object is achieved by a rotor having the features of claim 1, an electrical machine according to claim 11 and a motor vehicle according to claim 12. Advantageous designs are the subject matter of the dependent patent claims, the description and the figures.

Gemäß einem ersten Aspekt wird ein Rotor für eine elektrische Maschine vorgeschlagen, aufweisend eine fluiddurchströmte Rotorwelle, wenigstens ein um die Rotorwelle angeordnetes Rotoreisen, wenigstens eine am Rotoreisen angeordnete bestrombare Wicklung und wenigstens ein Wärmerohr. Dabei ist das Wärmerohr zum Ableiten einer im Betrieb des Rotors entstehenden Wärme von der wenigstens einen Wicklung zu bzw. in die der fluiddurchströmten Rotorwelle eingerichtet.According to a first aspect, a rotor for an electrical machine is proposed, having a rotor shaft through which fluid flows, at least one rotor iron arranged around the rotor shaft, at least one energizable winding arranged on the rotor iron, and at least one heat pipe. The heat pipe is set up to dissipate heat generated during operation of the rotor from the at least one winding to or into the rotor shaft through which fluid flows.

Die elektrische Maschine kann beispielsweise als elektrische Traktionsmaschine für ein elektrisch betreibbares Kraftfahrzeug eingesetzt werden. Die elektrische Maschine ist insbesondere als eine Strom erregte Synchronmaschine (SSM) oder eine Asynchronmaschine (ASM) ausgebildet. Die elektrische Maschine weist einen ortsfest gelagerten Stator sowie einen bezüglich des Stators beweglich, insbesondere drehbar, gelagerten Rotor auf.The electric machine can be used, for example, as an electric traction machine for an electrically operated motor vehicle. The electrical machine is designed in particular as a current-excited synchronous machine (SSM) or an asynchronous machine (ASM). The electrical machine has a stationarily mounted stator and a rotor mounted so that it can move, in particular rotate, with respect to the stator.

Der Rotor weist das Rotoreisen auf, welches beispielsweise durch ein Rotorblechpaket aus axial gestapelten Blechlamellen ausgebildet sein kann. Außerdem weist der Rotor eine elektrisch leitfähige Wicklung auf, welche für die Erzeugung bzw. Erregung eines magnetischen Flusses zur Stromführung ausgebildet ist. Beispielsweise kann bei einer stromerregten Synchronmaschine die Wicklung als bestrombare Erregerspule ausgebildet sein. Die Erregerspule kann beispielsweise stabförmige Leiter bzw. Formstäbe umfassen, welche in Nuten des Rotoreisens oder auf dessen Umfangsoberfläche angeordnet sind. Die Spule kann Wicklungsdrähte umfassen, welche um Pole des Rotoreisens gewickelt sind. Bei einer Ausführung einer Asynchronmaschine kann die Wicklung insbesondere als eine Käfigwicklung zur Ausbildung eines Rotors in Form eines Kurzschlussläufers ausgebildet sein, welcher Leiterstäbe und diese kurzschließende Kurzschlussringe aufweist. Die Leiterstäbe können dabei in das Rotoreisen eingebettet oder dieses umgebend angeordnet sein und bilden gemeinsam mit den Kurzschlussringen einen Kurzschlusskäfig.The rotor has the rotor iron, which can be formed, for example, by a laminated rotor core made of axially stacked laminations. In addition, the rotor has an electrically conductive winding which is designed to generate or excite a magnetic flux for conducting current. For example, in the case of a current-excited synchronous machine, the winding can be designed as an exciter coil that can be energized. The excitation coil can, for example, comprise rod-shaped conductors or shaped rods, which are arranged in slots of the rotor iron or on its peripheral surface. The coil may include winding wires wound around poles of the rotor iron. In one embodiment of an asynchronous machine, the winding can be designed in particular as a squirrel-cage winding to form a rotor in the form of a squirrel-cage rotor, which has conductor bars and squirrel-cage rings that short-circuit them. The conductor bars can be embedded in the rotor iron or arranged surrounding it and together with the short-circuit rings form a short-circuit cage.

Zur Kühlung des Rotors ist die Rotorwelle fluiddurchströmt ausgebildet und kann beispielsweise als mit einem Kühlmedium durchströmte rotierende Hohlwelle ausgeführt sein, um die das Rotoreisen drehfest angeordnet ist. Das Rotoreisen kann segmentiert ausgebildet sein und/oder wenigstens teilweise um die Rotorwelle angeordnet sein. Das Kühlmedium kann beispielsweise aus einem Kühlmittelkreislauf oder einem Schmiermittelkreislauf entnommen werden und mittels einer Hohllanze in die Rotorwelle eingebracht werden. Die Rotorwelle weist einen Auslass bzw. eine Auslassöffnung auf, die zur Abgabe von Kühlmittel aus der Rotorhohlwelle ausgebildet ist.To cool the rotor, the rotor shaft is designed so that fluid flows through it and can be designed, for example, as a rotating hollow shaft through which a cooling medium flows, around which the rotor iron is arranged in a rotationally fixed manner. The rotor iron can be segmented and/or at least partially arranged around the rotor shaft. The cooling medium can be taken from a coolant circuit or a lubricant circuit, for example, and introduced into the rotor shaft by means of a hollow lance. The rotor shaft has an outlet or an outlet opening which is designed for discharging coolant from the hollow rotor shaft.

Um ein Überhitzung bzw. ein Überschreiten eines vorbestimmten maximalen Temperaturgrenzwerts zu vermeiden, ist das Wärmerohr eingerichtet, eine Abwärme, welche beispielsweise im Betrieb des Rotors und der Wicklung entsteht, von der wenigstens einen Wicklung abzuführen und zu der Rotorwelle als Wärmesenke zu leiten. Das Wärmerohr kann beispielsweise als Heatpipe ausgebildet sein und eine thermisch leitfähige, einen Hohlraum umschließende Wandung aufweisen, wobei in dem Hohlraum ein Arbeitsmedium angeordnet sein kann. Die Wandung kann beispielsweise Kupfer aufweisen oder aus Kupfer gebildet sein. Dabei ist die Wandung insbesondere dazu ausgelegt, in einem Verdampfungsbereich die Abwärme an das Arbeitsmedium abzugeben.In order to avoid overheating or exceeding a predetermined maximum temperature limit value, the heat pipe is set up to dissipate waste heat, which arises during operation of the rotor and the winding, for example, from the at least one winding and conduct it to the rotor shaft as a heat sink. The heat pipe can be designed as a heat pipe, for example, and have a thermally conductive wall enclosing a cavity, it being possible for a working medium to be arranged in the cavity. The wall can have copper, for example, or be formed from copper. The wall is designed in particular to give off the waste heat to the working medium in an evaporation area.

Das Arbeitsmedium ist insbesondere dazu ausgebildet, die in dem Verdampfungsbereich aufgenommene Abwärme in Richtung eines Kondensationsbereichs der Wandung zu transportieren und dort an eine Wärmesenke der Rotorwelle zum Abführen der Abwärme abzugeben. In dem als Heatpipe ausgebildeten Wärmerohr kann eine Kapillarstruktur angeordnet sein, wobei die Kapillarstruktur dazu ausgelegt ist, das Arbeitsmedium von dem Kondensationsbereich dem Verdampfungsbereich zurückzuführen. Das Arbeitsmedium kann dabei für die Wärmeübertragung unterschiedliche Aggregatszustände einnehmen.The working medium is designed, in particular, to transport the waste heat absorbed in the evaporation area in the direction of a condensation area of the wall and to deliver it there to a heat sink of the rotor shaft for dissipating the waste heat. A capillary structure can be arranged in the heat pipe designed as a heat pipe, the capillary structure being designed to return the working medium from the condensation area to the evaporation area. The working medium can assume different states of aggregation for the heat transfer.

Ein Wärmeeintrag über den Verdampfungsbereich der Wandung in den Hohlraum erhöht lokal die Temperatur eines flüssigen Anteils des Arbeitsmediums und führt somit zum Verdampfen des Arbeitsmediums. Die dem Arbeitsmedium zugeführte Wärme bzw. Abwärme wird demnach in Verdampfungswärme umgesetzt. Der entstandene Dampf bzw. der gasförmige Anteil des Arbeitsmediums verteilt sich innerhalb des Hohlraums, kondensiert wieder im Kondensationsbereich der Wandung, welcher insbesondere mit der Flüssigkeit durchströmten Rotorwelle (Wärmesenke) thermisch gekoppelt ist, und gibt dadurch die Abwärme wieder ab. Der nun wieder flüssige Anteil des Arbeitsmediums kehrt mithilfe der Kapillarstruktur zum Verdampfungsbereich zurück, wo er erneut Wärme aufnehmen kann. Die aus dem Wärmerohr abgeführte Wärme kann mittels des in der Rotorwelle strömenden Kühlmediums abtransportiert werden.A heat input via the evaporation area of the wall into the cavity increases the temperature of a liquid portion of the working medium locally and thus leads to the working medium evaporating. The heat or waste heat supplied to the working medium is accordingly converted into heat of vaporization. The resulting vapor or the gaseous portion of the working medium is distributed within the cavity, condenses again in the condensation area of the wall, which is thermally coupled in particular to the rotor shaft (heat sink) through which the liquid flows, and thereby releases the waste heat again. The part of the working medium that is now liquid again returns to the evaporation area with the help of the capillary structure, where it can absorb heat again. The heat dissipated from the heat pipe can be transported away by means of the cooling medium flowing in the rotor shaft.

Durch die mittels des Wärmerohrs geschaffene thermische Verbindung zwischen Wicklung und der fluiddurchströmten Rotorwelle kann im Betrieb entstehende Wärme abgeleitet und dem System entzogen werden. Insbesondere weist das Wärmerohr eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf, sodass eine Temperaturverteilung in dem Rotor homogenisiert und/oder lokale Hotspots vermieden werden können. Dadurch kann beispielsweise eine Effizienz und/oder eine Dauerleistung der elektrischen Maschine gesteigert werden.The thermal connection created by means of the heat pipe between the winding and the rotor shaft through which fluid flows can dissipate heat generated during operation and withdraw it from the system. In particular, the heat pipe has a high thermal conductivity, so that a temperature distribution in the rotor can be homogenized and/or local hotspots can be avoided. As a result, for example, an efficiency and/or a continuous output of the electrical machine can be increased.

Gemäß einer Ausführungsform reicht das wenigstens eine Wärmerohr in einen Strömungsraum der fluiddurchströmten Rotorwelle. Der Strömungsraum ist insbesondere durch eine hohlzylinderförmig ausgebildete Rotorwelle gebildet bzw. von dieser in Umfangsrichtung fluiddicht umschlossen und eingerichtet, ein Kühlmedium zu führen. Die Rotorwelle kann umfangsseitig wenigstens eine radiale Öffnung, beispielsweise in Form einer Bohrung, aufweisen, durch welche das Wärmerohr teilweise in dem Strömungsraum anordenbar oder angeordnet ist. Somit ist insbesondere der Kondensationsbereich des Wärmerohrs in dem Strömungsraum anordenbar bzw. angeordnet. Dadurch ist ermöglicht, dass wenigstens ein Bereich des Wärmerohrs bzw. Kondensationsbereichs in unmittelbarem Kontakt mit dem in dem Strömungsraum fließenden Kühlmedium steht und/oder von diesem umflossen wird, wodurch ein Übergang und Abtransport von Abwärme ermöglicht ist.According to one embodiment, the at least one heat pipe extends into a flow space of the rotor shaft through which fluid flows. The flow chamber is formed in particular by a rotor shaft designed in the shape of a hollow cylinder or is surrounded by it in a fluid-tight manner in the circumferential direction and is designed to carry a cooling medium. The rotor shaft can have at least one radial opening on its circumference, for example in the form of a bore, through which the heat pipe can be or is partially arranged in the flow space. Thus, in particular, the condensation area of the heat pipe can be arranged or is arranged in the flow space. This makes it possible for at least one area of the heat pipe or condensation area to be in direct contact with the cooling medium flowing in the flow space and/or to be flowed around by it, thereby enabling the transfer and removal of waste heat.

Gemäß einer Ausführungsform weist der Rotor eine Mehrzahl an Wicklungen, beispielsweise in Form von Erregerspulen, auf, wobei wenigstens ein Wärmerohr in einem Bereich zwischen zwei benachbarten Wicklungen angeordnet ist. Dabei können die Wicklungen in Umfangsrichtung gleichmäßig um das Rotoreisen verteilt angeordnet sein, wobei zwischen zwei benachbarten Wicklungen ein Zwischenraum bzw. eine Nut angeordnet ist, in welchem/r ein Wärmerohr angeordnet sein kann. Das Wärmerohr kann unmittelbar an einer bzw. beiden Wicklungen angrenzen oder beabstandet zu diesem/n angeordnet sein. Hierdurch ist zum einen eine räumliche Nähe zwischen Wärmerohr und Wicklungen ermöglicht, um einen Wärmeübergang zu begünstigen, und zum anderen ein gleichzeitiger Abtransport von Wärme zweier Wicklungen ermöglicht.According to one embodiment, the rotor has a plurality of windings, for example in the form of excitation coils, with at least one heat pipe being arranged in an area between two adjacent windings. In this case, the windings can be arranged distributed uniformly around the rotor iron in the circumferential direction, with an intermediate space or a groove being arranged between two adjacent windings, in which/r a heat pipe can be arranged. The heat pipe can directly adjoin one or both windings or can be arranged at a distance from this/n. As a result, on the one hand a spatial proximity between the heat pipe and the windings is made possible in order to promote heat transfer, and on the other hand a simultaneous removal of heat from two windings is made possible.

Bei einer Ausführungsform kann der Rotor eine, insbesondere symmetrische, Anordnung von mehreren Wärmerohren aufweisen, welche insbesondere gleichmäßig beabstandet zueinander angeordnet sind. Hierdurch ist eine in einer Umfangsrichtung des Rotors gleichmäßige Wärmeübertragung bzw. -abführung zu der Wärmesenke ermöglicht.In one embodiment, the rotor can have an arrangement, in particular a symmetrical arrangement, of a plurality of heat pipes which are in particular arranged at a uniform distance from one another. As a result, a uniform heat transfer or dissipation to the heat sink in a circumferential direction of the rotor is made possible.

Gemäß einer Ausführungsform bildet das Wärmerohr einen Verdampfungsbereich aus, welcher im Wesentlichen axial zu der Rotorwelle bzw. im Wesentlichen parallel zu der Rotorwelle angeordnet ist. Der Verdampfungsbereich weist eine vorbestimmte Längserstreckung auf, in welcher ein Wärmeübergang zwischen Wicklung und Wärmerohr ermöglicht ist. Der Verdampfungsbereich erstreckt sich dabei insbesondere über eine vorbestimmte axiale Länge des Rotoreisens, derart, dass die aufgenommene Wärme in axialer Richtung zu einer Stirnseite des Rotoreisens geleitet werden kann. Durch die axiale Anordnung ist ein Wärmeübergang zwischen Wicklung und Verdampfungsbereich über dessen gesamte Längserstreckung ermöglicht, wodurch ein gleichmäßiger Abtransport von Wärme stattfinden kann.According to one embodiment, the heat pipe forms an evaporation area, which is arranged essentially axially to the rotor shaft or essentially parallel to the rotor shaft. The evaporation area has a predetermined longitudinal extension, in which heat transfer between the winding and the heat pipe is made possible. The evaporation area extends in particular over a predetermined axial length of the rotor iron, such that the heat absorbed can be conducted in the axial direction to an end face of the rotor iron. The axial arrangement allows heat to be transferred between the winding and the evaporation area over its entire longitudinal extension, as a result of which heat can be transported away uniformly.

Zwischen dem Verdampfungsbereich und dem Kondensationsbereich kann das Wärmerohr einen Transportbereich ausbilden. Dieser Transportbereich kann radial zu der Rotorwelle, insbesondere entlang einer Stirnseite des Rotoreisens, angeordnet sein, um den axialen Verdampfungsbereich mit einem, insbesondere in der fluiddurchströmten Rotorwelle angeordneten Kondensationsbereich, thermisch zu verbinden. Der Transportbereich kann derart ausgebildet sein, dass im Wesentlichen kein oder lediglich ein geringer Wärmeaustausch zwischen Wärmerohr und an diese angrenzende Komponenten stattfindet. Das Wärmerohr kann L-förmig ausgebildet sein, wodurch eine, insbesondere platzsparende, Anordnung des Wärmerohrs um das Rotoreisen herum ermöglicht ist.The heat pipe can be installed between the evaporation area and the condensation area form a transport area. This transport area can be arranged radially to the rotor shaft, in particular along an end face of the rotor iron, in order to thermally connect the axial evaporation area with a condensation area arranged in particular in the rotor shaft through which fluid flows. The transport area can be designed in such a way that there is essentially no or only little heat exchange between the heat pipe and the components adjacent to it. The heat pipe can be L-shaped, which enables the heat pipe to be arranged around the rotor iron, in particular in a space-saving manner.

Gemäß einer Ausführungsform bildet das Wärmerohr einen Kondensationsbereich aus, welcher im Wesentlichen vollständig in dem Strömungsraum angeordnet ist. Insbesondere ist der Kondensationsbereich geometrisch derart ausgebildet, dass ein Wärmeaustausch zwischen Wärmerohr bzw. Wandung und einem Kühlmedium der fluiddurchströmten Rotorwelle optimiert ist, d. h. dass der Kondensationsbereich eine möglichst große Oberfläche zum Wärmetausch ausbildet. Durch die Anordnung des Kondensationsbereichs in dem Strömungsraum kann eine Umströmung des Kondensationsbereichs bzw. der Wandung des Wärmerohrs mit in der Rotorwelle strömendem Kühlmedium stattfinden, wodurch ein zügiger Abtransport von Wärme ermöglicht ist.According to one embodiment, the heat pipe forms a condensation area, which is arranged essentially completely in the flow space. In particular, the condensation area is designed geometrically in such a way that heat exchange between the heat pipe or wall and a cooling medium of the rotor shaft through which fluid flows is optimized, i. H. that the condensation area forms the largest possible surface area for heat exchange. By arranging the condensation area in the flow space, the cooling medium flowing in the rotor shaft can flow around the condensation area or the wall of the heat pipe, which enables rapid removal of heat.

Gemäß einer Ausführungsform ist ein Wärmetauschelement in dem Strömungsraum angeordnet und mit dem wenigstens einen Wärmerohr thermisch verbindbar oder verbunden. Durch die thermische Verbindung zwischen wenigstens einem Wärmerohr, insbesondere mehreren Wärmerohren, und dem Wärmetauschelement kann zwischen diesen ein Wärmeübergang erfolgen und somit insbesondere eine Kondensationswirkung gesteigert werden.According to one embodiment, a heat exchange element is arranged in the flow space and can be or is thermally connected to the at least one heat pipe. Due to the thermal connection between at least one heat pipe, in particular several heat pipes, and the heat exchange element, a heat transfer can take place between these and thus in particular a condensation effect can be increased.

Das Wärmetauschelement ist insbesondere derart ausgebildet, dass es eine Oberflächenvergrößerung zum Wärmetausch bzw. Wärmeübergang zwischen Wärmetauschelement und dem dieses umströmenden Kühlmedium bereitstellt. Hierzu kann das Element beispielsweise ringförmig ausgebildet sein, wobei umfangsseitig wenigstens eine Aufnahmeöffnung zum Aufnehmen und thermischen Verbinden eines Wärmerohrs vorgesehen ist. In einem radial mittleren Bereich kann das Wärmetauschelement beispielsweise ein Zusatzelement aufweisen, welches zum Beispiel als stiftförmiger Fortsatz ausgebildet ist, um eine für einen Wärmetausch zur Verfügung stehende Oberfläche weiter zu vergrößern. Das Wärmetauschelement kann eingerichtet sein, um das wenigstens eine Wärmerohr, insbesondere eine Mehrzahl an Wärmerohren, in dem Strömungsraum zu fixieren, um eine Stabilität der Kühleinrichtung zu verbessern.The heat exchange element is designed in particular in such a way that it provides an increase in surface area for heat exchange or heat transfer between the heat exchange element and the cooling medium flowing around it. For this purpose, the element can, for example, be ring-shaped, with at least one receiving opening for receiving and thermally connecting a heat pipe being provided on the peripheral side. In a radially central area, the heat exchange element can have, for example, an additional element which is designed, for example, as a pin-shaped extension in order to further increase a surface area available for heat exchange. The heat exchange element can be set up to fix the at least one heat pipe, in particular a plurality of heat pipes, in the flow space in order to improve the stability of the cooling device.

Gemäß einer Ausführungsform ist das Wärmerohr als 2-Phasen-Thermosiphon ausgebildet. Unter einem 2-Phasen-Thermosiphon ist vorliegend im Gegensatz zu einer Heatpipe ein kraftgetriebenes Wärmerohr zu verstehen, bei dem das in dem Verdampfungsbereich kondensierte Arbeitsmedium selbstständig in den Kondensationsbereich zurückfließt bzw. dorthin verdrängt wird und von dort im flüssigen Zustand durch eine Krafteinwirkung in den Verdampfungsbereich bewegt wird. Diese Kraft ist insbesondere eine Zentrifugalkraft, welche durch eine Drehung beim Betrieb des Rotors auf das Arbeitsmedium wirkt. Durch die höhere spezifische Dichte in einem flüssigen Aggregatszustand, kann das Arbeitsmedium durch die wirkende Zentrifugalkraft in einen radial außen liegenden Bereich des Wärmerohrs, also den Verdampfungsbereich, gedrückt werden, wobei das verdampfte, gasförmige Arbeitsmedium in den radial inneren Bereich, also den Kondensationsbereich, ausweicht und dort unter Wärmeabgabe kondensieren kann. Auf diese Weise entsteht ein stetiger Wärmetransport zwischen dem Verdampfungsbereich und dem Kondensationsbereich, sodass Wärmemengen transportiert werden können. Hierdurch kann auf die Kapillarstruktur der Heatpipe verzichtet werden, wodurch eine Gewichtseinsparung am Rotor ermöglicht und eine Vergrößerung des wirksamen Querschnitts des Wärmerohrs ist.According to one embodiment, the heat pipe is designed as a 2-phase thermosiphon. In contrast to a heat pipe, a 2-phase thermosiphon is to be understood as a power-driven heat pipe in which the working medium condensed in the evaporation area automatically flows back into the condensation area or is displaced there and from there in the liquid state by the action of force into the evaporation area is moved. This force is in particular a centrifugal force which acts on the working medium as a result of rotation during operation of the rotor. Due to the higher specific density in a liquid state of aggregation, the working medium can be pressed into a radially outer area of the heat pipe, i.e. the evaporation area, by the acting centrifugal force, with the evaporated, gaseous working medium evading into the radially inner area, i.e. the condensation area where it can condense and give off heat. In this way, there is a constant transfer of heat between the evaporation area and the condensation area, so that amounts of heat can be transported. As a result, the capillary structure of the heat pipe can be dispensed with, which makes it possible to save weight on the rotor and increase the effective cross section of the heat pipe.

Gemäß einer Ausführungsform weist der Rotor wenigstens zwei Wärmerohre auf, die an einander gegenüberliegenden Stirnseiten des Rotoreisens angeordnet sind. Insbesondere können zwei Anordnungen von Wärmerohren an einander gegenüberliegenden Stirnseiten des Rotoreisens angeordnet sein. Durch die beidseitige Anordnung von Wärmerohren kann entlang einer Längserstreckung des Rotors ein größerer Bereich zur Wärmeübertragung abgedeckt werden, wobei gleichzeitig jeweils ein stirnseitig angeordneter Kondensationsbereich zur Verfügung steht. Hierdurch ist ermöglicht, den Verdampfungsbereich relativ zu dem Kondensationsbereich derart auszubilden, dass ein ausgeglichener Wärmeaustausch bzw. Aggregatszustandwechsel des Arbeitsmediums erfolgen kann, um einen optimierten Wärmeabtransport zu ermöglichen.According to one embodiment, the rotor has at least two heat pipes which are arranged on opposite end faces of the rotor iron. In particular, two arrangements of heat pipes can be arranged on opposite end faces of the rotor iron. Due to the arrangement of heat pipes on both sides, a larger area for heat transfer can be covered along a longitudinal extent of the rotor, with a condensation area arranged on the front side being available at the same time. This makes it possible to form the evaporation area relative to the condensation area in such a way that a balanced heat exchange or change of physical state of the working medium can take place in order to enable optimized heat removal.

Gemäß einer Ausführungsform ist das Wärmerohr mittels einer thermisch leitenden Vergussmasse mit der wenigstens einen Wicklung verbunden. Durch das Vorsehen der Vergussmasse kann ein gleichmäßiger Wärmetransport zwischen Wicklung und Wärmerohr, insbesondere Verdampfungsbereich, ermöglicht werden. Zudem kann vorgesehen sein, dass das Wärmerohr mittels der Vergussmasse relativ zu der oder den Wicklungen befestigt ist, um eine physische Stabilität und damit eine Robustheit zu ermöglichen.According to one embodiment, the heat pipe is connected to the at least one winding by means of a thermally conductive potting compound. By providing the casting compound, a uniform heat transport between the winding and the heat pipe, in particular the evaporation area, can be made possible. In addition, it can be provided that the heat pipe is fixed relative to the winding or windings by means of the casting compound is fixed to allow physical stability and hence robustness.

Gemäß einer Ausführungsform ist eine Dichtungseinrichtung zwischen Wärmerohr und Rotorwelle angeordnet, um eine Dichtwirkung zwischen Wärmerohr und Rotorwelle zu erzielen und einen Austritt von Kühlmedium aus der Rotorwelle zu meiden bzw. zu verhindern. Zudem kann hierdurch auch ein Eindringen von Vergussmasse in die Rotorwelle wenigstens vermieden werden. Beispielsweise kann wenigstens ein Dichtring um das Wärmerohr angeordnet sein, welcher an eine Öffnung der Rotorwelle, durch welche das Wärmerohr in den Strömungsbereich der Rotorwelle reicht, angrenzt und diese Öffnung abdichtet. Hierzu kann beispielsweise eine ringförmige Dichtungseinrichtung eingerichtet sein die Rotorwelle zu umschließen. Die Dichteinrichtung kann wenigstens eine radial angeordnete Bohrung aufweisen, wobei an deren der Rotorwelle zugewandten Seite wenigstens ein Dichtring (O-Ring) an oder in der Bohrung angeordnet ist. Diese Dichteinrichtung kann auf die Rotorwelle gefügt sein, wobei die Wärmerohre in einem Montageschritt in radialer durch die Bohrungen in die Rotorwelle eingebracht werden bzw. wurden, um die Dichtwirkung zu erzielen.According to one embodiment, a sealing device is arranged between the heat pipe and the rotor shaft in order to achieve a sealing effect between the heat pipe and the rotor shaft and to avoid or prevent cooling medium from escaping from the rotor shaft. In addition, penetration of casting compound into the rotor shaft can at least be avoided as a result. For example, at least one sealing ring can be arranged around the heat pipe, which is adjacent to an opening in the rotor shaft, through which the heat pipe extends into the flow area of the rotor shaft, and seals this opening. For this purpose, for example, an annular sealing device can be set up to enclose the rotor shaft. The sealing device can have at least one radially arranged bore, with at least one sealing ring (O-ring) being arranged on or in the bore on the side thereof facing the rotor shaft. This sealing device can be joined to the rotor shaft, with the heat pipes being or being inserted radially through the bores into the rotor shaft in an assembly step in order to achieve the sealing effect.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine elektrische Maschine, aufweisend zumindest einen hierin beschriebenen Rotor sowie ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einer solchen elektrischen Maschine, vorgeschlagen. Die hierin beschriebenen Ausführungsformen und Vorteile gelten entsprechend für eine erfindungsgemäße elektrische Maschine sowie ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug.According to a further aspect, an electrical machine is proposed, having at least one rotor described herein, and a motor vehicle having at least one such electrical machine. The embodiments and advantages described herein apply correspondingly to an electric machine according to the invention and a motor vehicle according to the invention.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar. Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren.

1 zeigt einen Rotor gemäß einer ersten beispielhaften Ausführung der Erfindung in einer schematischen Ansicht.
2 zeigt den Rotor aus 1 in einer dreidimensionalen schematischen Teilansicht.

Further features of the invention result from the claims, the figures and the description of the figures. The features and combinations of features mentioned above in the description and the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and/or shown alone in the figures can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own. Further advantages and application possibilities of the invention result from the following description in connection with the figures.

1 shows a rotor according to a first exemplary embodiment of the invention in a schematic view.
2 shows the rotor 1 in a three-dimensional schematic partial view.

1 zeigt ausschnittsweise einen Rotor 10 für eine elektrische Maschine gemäß eines ersten beispielhaften Ausführungsbeispiels in einer schematischen Ansicht. Der Rotor 10 weist eine fluiddurchströmte Rotorwelle 11 und ein um die Rotorwelle 11 angeordnetes Rotoreisen 12 auf. Die Rotorwelle 11 ist drehbar um eine Drehachse R gelagert und bildet einen Strömungsraum 21 aus, welcher mit einem Kühlmedium durchströmbar ist, was in 1 durch den mit F gekennzeichneten Pfeil dargestellt ist. 1 shows a detail of a rotor 10 for an electrical machine according to a first exemplary embodiment in a schematic view. The rotor 10 has a rotor shaft 11 through which fluid flows and a rotor iron 12 arranged around the rotor shaft 11 . The rotor shaft 11 is rotatably mounted about an axis of rotation R and forms a flow space 21 through which a cooling medium can flow, as shown in 1 represented by the arrow marked F.

An dem Rotoreisen 12 ist eine bestrombare Wicklung 13, hier in Form einer Erregerspule, dargestellt, wobei eine Mehrzahl an nicht dargestellten Wicklungen 13 gleichmäßig zueinander beabstandet in einer Umfangrichtung des Rotoreisens 12 an diesem angeordnet sind. An einer ersten Stirnseite des Rotoreisens 12 ist ein erstes Wärmerohr 14 und ein zweites Wärmerohr 14a angeordnet und an einer der ersten Stirnseite gegenüberliegenden zweiten Stirnseite des Rotoreisens 12 ist ein drittes Wärmerohr 15 und ein viertes Wärmerohr 15a dargestellt. Ein Wärmerohr 14, 14a, 15, 15a ist dabei jeweils zwischen zwei benachbarten Wicklungen 13 angeordnet und zum Ableiten einer im Betrieb des Rotors 10 entstehenden Wärme von der/den Wicklung(en) 13 zu der fluiddurchströmten Rotorwelle 11 eingerichtet und reicht in diesem Ausführungsbeispiel in den Strömungsraum 21 der fluiddurchströmten Rotorwelle 11. Hierzu sind in der Rotorwelle 11 Öffnungen vorgesehen, durch welche die Wärmerohre 14, 14a, 15, 15a in den Strömungsraum 21 reichen können. An den Öffnungen ist jeweils eine Dichteinrichtung 16 vorgesehen, um die jeweilige Öffnung abzudichten, um einen Austritt von Kühlmedium aus dem Strömungsraum 21 der Rotorwelle 11 zu vermeiden.A current-carrying winding 13, here in the form of an excitation coil, is shown on the rotor iron 12, a plurality of windings 13 (not shown) being arranged on the rotor iron 12 at equal distances from one another in a circumferential direction of the latter. A first heat pipe 14 and a second heat pipe 14a are arranged on a first face of the rotor iron 12 and a third heat pipe 15 and a fourth heat pipe 15a are shown on a second face of the rotor iron 12 opposite the first face. A heat pipe 14, 14a, 15, 15a is arranged between two adjacent windings 13 and is designed to dissipate heat generated during operation of the rotor 10 from the winding(s) 13 to the rotor shaft 11 through which fluid flows and in this exemplary embodiment extends to the flow chamber 21 of the rotor shaft 11 through which fluid flows. A sealing device 16 is provided at the openings in order to seal the respective opening in order to prevent cooling medium from escaping from the flow chamber 21 of the rotor shaft 11 .

Die Wärmerohre 14, 15 dieses Ausführungsbeispiels sind als Heatpipe und im Wesentlichen L-förmig ausgebildet und bilden einen im Wesentlichen axial zu der Rotorwelle 11 angeordneten Verdampfungsbereich 34, 35 aus. An seinem dem Verdampfungsbereich 34, 35 gegenüberliegenden Ende bilden die Wärmerohre 14, 15 einen Kondensationsbereich 44, 45 aus, der im Wesentlichen vollständig in dem Strömungsraum 21 angeordnet ist. In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann das wenigstens eine Wärmerohr 14, 15 als 2-Phasen-Thermosiphon ausgebildet sein.The heat pipes 14 , 15 of this exemplary embodiment are designed as a heat pipe and are essentially L-shaped and form an evaporation region 34 , 35 which is arranged essentially axially with respect to the rotor shaft 11 . At its end opposite the evaporation area 34 , 35 , the heat pipes 14 , 15 form a condensation area 44 , 45 which is arranged essentially completely in the flow space 21 . In a further exemplary embodiment, the at least one heat pipe 14, 15 can be designed as a 2-phase thermosiphon.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Wärmerohre 14, 14a und 15, 15a jeweils Teil einer Wärmerohranordnung 24, 25, welche eine Mehrzahl an Wärmerohren 14, 14a, 15, 15a aufweist, die im Wesentlichen symmetrisch um das Rotoreisen 12 herum angeordnet sind. Die Wärmerohre 14, 14 und 15, 15a sind jeweils thermisch mit einem in dem Strömungsraum 21 angeordneten Wärmetauschelement 54, 55 verbunden. Die Wärmetauschelemente 54, 55 sind dabei ringförmig ausgebildet und weisen jeweils einen Fortsatz 64, 65 auf, um die zur Wärmeabgabe zur Verfügung stehende Oberfläche der Wärmerohre bzw. einer Wärmerohranordnung zu vergrößern.In the exemplary embodiment shown, the heat pipes 14, 14a and 15, 15a are each part of a heat pipe arrangement 24, 25 which has a plurality of heat pipes 14, 14a, 15, 15a which are arranged essentially symmetrically around the rotor iron 12. The heat pipes 14, 14 and 15, 15a are each thermally connected to a heat exchange element 54, 55 arranged in the flow space 21. The heat exchange elements 54, 55 are ring-shaped and each have an extension 64, 65 to the surface available for heat dissipation To increase heat pipes or a heat pipe assembly.

Die Wärmerohre 14, 14a, 15, 15a können mittels einer Vergussmasse thermisch mit der/den Wicklung(en) 13 verbunden sein und/oder mittels der Vergussmasse mechanisch relativ zu der/den Wicklung(en) 13 bzw. dem Rotoreisen 12 fixiert sein.The heat pipes 14, 14a, 15, 15a can be thermally connected to the winding(s) 13 by means of a casting compound and/or mechanically fixed relative to the winding(s) 13 or the rotor iron 12 by means of the casting compound.

2 zeigt eine Teilansicht des Rotors 10 des Ausführungsbeispiels aus 1 mit einer Rotorwelle 11, die einen Strömungsraum 21 umfasst, in welchen ein Kühlmedium strömen kann. Dargestellt ist eine Wärmerohranordnung 25 aufweisend mehrere L-förmig ausgebildete Wärmerohre 15, 15a, 15b, welche jeweils einen Verdampfungsbereich 35 und einen Kondensationsbereich 45 ausbilden. Zwischen dem Verdampfungsbereich 35 und dem Kondensationsbereich 45 ist ein Transportbereich angeordnet, in welchem insbesondere keine Wärmeabgabe an die angrenzenden Komponenten erfolgt. 2 FIG. 12 shows a partial view of the rotor 10 of the embodiment of FIG 1 with a rotor shaft 11 which comprises a flow space 21 into which a cooling medium can flow. A heat pipe arrangement 25 is shown having a plurality of L-shaped heat pipes 15, 15a, 15b, which each form an evaporation region 35 and a condensation region 45. A transport area is arranged between the evaporation area 35 and the condensation area 45, in which in particular no heat is released to the adjacent components.

In dem Strömungsraum 21 ist ein im Wesentlichen ringförmig ausgebildetes Wärmetauschelement 55 angeordnet, welches thermisch mit den Wärmerohren 15, 15a, und 15b verbunden und eingerichtet ist, diese zu fixieren. Hierzu können an dem Wärmetauschelement 55 umfangsseitig Aufnahmeöffnungen vorgesehen sein, durch welche die Wärmerohre 15, 15a, 15b reichen können. Zudem kann das Wärmetauschelement 55 ein zentrales Zusatzelement 65 aufweisen, um einen Wärmeübergang zwischen Wärmetauschelement 55, und damit Kondensationsbereich 45 des Wärmerohrs 15, 15a, 15b, und der fluiddurchströmten Rotorwelle 11 bzw. dem strömenden Kühlmedium zu verbessern.In the flow chamber 21 there is arranged a heat exchange element 55 which is of essentially ring-shaped design and is thermally connected to the heat pipes 15, 15a and 15b and is set up to fix them. For this purpose, receiving openings can be provided on the circumference of the heat exchange element 55, through which the heat pipes 15, 15a, 15b can extend. In addition, the heat exchange element 55 can have a central additional element 65 in order to improve heat transfer between the heat exchange element 55 and thus the condensation region 45 of the heat pipe 15, 15a, 15b and the rotor shaft 11 through which fluid flows or the flowing cooling medium.

Der Rotor 10 des dargestellten Ausführungsbeispiels kann beispielsweise in einer elektrischen Maschine, insbesondere einer elektrischen Maschine eines Kraftfahrzeugs eingesetzt werden. Die durch einen hierin beschriebenen Rotor 10 kann eine Temperaturverteilung in dem Rotor 10 homogenisiert und lokale Hotspots vermieden werden. Dadurch kann beispielsweise eine Effizienz und/oder eine Dauerleistung des Rotors 10, der elektrischen Maschine und somit des Kraftfahrzeugs gesteigert werden.The rotor 10 of the exemplary embodiment shown can be used, for example, in an electrical machine, in particular an electrical machine of a motor vehicle. With a rotor 10 described herein, a temperature distribution in the rotor 10 can be homogenized and local hotspots can be avoided. As a result, for example, an efficiency and/or a continuous output of the rotor 10, the electric machine and thus the motor vehicle can be increased.

BezugszeichenlisteReference List

1010: Rotorrotor
1111: fluiddurchströmte Rotorwellerotor shaft through which fluid flows
1212: Rotoreisenrotor iron
1313: Wicklungwinding
14, 14a14, 14a: Wärmerohrheat pipe
15, 15a, 15b15, 15a, 15b: Wärmerohrheat pipe
1616: Dichtungseinrichtungsealing device
2121: Strömungsraumflow space
24, 2524, 25: Wärmerohranordnungheat pipe assembly
34, 3534, 35: Verdampfungsbereichevaporation area
44, 4544, 45: Kondensationsbereichcondensation area
54, 5554, 55: Wärmetauschelementheat exchange element
64,6564.65: Zusatzelementadditional element
RR: Drehachseaxis of rotation
Ff: Fluidströmungfluid flow

Claims

Rotor (10) for an electrical machine, having a rotor shaft (11) through which fluid flows, at least one rotor iron (12) arranged around the rotor shaft (11), at least one winding (13) arranged on the rotor iron (12) and which can in particular be energized, and at least one Heat pipe (14, 14a, 15, 15a, 15b), characterized in that the heat pipe (14, 14a, 15, 15a, 15b) for dissipating heat generated during operation of the rotor (10) from the at least one winding (13) to the rotor shaft (11) through which fluid flows.

Rotor (10) after claim 1 , wherein the at least one heat pipe (14, 14a, 15, 15a, 15b) extends into a flow chamber (21) of the rotor shaft (11) through which fluid flows.

Rotor (10) according to one of the preceding claims, having a plurality of windings (13), wherein at least one heat pipe (14, 14a, 15, 15a, 15b) is arranged in a region between two adjacent windings (13).

Rotor (10) according to one of the preceding claims, wherein the heat pipe (14, 14a, 15, 15a, 15b) forms an evaporation region (34, 35) which is arranged essentially axially to the rotor shaft (11).

Rotor (10) according to one of the preceding claims, wherein the heat pipe (14, 14a, 15, 15a, 15b) forms a condensation region (44, 45) which is arranged essentially completely in the flow space (21).

Rotor (10) according to one of the preceding claims, wherein a heat exchange element (54, 55) is arranged in the flow space (21) and is thermally connectable or connected to the at least one heat pipe (14, 14a, 15, 15a, 15b).

Rotor (10) according to one of the preceding claims, wherein the heat pipe (14, 14a, 15, 15a, 15b) is designed as a 2-phase thermosiphon.

Rotor (10) according to one of the preceding claims, wherein at least two heat pipes (14, 14a, 15, 15a, 15b) are arranged on opposite end faces of the rotor iron (12).

Rotor (10) according to one of the preceding claims, wherein the heat pipe (14, 14a, 15, 15a, 15b) is connected to the at least one winding (13) by means of a thermally conductive casting compound.

Rotor (10) according to one of the preceding claims, wherein a sealing device (16) is arranged between the heat pipe (14, 14a, 15, 15a, 15b) and the rotor shaft (11).

Electrical machine, having at least one rotor (10) according to one of the preceding claims.

Motor vehicle with at least one electric machine claim 11 .