EP4639728A1

EP4639728A1 - Rotoranordnung für eine elektrische maschine sowie elektrische maschine und verfahren zum kühlen eines rotors

Info

Publication number: EP4639728A1
Application number: EP23821525.5A
Authority: EP
Inventors: Rainer Pauls; Georg Seidel; Caroline Haffner; Mike Fuchslocher
Original assignee: Mercedes Benz Group AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2022-12-19
Filing date: 2023-11-30
Publication date: 2025-10-29
Also published as: DE102022004791A1; WO2024132450A1; CN120419078A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Rotoranordnung (1) für eine elektrische Maschine, mit einem Rotor (3) und einer Sprühvorrichtung (7) zum Versprühen eines Kühlmittels (10) mit einem Kühlmittelauslass (8), welcher derart bezüglich des Rotors (3) angeordnet ist, dass eine Rotorfläche (4) mit dem Kühlmittel (10) ansprühbar ist, wobei ein Leitblech (11), das an dem Rotor (3) befestigt ist, derart geformt und an dem Rotor (3) angeordnet ist, dass das versprühte Kühlmittel (10) der Sprühvorrichtung (7) durch das Leitblech (11) einfangbar und auf der Rotorfläche (4) führbar ist.

Description

Rotoranordnung für eine elektrische Maschine sowie elektrische Maschine und Verfahren zum Kühlen eines Rotors

Die Erfindung betrifft eine Rotoranordnung für eine elektrische Maschine, mit einem Rotor und einer Sprühvorrichtung zum Versprühen eines Kühlmittels mit einem Kühlmittelauslass, welcher derart bezüglich des Rotors angeordnet ist, dass eine Rotorfläche mit dem Kühlmittel ansprühbar ist, sowie eine elektrische Maschine mit einer Rotoranordnung und ein Verfahren zum Kühlen eines Rotors einer elektrischen Maschine.

Es sind elektrische Maschinen mit einem Rotor und einem Stator bekannt. Im Betrieb erhitzt sich die elektrische Maschine aufgrund von Verlusten. Diese lassen sich beispielsweise in ohmsche Verluste, Eisenverluste, Streuverluste und mechanische Verluste unterteilen. Eisenverluste treten hauptsächlich in Stator und Rotor auf und tragen einen wesentlichen Anteil zu den Gesamtverlusten bei. Erhitzt sich die elektrische Maschine zu stark, kann sie dadurch zerstört werden. Im Stand der Technik sind deshalb verschiedene Kühlsysteme bekannt.

Aus der DE 102015 015 797 A1 ist eine elektrische Maschine mit einem Rotor und mit einem Stator bekannt. Der Stator umfasst zumindest eine Wicklung, die eine dem Rotor zugewandte Fläche aufweist, welche mit einem einer von dem Rotor in radialer Richtung nach außen durch Drehen des Rotors abgesprühten Kühlflüssigkeit zum Kühlen der Wicklung beaufschlagbar ist, wobei die Fläche zumindest in einem Teilbereich schräg zur axialen Richtung des Rotors verläuft.

Die WO 2022 / 001 268 A1 offenbart einen Motor mit einem Motorkühlsystem für ein Elektrofahrzeug. Der Motor weist einen Rotor mit einen Rotoreisenkern, einen ersten Enddeckel und einen zweiten Enddeckel auf, wobei in einem Enddeckel ein Flüssigkeitseinlasskanal vorgesehen ist, der fluidisch mit einem Flüssigkeitsströmungskanal im Rotoreisenkern verbunden ist und in den Enddeckel ein Flüssigkeitsauslasskanal einer Statorwicklung zugewandt ist. Der Flüssigkeitseinlasskanal, der Flüssigkeitsströmungskanal und der Flüssigkeitsaustrittskanal bilden einen Rotorkanal, durch den ein Kühlmittel strömen kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine effektivere Kühlung für eine elektrische Maschine, insbesondere eines Rotors der elektrischen Maschine, bereitzustellen.

Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren beschrieben.

Die Erfindung beruht auf dem Gedanken durch die Verwendung eines Leitblechs ein Kühlmittel einer Sprühkühlung einzufangen und entlang einer Rotorfläche zu führen, sodass die Kontaktzeit zwischen Kühlmittel und Rotor verbessert und verlängert wird, um dadurch eine effektivere Kühlung des Rotors zu ermöglichen ohne komplizierte Kühlkanalstrukturen zu benötigen.

Ein Aspekt der Erfindung betrifft eine Rotoranordnung für eine elektrische Maschine, mit einem Rotor und einer Sprühvorrichtung zum Versprühen eines Kühlmittels mit einem Kühlmittelauslass, welcher derart bezüglich des Rotors angeordnet ist, dass eine Rotorfläche mit dem Kühlmittel ansprühbar ist. Die Rotoranordnung weist ein Leitblech auf. Das Leitblech ist an dem Rotor befestigt, insbesondere starr befestigt, beispielsweise durch Anschweißen. Das Leitblech ist derart geformt und an dem Rotor angeordnet, dass das versprühte Kühlmittel der Sprühvorrichtung durch das Leitblech einfangbar und auf der Rotorfläche führbar ist.

Durch eine gezielte Führung eines Stroms des Kühlmittels an der Rotorfläche, die auch als Rotorrückseite oder Rotorscheibenoberfläche bezeichnet werden kann, mittels des Leitblechs kann ein konvektiver Wärmeübergang zwischen dem Rotor und dem Kühlmittel verbessert werden. Ohne gezielte Führung des Kühlmittels durch das Leitblech kann aufgrund von starker Zerstäubung und Strahlreflexion nur eine deutlich geringere Wärmeübertragung von der Rotorfläche auf das Kühlmittel erreicht werden. Durch Anbringen des passend gestalteten Leitblechs auf der Rotorrückseite kann das Kühlmittel an der Rotorfläche gehalten und geführt werden. Durch die gezielte Führung des Kühlmittels auf der Rotorfläche kann sowohl eine Kontaktzeit zwischen dem Kühlmittel und der Rotorfläche verlängert werden, als auch ein Wärmeübergangskoeffizient, insbesondere gegenüber luftgekühlten Rotoranordnungen, gesteigert werden. In Folge kann eine Wirksamkeit einer Rotorkühlung durch die erfindungsgemäße Rotoranordnung signifikant verbessert werden, wodurch eine Steigerung einer Dauerleistung der elektrischen Maschine ermöglich werden kann und/oder kostengünstigere Magnetmaterialien bzw. Klebstoffe und dergleichen eingesetzt werden können. Insbesondere ist dies möglich, da die verbesserte Kühlung des Rotors zu einer geringeren Temperatur an Magneten des Rotors und Klebstoffen führt, wodurch Temperaturanforderungen an die Magnetmaterialien und Klebstoffe geringer sind.

Insbesondere kann durch das Leitblech die Mehrheit des versprühten Kühlmittels, insbesondere mehr als 80%, insbesondere mehr als 90%, eingefangen werden. Durch Rotationskräfte wird das Kühlmittel im Betrieb der elektrischen Maschine nach außen, von einer Drehachse des Rotors weg, über die Rotorfläche getragen und durch das Leitblech an der Rotorfläche gehalten und geführt. Erreicht das Kühlmittel den äußeren Rand des Rotors, kann es beispielsweise abgeworfen und einem Kühlkreislauf zugeführt werden. Insbesondere wird durch das Leitblech erreicht, dass die Mehrheit der vom Leitblech überdeckten Rotorfläche, insbesondere mehr als 80%, insbesondere mehr als 90%, insbesondere mehr als 95%, mit dem Kühlmittel benetzt wird. Dadurch ergibt sich eine besonders effektive und effiziente Kühlung des Rotors, da der Rotor sehr gut und beispielsweise mit weniger Kühlmittel gekühlt werden kann. Außerdem ergibt sich dadurch auch der Vorteil, dass mit einer einfachen Sprühkühlung ohne konstruktiv aufwendige Kühlkanäle im oder am Rotor eine effektive Kühlung möglich ist.

Wird von einer axialen oder radialen Richtung gesprochen ist dies oben und nachfolgend stets in Bezug auf die Drehachse des Rotors bezogen zu verstehen, wenn keine andere Angabe gemacht wird. Bei dem Kühlmittel handelt es sich insbesondere um ein Kühlöl.

Insbesondere weist die Sprühvorrichtung neben dem Kühlmittelauslass eine Kühlmittelzuführung und eine Pumpe auf. Insbesondere versprüht der Kühlmittelauslass das Kühlmittel in einem Strahl, der zwischen 0° und 90° breit ist, mit anderen Worten einen Öffnungswinkel von 0° bis 90° aufweist.

Erfindungsgemäß weist das Leitblech einen Führungsteil auf. Der Führungsteil weist einen Nullspaltteil auf. Der Nullspaltteil deckt die Rotorfläche in radialer Richtung zumindest bereichsweise und tangential umlaufend vollständig ab. Der Nullspaltteil liegt an der Rotorfläche an.

Der Nullspaltteil dient dazu unter den im Betrieb vorliegenden großen Fliehkräften sehr dünne Kühlmittel, das auch als Kühlfluidfilm bezeichnet werden kann, an die Rotoroberfläche zu zwingen. Eine Spalthöhe zwischen der Rotorfläche und dem Leitblech wird dabei nur durch Oberflächenrauheit und Ebenheit der Rotorfläche und des Leitblechs bestimmt. Im Nullspaltteil beträgt die Spalthöhe nominell also 0, sprich der Nullspaltteil liegt an der Rotorfläche an. Faktisch ist aber die Spalthöhe auf einer mikroskopischen Skala aufgrund von Oberflächenstrukturen der Rotorfläche und des Leitblechs ausreichend, sodass sich das Kühlmittel ausbreiten kann.

Es ist möglich, dass sich der Nullspaltteil direkt an den Fangteil anschließt. Weiterhin ist es möglich, dass der Nullspaltteil direkt an den Fangteil anschließt und radial bis zum Rand des Rotors ausgebildet ist. Dadurch kann das Kühlmittel besonders gut an einem Großteil der Rotorseite geführt werden.

Es ist aber auch möglich, dass der Nullspaltteil direkt an den Fangteil anschließt und sich radial nicht bis zum Rand des Rotors erstreckt, insbesondere so, dass der Nullspaltteil weniger als 50%, insbesondere weniger als 30%, insbesondere weniger als 20%, der Rotorfläche bedeckt. Insbesondere wenn der Nullspaltteil den ganzen Führungsteil des Leitblechs bildet, kann durch diese Anordnung Gewicht und Bauraum eingespart werden.

In einem Ausführungsbeispiel ist das Leitblech dazu ausgebildet, das Kühlmittel radial und tangential umlaufend auf der Rotorfläche zu führen. Dadurch kann der Rotor effektiver und effizienter gekühlt werden. Tangential umlaufend bedeutet entlang eines gedachten Kreises bei einem bestimmten Radius um die Drehachse, der kleiner als ein maximaler äußerster Rotorradius ist. Der gedachte Kreis liegt auf einer senkrechten Ebene zur Drehachse, beispielsweise auf der Rotorfläche. Die Richtung kann dabei im oder gegen den Uhrzeigersinn sein. Beispielsweise kann das Leitblech das Kühlmittel innerhalb eines Kreisringbereichs mit der Drehachse im Mittelpunkt sowohl radial als auch tangential umlaufend auf der Rotorfläche führen.

In einem Ausführungsbeispiel ist die Rotorfläche senkrecht zu einer Drehachse des Rotors angeordnet. Mit anderen Worten ist eine Normalenrichtung auf der Rotorfläche parallel zur Drehachse.

Insbesondere wird also die Rotorfläche, die senkrecht zur Drehachse des Rotors angeordnet ist, gekühlt und nicht notwendigerweise eine Mantelfläche des Rotors. Dies ist besonders vorteilhaft für elektrische Maschinen, bei denen die meiste Wärme an der Rotorfläche entsteht, beispielsweise bei Axialflussmaschinen. In einem Ausführungsbeispiel weist das Leitblech einen Fangteil auf. Der Fangteil ist in axialer Richtung von der Rotorfläche erhaben. Der Fangteil ist zur Drehachse hin geöffnet, um das Kühlmittel einzufangen. Der Fangteil ist ein der Drehachse in radialer Richtung am nächsten angeordneter Teil des Leitblechs. Der Fangteil ist insbesondere von der Drehachse in radialer Richtung weiter entfernt als der Kühlmittelauslass, da das Kühlmittel durch die Fliehkräfte radial nach außen getragen werden.

Insbesondere ist der Fangteil tangential vollständig umlaufend ausgebildet, um zu verhindern, dass das Kühlmittel außen an dem Fangteil vorbeifließt anstatt zwischen Fangteil und Rotorfläche.

Insbesondere ist der Fangteil trichterförmig und/oder als Kegelstumpf beziehungsweise kegelstumpfförmig ausgebildet. Dies bedeutet insbesondere, dass der Fangteil im Längsschnitt durch die Drehachse von der Rotorfläche absteht. Diese Form ist besonders geeignet durch einen weiten Öffnungswinkel das Kühlmittel einzufangen und weiter an die Rotorfläche zu führen. Insbesondere beträgt der Öffnungswinkel in Bezug zur Rotorfläche zwischen 10° und 60°.

In einem Ausführungsbeispiel weist der Führungsteil einen Stauteil auf. Der Stauteil liegt nicht an der Rotorfläche an. Insbesondere beträgt eine Spalthöhe zwischen dem Stauteil und der Rotorfläche 0,1 mm bis 1 mm. Der Stauteil ist radial zwischen dem Fangteil und dem Nullspaltteil angeordnet.

Der Stauteil dient zur Anstauung des vom Fangtrichter aufgenommenen Kühlmittels. Dadurch wird eine Kontaktzeit zwischen dem Kühlmittel und der Rotorfläche erhöht, sodass sich eine verbesserte Wärmeübertragung zur Kühlung des Rotors ergibt.

Ein Aufbau einer möglichen als Vollvariante bezeichneten Ausführungsform des Leitblechs weist von der Drehachse radial zum Rand des Rotors folgende Abschnitte auf: Fangteil, Staubereich, Nullspaltbereich und optional eine Montagezentrierung. Die Montagezentrierung kann an einer Mantelfäche des Rotors angebracht sein. Sie kann insbesondere vollumfänglich oder nur partiell, insbesondere an mindestens drei Stellen, über den Umfang ausgeführt sein.

Beispielsweise variiert je nach Rotortopologie und Kühlbedarf eine radiale Ausdehnung der einzelnen Abschnitte. Je nach Ausführungsart müssen beispielsweise nicht zwingend alle Abschnitte vorhanden sein. In einem Ausführungsbeispiel weist der Führungsteil im Nullspaltteil Sicken auf. Die Sicken erstrecken sich axial von der Rotorfläche weg. Die Sicken verlaufen in radialer Richtung von dem Stauteil teilweise, insbesondere nur teilweise, also nicht vollständig, durch den Nullspaltteil.

Das Verlaufen der Sicken in radialer Richtung von dem Staubereich teilweise durch den Nullspaltteil ist hier so zu verstehen, dass die Sicken radial gesehen nicht bis zum äußeren Rand des Nullspaltteils ausgebildet sind. Die Sicken dienen zur Verbesserung einer tangential umlaufend gleichmäßigen Kühlmittelverteilung auf der Rotorfläche. Im Nullspaltteil kann es nicht vorhersehbare ungleiche Spalthöhen durch Unebenheiten des Leitblechs und der Rotorfläche geben. Dadurch kann es zu einer Ungleichverteilung des Kühlmittels im Nullspaltteil kommen. Insbesondere sind die Sicken gleichmäßig tangential umlaufend auf der Rotorfläche, insbesondere sternförmig, verteilt. Die Sicken können das Kühlmittel anstauen und dann gleichmäßig tangential umlaufend abgeben. Dadurch kann eine gleichmäßige Kühlung der Rotorfläche gewährleistet werden.

Der Führungsteil weist in einem Bereich des Stauteils Abstütznoppen auf. Die Abstütznoppen erstrecken sich axial in Richtung der Rotorfläche. Die Abstütznoppen kontaktieren die Rotorfläche.

Insbesondere grenzen die Abstütznoppen an das Stauteil. Durch die Abstütznoppen kann ein Mindestabstand zwischen dem Stauteil und der Rotorfläche sichergestellt werden.

Dadurch erhält die Rotoranordnung mehr Stabilität.

Insbesondere ist das Leitblech am Rotor angeschweißt. Insbesondere ist das Leitblech, insbesondere ausschließlich, an den Abstütznoppen und/oder den Sicken an dem Rotor angeschweißt. Insbesondere erfolgt eine Fixierung des Leitblechs auf der Rotorfläche über Punktschweißungen, beispielsweise im Nullspaltteil und an den Einprägungen im Stauteil. Insbesondere kann der Nullspaltteil in einem unverbauten Zustand als flacher Kegel ausgeführt sein, um nach der Fixierung eine definierte Anpressung an die Rotorfläche zu erreichen.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einer Rotoranordnung. Die Rotoranordnung ist dazu ausgebildet als Teil eines elektrischen Antriebsstrangs ein Fahrzeug anzutreiben. In einem Ausführungsbeispiel ist die elektrischen Maschine als eine Axialflussmaschine ausgeführt.

Insbesondere ist die Rotoranordnung eine Rotoranordnung für eine Axialflussmaschine.

Bei einer Axialflussmaschine ist die elektrische Maschine axial aufgebaut, beispielsweise indem eine Statorscheibe sandwichartig zwischen zwei Rotorscheiben angeordnet ist. Insbesondere ist die Statorscheibe an nur einer Rotorscheibe angeordnet. In der Axialflussmaschine fließt der magnetische Fluss parallel zur Drehachse des Rotors. Daher ist die Wärmeentwicklung bei der Axialflussmaschine auf der Rotorfläche, welche senkrecht zur Drehachse steht größer als bei einer Radialflussmaschine. Bei einer Radialflussmaschine entsteht mehr Wärme auf einer Mantelfläche des Rotors. Daher ist die erfindungsgemäße Rotoranordnung besonders vorteilhaft für Axialflussmaschinen. Insbesondere ist die Rotorfläche eine dem Stator abgewandte Seite des Rotors. Gibt es zwei Rotorscheiben, dann gibt es insbesondere genau zwei Rotorflächen, die sich jeweils auf einer Rotorscheibe befinden.

Insbesondere ist die Axialflussmaschine eine antriebsdrehmomentbereitstellende Komponente eines elektrischen Antriebsstrangs, beispielsweise eines Kraftfahrzeugs.

Insbesondere ist durch die erfindungsgemäße Rotoranordnung auch eine Kühlung einer Radialflussmaschine möglich.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen eines Rotors einer elektrischen Maschine, folgende Schritte aufweisend:

- Sprühen eines Kühlmittels an eine Rotorfläche des Rotors durch eine Sprühvorrichtung mit einem Kühlmittelauslass;

- Einfangen des versprühten Kühlmittels durch ein Leitblech, welches an dem Rotor befestigt ist; und

- Führen des eingefangenen Kühlmittels auf der Rotorfläche durch das Leitblech.

Insbesondere wird das Kühlmittel aus einem feststehenden Gehäuseteil auf die Rotorfläche gespritzt, um den Rotor zu kühlen.

Weitere Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens folgen unmittelbar aus den verschiedenen Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Rotoranordnung, sowie der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine und umgekehrt. Insbesondere lassen sich einzelne Merkmale und entsprechende Erläuterungen sowie Vorteile bezüglich der verschiedenen Ausführungsformen zu der erfindungsgemäßen Rotoranordnung, sowie der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine analog auf entsprechende Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens übertragen. Insbesondere ist die erfindungsgemäße Rotoranordnung, sowie die erfindungsgemäße elektrische Maschine, zum Durchführen eines erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet. Insbesondere führt die erfindungsgemäße Rotoranordnung, sowie die erfindungsgemäße elektrische Maschine, das erfindungsgemäße Verfahren durch.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Dabei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Längsschnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Rotoranordnung;

Fig. 2 eine schematische Längsschnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer Axialflussmaschine mit einer erfindungsgemäßen Rotoranordnung;

Fig. 3 eine schematische Längsschnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Rotoranordnung;

Fig. 4 eine schematische Längsschnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Rotoranordnung;

Fig. 5 eine schematische Längsschnittdarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Rotoranordnung; Fig. 6 eine schematische Draufsicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Rotoranordnung

In Fig. 1 ist eine schematische Längsschnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Rotoranordnung 1 gezeigt. Die Rotoranordnung 1 weist einen Rotor 3, eine Sprühvorrichtung 7 zum Versprühen eines Kühlmittels 10 und ein Leitblech 11 auf, sodass insbesondere von einer aktiven Rotorkühlung gesprochen werden kann. Der Rotor 3 weist eine Rotorfläche 4, die auch als Rotorrückseite bezeichnet werden kann, und eine Rotormantelfläche 6 auf. Die Rotorfläche 4 ist senkrecht zu einer Drehachse 5a angeordnet und die Rotormantelfläche 6 ist parallel zur Drehachse 5a angeordnet. Die Sprühvorrichtung 7 weist einen Kühlmittelauslass 8 auf. Aus diesem kann ein Kühlmittel 10, insbesondere ein Kühlöl, in Richtung des Pfeils P1 auf die Rotorfläche 4 gesprüht werden.

Das Leitblech 11 weist insbesondere einen Fangteil 12 und einen Führungsteil 13 auf. Der Führungsteil 13 weist einen Nullspaltteil 14 auf. Eine Spalthöhe des Nullspaltteils 14 zur Rotorfläche 4 ist durch eine Oberflächenrauheit der Rotorfläche 4 und des Leitblechs 11 im Nullspaltteil 14 bestimmt. Insbesondere kann der Nullspaltteil 14 auch als Nullspaltbereich bezeichnet werden und schließt radial nach außen hin als oberflächenparalleler, an der Rotorfläche 4 anliegender Ring, insbesondere an den Fangteil 12, an. Im in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel bildet der Nullspaltteil 14 den ganzen Führungsteil 13. Der Fangteil 12 und der Führungsteil 13 können tangential umlaufend die Rotorfläche 4 vollständig bedecken. Radial verbleibt um die Drehachse 5a eine Öffnung, in die das Kühlmittel 10 eingesprüht werden kann. Auf der Rotormantelfläche 6 kann eine Montagezentrierung 16 anschließend an den Führungsteil 13 angeordnet sein. Die Montagezentrierung 16 kann dabei vollständig umlaufend an der Rotormantelfläche 6 befestigt sein oder nur partiell, insbesondere an drei oder wenigstens drei Stellen.

Die Sprühvorrichtung 7 sprüht im Betrieb des Rotors 3 durch den Kühlmittelauslass 8 das Kühlmittel 10 in Richtung des Pfeils P1 auf die Rotorfläche 4. Durch die Form, insbesondere die Kegelstumpfform, des Fangteils 12 wird das Kühlmittel 10, insbesondere die Mehrheit des Kühlmittels 10, insbesondere mehr als 80% des Kühlmittels 10, eingefangen und auf die Rotorfläche 4 gebracht. Ein Öffnungswinkel des Fangteils 12 zur Rotorfläche 4 beträgt weniger als 90°, insbesondere zwischen 10° und 60°. Die mikroskopische Spalthöhe des Nullspaltteils 14 ist ausreichend, sodass das Kühlmittel 10 durch Fliehkräfte, die im Betrieb herrschen, durch den Nullspaltteil 14 radial nach außen geführt wird. An einer äußeren Kante der Rotorfläche 4 oder an der Rotormantelfläche 6 wird das Kühlmittel radial nach außen, insbesondere über einen gesamten Umfang des Rotors 3, abgeworfen.

In Fig. 2 ist eine schematische Längsschnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer Axialflussmaschine 2 als Beispiel einer elektrischen Maschine mit einer erfindungsgemäßen Rotoranordnung 1 gezeigt. Insbesondere kann die Axialflussmaschine 2 als Antriebsmaschine eines elektrischen Antriebsstrangs zum Antrieb eines überwiegend oder ausschließlich elektrisch angetriebenen Fahrzeugs dienen. Die Axialflussmaschine 2 weist, insbesondere zwei, Rotorscheiben und eine Statorscheibe 17 auf. Die Rotorflächen 4 sind senkrecht zur Drehachse 5a und einer der Statorscheibe 17 abgewandten Seite der Rotorscheiben angeordnet. An einem Rotorlager 18 ist ein Lagerschild 19 angeordnet. Aufbau und Funktion des Leitblechs 11 entsprechen beispielsweise Aufbau und Funktion des Leitblechs 11 in Fig. 1.

Das Kühlmittel 10 kann durch eine Kühlmittelzuführung 9 bis zum Kühlmittelauslass 8 gepumpt werden. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Kühlmittelzuführung 9 durch das Lagerschild 19 geführt. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Kühlmittelzuführung auch innerhalb einer Rotorwelle 5b des Rotors 3 geführt werden. Beispielsweise ist der Kühlmittelauslass 8, der auch als Düse bezeichnet werden kann, gewinkelt, insbesondere in einem Winkel radial nach außen, zum Fangteil 12 angeordnet. Die Rotorwelle 5b verläuft entlang der Drehachse 5a. Das Kühlmittel 10 wird durch den Führungsteil 13 durch die Fliehkräfte radial nach außen getragen und an der äußeren Kante der Rotorfläche 4 radial nach außen dem Lagerschild 19 entgegen abgeworfen. Das Kühlmittel 10 kann entlang des Lagerschilds 19 nach unten entsprechend der Schwerkraft abfließen. Durch eine Ablaufbohrung 20 wird das Kühlmittel 10 einem Kühlkreislauf zugeführt. Insbesondere wird das Kühlmittel 10 in einer Ölwanne gesammelt und über einen Öl-Wasser-Wärmetauscher gekühlt und dann wieder über Pumpen zur Rotoranordnung geführt.

Die Figuren Fig. 1 und Fig. 3 bis einschließlich Fig. 5 zeigen stets die gleiche Schnittperspektive mit verschiedenen Ausführungsvarianten des Leitblechs 11 angeordnet an dem Rotor 3. Diese Schnittperspektiven können eine Teilansicht von Fig. 2 sein, wie in Fig. 3 durch die zusätzliche Darstellung der Statorscheibe 17 angedeutet.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Rotoranordnung 1. In diesem Ausführungsbeispiel weist der Führungsteil 13 zusätzlich zu dem Nullspaltteil 14 einen Stauteil 15 auf. Der Stauteil 15 kann zwischen dem Fangteil 12, welches auch als Fangtrichter bezeichnet werden kann, und dem Nullspaltteil 14 angeordnet sein. Insbesondere schließt an das Fangteil 12 radial nach außen ein zum Rotor 3 in etwa oberflächenparalleler, zur Rotoroberfläche beabstandeter Ring an. Dieser als Stauteil 15 bezeichnete Abschnitt des Leitblechs 11 dient zur Anstauung des vom Fangteils 12 aufgenommenen Kühlmittels 10. Die Spalthöhe zwischen Rotorfläche 4 und Leitblech 11 beträgt insbesondere 0,1mm bis 1 mm.

In Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Rotoranordnung 1 gezeigt. In diesem Ausführungsbeispiel gibt es keine Montagezentrierung 16 und der Führungsteil 13 weist nur den Nullspaltteil 14 auf und keinen Stauteil 15. Der Führungsteil 13 ist in diesem Ausführungsbeispiel kurz und endet vor dem äußeren Rand der Rotorfläche 4, insbesondere radial gesehen innerhalb der inneren Zweidritteln, insbesondere innerhalb der inneren Hälfte, der Rotorfläche 4. Insbesondere weist dieses Ausführungsbeispiel Sicken 21 auf. Die Sicken 21 sind radial nach außen offen. Dadurch kann die Rotorfläche 4 mit dem Kühlmittel 10 als Wandfilm nach Sickenaustritt benetzt werden.

Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Rotoranordnung 1. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Leitblech 11 geformt wie bezüglich Fig. 3 beschrieben. Zusätzlich weist dieses Ausführungsbeispiel noch die Sicken 21 und Abstütznoppen 22 auf. Insbesondere sind die radialen Sicken 21 in das Leitblech 11 im Nullspaltteil 14 eingeprägt, die sich ausgehend vom Stauteil 15 mindestens über einen Teil des Nullspaltteils 14 erstrecken. Die Sicken 21 dienen zur Sicherstellung einer gleichmäßigen Verteilung des Kühlmittels 10. Die Abstütznoppen 22 können an dem Stauteil 15 zur Sicherstellung der Spalthöhe zwischen dem Leitblech 11 und dem Stauteil

15 als Einprägungen angebracht sein. Insbesondere ist das Leitblech 11 an den Sicken 21 und an den Abstütznoppen 22 an der Rotorfläche angeschweißt.

In Fig. 6 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Rotoranordnung 1 in Draufsicht auf die Drehachse 5a gezeigt. Die Drehachse 5a ist in dieser Darstellung in z- Richtung orientiert. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Leitblech 11 wie in Fig. 5 ausgestaltet. Der gestrichelte Pfeil P2 zeigt in eine tangential umlaufende Richtung. Die x- Achse und die y-Achse zeigen in radiale Richtungen und die z-Achse in eine axiale Richtung. Bezugszeichenliste

1 Rotoranordnung

2 Axialflussmaschine

3 Rotor

4 Rotorfläche

5a Drehachse

5b Rotorwelle

6 Rotormantelfläche

7 Sprühvorrichtung

8 Kühlmittelauslass

9 Kühlmittelzuführung

10 Kühlmittel

11 Leitblech

12 Fangteil

13 Führungsteil

14 Nullspaltteil

15 Stauteil

16 Montagezentrierung

17 Statorscheibe

18 Rotorlager

19 Lagerschild

20 Ablaufbohrung

21 Sicken

22 Abstütznoppen

P1 Pfeil 1

P2 Pfeil 2

Claims

Patentansprüche

1. Rotoranordnung (1) für eine elektrische Maschine, mit einem Rotor (3) und einer Sprühvorrichtung (7) zum Versprühen eines Kühlmittels (10) mit einem Kühlmittelauslass (8), welcher derart bezüglich des Rotors (3) angeordnet ist, dass eine Rotorfläche (4) mit dem Kühlmittel (10) ansprühbar ist, und einem Leitblech (11), das an dem Rotor (3) befestigt ist, wobei das Leitblech (11) derart geformt und an dem Rotor (3) angeordnet ist, dass das versprühte Kühlmittel (10) der Sprühvorrichtung (7) durch das Leitblech (11) einfangbar und auf der Rotorfläche (4) führbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitblech (11) einen Führungsteil (13) aufweist, der einen Nullspaltteil (14) aufweist, der die Rotorfläche (4) in radialer Richtung zumindest bereichsweise und tangential umlaufend (P2) vollständig abdeckt und an der Rotorfläche (4) anliegt.

2. Rotoranordnung (1) nach Anspruch 1, wobei das Leitblech (11) dazu ausgebildet ist, das Kühlmittel (10) radial auf der Rotorfläche (4) zu führen.

3. Rotoranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rotorfläche (4) senkrecht zu einer Drehachse (5a) des Rotors (3) angeordnet ist.

4. Rotoranordnung (1) nach Anspruch 2 oder 3, wobei das Leitblech (11) einen Fangteil (12) aufweist, wobei der Fangteil (12):

- in axialer Richtung von der Rotorfläche (4) erhaben ist,

- zur Drehachse (5a) hin geöffnet ist,

- ein der Drehachse (5a) in radialer Richtung am nächsten angeordneter Teil des Leitblechs (11) ist, und

- von der Drehachse (5a) in radialer Richtung weiter entfernt ist als der Kühlmittelauslass (8).

5. Rotoranordnung (1) nach Anspruch 4, wobei der Führungsteil (13) einen Stauteil (15) aufweist, welcher nicht an der Rotorfläche (4) anliegt und radial zwischen dem Fangteil (12) und dem Nullspaltteil (14) angeordnet ist.

6. Rotoranordnung (1) nach Anspruch 5, wobei der Führungsteil (13) in einem Bereich des Stauteils (15) Abstütznoppen (22) aufweist, die sich axial in Richtung der Rotorfläche (4) erstrecken und die Rotorfläche (4) kontaktieren.

7. Rotoranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Führungsteil (13) im Nullspaltteil (14) Sicken (21) aufweist, die sich axial von der Rotorfläche (4) weg erstrecken und radialer Richtung zumindest teilweise durch den Nullspaltteil (14) verlaufen.

8. Rotoranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Leitblech (11) einen Montagezentrierungsteil (16) aufweist, der sich an der Rotormantelfläche (6) zumindest teilweise über den Umfang erstreckt, insbesondere in einzelnen Erhebungen.

9. Rotoranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Leitblech (11) über Schweißpunkte im Nullspaltbereich (14) und/oder in den Abstütznoppen (22) am Rotor (3) fixiert ist.

10. Rotoranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Leitblech (11) im nicht-montierten Zustand eine zum montierten Zustand abweichende Form aufweist, indem der Nullspaltbereich (14) zumindest teilweise nicht eben, sondern kegelstumpfartig ausgeführt ist und so eine axiale Vorspannung des Leitblechs (11) an den Rotor (3) gegeben ist.

11. Elektrische Maschine mit einer Rotoranordnung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, die dazu ausgebildet ist als Teil eines elektrischen Antriebsstrangs ein Fahrzeug anzutreiben.

12. Elektrische Maschine nach Anspruch 11 , die als Axialflussmaschine (2) ausgeführt ist.

3. Verfahren zum Kühlen eines Rotors (3) einer elektrischen Maschine mit einer Rotoranordnung (1) nach einem den Ansprüchen 1 bis 10, folgende Schritte aufweisend:

- Sprühen eines Kühlmittels (10) an eine Rotorfläche (4) des Rotors (3) durch eine Sprühvorrichtung (7) mit einem Kühlmittelauslass (8);

- Einfangen des versprühten Kühlmittels (10) durch ein Leitblech (11), welches an dem Rotor (3) befestigt ist; und

- Führen des eingefangenen Kühlmittels (10) auf der Rotorfläche (4) durch das Leitblech (11).