DE102022207569B4

DE102022207569B4 - Rotor mit einem Kühlmittelkanal für eine elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102022207569B4
Application number: DE102022207569.2A
Authority: DE
Inventors: Matthias Kohlhauser; Birgit Lipp; Angelina Ingeborg Topar
Original assignee: Magna Powertrain GmbH and Co KG
Current assignee: Magna Powertrain GmbH and Co KG
Priority date: 2022-07-25
Filing date: 2022-07-25
Publication date: 2024-02-08
Anticipated expiration: 2042-07-26
Also published as: WO2024022810A1; DE102022207569A1

Abstract

Rotor (1) für eine elektrische Maschine umfassend eine Rotorwelle (2), ein auf der Rotorwelle (2) fest angeordnetes Blechpaket (3), wobei das Blechpaket (3) zumindest zwei Blechsegmente (4a, 4b) aufweist, die in einer bezüglich einer Rotationsachse (5) des Rotors (1) axialen Richtung aneinandergereiht sind, sowie zumindest einen bezüglich der Rotationsachse (5) des Rotors (1) axial verlaufenden Kühlmittelkanal (6a, 6b, 6c, 6d), wobei der Kühlmittelkanal (6a, 6b, 6c, 6d) zumindest bereichsweise durch eine Mantelfläche (7) der Rotorwelle (2) und eine innere Mantelfläche (8) des Blechpakets (3) begrenzt ist, wobei an axialen Stirnflächen (9) der Blechsegmente (4a, 4b), in axialer Richtung zwischen den Blechsegmenten (4a, 4b) und in radialer Richtung zwischen der Mantelfläche (7) der Rotorwelle (2) und einer äußeren Mantelfläche (10) des Blechpakets (3), zumindest ein umlaufendes Dichtelement (11) angeordnet ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine umfassend eine Rotorwelle, ein auf der Rotorwelle fest angeordnetes Blechpaket, wobei das Blechpaket zumindest zwei Blechsegmente aufweist, die in einer bezüglich einer Rotationsachse des Rotors axialen Richtung aneinandergereiht sind, sowie zumindest einen bezüglich der Rotationsachse des Rotors axial verlaufenden Kühlmittelkanal, wobei der Kühlmittelkanal zumindest bereichsweise durch eine Mantelfläche der Rotorwelle und eine innere Mantelfläche des Blechpakets begrenzt ist.
Stand der Technik
Elektrische Maschinen der oben genannten Art dienen der Energiewandlung von elektrischer in mechanischer Energie und umgekehrt und werden als Motor und/oder Generator vielfach im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik eingesetzt.
Elektrische Maschinen umfassen einen feststehenden Stator und einen beweglichen Rotor, wobei der Rotor in der gängigsten Bauform einer elektrischen Maschine drehbar innerhalb eines ringförmig bzw. hohlzylinderförmig ausgebildeten Stators gelagert ist.
Elektrische Maschinen erzeugen aufgrund des dielektrischen Verlusts während ihres Betriebs Wärme, was zum einen eine Verschlechterung des Wirkungsgrads der elektrischen Maschine bewirkt und zum anderen einen zuverlässigen Betrieb der elektrischen Maschine über ihre Lebensdauer negativ beeinflusst. Deshalb ist in Antriebsanordnungen mit elektrischen Maschinen in der Regel eine Kühlvorrichtung vorgesehen, die die zu kühlenden Teile der elektrischen Maschine kühlt.
Konventionelle Kühlungen für elektrische Maschinen bedienen sich eines zirkulierenden gasförmigen oder flüssigen Kühlmittels, das aufgrund seiner Wärmekapazität die Wärme aufnimmt und diese abtransportiert. Das Kühlmittel zirkuliert beispielsweise in einem Gehäuse der elektrischen Maschine oder in einer als Hohlwelle ausgeführten Rotorwelle. Ein weiteres Konzept zur Kühlmittelführung stellt die „Reverse Rotor Cooling Technology“ dar, bei der axiale Kühlkanäle direkt durch die Rotorwelle und ein auf der Rotorwelle fest angeordnetes Blechpaket des Rotors ausgebildet werden.
Das Blechpaket des Rotors weist in der Regel mehrere Blechsegmente auf, die wiederum mehrere einzelne Elektrobleche umfassen. Abhängig vom „Stacking-Verfahren“ sind die Elektrobleche eines Blechsegments zueinander vercrimpt oder verklebt. Die einzelnen Blechsegmente sind zueinander „nur“ gestapelt. Aufgrund der Toleranzlage, dem Widerstand beim Aufpressprozess, dem Rückfedereffekt der Blechsegmente und auch dem Auffächern im Betrieb des Rotors ergeben sich zwischen den Blechsegmenten des Blechpakets Luftspalte. Bei Anwendung der „Reverse Rotor Cooling Technology“ führen diese Luftspalte zu radialen Undichtigkeiten, wodurch das Kühlmittel im Betrieb radial ausgeschleudert wird.
Das gattungsgemäße Dokument DE 10 2019 133 532 A1 offenbart beispielsweise einen Rotor für eine elektrische Maschine, der ein Rotorblechpaket aufweist, wobei das Rotorblechpaket in einer axialen Richtung gestapelte Blechsegmente aufweist, wobei die Blechsegmente Permanentmagnete aufweisen, wobei zwischen den Blechsegmenten in einer radialen Richtung zwischen den Permanentmagneten und einer Außenseite des Rotorblechpaketes Abdichtungen angeordnet sind.
Das Dokument US 2013 / 0 278 091 A1 offenbart beispielsweise eine rotierende Maschine, die in der Lage ist, das Austreten eines Kühlmittels zu verhindern und einen Rotor auf einfache und effiziente Art und Weise zu kühlen. Die rotierende Maschine weist einen Rotor, der durch Laminieren von magnetischen Stahlblechen hergestellt ist, einen Stator, der um den Rotor herum angeordnet ist, eine Drehwelle, die durch einen zentralen Teil des Rotors geführt wird, und eine ringförmige Hülse, die zwischen der Drehwelle und dem Rotor angeordnet ist, auf. An einer äußeren Umfangsfläche der Drehwelle ist eine Nut ausgebildet, die als Kühlmittelleitung zur Führung eines Kühlmittels dient. Die Nut kann nur an der äußeren Umfangsfläche der Drehwelle oder nur an einer inneren Umfangsfläche der Hülse oder sowohl an der äußeren Umfangsfläche der Drehwelle als auch an der inneren Umfangsfläche der Hülse ausgebildet sein.
Weiterhin beschäftigt sich beispielsweise das Dokument JP 2002 - 325 394 A mit einer effizienten Kühlung eines Eisenkerns eines Rotors. Dazu offenbart das Dokument einen Kühlpfad, der zwischen einem Außenumfang einer Rotorwelle und der Innenfläche des Eisenkerns des Rotors ausgebildet ist, und einen Pfad, der ein Kühlmittel über die Rotorwelle zu dem Kühlpfad führt.
Das Dokument DE 10 2017 128 312 A1 beschreibt beispielsweise eine Rotoranordnung für einen Elektromotor, die eine Welle und ein mit der Welle verbundenes Rotorblechpaket aufweist. Die Welle umfasst zumindest eine Nut. Das Rotorblechpaket weist Rotorbleche auf, die zumindest teilweise mindestens einen ersten Zahn aufweisen und zumindest teilweise mindestens einen zweiten Zahn aufweisen, die vom jeweiligen Rotorblech nach innen zur Welle hin ragen, wobei der zweite Zahn weiter nach innen ragt als der erste Zahn, und wobei der zweite Zahn in die mindestens eine Nut ragt. Die Welle hat einen ersten Kanal und einen zweiten Kanal, wobei der erste Kanal eine erste Öffnung und eine zweite Öffnung aufweist und wobei der zweite Kanal eine dritte Öffnung und eine vierte Öffnung aufweist, wobei zwischen dem Rotorblechpaket und der Welle ein Hohlraum ausgebildet ist, wobei die zweite Öffnung und die dritte Öffnung im Bereich des Hohlraums ausgebildet sind und die zweite Öffnung und die dritte Öffnung über den Hohlraum in Fluidverbindung stehen.
Das Dokument DE 10 2013 010 249 A1 offenbart beispielsweise ein Stator- bzw. Rotorblech für Stator- bzw. Rotorpakete von Generatoren und Elektromotoren. Zur Bildung von Lüftungskanälen in den Stator- bzw. Rotorpaketen wird das Stator- bzw. Rotorblech mit den aus der Blechebene herausgebogenen Blechstücken versehen, die Distanzstücke zwischen aufeinander liegenden Paketabschnitten bilden. Aus dem Blech werden Blechstücke teilweise ausgestanzt und herausgebogen. Die so gebildeten Distanzstücke bilden beim Aufeinandersetzen der Paketabschnitte die Lüftungskanäle innerhalb des Stator- bzw. Rotorpaketes.
Weiterhin zeigt beispielsweise das Dokument US 925 271 A einen Blechpakets-Abstandshalter für dynamo-elektrische Maschinen.
Das Dokument DE 103 236 A offenbart zudem beispielsweise eine Abstandsplatte für aus Blechen aufgebaute Eisenkörper einer elektrischen Maschine.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der Erfindung einen verbesserten Rotor für eine elektrische Maschine darzustellen.
Dieser Bedarf kann durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gedeckt werden. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
Der erfindungsgemäße Rotor für eine elektrische Maschine umfasst eine Rotorwelle, ein auf der Rotorwelle fest angeordnetes Blechpaket, wobei das Blechpaket zumindest zwei Blechsegmente aufweist, die in einer bezüglich einer Rotationsachse des Rotors axialen Richtung aneinandergereiht sind, sowie zumindest einen bezüglich der Rotationsachse des Rotors axial verlaufenden Kühlmittelkanal, wobei der Kühlmittelkanal zumindest bereichsweise durch eine Mantelfläche der Rotorwelle und eine innere Mantelfläche des Blechpakets begrenzt ist.
Das Blechpaket des Rotors und somit die einzelnen Blechsegmente sind im Wesentlichen hohlzylinderförmig ausgebildet und weisen eine der Mantelfläche der Rotorwelle zugewandte innere Mantelfläche und eine der Mantelfläche der Rotorwelle abgewandte äußere Mantelfläche auf.
An den axialen Stirnflächen der Blechsegmente, in axialer Richtung zwischen den Blechsegmenten und in radialer Richtung zwischen der Mantelfläche Rotorwelle und einer äußeren Mantelfläche des Blechpakets, ist gemäß der vorliegenden Erfindung zumindest ein umlaufendes Dichtelement angeordnet.
Erfindungsgemäß ist an den axialen Stirnflächen der Blechsegmente, in axialer Richtung zwischen den Blechsegmenten und in radialer Richtung zwischen dem Dichtelement und der äußeren Mantelfläche des Blechpakets, zumindest ein Abstandhalterelement ausgebildet oder angeordnet.
Weiterhin erfindungsgemäß weisen die Blechsegmente jeweils zumindest zwei Bleche auf, wobei die Bleche jeweils eine Prägung, nämlich zumindest eine Vertiefung und eine Erhöhung aufweisen, wobei die einzelnen Bleche innerhalb eines Blechsegments derart axial aneinandergereiht sind, dass die Erhöhung eines Bleches in die Vertiefung eines weiteren Bleches greift, wobei die Blechsegmente zueinander um einen Winkel um die Rotationsachse verdreht auf der Rotorwelle positioniert sind, so dass eine Erhöhung eines Bleches eines Blechsegments nicht in die Vertiefung eines Bleches eines weiteren Blechsegments greift und so das Abstandhalterelement ausbildet.
Das Dichtelement ist vorzugsweise ringförmig ausgebildet.
Das ringförmige Dichtelement ist durch eine Dichtschnur oder einen O-Ring ausgebildet.
Weiterhin kann das Dichtelement als eine aufgespritzte Dichtung ausgeführt sein.
Die aufgespritzte Dichtung ist vorzugsweise aus einem thermoplastischen Elastomer gefertigt.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.

1 zeigt einen Querschnitt einer ersten Ausführungsvariante eines Rotors.
2 zeigt schematisch eine Seitenansicht eines Rotors mit einem Blechpaket umfassend zwei Blechsegmente gemäß 1.
3 zeigt einen Querschnitt einer zweiten Ausführungsvariante eines Rotors.
4 zeigt schematisch eine Seitenansicht eines Rotors mit einem Blechpaket umfassend zwei Blechsegmente gemäß 3.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung
In 1 ist ein Querschnitt eines Rotors 1 in einer ersten Ausführungsvariante dargestellt. 2 zeigt schematisch den Rotor 1 aus 1 in einer Seitenansicht.
In 3 ist ein Querschnitt eines Rotors 1 in einer zweiten Ausführungsvariante dargestellt. 4 zeigt schematisch den Rotor 1 aus 3 in einer Seitenansicht.
Im Folgenden werden die gemeinsamen technischen Merkmale der beiden Ausführungsvarianten beschreiben. Auf für die jeweilige Ausführungsvariante spezifische Merkmale wird danach eingegangen.
Der Rotor 1 umfasst eine Rotorwelle 2 mit einem nicht-kreisförmigen, nämlich polygonen, Querschnitt und ein auf der Rotorwelle 2 fest angeordnetes, im Wesentlichen hohlzylinderförmiges Blechpaket 3 (1 - 4). Die Rotorwelle 2 ist durch die zentrale Öffnung des hohlzylinderförmigen Blechpakets 3 des Rotors 1 geführt.
Das Blechpaket 3 umfasst zwei im Wesentlichen hohlzylinderförmige Blechsegmente 4a, 4b. Die Blechsegmente 4a, 4b sind in einer in Bezug auf eine Rotationsachse 5 des Rotors 1 axialen Richtung aneinandergereiht (2, 4).
Die Richtungsangabe „axial“ entspricht somit einer Richtung entlang oder parallel zu der Rotationsachse 5 des Rotors 1. Die Richtungsangabe „radial“ entspricht einer Richtung normal zu der Rotationsachse 5 des Rotors 1.
Die Rotorwelle 2 des Rotors 1 weist eine Mantelfläche 7 auf. Das hohlzylinderförmige Blechpaket weist eine der Mantelfläche 7 der Rotorwelle 2 zugewandte innere Mantelfläche 8 und eine der Mantelfläche 7 der Rotorwelle 2 abgewandte äußere Mantelfläche 10 auf.
Der Rotor 1 weist zudem vier bezüglich der Rotationsachse 5 des Rotors 1 axial verlaufende Kühlmittelkanäle 6a, 6b, 6c, 6d auf, wobei die Kühlmittelkanäle 6a, 6b, 6c, 6d jeweils durch eine Mantelfläche 7 der Rotorwelle 2 und die innere Mantelfläche 8 des Blechpakets 3 begrenzt ist.
An den axialen Stirnflächen 9 der Blechsegmente 4a, 4b, in axialer Richtung zwischen den Blechsegmenten 4a, 4b und in radialer Richtung zwischen der Mantelfläche 7 Rotorwelle 2 und einer äußeren Mantelfläche 10 des Blechpakets 3, ist zumindest ein ringförmig umlaufendes Dichtelement 11 angeordnet (1 - 4). Die Blechsegmente 4a, 4b weisen jeweils mehrere Bleche auf.
Das in der ersten Ausführungsvariante dargestellte Dichtelement 11 ist durch eine aufgespritzte Dichtung aus einem thermoplastischen Elastomer ausgebildet ( 1, 2).
Das in der zweiten Ausführungsvariante dargestellte Dichtelement 11 ist durch eine Dichtschnur ausgebildet (3, 4).
In der zweiten Ausführungsvariante des Rotors 1 gemäß 3 und 4 ist an den axialen Stirnflächen 9 der Blechsegmente 4a, 4b, in axialer Richtung zwischen den Blechsegmenten 4a, 4b und in radialer Richtung zwischen dem Dichtelement 11 und der äußeren Mantelfläche 10 des Blechpakets 3, zumindest ein Abstandhalterelement 12 ausgebildet. Die Bleche des jeweiligen Blechpakets 4a, 4b weisen jeweils eine Prägung auf. Ein geprägtes Blech weist als Prägung mehrere Vertiefungen und mehrere Erhöhungen 13 auf. Eine Erhöhung 13 bedingt dabei jeweils eine Vertiefung bzw. umgekehrt. Die einzelnen Bleche sind dabei derart zu einem Blechsegment 4a, 4b aneinander gereiht, dass die Erhöhung 13 eines Bleches in die Vertiefung eines weiteren Bleches greift.
Die Blechsegmente 4a, 4b sind zueinander um einen Winkel um die Rotationsachse 5 verdreht auf der Rotorwelle 2 positioniert (4), so dass die Erhöhungen 13 eines Bleches eines Blechsegments 4a nicht in die jeweiligen Vertiefungen eines Bleches eines weiteren Blechsegments 4b greifen und diese Erhöhungen 13 so jeweils Abstandhalterelemente 12 ausbilden.
Bezugszeichenliste

1: Rotor
2: Rotorwelle
3: Blechpaket
4a, 4b: Blechsegment
5: Rotationsachse
6a, 6b, 6c, 6d: Kühlmittelkanal
7: Mantelfläche der Rotorwelle
8: Innere Mantelfläche des Blechpakets
9: Axiale Stirnflächen der Blechsegmente
10: Äußere Mantelfläche des Blechpakets
11: Dichtelement
12: Abstandhalterelement
13: Erhöhung

Claims

Rotor (1) für eine elektrische Maschine umfassend - eine Rotorwelle (2), - ein auf der Rotorwelle (2) fest angeordnetes Blechpaket (3), wobei das Blechpaket (3) zumindest zwei Blechsegmente (4a, 4b) aufweist, die in einer bezüglich einer Rotationsachse (5) des Rotors (1) axialen Richtung aneinandergereiht sind, sowie - zumindest einen bezüglich der Rotationsachse (5) des Rotors (1) axial verlaufenden Kühlmittelkanal (6a, 6b, 6c, 6d), wobei der Kühlmittelkanal (6a, 6b, 6c, 6d) zumindest bereichsweise durch eine Mantelfläche (7) der Rotorwelle (2) und eine innere Mantelfläche (8) des Blechpakets (3) begrenzt ist, wobei an axialen Stirnflächen (9) der Blechsegmente (4a, 4b), in axialer Richtung zwischen den Blechsegmenten (4a, 4b) und in radialer Richtung zwischen der Mantelfläche (7) der Rotorwelle (2) und einer äußeren Mantelfläche (10) des Blechpakets (3), zumindest ein umlaufendes Dichtelement (11) angeordnet ist, wobei an den axialen Stirnflächen (9) der Blechsegmente (4a, 4b), in axialer Richtung zwischen den Blechsegmenten (4a, 4b) und in radialer Richtung zwischen dem Dichtelement (11) und der äußeren Mantelfläche (10) des Blechpakets (3), zumindest ein Abstandhalterelement (12) ausgebildet oder angeordnet ist, wobei die Blechsegmente (4a, 4b) jeweils zumindest zwei Bleche umfassen, wobei die Bleche eine Prägung, nämlich zumindest eine Vertiefung und eine Erhöhung (13) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Bleche innerhalb eines Blechsegments (4a, 4b) derart axial aneinandergereiht sind, dass die Erhöhung (13) eines Bleches in die Vertiefung eines weiteren Bleches greift, wobei die Blechsegmente (4a, 4b) zueinander um einen Winkel um die Rotationsachse (5) verdreht auf der Rotorwelle (2) positioniert sind, so dass eine Erhöhung (13) eines Bleches eines Blechsegments (4a) nicht in die Vertiefung eines Bleches eines weiteren Blechsegments (4b) greift und so das Abstandhalterelement (12) ausbildet.
Rotor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (11) ringförmig ist.
Rotor (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (11) eine Dichtschnur ist.
Rotor (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (11) ein O-Ring ist.
Rotor (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (11) eine aufgespritzte Dichtung ist.
Rotor (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die aufgespritzte Dichtung aus einem thermoplastischen Elastomer besteht.