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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor für eine Elektromaschine zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs. Ferner betrifft die Erfindung eine Elektromaschine mit einem gattungsgemäßen Rotor sowie ein Kraftfahrzeug mit einer gattungsgemäßen Elektromaschine.
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Es sind als Synchronmaschinen ausgebildete Elektromaschinen bekannt, bei welchen in Zwischenräumen zwischen benachbarten Wicklungsabschnitten einer Rotorwicklung ein Zwischenstück mit einer sich entlang einer Rotorlängsachse des Rotors erstreckenden Kavität zum Durchleiten eines Kühlfluids eingesetzt ist. Eine derartige Elektromaschine ist beispielsweise aus dem Dokument
US 3,008,786 A bekannt. Das Zwischenstück ist aus einem umgeformten Blech hergestellt und ausgebildet, eine Druckkraft gegen die Wicklungsabschnitte auszuüben. Eine ähnliche Elektromaschine zeigt das Dokument
DE 10 2015 214 158 A1 . Aus dem Dokument
US 2012 / 0 126 643 A1 ist eine Elektromaschine bekannt, bei welcher mehrere scheibenförmige Zwischenstücke axial voneinander beabstandet in den Zwischenräumen angeordnet sind. Zur Verbesserung eines Kühlluftstroms weisen die Zwischenstücke parallel zur Rotorlängsachse verlaufende Bohrungen auf. Gemäß dem Dokument
EP 1 730 831 A1 ist ein Zwischenstück vorgesehen, welches mehrere Kavitäten aufweist, die durch Wände voneinander getrennt sind. Das Dokument
DE 19 625 91 A1 zeigt eine Elektromaschine bei welcher stabförmige Kühlrohre in den Zwischenräumen angeordnet sind.
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Das Dokument
DE 3 408 563 A1 offenbart einen fluidgekühlten Rotor, der als Scheibenstapel aus mehreren als Stanzblechteile ausgebildeten Rotorscheiben ausgebildet und von einem Stator umgeben ist. Die Stanzblechteile weisen abwechselnd als Ausnehmungen und Verformungsabschnitte ausgebildete Formschlussabschnitte auf, welche ausgebildet sind, bei einem Scheibenstapel mehrerer Stanzblechteile in Formschlussabschnitte benachbarter Stanzblechteile einzugreifen. Infolge der abwechselnden Anordnung von Ausnehmungen und Verformungsabschnitten werden die Ausnehmungen des Stanzblechteils von Verformungen des benachbarten Stanzblechteils wenigstens teilweise abgedeckt. Auf diese Weise ist die Ausbildung sich durch das Blechpaket erstreckender durchgehender Ausnehmungen verhinderbar.
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Zur Durchleitung eines Kühlfluids weisen die Rotorscheiben Durchführungen auf, durch welche im Scheibenstapel ein Kühlkanal gebildet ist. Im Betrieb kann es dabei vorkommen, dass Kühlfluid unter Einwirkung der Fliehkraft aus dem Kühlkanal austritt und zwischen zwei Rotorscheiben in einen zwischen dem Rotor und dem Stator ausgebildeten Luftspalt fließt. Kühlfluid, wie beispielsweise Öl, kann im verhältnismäßig engen Luftspalt ein unerwünschtes Bremsmoment bewirken.
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Das Dokument
DE 10 2004 035 602 A1 zeigt eine elektrische Maschine mit einem aus mehreren Blechscheiben aufgebauten Stator. Der Stator weist eine Statorlängsachse sowie mehrere sich parallel zur Statorlängsachse erstreckende Kühlkanäle auf. Von den Kühlkanälen in radialer Richtung nach innen weist der Stator mehrere Sicken auf, welche koaxial zur Statorlängsachse ausgebildet sind. Die Sicken werden beim Stanzprozess der Blechscheiben erzeugt und erstrecken sich beidseitig auf den Blechscheiben. Durch das Zusammenwirken der Sicken benachbarter Blechscheiben ist eine Labyrinthdichtung zur Abdichtung der Kühlkanäle zu Statorwicklungen des Stators gebildet.
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Aus der
DE 10 2017 010 383 A1 ist ein mehrere scheibenförmige Statorelemente aufweisender Stator für einen Rotationsmotor bekannt. Die Statorelemente weisen jeweils Ausstanzungen auf und sind derart zu einem Stapel zusammengefasst, dass die Ausstanzungen einen Kühlkanal bilden. Um die Ausstanzungen herum ist ein Dichtungsmittel, beispielsweise aus einem Polymer, zum Abdichten des Kühlkanals angeordnet. Gemäß der
JP 2006 / 136164 A1 weisen Rotorscheiben eines Rotors napfförmige Umformungen auf, in welchen derartige Ausstanzungen ausgebildet sind. Die Rotorscheiben sind derart zu einem Scheibenstapel zusammengefügt, dass benachbarte Umformungen ineinandergreifen und somit den Kühlkanal bilden.
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Bekannte Elektromaschinen haben den Nachteil, dass die Herstellung sehr aufwendig und eine ausreichende Kühlung von Bereichen mit besonders hoher Wärmeentwicklung oftmals nicht gewährleistet ist. Eine unzureichende Rotorkühlung hat insbesondere den Nachteil, dass eine Wärmeregulierung der Elektromaschine weniger effizient und somit eine Belastbarkeit der Elektromaschine reduziert ist.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile bei einem Rotor für eine Elektromaschine zu beheben oder zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Rotor für eine Elektromaschine, eine Elektromaschine und ein Kraftfahrzeug zu schaffen, die auf eine einfache und kostengünstige Art und Weise eine verbesserte Kühlung des Rotors gewährleisten.
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Voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Demnach wird die Aufgabe durch einen Rotor für eine Elektromaschine mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1, eine Elektromaschine mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs 9 sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs 10 gelöst. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Rotor beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Elektromaschine sowie dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird beziehungsweise werden kann.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch einen Rotor für eine Elektromaschine zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs gelöst. Der Rotor weist einen Rotorgrundkörper mit mehreren in Umfangsrichtung verteilten, sich in radialer Richtung von einer Rotorlängsachse weg erstreckenden Rotorzähnen an welchen eine Rotorwicklung des Rotors angeordnet ist auf. Die Rotorzähne weisen einen ersten Rotorzahn und einen dem ersten Rotorzahn benachbart angeordneten zweiten Rotorzahn auf, wobei zwischen einem an dem ersten Rotorzahn angeordneten ersten Rotorwicklungsabschnitt der Rotorwicklung und einem an dem zweiten Rotorzahn angeordneten zweiten Rotorwicklungsabschnitt der Rotorwicklung ein Zwischenraum ausgebildet ist. In dem Zwischenraum ist ein sich entlang der Rotorlängsachse erstreckendes Verdrängungselement angeordnet. Erfindungsgemäß weist das Verdrängungselement einen Verdrängungsgrundkörper sowie eine sich vom Verdrängungsgrundkörper in Richtung des benachbarten ersten Rotorwicklungsabschnitts erstreckende erste Leitvorrichtung zum Leiten eines durch den Zwischenraum leitbaren Kühlfluids entlang der Rotorlängsachse auf.
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Der Rotorgrundkörper erstreckt sich entlang der Rotorlängsachse. Die Rotorlängsachse kann auch als Rotationsachse des Rotors bezeichnet werden. Vorzugsweise weist der Rotorgrundkörper mehrere Rotorscheiben auf, die koaxial zur Rotorlängsachse ausgebildet und zu dem Rotorgrundkörper zusammengesetzt sind. Alternativ kann der Rotorgrundkörper auch aus einem Vollmaterial hergestellt sein.
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Die Rotorzähne sind in Umfangsrichtung vorzugsweise gleichmäßig über Rotorgrundkörper verteilt und erstrecken sich von der Rotorlängsachse weg. Vorzugsweise erstrecken sich die Rotorzähne zudem parallel zur Rotorlängsachse. Vorzugsweise weisen die Rotorzähne einen T-förmigen oder ähnlichen Querschnitt auf. Ein Querelement des Rotorzahns ist vorzugsweise an einem von der Rotorlängsachse wegweisenden Zahnende des Rotorzahns angeordnet. Das Querelement weist vorzugsweise eine Kurvenform um die Rotorlängsachse auf. Vorzugsweise sind die Rotorzähne mit dem Rotorgrundkörper monolithisch ausgebildet. Bei einem aus mehreren zusammengesetzten Rotorscheiben ausgebildeten Rotorgrundkörper sind die Rotorzähne vorzugsweise durch das Zusammensetzen der Rotorscheiben gebildet, wobei scheibenförmige Teilelemente der Rotorzähne vorzugsweise monolithisch mit den Rotorscheiben ausgebildet sind.
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Die Rotorzähne weisen zumindest den ersten Rotorzahn und den zweiten Rotorzahn auf, wobei der zweite Rotorzahn dem ersten Rotorzahn benachbart angeordnet ist. Vorzugsweise weist der Rotor insgesamt sechs Rotorzähne auf, nämlich den ersten Rotorzahn, den zweiten Rotorzahn, einen dritten Rotorzahn, einen vierten Rotorzahn, einen fünften Rotorzahn und einen sechsten Rotorzahn.
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Die Rotorwicklung erstreckt sich über die Rotorzähne. Die Rotorwicklung ist vorzugsweise aus einem isolierten, insbesondere mittels einer Lackschicht isolierten, Kupferdraht gebildet. Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die Rotorwicklung in eine Vergussmasse, insbesondere eine Vergussmasse mit besonders hoher thermischer Leitfähigkeit, ganz oder teilweise eingegossen ist. Der erste Rotorwicklungsabschnitt ist am ersten Rotorzahn angeordnet. Der zweite Rotorwicklungsabschnitt ist am zweiten Rotorzahn angeordnet. Dementsprechend ist vorzugsweise an jedem der Rotorzähne ein Rotorwicklungsabschnitt der Rotorwicklung angeordnet.
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Zwischen dem ersten Rotorwicklungsabschnitt und dem zweiten Rotorwicklungsabschnitt ist der Zwischenraum ausgebildet. Vorzugsweise ist jeweils zwischen zwei benachbarten Rotorwicklungsabschnitten ein solcher Zwischenraum ausgebildet. Der Zwischenraum weist somit eine Erstreckung in radialer Richtung sowie parallel zur Rotorlängsachse auf. Der Zwischenraum weist in einem der Rotorlängsachse zugewandten Zwischenraumabschnitt vorzugsweise einen rechteckigen Querschnitt, vorzugsweise mit abgerundeten Ecken, auf. In einem der Rotorlängsachse abgewandten Zwischenraumabschnitt weist der Zwischenraum vorzugsweise eine Aufweitung auf. Vorzugsweise ist der Zwischenraum durch Verschieben der Rotorwicklung durch das Verdrängungselement gebildet.
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Das Verdrängungselement ist innerhalb des Zwischenraums angeordnet. Vorzugsweise ist in jedem der Zwischenräume ein derartiges Verdrängungselement angeordnet. Durch das Verdrängungselement ist ein von einem Kühlfluid durchströmbarer Durchströmquerschnitt des Zwischenraums reduziert. Ferner ist durch das Verdrängungselement der Durchströmquerschnitt in mehrere Durchströmquerschnittsegmente aufgeteilt, wobei die Durchströmquerschnittsegmente weiterhin fluidkommunizierend miteinander gekoppelt sein können.
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Das Verdrängungselement weist den Verdrängungsgrundkörper auf. Der Verdrängungsgrundkörper erstreckt sich in radialer Richtung in den Zwischenraum hinein. Zudem erstreckt sich der Verdrängungsgrundkörper entlang der Rotorlängsachse, vorzugsweise über die komplette Länge des Zwischenraums. Ferner weist der Verdrängungsgrundkörper eine Breite in Umfangsrichtung auf. Der Verdrängungsgrundkörper ist vorzugsweise als Vollmaterial ausgebildet und kann erfindungsgemäß Poren, Bohrungen oder dergleichen aufweisen. Es kann erfindungsgemäß beispielsweise vorgesehen sein, dass der Verdrängungsgrundkörper in Umfangsrichtung ausgebildete Durchführungen aufweist, um eine Fluidkommunikation zwischen einem dem ersten Rotorwicklungsabschnitt benachbarten ersten Zwischenraumbereich des Zwischenraums mit einem dem zweiten Rotorwicklungsabschnitt benachbarten zweiten Zwischenraumbereich des Zwischenraums zu verbessern. Entlang der Rotorlängsachse und/oder in radialer Richtung können auch mehrere derartige Durchführungen vorgesehen sein. Der Verdrängungsgrundkörper weist vorzugsweise ein Material mit einer besonders vorteilhaften thermischen Leitfähigkeit auf.
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Das Verdrängungselement weist die erste Leitvorrichtung auf, die sich vom Verdrängungsgrundkörper in Richtung der benachbarten ersten Rotorwicklung erstreckt. Vorzugsweise erstreckt sich die erste Leitvorrichtung unter Bildung eines Winkels von 90° vom Verdrängungsgrundkörper weg. Die erste Leitvorrichtung ist vorzugsweise monolithisch mit dem Verdrängungsgrundkörper ausgebildet. Die erste Leitvorrichtung ist vorzugsweise ausgebildet, den ersten Zwischenraumbereich in einen rotorachsennahen ersten Zwischenraumbereich sowie einen rotorachsenfernen ersten Zwischenraumbereich zu unterteilen. Hierbei ist es bevorzugt, dass der rotorachsennahe erste Zwischenraumbereich mit dem rotorachsenfernen ersten Zwischenraumbereich weiterhin fluidkommunizierend gekoppelt ist. Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die erste Leitvorrichtung eine sich in radialer Richtung erstreckende Durchführung aufweist. Vorzugsweise weist die erste Leitvorrichtung entlang der Rotorlängsachse mehrere derartige Durchführungen auf. Die erste Leitvorrichtung weist vorzugsweise ein Material mit einer besonders vorteilhaften thermischen Leitfähigkeit auf.
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Ein erfindungsgemäßer Rotor für eine Elektromaschine zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs hat gegenüber herkömmlichen Rotoren den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine verbesserte Kühlung des Rotors bereitgestellt ist. Durch den Verdrängungsgrundkörper des Verdrängungselements ist der Zwischenraum derart verkleinert, dass ein durch den Zwischenraum strömender Kühlfluidstrom näher an die benachbarten Rotorwicklungsabschnitte heranführbar ist. Zudem ist der Kühlfluidstrom gezielt in mehrere Teilfluidströme aufteilbar. Mittels der ersten Leitvorrichtung ist der durch den Zwischenraum strömende Kühlfluidstrom gezielt derart manipulierbar, dass Bereiche der Rotorwicklung mit einem besonders hohen Kühlungsbedarf - sogenannte „Hotspots“ - noch effizienter gekühlt werden.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung kann bei einem Rotor vorgesehen sein, dass das Verdrängungselement mehrere in radialer Richtung voneinander beabstandet angeordnete erste Leitvorrichtungen aufweist. Die ersten Leitvorrichtungen sind vorzugsweise gleichmäßig verteilt an dem Verdrängungsgrundkörper angeordnet. Die ersten Leitvorrichtungen weisen vorzugsweise in Umfangsrichtung dieselbe Erstreckung auf. Eine in radialer Richtung von der Rotorlängsachse am weitesten entfernte erste Leitvorrichtung weist vorzugsweise in Umfangsrichtung eine größere Erstreckung als die übrigen ersten Leitvorrichtungen auf. Vorzugsweise weist die von der Rotorlängsachse am weitesten entfernte erste Leitvorrichtung auf einer der Rotorlängsachse zugewandten Seite zum Verdrängungsgrundkörper einen Winkel auf, der kleiner als 90°, vorzugsweise kleiner als 60° sowie vorzugsweise größer als 30° ist. Alternativ weist die von der Rotorlängsachse am weitesten entfernte erste Leitvorrichtung zum Verdrängungsgrundkörper einen Winkel von 90° auf. Die übrigen ersten Leitvorrichtungen weisen vorzugsweise zum Verdrängungsgrundkörper einen Winkel von 90° auf. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine gezielte Kühlung der Rotorwicklung weiter verbessert ist.
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Es ist erfindungsgemäß bevorzugt, dass das Verdrängungselement eine sich vom Verdrängungsgrundkörper in Richtung der benachbarten zweiten Rotorwicklung erstreckende zweite Leitvorrichtung zum Leiten des durch den Zwischenraum leitbaren Kühlfluids entlang der Rotorlängsachse aufweist. Vorzugsweise erstreckt sich die zweite Leitvorrichtung unter Bildung eines Winkels von 90° vom Verdrängungsgrundkörper weg. Die zweite Leitvorrichtung ist vorzugsweise monolithisch mit dem Verdrängungsgrundkörper ausgebildet. Die zweite Leitvorrichtung ist vorzugsweise ausgebildet, den zweiten Zwischenraumbereich in einen rotorachsennahen zweiten Zwischenraumbereich sowie einen rotorachsenfernen zweiten Zwischenraumbereich zu unterteilen. Hierbei ist es bevorzugt, dass der rotorachsennahe zweite Zwischenraumbereich mit dem rotorachsenfernen zweite Zwischenraumbereich weiterhin fluidkommunizierend gekoppelt ist. Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die zweite Leitvorrichtung eine sich in radialer Richtung erstreckende Durchführung aufweist. Vorzugsweise weist die zweite Leitvorrichtung entlang der Rotorlängsachse mehrere derartige Durchführungen auf. Die zweite Leitvorrichtung weist vorzugsweise ein Material mit einer besonders vorteilhaften thermischen Leitfähigkeit auf. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine gezielte Kühlung der Rotorwicklung weiter verbessert ist.
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Weiter bevorzugt weist das Verdrängungselement mehrere in radialer Richtung voneinander beabstandet angeordnete zweite Leitvorrichtungen auf. Die zweiten Leitvorrichtungen sind vorzugsweise gleichmäßig verteilt an dem Verdrängungsgrundkörper angeordnet. Die zweiten Leitvorrichtungen weisen vorzugsweise in Umfangsrichtung dieselbe Erstreckung auf. Eine in radialer Richtung von der Rotorlängsachse am weitesten entfernte zweite Leitvorrichtung weist vorzugsweise in Umfangsrichtung eine größere Erstreckung als die übrigen zweiten Leitvorrichtungen auf. Vorzugsweise weist die von der Rotorlängsachse am weitesten entfernte zweite Leitvorrichtung auf einer der Rotorlängsachse zugewandten Seite zum Verdrängungsgrundkörper einen Winkel auf, der kleiner als 90°, vorzugsweise kleiner als 60° sowie vorzugsweise größer als 30° ist. Alternativ weist die von der Rotorlängsachse am weitesten entfernte zweite Leitvorrichtung zum Verdrängungsgrundkörper einen Winkel von 90° auf. Die übrigen zweiten Leitvorrichtungen weisen vorzugsweise zum Verdrängungsgrundkörper einen Winkel von 90° auf. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine gezielte Kühlung der Rotorwicklung weiter verbessert ist.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann bei einem Rotor vorgesehen sein, dass die erste Leitvorrichtung den ersten Rotorwicklungsabschnitt kontaktiert. Bei mehreren ersten Leitvorrichtungen ist es bevorzugt, dass mehrere der ersten Leitvorrichtungen, vorzugsweise die meisten der ersten Leitvorrichtungen den ersten Rotorwicklungsabschnitt kontaktieren. Bei Vorhandensein einer zweiten Leitvorrichtung ist es bevorzugt, dass die zweite Leitvorrichtung den zweiten Rotorwicklungsabschnitt kontaktiert. Bei mehreren zweiten Leitvorrichtungen ist es bevorzugt, dass mehrere der zweiten Leitvorrichtungen, vorzugsweise die meisten der zweiten Leitvorrichtungen den zweiten Rotorwicklungsabschnitt kontaktieren. Auf diese Weise ist eine Druckkraft zwischen dem Verdrängungselement und der Rotorwicklung ausübbar, beispielsweise um die Rotorwicklung zusammenzudrücken und/oder um einen Wärmeaustausch zwischen dem Verdrängungselement und der Rotorwicklung zu verbessern.
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Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine gezielte Kühlung der Rotorwicklung weiter verbessert ist.
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Weiter bevorzugt ist in dem Verdrängungsgrundkörper ein sich entlang der Rotorlängsachse erstreckender Kühlfluidkanal ausgebildet. Der Kühlfluidkanal ist zum Durchleiten eines Kühlfluids, insbesondere eines flüssigen Kühlfluids, wie beispielsweise Öl oder dergleichen, ausgebildet. Weiter bevorzugt ist der Kühlfluidkanal in einem Bereich des Verdrängungsgrundkörpers ausgebildet, welcher einem Bereich der Rotorwicklung mit einem besonders hohen Kühlungsbedarf benachbart angeordnet ist. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine gezielte Kühlung der Rotorwicklung weiter verbessert ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die erste Leitvorrichtung entlang der Rotorlängsachse in mehrere, voneinander beabstandet angeordnete erste Leitvorrichtungssegmente unterteilt. Diese ersten Leitvorrichtungssegmente sind vorzugsweise fluchtend zueinander angeordnet. Bei Vorhandensein mehrerer erster Leitvorrichtungen ist es bevorzugt, dass mehrere, vorzugsweise sämtliche, der ersten Leitvorrichtungen derart voneinander beabstandete erste Leitvorrichtungssegmente aufweisen. Bei Vorhandensein einer zweiten Leitvorrichtung ist es bevorzugt, dass die zweite Leitvorrichtung entlang der Rotorlängsachse in mehrere, voneinander beabstandet angeordnete zweite Leitvorrichtungssegmente unterteilt ist. Bei Vorhandensein mehrerer zweiter Leitvorrichtungen ist es bevorzugt, dass mehrere, vorzugsweise sämtliche, der zweiten Leitvorrichtungen derart voneinander beabstandete zweite Leitvorrichtungssegmente aufweisen. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine gezielte Kühlung der Rotorwicklung weiter verbessert ist.
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Es ist bevorzugt, dass benachbarte erste Leitvorrichtungssegmente in radialer Richtung zueinander versetzt angeordnet sind. Bei Vorhandensein einer zweiten Leitvorrichtung ist es bevorzugt, dass benachbarte zweite Leitvorrichtungssegmente in radialer Richtung zueinander versetzt angeordnet sind. Auf diese Weise ist eine bessere Vermischung der Teilkühlfluidströme erzielbar. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine gezielte Kühlung der Rotorwicklung weiter verbessert ist.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch eine Elektromaschine zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs gelöst. Die Elektromaschine weist einen Stator auf. Erfindungsgemäß weist die Elektromaschine einen erfindungsgemäßen Rotor auf. Der Rotor ist vorzugsweise koaxial zum Stator angeordnet und drehbar relativ zum Stator gelagert. Vorzugsweise umgibt der Stator zumindest einen Abschnitt des Rotors vollumfänglich oder zumindest teilumfänglich.
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Bei der erfindungsgemäßen Elektromaschine ergeben sich sämtliche Vorteile, die bereits zu einem Rotor gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind. Demnach hat die erfindungsgemäße Elektromaschine gegenüber herkömmlichen Elektromaschinen den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine verbesserte Kühlung des Rotors bereitgestellt ist. Durch den Verdrängungsgrundkörper des Verdrängungselements ist der Zwischenraum derart verkleinert, dass ein durch den Zwischenraum strömender Kühlfluidstrom näher an die benachbarten Rotorwicklungsabschnitte heranführbar ist. Zudem ist der Kühlfluidstrom gezielt in mehrere Teilfluidströme aufteilbar. Mittels der ersten Leitvorrichtung ist der durch den Zwischenraum strömende Kühlfluidstrom gezielt derart manipulierbar, dass Bereiche der Rotorwicklung mit einem besonders hohen Kühlungsbedarf - sogenannte „Hotspots“ - noch effizienter gekühlt werden.
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Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Kraftfahrzeug gelöst. Das Kraftfahrzeug weist ein elektrisches Antriebssystem zum Antreiben des Kraftfahrzeugs auf, wobei das elektrische Antriebssystem ein Energiebereitstellungsmittel zur Bereitstellung elektrischer Energie aufweist. Erfindungsgemäß weist das elektrische Antriebssystem zum Antreiben des Kraftfahrzeugs eine erfindungsgemäße Elektromaschine auf. Zum Betreiben der Elektromaschine weist das Kraftfahrzeug vorzugsweise eine Leistungselektronik auf. Das Energiebereitstellungsmittel weist vorzugsweise eine Brennstoffzelle zur Umwandlung chemischer Energie in elektrische Energie und/oder eine Traktionsbatterie zum Speichern sowie Abgeben elektrischer Energie auf. Zusätzlich oder alternativ zur Traktionsbatterie kann auch ein anderer Stromspeicher, wie beispielsweise ein Kondensator, erfindungsgemäß vorgesehen sein. Ferner weist das Antriebssystem vorzugsweise ein mit der Elektromaschine mechanisch gekoppeltes oder zumindest koppelbares Getriebe auf.
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Bei dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug ergeben sich sämtliche Vorteile, die bereits zu einem Rotor gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung sowie zu einer Elektromaschine gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind. Demnach hat das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug gegenüber herkömmlichen Kraftfahrzeugen den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine verbesserte Kühlung des Rotors bereitgestellt ist. Durch den Verdrängungsgrundkörper des Verdrängungselements ist der Zwischenraum derart verkleinert, dass ein durch den Zwischenraum strömender Kühlfluidstrom näher an die benachbarten Rotorwicklungsabschnitte heranführbar ist. Zudem ist der Kühlfluidstrom gezielt in mehrere Teilfluidströme aufteilbar. Mittels der ersten Leitvorrichtung ist der durch den Zwischenraum strömende Kühlfluidstrom gezielt derart manipulierbar, dass Bereiche der Rotorwicklung mit einem besonders hohen Kühlungsbedarf - sogenannte „Hotspots“ - noch effizienter gekühlt werden.
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Ein erfindungsgemäßer Rotor, eine erfindungsgemäße Elektromaschine sowie ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
- 1 in einer Schnittdarstellung eine Elektromaschine gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung,
- 2 in einer Draufsicht ein Verdrängungselement gemäß einer bevorzugten ersten Ausführungsform der Erfindung,
- 3 in einer Draufsicht ein Verdrängungselement gemäß einer bevorzugten zweiten Ausführungsform der Erfindung,
- 4 in einer Draufsicht ein Verdrängungselement gemäß einer bevorzugten dritten Ausführungsform der Erfindung,
- 5 in einer Draufsicht ein Verdrängungselement gemäß einer bevorzugten vierten Ausführungsform der Erfindung,
- 6 in einer Seitenansicht ein Verdrängungselement gemäß der bevorzugten ersten Ausführungsform der Erfindung,
- 7 in einer Seitenansicht ein Verdrängungselement gemäß der bevorzugten vierten Ausführungsform der Erfindung,
- 8 in einer Seitenansicht ein Verdrängungselement gemäß einer bevorzugten fünften Ausführungsform der Erfindung, und
- 9 in einer Seitenansicht eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs.
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Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1 bis 9 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist eine Elektromaschine 2 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung schematisch in einer Schnittdarstellung abgebildet. Die Elektromaschine 2 weist einen erfindungsgemäßen Rotor 1 sowie einen in dieser Darstellung nur angedeuteten Stator 14 auf. Der Rotor 1 und der Stator 14 sind um eine Rotorlängsachse 5 koaxial angeordnet. Der Rotor 1 weist einen Rotorgrundkörper 4 auf, von dem sich in radialer Richtung R mehrere in Umfangsrichtung U voneinander beabstandet angeordnete Rotorzähne 6 erstrecken. Um die Rotorzähne 6 ist eine Rotorwicklung 7 angeordnet.
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Die Rotorzähne 6 weisen einen ersten Rotorzahn 6a und einen dem ersten Rotorzahn 6a in Umfangsrichtung U benachbart angeordneten zweiten Rotorzahn 6b auf. Um den ersten Rotorzahn 6a ist ein erster Rotorwicklungsabschnitt 7a der Rotorwicklung 7 angeordnet. Um den zweiten Rotorzahn 6b ist ein zweiter Rotorwicklungsabschnitt 7b der Rotorwicklung 7 angeordnet. Zwischen dem ersten Rotorwicklungsabschnitt 7a und dem zweiten Rotorwicklungsabschnitt 7b ist ein Verdrängungselement 9 angeordnet und somit ein Zwischenraum 8 ausgebildet. Der Zwischenraum 8 ist zum Durchleiten eines Kühlfluids ausgebildet. Somit ist eine gezielte sowie direkte Kühlung der Rotorwicklung 7 bereitgestellt.
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Das Verdrängungselement 9 weist einen Verdrängungsgrundkörper 10 sowie mehrere in radialer Richtung R voneinander beabstandet angeordnete, sich in Umfangsrichtung U vom Verdrängungsgrundkörper 10 weg sowie entlang der Rotorlängsachse 5 erstreckende erste Leitvorrichtungen 11a auf. Ferner weist das Verdrängungselement 9 mehrere in radialer Richtung R voneinander beabstandet angeordnete, sich in Umfangsrichtung U vom Verdrängungsgrundkörper 10 weg sowie entlang der Rotorlängsachse 5 erstreckende zweite Leitvorrichtungen 11b auf. Die ersten Leitvorrichtungen 11a sind an einer ersten Seite des Verdrängungsgrundkörpers 10 angeordnet. Die zweiten Leitvorrichtungen 11b sind an einer der ersten Seite des Verdrängungsgrundkörpers 10 entgegengesetzten zweiten Seite des Verdrängungsgrundkörpers 10 angeordnet. Die ersten Leitvorrichtungen 11a und die zweiten Leitvorrichtungen 11b sind mit dem Verdrängungsgrundkörper 10 monolithisch ausgebildet.
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2 zeigt ein Verdrängungselement 9 gemäß einer bevorzugten ersten Ausführungsform der Erfindung schematisch in einer Draufsicht. Die ersten Leitvorrichtungen 11a und die zweiten Leitvorrichtungen 11b erstrecken sich in einem Winkel von 90° vom Verdrängungsgrundkörper 10.
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In 3 ist ein Verdrängungselement 9 gemäß einer bevorzugten zweiten Ausführungsform der Erfindung schematisch in einer Draufsicht abgebildet. Die meisten ersten Leitvorrichtungen 11a und die meisten zweiten Leitvorrichtungen 11b erstrecken sich in einem Winkel von 90° vom Verdrängungsgrundkörper 10. Eine von der Rotorlängsachse 5 am weitesten entfernte erste Leitvorrichtung 11a sowie eine von der Rotorlängsachse 5 am weitesten entfernte zweite Leitvorrichtung 11b weisen auf einer der Rotorlängsachse zugewandten Seite zum Verdrängungsgrundkörper 10 einen Winkel von etwa 45° auf. Überdies ist in einem benachbarten Bereich im Verdrängungsgrundkörper 10 ein sich entlang der Rotorlängsachse 5 erstreckender Kühlfluidkanal 12 ausgebildet. Somit ist eine gezielte Kühlung eines Hotspots der Rotorwicklung 7 verbesserbar.
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4 zeigt ein Verdrängungselement 9 gemäß einer bevorzugten dritten Ausführungsform der Erfindung schematisch in einer Draufsicht. Die ersten Leitvorrichtungen 11a weisen unterschiedliche Erstreckungen in radialer Richtung R auf. Die zweiten Leitvorrichtungen 11b weisen ebenfalls unterschiedliche Erstreckungen in radialer Richtung R auf. Die ersten Leitvorrichtungen 11a und die zweiten Leitvorrichtungen 11b erstrecken sich vom Verdrängungsgrundkörper 10 weg in Umfangsrichtung U in entgegengesetzte Richtungen. Somit ist eine gezielte Kühlung eines Hotspots der Rotorwicklung 7 verbesserbar.
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In 5 ist ein Verdrängungselement 9 gemäß einer bevorzugten vierten Ausführungsform der Erfindung schematisch in einer Draufsicht dargestellt. Verdrängungselement 9 weist nur eine erste Leitvorrichtung 11 a sowie eine zweite Leitvorrichtung 11b auf, die sich vom Verdrängungsgrundkörper 10 weg in Umfangsrichtung U in entgegengesetzte Richtungen erstrecken.
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6 zeigt ein Verdrängungselement 9 gemäß der bevorzugten ersten Ausführungsform der Erfindung schematisch in einer Seitenansicht abgebildet. In dieser Seitenansicht ist eine erste Seite des Verdrängungselements 9 abgebildet. Die ersten Leitvorrichtungen 11a erstrecken sich parallel zueinander entlang der Rotorlängsachse 5. Auf einer in dieser Ansicht verdeckten, der ersten Seite entgegengesetzten zweiten Seite sind die zweiten Leitvorrichtungen 11b gleichermaßen angeordnet.
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In 7 ist ein Verdrängungselement 9 gemäß der bevorzugten vierten Ausführungsform der Erfindung schematisch in einer Seitenansicht. In dieser Seitenansicht ist die erste Seite des Verdrängungselements 9 abgebildet. Die erste Leitvorrichtung 11a ist in mehrere entlang der Rotorlängsachse 5 beabstandet voneinander angeordnete Segmente aufgeteilt. Auf der in dieser Ansicht verdeckten, der ersten Seite entgegengesetzten zweiten Seite sind die zweiten Leitvorrichtungen 11b gleichermaßen angeordnet.
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In 8 ist ein Verdrängungselement 9 gemäß einer bevorzugten fünften Ausführungsform der Erfindung schematisch in einer Seitenansicht gezeigt. In dieser Seitenansicht ist die erste Seite des Verdrängungselements 9 abgebildet. Das Verdrängungselement 9 weist mehrere in radialer Richtung R voneinander beabstandet angeordnete erste Leitvorrichtungen 11a auf. Die ersten Leitvorrichtungen 11a weisen entlang der Rotorlängsachse 5 Unterbrechungen auf, wobei die Unterbrechungen benachbarter ersten Leitvorrichtungen 11a versetzt zueinander angeordnet sind. Auf der in dieser Ansicht verdeckten, der ersten Seite entgegengesetzten zweiten Seite sind die zweiten Leitvorrichtungen 11b gleichermaßen angeordnet.
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9 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs 3 schematisch in einer Seitenansicht. Das Kraftfahrzeug 3 weist ein elektrisches Antriebssystem 15 mit einem als Traktionsbatterie ausgebildetem Energiebereitstellungsmittel 16, einer erfindungsgemäßen Elektromaschine 2, einer Leistungselektronik 17 zum Betreiben der Elektromaschine 2 sowie einem Getriebe 18 zum Wandeln einer Drehzahl der Elektromaschine 2 auf. Die Elektromaschine 2 weist einen Stator 14 und einen erfindungsgemäßen Rotor 1 auf.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rotor
- 2
- Elektromaschine
- 3
- Kraftfahrzeug
- 4
- Rotorgrundkörper
- 5
- Rotorlängsachse
- 6
- Rotorzahn
- 6a
- erster Rotorzahn
- 6b
- zweiter Rotorzahn
- 7
- Rotorwicklung
- 7a
- erster Rotorwicklungsabschnitt
- 7b
- zweiter Rotorwicklungsabschnitt
- 8
- Zwischenraum
- 9
- Verdrängungselement
- 10
- Verdrängungsgrundkörper
- 11a
- erste Leitvorrichtung
- 11b
- zweite Leitvorrichtung
- 12
- Kühlfluidkanal
- 13a
- erstes Leitvorrichtungssegment
- 14
- Stator
- 15
- elektrisches Antriebssystem
- 16
- Energiebereitstellungsmittel
- 17
- Leistungselektronik
- 18
- Getriebe
- R
- radiale Richtung
- U
- Umfangsrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 3008786 A [0002]
- DE 102015214158 A1 [0002]
- US 20120126643 A1 [0002]
- EP 1730831 A1 [0002]
- DE 1962591 A1 [0002]
- DE 3408563 A1 [0003]
- DE 102004035602 A1 [0005]
- DE 102017010383 A1 [0006]
- JP 2006136164 A1 [0006]
