DE102022202481A1

DE102022202481A1 - Rotoranordnung für eine E-Maschine

Info

Publication number: DE102022202481A1
Application number: DE102022202481.8A
Authority: DE
Inventors: Rüdiger Schnell
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2022-03-14
Filing date: 2022-03-14
Publication date: 2023-09-14

Abstract

Eine Rotoranordnung (10) für eine E-Maschine. Die Rotoranordnung umfasst eine Rotorwelle (12), ein mit der Rotorwelle (12) drehfest verbundenes Rotorblechpaket (14), wobei in dem Rotorblechpaket (14) in einem Bereich radial zwischen der Rotorwelle (12) und einem Außenumfang (18) des Rotorblechpakets Kühlstäbe (20) angeordnet sind, die eine höhere Wärmeleifähigkeit aufweisen als das Rotorblechpaket (14)

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf elektrische Maschinen und insbesondere auf Rotoranordnungen für permanenterregte Synchronmaschinen.
Eine permanenterregte Synchronmaschine, auch PM-Maschine oder PMSM genannt, gehört zur Gattung der Synchronmaschinen und zeichnet sich dadurch aus, dass eine Erregung des Rotors über Permanentmagnete, seltene Erden oder Ferrite, realisiert wird. Sie erreicht eine hohe Effizienz und hohe Leistungsdichte, da durch die Erregung der Permanentmagnete Rotorverluste dementsprechend klein ausfallen. Eine PM-Maschine kann als Elektromotor und auch als Generator betrieben werden.
Aufgrund einer bürstenlosen Technologie wird ihre Robustheit nur durch die Temperaturtragfähigkeit von Statorwicklungen und der Permanentmagnete begrenzt. Speziell die Magnettemperatur, die in erster Näherung der Rotortemperatur entspricht, ist hier als kritisch zu bewerten, da Übertemperatur in den Permanentmagneten zu einem Ausfall der Maschine fuhren kann. Darüber hinaus ändert sich mit der Permanentmagnettemperatur auch eine Drehmomentcharakteristik der E-Maschine,
Derzeit wird versucht Öl zur Kühlung der Permanentmagnete durch den Rotor zu leiten. Alternativ kann eine Wasserlanze in der Rotorwelle verwendet werden, um diese zu kühlen. Ziel der Kühlung der Permanentmagnete ist es, diese nicht überhitzen zu lassen bzw. so weit herunterzukühlen, dass man Permanentmagnete ohne seltene Erden verwenden kann, was einen Kostenvorteil darstellen würde.
Dazu muss aber das Öl mit Druck in den drehenden Rotor befördert werden, was bei Drehzahlen von bis zu 20000 1/min zu Dichtungsproblemen aufgrund der hohen Umfangsgeschwindigkeiten an den Dichtringen führt. Gleiches gilt für die Kühlung der Rotorachse mit Wasser. Zudem ist der Weg von den heißen Magneten bis zum Kühlmedium meist lang und damit die Kühlung wenig effektiv.
Somit besteht ein Bedarf an verbesserten Rotorkühlkonzepten, insbesondere aber nicht ausschließlich für permanenterregte Synchronmaschinen.
Vorgeschlagen wird eine Rotoranordnung für eine elektrische Maschine (E-Maschine). Die E-Maschine kann eine permanenterregte Synchronmaschine sein. Die Rotoranordnung umfasst eine Rotorwelle und ein mit der Rotorwelle drehfest verbundenes Rotorblechpaket. In dem Rotorblechpaket sind in einem Bereich radial zwischen der Rotorwelle und einem Außenumfang des Rotorblechpakets Kühlstäbe angeordnet, die eine höhere Wärmeleifähigkeit aufweisen als das Rotorblechpaket. Idealerweise sind die Kühlstäbe elektrisch nichtleitend. Über die Kühlstäbe kann somit Wärme aus dem Rotorblechpaket abgeführt werden. Das kann insbesondere für permanenterregte E-Maschinen zur Kühlung der Permanentmagnete vorteilhaft sein.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen sind in dem Rotorblechpaket in einem weiteren Bereich radial zwischen der Rotorwelle und dem Außenumfang des Rotorblechpakets und benachbart zu den Kühlstäben Permanentmagnete angeordnet. Dazu können entsprechende Ausnehmungen für die Permanentmagnete in dem Rotorblechpaket angeordnet sein. Die Kühlstäbe können in dem Rotorblechpaket so nahe wie möglich neben den Permanentmagneten angeordnet sein.
Beispielsweise können die Permanentmagnete in dem Rotorblechpaket mehrere Magnetpole bilden. Zur gezielten Führung des magnetischen Flusses können benachbart (zum Beispiel in Umfangsrichtung benachbart) zu den Permanentmagneten in dem Rotorblechpaket Flusssperren in Form von Ausnehmungen vorgesehen sein. In diesen Ausnehmungen im Rotorblechpaket können zumindest teilweise Kühlstäbe angeordnet sein, so dass die mit Kühlstäben belegten Ausnehmungen zu den Permanentmagneten benachbarte Flusssperren ausbilden.
Das Rotorblechpaket kann also radial zwischen der Rotorwelle und dem Außenumfang jeweilige Ausnehmungen für die Permanentmagnete und/oder die Kühlstäbe aufweisen.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen können die Ausnehmungen für die Kühlstäbe zumindest teilweise konisch ausgebildet sein. Beispielsweise können die Ausnehmungen zum Außenumfang des Rotorblechpakets hin konisch zusammenlaufen. Somit können die Kühlstäbe besser fixiert werden.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen weist das Rotorblechpaket in Umfangsrichtung eine Mehrzahl von separaten Abschnitten auf, in denen die Permanentmagnete angeordnet sind. In den Abschnitten des Rotorblechpakets können jeweils ein oder mehrere Ausnehmungen für die Permanentmagnete vorgesehen sein. Die Kühlstäbe können in Umfangsrichtung zwischen benachbarten Abschnitten des Rotorblechpakets angeordnet sein.
Zusätzlich oder alternativ können Kühlstäbe in dem Rotorblechpaket radial (und dabei so nahe wie möglich) zwischen der Rotorwelle und den Permanentmagneten angeordnet sein, um Wärme abzuleiten. Radial zwischen Ausnehmungen für Permanentmagnete und der Rotorwelle können sich beispielsweise in dem Rotorblechpaket Ausnehmungen für Kühlstäbe befinden.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen weisen die Kühlstäbe einen rechteckigen oder runden Querschnitt auf. Die Kühlstäbe können sowohl als Vollmaterial oder auch rohrförmig (hohl) ausgeführt sein.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen umfassen die Kühlstäbe eine Keramik, insbesondere eine Aluminiumnitrid-Keramik. Aluminiumnitrit (chemisches Symbol: AlN) ist ein Halbleiter mit einem breitem verbotenem Energieband. Es ist ein feuerfester elektrischer Nichtleiter, der eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit (höher als die von Stahl) und eine große Oxidationsbeständigkeit und Abriebfestigkeit aufweist.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen erstrecken sich die Kühlstäbe und/oder die Permanentmagnete in dem Rotorblechpaket parallel zur Rotorwelle. Somit kann Wärme zu Stirnflächen des Rotorblechpakets hin abgeleitet werden.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen weisen die Kühlstäbe und/oder die Permanentmagnete eine größere axiale Ausdehnung auf als das Rotorblechpaket und ragen axial aus dem Rotorblechpaket heraus. Somit kann Wärme über den axialen Überstand der Kühlstäbe abgeleitet werden.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen weist die Rotoranordnung an wenigstens einem axialen Ende eine Einrichtung auf, die ausgebildet ist, um axiale Endbereiche der Kühlstäbe und/oder der Permanentmagnete während eines Betriebs der Rotoranordnung bzw. der E-Maschine mit einem Kühlmedium zu besprühen.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen kann das Kühlmedium Öl sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Kühlen einer Rotoranordnung einer E-Maschine vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst ein Ableiten von Wärme aus einem Rotorblechpaket mittels Kühlstäben, die eine höhere Wärmeleifähigkeit aufweisen als das Rotorblechpaket und in dem Rotorblechpaket radial zwischen einem Innenumfang und einem Außenumfang des Rotorblechpakets angeordnet sind.
Im Folgenden werden einzelne Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung anhand der Figuren beispielhaft beschrieben. Es zeigen:

1A-D verschiedene Ansichten einer Rotoranordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
2A-D verschiedene Ansichten einer Rotoranordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
3 eine mögliche Anordnung von Kühlstäben innerhalb eines Rotorblechpakets.

Die 1A zeigt eine Schnittansicht einer Rotoranordnung 10 für eine E-Maschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Bei der E-Maschine kann es sich um einen E-Motor oder einen Generator handeln. Die E-Maschine kann fremderregt, permanenterregt, oder als Hybridmaschine ausgebildet sein. Auch wenn hier der Anschaulichkeit wegen lediglich die Rotoranordnung 10 dargestellt ist, so versteht der Fachmann, dass die E-Maschine außerdem einen Stator (auch Ständer genannt) mit Statorwicklungen umfasst, die radial außerhalb der Rotoranordnung 10 angeordnet sind.
Die Rotoranordnung 10 umfasst eine Rotorwelle 12, die beispielsweise als Hohlwelle ausgebildet sein kann. Die Rotoranordnung 10 der E-Maschine umfasst ferner ein an einen Außenumfang der Rotorwelle 12 drehfest angebundenes Rotorblechpaket 14. Das Rotorblechpaket 14 umfasst in Stapelrichtung, d.h. in axialer Richtung entlang einer Rotationsachse der Rotorwelle 12, über- bzw. nebeneinander angeordnete Einzelbleche, die auch als Blechlamellen bezeichnet werden. Die einzelnen Blechlamellen können durch Verkleben, Nieten, Klammern, Paketierungsschweißen oder Stanzpaketieren zu dem Rotorblechpaket 14 verbunden werden.
Das Rotorblechpaket 14 kann Rotorwicklungen und/oder Permanentmagnete aufweisen. Für fremderregte E-Maschinen kommen Rotorwicklungen in Betracht, die an einem Außenumfang 18 des Rotorblechpakets 14 angebracht werden. Für permanenterregte E-Maschinen kommen z.B. als Stangen ausgebildete Permanentmagnete in Betracht, die in dafür vorgesehene axiale Ausnehmungen bzw. Slots 16 des Rotorblechpakets 14 platziert werden können. Für Hybridmaschinen können sowohl Rotorwicklungen als auch Permanentmagnete vorgesehen sein. Vorliegend werden Ausführungsbeispiele mit Permanentmagneten im Rotorblechpaket 14 betrachtet. Es sei jedoch betont, dass die vorliegende Erfindung aber grundsätzlich auch für fremderregte E-Maschinen eingesetzt werden kann.
Alle Ausführungsbeispiele betreffend fremderregte, permanenterregte oder Hybridmaschinen weisen in dem Rotorblechpaket 14 in einem Bereich radial zwischen der Rotorwelle 12 und einem Außenumfang bzw. Mantelfläche 18 des Rotorblechpakets 14 Kühlstäbe 20 auf, die eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweisen als das Rotorblechpaket 14 bzw. dessen einzelne Blechlamellen. Die Kühlstäbe 20 können in dafür vorgesehene Ausnehmungen in dem Rotorblechpaket 14 eingelegt werden. Die Kühlstäbe 20 dienen dazu, Wärme aus dem Rotorblechpaket 14 abzuleiten. Wärme entsteht im Betrieb der E-Maschine aufgrund von Reibung und/oder elektrischem Stromfluss und sollte möglichst abgeführt werden, da sie sich beispielsweise negativ auf Permanentmagnete auswirken kann. Die vorliegende Erfindung schlägt also vor, anstelle von Öl oder einem anderen Kühlmedium im Rotor sehr gut wärmeleitende Kühlstäbe 20 zu verwenden, die, zum Beispiel im Fall permanenterregter Synchronmaschinen, unmittelbar in der Nähe der Permanentmagnete zu deren Entwärmung positioniert werden können. Bei den Kühlstäben 20 kann es sich beispielsweise um Keramikstäbe handeln. Bei der Keramik kann es sich insbesondere eine Aluminiumnitrid (AIN) Keramik handeln. AIN-Keramik weist eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit von bis zu 180 W/(m K) auf. Der Einsatz von AIN-Keramik ist somit dort interessant, wo viel Wärme abgeführt werden muss, der Werkstoff jedoch nicht elektrisch leitend sein darf. Somit eignet sie sich hervorragend als Material für die Rotorkühlstäbe 20. Es sei jedoch bemerkt, dass grundsätzlich auch anderes nicht (vernachlässigbar) elektrisch leitfähiges Material für die Kühlstäbe 20 in Frage kommt, welches eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist als das Rotorblechpaket 14.
In dem in 1A gezeigten Ausführungsbeispiel weisen die Kühlstäbe 20 jeweils einen runden Querschnitt auf. Denkbar ist aber jeder beliebige Querschnitt, wie zum Beispiel dreieckig, rechteckig, quadratisch, etc. Des Weiteren können die Kühlstäbe 20 im Rotorblechpaket 14 als Vollmaterial oder auch rohrförmig (hohl) ausgeführt sein.
Bei dem in 1A dargestellten Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine Rotoranordnung 10 für eine permanenterregte Synchronmaschine. In dem Rotorblechpaket 14 können dazu in den radial zwischen der Rotorwelle 12 und dem Außenumfang 18 des Rotorblechpakets 14 vorhandenen axialen Ausnehmungen 16 Permanentmagnete angeordnet werden. Die Kühlstäbe 20 sind in dem Rotorblechpaket 14 vorzugsweise so nahe wie möglich neben den Ausnehmungen 16 für die Permanentmagnete angeordnet, um möglichst effizient Wärme von den Permanentmagneten abtransportieren zu können.
In dem in 1A gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst das Rotorblechpaket 14 gleichmäßig in Umfangsrichtung verteilt sechs separate Abschnitte 22-1, ..., 22-6, in denen jeweils Permanentmagnete in den dafür vorgesehenen axialen Ausnehmungen 16 angeordnet werden können. Jeder Abschnitt 22 umfasst eine erste Reihe axialer Ausnehmungen 16, die radial übereinander und mit Abstand zueinander angeordnet sind, und eine zweite Reihe von Ausnehmungen 26. Die zweiten Ausnehmungen 26 sind in Bezug auf die radiale Richtung geneigt, ausgehend von den axialen Ausnehmungen 16 und endend in der Nähe des Randes bzw. Außenumfangs 18, der sich im Bereich eines Luftspalts der elektrischen Maschine befindet. Die Ausnehmungen 26 sind symmetrisch zu den Ausnehmungen 16 der Magnete angeordnet und bilden jeweils einen im Wesentlichen V-förmige geometrische Figur mit flachem Boden. Der flache Boden wird durch die Ausnehmungen 16 gebildet und die schrägen Arme des V werden durch die schrägen Ausnehmungen 26 gebildet. Die schrägen Ausnehmungen 26 bilden Flussbarrieren. Der magnetische Fluss von den Magneten kann dann nur durch die massiven Teile der Bleche zwischen den Aussparungen hindurch. Diese massiven Teile können aus einem ferromagnetischen Material hergestellt sein.
Erste Kühlstäbe 20-1 sind zwischen in Umfangsrichtung benachbarten (Permanentmagnet-) Abschnitten 22-1, ..., 22-6 angeordnet. Genauer sind erste Kühlstäbe 20-1 zwischen in Umfangsrichtung benachbarten Ausnehmungen 26 benachbarter (Permanentmagnet-) Abschnitten 22-1, ..., 22-6 angeordnet. Somit werden die Abschnitte 22-1, ..., 22-6 in Umfangsrichtung von wenigstens einem dazwischen angeordneten Kühlstab 20-1 getrennt. Jeder der (Permanentmagnet-) Abschnitte 22-1, ..., 22-6 umfasst im gezeigten Ausführungsbeispiel jeweils sechs axiale Ausnehmungen 16 für Permanentmagnete, wobei jeweils drei Paare von (Permanentmagnet-) Ausnehmungen 16 in radialer Richtung übereinander angeordnet sind. Radial zwischen dem radial am weitesten innen liegenden Paar von Ausnehmungen 16 jeden Abschnitts 22-1, ..., 22-6 und der Rotorwelle 12 ist ebenfalls wenigstens ein zweiter Kühlstab 20-2 angeordnet. Im gezeigten Ausführungsbeispiel sind radial zwischen dem radial am weitesten innen liegenden Paar von Ausnehmungen 16 jeden Abschnitts 22-1, ..., 22-6 und der Rotorwelle 12 jeweils zwei Kühlstäbe 20-2 angeordnet. Die ersten Kühlstäbe 20-1 sind radial weiter außerhalb der Rotorwelle 12 angeordnet als die zweiten Kühlstäbe 20-2. Im gezeigten Ausführungsbeispiel weisen die radial äußeren ersten Kühlstäbe 20-1 einen kleineren Durchmesser auf als die radial inneren zweiten Kühlstäbe 20-2. Sowohl die radial inneren zweiten Kühlstäbe 20-2 als auch die radial äußeren ersten Kühlstäbe 20-1 können auf einem jeweiligen Kreis oder ein Hexagon um die Wellenrotationsachse angeordnet sein. Allerdings kommen viele mögliche geometrische Anordnungen der Kühlstäbe 20 in Betracht, solange sie derart in der Nähe der Permanentmagnete angeordnet sind, dass sie die Wärme effizient und effektiv abtransportieren können.
Die 1B zeigt eine Perspektivansicht der Rotoranordnung 10.
Aus der Perspektivansicht der 1B lässt sich erkennen, dass sich die Kühlstäbe 20 in dem Rotorblechpaket 14 parallel zur Rotorwelle 12 (also längs) erstrecken und eine größere axiale Ausdehnung aufweisen als das Rotorblechpaket 14. Die Kühlstäbe 20 ragen also wenigstens an einem axialen Ende (vorzugsweise an beiden) axial aus dem Rotorblechpaket 14 heraus. Aus 1B lassen sich die axialen Enden der radial äußeren ersten Kühlstäbe 20-1 und die axialen Enden der radial inneren zweiten Kühlstäbe 20-2 erkennen. Über die axialen Enden der Kühlstäbe 20 kann Wärme in eine Umgebung der Rotoranordnung 10 abgeleitet werden.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Rotoranordnung 20 an beiden axialen Enden eine Sprüheinrichtung 30 auf, die ausgebildet ist, um die aus dem Rotorblechpaket 14 herausragenden axialen Enden der radial äußeren und inneren Kühlstäbe 20-1, 20-2 während eines Betriebs der Rotoranordnung mit einem Kühlmedium, wie z.B. einem Öl, zu besprühen. Die Sprüheinrichtung 30 weist dazu an beiden axialen Enden des Rotorblechpakets 14 jeweils einen Sprühring 32 auf. Die Sprühringe 32 können beispielsweise aus Metall oder Kunststoff gefertigt sein. Die Sprühringe 32 stehen jeweils fest, d.h., drehen im Betrieb nicht mit der Rotorwelle 12 bzw. dem Rotorblechpaket 14 mit. Innerhalb der Sprühringe 32 verläuft jeweils ein Sprühkanal für das Kühlmedium (Öl), welches aus in Umfangsrichtung beabstandeten Sprühöffnungen 34 der Sprühringe 32 auf die axialen Enden der Kühlstäbe 20 abgespritzt werden kann. Die Sprühöffnungen 34 der Sprühringe 32 weisen also in Richtung der axialen Enden der Kühlstäbe 20, d.h. in Richtung Stirnflächen des Rotorblechpakets 14. Zusätzlich oder alternativ können weitere Sprühöffnungen Kühlmedium (Öl) in Richtung Rotorwelle 12 abspritzen, von der es dann im Betrieb der Rotoranordnung 10 wieder in Richtung der Kühlstäbe 20 abgeschleudert werden kann.
Durch das radiale Abschleudern des Kühlmediums von den Kühlstäben ist zudem eine Kühlung der herausstehenden Statorwicklungen möglich.
Der Vollständigkeit halber zeit 1C noch eine Seitenansicht der anhand der 1A, B beschriebenen Rotoranordnung 10.
Die 1D zeigt eine Perspektivansicht einer weiteren Ausführungsform einer Rotoranordnung 10, bei welcher die axialen Enden der radial äußeren ersten Kühlstäbe 20-1 und/oder die axialen Enden der radial inneren zweiten Kühlstäbe 20-2 jeweils angeschrägt ausgebildet sind. Dadurch kann von der Sprüheinrichtung 30 und/oder der Rotorwelle 12 abspritzendes Kühlmedium (Öl) besser von den axialen Enden aufgefangen und axial in die hohl ausgebildeten Kühlstäbe 20-1, 20-2 geleitet werden. Wie die Schrägen angeordnet werden, hängt beispielsweise von der Drehrichtung der Rotorwelle 12 ab und davon, ob Kühlmedium (Öl) direkt von der Sprüheinrichtung 30 oder von der Rotorwelle 12 eingefangen werden soll.
Die 2A zeigt eine Schnittansicht einer Rotoranordnung 10 für eine E-Maschine gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Auf Komponenten der Rotoranordnung 10, die bereits anhand der 1A-C beschrieben wurden, wird an dieser Stelle nicht nochmals detailliert eingegangen. Es wird lediglich auf die Unterschiede zum Ausführungsbeispiel gemäß den 1A-C abgestellt.
In dem in 2A gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst das Rotorblechpaket 14 wieder gleichmäßig in Umfangsrichtung verteilt sechs separate Abschnitte 22-1, ..., 22-6, in denen jeweils Permanentmagnete in den dafür vorgesehenen Ausnehmungen 16 angeordnet werden können. Es versteht sich, dass es auch mehr oder weniger solcher (Permanentmagnet-) Abschnitte sein können. Jeder der (Permanentmagnet-) Abschnitte 22-1, ..., 22-6 umfasst im gezeigten Ausführungsbeispiel jeweils sechs im Querschnitt rechteckige Ausnehmungen 16 für Permanentmagnete, wobei jeweils drei Paare von (Permanentmagnet-) Ausnehmungen 16 in radialer Richtung übereinander angeordnet sind. In dem in 2A gezeigten Ausführungsbeispiel befinden sich in Umfangsrichtung unmittelbar links und rechts neben den (Permanentmagnet-) Ausnehmungen 16 weitere Ausnehmungen 26, in welche Kühlstäbe 20-1 eingelegt werden können. Wie es oben bereits beschrieben wurde, kann es sich bei den weiteren Materialausnehmungen 26 um Flusssperren zur gezielten Führung des magnetischen Flusses handeln. In diesen weiteren Ausnehmungen 26 im Rotorblechpaket 14 (welche symmetrisch zu den Ausnehmungen 16 in deren Mitte angeordnet sind) können zumindest teilweise Kühlstäbe 20 angeordnet sein, so dass die mit Kühlstäben 20 belegten weiteren Ausnehmungen 26 zu den Permanentmagneten benachbarte Flusssperren ausbilden. In dem in 2A gezeigten Ausführungsbeispiel bilden die Ausnehmungen 16 für Permanentmagnete und die in Umfangsrichtung (auf beiden Seiten) daneben angeordneten weiteren Ausnehmungen 26 für Kühlstäbe einen stumpfen Winkel aus. Während die Längsseiten der rechteckigen (Permanentmagnet-) Ausnehmungen 16 jeweils tangential verlaufen, verlaufen die Längsseiten der (Kühlstab-) Ausnehmungen 26 ausgehend von Schmalseiten der (Permanentmagnet-) Ausnehmungen 16 in Richtung Außenumfang bzw. Mantelfläche 18 des Rotorblechpakets 14. Zwischen den (Permanentmagnet-) Ausnehmungen 16 und den (Kühlstab-) Ausnehmungen 26 kann sich beispielsweise jeweils ein Winkel in einem Bereich von 100° bis 150° ergeben.
Radial zwischen dem radial am weitesten innen liegenden Paar von (Permanentmagnet-) Ausnehmungen 16 jeden Abschnitts 22-1, ..., 22-6 und der Rotorwelle 12 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel jeweils zwei Kühlstäbe 20-2 tangential benachbart angeordnet. Bei beispielhaft sechs Abschnitten 22-1, ..., 22-6 ergeben sich also zwölf radial innere Kühlstäbe 20-2. Die radial inneren Kühlstäbe 20-2 können beispielsweise auf einem Hexagon um die Wellenrotationsachse angeordnet sein. Allerdings kommen viele mögliche Anordnungen der Kühlstäbe 20 in Betracht, solange sie derart in der Nähe der Permanentmagnete angeordnet sind, dass sie die Wärme effizient und effektiv abtransportieren können.
Auch bei dem in 2A gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Kühlstäbe 20-1 radial weiter außerhalb der Rotorwelle 12 angeordnet als die Kühlstäbe 20-2. Die radial äußeren Kühlstäbe 20-1 sind in Umfangsrichtung in den Ausnehmungen 26 zwischen den Permanentmagneten angeordnet, während die radial inneren Kühlstäbe 20-1 radial unterhalb der Permanentmagnete in dafür vorgesehenen Ausnehmungen angeordnet sind.
Die 2B zeigt eine Perspektivansicht der Rotoranordnung 10 der 2A
Aus der Perspektivansicht der 2B lässt sich erkennen, dass sich die Kühlstäbe 20 (mit rechteckigem Querschnitt) in dem Rotorblechpaket 14 parallel zur Rotorwelle 12 erstrecken und eine größere axiale Ausdehnung aufweisen als das Rotorblechpaket 14. Die Kühlstäbe 20 ragen also wenigstens an einem axialen Ende (vorzugsweise an beiden) axial aus dem Rotorblechpaket 14 heraus. Aus 2B lassen sich die axialen Enden der radial äußeren Kühlstäbe 20-1 und die axialen Enden der radial inneren Kühlstäbe 20-2 erkennen. Über die axialen Enden der Kühlstäbe kann Wärme in eine Umgebung der Rotoranordnung 10 abgeleitet werden. Dazu können die axialen Enden der radial äußeren und inneren Kühlstäbe 20-1, 20-2 während eines Betriebs der Rotoranordnung 10 vermittels der Sprüheinrichtung 30 mit einem Kühlmedium, wie z.B. einem Öl, besprüht werden. Eine geometrische Anordnung der Kühlstäbe 20-1, 20-2 kann so gewählt werden, dass einerseits eine gute Entwärmung stattfindet und sie andererseits gut mit Öl besprüht werden können.
Der Vollständigkeit halber zeigt 2C noch eine Seitenansicht der anhand der 2A, B beschriebenen Rotoranordnung 10.
Die 3 zeigt zusammenfassend eine mögliche Anordnung der Kühlstäbe 20-1 und 20-2 innerhalb des Rotorblechpakets 14. Während die radial inneren Kühlstäbe 20-2 auf Kanten eines Hexagons um die Rotorwelle 12 angeordnet sind, befinden sich die radial äußeren Kühlstäbe 20-1 radial außerhalb der Ecken des Hexagons in einem radialen Bereich zwischen dem Hexagon und dem Außenumfang 18 des Rotorblechpakets 14. Die im Querschnitt rechteckigen Kühlstäbe 20-1 verlaufen sowohl schräg zur radialen Richtung als auch schräg zu den Kanten des Hexagons, das die radial inneren Kühlstäbe 20-2 bilden.
Wie es in 3 (unten) gezeigt ist, können die Aufnahmen 26 für die Keramikkühlstäbe 20-1 konisch ausgeführt sein, damit die durch die Rotation des Rotorblechpakets 14 entstehenden Fliehkräfte auf die Kühlstäbe 20-1 nicht durch dünn ausgeführte Enden der Blechlamellen am Außenumfang 18 aufgenommen werden müssen. Konisch meint in diesem Zusammenhang, dass eine Breite A1 der Aufnahmen 26 an einem radial inneren Ende der Aufnahmen 26 größer ist als eine Breite A2 an einem radial äußeren Ende der Aufnahmen 26. Das heißt, die Breite der der Aufnahmen 26 nimmt von radial innen nach außen ab. Somit können die Kühlstäbe 20-1 in den Aufnahmen 26 fixiert werden.
Ferner können, wie in 2D angedeutet, in Umfangs- bzw. Drehrichtung direkt hintereinander angeordneten Kühlstäbe 20 axial unterschiedlich lang ausgebildet sein, so dass ein in Drehrichtung im Nachlaufgebiet befindlicher Kühlstab etwas länger und der in Drehrichtung vorlaufende Kühlstab kürzer ausgebildet ist. Somit können die axialen Enden der Kühlstäbe 20 axial unterschiedlich weit aus dem Rotorblechpaket 14 herausragen, um eine bessere Kühlung zu erreichen.
Durch Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung kann ein Wärmeabtransport effektiver in unmittelbarer Nähe zu den Permanentmagneten geschehen. Zudem werden keine Dichtungen benötigt, die bei hohen Drehzahlen verschleißen können und ggf. zu einem Ausfall des Antriebs führen können. Anstelle von Öl oder einem anderen Kühlmedium werden sehr gut wärmeleitende Keramikstäbe verwendet, die unmittelbar in der Nähe der Permanentmagnete positioniert werden können. Diese können beidseitig am Ende des Rotors herausragen und können dort mit Öl zur Kühlung besprüht werden. Dies kann durch einen externen Kühl-/Sprayring erfolgen, oder durch abspritzendes Öl von der Rotorwelle, welches ebenfalls von außen auf die Rotorwelle gespritzt werden kann.
Sofern eine Rotorkühlung erforderlich ist, kann dieses Konzept nicht nur auf permanenterregte Synchronmaschinen angewendet werden, sondern auch auf alle anderen nasslaufenden Elektromotoren.
Weiterhin sind die folgenden Ansprüche hiermit in die detaillierte Beschreibung aufgenommen, wobei jeder Anspruch als getrenntes Beispiel für sich stehen kann. Während jeder Anspruch als getrenntes Beispiel für sich stehen kann, ist zu beachten, dass - obwohl ein abhängiger Anspruch sich in den Ansprüchen auf eine bestimmte Kombination mit einem oder mehreren anderen Ansprüchen beziehen kann - andere Beispiele auch eine Kombination des abhängigen Anspruchs mit dem Gegenstand jedes anderen abhängigen oder unabhängigen Anspruchs umfassen können. Solche Kombinationen werden hier explizit vorgeschlagen, sofern nicht angegeben ist, dass eine bestimmte Kombination nicht beabsichtigt ist. Ferner sollen auch Merkmale eines Anspruchs für jeden anderen unabhängigen Anspruch eingeschlossen sein, selbst wenn dieser Anspruch nicht direkt abhängig von dem unabhängigen Anspruch gemacht ist.
Bezugszeichen

10: Rotoranordnung
12: Rotorwelle
14: Rotorblechpaket
16: Ausnehmung für Permanentmagnet
18: Außenumfang des Rotorblechpakets
20: Kühlstab
22: Rotorblechpaketabschnitt
26: Ausnehmung für Kühlstab
30: Sprüheinrichtung
32: Sprühring
34: Sprühöffnung
A1: Breite
A2: Breite

Claims

Eine Rotoranordnung (10) für eine E-Maschine, die Rotoranordnung umfassend eine Rotorwelle (12); ein mit der Rotorwelle (12) drehfest verbundenes Rotorblechpaket (14), wobei in dem Rotorblechpaket (14) in einem Bereich radial zwischen der Rotorwelle (12) und einem Außenumfang (18) des Rotorblechpakets Kühlstäbe (20) angeordnet sind, die eine höhere Wärmeleifähigkeit aufweisen als das Rotorblechpaket (14).
Rotoranordnung (10) nach Anspruch 1, wobei in dem Rotorblechpaket in einem weiteren Bereich radial zwischen der Rotorwelle und dem Außenumfang des Rotorblechpakets Permanentmagnete angeordnet sind und wobei die Kühlstäbe in dem Rotorblechpaket neben den Permanentmagneten angeordnet sind.
Rotoranordnung (10) nach Anspruch 2, wobei die Kühlstäbe radial zwischen der Rotorwelle und den Permanentmagneten angeordnet sind.
Rotoranordnung (10) nach einem Anspruch 2 oder 3, wobei das Rotorblechpaket in Umfangsrichtung einer Mehrzahl von separaten Abschnitten aufweist, in denen die Permanentmagnete angeordnet sind, und wobei die Kühlstäbe zwischen benachbarten Abschnitten angeordnet sind.
Rotoranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kühlstäbe (20) einen rechteckigen oder runden Querschnitt aufweisen.
Rotoranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kühlstäbe (20) eine Keramik, insbesondere eine Aluminiumnitrid-Keramik, umfassen.
Rotoranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Rotorblechpaket (14) Ausnehmungen (16; 26) für die Permanentmagnete und/oder die Kühlstäbe (20) aufweist.
Rotoranordnung (10) nach Anspruch 7, wobei die Ausnehmungen (26) für die Kühlstäbe (20) zumindest teilweise konisch zur Fixierung der Kühlstäbe ausgebildet sind.
Rotoranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich die Kühlstäbe (20) und/oder die Permanentmagnete in dem Rotorblechpaket (14) parallel zur Rotorwelle (12) erstrecken.
Rotoranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kühlstäbe (20) und/oder die Permanentmagnete eine größere axiale Ausdehnung aufweisen als das Rotorblechpaket (14) und axial aus dem Rotorblechpaket herausragen.
Rotoranordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rotoranordnung an wenigstens einem axialen Ende eine Einrichtung (30) aufweist, die ausgebildet ist, um axiale Endbereiche der Kühlstäbe (20) und/oder der Permanentmagnete während eines Betriebs der Rotoranordnung mit einem Kühlmedium zu besprühen.
Rotoranordnung (10) nach Anspruch 11, wobei das Kühlmedium Öl ist.
Verfahren zum Kühlen einer Rotoranordnung (10) einer E-Maschine, umfassend Ableiten von Wärme aus einem Rotorblechpaket (14) mittels Kühlstäben (20), die eine höhere Wärmeleifähigkeit aufweisen als das Rotorblechpaket und in dem Rotorblechpaket radial zwischen einem Innenumfang und einem Außenumfang des Rotorblechpakets angeordnet sind.