DE102022116061A1

DE102022116061A1 - Rotor eines Elektromotors mit einer Kühleinrichtung und Verfahren zur Herstellung eines Rotors eines Elektromotors mit einer Kühleinrichtung

Info

Publication number: DE102022116061A1
Application number: DE102022116061.0A
Authority: DE
Inventors: Patrick Knecht; Johannes Lange; Peter Wurster; Florian Braunbeck; Tobias Engelhardt
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2022-06-28
Filing date: 2022-06-28
Publication date: 2023-12-28
Also published as: US20230421009A1; CN117318349A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rotor (1) eines Elektromotors (20) mit einer Kühleinrichtung (4), wobei der Rotor (1) eine Mehrzahl von magnetfeldinduzierbaren Bauteilen (10), welche in einem Rotorkörper (21) des Rotors (1) angeordnet sind, besitzt, und wobei der Rotor (1) eine Rotorwelle (3), welche in einer Rotorwellenaufnahmeöffnung (22) des Rotors (1) angeordnet ist, aufweist, und wobei die Kühleinrichtung (4) einen Zulaufkanal (5) und einen Ablaufkanal (6) besitzt, und wobei der Rotorkörper (21) eine erste Stirnseite (14) und eine von der ersten Stirnseite (14) abgewandt ausgebildete zweite Stirnseite (18) besitzt. Erfindungsgemäß weist die Kühleinrichtung (4) Kühlkanäle (11) auf, wobei die Kühlkanäle (11) zwischen der Rotorwellenaufnahmeöffnung (22) und einem Rotormantel (23) des Rotors (1) im Rotorkörper (21) ausgebildet sind, wobei die Kühlkanäle (11) den magnetfeldinduzierbaren Bauteilen (10) benachbart angeordnet sind. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors eines Elektromotors mit einer Kühleinrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft einen Rotor eines Elektromotors mit einer Kühleinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors eines Elektromotors mit einer Kühleinrichtung gemäß Patentanspruch 8.
Elektromotoren umfassend einen Stator und einen relativ zum Stator rotierbaren Rotor sind bekannt. Damit ein sicherer und störungsfreier Betrieb des Elektromotors sichergestellt werden kann, ist die elektrische Maschine zu kühlen, damit die im Stator und/oder Rotor und/oder Wicklungen der elektrischen Maschine entstehende Wärme abgeführt werden kann. So ist üblicherweise der Stator und/oder Rotor mit einem zentralen Kühlkanal ausgebildet, zur Durchströmung mit einem Kühlmedium.
So geht aus der Offenlegungsschrift DE 10 2019 124 345 A1 ein Elektromotor hervor, welcher einen Stromleiter in Form von Leiterstäben aufweist, der zwischen Blechpaketen eines Stators des Elektromotors ausgebildet ist. Der Leiterstab weist einen innenliegenden und einen außenliegenden Kühlkanal auf.
Der Patentschrift US 4,228,374 A kann ein Rotor eines Elektromotors entnommen werden, welcher innerhalb seines Rotorkörpers eine Mischkammer aufweist, in welchem ein gasförmiges Kühlmedium und ein flüssiges Kühlmittel vermischt werden, wobei die Mischung einer supraleitenden Wicklung des Elektromotors zugeführt wird, welche mit sich axial erstreckenden Kühlkanälen durchsetzt ist, die von der Mischung durchströmbar ausgebildet sind.
Die Patentschrift DE 197 49 108 C1 offenbart einen Stator einer Elektromaschine mit einem sich axial durch den Rotor erstreckenden Kühlkanal.
Aus der Offenlegungsschrift EP 3 627 661 A1 geht ein Käfigläufer einer Elektromaschine mit einem sich axial durch den Rotor erstreckenden Kühlkanal hervor.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Rotor eines Elektromotors mit einer Kühleinrichtung anzugeben, welcher sich durch eine effizientere Kühlung gegenüber dem Stand der Technik auszeichnet. Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors eines Elektromotors mit einer Kühleinrichtung anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Rotor eines Elektromotors mit einer Kühleinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die weitere Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren zur Herstellung eines Rotors eines Elektromotors mit einer Kühleinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
Ein erfindungsgemäßer Rotor eines Elektromotors mit einer Kühleinrichtung besitzt eine Mehrzahl von magnetfeldinduzierbaren Bauteilen, welche in einem Rotorkörper des Rotors angeordnet sind. Der Rotor weist eine Rotorwelle auf, welche in einer Rotorwellenaufnahmeöffnung angeordnet ist. Die Kühleinrichtung besitzt einen Zulaufkanal und einen Ablaufkanal. Der Rotorkörper besitzt eine erste Stirnseite und eine von der ersten Stirnseite abgewandt ausgebildete zweite Stirnseite. Erfindungsgemäß weist die Kühleinrichtung Kühlkanäle auf, wobei die Kühlkanäle zwischen der Rotorwellenaufnahmeöffnung und einem Rotormantel des Rotors im Rotorkörper ausgebildet sind, wobei die Kühlkanäle den magnetfeldinduzierbaren Bauteilen benachbart angeordnet sind. Das heißt mit anderen Worten, dass die Kühlkanäle in unmittelbarer Nachbarschaft zu den magnetfeldinduzierbaren Bauteilen angeordnet werden können, oder angeordnet sind, so dass eine effektive Kühlung erfolgen kann. Sofern die magnetfeldinduzierbaren Bauteile in Form von Permanentmagneten ausgeführt sind, ist bevorzugt ein Kühlkanal zwischen jeweils zwei nebeneinanderliegenden Permanentmagneten anzuordnen. Ebenso ist bevorzugt jeweils ein Kühlkanal zwischen zwei Wicklungen vorzusehen. Üblicherweise sind die magnetfeldinduzierbaren Bauteile in einem Querschnitt des Rotors kreisförmig angeordnet, so dass in dem Querschnitt des Rotors betrachtet, eine Anzahl von vorzusehenden Durchtrittsöffnungen in der entsprechenden Schnittebene einer Anzahl der magnetfeldinduzierbaren Bauteile entspricht. Sofern die magnetfeldinduzierbaren Bauteile in Form von Wicklungen ausgebildet sind, werden diese von den Kühlkanälen nicht durchdrungen, sondern auch in dieser Ausführung von magnetfeldinduzierbaren Bauteilen sind die Kühlkanäle neben den Wicklungen angeordnet.
Vorteilhafterweise weist die Kühleinrichtung einen Verteilerabschnitt auf, welcher an der ersten Stirnseite des Rotors ausgebildet ist, und welcher mit den Kühlkanälen durchströmbar verbunden ist. So kann auf einfache Weise eine Verbindung des Zuströmkanals mit den Kühlkanälen geschaffen werden, damit die Kühlkanäle mit Kühlmittel durchströmt werden.
Der Ablaufkanal ist vorteilhafterweise in der Rotorwelle, und somit zentral ausgebildet. Insbesondere ist der Ablaufkanal mit den Kühlkanälen mit Hilfe eines weiteren Ringkanals, welcher insbesondere und vorteilhaft an der zweiten Stirnseite ausgebildet ist, durchströmbar verbunden. Dadurch kann eine effektive Kühlung aufgrund einer effektiven Durchströmung der Kühlkanäle gesichert werden, da das Kühlmittel einenends der Kühlkanäle einströmt und anderenends der Kühlkanäle aus diesen ausströmen kann.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Rotors eines Elektromotors mit einer Kühleinrichtung, wobei der Rotor relativ zu einem Stator des Elektromotors um eine Drehachse, welcher einer Längsachse des Rotors entspricht, rotierbar ausgebildet ist, sieht vor einen Kühlkanal der Kühleinrichtung mit Hilfe eines Werkzeugs und einem Werkzeugkern freizuhalten, wobei der Kühlkanal zwischen einer Rotorwellenaufnahmeöffnung des Rotors und einem Rotormantel des Rotors ausgebildet ist. Somit besteht auf kostengünstige Weise bei der Herstellung des Rotors den Kühlkanal, welcher in einem Rotorkörper des Rotors ausgebildet ist, herbeizuführen, beispielsweise durch ein Umformverfahren in Form eines Stanzverfahrens.
Üblicherweise besteht der Rotor aus einer Vielzahl von Einzellamellen, welche durch Verpressen miteinander gefügt und verklebt werden. Bei diesem Vorgang kann eine Durchtrittsöffnung, welche in der Einzellamellen einen axialen Abschnitt des Kühlkanals bildet, bereits während des Fügevorgangs von einer Kunststoffmasse ummantelt werden, wodurch axial nebeneinander angeordnete Durchtrittsöffnungen einen dichten Kühlkanal bilden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es zeigen:

1 in einer Prinzipdarstellung einen Rotor mit einer Kühlung gemäß dem Stand der Technik,
2 in einem Schnitt einen erfindungsgemäßen Rotor mit einem den Rotor umfassenden Stator mit Permanentmagneten, hergestellt mit einem erfindungsgemäßen Verfahren,
Fig. in einem Schnitt den erfindungsgemäßen Rotor mit einem den Rotor umfassenden Stator mit einer Wicklung, hergestellt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, und
4 in einer Prinzipdarstellung der erfindungsgemäße Rotor mit mehreren Kühlkanälen.

In 1 ist in einer Prinzipdarstellung ein Rotor 1 eines Elektromotors 20 mit einer Kühlung gemäß dem Stand der Technik abgebildet. Der Rotor 1 ist in Form eines Hohlzylinders ausgebildet, wobei er eine sich entlang seiner Längsachse 2, welche auch seine Drehachse ist, erstreckende Rotorwelle 3 besitzt. Die Rotorwelle 3, welche in einer Rotorwellenaufnahmeöffnung 22 des Rotors 1 angeordnet ist, weist eine Kühleinrichtung 4 umfassend einen Zulaufkanal 5 und einen Ablaufkanal 6 auf, wobei die Kühleinrichtung 4 in Form einer Zentralkühlung, von Kühlmittel durchströmbar ausgebildet ist. Üblicherweise ist das Kühlmittel ein Kühlöl, jedoch ist es nicht auf dieses begrenzt. Der Zulaufkanal 5 und der Ablaufkanal 6 sind bevorzugt parallel zueinander angeordnet. Über den Zulaufkanal 5 wird das Kühlmittel dem Rotor 1 zugeführt, über den Ablaufkanal 6 wird das erwärmte Kühlmittel aus dem Rotor 1 abgeführt.
Eine weitere Form der Kühleinrichtung 4 ist eine Außenkühlung, welche symbolisch mit Hilfe einer Welle 7 abgebildet ist, und welche alleinstehend oder in Verbindung mit der Zentralkühlung zur Kühlung des Rotors 1, welcher Temperaturen weit über 150°C aufweisen kann, genutzt werden kann.
Der Rotor 1 ist von einem Stator 8 umfassend ausgebildet, wie in den 2 und 3 illustriert ist. Ebenso könnte auch der Rotor 1 den Stator 8 umfassend ausgebildet sein.
Der erfindungsgemäße Rotor 1 ist aus einer Vielzahl von sogenannten Einzellamellen 9 ausgebildet, welche auf der Rotorwelle 3 angeordnet sind. Die Dicke der Einzellamellen 9 beträgt ca. 0,2mm. In 2 ist der Rotor in Form eines so genannten „PSM“-Rotors abgebildet, wobei er magnetfeldinduzierbare Bauteile 10 in Form von Permanentmagneten aufweist. Die Permanentmagnete 10 werden in so genannten Taschen der Einzellamellen 9 eingesetzt.
In 3 ist der Rotor 1 in Form eines so genannten „FSM“-Rotors abgebildet, und besitzt die magnetfeldinduzierbaren Bauteile 10 in Form von Wicklungen, üblicherweise in Form von Kupferdrahtwicklungen, mit deren Hilfe ein magnetisches Feld bei Anlegen einer Spannung ausgebildet werden kann. Es kann das Magnetfeld am Rotor 1 oder am Stator 8 induziert werden.
Damit eine effektive Kühlung des Rotors 1 realisiert werden kann, weist der Rotor 1 die Kühleinrichtung 4 mehrere Kühlkanäle 11 umfassend auf, welche in unmittelbarer Nähe der Permanentmagneten 10 oder der Wicklungen 10, dies ist abhängig vom Aufbau des Rotors 1, angeordnet sind. Das heißt mit anderen Worten, dass die Kühlkanäle 11 nicht in der Rotorwelle 3, sondern unmittelbar im Rotor 1 selbst ausgebildet sind. Die Kühlkanäle 11 sind somit den Permanentmagneten 10 oder den Wicklungen 10 benachbart angeordnet, sie durchdringen sie jedoch nicht. Mit anderen Worten gesagt, weist die Kühleinrichtung 4 die Kühlkanäle 11 auf, wobei die Kühlkanäle 11 zwischen der Rotorachsenaufnahmeöffnung 22 des Rotors 1 und einem Rotormantel 23 des Rotors 1 im Rotorkörper 21 selbst ausgebildet sind, wobei die Kühlkanäle 11 den magnetfeldinduzierbaren Bauteilen 10 benachbart, insbesondere zwischen den magnetfeldinduzierbaren Bauteilen 10 angeordnet sind.
Die Einzellamellen 9 des erfindungsgemäßen Rotors 1 werden bereits in ihrem Herstellungsprozess mit die Einzellamellen 9 vollständig durchdringenden Durchtrittsöffnungen 12 hergestellt, welche jeweils Abschnitte der Kühlkanäle 11 bilden. In einem Fügeschritt der einzelnen Einzellamellen 9 zur Ausbildung des Rotors 1, welcher in Form eines Hohlzylinders ausgeführt ist, werden die Einzellamellen 9 derart miteinander verpresst und/oder verklebt, dass die in axialer Richtung nebeneinander liegenden Durchtrittsöffnungen 12 einen einzelnen Kühlkanal 11 bilden. Zu gesicherten Ausbildung des Kühlkanals 11 kann ein Dichtmaterial 13, bevorzugt in Form eines Kunststoffes, die nebeneinander angeordneten Durchtrittsöffnungen 12 umfassend eingesetzt sein. In Abhängigkeit des Herstellungsverfahrens des Rotors 1, oder mit anderen Worten gesagt, der Verpressung der Einzellamellen 9, kann der Kunststoff auch während dem Verpressen die Durchtrittsöffnungen 12 umfassend ausgebildet sein, wobei er als „Mouldmasse“ bezeichnet wird.
In 4 ist in einer perspektivischen Prinzipdarstellung der Rotor 1 mit mehreren Kühlkanälen 11 abgebildet. Der Rotor 1 weist an seiner ersten Stirnseite 14 einen Verteilerkopf 15 auf, welcher bevorzugt aus einem Kunststoff ausgebildet ist und in einem den Rotor 1 herstellenden Urformprozess beispielsweise gegossen oder „gemouldet“ ist. In diesem Verteilerkopf 15 ist ein Verteilerabschnitt 16 der Kühleinrichtung 4 ausgebildet.
Der Verteilerabschnitt 16 besitzt den Zulaufkanal 5, welcher jedoch in einen im Rotor 1, insbesondere im Verteilerabschnitt 16 ausgebildeten Ringkanal 17 mündet. Dieser Ringkanal 17 ist durchströmbar mit den Kühlkanälen 11 verbunden. Das Kühlmittel wird druckbeaufschlagt in den Zulaufkanal 5 gefördert.
An seiner zweiten Stirnseite 18 weist der Rotor 1 einen weiteren Ringkanal 19 auf, welcher durchströmbar mit dem in der Rotorwelle 3 ausgebildeten Ablaufkanal 6 verbunden ist, über welchen das Kühlmittel zur ersten Stirnseite 14 strömt und am Verteilerkopf 15 austritt.
In einem nicht näher abgebildeten Ausführungsbeispiel ist der Ablaufkanal 6 an der zweiten Stirnseite 18 ausgebildet, so dass eine Richtungsumkehr des Kühlmittels vermieden ist.
Der erfindungsgemäße Rotor 1 ist mit Hilfe eines erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt, wobei in einem ersten Schritt die Durchtrittsöffnungen 12 bei Herstellung der Einzellamelle 9 in die Einzellamelle 9 eingebracht wird, beispielsweise mit Hilfe eines entsprechenden Werkzeugs und einer der Anzahl der Durchtrittsöffnungen 12 entsprechenden Anzahl von Werkzeugkernen. In einem nachfolgenden Schritt, einem beispielhaften zweiten Schritt werden die Einzellamellen 9 zu einem Rotorkörper 21 des Rotors 1 gefügt, wobei die magnetfeldinduzierbaren Bauteile 10 in Form von Permanentmagneten oder Wicklungen nach oder vor der Fügung eingebracht werden. Grundsätzlich besteht bereits nach der Fügung der Einzellamellen 9 eine ausreichende Dichtheit zwischen den Durchtrittsöffnungen 12, so dass bereits die Kühlkanäle 11 sicher mit dem Kühlmedium durchströmt werden können. Eine zusätzliche sichere Abdichtung kann mit Hilfe einer Dichtung in Form eines Kunststoffes, welcher die Durchtrittsöffnungen 12 umfassend ausgebildet ist, erzielt werden. In Abhängigkeit von dem Verfahren wird dieser Kunststoff „Mouldmasse“ genannt.
Der Verteilerabschnitt 16 der Kühleinrichtung 4 kann ebenfalls aus einem Kunststoff ausgebildet sein. Der Verteilerkopf 15 kann ebenfalls in einem urformenden Prozess mit dem Verteilerabschnitt 16 in einem Gießverfahren oder einem Moulding-Verfahren hergestellt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102019124345 A1 [0003]
US 4228374 A [0004]
DE 19749108 C1 [0005]
EP 3627661 A1 [0006]

Claims

Rotor (1) eines Elektromotors (20) mit einer Kühleinrichtung (4), wobei der Rotor (1) eine Mehrzahl von magnetfeldinduzierbaren Bauteilen (10), welche in einem Rotorkörper (21) des Rotors (1) angeordnet sind, besitzt, und wobei der Rotor (1) eine Rotorwelle (3), welche in einer Rotorwellenaufnahmeöffnung (22) des Rotors (1) angeordnet ist, aufweist, und wobei die Kühleinrichtung (4) einen Zulaufkanal (5) und einen Ablaufkanal (6) besitzt, und wobei der Rotorkörper (21) eine erste Stirnseite (14) und eine von der ersten Stirnseite (14) abgewandt ausgebildete zweite Stirnseite (18) besitzt, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (4) Kühlkanäle (11) aufweist, wobei die Kühlkanäle (11) zwischen der Rotorwellenaufnahmeöffnung (22) und einem Rotormantel (23) des Rotors (1) im Rotorkörper (21) ausgebildet sind, wobei die Kühlkanäle (11) den magnetfeldinduzierbaren Bauteilen (10) benachbart angeordnet sind.
Rotor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (11) zwischen den magnetfeldinduzierbaren Bauteilen (10) angeordnet sind.
Rotor (1) nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (4) einen Verteilerabschnitt (16) aufweist, welcher an der ersten Stirnseite (14) des Rotors (1) ausgebildet ist, und welcher mit den Kühlkanälen (11) durchströmbar verbunden ist.
Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ablaufkanal (6) in der Rotorwelle (3) ausgebildet ist.
Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ablaufkanal (6) mit den Kühlkanälen (11) mit Hilfe eines weiteren Ringkanals (19) durchströmbar verbunden ist.
Rotor (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Ringkanal (19) an der zweiten Stirnseite (18) ausgebildet ist.
Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetfeldinduzierenden Bauteile (10) in Form von Permanentmagneten oder in Form von Wicklungen ausgebildet sind.
Verfahren zur Herstellung eines Rotors (1) eines Elektromotors (20) mit einer Kühleinrichtung (4), wobei der Rotor (1) relativ zu einem Stator (8) des Elektromotors (20) um eine Drehachse, welcher einer Längsachse (2) des Rotors (1) entspricht, rotierbar ausgebildet ist, wobei ein Kühlkanal (11) der Kühleinrichtung (4) mit Hilfe eines Werkzeugs und einem Werkzeugkern freigehalten wird, wobei der Kühlkanal (11) zwischen einer Rotorwellenaufnahmeöffnung (22) des Rotors (1) und einem Rotormantel (23) des Rotors (1) ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine den Kühlkanal (11) bildende Durchtrittsöffnung (12) einer Einzellamelle (9) des Rotors (1) mit Hilfe des Werkzeugs in die Einzellamelle (9) eingebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Mehrzahl von magnetfeldinduzierbaren Bauteilen (10) in Form von Permanentmagneten oder Wicklungen nach oder vor einer Fügung der Einzellamellen (9) eingebracht werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlkanäle (11) von einem Kunststoff umfasst werden.