DE102021212205A1

DE102021212205A1 - Elektrisch erregte Synchronmaschine

Info

Publication number: DE102021212205A1
Application number: DE102021212205.1A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Grelle; Florian Osdoba; Penyo Topalov; Philipp Zimmerschied
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2021-10-28
Filing date: 2021-10-28
Publication date: 2023-05-04
Also published as: WO2023072539A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrisch erregte Synchronmaschine (1),- mit einem Stator (2), der ein Statorgehäuse (5) mit wenigstens einem axial stirnseitigen Lagerschild (6) und eine Statorspule (7) zum Erzeugen eines magnetischen Statorfelds aufweist,- mit einem Rotor (3), der eine zumindest an dem Lagerschild (6) um eine Rotationsachse (10) drehbar gelagerte Rotorwelle (9) und eine Rotorspule (11) zum Erzeugen eines magnetischen Rotorfelds aufweist,- mit einem Energieübertragersystem (40) zur Übertragung elektrischer Energie auf die Rotorspule (11),- wobei der Lagerschild (6) wenigstens einen Kühlmittelkanal (23) enthält und einen Kühlmitteleinlass (24) sowie einen Kühlmittelauslass (25) aufweist, so dass der Lagerschild (6) mit einem durch den Kühlmittelkanal (23) geführten Kühlmittel aktiv gekühlt ist,- wobei wenigstens eine Komponente (35) einer statorfesten Leistungselektronik (34) der Synchronmaschine (1) am Lagerschild (6) wärmeübertragend angeordnet ist.

Description

Eine elektrisch erregte Synchronmaschine umfasst einen Stator, einen Rotor und ein Energieübertragersystem. Der Stator weist ein Statorgehäuse mit wenigstens einem axial stirnseitigen Lagerschild und eine Statorspule zum Erzeugen eines magnetischen Statorfelds auf. Der Rotor weist eine zumindest an dem Lagerschild um eine Rotationsachse drehbar gelagerte Rotorwelle und eine Spule zum Erzeugen eines magnetischen Rotorfelds auf. Das Energieübertragersystem dient zur Übertragung elektrischer Energie auf die Rotorspule und bewirkt dadurch die elektrische Fremderregung. Bei einem induktiv arbeitenden Energieübertragersystem kann dieses mit einem induktiven Energieübertrager ausgestattet sein, der bevorzugt als Drehtransformator ausgestaltet sein kann, der eine statorfeste primäre Transformatorspule und eine rotorfeste sekundäre Transformatorspule aufweist.
Leistungsstarke Synchronmaschinen sind einer hohen thermischen Belastung ausgesetzt. Dies gilt insbesondere für alle elektrisch aktiven Komponenten oder Bauteile, die einen Beitrag zur Erzeugung der magnetischen Felder und zur elektrischen Energieübertragung leisten, also vorzugsweise für den Energieübertrager sowie für eine Leistungselektronik der Synchronmaschine.
Die Synchronmaschine ist bevorzugt als Traktionsmotor für ein Kraftfahrzeug ausgestaltet, der insbesondere eine elektrische Leistung von 100kW bis 240 kW, bevorzugt von 120 kW bis 160 kW, besonders bevorzugt von etwa 140 kW, aufnehmen kann.
Grundsätzlich ist denkbar, die Synchronmaschine zu kühlen. Geläufig ist dabei die Integration eines Kühlmantels in das Statorgehäuse. Der Kühlmantel kann von einem geeigneten, insbesondere flüssigen, Kühlmittel durchströmt sein. Ferner ist denkbar, besonders gefährdete Komponenten der Leistungselektronik so anzuordnen, dass die Wärmeübertragung zu diesen Komponenten reduziert ist und/oder die Wärmeableitung von diesen Komponenten verbessert ist. Dies ist in der Regel jedoch mit einem hohen baulichen Aufwand und einen relativ großen Bauraumbedarf verbunden. Ferner können vergleichsweise lange elektrische Leitungen erforderlich werden, was den Betrieb des Antriebssystems erschwert und sich Nachteilig auf dessen Effizienz auswirkt und was die Störanfälligkeit der Leistungselektronik erhöht.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für eine Synchronmaschine der vorstehend beschriebenen Art eine verbesserte oder zumindest eine andere Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch eine verbesserte Wärmeabfuhr auszeichnet. Ferner sind insbesondere ein erhöhter Integrationsgrad und/oder eine höhere Leistungsdichte angestrebt.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, den Lagerschild aktiv zu kühlen und zur Montage wenigstens einer Komponente der Leistungselektronik der Synchronmaschine zu nutzen. Hierdurch wird einerseits eine effiziente Kühlung der jeweiligen Komponente der Leistungselektronik realisiert. Andererseits wird dadurch auch eine kompakte Bauform realisiert, die kurze Verbindungswege ermöglicht, beispielsweise zwischen dem Energieübertrager und der jeweiligen Komponente der Leistungselektronik. Die verkürzten elektrischen Leitungen führen zu einer Reduzierung der Erzeugung von und Anfälligkeit für Störungen sowie störende parasitären Effekte und damit verbundene Verlustleistungen sowie Leistungsinduktivitäten und Leistungskapazitäten.
Im Einzelnen schlägt die Erfindung vor, den Lagerschild mit wenigstens einem Kühlmittelkanal sowie mit einem Kühlmitteleinlass und einem Kühlmittelauslass auszustatten, so dass der Lagerschild mit einem durch den Kühlmittelkanal geführten, insbesondere flüssigen, Kühlmittel aktiv gekühlt ist. Wenigstens eine Komponente der statorfesten Leistungselektronik der Synchronmaschine ist am Lagerschild wärmeübertragend angeordnet. Hierdurch wird einerseits ein Wärmeeintrag in die jeweilige Komponente der Leistungselektronik reduziert, während andererseits Abwärme der jeweiligen Komponente der Leistungselektronik abgeführt werden kann.
Bevorzugt ist die jeweilige Komponente der Leistungselektronik an einer axialen Außenseite des Lagerschilds angeordnet.
Die wärmeübertragende Kopplung zwischen der jeweiligen Komponente der Leistungselektronik und dem Lagerschild kann direkt durch eine, insbesondere vorgespannte, Anlage und/oder indirekt durch die Verwendung von Wärmeleitmaterialien realisiert werden, wie zum Beispiel Wärmeleitpaste und Wärmeleitpads. Zweckmäßig kann auch eine vorgespannte indirekte Anlage über Wärmeleitmaterial erfolgen.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform kann der Kühlmittelkanal in einem konzentrisch zur Rotationsachse angeordneten Ringbereich des Lagerschilds verlaufen und sich darin über wenigstens 180°, vorzugsweise über wenigstens 270°, in Umfangsrichtung erstrecken. Die jeweilige Komponente der Leistungselektronik ist in diesem Ringbereich am Lagerschild wärmeübertragend angeordnet. Hierdurch ergibt sich eine besonders effiziente Wärmeableitung.
Bei einer anderen Ausführungsform kann der Kühlmittelkanal in einen ringsegmentförmigen und konzentrisch zur Rotationsachse angeordneten Kühlbereich des Lagerschilds verlaufen, der sich über wenigstens 90°, vorzugsweise über wenigstens 180°, in Umfangsrichtung erstreckt. Zweckmäßig ist die jeweilige Komponente der Leistungselektronik in diesem Kühlbereich wärmeübertragend am Lagerschild angeordnet. Auch hier wird eine effiziente Wärmeübertragung unterstützt. Ebenso ist denkbar, dass einzelne, thermisch besonders empfindliche und/oder belastete Bauteile in den Kühlkreislauf eingebettet sind. Die kann beispielsweise durch Aussparungen oder Vertiefungen erfolgen, in denen die entsprechenden Bauteile angeordnet sind.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung kann sich der Kühlmittelkanal im Kühlbereich mäanderförmig erstrecken und zwischen einem radial inneren Innenende des Kühlbereichs und einem radial äußeren Außenende des Kühlbereichs hin und her verlaufen. Hierdurch lässt sich die Kühlwirkung verbessern, da die zur Wärmeübertragung zur Verfügung stehende Oberfläche vergrößert ist.
Alternativ dazu lässt sich die Kühlwirkung auch dadurch verbessern, dass der Kühlmittelkanal im Kühlbereich einen flachen durchströmbaren Querschnitt aufweist, der sich von einem radial inneren Innenende des Kühlbereichs bis zu einem radial äußeren Außenende des Kühlbereichs erstreckt. Auch diese Maßnahme kann die Wärmeableitung verbessern, da die zur Wärmeübertragung zur Verfügung stehende Oberfläche vergrößert ist.
Bei einer Weiterbildung kann im flachen Querschnitt des Kühlmittelkanals eine Kühlstruktur angeordnet oder ausgebildet sein. Die Kühlstruktur verbessert die Wärmeübertragung zwischen Kühlmittel und Lagerschild. Die Kühlstruktur kann wenigstens ein separates Bauteil repräsentieren, das in den Kühlmittelkanal eingesetzt ist. Ebenso ist denkbar, die Kühlstruktur integral am Lagerschild auszuformen. Die Kühlstruktur kann Rippen und/oder Noppen und/oder Finnen und/oder Pins und/oder dergleichen aufweisen.
Grundsätzlich kann der Energieübertrager als konduktiv arbeitender Energieübertrager ausgestaltet sein, der die elektrische Energie konduktiv überträgt. Der konduktive Energieübertrager kann insbesondere eine Schleiferanordnung aufweisen, die wenigstens einen statorfesten Schleifkontakt aufweist. Der jeweilige Schleifkontakt, der insbesondere als Bürste ausgestaltet ist, kann in oder an dem Lagerschild wärmeübertragend angeordnet sein, insbesondere radial zur Rotationsachse. Rotorseitig kann der konduktive Energieübertrager wenigstens einen rotorfesten Schleifring aufweisen, mit dem der jeweilige Schleifkontakt zusammenwirkt. Der jeweilige Schleifring kann beispielsweise an der Rotorwelle ausgebildet sein.
Bevorzugt ist jedoch eine Ausführungsform, bei welcher der Energieübertrager als induktiv arbeitender Energieübertrager konfiguriert ist, so dass er eine induktive Übertragung elektrischer Energie auf die Rotorspule bewirkt. Zweckmäßig ist der induktive Energieübertrager mit einem Drehtransformator ausgestattet oder als solcher ausgestaltet, der eine statorfeste primäre Transformatorspule und eine rotorfeste sekundäre Transformatorspule aufweist. Die primäre Transformatorspule repräsentiert dabei eine statorfeste Komponente des Energieübertragers. Das induktiv arbeitende Energieübertragersystem weist dann zweckmäßig einen rotorseitigen bzw. rotorfesten Gleichrichter auf, der die sekundäre Transformatorspule mit der Rotorspule elektrisch verbindet.
Zur verbesserten elektromagnetischen Kopplung zwischen den beiden Transformatorspulen kann der Energieübertrager einen Magnetkern oder Ferritkern aufweisen, der konzentrisch zur Rotationsachse angeordnet und zumindest teilweise statorfest ist. In diesem Ferritkern ist die primäre Transformatorspule ortsfest angeordnet, während die sekundäre Transformatorspule im Ferritkern drehbar angeordnet ist. Ein solcher Ferritkern kann insgesamt als statorfester Ferritkern ausgestaltet sein, oder einen statorfesten Ferritkernteil und einen rotorfesten Ferritkernteil aufweisen. Nachfolgend wird durchgehend vom Ferritkern gesprochen, wobei dann in der Regel jeweils der insgesamt statorfeste Ferritkern und der statorfeste Ferritkernteil gemeint sind.
Besonders vorteilhaft ist nun eine Weiterbildung, bei welcher der Ferritkern bzw. der statorfeste Ferritkernteil drehfest in oder an dem Lagerschild wärmeübertragend angeordnet ist, so dass der Kühlmittelkanal radial außerhalb des Ferritkerns im Lagerschild verläuft. Durch die Kapselung des Drehtransformators durch den Ferritkern nimmt der Ferritkern Wärme, die bei der Übertragung im Drehtransformator entsteht, auf. Diese Wärme kann nun besonders günstig auf den Lagerschild übertragen und durch das Kühlmittel abgeführt werden.
Der thermische Schutz kann auch dadurch verbessert werden, dass der Ferritkern an einer axialen Außenseite des Lageschilds angeordnet ist. Insbesondere kann der Lagerschild axial zwischen dem Ferritkern und einem Gleichrichter des Energieübertragers angerordnet sein. Aus Bauraumgründen kann es jedoch zweckmäßig sein, den Ferritkern an der axialen Innenseite des Lagerschilds anzuordnen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der Lagerschild eine Aufnahme aufweist, in der die statorfeste Komponente des Energieübertragers angeordnet ist. Hierdurch wird einerseits die Positionierung der jeweiligen Komponente vereinfacht, während andererseits die Wärmeübertragung verbessert wird. Dieser Effekte lassen sich optional verbessern, wenn vorgesehen ist, dass die Aufnahme eine Einfassung aufweist, deren radiale Innenkontur an eine radiale Außenkontur der statorfesten Komponente des Energieübertragers angepasst ist. Die jeweilige Komponente kann in der Aufnahme axial und an der optionalen Einfassung radial anliegen, wobei eine indirekte Anlage über ein Wärmeleitmaterial oder eine direkte Anlage denkbar sind. Sofern bei einem induktiven Energieübertrager die statorfeste Komponente ein Ferritkern ist, kann die Aufnahme als Kernaufnahme ausgestaltet sein, die den Ferritkern aufnimmt. Die optionale Einfassung umschließt den Ferritkern radial. Der Ferritkern liegt dann in der Kernaufnahme axial und an der Einfassung radial an, direkt oder indirekt.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung kann der Ferritkern konzentrisch im vorstehend genannten Ringbereich angeordnet sein. Zusätzlich oder alternativ kann der Ferritkern konzentrisch zum weiter oben genannten Kühlbereich angeordnet sein. Durch die konzentrische Anordnung kann Wärme, die vom Ferritkern radial in den Lagerschild abgegeben wird, direkt in den Ringbereich bzw. in den Kühlbereich gelangen und dort vom Kühlmittel aufgenommen werden.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform kann das Statorgehäuse so konzipiert sein, dass es keine Statorkühlung mit im Statorgehäuse verlaufendem Statorkühlmittelkanal aufweist. Es hat sich gezeigt, dass je nach Anwendungsform die aktive Kühlung des Lagerschilds ausreicht, eine ausreichende Kühlung zu realisieren. Denkbar ist beispielsweise eine zusätzliche passive Kühlung durch einen Luftstrom innerhalb der / durch die elektrische Maschine. Dieser Luftstrom kann an den gekühlten Lagerschilden entlanggeführt werden, wodurch gegebenenfalls eine zusätzliche indirekte Kühlung durch die Lagerschilde erzielbar ist.
Gemäß einer anderen Ausführungsform kann dagegen vorgesehen sein, dass das Statorgehäuse eine Statorkühlung mit im Statorgehäuse verlaufendem Statorkühlmittelkanal aufweist, der vom Kühlmittelkanal im Lagerschild fluidisch getrennt ist. Durch die fluidische Trennung des Statorkühlmittelkanals und des Kühlmittelkanals des Lagerschilds lässt sich die Kühlung des Lagerschilds auf die dortigen Verhältnisse hin optimieren. Insbesondere können unterschiedliche Drücke, Kühlmittel, Strömungsgeschwindigkeiten und Kühlmitteltemperaturen im Kühlmittelkanal des Lagerschilds einerseits und im Statorkühlmittelkanal andererseits zum Einsatz kommen.
Bei einer anderen alternativen Ausführungsform kann die Synchronmaschine als nasslaufende elektrische Maschine ausgestaltet sein. Die Synchronmaschine weist dann einen Kühlkreis auf, der ein Kühlmittel durch einen Innenraum des Statorgehäuses führt, in dem der Rotor und regelmäßig auch der Stator mit dem Kühlmittel in Kontakt steht. Dieser Kühlkreis kann nun mit dem Kühlmittelkanal des Lagerschilds fluidisch gekoppelt sein. Hierdurch vereinfacht sich die Kühlung des Lagerschilds.
Denkbar sind an dieser Stelle eine reine Rotorkühlung oder eine reine Statorkühlung oder eine kombinierte Rotor-Stator-Kühlung. Als beispielhafte Ausführungsformen sind zu nennen, eine Rotor-Spray-Kühlung, welche durch den Rotor verläuft (z.B. Zuführung über die Rotorwelle) und somit Kühlmedium vom Rotor auf den Stator geschleudert wird, sowie eine Kühlung mit Düsen / Auslässen, welche Rotor und/oder Stator ansprühen (ggf. zusätzliche Zerstäubung durch den Rotor). Eine Ausführung als nasslaufenden Synchronmaschine kann eine Stator-Mantel-Kühlung überflüssig machen.
Bei einer anderen Ausführungsform kann der Rotor eine Rotorkühlung, insbesondere als oder in Verbindung mit einer Rotor-Spray-Kühlung, mit einem im Rotor verlaufenden Rotorkühlmittelkanal aufweisen, der mit dem Kühlmittelkanal im Lagerschild fluidisch gekoppelt ist. Auch hierdurch vereinfacht sich die Realisierung der Kühlung des Lagerschilds. Besonders zweckmäßig ist dabei eine Ausführungsform, bei welcher der Kühlmittelkanal des Lagerschilds stromauf des Rotorkühlmittelkanals angeordnet ist.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Vorstehend genannte und nachfolgend noch zu nennende Bestandteile einer übergeordneten Einheit, wie z.B. einer Einrichtung, einer Vorrichtung oder einer Anordnung, die separat bezeichnet sind, können separate Bauteile bzw. Komponenten dieser Einheit bilden oder integrale Bereiche bzw. Abschnitte dieser Einheit sein, auch wenn dies in den Zeichnungen anders dargestellt ist.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch,

1 eine teilweise geschnittene isometrische Ansicht auf einen axialen Endbereich einer Synchronmaschine mit Energieübertragersystem,
2 ein vereinfachtes Schaltbild eines Energieübertragersystems,
3 eine isometrische Ansicht von außen eines Lagerschilds ohne statorfeste Komponente, z.B. Ferritkern, eines Energieübertragers des Energieübertragersystems,
4 eine Ansicht wie in 3, jedoch mit statorfester Komponente, z.B. Ferritkern, des Energieübertragers,
5 ein isometrischer Längsschnitt des Lagerschilds mit statorfester Komponente, z.B. Ferritkern, des Energieübertragers,
6 eine Axialansicht des Lagerschilds von innen,
7 eine Axialansicht des Lagerschilds von außen bei einer anderen Ausführungsform,
8 eine Axialansicht des Lagerschilds von außen bei einer weiteren Ausführungsform,
9 eine auseinandergezogene Ansicht eines vergrößerten Details aus 8.

Entsprechend 1 besitzt eine hier nur teilweise dargestellte elektrisch erregte Synchronmaschine 1 einen Stator 2, einen Rotor 3 und ein Energieübertragersystem 40. Der Stator 2 weist ein Statorgehäuse 5 mit wenigsten einem axial stirnseitigen Lagerschild 6 und eine Statorspule 7 zum Erzeugen eines magnetischen Statorfelds auf. Vom Lagerschild 6 ist in 1 nur ein Lager 8 gezeigt, das am Lagerschild 6 angeordnet bzw. ausgebildet ist. Der Rotor 3 weist eine Rotorwelle 9 auf, die zumindest an dem Lagerschild 6 um eine Rotationsachse 10 drehbar gelagert ist. Der Rotor 6 weist außerdem eine Rotorspule 11 zum Erzeugen eines magnetischen Rotorfelds auf.
Das Energieübertragersystem 40 dient zur Übertragung elektrischer Energie von einer externen, geeigneten Energiequelle auf die Rotorspule 11. Hierzu ist das Energieübertragersystem 40 mit einem Energieübertrager 4 ausgestattet, der die Energieübertragung induktiv oder konduktiv bewirkt. Bei dem in den Figuren gezeigten Beispiel ist ein induktiver Energieübertrager 4 gezeigt, der eine bevorzugte Ausführungsform repräsentiert.
In den 1 und 2 ist demnach ein induktiver Energieübertrager 4 gezeigt, der die Energie induktiv auf die Rotorspule 11 überträgt. Dementsprechend handelt es sich hier um ein induktiv elektrisch erregte Synchronmaschine 1.
Der induktive Energieübertrager 4 ist mit einem Drehtransformator 12 ausgestattet, der im Schaltbild der 2 dargestellt ist. Der Drehtransformator 12 weist gemäß den 1 und 2 eine statorfeste primäre Transformatorspule 13 und eine rotorfeste sekundäre Transformatorspule 14 auf. In 2 deutet ein Pfeil 15 die stationäre Primärseite des Drehtransformators 12 an, während ein Pfeil 16 die rotierende Sekundärseite des Drehtransformators 12 andeutet. Ein Pfeil 17 deutet den Energiefluss im Betrieb der Synchronmaschine 1 an.
Im Schaltbild der 2 sind außerdem auf der Primärseite 15 ein Wechselrichter 18, sowie eine Gleichstromquelle angedeutet. Auf der Sekundärseite 16 sind ein Gleichrichter 20 und die Rotorspule 11 angedeutet.
Der Energieübertrager 4 ist hier außerdem mit einem statorfesten Ferritkern 21 ausgestattet der konzentrisch zur Rotationsachse 10 angeordnet ist. In diesem Ferritkern 21 ist die primäre Transformatorspule 13 ortsfest angeordnet. Die sekundäre Transformatorspule 14 ist im Ferritkern 21 drehbar angeordnet. Die Rotorwelle 9 durchsetzt den Ferritkern 21 und trägt auf einer in 1 angedeuteten Scheibe 22 die sekundäre Transformatorspule 14, die über diese Scheibe 22 drehfest mit der Rotorwelle 9 verbunden ist. Die primäre Transformatorspule 13 und der Ferritkern 21 repräsentieren jeweils eine statorfeste Komponente 37 des Energieübertragers 4. Bei einer anderen, nicht gezeigten Ausführungsform weist der Ferritkern 21 einen statorfesten Ferritkernteil und einen rotorfesten Ferritkernteil auf.
Gemäß den 3 bis 7 kann der Lagerschild 6 bezüglich des übrigen Statorgehäuses 5 als separates Bauteil konzipiert sein. Grundsätzlich ist auch eine Ausführungsform denkbar, bei welcher der Lagerschild 6 integral am Statorgehäuse 5 ausgeformt ist. Gemäß den 3 bis 7 weist der Lagerschild 6 zumindest einen Kühlmittelkanal 23 auf, der im Inneren des Lagerschilds 6 ausgebildet ist. Dabei ist der Kühlmittelkanal 23 unmittelbar im Werkstoff des Lagerschilds 6 ausgebildet, so dass ein durch den Kühlmittelkanal 23 strömendes Kühlmittel unmittelbar mit dem Werkstoff des Lagerschilds 6 in Kontakt steht. Das Kühlmittel ist vorzugsweise ein dielektrisches Öl oder ein Gemisch aus dielektrischem Öl und Luft. Der Lagerschild 6 weist außerdem einen Kühlmitteleinlass 24 sowie einen Kühlmittelauslass 25 auf.
Zur verbesserten Kühlung wenigstens einer statorfesten Komponente 37 des Energieübertragers 4 kann die jeweilige Komponente 37 in oder am Lagerschild 6 wärmeübertragend angeordnet sein. Hierzu kann der Lagerschild 6 gemäß den 4 und 5 eine Aufnahme 38 aufweisen, in die die jeweilige Komponente 37 eingesetzt ist. Die Aufnahme 38 besitzt eine Einfassung 39, die nach Art eines Kragens in der Umfangsrichtung 28 umläuft, die in den 1 und 3 bis 8 durch einen Doppelpfeil angedeutet ist und um die Rotationsachse 10 umläuft. Diese Einfassung 39 umgreift die in die Aufnahme 38 eingesetzte Komponente 37. Im konkreten Beispiel ist die Aufnahme 38 als Kernaufnahme 26 ausgestaltet, die zweckmäßig in Verbindungmit der Einfassung 39 komplementär zum Ferritkern 21 geformt ist.
Gemäß den 4 und 5 ist der Ferritkern 21 drehfest an bzw. im Lagerschild 6 wärmeübertragend angeordnet. Bevorzugt ist hierzu im Lagerschild 6 besagte Kernaufnahme 26 mit Einfassung 39 ausgebildet, die komplementär zum Ferritkern 21 geformt ist bzw. sind, so dass sich der Ferritkern 21 drehfest in die Kernaufnahme 26 einsetzen lässt. Die Kernaufnahme 26 und der Ferritkern 21 befinden sich bei den hier gezeigten bevorzugten Beispielen an einer axialen Außenseite des Lagerschilds 6, die vom Lagergehäuse 5 bzw. vom Rotor 3 abgewandt ist. Insbesondere ist der Lagerschild 6 dadurch axial zwischen dem Ferritkern 21 und dem Gleichrichter 20 angerordnet.
Die wärmeübertragende Kopplung zwischen dem Ferritkern und dem Lagerschild kann direkt durch eine vorgespannte Anlage und/oder indirekt durch die Verwendung von Wärmeleitmaterialien realisiert werden, wie zum Beispiel Wärmeleitpaste und Wärmeleitpads.
Wie sich den 3 bis 7 entnehmen lässt, ist der Kühlmittelkanal 23 in einem Ringbereich 27 des Lagerschilds 6 ausgebildet, der konzentrisch zum Ferritkern 21 und somit konzentrisch zur Rotationsachse 10 angeordnet ist. Der Kühlmittelkanal 23 erstreckt sich entlang des Ferritkerns 21 über wenigstens 180° in Umfangsrichtung 28. Die Rotationsachse 10 definiert dabei eine Axialrichtung der Synchronmaschine 1, wobei die Axialrichtung parallel zur Rotationsachse 10 verläuft. Eine Radialrichtung steht senkrecht auf der Rotationsachse 10.
Bei den hier gezeigten Beispielen der 3 bis 8 erstreckt sich der Kühlmittelkanal 23 in der Umfangsrichtung 28 über mindestens 360°. In den 3 bis 6 ist eine erste Ausführungsform gezeigt, bei welcher der Kühlmittelkanal 23 vom Kühlmitteleinlass 24 bis zum Kühlmittelauslass 25 quasi einen im Wesentlichen konstanten durchströmbaren Querschnitt aufweist, der im Beispiel rund, insbesondere kreisförmig ausgestaltet ist. Bei einer hier nicht gezeigten Ausführungsform kann der Kühlmittelkreis 23 spiralförmig konfiguriert sein, so dass er sich über mehr als 360° in der Umfangsrichtung 28 erstreckt. Der Kühlmittelkanal 23 kann sich zumindest teilweise innerhalb der weiter oben genannten Einfassung 39 in der Umfangsrichtung 28 erstrecken.
Gemäß den 3 bis 8 kann am Lagerschild 26 ein ringsegmentförmiger Kühlbereich 29 ausgebildet sein, der sich konzentrisch zum Ferritkern 21 über wenigstens 90° in der Umfangsrichtung 28 erstreckt. In den gezeigten Beispielen erstreckt sich dieser Kühlbereich 29 über etwa 180° in Umfangsrichtung 28.
Gemäß 7 kann sich der Kühlmittelkanal 23 bei einer zweiten Ausführungsform innerhalb dieses Kühlbereichs 29 mäanderförmig erstrecken. Gemäß 7 verläuft der Kühlmittelkanal 23 im Kühlbereich 29 zwischen einem radial inneren Innenende 30 des Kühlbereichs 29 und einem radial äußeren Außenende 31 des Kühlbereichs 29 hin und her.
Alternativ dazu kann der Kühlmittelkanal 23 im Kühlbereich 29 gemäß 8 bei einer dritten Ausführungsform einen flachen durchströmbaren Querschnitt 32 aufweisen. Dieser flache Querschnitt 32 erstreckt sich vom radial inneren Innenende 30 des Kühlbereichs 29 bis zum radial äußeren Außenende 31 des Kühlbereichs 29. Der durchströmbare Querschnitt 32 des Kühlmittelkanals 23 ist flach, da seine in Radialrichtung gemessene Breite größer, insbesondere mindestens 5 Mal größer, ist als seine in Axialrichtung gemessene Höhe.
In den beiden Fällen der zweiten und dritten Ausführungsform wird dadurch eine großflächige Kühlung des Kühlbereichs 29 am Lagerschild 6 geschaffen. Gemäß 9 kann optional vorgesehen sein, dass im flachen Querschnitt 32 des Kühlmittelkanals 23, also innerhalb des Kühlbereichs 29 eine Kühlstruktur 33 angeordnet ist, welche die Wärmeübertragung zwischen dem Lagerschild 6 und dem Kühlmittel verbessert. Die Kühlstruktur 33 kann mit Rippen, Noppen, Stiften und dergleichen sowie mit einer beliebigen Kombination daraus gebildet sein.
Die Synchronmaschine 1 weist eine Leistungselektronik 34 auf, die mehrere Komponenten 35 besitzt. Beispielsweise bildet der Wechselrichter 18 des Drehtransformators 12 eine solche Komponente 35 der Leistungselektronik 34. Auch für die Bestromung der Statorspule 7 sowie zum Steuern der Synchronmaschine 1 können weitere Komponenten der Leistungselektronik 34 vorgesehen sein, die hier jedoch nicht gezeigt sind.
Am Lagerschild 6 kann im Ringbereich 27 bzw. im Kühlbereich 29 ein Montagebereich für wenigstens eine Komponente 35 der Leistungselektronik 34 geschaffen werden. Durch die Kühlung des Lagerschilds 6 und insbesondere durch die intensive Kühlung des Kühlbereichs 29 kann eine Überhitzung der jeweiligen Komponente 35 der Leistungselektronik 34 effizient verhindert werden. Insbesondere lässt sich auch Abwärme dieser Komponente 35 effizient abführen.
Die wärmeübertragende Kopplung zwischen dem Ferritkern und dem Lagerschild einerseits und zwischen der jeweiligen Komponente 35 der Leistungselektronik 34 andererseits kann durch eine vorgespannte Anlage und/oder durch die Verwendung von hier nicht gezeigten Wärmeleitmaterialien realisiert werden, wie zum Beispiel Wärmeleitpaste und Wärmeleitpads.
Der Lagerschild 6 kann ein Gussteil sein, das mit integriertem Kühlmittelkanal 23 beispielsweise mit verlorenem Gusskern herstellbar ist. Ebenso kann der Lagerschild 6 ein 3D-Druckteil sein. Ebenso ist denkbar, den Lagerschild 6 mehrteilig zu konfigurieren, um den Kühlmittelkanal 23 darin auszubilden.
Bei den hier gezeigten Beispielen ist der Kühlmitteleinlass 24 radial orientiert und an einem radialen Außenumfang 36 des Lagerschilds 6 angeordnet. Im Unterschied dazu ist in den Beispielen der Kühlmittelauslass 35 axial orientiert und an einer Innenseite des Lagerschilds 6 angeordnet, die im montierten Zustand dem Statorgehäuse 5 und nur in 6 dem Betrachter zugewandt ist. Hierdurch lässt sich der Kühlmittelkanal 23 über den Kühlmittelauslass 25 besonders einfach an einen hier nicht gezeigten Kühlmitteleinlass einer hier nicht gezeigten Rotorkühlung anschließen, die beispielsweise einen durch die Rotorwelle 9 hindurchgeführten Rotorkühlmittelkanal aufweist.
Bei den hier gezeigten Beispielen ist der Ferritkern 21 und/oder die jeweilige Komponente 35 der Leistungselektronik 34 an einer vom Statorgehäuse 5 abgewandten Außenseite angeordnet.

Claims

Elektrisch erregte Synchronmaschine (1), - mit einem Stator (2), der ein Statorgehäuse (5) mit wenigstens einem axial stirnseitigen Lagerschild (6) und eine Statorspule (7) zum Erzeugen eines magnetischen Statorfelds aufweist, - mit einem Rotor (3), der eine zumindest an dem Lagerschild (6) um eine Rotationsachse (10) drehbar gelagerte Rotorwelle (9) und eine Rotorspule (11) zum Erzeugen eines magnetischen Rotorfelds aufweist, - mit einem Energieübertragersystem (4), das einen Energieübertrager (4) zur Übertragung elektrischer Energie auf die Rotorspule (11) aufweist, - wobei der Lagerschild (6) wenigstens einen Kühlmittelkanal (23) enthält und einen Kühlmitteleinlass (24) sowie einen Kühlmittelauslass (25) aufweist, so dass der Lagerschild (6) mit einem durch den Kühlmittelkanal (23) geführten Kühlmittel aktiv gekühlt ist - wobei wenigstens eine Komponente (35) einer statorfesten Leistungselektronik (34) der Synchronmaschine (1) am Lagerschild (6) wärmeübertragend angeordnet ist.
Synchronmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, - dass der Kühlmittelkanal (23) in einem konzentrisch zur Rotationsachse (10) angeordneten Ringbereich (27) des Lagerschilds (6) verläuft und sich darin über wenigstens 180° in Umfangsrichtung (28) erstreckt, - dass die jeweilige Komponente (35) der Leistungselektronik (34) in diesem Ringbereich (27) am Lagerschild (6) wärmeübertragend angeordnet ist.
Synchronmaschine (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, - dass der Kühlmittelkanal (23) in einem ringsegmentförmigen und konzentrisch zur Rotationsachse (10) angeordneten Kühlbereich (29) des Lagerschilds (6) verläuft, der sich über wenigstens 90° in Umfangsrichtung (28) erstreckt, - dass die jeweilige Komponente (35) der Leistungselektronik (34) in diesem Kühlbereich (29) wärmeübertragend am Lagerschild (6) angeordnet ist.
Synchronmaschine (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Kühlmittelkanal (23) im Kühlbereich (29) mäanderförmig erstreckt und zwischen einem radial inneren Innenende (30) des Kühlbereichs (29) und einem radial äußeren Außenende (31) des Kühlbereichs (29) hin und her verläuft.
Synchronmaschine (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkanal (23) im Kühlbereich (29) einen flachen durchströmbaren Querschnitt (32) aufweist, der sich von einem radial inneren Innenende (30) des Kühlbereichs (29) bis zu einem radial äußeren Außenende (31) des Kühlbereichs (29) erstreckt.
Synchronmaschine (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im flachen Querschnitt (32) des Kühlmittelkanals (23) eine Kühlrippenstruktur (33) angeordnet oder ausgebildet ist.
Synchronmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Energieübertrager (4) zur induktiven Übertragung elektrischer Energie einen Drehtransformator (12) aufweist, der eine statorfeste primäre Transformatorspule (13) eine rotorfeste sekundäre Transformatorspule (14) und einen konzentrisch zur Rotationsachse (10) angeordneten, zumindest teilweise statorfesten Ferritkern (21) aufweist, in dem die primäre Transformatorspule (13) ortsfest angeordnet und in oder an dem die sekundäre Transformatorspule (14) drehbar angeordnet ist.
Synchronmaschine (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ferritkern (21) zumindest teilweise drehfest in dem Lagerschild (6) wärmeübertragend angeordnet ist, so dass der Kühlmittelkanal (23) radial außerhalb des Ferritkerns (21) im Lagerschild (6) verläuft.
Synchronmaschine (1) nach den Ansprüchen 2 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Ferritkern (21) konzentrisch im Ringbereich (27) angeordnet ist.
Synchronmaschine (1) nach Anspruch 8 oder 9 sowie nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ferritkern (21) konzentrisch zum Kühlbereich (29) angeordnet ist.
Synchronmaschine (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerschild (6) eine Kernaufnahme (26) aufweist, in welcher der Ferritkern (21) angeordnet ist.
Synchronmaschine (1) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernaufnahme (26) eine Einfassung (39) aufweist, deren radiale Innenkontur an eine radiale Außenkontur des Ferritkerns (21) angepasst ist.
Synchronmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, - dass das Statorgehäuse (5) keine Statorkühlung mit im Statorgehäuse (5) verlaufendem Statorkühlmittelkanal aufweist, oder - dass das Statorgehäuse (5) eine Statorkühlung mit im Statorgehäuse (5) verlaufendem Statorkühlmittelkanal aufweist, der vom Kühlmittelkanal (23) des Lagerschilds (6) fluidisch getrennt ist, oder - dass die Synchronmaschine (1) als nasslaufende Elektromaschine ausgestaltet ist, wobei ein Kühlkreis der Synchronmaschine (1) ein Kühlmittel durch einen Innenraum des Statorgehäuses (5) führt, in dem der Rotor (3) mit dem Kühlmittel in Kontakt steht, wobei der Kühlkreis mit dem Kühlmittelkanal (23) des Lagerschilds (6) fluidisch gekoppelt ist.
Synchronmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (3) eine Rotorkühlung mit einem im Rotor (3) verlaufenden Rotorkühlmittelkanal aufweist, der mit dem Kühlmittelkanal (23) des Lagerschilds (6) fluidisch gekoppelt ist.