EP4677725A1 - Rotoranordnung - Google Patents

Rotoranordnung

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Publication number
EP4677725A1
EP4677725A1 EP24707125.1A EP24707125A EP4677725A1 EP 4677725 A1 EP4677725 A1 EP 4677725A1 EP 24707125 A EP24707125 A EP 24707125A EP 4677725 A1 EP4677725 A1 EP 4677725A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
conducting element
thermal conducting
rotor
slots
separating body
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP24707125.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Kunkemoeller
Thomas Hurle
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Schaeffler Technologies AG and Co KG filed Critical Schaeffler Technologies AG and Co KG
Publication of EP4677725A1 publication Critical patent/EP4677725A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/32—Rotating parts of the magnetic circuit with channels or ducts for flow of cooling medium
    • H02K1/325—Rotating parts of the magnetic circuit with channels or ducts for flow of cooling medium between salient poles
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/04—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
    • H02K3/24—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors with channels or ducts for cooling medium between the conductors

Definitions

  • the present invention relates to a rotor arrangement, in particular for a separately excited synchronous machine, comprising a rotor body which forms a plurality of slots in the axial direction for receiving a winding, rotor poles which are formed in the radial direction between two of the slots, windings which run in the slots and enclose the rotor poles, slot closure elements which close the slots in the radial direction, at least one separating body which is arranged in one of the slots in the circumferential direction between two of the windings, wherein the separating body comprises at least one continuous cooling channel extending in the axial direction through which a cooling medium can flow.
  • Electric motors are increasingly being used to power motor vehicles in order to create alternatives to combustion engines that require fossil fuels.
  • Considerable efforts have already been made to improve the everyday suitability of electric drives and to offer users the driving comfort they are used to.
  • a separately excited synchronous machine is a special form of synchronous machine in which the magnetic field in the rotor is not generated by permanent magnets, but by energizable coils.
  • the coils are often also referred to as field or excitation coils.
  • To energize the coils in the rotating rotor the power must be supplied via suitable transformer devices.
  • gaps can form between any two excitation windings of a rotor.
  • supporting or separating bodies are inserted into these gaps, which fill the gap completely or in large parts.
  • the separating bodies protect the windings of the excitation coils in the centrifugal force field against unintentional movement.
  • EP 1 494 335 B1 discloses corresponding separating bodies between adjacent excitation coils.
  • Air-cooled rotors or fluid-cooled hollow shafts are known from the prior art.
  • DE102018220810A1 discloses a fluid-cooled rotor for an electrical machine and a separately excited synchronous machine with a directly or loss-cooled rotor winding.
  • a fluid-cooled hollow shaft with a conical wall is disclosed in EP3618241A1.
  • the object of the present invention is to provide a suitable device for the dissipation of thermal energy from a rotor for a separately excited synchronous machine, which has a compact design and a high operational reliability.
  • a rotor arrangement in particular for a separately excited synchronous machine, comprising a rotor body which forms a plurality of slots in the axial direction for receiving a winding, rotor poles which are formed in the radial direction between two of the slots, windings which run in the slots and enclose the rotor poles, slot closure elements which close the slots in the radial direction, at least one separating body which is arranged in one of the slots in the circumferential direction between two of the windings, wherein the separating body comprises at least one continuous cooling channel extending in the axial direction through which a cooling medium can flow, wherein the separating body protrudes axially from the slot at least with a first front end and at this axially protruding end at least one first thermal conducting element is arranged to extend in at least a first circumferential direction between two adjacent grooves.
  • the advantageous effect of this aspect is that power loss in the form of heat can be dissipated as close to its source as possible thanks to the cooling channels in the separating body and the thermal conducting element. Furthermore, the integration of the cooling channel in the separating body and the thermal conducting element means that only a very small intervention in the electromagnetic design of the rotor is carried out, in contrast to cooling between the grooves in the rotor body itself.
  • the separator therefore essentially provides two functions. Firstly, the separator can help to fix the windings in the slots even under the influence of centrifugal force and secondly, it can provide fluid-based cooling within the slots through the cooling channel. The rotor windings are thus supported at a fixed speed via this separator and are cooled at the same time. Furthermore, the thermal conducting element is thermally connected to the fluid-cooled separator, so that the conducting element can also be cooled accordingly via the fluid cooling of the separator.
  • the thermal separator can contact the winding directly and/or be thermally coupled to the winding with the interposition of a heat-conducting medium.
  • the separating body is preferably made of a non-ferromagnetic material so that the electromagnetic function of the rotor or the electrical machine is not disturbed.
  • the separating body is preferably made at least partially of a material with good thermal conductivity in order to achieve a good thermal connection between the rotor windings and the cooling medium.
  • the separating body can then be connected, for example, by means of a They can be manufactured using an aluminum extrusion process, plastic extrusion or a plastic injection molding process. This makes it possible to create shapes that are hollow on the inside but closed on the outside, which can carry a cooling medium and are leak-proof even under high pressure.
  • the cooling channel has a constant cross-section in the axial direction. Furthermore, the cooling channel has a substantially constant radial distance from a rotation axis in the axial direction.
  • the advantageous effect of the design is that the design of the cooling channel avoids a speed- and direction-dependent pumping effect through the cooling channel, since the inlet and the outlet of the cooling channel in the separating body are equally spaced from the axis of rotation.
  • the rotor arrangement comprises a rotor shaft, which is designed as a hollow shaft and has an opening in the radial direction for guiding the cooling medium.
  • the opening is connected to the cooling channel for guiding the cooling medium.
  • the opening is connected to the cooling channel via a further component, which together with the opening and the cooling channel forms a channel system.
  • the cooling channel is thus connected to a cooling system via the channel system.
  • the cooling channel is connected to the cooling system on both sides via a respective further component, so that a closed cooling circuit is formed.
  • a cavity is formed in the groove, which is delimited by one of the windings and the separating body, wherein the cavity has a potting material.
  • the advantageous effect of the embodiment is that the potting material in the cavity improves the thermal connection of the windings to the separating body.
  • the cavity results from component tolerances of the windings and separating body due to manufacturing.
  • the cooling medium is a cooling liquid.
  • the advantageous effect of the embodiment is that cooling liquids have a higher heat capacity and a higher thermal conductivity and thus enable better heat dissipation or dissipation of power losses.
  • the cooling liquid contains oil and/or water.
  • the rotor body is designed as a laminated package.
  • the advantageous effect of this embodiment is that eddy current losses in the rotor body are minimized.
  • the separating body comprises several cooling channels which are spaced apart from one another radially and/or in the circumferential direction.
  • the advantageous effect of the design is that this results in better heat dissipation or dissipation of the power loss.
  • a further advantage is that more uniform heat dissipation or dissipation of the power loss occurs due to several spaced-apart cooling channels.
  • At least two of the cooling channels have a substantially geometrically identical cross-sectional contour.
  • Such cross-sectional shapes have proven to be particularly advantageous with regard to the necessary dimensional stability of the separating body under the influence of centrifugal force and for the provision of a high heat transfer performance.
  • At least two of the cooling channels have a rectangular basic contour, with the respective long sides of the cooling channels being oriented in radial extension, which has also proven to be particularly advantageous with regard to optimizing the dimensional stability and heat transfer performance of the separating body.
  • the cooling channels it would also be possible for the cooling channels to have a contour that deviates from the rectangular shape, for example trapezoidal.
  • the outer cross-sectional contour of the separating body can also have a contour that deviates from the rectangular shape.
  • the cross-sectional contour is preferably of the separator is shaped so that the distance between the winding and the separator is as small as possible.
  • the separator it would be conceivable for the separator to have a trapezoidal section at its radially outer end, with a rectangular section adjoining it radially inwards on the short side. This allows the heat transfer from the winding to the separator to be further optimized, since the thermal conductivity of the casting compound, which usually fills the cavity between the winding and the separator, is generally poorer than the thermal conductivity of the separator.
  • the invention can also be further developed in such a way that the at least two cooling channels are separated from one another by a web that extends tangentially through the separating body in cross-section.
  • a web In the interior of the separating body, such a web can help to maintain dimensional stability under the influence of high external centrifugal forces.
  • the separating body can also absorb centrifugal forces from the surrounding components without being deformed to a critical extent.
  • the separating body is formed from aluminum.
  • the separating body is preferably made from aluminum by extrusion.
  • the material properties of aluminum make it possible to achieve good mechanical properties and good thermal conductivity within the separating body. Since aluminum is not ferromagnetic, the electromagnetic function of the machine is not impaired.
  • the separating body can be made from plastic by extrusion, although this usually means that lower thermal conductivity must be accepted.
  • the separating body has an electrically insulating coating on its outer surface, at least in sections.
  • the separating body can thereby be electrically insulated from current-carrying parts, in particular to avoid electrical contact between excitation coils or between excitation coil and vehicle and thus to meet the requirements of high-voltage safety.
  • the coating can be applied, for example, by painting, Overmolding or a glued-on layer can be used.
  • the aluminum separator can also be anodized, for example. In the case of high requirements, it can be overmolded with plastic, coated with an alternative material or covered with a film on the contact surfaces to the rotor coils. This ensures that no electrical short circuit is created between excitation coils or between an excitation coil and the vehicle.
  • the separating body protrudes axially from the slot closure element at least with one end face.
  • the separating body can also preferably be machined at its ends, e.g. deburred, and smooth sealing surfaces can be created at the ends by removing material, e.g. by milling or grinding or polishing on the inner or outer contour.
  • sealing surfaces can also be created from plastic. Seals can be joined or molded onto the sealing surfaces so that the interface between the separating body and the adjacent components for the introduction or discharge of the cooling medium can also be sealed against high pressure of the cooling medium.
  • the separating body is preferably connected to a slot closure element that radially closes the slot and supports the support body at a fixed speed.
  • the slot closure element is preferably made of a non-ferromagnetic and non-electrically conductive material, e.g. plastic, so that the electromagnetic behavior of the machine is not affected and no additional eddy current losses occur in this component.
  • the slot closure element can be manufactured using plastic injection molding or extrusion and joined to the separating body in a form-fitting or adhesive manner. Alternatively, the slot closure element can be molded directly onto the separating body. It can be integrally connected to a plastic overmolding of the separating body. Finally, the invention can also be advantageously designed such that the slot closure element and the separating body are integrally connected.
  • the advantageous effect of the design is that the integral connection allows the slot closure element and the separating body to be manufactured as a single component. This reduces the complexity of the rotor arrangement. A further advantage is that an integral connection provides a more stable component.
  • the slot closure element and the separating body are particularly preferably monolithic, for example made of aluminum or plastic.
  • At least one second thermal conducting element is arranged on the axially protruding end, which extends in a second circumferential direction between two adjacent grooves, whereby the cooling effect can be further improved.
  • imbalances in the rotor can also be reduced in this way.
  • the first thermal conducting element and/or the second thermal conducting element are/is designed in a plate-like manner, which has proven to be particularly advantageous in terms of the cooling effect and the weight introduced by the conducting elements.
  • Plate-like thermal conducting elements can thus provide a high heat dissipation effect from the winding head area of the rotor with a comparatively low weight.
  • the first thermal conducting element and/or the second thermal conducting element are/is shaped like a circular ring segment, which has proven to be particularly advantageous with regard to the reduction of imbalances in the rotor.
  • the first thermal conducting element and/or the second thermal conducting element extends over 75-100% of the slot height of a slot. This allows sufficiently good heat dissipation from the winding head area of the rotor.
  • the invention can also be further developed in such a way that the first thermal conducting element and the second thermal conducting element are formed essentially identically, which is particularly favorable in terms of manufacturing technology on the one hand and simplifies the modeling of the heat transfer on the other.
  • the first thermal conducting element and/or the second thermal conducting element each have an electrically insulating coating on their side facing the winding, at least in sections. This ensures that no electrical short circuit is created between excitation coils or between an excitation coil and the vehicle.
  • the coating can also be designed as an electrically insulating film that is applied to a conducting element.
  • the first thermal conducting element and/or the second thermal conducting element can be integrally connected to one another, resulting in increased structural strength and reduced manufacturing costs due to a smaller number of parts.
  • first thermal conducting element and/or the second thermal conducting element are connected to the axially projecting end of the separating body in a materially bonded and/or positively bonded and/or force-locked manner. This makes it possible to fix the conducting elements in relation to the separating body accordingly.
  • first thermal conducting element and/or the second thermal conducting element for example by means of a snap connection to couple to the separating body.
  • first thermal conducting element and/or the second thermal conducting element fix the first thermal conducting element and/or the second thermal conducting element to the separating body in a material-locking manner, for example by means of an adhesive connection.
  • first thermal conducting element and/or the second thermal conducting element can also be arranged in a force-fitting manner, for example by means of a press fit on the separating body.
  • the first thermal conducting element and/or the second thermal conducting element are formed in one piece, preferably monolithically, with the separating body.
  • the advantage of this embodiment is that this enables particularly good heat transfer and a particularly favorable shape of the conducting elements in terms of manufacturing technology. Casting and injection molding processes are then particularly suitable for this.
  • the first thermal conducting element and/or the second thermal conducting element can be held together with the separating body in a tool and fixed to one another in an injection molding process, so that the first thermal conducting element and/or the second thermal conducting element and the separating body are thermally connected to one another.
  • connection geometries for the introduction and discharge of a cooling medium can also preferably be integrated using an injection molding process.
  • the separating body and the conducting element do not necessarily have to be electrically insulated from one another.
  • the two parts are preferably joined so that they are thermally and/or mechanically and/or electrically connected to one another.
  • the resulting composite of separating body and conducting element can then preferably be overmolded and/or coated and/or covered with a film for electrical insulation.
  • the first thermal conducting element and the second thermal conducting element are preferably made of a non-ferromagnetic material so that the electromagnetic function of the rotor or the electrical machine is not disturbed.
  • the first thermal conducting element and the second thermal conducting element are preferably made at least partially of a material with good thermal conductivity in order to achieve a good thermal connection between the rotor windings and the cooling medium.
  • the first thermal conducting element and/or the second thermal conducting element are formed from aluminum and/or a plastic.
  • the material properties of aluminum make it possible to achieve good mechanical properties and good thermal conductivity within the first thermal conducting element and/or the second thermal conducting element. Since aluminum is not ferromagnetic, the electromagnetic function of the machine is not impaired.
  • the first thermal conducting element and/or the second thermal conducting element can be made from plastic, although this usually means that a lower thermal conductivity must be accepted.
  • first thermal conducting element and/or the second thermal conducting element each have at least one cooling channel which extends at least partially in the circumferential direction and through which a cooling medium can flow, and which can be fluidically coupled to a cooling channel of the separating body. This allows the cooling performance of the conducting elements to be further optimized.
  • the invention can also be advantageously designed such that a first group of separating bodies with a first front end protrudes axially from one of the grooves and a first thermal conducting element is arranged on this axially protruding first end, which extends in at least a first circumferential direction between two adjacent grooves and at least one second thermal conducting element is arranged on the axially protruding first end, which extends in a second circumferential direction between two adjacent grooves, and a second group of separating bodies with a second front end protrudes axially from one of the grooves and a first thermal conducting element is arranged on this axially protruding second end, which extends in at least a first circumferential direction between two adjacent grooves and at least one second thermal conducting element is arranged on the axially protruding second end, which extends in a second circumferential direction between two adjacent grooves, wherein separating bodies of the first group of separating bodies and the second group of separating bodies are arranged alternately in circumferential
  • Figure 1 is a detail view of a rotor with a first separating body in a cross-sectional view
  • Figure 2 is a perspective view of the exposed separators and windings.
  • Figure 1 shows a rotor arrangement 1 for a separately excited synchronous machine, comprising a rotor body 2, which forms several slots 3 in the axial direction for receiving a winding 4, as well as rotor poles 5, which are formed in the radial direction between two of the slots 3.
  • the rotor arrangement 1 also has windings 4, which run in the slots 3 and enclose the rotor poles 5.
  • the grooves 3 are closed in the radial direction by groove closure elements 6.
  • a separating body 7 is arranged in one of the slots 3.
  • the separating body 7 has two parallel, continuous cooling channels 8, each extending in the axial direction, through which a cooling medium can flow.
  • Energizable windings 4 are arranged in the slot 3, each of which encloses a rotor pole 5 formed between two slots 3.
  • the slot 3 is closed in the radial direction towards the outside by the slot closure element 6, which is arranged in the circumferential direction between two adjacent rotor poles 5.
  • the rotor poles 5 each form a stop in the radial direction facing one of the slots 3 in the circumferential direction. Two of the stops facing a slot 3 thus form a positive receptacle for the respective slot closure element 6.
  • the positive receptacle formed in this way secures the slot closure element 6 against centrifugal forces during operation.
  • the separating body 7 is arranged in the slot 3 adjacent to the slot closure element 6 in such a way that it is aligned centrally between two adjacent windings 4 essentially in the radial direction.
  • the separating body 7 has two side surfaces, which are each aligned in the circumferential direction with the windings 4 and are parallel to one another and to an imaginary plane aligned in the radial direction.
  • the separating body 7 is connected to the slot closure element 6. In the embodiment shown, this is a positive connection, but alternatively, force-fit or material-fit connections and combinations thereof are also possible.
  • circular cooling channels 8 are formed in the separating body 7 in cross-section, which are arranged at equal distances from the side surfaces in the circumferential direction and are evenly spaced in the radial direction. This enables uniform heat dissipation.
  • the cooling channels 8 run over the entire axial length of the separating body 7 and are flowed through by a cooling liquid during operation.
  • the cooling channels are parallel to a rotation axis (not shown) of the rotor body 2 aligned.
  • a cavity 9 is formed in the slot 3, which is filled with a casting compound 10.
  • the casting compound 10 allows a better thermal connection between the winding 4 and the separating body 7.
  • the separating body 7 is formed from aluminum and has an electrically insulating coating 15 on its outer surface, at least in sections.
  • the slot closure element 6 and the separating body 7 are integrally connected.
  • the separating body 7 protrudes axially from the slot closure element 6 at least with one front end 16.
  • the separating body 7 can be machined at its front end 16, in particular to produce smooth and particularly dimensionally accurate sealing surfaces 17 by removing material, e.g. by milling, grinding or polishing on the inner or outer contour.
  • the sealing surfaces 17 can also be produced from plastic. Seals can also be joined or molded onto the sealing surfaces 17 so that the interface between the separating body 7 and the adjacent components for the introduction or discharge of the cooling medium can also be sealed against high pressure of the cooling medium.
  • the windings 4 are thermally well connected to a fluid-cooled separating body 7 in the area of their axial extension.
  • the windings 4 in the winding head area i.e. in the area of the circumferential extension of the windings 4, are initially thermally less well connected.
  • higher temperatures could arise there during operation than in the area of their axial extension and the rotor excitation power must be limited accordingly, which has a negative effect on the efficiency and power density of the machine.
  • the separating body 7 projects axially out of the groove 3 with a first front end 16.
  • a first thermal conducting element 18 is arranged on this axially projecting end 16, which extends in a first circumferential direction (anticlockwise) between two adjacent slots 3.
  • a second thermal conducting element 19 is also arranged on the axially protruding end 16, which extends in a second circumferential direction (clockwise) between two adjacent slots 3.
  • the thermal conducting elements 18, 19 are thus joined to each separating body 7, which are positioned close to the winding heads and improve the thermal connection of the winding heads to the separating body 7. This reduces the maximum temperature in the windings 4 or, alternatively, the rotor excitation power can be increased, whereby the efficiency and power density of the machine can be improved.
  • the conducting elements 18, 19 of a separating body 7 are joined near an axial end 16, 26 of the separating body 7. This ensures that the separating bodies 7 can be joined axially in the slot 3 between two rotor coils each, despite the circumferential overhang.
  • tolerances in the winding head height which result in particular from the tolerance of the coil wire thickness, can be compensated for by the axial positioning of the separating body 7 in the slot 3 between two rotor coils.
  • the first thermal conducting element 18 and the second thermal conducting element 19 are essentially identical in plate form and each have a circular ring segment-like contour.
  • the first thermal conducting element 18 and the second thermal conducting element 19 extend over 75-100% of the slot height 20 of a slot 3.
  • the first thermal conducting element 18 and the second thermal conducting element 19 can be arranged in a materially bonded and/or positively bonded and/or non-positively bonded manner to the axially projecting end 16 of the separating body 7.
  • the first thermal conducting element 18 and the second thermal conducting element 19 each have an electrically insulating coating 21 on their side facing the winding 4, at least in sections.
  • Figure 2 also shows that a first group of separating bodies 7a with a first front end 16 protrudes axially from one of the grooves 3 and a first thermal conducting element 18a is arranged on this axially protruding first end 16, which extends in at least a first circumferential direction between two adjacent grooves 3 and is arranged on the axially protruding first At least one second thermal conducting element 19a is arranged at the end 16, which extends in a second circumferential direction between two adjacent grooves 3.
  • a second group of separating bodies 7b protrudes axially from one of the grooves 3 with a second front end 26.
  • a first thermal conducting element 18b is arranged at this axially protruding second end 26, which extends in at least a first circumferential direction between two adjacent grooves 3.
  • a second thermal conducting element 19b is also arranged at the axially protruding second end 26, which extends in a second circumferential direction between two adjacent grooves 3.
  • the separating bodies 7a, 7b of the first group of separating bodies 7a and the second group of separating bodies 7b are arranged alternately in circumferentially adjacent grooves 3. This enables the use of only one separating body 7 with the corresponding guide elements 18, 19 in order to cool all winding heads of the winding 4 circumferentially.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Rotoranordnung (1 ), insbesondere für eine fremderregte Synchronmaschine, umfassend einen Rotorkörper (2), welcher mehrere Nuten (3) in axialer Richtung zur Aufnahme einer Wicklung (4) ausbildet, Rotorpole (5), welche in radialer Richtung zwischen jeweils zwei der Nuten (3) ausgebildet sind, Wicklungen (4), welche in den Nuten (3) verlaufen und die Rotorpole (5) umschließen, Nutverschlusselemente (6), welche die Nuten (3) in radialer Richtung verschließen, mindestens einen Trennkörper (7), welcher in einer der Nuten (3) in Umfangsrichtung zwischen zwei der Wicklungen (4) angeordnet ist, wobei der Trennkörper (7) wenigstens einen sich in axialer Richtung erstreckenden, durchgängigen Kühlkanal (8) umfasst, der von einem Kühlmedium durchströmbar ist, wobei der Trennkörper (7) zumindest mit einem ersten stirnseitigen Ende (16) axial aus der Nut (3) herausragt und an diesem axial herausragenden Ende (16) wenigstens ein erstes thermisches Leitelement (18) angeordnet ist, dass sich in wenigstens einer ersten Umfangsrichtung zwischen zwei benachbarten Nuten (3) erstreckt

Description

Rotoranordnunq
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Rotoranordnung, insbesondere für eine fremderregte Synchronmaschine, umfassend einen Rotorkörper, welcher mehrere Nuten in axialer Richtung zur Aufnahme einer Wicklung ausbildet, Rotorpole, welche in radialer Richtung zwischen jeweils zwei der Nuten ausgebildet sind, Wicklungen, welche in den Nuten verlaufen und die Rotorpole umschließen, Nutverschlusselemente, welche die Nuten in radialer Richtung verschließen, mindestens einen Trennkörper, welcher in einer der Nuten in Umfangsrichtung zwischen zwei der Wicklungen angeordnet ist, wobei der Trennkörper wenigstens einen sich in axialer Richtung erstreckenden, durchgängigen Kühlkanal umfasst, der von einem Kühlmedium durchströmbar ist.
Bei Kraftfahrzeugen werden für den Antrieb verstärkt elektrische Maschinen eingesetzt, um Alternativen zu Verbrennungsmotoren zu schaffen, die fossile Brennstoffe benötigen. Um die Alltagstauglichkeit der Elektroantriebe zu verbessern und zudem den Benutzern den gewohnten Fahrkomfort bieten zu können, sind bereits erhebliche Anstrengungen unternommen worden.
Bei der Entwicklung der insbesondere für E-Achsen oder Hybridmodule vorgesehenen elektrischen Maschinen besteht ein anhaltendes Bedürfnis daran, deren Leistungsdichten und Effizienz zu steigern und gleichzeitig die Herstellungskosten zu senken. In diesem Zusammenhang ist es auch bekannt, die elektrischen Maschinen als fremderregte Synchronmaschine (FSM) auszuführen. Bei einer fremderregten Synchronmaschine handelt es sich um eine spezielle Form der Synchronmaschine, bei welcher das magnetische Feld im Rotor nicht durch Permanentmagnete, sondern durch bestrombare Spulen erzeugt wird. Die Spulen werden häufig auch als Feld- oder Erregerspulen bezeichnet. Zur Bestromung der Spulen im drehenden Rotor muss die Stromzufuhr über geeignete Übertragereinrichtungen erfolgen. Zwischen je zwei Erregerwicklungen eines Rotors können auf Grund des Herstellungsverfahrens Spalte entstehen. In diese Spalte werden insbesondere Stütz- oder Trennkörper gefügt, die die Spalte ganz oder zu großen Teilen ausfüllen. Besonders für Anwendungen mit hoher Drehzahl sichern die Trennkörper die Wicklungen der Erregerspulen im Fliehkraftfeld gegen unbeabsichtigte Bewegung. Die EP 1 494 335 B1 offenbart entsprechende Trennkörper zwischen benachbarten Erregerspulen.
Insbesondere hinsichtlich gesteigerter Leistungsdichten und Effizienz ergibt sich die Notwendigkeit, den Rotor insbesondere auch bei fremderregten
Synchronmaschinen im Betrieb zu kühlen und thermische Energie abzuführen. Aus dem Stand der Technik sind bspw. luftgekühlte Rotoren oder fluidgekühlte Hohlwellen bekannt. Die DE102018220810A1 offenbart einen fluidgekühlten Rotor für eine elektrische Maschine sowie eine fremderregte Synchronmaschine mit direkt oder verlustnah gekühlter Rotorwicklung. Eine fluidgekühlte Hohlwelle mit konischer Wandung ist in der EP3618241A1 offenbart.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nunmehr eine geeignete Vorrichtung für die Abfuhr thermischer Energie aus einem Rotor für eine fremderregte Synchronmaschine bereitzustellen, welche einen kompakten Aufbau und eine hohe Betriebssicherheit aufweist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Rotoranordnung, insbesondere für eine fremderregte Synchronmaschine, umfassend einen Rotorkörper, welcher mehrere Nuten in axialer Richtung zur Aufnahme einer Wicklung ausbildet, Rotorpole, welche in radialer Richtung zwischen jeweils zwei der Nuten ausgebildet sind, Wicklungen, welche in den Nuten verlaufen und die Rotorpole umschließen, Nutverschlusselemente, welche die Nuten in radialer Richtung verschließen, mindestens einen Trennkörper, welcher in einer der Nuten in Umfangsrichtung zwischen zwei der Wicklungen angeordnet ist, wobei der Trennkörper wenigstens einen sich in axialer Richtung erstreckenden, durchgängigen Kühlkanal umfasst, der von einem Kühlmedium durchströmbar ist, wobei der Trennkörper zumindest mit einem ersten stirnseitigen Ende axial aus der Nut herausragt und an diesem axial herausragenden Ende wenigstens ein erstes thermisches Leitelement angeordnet ist, dass sich in wenigstens einer ersten Umfangsrichtung zwischen zwei benachbarten Nuten erstreckt.
Die vorteilhafte Wirkung des Aspekts liegt darin, dass Verlustleistung in Form von Wärme aufgrund der Kühlkanäle im Trennkörper und dem thermischen Leitelement möglichst nahe an ihrem Entstehungsort abgeführt werden kann. Weiter wird durch die Integration des Kühlkanals in den Trennkörper und des thermischen Leitelements nur ein äußerst geringer Eingriff in die elektromagnetische Auslegung des Rotors vollzogen, im Gegensatz zu einer Kühlung zwischen den Nuten im Rotorkörper selbst.
Hierdurch lässt sich insbesondere die Drehzahlfestigkeit sowie das thermische Verhalten, die Effizienz und die bereitstellbare Drehmomentdichte gegenüber dem Stand der Technik verbessern.
Der Trennkörper stellt somit im Wesentlichen zwei Funktionen bereit. Zum einen kann der Trennkörper dazu beitragen, die Wicklungen auch unter Fliehkrafteinfluss in den Nuten zu fixieren und zum anderen durch den Kühlkanal eine fluidbasierte Kühlung innerhalb der Nuten bereitzustellen. Somit werden die Rotorwicklungen über diesen Trennkörper drehzahlfest abgestützt und zugleich gekühlt. Ferner ist das thermische Leitelement thermisch an den fluidgekühlten Trennkörper angebunden, so dass auch das Leitelement entsprechend über die Fluidkühlung des Trennkörpers entwärmt werden kann.
Der thermische Trennkörper kann die Wicklung direkt kontaktieren und/oder unter Zwischenschaltung eines Wärmeleitmediums thermisch an die Wicklung gekoppelt sein.
Der Trennkörper ist bevorzugt aus einem nicht ferromagnetischen Material hergestellt, damit die elektromagnetische Funktion des Rotors bzw. der elektrischen Maschine nicht gestört wird. Der Trennkörper ist vorzugsweise zumindest teilweise aus einem Material mit guter thermischer Leitfähigkeit gefertigt, um eine gute thermische Anbindung zwischen den Rotorwicklungen und dem Kühlmedium zu realisieren. Hierbei kann der Trennkörper dann beispielsweise mittels eines Aluminium-Strangpressverfahren, über Kunststoff-Extrusion oder über einen Kunststoffspritzgussprozess hergestellt sein. Hiermit lassen sich eine im inneren hohle aber außen geschlossene Formen realisieren, die ein Kühlmedium führen können und die auch bei hohem Druck dicht sind.
Gemäß einer Ausgestaltung weist der Kühlkanal in axialer Richtung einen konstanten Querschnitt auf. Weiter weist der Kühlkanal in axialer Richtung einen im Wesentlichen konstanten radialen Abstand zu einer Rotationsachse auf.
Die vorteilhafte Wirkung der Ausgestaltung liegt darin, dass durch die Ausgestaltung des Kühlkanals eine drehzahl- und drehrichtungsabhängige Pumpwirkung durch den Kühlkanal vermieden wird, da der Einlass als auch der Auslass des Kühlkanals im Trennkörper gleich beabstandet zur Rotationsachse sind.
Gemäß einer Ausgestaltung umfasst die Rotoranordnung eine Rotorwelle, welche als Hohlwelle ausgebildet ist, und eine Öffnung in radialer Richtung zur Führung des Kühlmediums aufweist. Die Öffnung ist mit dem Kühlkanal zur Führung des Kühlmediums verbunden. Vorteilhafterweise ist die Öffnung mit dem Kühlkanal über ein weiteres Bauteil, welches zusammen mit der Öffnung und dem Kühlkanal ein Kanalsystem ausbildet. Somit ist der Kühlkanal über das Kanalsystem an ein Kühlsystem angeschlossen. Besonders vorteilhaft ist der Kühlkanal an beiden Seiten über ein jeweiliges weiteres Bauteil an das Kühlsystem angeschlossen, so dass ein geschlossener Kühlreislauf gebildet ist.
Gemäß einer Ausgestaltung ist ein Hohlraum in der Nut ausgebildet, welcher von einer der Wicklungen und dem Trennkörper begrenzt ist, wobei der Hohlraum ein Vergussmaterial aufweist. Die vorteilhafte Wirkung der Ausgestaltung liegt darin, dass durch das Vergussmaterial in dem Hohlraum die thermische Anbindung der Wicklungen an den Trennkörper verbessert wird. Der Hohlraum ergibt sich fertigungsbedingt aus Bauteiltoleranzen von Wicklungen und Trennkörper.
Gemäß einer Ausgestaltung ist das Kühlmedium eine Kühlflüssigkeit. Die vorteilhafte Wirkung der Ausgestaltung liegt darin, dass Kühlflüssigkeiten im Vergleich zu Gasen eine höhere Wärmekapazität und eine höhere thermische Leitfähigkeit haben und somit eine bessere Entwärmung bzw. Abfuhr der Verlustleistung ermöglichen. Insbesondere beinhaltet die Kühlflüssigkeit Öl und/oder Wasser.
Gemäß einer Ausgestaltung ist der Rotorkörper als geblechtes Paket ausgeführt. Die vorteilhafte Wirkung der Ausgestaltung liegt darin, dass somit Wirbelstromverluste im Rotorkörper minimiert sind.
Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass der Trennkörper mehrere Kühlkanäle umfasst, welche radial und/oder in Umfangsrichtung voneinander beabstandet sind. Die vorteilhafte Wirkung der Ausgestaltung liegt darin, dass derart eine bessere Entwärmung bzw. Abfuhr der Verlustleistung erfolgt. Ein weiterer Vorteil liegt darin begründet, dass durch mehrere beabstandete Kühlkanäle eine gleichmäßigere Entwärmung bzw. Abfuhr der Verlustleistung erfolgt.
Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass wenigstens zwei der Kühlkanäle eine im Wesentlichen geometrisch identische Querschnittskontur aufweisen. Derartige Querschnittsformen haben sich als besonders vorteilhaft hinsichtlich der notwendigen Formstabilität des Trennkörpers unter Zentrifugalkrafteinfluss als auch für die Bereitstellung einer hohen Wärmetransferleistung erwiesen.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass wenigstens zwei der Kühlkanäle eine rechteckförmige Grundkontur aufweisen, wobei die jeweiligen Längsseiten der Kühlkanäle in radialer Erstreckung orientiert sind, was sich ebenfalls als besonders günstig hinsichtlich der Optimierung von Formstabilität und Wärmetransferleistung des Trennkörpers erwiesen hat. Grundsätzlich wäre es aber auch möglich, dass die Kühlkanäle eine von der Rechteckform abweichende Kontur aufweisen, beispielsweise trapezförmig.
Auch die äußere Querschnittskontur des Trennkörpers kann eine von der Rechteckform abweichende Kontur besitzen. Bevorzugt ist die Querschnittskontur des Trennkörpers so ausgeformt, dass ein möglichst geringer Abstand zwischen der Wicklung und dem Trennkörper ausgebildet ist. So wäre es beispielsweise denkbar, dass der Trennkörper an seinem radial äußeren Ende einen trapezartigen Abschnitt aufweist, an dessen kurzer Seite sich ein rechteckförmiger Abschnitt nach radial innen anschließt. Hierdurch kann der Wärmeübergang von der Wicklung auf den Trennkörper weiter optimiert werden, da in der Regel die Wärmeleitfähigkeit der Vergussmasse, die üblicherweise den Hohlraum zwischen der Wicklung und dem Trennkörper ausfüllt, schlechter ist als die Wärmeleitfähigkeit des Trennkörpers.
Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass die wenigstens zwei Kühlkanäle durch einen sich im Querschnitt tangential durch den Trennkörper erstreckenden Steg voneinander getrennt sind. Im Inneren des Trennkörpers kann ein derartiger Steg dazu beitragen, die Formstabilität unter Einwirkung hoher äußerer Zentrifugalkräfte erhalten. So kann der Trennkörper insbesondere auch Zentrifugalkräfte der umliegenden Komponenten aufnehmen, ohne in einem kritischen Maß verformt zu werden.
In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass der Trennkörper aus einem Aluminium geformt ist. Der Trennkörper wird vorzugsweise über Strangpressen aus Aluminium hergestellt. Die Matenaleigenschaften von Aluminium ermöglichen es, gute mechanische Eigenschaften sowie eine gute thermische Leitfähigkeit innerhalb des Trennkörpers zu erreichen. Da Aluminium nicht ferromagnetisch ist, wird die elektromagnetische Funktion der Maschine nicht beeinträchtigt. Alternativ kann der Trennkörper per Extrusion aus Kunststoff hergestellt werden, wobei allerdings in der Regel dann eine geringere thermische Leitfähigkeit in Kauf genommen werden muss.
Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass der Trennkörper an seiner äußeren Mantelfläche zumindest abschnittsweise eine elektrisch isolierende Beschichtung aufweist. Der Trennkörper kann hierdurch gegenüber stromführenden Teilen elektrisch isoliert werden, um insbesondere eine elektrische Kontaktierung zwischen Erregerspulen oder zwischen Erregerspule und Fahrzeug zu vermeiden und somit die Anforderungen der Hochspannungssicherheit zu erfüllen. Die Beschichtung kann beispielsweise durch eine Lackierung, eine Umspritzung oder eine aufgeklebte Schicht realisiert sein. Für eine elektrische Isolation mit eingeschränkten Anforderungen kann der Aluminium-Trennkörper beispielsweise auch eloxiert werden. Im Fall hoher Anforderungen kann er mit Kunststoff umspritzt, mit einem alternativen Material beschichtet oder mit einer Folie an den Kontaktflächen zu den Rotorspulen hin verkleidet werden. So kann sichergestellt werden, dass kein elektrischer Kurzschluss zwischen Erregerspulen oder zwischen einer Erregerspule und dem Fahrzeug hergestellt wird.
Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann vorgesehen sein, dass der Trennkörper zumindest mit einem stirnseitigen Ende aus dem Nutverschlusselement axial herausragt. Hierdurch kann ein vereinfachter Anschluss der Trennkörper an einen fluidischen Kühlkreislauf realisiert werden. Der Trennkörper kann an seinen Enden des Weiteren bevorzugt maschinell nachbearbeitet werden z.B. entgratet und es können an den Enden glatte Dichtflächen durch Abtrag von Material z.B. durch Fräsen oder Schleifen oder Polieren an der Innen- oder Außenkontur erzeugt werden. Im Fall einer Kunststoffumspritzung können Dichtflächen auch aus Kunststoff erzeugt werden. An den Dichtflächen können Dichtungen gefügt oder angespritzt werden, sodass die Schnittstelle zwischen Trennkörper und den angrenzenden Komponenten zur Ein- bzw. Ausführung des Kühlmediums auch gegenüber hohem Druck des Kühlmediums abgedichtet werden kann.
Der Trennkörper ist bevorzugt mit einem Nutverschlusselement verbunden, das die Nut radial verschließt und den Stützkörper drehzahlfest abstützt. Das Nutverschlusselement ist vorzugsweise aus einem nicht ferromagnetischen und nicht elektrisch leitfähigen Material z.B. Kunststoff gefertigt, sodass das elektromagnetische Verhalten der Maschine nicht beeinträchtigt wird und keine zusätzlichen Wirbelstromverluste in dieser Komponente entstehen. Das Nutverschlusselement kann über Kunststoffspritzguss oder über Extrusion gefertigt werden und mit dem Trennkörper formschlüssig oder verklebend gefügt werden. Alternativ kann das Nutverschlusselement direkt auf den Trennkörper aufgespritzt werden. Dabei kann es integral mit einer Kunststoffumspritzung des Trennkörpers verbunden sein. Schließlich kann die Erfindung auch in vorteilhafter Weise dahingehend ausgeführt sein, dass das Nutverschlusselement und der Trennkörper integral verbunden sind. Die vorteilhafte Wirkung der Ausgestaltung liegt darin, dass durch die integrale Verbindung das Nutverschlusselement und der Trennkörper als ein einziges Bauteil herstellbar sind. Somit wird die Komplexität der Rotoranordnung reduziert. Ein weiterer Vorteil liegt darin begründet, dass durch eine integrale Verbindung ein stabileres Bauteil bereitgestellt ist. Besonders bevorzugt ist das Nutverschlusselement und der Trennkörper monolithisch ausgebildet, beispielsweise aus Aluminium oder Kunststoff.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass an dem axial herausragenden Ende wenigstens ein zweites thermisches Leitelement angeordnet ist, dass sich in einer zweiten Umfangsrichtung zwischen zwei benachbarten Nuten erstreckt, wodurch die Kühlwirkung weiter verbessert werden kann. Insbesondere ist es so möglich, eine symmetrische Kühlung beidseits einer Nut zu realisieren. Ferner lassen sich so auch Unwuchten im Rotor reduzieren.
Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass das erste thermische Leitelement und/oder das zweite thermische Leitelement plattenartig ausgebildet sind/ist, was sich hinsichtlich der Kühlwirkung und dem durch die Leitelemente eingebrachten Gewicht als besonders vorteilhaft erwiesen hat. So können plattenartige thermische Leitelemente bei vergleichsweise geringem Gewicht eine hohe Wärmeabfuhrwirkung aus dem Wickelkopfbereich des Rotors bereitstellen.
Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass das erste thermische Leitelement und/oder das zweite thermische Leitelement kreisringsegmentartig ausgeformt sind/ist, was sich hinsichtlich der Reduzierung von Unwuchten im Rotor als besonders vorteilhaft erwiesen hat.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass das erste thermische Leitelement und/oder das zweite thermische Leitelement sich über 75-100% der Nuthöhe einer Nut erstrecken. Hierdurch lässt sich insbesondere eine hinreichend gute Wärmeabfuhr aus dem Wickelkopfbereich des Rotors erreichen.
Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass das erste thermische Leitelement und das zweite thermische Leitelement im Wesentlichen identisch ausgeformt sind, was zum einen fertigungstechnisch besonders günstig ist und zum anderen die Modellierung des Wärmeübergangs vereinfacht.
In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass das erste thermische Leitelement und/oder das zweite thermische Leitelement jeweils an seiner der Wicklung zugewandten Seite zumindest abschnittsweise eine elektrisch isolierende Beschichtung aufweist. So kann sichergestellt werden, dass kein elektrischer Kurzschluss zwischen Erregerspulen oder zwischen einer Erregerspule und dem Fahrzeug hergestellt wird. Die Beschichtung kann auch als eine elektrisch isolierende Folie ausgeführt sein, die auf ein Leitelement aufgebracht ist.
Das erste thermische Leitelement und/oder das zweite thermische Leitelement können integral miteinander verbunden sein, sodass sich eine erhöhte Festigkeit des Aufbaus sowie reduzierte Fertigungskosten auf Grund einer geringeren Teileanzahl ergeben.
Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass das erste thermische Leitelement und/oder das zweite thermische Leitelement stoffschlüssig und/oder formschlüssig und/oder kraftschlüssig mit dem axial herausragenden Ende des Trennkörpers verbunden sind/ist. Hierdurch kann eine entsprechende Festlegung der Leitelemente gegenüber dem Trennkörper erzielt werden.
So wäre es beispielsweise denkbar das erste thermische Leitelement und/oder das zweite thermische Leitelement formschlüssig, beispielsweise mittels einer Schnapp- Verbindung, mit dem Trennkörper zu koppeln. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass das erste thermische Leitelement und/oder das zweite thermische Leitelement dann wahlweise vor oder nach dem Einsetzen des Trennkörpers in eine Nut erfolgen kann, was eine höhere Flexibilität hinsichtlich eines vereinfachten Montageprozesses bereitstellen kann.
Auch ist es möglich, dass das erste thermische Leitelement und/oder das zweite thermische Leitelement stoffschlüssig, beispielsweise mittels einer Klebverbindung, an dem Trennkörper zu fixieren.
Des Weiteren kann das erste thermische Leitelement und/oder das zweite thermische Leitelement auch kraftschlüssig, beispielsweise mittels einer Presspassung an dem Trennkörper angeordnet werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass das erste thermische Leitelement und/oder das zweite thermische Leitelement einstückig, bevorzugt monolithisch, mit dem Trennkörper ausgebildet sind. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass sich hierdurch zum einen ein besonders guter Wärmeübergang sowie eine fertigungstechnisch besonders günstige Ausformung der Leitelemente bereitstellen lässt. Hierzu sind dann Guss- und Spritzgussverfahren besonders geeignet. In einer Ausführung können das erste thermische Leitelement und/oder das zweite thermische Leitelement zusammen mit dem Trennkörper in einem Werkzeug gehalten und in einem Spritzgussvorgang zueinander fixiert werden, so dass das erste thermische Leitelement und/oder das zweite thermische Leitelement sowie der Trennkörper thermisch miteinander verbunden. Zudem können weiter bevorzugt auch Anschlussgeometrien zur Ein- und Ausführung eines Kühlmediums durch einen Spritzgussprozess integriert werden. Der Trennkörper und das Leitelement müssen hierbei zueinander nicht zwingen elektrisch zueinander isoliert sein. Bevorzugt werden die beiden Teile gefügt, sodass sie thermisch und/oder mechanisch und/oder elektrisch miteinander verbunden sind. Der so ausgebildete Verbund aus Trennkörper und Leitelement kann dann zur elektrischen Isolation vorzugsweise umspritzt und/oder beschichtet und/oder mit einer Folie beklebt werden. Das erste thermische Leitelement und das zweite thermische Leitelement sind bevorzugt aus einem nicht ferromagnetischen Material hergestellt, damit die elektromagnetische Funktion des Rotors bzw. der elektrischen Maschine nicht gestört wird. Das erste thermische Leitelement und das zweite thermische Leitelement ist vorzugsweise zumindest teilweise aus einem Material mit guter thermischer Leitfähigkeit gefertigt, um eine gute thermische Anbindung zwischen den Rotorwicklungen und dem Kühlmedium zu realisieren.
Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann vorgesehen sein, dass das erste thermische Leitelement und/oder das zweite thermische Leitelement aus Aluminium und/oder einem Kunststoff geformt sind/ist. Die Materialeigenschaften von Aluminium ermöglichen es, gute mechanische Eigenschaften sowie eine gute thermische Leitfähigkeit innerhalb des ersten thermischen Leitelements und/oder des zweiten thermischen Leitelements zu erreichen. Da Aluminium nicht ferromagnetisch ist, wird die elektromagnetische Funktion der Maschine nicht beeinträchtigt. Alternativ kann das erste thermische Leitelement und/oder das zweite thermische Leitelement aus Kunststoff hergestellt werden, wobei allerdings in der Regel dann eine geringere thermische Leitfähigkeit in Kauf genommen werden muss.
Auch wäre es möglich, dass das erste thermische Leitelement und/oder das zweite thermische Leitelement jeweils wenigstens einen sich zumindest abschnittsweise in Umfangsrichtung erstreckenden, von einem Kühlmedium durchström baren Kühlkanal aufweisen/aufweist, welcher fluidisch mit einem Kühlkanal des Trennkörpers koppelbar ist. Hierdurch kann die Kühlleistung der Leitelemente weiter optimiert werden.
Schließlich kann die Erfindung auch in vorteilhafter Weise dahingehend ausgeführt sein, dass eine erste Gruppe von Trennkörpern mit einem ersten stirnseitigen Ende axial aus einer der Nuten herausragt und an diesem axial herausragenden ersten Ende ein erstes thermisches Leitelement angeordnet ist, dass sich in wenigstens einer ersten Umfangsrichtung zwischen zwei benachbarten Nuten erstreckt und an dem axial herausragenden ersten Ende wenigstens ein zweites thermisches Leitelement angeordnet ist, dass sich in einer zweiten Umfangsrichtung zwischen zwei benachbarten Nuten erstreckt, und eine zweite Gruppe von Trennkörpern mit einem zweiten stirnseitigen Ende axial aus einer der Nuten herausragt und an diesem axial herausragenden zweiten Ende ein erstes thermisches Leitelement angeordnet ist, dass sich in wenigstens einer ersten Umfangsrichtung zwischen zwei benachbarten Nuten erstreckt und an dem axial herausragenden zweiten Ende wenigstens ein zweites thermisches Leitelement angeordnet ist, dass sich in einer zweiten Umfangsrichtung zwischen zwei benachbarten Nuten erstreckt, wobei Trennkörper der ersten Gruppe von Trennkörpern und der zweiten Gruppe von Trennkörpern abwechselnd in in Umfangsrichtung benachbarten Nuten angeordnet sind. Der Vorteil, der sich hierdurch ergibt, ist insbesondere, dass mit einer Kombination aus Trennkörper und Leitelemente eine umfänglich vollständige und somit besonders gute Wärmeabfuhr aus dem Wickelkopfbereich des Rotors erzielen lässt. Durch den hohen Grad der Gleichteiligkeit dieser Ausführung ist der Rotor hierdurch auch besonders kostengünstig herstellbar.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
Es zeigt:
Figur 1 eine Ausschnittsdarstellung eines Rotors mit einem ersten Trennkörper in einer Querschnittsansicht,
Figur 2 eine perspektivische Ansicht der freigestellten Trennkörper und Wicklungen.
Die Figur 1 zeigt eine Rotoranordnung 1 für eine fremderregte Synchronmaschine, umfassend einen Rotorkörper 2, welcher mehrere Nuten 3 in axialer Richtung zur Aufnahme einer Wicklung 4 ausbildet, sowie Rotorpole 5, welche in radialer Richtung zwischen jeweils zwei der Nuten 3 ausgebildet sind. Die Rotoranordnung 1 besitzt ferner Wicklungen 4, welche in den Nuten 3 verlaufen und die Rotorpole 5 umschließen.
Die Nuten 3 sind in radialer Richtung durch Nutverschlusselemente 6 verschlossen. In Umfangsrichtung zwischen zwei der Wicklungen 4 ist jeweils einen Trennkörper 7 in einer der Nuten 3 angeordnet. Der Trennkörper 7 weist zwei parallel verlaufende, sich jeweils in axialer Richtung erstreckende, durchgängige Kühlkanäle 8 auf, die von einem Kühlmedium durchströmbar sind.
Besonders gut ersichtlich ist in der Figur 1 die Nut 3, welche sich in axialer Richtung durch den Rotorkörper 2 erstreckt. In der Nut 3 sind bestrombare Wicklungen 4 angeordnet, welche jeweils einen zwischen zwei Nuten 3 ausgebildeten Rotorpol 5 umschließen. Die Nut 3 ist in radialer Richtung nach außen hin durch das Nutverschlusselement 6 verschlossen, welches in Umfangsrichtung zwischen zwei benachbarten Rotorpolen 5 angeordnet ist. Die Rotorpole 5 bilden in radialer Richtung je einen in Umfangsrichtung einer der Nuten 3 zugewandten Anschlag aus. Je zwei der einer Nut 3 zugewandten Anschläge bilden somit eine formschlüssige Aufnahme für das jeweilige Nutverschlusselement 6 aus. Die so ausgebildete formschlüssige Aufnahme sichert das Nutverschlusselement 6 gegen Fliehkräfte im Betrieb. In radialer Richtung nach Innen ist anschließend an das Nutverschlusselements 6 der Trennkörper 7 derart in der Nut 3 angeordnet, dass dieser mittig zwischen zwei benachbarten Wicklungen 4 im Wesentlichen in radialer Richtung ausgerichtet ist.
Der Trennkörper 7 weist dabei zwei Seitenflächen auf, welche in Umfangsrichtung jeweils zu den Wicklungen 4 ausgerichtet sind und parallel zueinander sowie zu einer gedachten in radialer Richtung ausgerichteten Ebene sind. Der Trennkörper 7 ist dabei mit dem Nutverschlusselement 6 verbunden. In der dargestellten Ausführungsform handelt es sich um eine formschlüssige Verbindung, jedoch sind alternative auch kraft- oder stoffschlüssige Verbindungen sowie Kombinationen daraus möglich. In axialer Richtung bilden sich in dem Trennkörper 7 im Querschnitt kreisrunde Kühlkanäle 8 aus, die in Umfangsrichtung gleich beabstandet zu den Seitenflächen angeordnet sind und in radialer Richtung gleichmäßig beabstandet sind. Somit lässt sich eine gleichmäßige Entwärmung realisieren.
Die Kühlkanäle 8 verlaufen über die komplette axiale Länge des Trennkörpers 7 und werden im Betrieb von einer Kühlflüssigkeit durchströmt. Die Kühlkanäle sind dabei parallel zu einer nicht dargestellten Rotationsachse des Rotorkörpers 2 ausgerichtet. In Umfangsrichtung jeweils zwischen einer der Wicklungen 4 und dem Trennkörper 7 ist in der Nut 3 ein Hohlraum 9 ausgebildet, welcher mit einer Vergussmasse 10 gefüllt ist. Die Vergussmasse 10 erlaubt eine bessere thermische Anbindung von Wicklung 4 und Trennkörper 7.
Der Trennkörper 7 ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus einem Aluminium geformt und verfügt an seiner äußeren Mantelfläche zumindest abschnittsweise über eine elektrisch isolierende Beschichtung 15. Das Nutverschlusselement 6 und der Trennkörper 7 sind integral verbunden.
Wie aus der Figur 2 ersichtlich, ragt der Trennkörper 7 zumindest mit einem stirnseitigen Ende 16 aus dem Nutverschlusselement 6 axial heraus. Der Trennkörper 7 kann an seinem stirnseitigen Ende 16 maschinell nachbearbeitet werden, insbesondere um glatte und besonders maßhaltige Dichtflächen 17 durch Abtrag von Material z.B. durch Fräsen, Schleifen oder Polieren an der Innen- oder Außenkontur zu erzeugen. Im Fall einer Kunststoffumspritzung können die Dichtflächen 17 auch aus Kunststoff erzeugt werden. An den Dichtflächen 17 können auch Dichtungen gefügt oder angespritzt werden, sodass die Schnittstelle zwischen Trennkörper 7 und den angrenzenden Komponenten zur Ein- bzw. Ausführung des Kühlmediums auch gegenüber hohem Druck des Kühlmediums abgedichtet werden kann.
Die Wicklungen 4 sind hierdurch im Bereich ihrer axialen Erstreckung thermisch gut an jeweils einen fluidgekühlten Trennkörper 7 angebunden. Im Vergleich dazu sind die Wicklungen 4 im Wickelkopfbereich, also im Bereich der umfänglichen Erstreckung der Wicklungen 4, thermisch zunächst schlechter angebunden. Daher könnten sich im Betrieb dort höhere Temperaturen als im Bereich ihrer axialen Erstreckung ergeben und die Rotorerregerleistung muss entsprechend begrenzt werden, was sich negativ auf die Effizienz und Leistungsdichte der Maschine auswirkt.
Wie bereits erläutert, ragt der Trennkörper 7 mit einem ersten stirnseitigen Ende 16 axial aus der Nut 3 heraus. An diesem axial herausragenden Ende 16 ist ein erstes thermisches Leitelement 18 angeordnet, dass sich in einer ersten Umfangsrichtung (entgegen dem Uhrzeigersinn) zwischen zwei benachbarten Nuten 3 erstreckt. An dem axial herausragenden Ende 16 ist ferner ein zweites thermisches Leitelement 19 angeordnet, dass sich in einer zweiten Umfangsrichtung (im Uhrzeigersinn) zwischen zwei benachbarten Nuten 3 erstreckt. An je einen Trennkörper 7 sind also die thermischen Leitelemente 18,19 gefügt, welche nahe der Wickelköpfe positioniert werden und die thermische Anbindung der Wickelköpfe zum Trennkörper 7 hin verbessern. Dadurch wird die maximale Temperatur in den Wicklungen 4 reduziert oder alternativ kann die Rotorerregerleistung erhöht werden, wodurch die Effizienz und Leistungsdichte der Maschine verbessert werden kann. Die Leitelemente 18,19 eines Trennkörpers 7 werden in der Nähe eines axialen Endes 16,26 des Trennkörpers 7 gefügt. So kann sichergestellt werden, dass die Trennkörper 7 trotz des umfänglichen Überstands axial in der Nut 3 zwischen je zwei Rotorspulen gefügt werden kann. Zudem kann über die axiale Positionierung des Trennkörpers 7 in der Nut 3 zwischen je zwei Rotorspulen Toleranzen der Wickelkopfhöhe, die sich insbesondere aus der Toleranz der Spulendrahtdicke ergibt, ausgeglichen werden.
Das erste thermische Leitelement 18 und das zweite thermische Leitelement 19 sind in der gezeigten Ausführungsform im Wesentlichen identisch plattenartig ausgebildet und besitzen jeweils eine kreisringsegmentartige Kontur. Dabei erstrecken sich das erste thermische Leitelement 18 und das zweite thermische Leitelement 19 über 75-100% der Nuthöhe 20 einer Nut 3. Das erste thermische Leitelement 18 und das zweite thermische Leitelement 19 können stoffschlüssig und/oder formschlüssig und/oder kraftschlüssig mit dem axial herausragenden Ende 16 des Trennkörpers 7 angeordnet sein. Das erste thermische Leitelement 18 und das zweite thermische Leitelement 19 verfügen jeweils an ihrer der Wicklung 4 zugewandten Seite zumindest abschnittsweise über eine elektrisch isolierende Beschichtung 21 .
Schließlich zeigt die Figur 2 auch, dass eine erste Gruppe von Trennkörpern 7a mit einem ersten stirnseitigen Ende 16 axial aus einer der Nuten 3 herausragt und an diesem axial herausragenden ersten Ende 16 ein erstes thermisches Leitelement 18a angeordnet ist, dass sich in wenigstens einer ersten Umfangsrichtung zwischen zwei benachbarten Nuten 3 erstreckt und an dem axial herausragenden ersten Ende 16 wenigstens ein zweites thermisches Leitelement 19a angeordnet ist, dass sich in einer zweiten Umfangsrichtung zwischen zwei benachbarten Nuten 3 erstreckt. Eine zweite Gruppe von Trennkörpern 7b ragt mit einem zweiten stirnseitigen Ende 26 axial aus einer der Nuten 3 heraus. An diesem axial herausragenden zweiten Ende 26 ist ein erstes thermisches Leitelement 18b angeordnet, dass sich in wenigstens einer ersten Umfangsrichtung zwischen zwei benachbarten Nuten 3 erstreckt. An dem axial herausragenden zweiten Ende 26 ist des Weiteren ein zweites thermisches Leitelement 19b angeordnet, dass sich in einer zweiten Umfangsrichtung zwischen zwei benachbarten Nuten 3 erstreckt.
Die Trennkörper 7a, 7b der ersten Gruppe von Trennkörpern 7a und der zweiten Gruppe von Trennkörpern 7b sind abwechselnd in in Umfangsrichtung benachbarten Nuten 3 angeordnet. Dies ermöglicht die Verwendung lediglich eines Trennkörpers 7 mit den entsprechenden Leitelementen 18, 19 um alle Wickelköpfe der Wicklung 4 umfänglich zu kühlen.
Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung 'erste' und 'zweite' Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
Bezuqszeichenliste
1 Rotoranordnung
2 Rotorkörper
3 Nuten
4 Wicklung
5 Rotorpole
6 Nutverschlusselemente
7 Trennkörper
8 Kühlkanal
9 Hohlraum
10 Vergussmasse
15 Beschichtung
16 Ende
17 Dichtflächen
18 Leitelement
19 Leitelement
20 Nuthöhe
21 Beschichtung
26 Ende

Claims

Ansprüche
1 . Rotoranordnung (1 ), insbesondere für eine fremderregte Synchronmaschine, umfassend
- einen Rotorkörper (2), welcher mehrere Nuten (3) in axialer Richtung zur Aufnahme einer Wicklung (4) ausbildet,
- Rotorpole (5), welche in radialer Richtung zwischen jeweils zwei der Nuten (3) ausgebildet sind,
- Wicklungen (4), welche in den Nuten (3) verlaufen und die Rotorpole (5) umschließen,
- Nutverschlusselemente (6), welche die Nuten (3) in radialer Richtung verschließen,
- mindestens einen Trennkörper (7), welcher in einer der Nuten (3) in Umfangsrichtung zwischen zwei der Wicklungen (4) angeordnet ist,
- wobei der Trennkörper (7) wenigstens einen sich in axialer Richtung erstreckenden, durchgängigen Kühlkanal (8) umfasst, der von einem Kühlmedium durchströmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Trennkörper (7) zumindest mit einem ersten stirnseitigen Ende (16) axial aus der Nut (3) herausragt und an diesem axial herausragenden Ende (16) wenigstens ein erstes thermisches Leitelement (18) angeordnet ist, dass sich in wenigstens einer ersten Umfangsrichtung zwischen zwei benachbarten Nuten (3) erstreckt
2. Rotoranordnung (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass an dem axial herausragenden Ende (16) wenigstens ein zweites thermisches Leitelement (19) angeordnet ist, dass sich in einer zweiten Umfangsrichtung zwischen zwei benachbarten Nuten (3) erstreckt.
3. Rotoranordnung (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste thermische Leitelement (18) und/oder das zweite thermische
Leitelement (19) plattenartig ausgebildet sind/ist
4. Rotoranordnung (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste thermische Leitelement (18) und/oder das zweite thermische Leitelement (19) kreisringsegmentartig ausgeformt sind/ist.
5. Rotoranordnung (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste thermische Leitelement (18) und/oder das zweite thermische Leitelement (19) sich über 75-100% der Nuthöhe (20) einer Nut (3) erstrecken
6. Rotoranordnung (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste thermische Leitelement (18) und das zweite thermische Leitelement (19) im Wesentlichen identisch ausgeformt sind.
7. Rotoranordnung (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste thermische Leitelement (18) und/oder das zweite thermische Leitelement (19) jeweils an seiner der Wicklung (4) zugewandten Seite zumindest abschnittsweise eine elektrisch isolierende Beschichtung (21 ) aufweist.
8. Rotoranordnung (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste thermische Leitelement (18) und/oder das zweite thermische Leitelement (19) stoffschlüssig und/oder formschlüssig und/oder kraftschlüssig mit dem axial herausragenden Ende (16) des Trennkörpers (7) verbunden sind/ist.
9. Rotoranordnung (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste thermische Leitelement (18) und/oder das zweite thermische
Leitelement (19) aus Aluminium und/oder einem Kunststoff geformt sind/ist.
10. Rotoranordnung (1 ) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Gruppe von Trennkörpern (7a) mit einem ersten stirnseitigen Ende (16) axial aus einer der Nuten (3) herausragt und an diesem axial herausragenden ersten Ende (16) ein erstes thermisches Leitelement (18a) angeordnet ist, dass sich in wenigstens einer ersten Umfangsrichtung zwischen zwei benachbarten Nuten (3) erstreckt und an dem axial herausragenden ersten Ende (16) wenigstens ein zweites thermisches Leitelement (19a) angeordnet ist, dass sich in einer zweiten Umfangsrichtung zwischen zwei benachbarten Nuten (3) erstreckt, und eine zweite Gruppe von Trennkörpern (7b) mit einem zweiten stirnseitigen Ende (26) axial aus einer der Nuten (3) herausragt und an diesem axial herausragenden zweiten Ende (26) ein erstes thermisches Leitelement (18b) angeordnet ist, dass sich in wenigstens einer ersten Umfangsrichtung zwischen zwei benachbarten Nuten (3) erstreckt und an dem axial herausragenden zweiten Ende (26) wenigstens ein zweites thermisches Leitelement (19b) angeordnet ist, dass sich in einer zweiten Umfangsrichtung zwischen zwei benachbarten Nuten (3) erstreckt, wobei Trennkörper (7a, 7b) der ersten Gruppe von Trennkörpern (7a) und der zweiten Gruppe von Trennkörpern (7b) abwechselnd in in Umfangsrichtung benachbarten Nuten (3) angeordnet sind.
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