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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor einer elektrischen Maschine, insbesondere für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, umfassend einen Rotorkörper mit einer Mehrzahl von sich axial durch den Rotorkörper erstreckenden Magnettaschen, in denen jeweils wenigstens ein Rotormagnet aufgenommen ist, und die Rotormagnete jeweils mittels eines in den Magnettaschen verlaufenden Kunststoffkörpers fixiert sind, wobei der Rotorkörper ferner eine Mehrzahl von sich axial durch den Rotorkörper erstreckenden Kühlkanäle aufweist, welche von einem Kühlfluid durchströmbar sind, wobei die Kühlkanäle eine stirnseitige Austrittsöffnung im Rotorkörper besitzen, aus denen im Betrieb des Rotors das Kühlfluid aus den Kühlkanälen in die Rotorumgebung abgegeben wird. Die Erfindung betrifft ferner eine elektrische Maschine.
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Bei Kraftfahrzeugen werden für den Antrieb verstärkt Elektromotoren eingesetzt, um Alternativen zu Verbrennungsmotoren zu schaffen, die fossile Brennstoffe benötigen. Um die Alltagstauglichkeit der Elektroantriebe zu verbessern und zudem den Benutzern den gewohnten Fahrkomfort bieten zu können, sind bereits erhebliche Anstrengungen unternommen worden.
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Eine ausführliche Darstellung zu einem Elektroantrieb ergibt sich aus einem Artikel der Zeitschrift ATZ 113. Jahrgang, 05/2011, Seiten 360-365 von Erik Schneider, Frank Fickl, Bernd Cebulski und Jens Liebold mit dem Titel: Hochintegrativ und Flexibel Elektrische Antriebseinheit für E-Fahrzeuge. Derartige Antriebseinheiten werden auch als E-Achsen oder elektrisch betreibbarer Antriebsstrang bezeichnet.
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Neben den rein elektrisch betriebenen Antriebssträngen sind auch hybride Antriebsstränge bekannt. Derartige Antriebsstränge eines Hybridfahrzeuges umfassen üblicherweise eine Kombination aus einer Brennkraftmaschine und einem Elektromotor, und ermöglichen - beispielsweise in Ballungsgebieten - eine rein elektrische Betriebsweise bei gleichzeitiger ausreichender Reichweite und Verfügbarkeit gerade bei Überlandfahrten. Zudem besteht die Möglichkeit, in bestimmten Betriebssituationen gleichzeitig durch die Brennkraftmaschine und den Elektromotor anzutreiben.
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Bei der Entwicklung der für E-Achsen und Hybridmodule vorgesehenen elektrischen Maschinen besteht ein anhaltendes Bedürfnis daran, deren Leistungsdichten zu steigern, so dass der hierzu notwendigen Kühlung der elektrischen Maschinen wachsende Bedeutung zukommt. Aufgrund der notwenigen Kühlleistungen haben sich in den meisten Konzepten Hydraulikflüssigkeiten, wie Kühlöle, zum Abtransport von Wärme aus den thermisch beaufschlagten Bereichen einer elektrischen Maschine durchgesetzt.
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Für die Statoren von elektrischen Maschinen ist beispielsweise die Mantelkühlung sowie die Wickelkopfkühlung aus dem Stand der Technik für die Realisierung einer Kühlung von elektrischen Maschinen mittels Hydraulikflüssigkeiten bekannt. Während die Mantelkühlung die entstehende Wärme an der äußeren Oberfläche des Rotorblechpakets in einen Kühlkreislauf überträgt, erfolgt bei der Wickelkopfkühlung der Wärmeübergang direkt an den Leitern außerhalb des Rotorblechpakets im Bereich der Wickelköpfe in das Fluid.
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Weitere Verbesserungen bieten getrennt ausgeführte Kühlkanäle, welche sowohl in das Blechpaket des Stators (siehe z. B.
EP3157138 A1 ) als auch in die Nut zusätzlich zu den Leitern eingebracht werden (siehe z. B. Markus Schiefer: Indirekte Wicklungskühlung von hochausgenutzten permanenterregten Synchronmaschinen mit Zahnspulenwicklung, Dissertation, Karlsruher Institut für Technologie (KIT), 2017).
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Es sind auch Konzepte bekannt, bei denen die Wicklungen direkt mit Hydraulikflüssigkeit umströmt werden, um die Leistungsdichte zu erhöhen. Eine verbesserte Kühlung mit direktem Kontakt von Hydraulikflüssigkeit und Leiter in der Nut ist bereits grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt. So beschreibt beispielsweise
DE102015013018 A1 eine Lösung für elektrische Maschinen mit Einzelzahnwicklung, wobei das Fluid direkt die Wicklungen, welche um die Zähne gewickelt sind, umströmt.
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Neben der Kühlung der Statoren ist es grundsätzlich auch bekannt, die Rotoren der elektrischen Maschinen zu kühlen.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung einen Rotor zu realisieren, welcher eine hohe Kühlleistung bei gleichzeitig geringen Fertigungskosten bereitstellen kann. Es ist ferner die Aufgabe der Erfindung eine verbesserte elektrische Maschine zu realisieren.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Rotor einer elektrischen Maschine, insbesondere für einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, umfassend einen Rotorkörper mit einer Mehrzahl von sich axial durch den Rotorkörper erstreckenden Magnettaschen, in denen jeweils wenigstens ein Rotormagnet aufgenommen ist, und die Rotormagnete jeweils mittels eines in den Magnettaschen verlaufenden Kunststoffkörpers fixiert sind, wobei der Rotorkörper ferner eine Mehrzahl von sich axial durch den Rotorkörper erstreckenden Kühlkanäle aufweist, welche von einem Kühlfluid durchströmbar sind, wobei die Kühlkanäle eine stirnseitige Austrittsöffnung im Rotorkörper besitzen, aus denen im Betrieb des Rotors das Kühlfluid aus den Kühlkanälen in die Rotorumgebung abgegeben wird, wobei wenigstens einer der Kunststoffkörper mit einem Fluidleitelement axial aus dem Rotorkörper herausragt und so mit einer der Austrittsöffnungen zusammenwirkt, dass im Betrieb des Rotors aus der Austrittsöffnung austretendes Kühlfluid von dem Fluidleitelement des Kunststoffkörpers mit einer axialen Kraftkomponente beaufschlagt wird.
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Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass das Fluidleitelement, beispielsweise während des Transfer-Moulding oder eines Spritzgussprozesses zur Fixierung der Statormagnete, integral mit dem Kunststoffkörper ausgebildet werden kann, wodurch das Fluidleitelement besonders kostengünstig hergestellt werden kann. Kunststoff hat als Werkstoff noch den weiteren Vorteil, dass es geometrisch viele Freiheitsgrade hinsichtlich seiner Formgebung bietet.
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Zunächst werden die einzelnen Elemente des beanspruchten Erfindungsgegenstandes in der Reihenfolge ihrer Relevanz oder ihrer Nennung im Anspruchssatz erläutert und nachfolgend besonders bevorzugte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes beschrieben.
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Ein Rotor ist der sich drehende (rotierende) Teil einer elektrischen Maschine. Der Rotor umfasst insbesondere eine Rotorwelle. Die Rotorwelle kann hohl ausgeführt sein, was zum einen eine Gewichtsersparnis zur Folge hat und was zum anderen die Zufuhr von Schmier- oder Kühlmittel zum Rotorkörper erlaubt. Bevorzugt ist die Hohlwelle der kontaktlosen Energieübertragungsvorrichtung eine zumindest abschnittsweise hohl ausgeführte Rotorwelle eines Rotors einer elektrischen Maschine.
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Unter einem Rotorkörper wird im Sinne der Erfindung demnach der Rotor ohne Rotorwelle verstanden. Der Rotorkörper setzt sich demnach insbesondere zusammen aus einem Rotorblechpaket sowie den in die Taschen des Rotorblechpakets eingebrachten oder den umfänglich an dem Rotorblechpaket fixierten Permanentmagneten sowie ggf. vorhandenen axialen Deckelteilen zum Verschließen der der Taschen.
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Der Rotor weist bevorzugt eine Mehrzahl von Rotorkörpern auf. Besonders bevorzugt sind die Rotorkörper im Wesentlichen gleichteilig, insbesondere im Wesentlichen identisch, ausgebildet. Höchst bevorzugt ist es, dass die Rotorkörper aus gleichteiligen, insbesondere im Wesentlichen identischen Rotorblechen gebildet sind. Die Rotorkörper sind also insbesondere bevorzugt aus einem Rotorblechpaket gebildet, welche aus einer Mehrzahl von in der Regel aus Elektroblech hergestellten laminierten Einzelblechen bzw. Rotorblechen zusammengesetzt sind, die übereinander zu einem Stapel, dem sog. Rotorblechpaket geschichtet und paketiert sind. Die Einzelbleche können in dem Rotorblechpaket durch Verklebung, Verschweißung oder Verschraubung zusammengehalten bleiben. Ein Rotorblechpaket kann insbesondere auch in die Taschen des Rotorblechpakets eingebrachte oder den umfänglich an dem Rotorblechpaket fixierte Permanentmagnete aufweisen. Es ist möglich, dass die Rotorblechpakete eine Verschränkung zueinander aufweisen, also um einen Winkel zueinander verdreht angeordnet sind. Diese Berschränkung kann linear oder auch V-förmig ausgebildet sein, um Axialkräfte zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren. Die Kühlkanäle sind dann bevorzugt so ausgeführt, dass sich kein radialer Hinterschnitt bildet und dass Kühlfluid axial rausfließen kann.
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Als Rotormagnet werden die in die Taschen des Rotorblechpakets einzubringenden Permanentmagnete verstanden. Permanentmagnete können bevorzugt in die Taschen des Rotorblechpakets eingebracht sein. Dabei kann pro Tasche ein einziger größerer, als Stabmagnet ausgebildeter Rotormagnet oder mehrere kleinere Permanentmagnetelemente ausgebildete Rotormagnete vorgesehen werden.
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Ein Rotorblechpaket kann insbesondere einen Rotorkörper bilden. Als Rotorblechpaket werden eine Mehrzahl von in der Regel aus Elektroblech hergestellten laminierten Einzelblechen bzw. Rotorblechen verstanden, die übereinander zu einem Stapel, dem sog. Rotorblechpaket geschichtet und paketiert sind. Die Einzelbleche können dann in dem Blechpaket durch Verklebung, Verschweißung oder Verschraubung zusammengehalten bleiben. Ein Rotorblechpaket kann insbesondere auch in die Taschen des Rotorblechpakets eingebrachte oder den umfänglich an dem Rotorblechpaket fixierte Magnetelemente sowie ggf. vorhandenen axialen Deckelteilen zum Verschließen der Taschen und dergleichen aufweisen.
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Die elektrische Maschine kann insbesondere als Rotationsmaschine ausgebildet sein. Die Rotationsmaschine kann insbesondere als Radialflussmaschine konfiguriert sein. Dabei zeichnet sich eine Radialflussmaschine dadurch aus, dass die Magnetfeldlinien in dem zwischen Rotor und Stator ausgebildeten Luftspalt, sich in radialer Richtung erstrecken. Als Luftspalt wird der zwischen dem Rotor und dem Stator existierende Spalt bezeichnet. Bei einer Radialflussmaschine ist das ein im Querschnitt kreisringförmiger Spalt mit einer radialen Breite, die dem Abstand zwischen Rotorkörper und Rotorkörper entspricht.
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Die elektrische Maschine ist insbesondere für die Verwendung innerhalb eines Antriebsstrang eines hybrid- oder vollelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs vorgesehen. Insbesondere ist die elektrische Maschine so dimensioniert, dass Fahrzeuggeschwindigkeiten größer als 50 km/h, vorzugsweise größer als 80 km/h und insbesondere größer als 100 km/h erreicht werden können. Besonders bevorzugt weist der Elektromotor eine Leistung größer als 50 kW, vorzugsweise größer als 80 kW und insbesondere größer als 150 kW auf. Es ist des Weiteren bevorzugt, dass die elektrische Maschine Drehzahlen größer als 8.000 U/min, besonders bevorzugt größer als 12.000 U/min, ganz besonders bevorzugt größer als 15.000 U/min bereitstellt.
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Als Kraftfahrzeuge im Sinne dieser Anmeldung gelten Landfahrzeuge, die durch Maschinenkraft bewegt werden, ohne an Bahngleise gebunden zu sein. Ein Kraftfahrzeug kann beispielsweise ausgewählt sein aus der Gruppe der Personenkraftwagen (PKW), Lastkraftwagen (LKW), Kleinkrafträder, Leichtkraftfahrzeuge, Krafträder, Kraftomnibusse (KOM) oder Zugmaschinen
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Kühlkanäle im Querschnitt des Rotorkörpers auf einer Kreisbahn angeordnet sind. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass eine besonders gleichmäßige Kühlleistung erzielbar ist. Es ist besonders bevorzugt, dass der Durchmesser der Kreisbahn so gewählt ist, dass die Kühlkanäle radial unterhalb der Rotormagnete verlaufen. Es ist ferner bevorzugt, dass der Mittelpunkt der Kreisbahn koaxial zu der Rotationsachse des Rotors verläuft.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Fluidleitelement radial oberhalb der ihm zugeordneten Austrittsöffnung angeordnet ist. Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass das Fluidleitelement radial fluchtend zu der ihm zugeordneten Austrittsöffnung positioniert ist, wodurch ein besonders kurzer Fluidweg zwischen der Austrittsöffnung und dem Fluidleitelement realisierbar ist, was zu einer besonders guten und kontrollierten Fluidleitung beiträgt.
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Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass allen Austrittsöffnungen an einer ersten Stirnseite des Rotorkörpers ein Fluidleitelement zugeordnet ist und/oder allen Austrittsöffnungen an einer zweiten Stirnseite des Rotorkörpers ein Fluidleitelement zugeordnet ist, was zu einer besonders guten Kühlwirkung beiträgt.
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Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass jeweils zwei in Umfangsrichtung benachbarte Magnettaschen im Querschnitt des Rotorkörpers eine V-förmige Anordnung mit einer radial nach innen weisenden Spitze aufweisen. Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass die Austrittsöffnungen im Querschnitt des Rotorkörpers zwischen zwei V-förmigen Anordnungen der Magnettaschen positioniert sind. Zwischen den Polen den Kühlkanal zu setzten hat den Vorteil, dass der Platz dort unter festigkeits- und elektromagnetischen Gesichtspunkten am wenigsten negative Einflüsse auf die elektrische Maschine hat.
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In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass die Kunststoffkörper von zwei in Umfangsrichtung benachbarten V-förmigen Anordnungen axial an der ersten Stirnseite des Rotorkörpers aus den Magnettaschen austreten und im Querschnitt eine im Wesentlichen W-artige Kontur ausbilden, wobei das Fluidleitelement an der radial nach außen weisenden Spitze der W-artigen Kontur ausgeformt ist. Hierdurch wird erreicht, dass die Funktion der elektrischen Maschine nicht negativ beeinflusst wird. Das Öl näher zu den Magneten zu bringen ist auch daher wünschenswert, da sich dort auch der thermische Hotspot befindet und hierdurch die Kühlung weiter verbessert werden kann.
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Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass das Fluidleitelement als eine Rampe ausgebildet ist, welche eine sich axial von dem Rotorkörper weg und radial nach außen geneigte Rampenfläche aufweist, wodurch eine besonders effektive Kühlung realisierbar wird.
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Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann vorgesehen sein, dass bei einer Mehrzahl von an einer ersten Stirnseite ausgebildeten Fluidleitelementen deren Rampenflächen voneinander verschieden ausgebildet sind. Hierdurch kann erreicht werden, dass je nach Rotationsgeschwindigkeit des Rotors stets eine ausreichende Kühlung des Wickelkopf sichergestellt werden kann.
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Die Aufgabe der Erfindung wird ferner gelöst durch eine elektrische Maschine umfassend einen hohlzylindrischen Stator und einen in dem Stator drehbar angeordneten Rotor, wobei in dem Stator eine Statorwicklung aufgenommen ist, die unter Ausbildung jeweils eines Wickelkopfes axial aus den beiden Stirnseiten des Stators austritt, wobei der Rotor nach einem der vorherigen Ansprüche ausgebildet und das Fluidleitelement so konfiguriert ist, dass im Betrieb der elektrischen Maschine Kühlfluid zu einem der Wickelköpfe geleitet wird.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
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Es zeigt:
- 1 ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsstrang in einer schematischen Blockschaltdarstellung,
- 2 eine elektrische Maschine in einer schematischen Axialschnittdarstellung,
- 3 eine elektrische Maschine in einer Axialschnittansicht,
- 4 einen Rotor in einer ersten perspektivischen Axialschnittansicht,
- 5 einen Rotor in einer zweiten perspektivischen Axialschnittansicht.
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Die Erfindung wird anhand einer elektrischen Maschine 2 für einen Antriebsstrang 3 eines Kraftfahrzeugs 4 erläutert, wie es exemplarisch auch in der 1 skizziert ist.
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Die elektrische Maschine 2 ist in der 2 in einer Axialschnittansicht gezeigt. Die elektrische Maschine 2 umfasst einen hohlzylindrischen Stator 19 und einen in dem Stator 19 drehbar angeordneten Rotor 1, wobei in dem Stator 19 eine Statorwicklung 20 aufgenommen ist, die unter Ausbildung jeweils eines Wickelkopfes 21 axial aus den beiden Stirnseiten des Stators 19 austritt. Der aus einer Vielzahl von paketierten Rotorblechen 22 gebildete Rotorkörper 5 des Rotors 1 ist drehfest mit der Rotorwelle 23 verbunden und besitzt ein Fluidleitelement 12 das so konfiguriert ist, dass im Betrieb der elektrischen Maschine 2 Kühlfluid 10 zu einem der Wickelköpfe 21 geleitet wird. Dies wird anhand der 2-5 näher erläutert.
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Der Rotor 1 der elektrischen Maschine 2 besitzt einen Rotorkörper 5 mit einer Mehrzahl von sich axial durch den Rotorkörper 5 erstreckenden Magnettaschen 6, in denen jeweils wenigstens ein Rotormagnet 7 aufgenommen ist. Die Rotormagnete 7 sind jeweils mittels eines in den Magnettaschen 6 verlaufenden Kunststoffkörpers 8 fixiert, wobei der Rotorkörper 5 ferner eine Mehrzahl von sich axial durch den Rotorkörper 5 erstreckenden Kühlkanäle 9 aufweist, welche von einem Kühlfluid 10 durchströmbar sind. Die Kühlkanäle 9 besitzen jeweils eine stirnseitige Austrittsöffnung 11 im Rotorkörper 5, aus denen im Betrieb des Rotors 1 das Kühlfluid 10 aus den Kühlkanälen 9 in die Rotorumgebung abgegeben wird.
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Einer der Kunststoffkörper 8 ragt mit einem Fluidleitelement 12 axial aus dem Rotorkörper 5 heraus und so mit einer der Austrittsöffnungen 11 zusammenwirkt, dass im Betrieb des Rotors 1 aus der Austrittsöffnung 11 austretendes Kühlfluid 10 von dem Fluidleitelement 12 des Kunststoffkörpers 8 mit einer axialen Kraftkomponente beaufschlagt wird.
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Das Fluidleitelement 12 ist radial oberhalb der ihm zugeordneten Austrittsöffnung 11 angeordnet und das Fluidleitelement 12 radial fluchtend zu der ihm zugeordneten Austrittsöffnung 11 positioniert ist.
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Allen Austrittsöffnungen 11 ist an einer ersten Stirnseite 13 des Rotorkörpers 5 ein Fluidleitelement 12 zugeordnet ist und allen Austrittsöffnungen 11 an einer zweiten Stirnseite 14 des Rotorkörpers 5 ein Fluidleitelement 12 zugeordnet ist.
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Jeweils zwei in Umfangsrichtung benachbarte Magnettaschen 6 weisen im Querschnitt des Rotorkörpers 5 eine V-förmige Anordnung 15 mit einer radial nach innen weisenden Spitze auf. Die Austrittsöffnungen 11 sind im Querschnitt des Rotorkörpers 5 zwischen zwei V-förmigen Anordnungen 15 der Magnettaschen 6 positioniert.
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Was der 4 auch entnommen werden kann ist, dass die Kunststoffkörper 8 von zwei in Umfangsrichtung benachbarten V-förmigen Anordnungen 15 axial an der ersten Stirnseite 13 des Rotorkörpers 5 aus den Magnettaschen 6 austreten und im Querschnitt eine im Wesentlichen W-artige Kontur ausbilden, wobei das Fluidleitelement 12 an der radial nach außen weisenden Spitze 16 der W-artigen Kontur ausgeformt ist. Das Fluidleitelement 12 ist als eine Rampe 17 ausgebildet, welche eine sich axial von dem Rotorkörper 5 weg und radial nach außen geneigte Rampenfläche 18 aufweist. Bei einer Mehrzahl von an einer ersten Stirnseite 13 ausgebildeten Fluidleitelementen 12 sind deren Rampenflächen 18 voneinander verschieden ausgebildet.
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Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung ‚erste‘ und ‚zweite‘ Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rotor
- 2
- elektrische Maschine
- 3
- Antriebsstrang
- 4
- Kraftfahrzeug
- 5
- Rotorkörper
- 6
- Magnettasche
- 7
- Rotormagnet
- 8
- Kunststoffkörper
- 9
- Kühlkanäle
- 10
- Kühlfluid
- 11
- Austrittsöffnung
- 12
- Fluidleitelement
- 13
- Stirnseite
- 14
- Stirnseite
- 15
- Anordnung
- 16
- Spitze
- 17
- Rampe
- 18
- Rampenfläche
- 19
- Stator
- 20
- Statorwicklung
- 21
- Wickelkopfe
- 22
- Rotorblech
- 23
- Rotorwelle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 3157138 A1 [0007]
- DE 102015013018 A1 [0008]
