DE102022111413A1

DE102022111413A1 - Rotor für eine elektrische Traktionsmaschine eines Kraftfahrzeugs sowie elektrische Traktionsmaschine

Info

Publication number: DE102022111413A1
Application number: DE102022111413.9A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Wolf; Benjamin Krank
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2022-05-09
Filing date: 2022-05-09
Publication date: 2023-11-09
Also published as: WO2023217471A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rotor (12) für eine elektrische Traktionsmaschine eines Kraftfahrzeugs, mit einem Rotorgrundkörper (14), welcher ein Blechpaket (16) und mehrere sich durch das Blechpaket (16) hindurch erstreckende Rotorwicklungen (22) umfasst, und wenigstens einem Stirnseitenbauteil (10), welches stirnseitig an dem Rotorgrundkörper (14) angeordnet ist, die Rotorwicklungen (22) axial nach außen überdeckt und an seiner dem Rotorgrundkörper (14) zugewandten Seite in seiner Geometrie mit einer Außenkontur der Rotorwicklungen (22) korrespondiert.

Description

Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Traktionsmaschine eines Kraftfahrzeugs sowie eine elektrische Traktionsmaschine für ein Kraftfahrzeug.
Eine effektive Rotorkühlung von elektrischen Antriebsmaschinen stellt eine Hauptanforderung für eine hohe Dauerleistung dar, insbesondere bei stromerregten Synchronmaschinen sowie bei Asynchronmaschinen. Eine hohe Dauerleistung ist essentiell für ein dynamisches Fahrverhalten wie beispielsweise einer dynamischen Landstraßenfahrt. Eine zu schnelle Erwärmung des Rotors kann zu einer Degradation des Antriebs führen. Hierdurch können wesentliche Fahrzeugziele gegebenenfalls nicht erreicht werden. Eine verbesserte Rotorkühlung ermöglicht eine deutlich gesteigerte Dauerleistung bei gegebenen Abmessungen einer Traktionsmaschine.
Die EP 3 068 021 A1 offenbart eine elektrische Drehmaschine mit einem eingebauten Permanentmagneten, welche einen Stator sowie einen Rotor umfasst. Der Rotor umfasst einen ringförmigen Rotorkern, eine Welle, welche in einer zentralen Öffnung des Rotorkerns eingepresst ist, mehrere Permanentmagneten und zwei Endplatten, die auf die Welle aufgepresst und hierdurch an der Welle befestigt sind und derart angeordnet sind, dass sie die beiden jeweiligen axialen Endflächen des Rotorkerns berühren.
Weiterhin offenbart die WO 2018/137955 A1 eine elektrische Maschine mit einem auf einer Rotorwelle drehfest angeordneten Rotor und einem Stator. In der Rotorwelle ist eine axiale Kühlmittelversorgungsleitung angeordnet. Der Rotor ist als geblechter Rotor ausgeführt und eine radiale Kühlmittelversorgungsleitung der elektrischen Maschine ist kühlmittelleitend mit mindestens einem Blechzwischenraum des geblechten Rotors verbunden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Lösung zu schaffen, welche ein besonders effizientes Kühlen eines Rotors einer elektrischen Traktionsmaschine ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Weitere mögliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren offenbart.
Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Traktionsmaschine eines Kraftfahrzeugs. Die elektrische Traktionsmaschine ist dazu eingerichtet, Teil eines elektrischen Antriebsstrangs des Kraftfahrzeugs zu sein und das Kraftfahrzeug mittels elektrischer Energie anzutreiben. Der Rotor kann auch als Läufer bezeichnet werden. Zusätzlich zu dem Rotor kann die elektrische Traktionsmaschine einen Stator umfassen, relativ zu welchem der Rotor bei einem Betrieb der elektrischen Traktionsmaschine um eine Rotationsachse rotiert. Der Rotor umfasst einen Rotorgrundkörper, welcher ein Blechpaket und mehrere sich durch das Blechpaket hindurch erstreckende Rotorwicklungen aufweist.
Des Weiteren umfasst der Rotor wenigstens ein Stirnseitenbauteil, welches stirnseitig an dem Rotorgrundkörper angeordnet ist. Dieses Stirnseitenbauteil überdeckt die Rotorwicklungen axial nach außen und korrespondiert an seiner dem Rotorgrundkörper zugewandten Seite in seiner Geometrie mit einer Außenkontur der Rotorwicklungen. Die axiale Richtung des Rotors fällt mit der Rotationsachse des Rotors zusammen. Das bedeutet, dass das Stirnseitenbauteil entlang der Rotationsachse des Rotors die Rotorwicklungen nach vorne beziehungsweise nach hinten überdeckt. Insbesondere umfasst der Rotor zwei Stirnseitenbauteile, welche an zueinander axial gegenüberliegenden Stirnseiten des Rotorgrundkörpers angeordnet sind.
Unter den jeweiligen Rotorwicklungen werden die jeweils gemeinsam in einer Nut des Blechpakets verlaufenden Leiter verstanden, welche stirnseitig des Rotorgrundkörpers von einer Nut des Blechpakets in eine weitere Nut des Blechpakets umgebogen sind, wodurch die Rotorwicklung im Bereich dieser Umbiegung U-förmig ausgestaltet ist. Mit diesem U-förmig ausgestalteten Bereich der jeweiligen Rotorwicklung korrespondiert die dem Rotorgrundkörper zugewandte Seite des Stirnseitenbauteils. Unter dem Korrespondieren der Rotorwicklungen mit der dem Rotorgrundkörper zugewandten Seite des Stirnseitenbauteils ist zu verstehen, dass die Geometrie des Stirnseitenbauteils an seiner dem Rotorgrundkörper zugewandten Seite mit der Außenkontur der Rotorwicklungen zusammenpasst, wodurch das Stirnseitenbauteil besonders nahe an die Rotorwicklungen herangeführt werden kann, wodurch ein Spalt zwischen den Rotorwicklungen und dem Stirnseitenbauteil besonders klein gehalten werden kann.
Das wenigstens eine Stirnseitenbauteil ist dazu eingerichtet, über Wärmeleitung Wärme von den Rotorwicklungen abzutransportieren, wodurch die Rotorwicklungen gekühlt werden. Aufgrund der mit der Außenkontur der Rotorwicklungen korrespondierenden Geometrie des Stirnseitenbauteils auf seiner dem Rotorgrundkörper zugewandten Seite kann das Stirnseitenbauteil besonders nah an den jeweiligen Rotorwicklungen angeordnet werden, wodurch Wärme von den Rotorwicklungen über das Stirnseitenbauteil besonders schnell und über eine besonders große Fläche des Stirnseitenbauteils abtransportiert werden kann. Hierdurch kann eine besonders effiziente Kühlung der Rotorwicklungen des Rotors erreicht werden, wodurch wiederum die elektrische Traktionsmaschine besonders effizient, insbesondere mit einer besonders hohen Dauerleistung, betrieben werden kann.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Stirnseitenbauteil für jede Rotorwicklung eine Einbuchtung aufweist, deren Oberflächenkontur mit der Außenkontur der jeweiligen zugeordneten Rotorwicklung korrespondiert. Hierbei korrespondiert die jeweilige Einbuchtung mit dem jeweiligen U-förmigen Bereich der jeweiligen zugeordneten Rotorwicklung. Die jeweiligen U-förmigen Bereiche der Rotorwicklungen stehen über das Blechpaket des Rotorgrundkörpers zumindest bereichsweise über und weisen somit eine den Einbuchtungen besonders ähnliche Geometrie auf. Infolgedessen kann das Stirnseitenbauteil durch Überstülpen der jeweiligen Einbuchtungen über zugeordnete Rotorwicklungen besonders nahe an den Rotorgrundkörper angelegt werden. Hierdurch kann ein besonders effizienter Wärmeabtransport von den Rotorwicklungen über das Stirnseitenbauteil und infolgedessen eine besonders effiziente Kühlung des Rotors erfolgen.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Stirnseitenbauteil an seiner dem Rotorgrundkörper zugewandten Seite mit einer elektrisch isolierenden Isolationsschicht beschichtet ist. Mittels dieser Isolationsschicht sind die Rotorwicklungen axial nach außen elektrisch isoliert. Ein Leiten von Strom über das Stirnseitenbauteil kann somit durch die Isolationsschicht besonders gut unterbunden werden. Hierdurch ist ein besonders sicherer Betrieb des Rotors möglich.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Stirnseitenbauteil an seiner dem Rotorgrundkörper zugewandten Seite gerippt ausgebildet ist. Unter der gerippten Ausgestaltung des Stirnseitenbauteils ist zu verstehen, dass das Stirnseitenbauteil an seiner dem Rotorgrundkörper zugewandten Seite mehrere Rippen, insbesondere eine Vielzahl an Rippen, aufweist. Insbesondere erstreckt sich eine Höhe der Rippen in axialer Richtung des Rotors. Die Höhe verläuft von einem Fuß der jeweiligen Rippe auf kürzestem Weg zu einem freien Ende der jeweiligen Rippe. Die Rippen ermöglichen zum einen eine besonders stabile Ausgestaltung des Stirnseitenbauteils bei einem besonders geringen Gewicht des Stirnseitenbauteils und zum anderen eine besonders große Oberfläche des Stirnseitenbauteils an seiner dem Rotorgrundkörper zugewandten Seite. Über die besonders große Oberfläche des Stirnseitenbauteils an seiner dem Rotorgrundkörper zugewandten Seite kann das Stirnseitenbauteil besonders viel Wärme von dem Rotorgrundkörper aufnehmen, wodurch der Rotorgrundkörper besonders gut gekühlt werden kann.
Weiterhin ermöglicht die gerippte Ausgestaltung des Stirnseitenbauteils an seiner dem Rotorgrundkörper zugewandten Seite, dass das Stirnseitenbauteil in einem Druckgussverfahren hergestellt werden kann. Um einen Verzug des Stirnseitenbauteils bei einer Herstellung im Druckgussverfahren während eines Aushärtens besonders gering zu halten, sind große Materialansammlungen zu vermeiden. Dies wird durch das Vorsehen von Rippen umgesetzt. Weiterhin ermöglicht die Ausgestaltung des Stirnseitenbauteils mit Rippen gleicher Dicke ein gleichmäßiges Aushärten des Stirnseitenbauteils beim Druckgießen, wodurch eine Wahrscheinlichkeit für ein Entstehen von Lunkern besonders gering gehalten werden kann. Die gerippte Ausgestaltung des Stirnseitenbauteils ermöglicht somit ein Herstellen des Stirnseitenbauteils in einem Druckgießverfahren mit besonders wenigen Lunkern.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Stirnseitenbauteil aus Metall gebildet ist. Hierbei kann das Stirnseitenbauteil lediglich aus einem einzigen Metall oder aus einer Legierung gebildet sein, welche wenigstens ein Metall umfasst. Dadurch, dass das Stirnseitenbauteil Metall umfasst, weist das Stirnseitenbauteil eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Infolgedessen kann mittels des Stirnseitenbauteils besonders schnell besonders viel Wärme von den Rotorwicklungen abtransportiert werden, wodurch die Rotorwicklungen besonders gut gekühlt werden können.
In diesem Zusammenhang ist es in einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass das Stirnseitenbauteil aus Aluminium gebildet ist. Hierbei kann das Stirnseitenbauteil beispielsweise im Rahmen eines Aluminiumdruckgussverfahrens aus Aluminium hergestellt werden. Aufgrund des Bildens des Stirnseitenbauteils aus Aluminium ist das Stirnseitenbauteil besonders gewichtsarm ausgebildet. Weiterhin weist Aluminium eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit auf, wodurch mittels des Stirnseitenbauteils Wärme besonders schnell von den Rotorwicklungen abtransportiert werden kann. Hierdurch wird eine besonders effiziente Kühlung der Rotorwicklungen ermöglicht.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass wenigstens eine Kavität zwischen dem Rotorgrundkörper und dem Stirnseitenbauteil mit einer Vergussmasse gefüllt ist. Mit anderen Worten ist ein Spalt zwischen dem Stirnseitenbauteil und dem Rotorgrundkörper, insbesondere zwischen dem Stirnseitenbauteil und den Rotorwicklungen, mit der Vergussmasse aufgefüllt. Hierdurch kann ein Ausbilden einer wärmeisolierenden Luftschicht zwischen dem Stirnseitenbauteil und dem Rotorgrundkörper vermieden werden. Die Vergussmasse dient somit zum einen einer elektrischen Isolation der Rotorwicklungen und zum anderen einer Wärmeleitung von den Rotorwicklungen zum Stirnseitenbauteil. Insbesondere durch eine Kombination der Vergussmasse mit der Isolationsschicht, welche an der dem Rotorkörper zugewandten Seite des Stirnseitenbauteils angeordnet ist, sind die Rotorwicklungen besonders gut nach außen elektrisch isoliert. Beispielsweise bei auftretenden Haarrissen in der Vergussmasse stellt die Isolationsschicht das elektrische Isolieren der Rotorwicklungen sicher. Durch das Auffüllen der Kavität zwischen dem Rotorgrundkörper und dem Stirnseitenbauteil mit der Vergussmasse können das Stirnseitenbauteil und der Rotorgrundkörper zueinander in ihrer Ausrichtung fixiert werden. Ein Verrutschen des Stirnseitenbauteils relativ zu dem Rotorgrundkörper kann somit zumindest im Wesentlichen vermieden werden. Hierdurch ist das Stirnseitenbauteil besonders sicher relativ zu dem Rotorgrundkörper fixiert. Infolgedessen kann ein besonders guter Wärmeabtransport von den Rotorwicklungen über das Stirnseitenbauteil sichergestellt werden.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Stirnseitenbauteil an seiner dem Rotorgrundkörper zugewandten Seite entlang seiner Außengeometrie einen konstanten Abstand zu den Rotorwicklungen aufweist. Mit anderen Worten weist ein zwischen den Rotorwicklungen und dem Stirnseitenbauteil auftretender Spalt, welcher zu seinen gegenüberliegenden Seiten von den Rotorwicklungen beziehungsweise von dem Stirnseitenbauteil begrenzt wird, eine zumindest im Wesentlichen konstante Breite auf. Hierdurch wird ein gleichmäßiger Wärmeabtransport über die Außenkontur der jeweiligen Rotorwicklung ermöglicht. Weiterhin wird ein gleichmäßiger Wärmeabtransport von dem Rotorgrundkörper über sämtliche Rotorwicklungen ermöglicht. Hierdurch wird eine besonders gleichmäßige Kühlung der Rotorwicklungen ermöglicht und sogenannte Hotspots können besonders zuverlässig vermieden werden.
Die Erfindung betrifft des Weiteren eine elektrische Traktionsmaschine für ein Kraftfahrzeug. Diese elektrische Traktionsmaschine umfasst einen Stator, eine Hohlwelle und einen Rotor, wie er bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Rotor beschrieben worden ist. Der Rotor umschließt die Hohlwelle über einen axialen Längenabschnitt radial. Der Rotor ist insbesondere drehfest zur Hohlwelle, insbesondere auf der Hohlwelle, angeordnet. Bei einem Betrieb der elektrischen Traktionsmaschine dreht sich somit der Rotor gemeinsam mit der Hohlwelle um die Rotationsachse. Die Hohlwelle ist dazu eingerichtet, von einem Kühlfluid durchströmt zu werden, wodurch der Rotor über die Hohlwelle gekühlt werden kann. Der Rotorgrundkörper kann somit sowohl über die Hohlwelle als auch über das wenigstens eine Stirnseitenbauteil gekühlt werden, wodurch eine besonders effiziente Kühlung der Rotorwicklungen erreicht werden kann.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Hohlwelle wenigstens eine Radialbohrung aufweist, über welche bei einem Betrieb der Traktionsmaschine ein Kühlfluid aus der Hohlwelle austritt, um an einer Stirnseite des Rotors entlangzuströmen. Insbesondere strömt das aus der Hohlwelle ausgetretene Kühlfluid entlang einer Stirnseite des Stirnseitenbauteils. Hierbei strömt das Kühlfluid an einer den Rotorwicklungen abgewandten Seite des Stirnseitenbauteils entlang und nimmt beim Entlangströmen an der Stirnseite des Stirnseitenbauteils Wärme von dem Stirnseitenbauteil auf, wodurch das Stirnseitenbauteil gekühlt wird. Mittels des an der Stirnseite des Stirnseitenbauteils entlangströmenden Kühlfluids wird somit die über das Stirnseitenbauteil von den Rotorwicklungen aufgenommene Wärme von dem Stirnseitenbauteil abtransportiert. Die Hohlwelle kann insbesondere mehrere Radialbohrungen um deren Umfang aufweisen, wodurch besonders viel Kühlfluid gleichmäßig über den Umfang der Hohlwelle aus der Hohlwelle austreten und über die Stirnseite des Stirnseitenbauteils strömen kann. Hierdurch wird eine besonders gleichmäßige Kühlung des Stirnseitenbauteils ermöglicht. Bei dem Kühlfluid handelt es sich insbesondere um eine Kühlflüssigkeit wie beispielsweise Öl. Mittels des Kühlfluids kann somit das Stirnseitenbauteil besonders gut gekühlt werden, wodurch wiederum Wärme besonders effizient von den Rotorwicklungen abtransportiert werden kann. Hierdurch wird ein besonders effizienter Betrieb der elektrischen Traktionsmaschine ermöglicht.
Des Weiteren kann erfindungsgemäß ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors, wie er bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Rotor beschrieben worden ist, vorgesehen sein. Bei dem Verfahren werden für ein Herstellen des Rotorgrundkörpers mehrere Rotorwicklungen durch das Blechpaket hindurch gelegt. Weiterhin wird das wenigstens eine Stirnseitenbauteil stirnseitig an dem Rotorgrundkörper angeordnet, insbesondere besonders nah an die Rotorwicklungen angelegt. Hierdurch kann ein Spalt zwischen den jeweiligen Rotorwicklungen und dem zugeordneten Stirnseitenbauteil besonders gering gehalten werden, wodurch Wärme von den Rotorwicklungen des Rotors besonders gut über das Stirnseitenbauteil von den Rotorwicklungen abtransportiert werden kann.
Weitere Merkmale der Erfindung können sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung ergeben. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung und/oder in den Figuren allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:

1 eine schematische Perspektivansicht eines Stirnseitenbauteils für einen Rotor für eine elektrische Traktionsmaschine eines Kraftfahrzeugs, wobei das Stirnseitenbauteil dazu eingerichtet ist, stirnseitig an einem Rotorgrundkörper des Rotors angeordnet zu werden und mehrere Einbuchtungen auf seiner dem Rotorgrundkörper zugewandten Seite aufweist, welche in ihrer Form mit einer Außenkontur von Rotorwicklungen des Rotorgrundkörpers korrespondieren, wodurch das Stirnseitenbauteil besonders nah an den Rotorgrundkörper, insbesondere an die Rotorwicklungen des Rotorgrundkörpers, angelegt werden kann;
2 eine schematische Perspektivansicht des Rotors mit einem Teilschnitt durch eine Rotorwicklung des Rotors, wobei das Stirnseitenbauteil stirnseitig an dem Rotorgrundkörper angeordnet ist und das Stirnseitenbauteil die Rotorwicklung axial in einer Erstreckungsrichtung einer Rotationsachse des Rotors nach außen überdeckt, wobei das Stirnseitenbauteil derart an dem Rotorgrundkörper angeordnet ist, dass ein Umlenkbereich der Rotorwicklung in eine zugeordnete Einbuchtung des Stirnseitenbauteils hineinragt, wobei die Rotorwicklung in dem Umlenkbereich in ihrem axialen Längsschnitt U-förmig ausgebildet ist und von einer ersten Nut eines Blechpakets des Rotorgrundkörpers in eine zweite Nut des Blechpakets umgelenkt ist und die Außenkontur der Rotorwicklung im Umlenkbereich mit der Oberflächenkontur der Einbuchtung des Stirnseitenbauteils korrespondiert; und
3 eine schematische Schnittansicht des Rotors gemäß 2, wobei zwischen den jeweiligen Rotorwicklungen und den zugeordneten Einbuchtungen in dem zusammengebauten Zustand des Rotors ein Spalt besteht, welcher eine zumindest im Wesentlichen konstante Breite aufweist.

In den Figuren sind gleiche und funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist ein Stirnseitenbauteil 10 für einen in 2 und in 3 in jeweils unterschiedlichen Darstellungen gezeigten Rotor 12 dargestellt. Dieser Rotor 12 ist Teil einer elektrischen Traktionsmaschine, welche dazu eingerichtet ist, ein Kraftfahrzeug anzutreiben. Zusätzlich zu dem Rotor 12 umfasst die Traktionsmaschine einen Stator, relativ zu welchem der Rotor 12 bei einem Betrieb der Traktionsmaschine um eine Rotationsachse 28 rotiert wird.
Der Rotor 12 umfasst zusätzlich zu dem Stirnseitenbauteil 10 einen Rotorgrundkörper 14. Das Stirnseitenbauteil 10 kann als Stützring ausgebildet sein, wobei der Stützring den Rotorgrundkörper 14 insbesondere bei einem Betrieb der elektrischen Traktionsmaschine mechanisch stützt und stabilisiert. Der Rotorgrundkörper 14 umfasst ein Blechpaket 16, das von mehreren Nuten 18 durchzogen ist. Jede der Nuten 18 ist von mehreren Leitern 20 durchzogen, wobei sämtliche Leiter 20 in einer Nut 18 gemeinsam eine Rotorwicklung 22 bilden. Die Rotorwicklung 22, die in 2 erkannt werden kann, erstreckt sich durch eine erste Nut 18 des Blechpakets 16 hindurch und wird stirnseitig des Blechpakets 16 in eine zweite Nut 18 des Blechpakets 16 in einem Umlenkbereich 24 umgelenkt. In diesem Umlenkbereich 24, in welchem die Rotorwicklung 22 von der ersten Nut 18 in die zweite Nut 18 umgelenkt und somit rund umgebogen ist, weist die Rotorwicklung 22 einen U-förmigen Längsschnitt auf. Die jeweiligen Rotorwicklungen 22 weisen den U-förmigen Längsschnitt bei einem Schnitt in Erstreckungsrichtung der Rotationsachse 28 auf, wie in 2 erkannt werden kann. In diesem Umlenkbereich 24 steht die jeweilige Rotorwicklung 22 über das Blechpaket 16 stirnseitig über.
Um einen besonders guten Wärmeabtransport von den jeweiligen Rotorwicklungen 22 zu ermöglichen, ist es vorgesehen, dass das Stirnseitenbauteil 10, welches bei dem zusammengebauten Rotor 12 stirnseitig an dem Rotorgrundkörper 14 angeordnet ist, an seiner dem Rotorgrundkörper 14 zugewandten Seite in seiner Geometrie mit der Außenkontur der Rotorwicklungen 22 korrespondiert. Hierfür weist das Stirnseitenbauteil 10, wie in 1 besonders gut erkannt werden kann, für jede Rotorwicklung 22 eine Einbuchtung 26 auf. Das Stirnseitenbauteil 10 wird mit den jeweilige Einbuchtungen 26 die jeweils zugeordneten Rotorwicklungen 22 in dem Umlenkbereich 24 überstülpend an dem Rotorgrundkörper 14 angeordnet. Wie in den 2 und 3 besonders gut erkannt werden kann, kann das Stirnseitenbauteil 10 mit seiner dem Rotorgrundkörper 14 zugewandten Seite besonders nah an die jeweiligen Rotorwicklungen 22 angelegt werden aufgrund der mit der Außenkontur der jeweiligen zugeordneten Rotorwicklung 22 korrespondierenden Oberflächenkonturen der zugeordneten Einbuchtungen 26 des Stirnseitenbauteils 10. Wie in den 2 und 3 besonders gut erkannt werden kann, besteht lediglich ein besonders geringer Abstand zwischen den Leitern 20 der jeweiligen Rotorwicklungen 22 und der dem Rotorgrundkörper 14 zugewandten Seite des Stirnseitenbauteils 10. Insbesondere weist das Stirnseitenbauteil 10 einen zumindest im Wesentlichen konstanten Abstand zu den Leitern 20 der jeweiligen Rotorwicklungen 22 im Umlenkbereich 24 auf. Hierdurch kann über das Stirnseitenbauteil 10 ein besonders gleichmäßiger Wärmeabtransport von den Rotorwicklungen 22 erfolgen.
Die Einbuchtungen 26 weisen vorliegend eine Zylindermantelflächenform auf, wobei eine Mittelachse der Zylindermantelflächenform in radialer Richtung relativ zu der Rotationsachse 28 des Rotors 12 verläuft. Hierbei verjüngt sich die Zylindermantelflächenform der jeweiligen Einbuchtungen 26 zur Rotationsachse 28 hin. Das Stirnseitenbauteil 10 ist vorliegend zumindest im Bereich der Einbuchtungen 26 aus einem Metall, vorliegend Aluminium, gebildet. Hierdurch kann Wärme besonders schnell von den Rotorwicklungen 22 über das Stirnseitenbauteil 10 abtransportiert werden.
Um eine isolierende Luftschicht zwischen den jeweiligen Rotorwicklungen 22 und dem Stirnseitenbauteil 10 zu vermeiden, wird in jeweilige Zwischenräume zwischen den Rotorwicklungen 22 und dem Stirnseitenbauteil 10 eine Vergussmasse gefüllt. Diese Vergussmasse kann zusätzlich einer elektrischen Isolierung der Rotorwicklungen 22 dienen. Um das elektrische Isolieren der Rotorwicklungen 22 auch bei in der Vergussmasse auftretenden Haarrissen zu gewährleisten, kann das Stirnseitenbauteil 10 an seiner dem Rotorgrundkörper 14 zugewandten Seite mit einer elektrisch isolierenden Isolationsschicht beschichtet sein. Um ein Druckgießen des Stirnseitenbauteils 10 aus dem Metall, insbesondere aus Aluminium, zu ermöglichen, kann das Stirnseitenbauteil 10 an seiner dem Rotorgrundkörper 14 in Einbaulage zugewandten Seite gerippt ausgebildet sein. Das bedeutet, dass das Stirnseitenbauteil 10 an seiner dem Rotorgrundkörper 14 zugewandten Seite eine Vielzahl an in den Fig. nicht gezeigten Rippen aufweisen kann, wobei mehrere Rippen gemeinsam jeweilige Einbuchtungen 26 des Stirnseitenbauteils 10 begrenzen können. Durch die zumindest bereichsweise gerippte Ausgestaltung des Stirnseitenbauteils 10 können große Materialansammlungen des Stirnseitenbauteils 10 vermieden werden, wodurch beim Druckgießen des Stirnseitenbauteils 10 aus Aluminium das Ausbilden von Lunkern zumindest im Wesentlichen vermieden werden kann. Darüber hinaus kann das Stirnseitenbauteil 10 besonders stabil bei einem besonders geringen Gewicht ausgebildet werden.
Wie in den 2 und 3 erkannt werden kann, sitzt der Rotor 12 bei seinem Einbau in der elektrischen Traktionsmaschine drehfest auf einer Hohlwelle 30 auf. Gemeinsam mit der Hohlwelle 30 wird der Rotor 12 bei einem Betrieb der elektrischen Traktionsmaschine um die Rotationsachse 28 rotiert. Die Hohlwelle 30 weist in ihrem Inneren einen Hohlraum 32 auf, in welchen ein Kühlfluid einströmen kann, um die Hohlwelle 30 und über die Hohlwelle 30 das Blechpaket 16 von innen zu kühlen. Die Hohlwelle 30 weist weiterhin wenigstens eine Radialbohrung 34 auf, über welche in dem Hohlraum 32 strömendes Kühlfluid aus der Hohlwelle 30 austreten kann. Das aus der wenigstens einen Radialbohrung 34 austretende Kühlfluid strömt entlang der dem Rotorgrundkörper 14 abgewandten Stirnseite 36 des Stirnseitenbauteils 10. Die Stirnseite 36 des Stirnseitenbauteils 10 ist der dem Rotorgrundkörper 14 zugewandten Seite des Stirnseitenbauteils 10 in axialer Richtung gegenüberliegend. Insbesondere kann das aus der Hohlwelle 30 über die wenigstens eine Radialbohrung 34 austretende Kühlfluid auf die Stirnseite 36 des Stirnseitenbauteils 10 sprühen, wodurch eine besonders gleichmäßige Benetzung der Stirnseite 36 mit dem Kühlfluid erreicht wird. Bei dem Kühlfluid handelt es sich vorliegend um Öl. Durch das Entlangströmen des Kühlfluids an der Stirnseite 36 des Stirnseitenbauteils 10 wird das Stirnseitenbauteil 10 gekühlt. Es wird somit von dem Kühlfluid über die Stirnseite 36 des Stirnseitenbauteils 10 Wärme von dem Stirnseitenbauteil 10 abtransportiert und hiermit das Stirnseitenbauteil 10 gekühlt. Der Wärmetransportpfad verläuft somit von den Rotorwicklungen 22 über das Stirnseitenbauteil 10 auf das Kühlfluid, welches wiederum die Wärme in eine Wärmesenke abgeben kann.
Die Isolationsschicht kann auf das Stirnseitenbauteil 10 aufgebracht oder aufgespritzt sein. Hierbei kann die Isolationsschicht lediglich im Bereich der Einbuchtungen 26 auf das Stirnseitenbauteil 10 aufgebracht sein, wodurch die Isolationsschicht besonders materialsparend bereitgestellt werden kann.
Die Grundidee des beschriebenen Rotors 12 ist, dass eine Wärmeabfuhr an jeweiligen Rotorstirnseiten des Rotors 12 mithilfe des Kühlfluids, insbesondere angespritztem Öl und/oder Luft, insofern verbessert wird, dass das abschließende, vorliegend metallische Stirnseitenbauteil 10 an der Rotorstirnseite geometrisch so nah wie möglich um die heißen Rotorwicklungen 22 angefügt wird, um eine bestmögliche Festkörperwärmeleitung zwischen den Rotorwicklungen 22 und dem Kühlfluid über die genannte Rotorstirnseite zu erreichen. Eventuell vorgesehenes Vergussmaterial oder anderweitige elektrische Isolationsschichten werden hierbei so dünn wie möglich gestaltet, um eine Wärmeisolation und damit eine schlechte Wärmeabfuhr von den Rotorwicklungen 22 zu vermeiden. Das Kühlfluid spritzt aus der Hohlwelle 30 an einer Vorderseite sowie an einer Rückseite des Rotors 12 aus und trifft dabei mit einer radialen Abflugbewegung auf den jeweiligen Stirnseiten 36 des Rotors 12 auf, welche insbesondere mit einer Schräge ausgebildet sein können. Hierbei kann durch die Schräge eine Strömungsgeschwindigkeit des Kühlfluids entlang der Stirnseite 36 eingestellt werden. Diese Kühlung der Stirnseite 36 des Rotors 12 hat einen erheblichen Einfluss auf die Kühlung und damit die Dauerleistung der elektrischen Traktionsmaschine.
Bei stromerregten Synchronmaschinen sowie bei Asynchronmaschinen ist im Rotor 12 typischerweise ein Raum zwischen den Rotorwicklungen 22 und umschließenden Bauteilen wie dem Stirnseitenbauteil 10 mit einem Kunststoffvergussmaterial gefüllt. Während die Stirnseite 36 häufig aus gut wärmeleitfähigem Metall in einem Gussbauteil ausgeführt ist, hat die in axialer Richtung dahinterliegende Vergussmasse aus dem Kunststoffvergussmaterial auch aufgrund ihrer elektrischen Isolationsfunktion und Fließeigenschaften in der Regel eine schlechte Festkörperwärmeleitung. Um diesen direkten Wärmeleitpfad zu verbessern, ist daher die möglichst nahe Anformung des metallischen Stirnseitenbauteils 10 an die Rotorwicklungen 22 vorgesehen. Um Gussanforderungen bezüglich Abkühlverhalten und Lunkerbildung zu erfüllen, kann die dem Rotorgrundkörper 14 zugewandte Seite des Stirnseitenbauteils 10 mit mehreren kleinen Rippen ausgeführt sein, die zumindest annähernd konstante Wandstärken aufweisen und welche eine geometrische Nähe des Stirnseitenbauteils 10 zu den Rotorwicklungen 22 ermöglichen. Weiterhin kann die elektrische Isolation zwischen den Rotorwicklungen 22 und dem Stirnseitenbauteil 10 bei einer besonders niedrigen Vergussdicke der Vergussmasse realisiert werden, indem die Vergussmasse teilweise durch eine dedizierte, auf das Stirnseitenbauteil 10 aufgebrachte Isolationsbeschichtung ersetzt wird.
Bei dem Stirnseitenbauteil 10 handelt es sich um eine sogenannte Sternscheibe. Das Stirnseitenbauteil 10 kann als Druckgussbauteil oder als Tiefziehbauteil hergestellt werden. Anstelle von Aluminium kann das Stirnseitenbauteil 10 alternativ aus Magnesium oder einer Magnesiumlegierung hergestellt werden. Das Stirnseitenbauteil 10 ermöglicht, dass der Rotor 12 im Betrieb zumindest nahezu rund gehalten werden kann, wodurch eine strömungsgünstige Form resultiert, was besonders geringe Reibverluste zur Folge hat. Weiterhin kann das Stirnseitenbauteil 10 tragende Eigenschaften aufweisen. Darüber hinaus ist das Stirnseitenbauteil 10 dazu eingerichtet, die Vergussmasse innerhalb des Rotors 12 zu halten.
Insgesamt zeigt die Erfindung, wie eine verbesserte Rotorkühlung durch eine Anpassung der Stirnseitengeometrie erreicht werden kann. Insbesondere ist als Stirnseitenbauteil 10 ein Stützring mit einer verbesserten Festkörperwärmeleitfähigkeit vorgesehen.
Bezugszeichenliste

10: Stützring
12: Rotor
14: Rotorgrundkörper
16: Blechpaket
18: Nut
20: Leiter
22: Rotorwicklung
24: Umlenkbereich
26: Einbuchtung
28: Rotationsachse
30: Hohlwelle
32: Hohlraum
34: Radialbohrung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3068021 A1 [0003]
WO 2018137955 A1 [0004]

Claims

Rotor (12) für eine elektrische Traktionsmaschine eines Kraftfahrzeugs, mit - einem Rotorgrundkörper (14), welcher ein Blechpaket (16) und mehrere sich durch das Blechpaket (16) hindurch erstreckende Rotorwicklungen (22) umfasst, und - wenigstens einem Stirnseitenbauteil (10), welches stirnseitig an dem Rotorgrundkörper (14) angeordnet ist, die Rotorwicklungen (22) axial nach außen überdeckt und an seiner dem Rotorgrundkörper (14) zugewandten Seite in seiner Geometrie mit einer Außenkontur der Rotorwicklungen (22) korrespondiert.
Rotor (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stirnseitenbauteil (10) für jede Rotorwicklung (22) eine Einbuchtung (26) aufweist, deren Oberflächenkontur mit der Außenkontur der jeweiligen zugeordneten Rotorwicklung (22) korrespondiert.
Rotor (12) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Stirnseitenbauteil (10) an seiner dem Rotorgrundkörper (14) zugewandten Seite mit einer elektrisch isolierenden Isolationsschicht beschichtet ist.
Rotor (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stirnseitenbauteil (10) an seiner dem Rotorgrundkörper (14) zugewandten Seite gerippt ausgebildet ist.
Rotor (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stirnseitenbauteil (10) aus Metall gebildet ist.
Rotor (12) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Stirnseitenbauteil (10) aus Aluminium gebildet ist.
Rotor (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Kavität zwischen dem Rotorgrundkörper (14) und dem Stirnseitenbauteil (10) mit einer Vergussmasse gefüllt ist.
Rotor (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stirnseitenbauteil (10) an seiner dem Rotorgrundkörper (14) zugewandten Seite entlang seiner Außengeometrie einen konstanten Abstand zu den Rotorwicklungen (22) aufweist.
Elektrische Traktionsmaschine für ein Kraftfahrzeug, mit einem Stator, einer Hohlwelle (30) und einem Rotor (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, welcher die Hohlwelle (30) über einen axialen Längenabschnitt radial umschließt.
Elektrische Traktionsmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlwelle (30) wenigstens eine Radialbohrung (34) aufweist, über welche bei einem Betrieb der Traktionsmaschine ein Kühlfluid aus der Hohlwelle (30) austritt, um an einer Stirnseite (36) des Rotors (12) entlangzuströmen.