DE102022203783A1

DE102022203783A1 - Elektrische Maschine mit einer Kühlleitung

Info

Publication number: DE102022203783A1
Application number: DE102022203783.9A
Authority: DE
Inventors: Peer-Ole Gronwald
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2022-04-14
Filing date: 2022-04-14
Publication date: 2023-10-19

Abstract

Um eine elektrische Maschine (100) zu schaffen, wobei die elektrische Maschine (100) ein Gehäuse (10), einen Rotor (11) und einen Stator (41) aufweist, wobei der Rotor (11) eine hohle Rotorwelle (12) und einen Rotorkern (13) umfasst, wobei die hohle Rotorwelle (12) mindestens eine erste Durchgangsöffnung (14) aufweist, wobei die erste Durchgangsöffnung (14) mit mindestens einer ersten Kühlleitung (15) fluidisch verbunden ist, wobei der Rotorkern (13) mindestens einen Polschuh (16), bevorzugt mindestens zwei Polschuhe (16), aufweist, wobei die Kühlung innerhalb des Rotors verbessert ist, wird vorgeschlagen, dass der mindestens eine Polschuh (16) von der mindestens einen ersten Kühlleitung (15) umwickelt ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, wobei die elektrische Maschine ein Gehäuse, einen Rotor und einen Stator aufweist, wobei der Rotor eine hohle Rotorwelle und einen Rotorkern umfasst, wobei die hohle Rotorwelle mindestens eine erste Durchgangsöffnung aufweist, wobei die erste Durchgangsöffnung mit mindestens einer ersten Kühlleitung fluidisch verbunden ist, wobei der Rotorkern mindestens einen Polschuh, bevorzugt mindestens zwei Polschuhe, aufweist.
Eine Synchronmaschine ist eine rotierende elektrische Maschine, in der der Rotor synchron mit dem Drehfeld des Stators läuft. Synchronmaschinen werden häufig als Drehstrommaschinen, also als Drehstromsynchronmaschinen, ausgeführt. Die Synchronmaschine trägt ihren Namen wegen der Betriebseigenschaft, dass ihr Rotor exakt mit dem durch die Netzfrequenz vorgegebenen Drehfeld synchron umläuft. Das unterscheidet Synchronmaschinen von Asynchronmaschinen, deren Rotor dem Drehfeld im Motorbetrieb nach- und im Generatorbetrieb voreilt. Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal ist, dass im Gegensatz zu Asynchronmaschinen für den Betrieb von Synchronmaschinen ein zusätzliches Erregerfeld benötigt wird.
In Elektrofahrzeugen können permanenterregte Synchronmaschinen (PSM) und Asynchronmotoren (ASM) sowie alternativ auch Drehstromsynchronmotoren (DSM) als Traktionsantriebe eingesetzt werden. Fremderregte Synchronmaschinen (FSM) haben dabei beispielsweise den Nachteil, dass diese durchaus hohe Verlustleistungseinträge in den Rotorwicklungen haben können, denn die Rotorwicklungen können im Betrieb der Maschine auf bis zu oder mehr als 200 °C erwärmt werden. Dies macht ein Kühlungskonzept nötig, welches die Wärme aus den Rotorwicklungen idealerweise nahe der Verlustquellen abführt.
Im Stand der Technik werden FSM-Rotorwicklungen von außen mit Öl besprüht, oder es wird die Rotorwelle mit Fluid gekühlt, wobei hier lange Wärmeleitungspfade von der Wärmequelle zu den Wärmesenken üblich sind.
Aus der DE 10 2020 110 861 A1 ist die Kühlung einer elektrischen Maschine bekannt, wobei in den Rotor bzw. in das Blechpaket einer elektrischen Maschine eine Leitungsstruktur eingebracht wird, welche ein Kühlmittel räumlich nah an den Magneten vorbeifördert, die in dem Blechpaket angeordnet sind, so dass ein konvektiver Wärmetransport sichergestellt ist. Das Kühlmittel wird zunächst über eine rotierende Hohlwelle zur Verfügung gestellt.
Die DE 10 2016 200 423 A1 beschreibt eine elektrische Maschine umfassend einen auf einer Rotorwelle gelagerten Rotor mit einem Rotorblechpaket, einen Stator mit Statorwickelköpfen, welche an gegenüberliegenden Stirnseiten des Stators angeordnet sind, und ein Gehäuse mit einem Reservoir für eine Kühlflüssigkeit. Das Rotorblechpaket bildet wenigstens einen durch das Rotorblechpaket verlaufenden, schraubenspindelförmigen ersten Kühlkanal und zweiten Kühlkanal aus, welche jeweils einen inneren Bereich des Rotorblechpakets mit einer ersten Stirnseite bzw. einer zweiten Stirnseite des Rotorblechpakets verbinden. Die ersten und zweiten Kühlkanäle sind gegenläufig zueinander orientiert und über wenigstens einen Durchgang innerhalb des Rotorblechpakets mit einer die Kühlflüssigkeit führenden Zuführleitung innerhalb der Rotorwelle verbunden.
Die WO 2014/057245 A2 sieht eine Drehvorrichtung vor, umfassend: einen Stator zur Aufnahme oder Abgabe von elektrischer Leistung, einen Rotor, der koaxial innerhalb des Stators angeordnet ist und einen oder mehrere darauf angeordnete Magnete aufweist, wobei der Rotor ein Rotorgehäuse mit einer Innenwand umfasst, wobei die Magnete um das Gehäuse herum angeordnet sind, und wobei der Rotor auch eine axiale Fluidleitung für den Fluss eines Kühlmittels zwischen einem ersten Ende des Rotors und einem zweiten distalen Ende des Rotors umfasst, wobei der Rotor ferner eine oder mehrere radiale Fluidleitungen umfasst, wobei die radialen Fluidleitungen in Fluidverbindung mit der axialen Fluidleitung stehen und im Gebrauch so angeordnet sind, dass sie Kühlmittel von der axialen Fluidleitung aufnehmen oder Kühlmittel an diese liefern, wobei die Innenwand einen oder mehrere Fluidwege für die Strömung von Kühlmittel aufweist, um dadurch den Rotor zu kühlen.
Die JP 2007 020 337 A1 betrifft eine Kühlstruktur für einen Elektromotor, der an einem Fahrzeug oder dergleichen montiert ist, und insbesondere eine Kühlstruktur für einen Elektromotor, der für den Antrieb einer Drehwelle eines Baumaschinenfahrzeugs geeignet ist, welches viel auf einem geneigten Gelände arbeitet.
Die DE 10 2019 212 391 A1 zeigt einen Rotor für eine elektrische Maschine, mit einer Rotorwelle und einer Mehrzahl von Rotorschenkeln, die mit der Rotorwelle verbunden sind, wobei jeder Rotorschenkel mit einer zugeordneten Erregerspule versehen ist, und wobei jeweils zwischen zwei in Umfangsrichtung der Rotorwelle benachbarten Erregerspulen eine Nut ausgebildet ist, wobei mindestens eine Nut mit einem Nutverschlusselement zur Fixierung von zwei zugeordneten, in Umfangsrichtung der Rotorwelle benachbarten Erregerspulen versehen ist, wobei das Nutverschlusselement mindestens einen Kühlkanal aufweist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine bereitzustellen, bei der die Kühlung innerhalb des Rotors verbessert ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die elektrische Maschine ein Gehäuse, einen Rotor und einen Stator aufweist, wobei der Rotor eine hohle Rotorwelle und einen Rotorkern umfasst, wobei die hohle Rotorwelle mindestens eine erste Durchgangsöffnung aufweist, wobei die erste Durchgangsöffnung mit mindestens einer ersten Kühlleitung fluidisch verbunden ist, wobei der Rotorkern mindestens einen Polschuh aufweist, wobei der mindestens eine Polschuh von der mindestens einen ersten Kühlleitung umwickelt ist.
Der Rotorkern kann auch zwei oder mehr Polschuhe aufweisen.
Unter einer fluidischen Verbindung wird verstanden, dass die Verbindung so gewählt ist, dass diese für den Transport und/oder das Durchfließen und/oder das Strömen von Flüssigkeiten und/oder von Gasen, insbesondere von flüssigen oder gasförmigen Kühlmitteln, geeignet ist.
Durch die Umwicklung des mindestens einen Polschuhs mittels der Kühlleitung wird bevorzugt eine Kühlung direkt an der Wärmequelle, beispielsweise von am Polschuh vorgesehenen Rotorwicklungen, ermöglicht.
Unter Umwickeln ist dabei bevorzugt zu verstehen, dass auch ein einfaches Umlaufen des Polschuhes bereits eine Umwicklung darstellt, somit kann eine Umwicklung bevorzugterweise ein- oder mehrfach den Polschuh umlaufen. Bei einer sehr engen Umwicklung sind keine Zwischenräume zwischen den Wickelungen der Kühlleitungen vorhanden. Es ist jedoch auch möglich, dass die einzelnen Wicklungen voneinander beabstandet sind.
Besonders bevorzugt sind die Wicklungen der Kühlleitung ein- oder mehrlagig ausgebildet.
Der Rotor umfassend die hohle Rotorwelle und der Rotorkern ist bevorzugterweise mehrteilig ausgebildet. Vorteilhafterweise sind die Polschuhe und der Rotorkern und/oder der Rotor und/oder die Rotorwelle einstückig und/oder stoffeinteilig ausgebildet.
Bevorzugterweise weist die mindestens eine erste Kühlleitung einen Steigungswinkel von 1° bis 20° auf. Der Steigungswinkel wird dabei vorteilhafterweise zwischen einer Achse der hohlen Rotorwelle und der ersten Kühlleitung gemessen.
Bevorzugterweise werden im Betrieb der elektrischen Maschine durch den Steigungswinkel der Kühlleitung Flüssigkeiten und/oder Gase, insbesondere ein Kühlmittel, in der Kühlleitung durch die Fliehkraft radial nach außen getrieben.
Bevorzugterweise ist der mindestens eine Polschuh von der mindestens einen ersten Kühlleitung schraubenförmig und/oder spiralförmig und/oder helixförmig umwickelt.
Bei einer Aufsicht auf einen parallel zur Axialrichtung der elektrischen Maschine verlaufenden Längsschnitt durch den Rotorkern verläuft die Kühlleitung bevorzugt zunächst von einer ersten Stirnseite des Rotors auf einer ersten Seite des Polschuhs in Richtung einer der ersten Stirnseite gegenüberliegenden zweiten Stirnseite des Rotors mit dem Steigungswinkel radial ansteigend, verläuft dann über die zweite Stirnseite und anschließend auf einer zweiten, der ersten Seite gegenüberliegenden, Seite des Polschuhs mit dem Steigungswinkel radial ansteigend zur ersten Stirnseite des Rotors zurück. Im weiteren Verlauf verläuft die Kühlleitung über die erste Stirnseite erneut zur ersten Seite des Polschuhs. Die Kühlleitung kann den jeweiligen Polschuh in dieser Weise mehrfach umlaufen. Somit entsteht dann bevorzugt die schrauben-, spiral- und/oder helixförmige Umwicklung des Polschuhs.
Vereinfacht gesagt schraubt sich die Kühlleitung, bevorzugterweise in der Radialrichtung, am Polschuh nach außen. Die Wicklungen können in der radialen Richtung voneinander beabstandet sein, das heißt, dass die Ganghöhe der Schrauben-, Spiral- oder Helixwicklung größer als ein Durchmesser der Kühlleitung ist.
Hierdurch wird eine optimierte Wärmeaufnahme und Wärmeabfuhr durch ein in der Kühlleitung geführtes Kühlmittel ermöglicht.
Bevorzugterweise sind um den mindestens einen Polschuh Rotorwicklungen angeordnet. Unter Rotorwicklungen wird dabei bevorzugt verstanden, dass diese aus elektrischen Leitern bestehen, welche dicht um jeden Polschuh gewickelt sind und dabei mehrere Lagen aufweisen können.
Bevorzugterweise umwickelt die mindestens eine erste Kühlleitung die Rotorwicklungen des Polschuhs ein- oder mehrfach. Die Kühlleitung umwickelt somit den Polschuh und die Rotorwicklung gemeinsam. Hierdurch ist vorteilhaft ein kostengünstiges Wickelverfahren möglich, denn zunächst können die Rotorwicklungen vorgenommen werden und im Anschluss die Umwicklung durch die Kühlleitung.
Bevorzugterweise ist der mindestens eine Polschuh ein- oder mehrfach durch die erste Kühlleitung umwickelt.
Zudem kann die Kühlleitung direkt um den Polschuh gewickelt sein und die Rotorwicklung kann außen um die Kühlleitung gewickelt sein, so dass die Kühlleitung zwischen Polschuh und Rotorwicklung angeordnet ist. Dies hat ebenfalls den Vorteil, dass das Verfahren der Umwicklung kostengünstig nacheinander durchgeführt werden kann.
Bevorzugterweise verläuft die Kühlleitung ein- oder mehrfach durch die Rotorwicklungen und/oder ist in die Rotorwicklungen eingebettet.
Hierunter ist zu verstehen, dass die Rotorwicklungen und die Kühlleitung abwechselnd, insbesondere in einzelnen Lagen, den Polschuh umwickeln. Weiterhin ist es möglich, dass in einer Lage Rotorwicklungen und Kühlleitung nebeneinander um den Polschuh gewickelt sind. Hierdurch wird gewährleistet, dass die Wärme direkt mit maximaler Kontaktoberfläche durch die Kühlleitung von der Rotorwicklung abgeführt werden kann.
Bevorzugterweise sind mindestens zwei Polschuhe vorgesehen.
Besonders bevorzugt bilden die mindestens zwei Polschuhe in einer Umfangsrichtung mindestens einen Polschuhzwischenbereich aus. Der Polschuhzwischenbereich kann auch als ein Freiraum verstanden werden.
Bevorzugterweise sind die Rotorwicklungen und die Wicklungen der Kühlleitung im Bereich des Polschuhs bzw. des Polschuhzwischenbereichs angeordnet, besonders bevorzugterweise verläuft die Wicklung der Kühlleitung zumindest teilweise über die Stirnseiten des Rotors.
Bevorzugterweise ist der mindestens eine Polschuhzwischenbereich mit einem Kunststoff, weiter bevorzugt einem Harz, noch weiter bevorzugt einem Epoxid-Harz, gefüllt.
Hierdurch wird die Produktion des Rotors erheblich vereinfacht, da der Kunststoff vorteilhafterweise nach dem Umwickeln in die verbliebenen Zwischenräume zwischen den Polschuhen bzw. in den Polschuhzwischenbereich gegossen werden kann und die Rotorwicklungen und/oder die Kühlleitung umschließt. Der Kunststoff fixiert hierdurch vorteilhafterweise zusätzlich die Rotorwicklungen und die Kühlleitung. Darüber hinaus ist ein Epoxidharz bevorzugt besonders wärmeleitend und ist daher als Wärmeableiter besonders gut geeignet, denn die Wärme wird über das Harz effektiv in die Kühlleitung abgeleitet.
Vorteilhafterweise sind die erste Kühlleitung und die hohle Rotorwelle so ausgebildet, dass ein Kühlmittel eingeleitet werden kann. Besonders vorteilhafterweise ist in der mindestens einen ersten Kühlleitung und der damit verbundenen hohlen Rotorwelle ein Kühlmittel vorgesehen.
Vorteilhafterweise sind als Kühlmittel Fluide, insbesondere Flüssigkeiten und/oder Gase geeignet, weiter vorteilhafterweise sind als Kühlmittel alle Getriebeöle geeignet, insbesondere Leichtlauföle und/oder wasserbasierte Getriebefluide.
Weiter vorteilhafterweise weist das Kühlmittel zusätzlich Massenanteile an Nanopartikeln auf, um die thermischen Eigenschaften zu verbessern.
Durch eine einstückige Ausbildung werden weniger Teile benötigt und somit Kosten gespart.
Weiter bevorzugt weist der Rotorkern mindestens 4, 8, ... 2n, mit n gleich 1, 2 usw. Polschuhe auf.
Bevorzugt kann jedes Merkmal, welches sich auf einen Polschuh und/oder eine Kühlleitung bezieht, ebenfalls auf jeden weiteren Polschuh und/oder damit verbundene Komponenten übertragen werden.
Bevorzugterweise weist die hohle Rotorwelle mindestens eine erste Durchgangsöffnung und mindestens eine zweite Durchgangsöffnung auf, wobei besonders bevorzugterweise die erste Durchgangsöffnung an einem ersten Abschnitt und die zweite Durchgangsöffnung an einem zweiten Abschnitt der hohlen Rotorwelle angeordnet sind.
Bevorzugterweise ist die zweite Durchgangsöffnung mit mindestens einer zweiten Kühlleitung fluidisch verbunden.
Vorteilhafterweise sind der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt an sich gegenüberliegenden Enden der Rotorwelle ausgebildet.
Bevorzugterweise handelt es sich bei der ersten und/oder zweiten Durchgangsöffnung um eine Öffnung in der Wandung der Rotorwelle, besonders bevorzugterweise handelt es sich hierbei um eine radiale Rohrung.
Ganz besonders bevorzugterweise sind die mindestens eine erste Durchgangsöffnung und die zweite Durchgangsöffnung punktsymmetrisch zueinander, insbesondere bezüglich eines axialen und/oder radialen Mittelpunkts der hohlen Rotorwelle, angeordnet, insbesondere, wenn zwei sich radial gegenüberliegende Polschuhe betrachtet werden.
Punktsymmetrisch kann hierbei bedeuten, dass der axiale und radiale Mittelpunkt der hohlen Rotorwelle der Spiegelpunkt ist und somit die erste und zweite Durchgangsöffnung auf sich radial und axial gegenüberliegenden Punkten in der Wandung der hohlen Rotorwelle vorgesehen sind.
Durch die Symmetrie der Rotorwelle inklusive der Durchgangsöffnungen und/oder Kühlleitungen ist bei Betrieb der elektrischen Maschine eine homogene Verteilung, insbesondere der Temperatur und/oder des Kühlmittels innerhalb des Rotors gewährleistet und Unwuchten bei der Rotation des Rotors werden verringert.
Bevorzugterweise ist mindestens ein zweiter Polschuh von der zweiten Kühlleitung umwickelt.
Vorteilhafterweise sind eine Vielzahl von Durchgangsöffnungen mit einer entsprechenden Vielzahl von Kühlleitungen fluidisch verbunden, besonders vorteilhafterweise ist somit vorgesehen, dass bei n Polschuhen n Durchgangsöffnungen und n Kühlleitungen vorgesehen sind, wobei n 1, 2, 3 ... usw. sein kann. Bei der Vielzahl der Durchgangsöffnungen liegen sich jeweils zwei der Durchgangsöffnungen punktsymmetrisch in der Wandung der hohlen Rotorwelle gegenüber.
Vorteilhafterweise ist je ein Polschuh von mindestens einer Kühlleitung umwickelt. Hierdurch wird die Länge der jeweiligen Kühlleitungen auf ein Minimum begrenzt und dadurch die Kühlleistung erhöht.
Bevorzugterweise besteht die mindestens eine erste Kühlleitung aus Kunststoff und/oder Metall und/oder besonders bevorzugterweise umfasst die mindestens eine erste Kühlleitung Kunststoff und/oder Metall.
Vorteilhafterweise besteht die mindestens eine erste Kühlleitung aus Stahl und/oder Aluminiumwerkstoffen und/oder temperaturbeständigen Thermoplasten und/oder Duroplasten, und/oder besonders vorteilhafterweise umfasst die mindestens eine erste Kühlleitung Stahl und/oder Aluminiumwerkstoffe und/oder temperaturbeständige Thermoplasten und/oder Duroplasten.
Unter temperaturbeständig wird hierbei verstanden, dass das Material bei Temperaturen von über 180 °C keine Beeinträchtigung erfährt.
Vorteilhafterweise besteht die erste Kühlleitung aus keramischen Werkstoffen und/oder umfasst keramische Werkstoffe.
Durch die Verwendung einer Kühlleitung aus keramischen Werkstoffen bleibt der elektromagnetische Fluss der elektrischen Maschine unbeeinflusst.
Bevorzugterweise ist die mindestens eine erste Kühlleitung als Druckgussbauteil und/oder Spritzgussbauteil ausgebildet.
Hierdurch ist eine einfachere, kostensparende Produktion möglich.
Bevorzugterweise weist die mindestens eine erste Kühlleitung eine Ausgangsöffnung auf, wobei die Ausgangsöffnung besonders bevorzugterweise in einer radialen Richtung, besonders bevorzugterweise auf einen Wickelkopf des Stators, ausgerichtet ist, so dass weiter bevorzugterweise im Betrieb der elektrischen Maschine ein durch die erste Ausgangsöffnung austretendes Kühlmittel auf den Wickelkopf geleitet wird.
Unter radialer Richtung wird dabei die nach außen weisende Richtung vom Zentrum der hohlen Rotorwelle in Richtung des Stators verstanden.
Vorteilhafterweise ist die Ausgangsöffnung somit im Bereich einer Stirnseite des Rotors ausgebildet, wobei unter der Stirnseite die jeweils axialen Enden des Rotors in axialer Richtung verstanden wird.
Durch die Ausrichtung der Öffnung in der radialen Richtung ist gewährleistet, dass Kühlmittel durch die Fliehkraft aus dem Rotor herausgeschleudert wird und das Kühlmittel dann auf den Wickelkopf trifft und diesen kühlt.
Bevorzugterweise weist das Gehäuse einen Gehäusekühlmantel auf, wobei der Gehäusekühlmantel einen Wärmetauscher umfasst. Vorteilhafterweise sind der Rotor und der Stator innerhalb des Gehäusekühlmantels angeordnet.
Vorteilhafterweise ist der Wärmetauscher so ausgebildet, dass dieser die abgegebene Wärme vom Stator und/oder Kühlmittel abführt.
Hierdurch kann das Kühlmittel, nachdem es durch die Fliehkraft auf den Gehäusekühlmantel bzw. zuerst auf den Wickelkopf und dann auf den Gehäusemantel geschleudert wird, direkt abgekühlt werden.
Bevorzugterweise weist das Gehäuse einen Kühlmittelsumpf auf, welcher geeignet ist, das Kühlmittel aufzufangen, insbesondere Kühlmittel, welches aus den Ausgangsöffnungen austritt.
Bevorzugterweise ist der Kühlmittelsumpf über eine Leitung mit einem Getriebe umfassend einen Getriebesumpf verbunden. Das Kühlmittel kann hierdurch aus dem Kühlmittelsumpf in den Getriebesumpf strömen.
Bevorzugterweise ist mindestens ein Getriebezahnradförderungsmittel des Getriebes zumindest teilweise innerhalb des Getriebesumpfes angeordnet und mit einem Kühlmittelbehälter verbunden.
Vorteilhafterweise ist das Getriebezahnradfördermittel geeignet, Kühlmittel aus dem Getriebesumpf in den Kühlmittelbehälter zu fördern.
Vorteilhafterweise umfasst das Getriebezahnradförderungsmittel mindestens ein Getriebezahnrad des Getriebes.
Bevorzugterweise ist der Kühlmittelbehälter mit einer ersten endseitigen Öffnung der hohlen Rotorwelle fluidisch verbunden, so dass besonders bevorzugterweise das Kühlmittel vom Kühlmittelbehälter in die hohle Rotorwelle fließen oder befördert werden kann.
Vorteilhafterweise wird hierdurch ein erster geschlossener Kreislauf für das Kühlmittel hergestellt.
Das Kühlmittel strömt aus dem Kühlmittelbehälter durch die erste endseitige Öffnung hindurch in die hohle Rotorwelle und dann in die erste Durchgangsöffnung, strömt dann durch die erste Kühlleitung und wird aus der ersten Ausgangsöffnung auf den Wickelkopf und/oder Gehäusekühlmantel geschleudert, um dann in den Kühlmittelsumpf zu gelangen, anschließend von dort in den Gehäusesumpf, über das Getriebezahnradförderungsmittel in den Kühlmittelbehälter und von dort wieder in die hohle Rotorwelle.
Bevorzugterweise weist die hohle Rotorwelle eine zweite endseitige Öffnung auf, wobei die zweite endseitige Öffnung, der ersten endseitigen Öffnung axial gegenüber angeordnet ist.
Hierdurch kann über die zweite endseitige Öffnung ebenfalls Kühlmittel in der hohlen Rotorwelle bereitgestellt oder eingeleitet werden.
Bevorzugterweise weist die elektrische Maschine mindestens eine Pumpe auf, welche dazu ausgebildet ist, Kühlmittel aus dem Getriebesumpf, bevorzugt in die zweite endseitige Öffnung, in die hohle Rotorwelle zu fördern.
Hierdurch kann bevorzugterweise die Funktion der Getriebezahnradförderung unterstützt werden, so dass beispielsweise die Pumpe das Kühlmittel durch die zweite Kühlmittelöffnung in die hohle Rotorwelle pumpt.
Durch diese Anordnung entsteht vorteilhafterweise ein zweiter Kreislauf, das Kühlmittel strömt von dem Kühlmittelsumpf in den Getriebesumpf, von dort durch die Pumpe wieder in die hohle Rotorwelle.
Bevorzugterweise ist der Pumpe ein Wärmeübertrager vor- oder nachgeschaltet.
Vorteilhafterweise ist der Wärmeübertrager mit der Pumpe fluidisch verbunden, so dass besonders bevorzugterweise das Kühlmittel durch den Wärmeübertrager gekühlt wird, bevor es durch die Pumpe in die hohle Rotorwelle gepumpt wird.
Bevorzugterweise ist ein Bypassventil vorgesehen, wobei das Bypassventil dazu ausgebildet ist, das Kühlmittel an dem Wärmeübertrager vorbei zur Pumpe zu leiten.
Bevorzugterweise entsteht hierdurch ein dritter Kreislauf, durch den das Kühlmittel direkt ohne Durchlauf durch den Wärmeübertrager aus dem Getriebesumpf über das Bypassventil in die Pumpe und von dort in die zweite endseitige Öffnung der hohlen Rotorwelle gefördert werden kann. Vorteilhafterweise ist hierfür der Wärmeübertrager der Pumpe vorgeschaltet, so dass der Wärmeübertrager nicht durchlaufen werden muss.
Hierdurch gibt es die Möglichkeit, das Kühlmittel spezifisch durch den Wärmeübertrager zu kühlen. Ist das Kühlmittel beispielsweise kurz nach dem Start der elektrischen Maschine noch nicht besonders warm, kann es unnötig sein, das Kühlmittel zu kühlen. In diesem Fall kann das Kühlmittel schnell direkt in die hohle Rotorwelle aus dem Getriebesumpf gepumpt werden.
Eine weitere Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Kühlung einer vorbeschriebenen elektrischen Maschine, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:

a) Starten der elektrischen Maschine,
b) Leiten eines Kühlmittels aus der hohlen Rotorwelle über die erste Durchgangsöffnung in die erste Kühlleitung durch die auftretenden Fliehkräfte,

c) Durchströmen der ersten Kühlleitung mit dem Kühlmittel, bevorzugt unter Wärmeaufnahme,
d) Austreten des Kühlmittels durch die Ausgangsöffnung, so dass das Kühlmittel auf den Wickelkopf des Stators geschleudert wird,
e) Zurückfließen des Kühlmittels in den Kühlmittelsumpf. und vorteilhafterweise die Schritte:
f) Fließen des Kühlmittels in den Getriebesumpf,
g) Fördern des Kühlmittels mittels des Getriebezahnradförderungsmittels in den Kühlmittelbehälter,
h) Fließen des Kühlmittels in die hohle Rotorwelle.

Ein Ausführungsbeispiel wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

1 einen schematischen Längsschnitt einer elektrischen Maschine und
2 einen axialen Querschnitt durch den Rotor und Stator.

1 zeigt eine elektrische Maschine 100 im Einklang mit der Erfindung in einem Längsschnitt mit einem Gehäuse 10, einem Rotor 11 und einem Stator 41. Der Rotor umfasst dabei eine hohle Rotorwelle 12 und einen Rotorkern 13.
In der Wandung 44 der Rotorwelle 12 ist radial eine erste Durchgangsöffnung 14 angeordnet, welche mit einer ersten Kühlleitung 15 verbunden ist.
Der Rotorkern 13 weist dabei einen Polschuh 16 auf, welcher von der ersten Kühlleitung 15 umwickelt ist. Es ist hier mit den durchgezogenen Linien angedeutet schematisch gezeigt, dass die Kühlleitung 15 bevorzugt zunächst von einer ersten Stirnseite 17 des Rotors 11 auf einer Vorderseite 42 des Polschuhs 16 in Richtung einer der ersten Stirnseite 17 gegenüberliegenden zweiten Stirnseite 18 des Rotors 11 mit einem Steigungswinkel radial ansteigend verläuft, dann über die zweite Stirnseite 18 und anschließend auf einer zweiten, der Vorderseite 42 gegenüberliegenden Seite des Polschuhs 16, angedeutet durch die gestrichelte Linie, mit dem Steigungswinkel radial ansteigend zur ersten Stirnseite 17 des Rotors zurück. Im weiteren Verlauf verläuft die Kühlleitung 15 über die erste Stirnseite 17 erneut zur Vorderseite 41 des Polschuhs.
Die erste Durchgangsöffnung 14 ist dabei in einem ersten Abschnitt 19 der hohlen Rotorwelle 12 ausgebildet. In einem zweiten Abschnitt 20 der Rotorwelle 12 ist punktsymmetrisch zur ersten Durchgangsöffnung 14 am Mittelpunkt 21 der Rotorwelle 12 eine zweite Durchgangsöffnung 22 ausgebildet, die in eine zweite Kühlleitung 23 übergeht. Ein zweiter Polschuh 16 ist von der zweiten Kühlleitung 23 analog zur ersten Kühlleitung 15 umwickelt.
Im Betrieb der elektrischen Maschine 100 ist die Punktsymmetrie der ersten Durchgangsöffnung 14 und der ersten Kühlleitung 15 zur zweiten Durchgangsöffnung 22 und zur zweiten Kühlleitung 23 besonders wichtig, da eine unsymmetrische Anordnung eine Unwucht des Rotors 11 im Betrieb bedeuten würde.
Ein Kühlmittel 24, welches durch die hohle Rotorwelle 12 in die erste Durchgangsöffnung 14 und die erste Kühlleitung 15 gelangt ist, wird bei Betrieb der elektrischen Maschine 100 durch die Fliehkraft in Verbindung mit der radialen Steigung der ersten Kühlleitung 15 nach außen getrieben.
Jede der Kühlleitungen 15, 23 weist jeweils eine Ausgangsöffnung 25 auf, diese Ausgangsöffnung 25 ist so ausgebildet, dass das austretende Kühlmittel 24 auf einen Wickelkopf 26 des Stators 41 geschleudert wird, um diesen dadurch zu kühlen.
Das Gehäuse 10 weist einen Gehäusekühlmantel 27 auf, welcher das Kühlmittel 24 herunterkühlt, nachdem es aus der Ausgangsöffnung 25 entweder auf dem Wickelkopf 26 und dann auf den Gehäusekühlmantel 27 geschleudert wurde oder direkt auf den Gehäusekühlmantel 27 geschleudert wurde.
Das Kühlmittel 24 fließt dann in einen Kühlmittelsumpf 28, welcher mit einer Leitung in Verbindung mit einem Getriebesumpf 29 eines Getriebes 30 steht und das Kühlmittel hierüber in den Getriebesumpf 29 fließt. Ein Getriebezahnradförderungsmittel 31 fördert das Kühlmittel 24 aus dem Getriebesumpf 29 in einen Kühlmittelbehälter 32.
Aus dem Kühlmittelbehälter 32 wird das Kühlmittel 24 dann über eine erste endseitige Öffnung 33 wieder in die hohle Rotorwelle 12 gefördert, so dass der Kühlmittelkreislauf geschlossen ist.
Zusätzlich wird durch eine Pumpe 34 das Kühlmittel 24 aus dem Getriebesumpf 29 in eine zweite endseitige Öffnung 35 der hohlen Rotorwelle 12 gepumpt. Um eine noch effektivere Kühlung des Kühlmittels 24 zu gewährleisten, wird das Kühlmittel 24 durch einen Wärmeübertrager 36 geleitet, welcher das Kühlmittel 24 dann bei Bedarf weiter abkühlt.
Besteht kein Bedarf einer verstärkten Kühlung wie z.B. beim Start der elektrischen Maschine, wird das Kühlmittel 24 durch das Bypassventil 37 am Wärmeübertrager 36 vorbeigeleitet.
In 2 wird die Kühlung innerhalb des Rotors 11 anhand eines Teilquerschnitts durch den Rotor 11 und den Stator 12 dargestellt.
Der Rotor 11 ist in drei Teilbereiche unterteilt: Den Rotorkern 13, die Polschuhe 16 und jeweils einen Polschuhzwischenbereich 38, welcher zwischen jeweils zwei Polschuhen 16 ausgebildet ist.
Die Polschuhe 16 sind mit Rotorwicklungen 39 umwickelt. Diese Rotorwicklungen 39 erhitzen sich beim Betrieb der elektrischen Maschine 10 und müssen daher gekühlt werden. Dies wird dadurch gewährleistet, dass Kühlmittel 24 durch die erste Kühlleitung 15 geleitet wird und dadurch die entstandene Wärme abführt.
Das Kühlmittel 24 tritt durch die erste Durchgangsöffnung 14 in die erste Kühlleitung 15 ein. Die erste Kühlleitung 15 ist mit radialer Steigung um den Polschuh 16 und dessen Rotorwicklungen 39 gewickelt. Da es sich bei 2 um einen Teilquerschnitt handelt, sind jeweils auch nur die Querschnitte der einzelnen Umwicklungen der ersten Kühlleitung 15 zu erkennen. Da es sich um eine spiralförmige, beabstandete Wicklung handelt, wird ein Kühlmittel 24 jeweils auf der Vorderseite 42 des Polschuhs 16 in die Querschnittsebene hineinfließen und auf der gegenüberliegenden Rückseite 43 des Polschuhs 16 aus der Querschnittsebene herausfließen. Die Ausgangsöffnung 25 ist nicht gezeigt.
In dem Polschuhzwischenbereich 38 sind jeweils zwei Kühlleitungen 15 angeordnet, die jeweils die zwei angrenzenden Polschuhe 16 umwickeln.
Die Polschuhzwischenbereich sind mit einem Kunststoff 40 gefüllt, so dass die Kühlleitungen 15, 23 und die Rotorwicklungen 39 fixiert werden und die Wärme aus den Rotorwicklungen 39 besser abgeleitet werden kann.
Bezugszeichenliste

100: elektrische Maschine
10: Gehäuse
11: Rotor
12: hohle Rotorwelle
13: Rotorkern
14: erste Durchgangsöffnung
15: erste Kühlleitung
16: Polschuh
17: erste Stirnseite des Rotors
18: zweite Stirnseite des Rotors
19: erster Abschnitt
20: zweiter Abschnitt
21: Mittelpunkt der Rotorwelle
22: zweite Durchgangsöffnung
23: zweite Kühlleitung
24: Kühlmittel
25: Ausgangsöffnung
26: Wickelkopf
27: Gehäusekühlmantel
28: Kühlmittelsumpf
29: Getriebesumpf
30: Getriebe
31: Getriebezahnradfördermittel
32: Kühlmittelbehälter
33: erste endseitige Öffnung
34: Pumpe
35: zweite endseitige Öffnung
36: Wärmeübertrager
37: Bypassventil
38: Polschuhzwischenbereich
39: Rotorwicklungen
40: Kunststoff
41: Stator
42: Vorderseite
43: Rückseite
44: Wandung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102020110861 A1 [0005]
DE 102016200423 A1 [0006]
WO 2014/057245 A2 [0007]
JP 2007020337 A1 [0008]
DE 102019212391 A1 [0009]

Claims

Elektrische Maschine (100), wobei die elektrische Maschine (100) ein Gehäuse (10), einen Rotor (11) und einen Stator (41) aufweist, wobei der Rotor (11) eine hohle Rotorwelle (12) und einen Rotorkern (13) umfasst, wobei die hohle Rotorwelle (12) mindestens eine erste Durchgangsöffnung (14) aufweist, wobei die erste Durchgangsöffnung (14) mit mindestens einer ersten Kühlleitung (15) fluidisch verbunden ist, wobei der Rotorkern (13) mindestens einen Polschuh (16), bevorzugt mindestens zwei Polschuhe (16), aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Polschuh (16) von der mindestens einen ersten Kühlleitung (15) umwickelt ist.
Elektrische Maschine (100) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine erste Kühlleitung (15) einen Steigungswinkel von 1° bis 20° aufweist, wobei der Steigungswinkel bevorzugterweise zwischen einer Achse der hohlen Rotorwelle (12) und der ersten Kühlleitung (15) gemessen wird, und/oder dass der mindestens eine Polschuh (16) von der mindestens einen ersten Kühlleitung (15) schraubenförmig und/oder spiralförmig und/oder helixförmig umwickelt ist.
Elektrische Maschine (100) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass um den mindestens einen Polschuh (16) Rotorwicklungen (39) angeordnet sind, und/oder dass die mindestens eine erste Kühlleitung (15) die Rotorwicklungen (39) des Polschuhs (16) ein- oder mehrfach umwickelt, und/oder dass die Kühlleitung (15) direkt um den Polschuh (16) gewickelt ist, und/oder dass die mindestens eine erste Kühlleitung (15) ein- oder mehrfach durch die Rotorwicklungen (39) verläuft, und/oder in die Rotorwicklungen (39) eingebettet ist.
Elektrische Maschine (100) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei Polschuhe (16) vorgesehen sind, wobei bevorzugt die mindestens zwei Polschuhe (16) in einer Umfangsrichtung mindestens einen Polschuhzwischenbereich (38) ausbilden, und/oder dass der mindestens eine Polschuhzwischenbereich (38) mit einem Kunststoff (40), bevorzugt einem Harz, weiter bevorzugt einem Epoxidharz, gefüllt ist.
Elektrische Maschine (100) einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die hohle Rotorwelle (12) mindestens eine erste Durchgangsöffnung (14) und mindestens eine zweite Durchgangsöffnung (22) aufweist, wobei bevorzugterweise die erste Durchgangsöffnung (14) an einem ersten Abschnitt (19) und die zweite Durchgangsöffnung (22) an einem zweiten Abschnitt (20) der hohlen Rotorwelle (12) angeordnet sind, dass besonders bevorzugterweise die mindestens eine erste Durchgangsöffnung (14) und die zweite Durchgangsöffnung (22) punktsymetrisch zueinander abgeordnet sind, insbesondere bezüglich eines axialen und/oder radialen Mittelpunkts (21) der hohlen Rotorwelle (12), angeordnet.
Elektrische Maschine (100) gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Durchgangsöffnung (14) mit mindestens einer zweiten Kühlleitung (23) fluidisch verbunden ist, und/oder dass mindestens ein zweiter Polschuh (16) von der zweiten Kühlleitung (23) umwickelt ist.
Elektrische Maschine (100) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine erste Kühlleitung (15) aus Kunststoff und/oder Metall besteht, dass bevorzugterweise die mindestens eine Kühlleitung (15) Kunststoff und/oder Metall umfasst, dass besonders bevorzugterweise die mindestens eine erste Kühlleitung aus Stahl und/oder Aluminiumwerkstoffen und/oder temperaturbeständigen Thermoplasten und/oder Duroplasten besteht, und/oder ganz besonders vorteilhafterweise dass die mindestens eine erste Kühlleitung Stahl und/oder Aluminiumwerkstoffe und/oder temperaturbeständige Thermoplasten und/oder Duroplasten umfasst, und/oder dass die mindestens eine erste Kühlleitung (15) als Druckgussbauteil und/oder Spritzgussbauteil ausgebildet ist.
Elektrische Maschine (100) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine erste Kühlleitung (15) eine Ausgangsöffnung (25) aufweist, wobei die Ausgangsöffnung (25) bevorzugterweise in radialer Richtung ausgerichtet ist, besonders bevorzugterweise auf einen Wickelkopf (26) des Stators (41) ausgerichtet ist, so dass weiter bevorzugterweise im Betrieb der elektrischen Maschine (100) ein durch die Ausgangsöffnung (25) austretendes Kühlmittel (24) auf den Wickelkopf (26) geleitet wird.
Elektrische Maschine (100) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (10) einen Gehäusekühlmantel (27) aufweist, wobei der Gehäusekühlmantel (27) einen Wärmetauscher umfasst, und/oder dass das Gehäuse (10) einen Kühlmittelsumpf aufweist, wobei der Kühlmittelsumpf (28) geeignet ist, ein Kühlmittel (24) aufzufangen, und/oder dass der Kühlmittelsumpf (28) über eine Leitung mit einem Getriebe (30) umfassend einem Getriebesumpf (29) verbunden ist, und/oder dass mindestens ein Getriebezahnradförderungsmittel (31) des Getriebes (30) innerhalb des Getriebesumpfes (29) angeordnet und mit einem Kühlmittelbehälter (32) verbunden ist, und/oder dass der Kühlmittelbehälter (32) mit einer ersten endseitigen Öffnung (33) der hohlen Rotorwelle (12) fluidisch verbunden ist, so dass besonders bevorzugterweise das Kühlmittel (24) vom Kühlmittelbehälter (32) in die hohle Rotorwelle (12) fließen oder befördert werden kann.
Verfahren zur Kühlung einer elektrischen Maschine (100) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: a) Starten der elektrischen Maschine (100), b) Leiten des Kühlmittels (24) aus der hohlen Rotorwelle (12) über die erste Durchgangsöffnung (14) in die erste Kühlleitung (15) durch die auftretenden Fliehkräfte.