DE102022207210A1

DE102022207210A1 - Cooled rotor arrangement with enlarged rotor shaft holder

Info

Publication number: DE102022207210A1
Application number: DE102022207210.3A
Authority: DE
Inventors: Frank Müller; Volker Cornelius
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2022-07-14
Filing date: 2022-07-14
Publication date: 2024-01-25
Also published as: CN117411219A

Abstract

Um eine Rotoranordnung (10), aufweisend eine als Hohlwelle ausgestaltete Rotorwelle (20) mit einem Hohlraum (21) der Rotorwelle (20) als ein Kühlmittelzulauf zu schaffen, die den verwendbaren Rotorwellendurchmesser trotz integrierter Rotorkühlung maximiert, wird vorgeschlagen, mindestens eine Verbindungsöffnung (23) einzubringen, welche sich in Radialrichtung (R) durch die Rotorwelle (20) hindurch erstreckt, wobei die mindestens eine Verbindungsöffnung (23) direkt oder indirekt in einem axialen Kühlmittelkanal (30) mündet, und wobei der mindestens eine axiale Kühlmittelkanal (30) in Form einer bereichsweisen Ausnehmung (13) einer Rotorwellenverzahnung (24) ausgestaltet ist.In order to create a rotor arrangement (10), having a rotor shaft (20) designed as a hollow shaft with a cavity (21) of the rotor shaft (20) as a coolant inlet, which maximizes the usable rotor shaft diameter despite integrated rotor cooling, it is proposed to have at least one connection opening (23 ) which extends in the radial direction (R) through the rotor shaft (20), wherein the at least one connection opening (23) opens directly or indirectly into an axial coolant channel (30), and wherein the at least one axial coolant channel (30) in The shape of a partial recess (13) of a rotor shaft toothing (24) is designed.

Description

Die Erfindung betrifft eine Rotoranordnung, aufweisend eine als Hohlwelle ausgestaltete Rotorwelle, wobei ein Hohlraum der Rotorwelle als Kühlmittelzulauf ausgestaltet ist, wobei mindestens eine Verbindungsöffnung vorgesehen ist, welche sich in Radialrichtung durch die Rotorwelle hindurch erstreckt. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine, wie beispielsweise eine fremderregte Synchronmaschine.The invention relates to a rotor arrangement, having a rotor shaft designed as a hollow shaft, a cavity of the rotor shaft being designed as a coolant inlet, with at least one connection opening being provided which extends through the rotor shaft in the radial direction. The invention further relates to an electrical machine, such as a separately excited synchronous machine.

Bei fremderregten Synchronmaschinen weisen die Rotorspulen üblicherweise einen geringen Abstand zur Wellenmitte bzw. zur Rotorwelle auf. Gleichzeitig erfordern die zusätzlichen Erregerstromverluste in der Rotorwicklung eine effiziente Rotorkühlung, beispielsweise gegenüber einer PSM-Maschine, um eine hohe Dauerleistung zu erzielen. Das Kühlmittel wird regulär durch gebohrte Löcher innerhalb der als Hohlwelle ausgestalteten Rotorwelle geführt, um auf Kühlöffnungen in den Rotorblechen zu verzichten. Für die Kühlung des Stators wird das Kühlmittel auf die Statorwicklung auf einem kleinen Durchmesser aus dem Rotor geschleudert. Diese Ausgestaltung von fremderregten Synchronmaschinen resultiert üblicherweise in einem geringen Durchmesser der Rotorwelle im Verbindungsbereich zu den Rotorblechen. Zur Drehmomentübertragung zwischen den Rotorblechen und der Rotorwelle kann hierdurch ein Presssitz nicht mehr ausreichen, sodass eine Steckverzahnung zwischen der Rotorwelle und den Rotorblechen erforderlich ist. Problematisch ist jedoch, dass durch den kleinen Wellendurchmesser auch die Anschlussdurchmesser für Lager, Schleifringkontakte, Rotorlagegeber und dergleichen ebenfalls kleiner ausfallen müssen und eine koaxiale Anordnung einer weiteren Welle durch die Rotorwelle nicht möglich ist.In externally excited synchronous machines, the rotor coils are usually at a small distance from the center of the shaft or the rotor shaft. At the same time, the additional excitation current losses in the rotor winding require efficient rotor cooling, for example compared to a PSM machine, in order to achieve high continuous performance. The coolant is regularly guided through drilled holes within the rotor shaft, which is designed as a hollow shaft, in order to dispense with cooling openings in the rotor laminations. To cool the stator, the coolant is thrown out of the rotor on a small diameter onto the stator winding. This design of externally excited synchronous machines usually results in a small diameter of the rotor shaft in the connection area to the rotor laminations. As a result, a press fit may no longer be sufficient to transmit torque between the rotor laminations and the rotor shaft, so that a plug-in toothing is required between the rotor shaft and the rotor laminations. The problem, however, is that due to the small shaft diameter, the connection diameters for bearings, slip ring contacts, rotor position sensors and the like also have to be smaller and a coaxial arrangement of another shaft through the rotor shaft is not possible.

In der DE 10 2020 107 533 A1 ist ein flüssiggekühlter Rotor mit einer Hohlwelle für Elektromotoren offenbart. Der Rotor weist radial eingebrachte Austrittsöffnungen, durch welche eine Kühlflüssigkeit in einen Flüssigkeitsleitkanal austreten kann. Der Flüssigkeitsleitkanal ist in Form von einem Übermaß einer Verzahnung oder in Form von Ausnehmungen eines Presssitzes der Rotorwelle ausgestaltet. Die jeweiligen Flüssigkeitsleitkanäle sind in ihrem Querschnitt und damit der Kühlwirkung begrenzt, da mit zunehmenden Ausnehmungen bzw. mit zunehmendem Übermaß die Materialstärke der Hohlwelle des Rotors sinkt und dieser an mechanischer Stabilität einbüßt. Derartige Flüssigkeitsleitkanäle können weiterhin beim Tauchen des Rotors in eine Harzflüssigkeit zugesetzt werden und müssen im Rahmen der Fertigung einer aufwändigen Reinigung unterzogen werden.In the DE 10 2020 107 533 A1 A liquid-cooled rotor with a hollow shaft for electric motors is disclosed. The rotor has radially introduced outlet openings through which a cooling liquid can exit into a liquid guide channel. The liquid guide channel is designed in the form of an oversize of a toothing or in the form of recesses in a press fit of the rotor shaft. The respective liquid guide channels are limited in their cross section and thus the cooling effect, since with increasing recesses or with increasing oversize, the material thickness of the hollow shaft of the rotor decreases and this loses mechanical stability. Such liquid guide channels can also be added when the rotor is immersed in a resin liquid and must be subjected to complex cleaning during production.

Die US 2020/0220432 A1 beschreibt einen Rotor, welcher durch einen Hohlzylinder umgeben ist, um einen Fluidkanal auszubilden. Der Hohlzylinder ist im Bereich des Luftspalts zwischen dem Stator und dem Rotor angeordnet und wird durch mindestens eine radiale Bohrung des Rotors mit Flüssigkeit gespeist. Der zusätzliche Hohlzylinder vergrößert den radialen Abstand zwischen dem Rotor und dem Stator, wodurch der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine negativ beeinflusst wird.The US 2020/0220432 A1 describes a rotor which is surrounded by a hollow cylinder to form a fluid channel. The hollow cylinder is arranged in the area of the air gap between the stator and the rotor and is fed with liquid through at least one radial bore of the rotor. The additional hollow cylinder increases the radial distance between the rotor and the stator, which negatively affects the efficiency of the electrical machine.

Aus der US 2003/0030333 A1 ist ein Rotor mit integrierten Kühlkanälen bekannt. Die jeweiligen Kühlkanäle sind in die Rotorbleche eingestanzt und durchziehen den gesamten Rotor. Ein derartiger Rotor erfordert umfangreiche Modifikationen der Blechgeometrie, bei der die Wechselwirkung mit den Magnetfeldern beeinträchtigt werden kann.From the US 2003/0030333 A1 a rotor with integrated cooling channels is known. The respective cooling channels are stamped into the rotor sheets and run through the entire rotor. Such a rotor requires extensive modifications to the sheet metal geometry, which can affect the interaction with the magnetic fields.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Rotoranordnung für eine elektrische Maschine zu schaffen, die den verwendbaren Rotorwellendurchmesser trotz Rotorkühlung maximiert. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.The invention is based on the object of creating a rotor arrangement for an electrical machine which maximizes the usable rotor shaft diameter despite rotor cooling. This task is solved by the features specified in claim 1. Further advantageous embodiments of the invention are described in the subclaims.

Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird eine Rotoranordnung, beispielsweise für fremderregte Synchronmaschinen, bereitgestellt. Die Rotoranordnung weist eine als Hohlwelle ausgestaltete Rotorwelle auf. Ein Hohlraum der Rotorwelle ist als Kühlmittelzulauf ausgestaltet. Je nach Ausgestaltung kann der Hohlraum neben dem Kühlmittelzulauf auch eine weitere Welle aufnehmen, um eine koaxiale Konfiguration von zwei Wellen auszubilden.According to one aspect of the invention, a rotor arrangement, for example for separately excited synchronous machines, is provided. The rotor arrangement has a rotor shaft designed as a hollow shaft. A cavity in the rotor shaft is designed as a coolant inlet. Depending on the design, the cavity can also accommodate another shaft in addition to the coolant inlet in order to form a coaxial configuration of two shafts.

Mindestens eine Verbindungsöffnung ist in der Rotorwelle vorgesehen, welche sich in Radialrichtung durch die Rotorwelle hindurch erstreckt, wobei die mindestens eine Verbindungsöffnung direkt oder indirekt in einem axialen Kühlmittelkanal mündet. Die Rotorwelle ist vorzugsweise entlang einer Axialachse bzw. um eine Axialrichtung drehbar gelagert. Erfindungsgemäß ist der axiale bzw. entlang der Axialrichtung verlaufende Kühlmittelkanal in Form einer bereichsweisen Ausnehmung einer Rotorwellenverzahnung ausgestaltet.At least one connection opening is provided in the rotor shaft, which extends in the radial direction through the rotor shaft, the at least one connection opening opening directly or indirectly into an axial coolant channel. The rotor shaft is preferably mounted so that it can rotate along an axial axis or about an axial direction. According to the invention, the axial coolant channel or coolant channel running along the axial direction is designed in the form of a regional recess in a rotor shaft toothing.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine elektrische Maschine, insbesondere in Form einer fremderregten Synchronmaschine, bereitgestellt. Die elektrische Maschine weist einen Stator auf, welcher eine erfindungsgemäße Rotoranordnung zumindest bereichsweise umgibt.According to a further aspect of the invention, an electrical machine, in particular in the form of a separately excited synchronous machine, is provided. The electrical machine has a stator, which at least partially surrounds a rotor arrangement according to the invention.

Die bereichsweise Ausnehmung kann sich vorzugsweise in Axialrichtung erstrecken. Ein derartiger Kühlmittelkanal verläuft zwischen Rotorblechen der Rotoranordnung und der Rotorwelle. Das Einbringen von gestanzten Kühlmittelkanälen in die Rotorbleche der Rotoranordnung kann somit entfallen.The regional recess can preferably extend in the axial direction. Such a coolant channel runs between rotor laminations the rotor assembly and the rotor shaft. The introduction of punched coolant channels into the rotor laminations of the rotor arrangement can therefore be omitted.

Hierdurch muss auch kein zusätzlicher radialer Bauraum für Kühlmittelkanäle zwischen den elektromagnetisch aktiven genutzten Rotorblechen und der Rotorwelle bereitgestellt werden, da die Steckverzahnung sowohl die mechanische Kopplung zwischen dem Rotorblechpaket aus mehreren Rotorblechen und der Rotorwelle als auch die gezielte Führung des Kühlmittels entlang des Rotors übernimmt. Dieser ungenutzte Bauraum kann somit gezielt zur Vergrößerung des Rotorwellendurchmessers einer elektrischen Maschine mit Rotorölkühlung verwendet werden. Je nach Ausgestaltung kann der größere Durchmesser der Rotorwelle eine höhere Wellensteifigkeit oder eine Maximierung der Rotorspulen ermöglichen. Somit ist auch eine Steigerung der Dauerleistung der elektrischen Maschine erzielbar. Alternativ kann die Rotoranordnung kompakter und/oder kosteneffizienter hergestellt werden.As a result, no additional radial installation space for coolant channels has to be provided between the electromagnetically active rotor laminations used and the rotor shaft, since the spline takes over both the mechanical coupling between the rotor lamination stack consisting of several rotor laminations and the rotor shaft and the targeted guidance of the coolant along the rotor. This unused installation space can therefore be used specifically to increase the rotor shaft diameter of an electric machine with rotor oil cooling. Depending on the design, the larger diameter of the rotor shaft can enable higher shaft rigidity or maximization of the rotor coils. An increase in the continuous power of the electrical machine can therefore also be achieved. Alternatively, the rotor assembly can be made more compact and/or more cost-effective.

Das Kühlmittel kann vorzugsweise in Form einer Flüssigkeit, wie beispielsweise Öl, Wasser oder einer wässrigen Lösung ausgestaltet sein.The coolant can preferably be in the form of a liquid, such as oil, water or an aqueous solution.

Eine direkte Mündung der mindestens einen Verbindungsöffnung in dem mindestens einen axialen Kühlmittelkanal erfolgt ohne weitere Komponenten oder Umwege. Eine indirekte Mündung der mindestens einen Verbindungsöffnung in dem mindestens einen axialen Kühlmittelkanal weist mindestens einen Übergangsabschnitt auf. Insbesondere kann ein derartiger Übergangsabschnitt eine besonders effiziente Kühlung ermöglichen, wenn die mindestens eine Verbindungsöffnung in zumindest einem umfangsseitig verlaufenden Verteilungskanal mündet.A direct opening of the at least one connection opening in the at least one axial coolant channel occurs without further components or detours. An indirect opening of the at least one connection opening in the at least one axial coolant channel has at least one transition section. In particular, such a transition section can enable particularly efficient cooling if the at least one connection opening opens into at least one distribution channel running on the circumference.

Der Übergangsabschnitt kann somit in Form eines Verteilungskanals ausgestaltet sein, welcher die mindestens eine Verbindungsöffnung indirekt mit dem sich axial erstreckenden Kühlmittelkanal verbindet. Das aus der mindestens einen Verbindungsöffnung austretende Kühlmittel kann somit gleichmäßig auf mehrere parallel und/oder seriell angeordnete axiale Kühlmittelkanäle verteilt werden.The transition section can thus be designed in the form of a distribution channel, which indirectly connects the at least one connection opening to the axially extending coolant channel. The coolant emerging from the at least one connection opening can thus be evenly distributed over a plurality of axial coolant channels arranged in parallel and/or series.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der axial verlaufende Kühlmittelkanal in Form einer blechseitigen Ausnehmung und/oder in Form einer rotorwellenseitigen Ausnehmung im Bereich der Rotorwellenverzahnung ausgestaltet. Durch ein gezieltes Entfernen oder Auslassen von Zähnen der Steckverzahnung bzw. der Rotorwellenverzahnung können die axialen Kühlmittelkanäle technisch besonders einfach hergestellt werden. Das Anpassen von Stanzwerkzeugen zur Herstellung eines Übermaßes im Bereich der Rotorwellenverzahnung oder das Einbringen von zusätzlichen Hohlräumen kann somit entfallen.According to a further exemplary embodiment, the axially extending coolant channel is designed in the form of a sheet metal-side recess and/or in the form of a rotor shaft-side recess in the area of the rotor shaft teeth. The axial coolant channels can be manufactured particularly easily from a technical point of view by specifically removing or omitting teeth from the splines or the rotor shaft teeth. This eliminates the need to adjust punching tools to create an oversize in the area of the rotor shaft teeth or to introduce additional cavities.

Je nach Ausgestaltung können axial verlaufende Kühlmittelkanäle durch Auslassen von Zähnen im Bereich der Rotorbleche und/oder im Bereich der Rotorwelle ausgebildet werden. Somit können Kühlmittelkanäle mit einem besonders großen Querschnitt hergestellt werden, wenn Zähne der Rotorwellenverzahnung an den Rotorblechen und gleichzeitig an der Rotorwelle ausgelassen oder entfernt werden. Ein entlang einer Umfangsrichtung abwechselndes Auslassen von Zähnen an der Rotorwelle und an den Blechen kann eine besonders gleichmäßige Materialstärkeverteilung der Komponenten der Rotoranordnung ermöglichen.Depending on the design, axially extending coolant channels can be formed by omitting teeth in the area of the rotor laminations and/or in the area of the rotor shaft. Coolant channels with a particularly large cross section can thus be produced if teeth of the rotor shaft teeth on the rotor laminations and at the same time on the rotor shaft are omitted or removed. Alternating omission of teeth on the rotor shaft and on the sheets along a circumferential direction can enable a particularly uniform material thickness distribution of the components of the rotor arrangement.

Die jeweiligen Ausnehmungen durch Auslassen von Zähnen der Rotorwellenverzahnung können durch ein nachträgliches Entfernen von Zähnen im Rahmen eines weiteren Verarbeitungsschrittes oder im Rahmen einer Nachbearbeitung erfolgen. Alternativ kann das Auslassen von Zähnen der Rotorwellenverzahnung bereits bei der Herstellung der Rotorwelle und/oder der Rotorbleche berücksichtigt werden.The respective recesses by leaving out teeth of the rotor shaft toothing can be done by subsequently removing teeth as part of a further processing step or as part of post-processing. Alternatively, the omission of teeth from the rotor shaft toothing can already be taken into account during the production of the rotor shaft and/or the rotor laminations.

Insbesondere wird durch das Auslassen von Zähnen kein zusätzlicher Bauraum in Radialrichtung benötigt, welcher beispielsweise bei einem radialen Übermaß zur Ausbildung von Kühlmittelkanälen erforderlich wäre. Darüber hinaus kann ein radiales Übermaß im Bereich der Rotorwellenverzahnung die mechanischen Eigenschaften der Rotorwellenverzahnung nachteilig beeinflussen. Durch diese Maßnahme resultiert auch ein vergrößerter Durchmesser der Rotorwellenverzahnung, welcher eine höhere Drehmomentübertragung erzielt. Hierdurch können auch Anschlussgeometrien, wie beispielsweise von Lagern, einen größeren Durchmesser aufweisen.In particular, by omitting teeth, no additional installation space is required in the radial direction, which would be necessary, for example, in the case of a radial oversize to form coolant channels. In addition, a radial excess in the area of the rotor shaft teeth can adversely affect the mechanical properties of the rotor shaft teeth. This measure also results in an increased diameter of the rotor shaft teeth, which achieves higher torque transmission. This means that connection geometries, such as bearings, can also have a larger diameter.

Die Rotorwellenkühlung kann besonders vielseitig realisiert werden, wenn der mindestens eine axial verlaufende Kühlmittelkanal sich in Axialrichtung einseitig oder beidseitig von dem Verteilungskanal weg erstreckt. Eine beidseitige Ausbreitung des Kühlmittels von dem umfangsseitig verlaufenden Verteilungskanal kann eine besonders gleichmäßige Kühlwirkung ermöglichen. Eine Ausbreitung des Kühlmittels vom Verteilungskanal entlang einer Richtung ermöglicht eine Durchströmung der gesamten Rotorwelle entlang der Axialrichtung, wodurch mehrere entgegengesetzt vom Kühlmittel durchströmte Kühlmittelkanäle realisierbar sind.The rotor shaft cooling can be implemented in a particularly versatile manner if the at least one axially extending coolant channel extends away from the distribution channel in the axial direction on one or both sides. Spreading the coolant on both sides from the circumferential distribution channel can enable a particularly uniform cooling effect. A spread of the coolant from the distribution channel along one direction enables flow through the entire rotor shaft along the axial direction, whereby several coolant channels through which the coolant flows in opposite directions can be realized.

Nach einer weiteren Ausführungsform ist der mindestens eine Kühlmittelkanal axial stirnseitig zumindest bereichsweise durch mindestens eine Rotorendscheibe geführt. Hierdurch kann eine gezielte Führung des Kühlmittels an den Rotorwicklungen vorbei realisiert werden. Die in den Rotorwicklungen entstehende Wärme kann somit besonders effizient abgeführt werden.According to a further embodiment, the at least one coolant channel is guided axially on the front side, at least in some areas, through at least one rotor end disk. This allows one Targeted guidance of the coolant past the rotor windings can be achieved. The heat generated in the rotor windings can therefore be dissipated particularly efficiently.

Das Kühlmittel kann durch die Rotorendscheiben gezielt auf die Statorwicklungen befördert werden, wenn der mindestens eine Kühlmittelkanal in Axialrichtung und/oder in Radialrichtung gerichtet aus der mindestens einen Rotorendscheibe austritt. Hierdurch kann eine optimierte Wärmeabfuhr der am Stator entstehenden Verlustleistung ermöglicht werden.The coolant can be conveyed specifically to the stator windings through the rotor end disks when the at least one coolant channel emerges from the at least one rotor end disk in the axial direction and/or in the radial direction. This enables optimized heat dissipation of the power loss occurring on the stator.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel erstreckt sich der mindestens eine Kühlmittelkanal von einem ersten axialen Ende bis zu einem zweiten axialen Ende. Somit ist ein Durchströmen des Rotors entlang einer Richtung möglich. Bei einer alternativen Ausgestaltung sind mindestens zwei Kühlmittelkanäle vorgesehen, die sich von mindestens einer Verbindungsöffnung entgegengerichtet zu dem ersten axialen Ende und dem zweiten axialen Ende hin erstrecken. Durch diese Maßnahme kann das Kühlmittel von einer Rotormitte aus zu den Stirnseiten hin fließen.According to a further exemplary embodiment, the at least one coolant channel extends from a first axial end to a second axial end. This means that flow through the rotor is possible in one direction. In an alternative embodiment, at least two coolant channels are provided, which extend from at least one connection opening in opposite directions to the first axial end and the second axial end. This measure allows the coolant to flow from the center of the rotor to the end faces.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Rotoranordnung gemäß einer Ausführungsform,
2 eine Schnittdarstellung einer elektrischen Maschine mit einer Rotoranordnung aus 1,
3 eine perspektivische Darstellung einer Rotorwelle der Rotoranordnung aus 1,
4 eine Detailansicht auf eine erfindungsgemäße Rotoranordnung gemäß einer weiteren Ausführungsform, und
5 eine perspektivische Darstellung einer Rotorendscheibe zur Veranschaulichung eines Verfahrens zum Herstellen der Rotoranordnung.

Exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to the drawings. Show it:

1 a sectional view of a rotor arrangement according to the invention according to one embodiment,
2 a sectional view of an electrical machine with a rotor arrangement 1 ,
3 a perspective view of a rotor shaft of the rotor arrangement 1 ,
4 a detailed view of a rotor arrangement according to the invention according to a further embodiment, and
5 a perspective view of a rotor end disk to illustrate a method for producing the rotor arrangement.

In den Figuren weisen dieselben konstruktiven Elemente jeweils dieselben Bezugsziffern auf.In the figures, the same structural elements have the same reference numbers.

Die 1 zeigt eine Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Rotoranordnung 10 gemäß einer Ausführungsform. Die Rotoranordnung 10 kann beispielsweise in einer in 2 dargestellten elektrischen Maschine 100 verbaut werden. Die Rotoranordnung 10 weist eine als Hohlwelle ausgestaltete Rotorwelle 20 auf. Die Rotorwelle 20 weist einen sich entlang einer Axialrichtung A erstreckenden Hohlraum 21 auf. Der Hohlraum 21 fungiert als ein Kühlmittelzufluss und kann zum Aufnehmen einer weiteren Welle 22 (2) im Rahmen einer koaxialen Wellenanordnung dienen. Die Rotorwelle 20 und damit die gesamte Rotoranordnung 10 sind entlang der Axialachse A drehbar gelagert.The 1 shows a sectional view of a rotor arrangement 10 according to the invention according to one embodiment. The rotor arrangement 10 can, for example, be in one 2 electrical machine 100 shown can be installed. The rotor arrangement 10 has a rotor shaft 20 designed as a hollow shaft. The rotor shaft 20 has a cavity 21 extending along an axial direction A. The cavity 21 functions as a coolant inlet and can be used to accommodate another shaft 22 ( 2 ) serve as part of a coaxial shaft arrangement. The rotor shaft 20 and thus the entire rotor arrangement 10 are rotatably mounted along the axial axis A.

Des Weiteren weist die Rotoranordnung 10 ein Rotorblechpaket 11 auf, welches aus einer Vielzahl von miteinander verbundenen Rotorblechen besteht. In dem bzw. auf das Rotorblechpaket 11 sind in entsprechende Aussparungen Rotorspulen 12 positioniert.Furthermore, the rotor arrangement 10 has a rotor laminated core 11, which consists of a large number of interconnected rotor laminations. Rotor coils 12 are positioned in corresponding recesses in or on the rotor laminated core 11.

Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind sechs Verbindungsöffnungen 23 in der Rotorwelle 20 angeordnet, welche sich in Radialrichtung R durch die Rotorwelle 20 bzw. die Wandung der Rotorwelle 20 hindurch erstrecken. Die Verbindungsöffnungen 23 münden im Bereich einer Rotorwellenverzahnung 24 in axiale Kühlmittelkanäle 30, welche sich entlang der Axialrichtung A erstrecken. Die jeweiligen Kühlmittelkanäle 30 weisen beispielsweise eine axiale Ausdehnung auf, welche der Rotorwellenverzahnung 24 entspricht oder kürzer als die Rotorwellenverzahnung 24 ausgestaltet ist. In der 3 ist die Rotorwelle 20 in einer perspektivischen Darstellung veranschaulicht.In the exemplary embodiment shown, six connection openings 23 are arranged in the rotor shaft 20, which extend in the radial direction R through the rotor shaft 20 or the wall of the rotor shaft 20. The connecting openings 23 open into axial coolant channels 30 in the area of a rotor shaft toothing 24, which extend along the axial direction A. The respective coolant channels 30 have, for example, an axial extent which corresponds to the rotor shaft toothing 24 or is designed to be shorter than the rotor shaft toothing 24. In the 3 the rotor shaft 20 is illustrated in a perspective view.

Die Rotorwellenverzahnung 24 ist der radiale Übergangsbereich zwischen dem Rotorblechpaket 11 und der Rotorwelle 20 und weist eine Vielzahl von Zähnen auf, die ineinander greifen und die beiden Komponenten 11, 20 verdrehsicher koppeln. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind in dem Rotorblechpaket 11 anstelle von einzelnen Zähnen Aussparungen bzw. Ausnehmungen 13 gezeigt, die durch Auslassen oder Entfernen von einzelnen Zähnen ausgebildet sind. Die hierdurch entstandenen Hohlräume bilden die axialen Kühlmittelkanäle 30. Die Detailansicht veranschaulicht die Rotorwellenverzahnung 24 im Bereich des Rotorblechpakets 11 und die eingebrachten Aussparungen 13 zum Ausbilden von axialen Kühlmittelkanälen 30.The rotor shaft toothing 24 is the radial transition area between the rotor laminated core 11 and the rotor shaft 20 and has a large number of teeth that mesh with one another and couple the two components 11, 20 so that they do not rotate. In the exemplary embodiment shown, instead of individual teeth, cutouts or recesses 13 are shown in the rotor laminated core 11, which are formed by omitting or removing individual teeth. The resulting cavities form the axial coolant channels 30. The detailed view illustrates the rotor shaft toothing 24 in the area of the rotor laminated core 11 and the recesses 13 introduced to form axial coolant channels 30.

Die 2 zeigt eine Schnittdarstellung einer elektrischen Maschine 100 mit einer Rotoranordnung 10 aus 1. Die elektrische Maschine 100 ist als eine fremderregte Synchronmaschine ausgestaltet und weist einen Stator 110 auf, welcher umfangsseitig die Rotoranordnung 10 umgibt.The 2 shows a sectional view of an electrical machine 100 with a rotor arrangement 10 1 . The electrical machine 100 is designed as a separately excited synchronous machine and has a stator 110 which surrounds the rotor arrangement 10 on the circumference.

Die elektrische Maschine 100 weist eine koaxiale Wellenanordnung auf, bei welcher eine zusätzliche Welle 22, die beispielsweise als eine Abtriebswelle ausgestaltet ist, in dem Hohlraum 21 der Rotorwelle 20 positioniert ist.The electric machine 100 has a coaxial shaft arrangement, in which an additional shaft 22, which is designed, for example, as an output shaft, is positioned in the cavity 21 of the rotor shaft 20.

In der 2 veranschaulichen die Pfeile einen Pfad eines Kühlmittels zum Kühlen der Rotoranordnung 10 und des Stators 110. Insbesondere kann das Kühlmittel, welches beispielsweise als ein Kühlöl ausgestaltet ist, aus dem Hohlraum 21 der Rotorwelle 20 über die Verbindungsöffnungen 23 hinaustreten, um in die axialen Kühlmittelkanäle 30 zu gelangen.In the 2 the arrows illustrate a path of a coolant for cooling the rotor arrangement 10 and the stator 110. In particular, the coolant, which is designed, for example, as a cooling oil, can come from the cavity 21 of the Rotor shaft 20 extends beyond the connection openings 23 to reach the axial coolant channels 30.

Die Verbindungsöffnungen 23 sind indirekt über einen Übergangsabschnitt 31 mit den axialen Kühlmittelkanälen 30 verbunden. Der Übergangsabschnitt 31 ist als ein umfangsseitig umlaufender Verteilungskanal 31 ausgestaltet und ermöglicht eine gleichmäßige Verteilung des Kühlmittels auf die axialen Übergangsabschnitte 30. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein im Wesentlichen mittig angeordneter Verteilungskanal 31 vorgesehen, sodass das Kühlmittel ausgehend von dem Verteilungskanal 31 zu einem ersten axialen Ende 32 und zu einem zweiten axialen Ende 33 gelangen kann.The connection openings 23 are indirectly connected to the axial coolant channels 30 via a transition section 31. The transition section 31 is designed as a circumferential distribution channel 31 and enables a uniform distribution of the coolant to the axial transition sections 30. In the exemplary embodiment shown, a substantially centrally arranged distribution channel 31 is provided, so that the coolant starts from the distribution channel 31 to a first axial end 32 and can reach a second axial end 33.

Die axialen Kühlmittelkanäle 30 münden stirnseitig an den beiden axialen Enden 32, 33 in Rotorendscheiben 14, die auch die Rotorwicklungen 12 beinhalten bzw. führen.The axial coolant channels 30 open at the front at the two axial ends 32, 33 into rotor end disks 14, which also contain or guide the rotor windings 12.

Das Kühlmittel wird anschließend gezielt auf die nicht dargestellten Statorwicklungen des Stators 110 befördert. Hierfür sind in den Rotorendscheiben 14 ebenfalls Kühlkanäle 15 angeordnet, die als Fortsetzung der axialen Kühlkanäle 30 fungieren. Die Kühlkanäle 15 der Rotorendscheiben 14 erstrecken sich entlang der Radialrichtung R und anschließend entlang der Axialrichtung A und ermöglichen einen gezielten bzw. gerichteten Austritt des Kühlmittels aus der Rotoranordnung 10 über die Rotorendscheiben 14.The coolant is then delivered specifically to the stator windings, not shown, of the stator 110. For this purpose, cooling channels 15 are also arranged in the rotor end disks 14, which function as a continuation of the axial cooling channels 30. The cooling channels 15 of the rotor end disks 14 extend along the radial direction R and then along the axial direction A and enable a targeted or directed exit of the coolant from the rotor arrangement 10 via the rotor end disks 14.

Zum Ausbilden der Kühlkanäle 15 in den endseitig angeordneten Rotorendscheiben 14 wird in der 4 eine Detailansicht auf eine erfindungsgemäße Rotoranordnung 10 gemäß einer weiteren Ausführungsform gezeigt, bei der in den Kühlkanälen 15 zwei Kerne 40 eingesetzt sind, um die Kühlkanäle 15 beim Spritzguss der Rotorendscheiben 14 herzustellen und bei einem Vergießen der Rotoranordnung 10 vor einem unbeabsichtigten Verschluss zu schützen.To form the cooling channels 15 in the rotor end disks 14 arranged at the end, in the 4 a detailed view of a rotor arrangement 10 according to the invention according to a further embodiment is shown, in which two cores 40 are inserted in the cooling channels 15 in order to produce the cooling channels 15 during the injection molding of the rotor end disks 14 and to protect them from unintentional closure when the rotor arrangement 10 is cast.

Die 5 zeigt eine perspektivische Darstellung einer Rotorendscheibe 14 zur Veranschaulichung des Verfahrens zum Herstellen der Rotoranordnung 10. Dabei ist ein Ausschnitt der Rotorendscheibe 14 mit einem eingesetzten Kern 40 vor einem Wickeln mit Rotorwicklungen 12 und vor einem Isolieren bzw. Vergießen mit Harz gezeigt. Der Pfeil verdeutlicht die Richtung zum Entfernen des eingesetzten Kerns 40, um den entsprechenden Kühlmittelkanal 15 freizulegen.The 5 shows a perspective view of a rotor end disk 14 to illustrate the method for producing the rotor arrangement 10. A section of the rotor end disk 14 with an inserted core 40 is shown before winding with rotor windings 12 and before insulating or potting with resin. The arrow illustrates the direction for removing the inserted core 40 in order to expose the corresponding coolant channel 15.

BezugszeichenlisteReference symbol list

100100: Kraftfahrzeugmotor vehicle
110110: Stator stator
1010: RotoranordnungRotor arrangement
1111: RotorblechpaketRotor lamination package
1212: RotorwicklungenRotor windings
1313: Ausnehmungen im RotorblechpaketRecesses in the rotor laminated core
1414: RotorendscheibenRotor end disks
1515: Kühlkanäle in Rotorendscheiben Cooling channels in rotor end disks
2020: RotorwelleRotor shaft
2121: Hohlraum der RotorwelleRotor shaft cavity
2222: Abtriebswelleoutput shaft
2323: Verbindungsöffnungconnection opening
2424: Rotorwellenverzahnung Rotor shaft gearing
3030: axialer Kühlmittelkanalaxial coolant channel
3131: Übergangsabschnitt / VerteilungskanalTransition section / distribution channel
3232: erstes axiales Endefirst axial end
3333: zweites axiales Ende second axial end
4040: eingesetzter Kern inserted core
AA: Axialrichtung / RotationsachseAxial direction / axis of rotation
RR: RadialrichtungRadial direction

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102020107533 A1 [0003]
US 20200220432 A1 [0004]
US 20030030333 A1 [0005]

Claims

Rotor arrangement (10), comprising a rotor shaft (20) designed as a hollow shaft, a cavity (21) of the rotor shaft (20) being designed as a coolant inlet, at least one connection opening (23) being provided, which extends through in the radial direction (R). extends through the rotor shaft (20), the at least one connection opening (23) opening directly or indirectly into an axial coolant channel (30), characterized in that the at least one axial coolant channel (30) is in the form of a regional recess (13) of a rotor shaft toothing (24) is designed.

Rotor arrangement according to Claim 1 , wherein the at least one connection opening (23) opens into at least one transition section designed as a circumferentially extending distribution channel (31), the connection opening (23) being indirectly connected to the axially extending coolant channel (30) via the at least one distribution channel (31).

Rotor arrangement according to Claim 1 or 2 , wherein the axially extending coolant channel (30) is designed in the form of a sheet metal-side recess of a rotor laminated core (11) and/or in the form of a rotor shaft-side recess in the area of the rotor shaft teeth (24).

Rotor arrangement according to Claim 2 , wherein the at least one axially extending coolant channel (30) extends away from the distribution channel (31) on one or both sides in the axial direction (A).

Rotor arrangement according to one of the Claims 1 until 4 , wherein the at least one coolant channel (30) is guided axially on the front side at least in some areas through at least one rotor end disk (14).

Rotor arrangement according to Claim 5 , wherein the at least one coolant channel (30) emerges from the at least one rotor end disk (14) directed in the axial direction (A) and/or in the radial direction (R).

Rotor arrangement according to one of the Claims 1 until 6 , wherein the at least one coolant channel (30) extends from a first axial end (32) to a second axial end (33) or at least two coolant channels (30) are provided, which extend from at least one connection opening (23) in the opposite direction to the extend towards the first axial end (32) and the second axial end (33).

Electrical machine (100), comprising a stator (110) which at least partially surrounds a rotor arrangement (10) according to one of the preceding claims.