WO2022023363A1 - Elektrische maschine - Google Patents

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WO2022023363A1
WO2022023363A1 PCT/EP2021/071042 EP2021071042W WO2022023363A1 WO 2022023363 A1 WO2022023363 A1 WO 2022023363A1 EP 2021071042 W EP2021071042 W EP 2021071042W WO 2022023363 A1 WO2022023363 A1 WO 2022023363A1
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WO
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rotor
shaft
recesses
coolant
stator
Prior art date
Application number
PCT/EP2021/071042
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jonas Hens
Original Assignee
Seg Automotive Germany Gmbh
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
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    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/04—Balancing means
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K9/00—Arrangements for cooling or ventilating
    • H02K9/19—Arrangements for cooling or ventilating for machines with closed casing and closed-circuit cooling using a liquid cooling medium, e.g. oil

Definitions

  • the present invention relates to an electrical machine, for example for use in a motor vehicle.
  • Such electrical machines can be used in particular as starter-generator machines.
  • Such electrical machines can also be used in the context of hybridization and electrification of vehicles.
  • thermal limit which among other things determines the duration of a usable peak power, the level of continuous power output and the service life.
  • this thermal limit poses a design challenge, since a large proportion of the mechanical drive energy is obtained from the electric machine, resulting in increased power losses. Cooling solutions must effectively dissipate heat from various heat sources in the machine to ensure high performance and machine life.
  • Cooling concepts for cooling such electrical machines are known. Direct or indirect cooling of the stator of an electrical machine, for example, is widespread. With direct cooling, the heat generated is dissipated directly in the stator core. With indirect cooling, the heat generated is conducted axially or radially outwards before it is dissipated by a cooling medium. Such indirect cooling is known, for example, from DE 102016214405 A1. Cooling concepts for cooling a rotor of an electrical machine include, for example, air cooling, as described in DE 102011 078 784 A1, rotor shaft cooling, as described in DE 102016216685 A1, and oil turbulence, as described in DE 102016202 886 A1, for example.
  • an electrical machine is proposed with a rotor, which has a shaft extending in the axial direction and a rotor body surrounding the shaft, and a stator surrounding the rotor, with a coolant channel system having a first channel structure being provided, by means of which cooling liquid flows from an axial direction through the shaft extending shaft bore in a number of axially extending within the rotor body rotor recesses can be transferred or converted, wherein the coolant channel system is designed such that an axial flow direction of the coolant in at least one of the rotor recesses in the axial direction is opposite to a flow direction the cooling liquid in at least one other of the rotor cavities.
  • the rotor body is designed with a balancing disk at its two axial ends, with the coolant channel system in each of the balancing disks comprising a first channel structure with radially extending channels that are designed in such a way that the cooling liquid can flow from the shaft bore into the rotor recesses.
  • This provides a very simple and low-maintenance supply of coolant through the shaft bore, as well as a simple and uniform distribution of the coolant through the rotational movement of the rotor.
  • the concept according to the invention also creates direct cooling of electromagnetically active components such as permanent magnets and/or winding overhangs of the rotor and of the stator using very short heat paths.
  • the formation of such radial connection channels in balancing disks proves to be very space-saving, with the balancing disks initially ensuring mechanical robustness of the rotor.
  • the first channel structure is here on corresponding in the Rotor shaft formed radial openings in fluid communication with the axial shaft bore of the rotor shaft.
  • the balancing disks which are designed with a channel structure at both axial ends, allow cooling liquid to enter from the shaft bore into the rotor body at its two axial ends. In this way, a countercurrent flow of cooling liquid can be provided through rotor recesses running parallel to one another in the rotor body in the axial direction, without the cooling liquid flowing through the rotor recesses having to be deflected inside the rotor body.
  • cooling liquid enters the rotor body at both axial ends and can then subsequently be transported through the rotor recesses within the rotor body to the respective other axial end of the rotor body.
  • the coolant duct system has a second axially extending duct structure, via which cooling liquid conducted through the respective rotor recesses can be radially derived in such a way that it is ejected or centrifuged onto the stator surrounding the rotor. Due to the fact that such an ejection takes place according to the invention at both axial ends of the rotor, an effective and uniform cooling of the stator is also ensured.
  • This second channel structure is expediently also formed in the respective balancing discs, as a result of which the cooling liquid can also be ejected onto the stator in a very space-saving and effective manner at both axial ends of the rotor.
  • a housing surrounding the rotor body and the stator is provided, with the rotor shaft projecting beyond the axial extent of the housing at least at one axial end.
  • a housing can also be used, for example, to provide an air space or a sump area within the housing of the electrical machine.
  • cooling liquid can be collected after it has been spun onto the stator and, for example, ensure the separation of air bubbles in the oil by means of a back pressure.
  • the oil can be returned to the oil circuit through outlet bores in the housing, where it can then be conditioned by a heat exchanger.
  • the rotor body has at least 2, but ideally at least 4, rotor recesses which are arranged uniformly in the circumferential direction.
  • the direction of flow of the cooling liquid is axially opposite in rotor recesses that are adjacent to one another in the circumferential direction.
  • Figure 1 is a schematic side sectional view of a preferred embodiment
  • FIG. 2 schematic lateral sectional views of another preferred one
  • Figure 3 is a perspective view of the rotor of the electric machine according to
  • Figure 4 is a perspective view of a balancing disk of the rotor of the electrical machine according to Figure 1 or Figure 2.
  • a preferred embodiment of an electrical machine according to the invention is shown in the figures and is denoted by 100 overall. It should be noted that the following description refers to all figures, although not all of the components described occur or are shown in each of the figures.
  • the reference directions axial, radial and tangential are to be understood with respect to the direction of longitudinal extent of the rotor shaft 22 described below, and are illustrated in various figures by means of arrows A (axial), R (radial) and T (tangential).
  • Electrical machine 100 has a stator 10 and a rotor 20 .
  • the rotor 20 has a rotor shaft 22 and a rotor body 23 fixed in rotation thereon.
  • the rotor body 23 includes the electromagnetically acting components of the rotor, such as permanent magnets 23a.
  • the rotor shaft 22 is not shown in detail Bearing rotatably mounted in a housing 12. According to the embodiment of FIGS. 1 and 3, an axial end of the rotor shaft 22, the left end in these figures, protrudes from the housing 12 as a shaft stub 22a. In the embodiment of FIG. 2, both axial ends of the rotor shaft are designed as shaft stubs 22a.
  • the housing 12 carries the stator 10 on its inside.
  • an inlet 32 is formed on the side of the left-hand shaft stub 22a, via which cooling liquid can enter a shaft bore 22b formed in the rotor shaft.
  • This coolant can be made available, for example, via an external coolant circuit that is not shown.
  • the stator 10 has, in a manner known per se, a stator winding or end winding 10a which surrounds a stator core. It would also be possible to design the stator 10 with permanent magnets.
  • An air gap 17 is formed between the stator 10 and the rotor body 23 in a manner known per se.
  • a closed space 45 is defined by means of the housing 12 and closes off the rotor body 23 and the stator 10 from the environment 40 of the electrical machine 100 .
  • the housing 12 closes the space 45 against the environment 40 in a fluid-tight or liquid-tight manner.
  • defined openings in the housing 12 represent liquid drains through which a mass transport between 45 and the cooling circuit can be guaranteed.
  • the rotor body 23 has a number of axially extending rotor recesses 24 . These make it possible, in particular, to design the rotor 20 or the rotor body 23 in a lightweight construction.
  • the rotor shaft 22 is formed with a shaft bore 22b extending in the axial direction, via which cooling liquid, for example a suitable oil, can be introduced into the rotor 22 or the electric machine 100, as will be explained further below.
  • cooling liquid for example a suitable oil
  • the rotor body 23 is formed with a balancing disc 27a, 27b.
  • These balancing discs are used to provide material on a Rotation diameter >0, in which the balancing of the rotor is made possible by bores. Furthermore, they serve to mechanically stabilize the rotor body.
  • the balancing disks are also designed with a coolant channel system 25 .
  • This has a first radially extending channel structure 25, which provides a fluid connection or communication between the shaft bore 22b and the rotor recesses 24, and a second radially extending channel structure 25b, by means of which coolant flows or has flowed through the rotor recesses 24 radially can be derived to the outside, so that it can be thrown onto the stator 10 surrounding the rotor 20 .
  • the second channel structure 25b can consist of individual pockets or of a pocket that is continuous in the circumferential direction.
  • this coolant channel system 25 is designed in such a way that, with at least one rotor recess 24 (in Figure 2, the illustration on the left), coolant flows through the first channel structure 25a in the balancing disk 27b, which is opposite to the side of the inlet 32. is recoverable. Furthermore, in at least one further rotor recess 24 (the right representation in FIG. 2), cooling liquid can be introduced via the first channel structure 25a in the balancing disk 27a, which is formed on the side of the inlet 32.
  • the second channel structure 25b via which the cooling liquid can be ejected radially outward onto the stator (not shown here).
  • the balancing discs 27a, 27b which are designed with a channel structure at both axial ends, allow cooling liquid to enter the rotor body 23 at its two axial ends.
  • a countercurrent flow of cooling liquid can be provided through rotor recesses 24 running parallel to one another in the rotor body 23 in the axial direction, without the cooling liquid flowing through the rotor recesses 24 having to be deflected within the rotor body 23 .
  • particularly uniform cooling of the rotor body can be achieved.
  • cooling liquid enters the rotor body 23 at both axial ends and can then subsequently be transported through the rotor recesses 24 within the rotor body to the respective other axial end of the rotor body 23 .
  • rotor recesses 24 extending axially through the rotor body are expediently provided, the coolant channel system being designed in such a way that cooling liquid flows through adjacent rotor recesses in the circumferential direction of the rotor body in opposite directions.
  • the coolant channel system being designed in such a way that cooling liquid flows through adjacent rotor recesses in the circumferential direction of the rotor body in opposite directions.
  • the rotor recesses 24 are formed radially directly below the magnetic poles (or between the permanent magnets 23a), so that particularly effective cooling of these components is ensured.
  • cooling liquid thus flows via the inlet 32 into the axial shaft bore 22b (see reference number 70a), and from there to one of the two radial ends of the rotor body 23 in radial direction (70b) via the first channel structure 25a formed in the respective balancing disks 27a, 27b into the rotor recesses 24 (see reference number 70c).
  • the cooling liquid exits from the rotor recesses 24 in the radial direction via the second channel structure 25b formed in the balancing disks, as illustrated by means of 70d.
  • the coolant channel system formed in the balancing disks is shown in detail in particular in FIG.
  • the balancing disk shown, for example balancing disk 27a, is formed with a central opening 28 through which the rotor shaft 22 (not shown here) extends.
  • the first channel structure 25a is formed as an inlet and distribution channel structure, which in the illustrated embodiment has four internal recesses or channels 41 which are dimensioned such that they communicate with the axial ends of respective rotor recesses (not shown here). Cooling liquid enters the first channel structure 25a via radial openings 22e formed in the rotor shaft, as shown in FIG. These openings 22e are formed at both ends of the rotor shaft such that that they provide a fluid connection between the shaft bore 22b and the first channel structure in both balancing discs 27a, 27b.
  • the second channel structure 25b is designed as an outlet channel structure with four outlet channels 42 in the example shown. These also communicate, each with their lower or radially inner areas 42a, with respective rotor recesses.
  • the channel geometry is effective in terms of flow mechanics and should be designed in accordance with specific requirements.
  • a flat exit angle of the walls 42b of the channels 42 in the tangential direction is advantageous (see arrow T in FIG. 4 for illustration).
  • a radially steeper angle (see arrow R in FIG. 4 for illustration) of the walls 42b is advantageous for the highest possible conveying capacity and high exit speeds of the cooling liquid from the channels 42 .
  • channels 41 and 42 each have floors formed in the balancing disks, so that the balancing disks serve as fluid-tight axial closures of the rotor relative to the space or air space 45 of the electrical machine.
  • the cooling concept shown it is conceivable to open the inner recesses or channels 41 towards space 45 .
  • air could be sucked in during rotation of the rotor and conveyed through the rotor recesses 24 . In this way, convective heat transfer between the rotor and the air can be improved.
  • the air in the machine 45 is then circulated and heated by the losses in the rotor, the rotor losses being transported to the stator or housing.
  • the rotor is thermally better coupled to a cooling system compared to a conventional machine in which the rotor only slightly swirls the air.
  • a supply of cooling liquid via the rotor shaft could be dispensed with.

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Abstract

Es wird eine elektrische Maschine vorgeschlagen mit einem Rotor, der eine sich in axialer Richtung erstreckende Welle und einen die Welle umgebenden Rotorkörper (23)aufweist, und einem den Rotor umgebenden Stator (10), wobei ein Kühlmittelkanalsystem (25) mit einer ersten Kanalstruktur vorgesehen ist, mittels der Kühlflüssigkeit von einer sich in axialer Richtung durch die Welle erstreckenden Wellenbohrung in eine Anzahl von sich innerhalb des Rotorkörpers (23) axial erstreckenden Rotoraussparungen (24) übertragbar ist, wobei das Kühlmittelkanalsystem derart ausgebildet ist, dass eine axiale Strömungsrichtung der Kühlflüssigkeit in wenigstens einer der Rotoraussparungen (24) gegenläufig ist zu einer Strömungsrichtung der Kühlflüssigkeit in wenigstens einer weiteren der Rotoraussparungen (24), wobei der Rotorkörper an seinen beiden axialen Enden mit einer Wuchtscheibe (27a, 27b) ausgebildet ist, wobei das Kühlmittelkanalsystem (25) in jeder der Wuchtscheiben (27a, 27b) radial sich erstreckende Kanäle (41) umfasst, die derart ausgebildet sind, dass die Kühlflüssigkeit von der Wellenbohrung (22b) in die Rotorausnehmungen (24) gelangen kann.

Description

Elektrische Maschine
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, beispielsweise zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug. Derartige elektrische Maschinen sind insbesondere als Starter- Generator-Maschinen einsetzbar. Auch im Rahmen der Hybridisierung und Elektrifizierung von Fahrzeugen sind derartige elektrische Maschinen einsetzbar.
Wesentlich bei der Konzeption derartiger elektrischer Maschine ist deren thermische Grenze, die unter anderem die Zeitdauer einer nutzbaren Peakleistung, die Höhe der kontinuierlichen Leistungsabgabe und die Lebensdauer bestimmt. Insbesondere bei Fahrzeugen mit elektrischen Traktionsmaschinen stellt diese thermische Grenze eine konstruktive Herausforderung dar, da ein großer Anteil der mechanischen Antriebsenergie aus der elektrischen Maschine gewonnen wird und hierdurch erhöhte Verlustleistungen auftreten. Kühllösungen müssen Wärme von verschiedenen Wärmequellen in der Maschine effektiv ableiten, um eine hohe Leistung und Lebensdauer der Maschine zu gewährleisten.
Es ist ferner darauf hinzuweisen, dass in derartigen elektrischen Maschinen verwendete Permanentmagnete eine maximale Einsatztemperatur aufweisen, bei deren Überschreitung die Magnetisierung signifikant vermindert wird bzw. verloren geht. Ebenso besitzen Wickelköpfe eine zulässige Maximaltemperatur, die nicht überschritten werden darf.
Variable Last- und Drehzahlprofile führen zu transienten Erwärmungsprofilen. Es treten in derartigen elektrischen Maschinen verschiedene Wärmequellen auf, wobei beispielhaft Stromwärmeverluste im Kupfer, Ummagnetisierungsverluste in Eisen und Magneten oder mechanische Verluste genannt seien. Diese Wärmequellen weisen unterschiedliche Abhängigkeiten bezüglich Last- und Drehzahl auf. Hieraus ergeben sich insgesamt komplexe Anforderungen an das Wärmepfaddesign und das Kühlverfahren für rotierende Elemente (Rotor) und nicht-rotierende Elemente (Stator) der elektrischen Maschine.
Es sind verschiedene Kühlkonzepte zur Kühlung von derartigen elektrischen Maschinen bekannt. Weit verbreitet ist beispielsweise eine direkte oder indirekte Kühlung des Stators einer elektrischen Maschine. Bei der direkten Kühlung wird die entstehende Wärme direkt im Statorkern abgeführt. Bei der indirekten Kühlung wird die entstehende Wärme axial oder radial nach außen geleitet, bevor sie durch ein Kühlmedium abgeleitet wird. Eine derartige indirekte Kühlung ist beispielsweise aus der DE 102016214405 A1 bekannt. Kühlkonzepte zur Kühlung eines Rotors einer elektrischen Maschine umfassen beispielsweise eine Luftkühlung, wie beispielsweise in der DE 102011 078 784 A1 beschrieben, eine Rotorwellenkühlung, wie beispielsweise in der DE 102016216685 A1 beschrieben, sowie eine Ölverwirbelung, wie beispielsweise in der DE 102016202 886 A1 beschrieben.
Offenbarung der Erfindung
Ausgehend von diesem Stand der Technik wird eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 vorgeschlagen. Damit wird eine Verbesserung einer Rotorkühlung erreicht.
Erfindungsgemäß wird eine elektrische Maschine vorgeschlagen mit einem Rotor, der eine sich in axialer Richtung erstreckende Welle und einen die Welle umgebenden Rotorkörper aufweist, und einem den Rotor umgebenden Stator, wobei ein Kühlmittelkanalsystem mit einer ersten Kanalstruktur vorgesehen ist, mittels der Kühlflüssigkeit von einer sich in axialer Richtung durch die Welle erstreckenden Wellenbohrung in eine Anzahl von sich innerhalb des Rotorkörpers axial erstreckenden Rotoraussparungen übertragbar bzw. überführbar ist, wobei das Kühlmittelkanalsystem derart ausgebildet ist, dass eine axiale Strömungsrichtung der Kühlflüssigkeit in wenigstens einer der Rotoraussparungen in axialer Richtung gegenläufig ist zu einer Strömungsrichtung der Kühlflüssigkeit in wenigstens einerweiteren der Rotoraussparungen. Hierbei ist der Rotorkörper an seinen beiden axialen Enden mit einer Wuchtscheibe ausgebildet, wobei das Kühlmittelkanalsystem in jeder der Wuchtscheiben eine erste Kanalstruktur mit radial sich erstreckenden Kanälen umfasst, die derart ausgebildet sind, dass die Kühlflüssigkeit von der Wellenbohrung in die Rotorausnehmungen gelangen kann.
Hierdurch ist eine sehr einfache und wartungsarme Zuführung von Kühlmittel durch die Wellenbohrung, sowie eine einfache und gleichmäßige Verteilung des Kühlmittels durch die Rotationsbewegung des Rotors zur Verfügung gestellt. Durch das erfindungsgemäße Konzept ist ferner eine direkte Kühlung von elektromagnetisch wirksamen Komponenten wie etwa Permanentmagneten und/oder Wickelköpfen des Rotors sowie des Stators unter Ausnutzung sehr kurzer Wärmepfade geschaffen.
Die Ausbildung von derartigen radialen Verbindungskanälen in Wuchtscheiben erweist sich als sehr platzsparend, wobei die Wuchtscheiben zunächst für eine mechanische Robustheit des Rotors sorgen. Die erste Kanalstruktur steht hierbei über entsprechende, in der Rotorwelle ausgebildete radiale Öffnungen, mit der axialen Wellenbohrung der Rotorwelle in fluider Verbindung. Die an beiden axialen Enden mit einer Kanalstruktur ausgebildeten Wuchtscheiben ermöglichen einen Eintritt von Kühlflüssigkeit von der Wellenbohrung in den Rotorkörper an seinen beiden axialen Enden. Hiermit ist eine gegenläufige Strömung von Kühlflüssigkeit durch in axialer Richtung parallel zueinander in dem Rotorkörper verlaufende Rotoraussparungen bereitstellbar, ohne dass eine Umlenkung der durch die Rotoraussparungen strömenden Kühlflüssigkeit innerhalb des Rotorkörpers notwendig ist. Hierdurch ist eine besonders gleichmäßige Kühlung des Rotorkörpers erzielbar. Mit anderen Worten tritt hierdurch Kühlflüssigkeit an beiden axialen Enden in den Rotorkörper ein, und kann dann anschließend durch die Rotoraussparungen innerhalb des Rotorkörpers an das jeweilige andere axiale Ende des Rotorkörpers transportiert werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine sind Gegenstand der Unteransprüche.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Kühlmittelkanalsystem eine zweite sich axial erstreckende Kanalstruktur auf, über welche durch die jeweiligen Rotorausnehmungen geleitete Kühlflüssigkeit derart radial ableitbar ist, dass sie auf den den Rotor umgebenden Stator ausgestoßen bzw. ausgeschleudert wird. Dadurch, dass ein derartiges Ausschleudern erfindungsgemäß an beiden axialen Enden des Rotors erfolgt, ist auch eine effektive und gleichmäßige Kühlung des Stators gewährleistet.
Zweckmäßigerweise ist diese zweite Kanalstruktur ebenfalls in den jeweiligen Wuchtscheiben ausgebildet, wodurch auch das Herausschleudern der Kühlflüssigkeit auf den Stator in sehr platzsparender und effektiver Weise an beiden axialen Enden des Rotors bewerkstelligbar ist.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der elektrischen Maschine ist ein den Rotorkörper und den Stator umgebendes Gehäuse vorgesehen, wobei die Rotorwelle wenigstens an einem axialen Ende über die axiale Erstreckung des Gehäuses hinausragt. Mittels eines derartigen Gehäuses sind z.B. auch ein Luftraum oder ein Sumpfbereich innerhalb des Gehäuses der elektrischen Maschine bereitstellbar. In einem Sumpfbereich kann beispielsweise Kühlflüssigkeit nach dem Ausschleudern auf den Stator gesammelt werden, und beispielsweise durch einen Rückstau für die Abscheidung von Luftblasen im Öl sorgen. Durch Auslassbohrungen im Gehäuse kann das Öl in den Ölkreislauf zurückgeführt werden, in dem es anschließend durch einen Wärmetauscher konditioniert werden kann. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine weist der Rotorkörper mindestens 2, idealerweise jedoch mindestens 4 Rotoraussparungen auf, die in Umfangsrichtung gleichmäßig angeordnet sind. Hierbei erweist es sich zur Bereitstellung einer gleichmäßigen Kühlung als besonders vorteilhaft, wenn die Strömungsrichtung der Kühlflüssigkeit in jeweils in Umfangsrichtung zueinander benachbarten Rotoraussparungen axial gegenläufig ist.
Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.
Es zeigt
Figur 1 eine schematische seitliche Schnittansicht einer bevorzugten
Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine,
Figur 2 schematische seitliche Schnittansichten einer weiteren bevorzugten
Ausführungsform des Rotors der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine,
Figur 3 eine perspektivische Ansicht des Rotors der elektrischen Maschine gemäß
Figur 1, und
Figur 4 eine perspektivische Ansicht einer Wuchtscheibe des Rotors der elektrischen Maschine gemäß Figur 1 oder Figur 2.
Eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ist in den Figuren dargestellt und insgesamt mit 100 bezeichnet. Es sei darauf hingewiesen, dass die folgende Beschreibung übergreifend Bezug auf alle Figuren nimmt, wobei nicht sämtliche beschriebene Komponenten in jeder der Figuren Vorkommen bzw. dargestellt sind. Die referenziellen Richtungen axial, radial und tangential sind bezüglich der Längserstreckungsrichtung der im folgenden beschriebenen Rotorwelle 22 zu verstehen, und sind in verschiedenen Figuren mittels Pfeilen A (axial), R (radial) und T (tangential) veranschaulicht.
Die elektrische Maschine 100 weist einen Stator 10 und einen Rotor 20 auf. Der Rotor 20 weist eine Rotorwelle 22 und einen auf dieser drehfest angebrachten Rotorkörper 23 auf. Der Rotorkörper 23 umfasst die elektromagnetisch wirkenden Komponenten des Rotors, wie etwa Permanentmagnete 23a. Die Rotorwelle 22 ist über nicht im Einzelnen dargestellte Lager in einem Gehäuse 12 drehbar gelagert. Hierbei ragt gemäß der Ausführungsform der Figuren 1 und 3 ein axiales Ende der Rotorwelle 22, in diesen Figuren das linke Ende, als Wellenstummel 22a aus dem Gehäuse 12 vor. In der Ausführungsform der Figur 2 sind beide axialen Enden der Rotorwelle als Wellenstummel 22a ausgebildet. Das Gehäuse 12 trägt an seiner Innenseite den Stator 10.
In sämtlichen Ausführungsformen ist an der Seite des linken Wellenstummels 22a ein Einlass 32 ausgebildet, über den Kühlflüssigkeit in eine in der Rotorwelle ausgebildete Wellenbohrung 22b eintreten kann. Diese Kühlflüssigkeit kann beispielsweise über einen nicht dargestellten externen Kühlmittelkreislauf zur Verfügung gestellt werden.
Der Stator 10 weist in an sich bekannterWeise eine Statorwicklung bzw. einen Wickelkopf 10a auf, die bzw. der einen Statorkern umgibt, auf. Es wäre ebenfalls möglich, den Stator 10 mit Permanentmagneten auszubilden.
Zwischen Stator 10 und Rotorkörper 23 ist ein Luftspalt 17 in an sich bekannter Weise ausgebildet.
Mittels des Gehäuses 12 ist ein abgeschlossener Raum 45 definiert, welcher den Rotorkörper 23, und den Stator 10 gegenüber der Umgebung 40 der elektrischen Maschine 100 abschließt. Insbesondere schließt das Gehäuse 12 den Raum 45 gegenüber der Umgebung 40 fluid- bzw. flüssigkeitsdicht ab. Definierte Öffnungen in dem Gehäuse 12 stellen Flüssigkeitsabläufe dar, durch welche ein Stofftransport zwischen 45 und dem Kühlkreislauf gewährleistet werden kann.
Der Rotorkörper 23 weist eine Anzahl von sich axial erstreckenden Rotoraussparungen 24 auf. Diese ermöglichen es insbesondere, den Rotor 20 bzw. den Rotorkörper 23 in Leichtbauweise auszuführen.
Die Rotorwelle 22 ist, wie erwähnt, mit einer sich in axialer Richtung erstreckenden Wellenbohrung 22b ausgebildet, über welche Kühlflüssigkeit, zum Beispiel ein geeignetes Öl, in den Rotor 22 bzw. die elektrische Maschine 100 einbringbar ist, wie weiter unten weiter erläutert wird.
An seinen axialen Enden ist der Rotorkörper 23 jeweils mit einer Wuchtscheibe 27a, 27b ausgebildet. Diese Wuchtscheiben dienen zur Bereitstellung von Material auf einem Rotationsdurchmesser >0, in welchem durch Bohrungen das Wuchten des Rotors ermöglicht wird. Weiterhin dienen sie zur mechanischen Stabilisierung des Rotorkörpers.
Die Wuchtscheiben sind ferner mit einem Kühlmittelkanalsystem 25 ausgebildet. Dieses weist eine erste sich radial erstreckende Kanalstruktur 25 auf, welches eine fluide Verbindung bzw. Kommunikation der Wellenbohrung 22b mit den Rotoraussparungen 24 zur Verfügung stellt, sowie eine zweite sich radial ersteckende Kanalstruktur 25b, mittels der durch die Rotoraussparungen 24 fließendes bzw. durchgeflossenes Kühlmittel radial nach außen ableitbar ist, so dass es auf den den Rotor 20 umgebenden Stator 10 schleuderbar ist. Die zweite Kanalstruktur 25b kann sowohl aus einzelnen Taschen, aus einer in Umfangsrichtung durchgehenden Tasche bestehen.
Wie insbesondere in den Figuren 2 und 3 erkennbar ist dieses Kühlmittelkanalsystem 25 derart ausgestaltet, dass bei wenigstens einer Rotoraussparung 24 (in Figur 2 die linke Darstellung) Kühlflüssigkeit über die erste Kanalstruktur 25a in der Wuchtscheibe 27b, die der Seite des Einlasses 32 entgegengesetzt ist, einbringbar ist. Ferner ist bei wenigstens einerweiteren Rotoraussparung 24 (in Figur 2 die rechte Darstellung) Kühlflüssigkeit über die erste Kanalstruktur 25a in der Wuchtscheibe 27a, die auf der Seite des Einlasses 32 ausgebildet ist, einbringbar. Man erkennt ferner insbesondere in den Figuren 2 und 3 die zweite Kanalstruktur 25b, über die die Kühlflüssigkeit radial nach außen auf den (hier nicht dargestellten) Stator ausschleuderbar ist. Die an beiden axialen Enden mit einer Kanalstruktur ausgebildeten Wuchtscheiben 27a, 27b ermöglichen einen Eintritt von Kühlflüssigkeit in den Rotorkörper 23 an seinen beiden axialen Enden. Hiermit ist eine gegenläufige Strömung von Kühlflüssigkeit durch in axialer Richtung parallel zueinander in dem Rotorkörper 23 verlaufende Rotoraussparungen 24 bereitstellbar, ohne dass eine Umlenkung der durch die Rotoraussparungen 24 strömenden Kühlflüssigkeit innerhalb des Rotorkörpers 23notwendig ist. Hierdurch ist eine besonders gleichmäßige Kühlung des Rotorkörpers erzielbar. Mit anderen Worten tritt hierdurch Kühlflüssigkeit an beiden axialen Enden in den Rotorkörper 23 ein, und kann dann anschließend durch die Rotoraussparungen 24 innerhalb des Rotorkörpers an das jeweilige andere axiale Ende des Rotorkörpers 23 transportiert werden.
Zweckmäßigerweise sind beispielsweise acht derartige, axial sich durch den Rotorkörper erstreckende Rotoraussparungen 24 vorgesehen, wobei das Kühlmittelkanalsystem derart ausgebildet ist, dass in Umfangsrichtung des Rotorkörpers benachbarte Rotoraussparungen axial gegenläufig von Kühlflüssigkeit durchflossen werden. Somit sind mit einer jeweiligen Beabstandung von 45° Rotoraussparungen mit gegenläufiger Strömungsrichtung zur Verfügung gestellt. Dies ermöglicht eine besonders effektive, gleichmäßige Kühlung des Rotorkörpers 23 bzw. des Rotors 20.
Es ist gleichfalls denkbar, beispielsweise für den Fall, dass an einem axialen Ende eines Rotors ein höherer Wärmeeintrag bzw. eine höhere Wärmeentwicklung als an dem anderen axialen Ende zu erwarten ist, im genannten Beispiel zum Beispiel fünf oder sechs Rotoraussparungen eine erste Fließrichtung, und den drei bzw. zwei restlichen Rotoraussparungen die zweite Fließrichtung zuzuordnen. Selbstverständlich sind beliebige geeignete Anzahlen von Rotoraussparungen sowie Verteilungen der Strömungsrichtungen denkbar.
Wie in Figur 1 zu erkennen ist, sind die Rotoraussparungen 24 radial unmittelbar unterhalb der Magnetpole (bzw. zwischen den Permanentmagneten 23a) ausgebildet, so dass eine besonders effektive Kühlung dieser Bauteile gewährleistet ist.
Wie dargestellt und zum Beispiel in Figur 3 anhand der (nur teilweise sichtbaren) Fließpfeile 70 veranschaulicht, fließt somit Kühlflüssigkeit über den Einlass 32 in die axiale Wellenbohrung 22b (siehe Bezugszeichen 70a), und von dort an einem der beiden radialen Enden des Rotorkörpers 23 in radialer Richtung (70b) über die in den jeweiligen Wuchtscheiben 27a, 27b ausgebildete erste Kanalstruktur 25a in die Rotoraussparungen 24 (siehe Bezugszeichen 70c). Nach Durchfließen der gesamten axialen Länge der Rotoraussparungen erfolgt der Austritt der Kühlflüssigkeit aus den Rotoraussparungen 24 in radialer Richtung über die in den Wuchtscheiben ausgebildete zweite Kanalstruktur 25b, wie mittels 70d dargestellt.
Das in den Wuchtscheiben ausgebildete Kühlmittelkanalsystem ist insbesondere in Figur 4 im Einzelnen dargestellt. Die dargestellte Wuchtscheibe, beispielsweise Wuchtscheibe 27a, ist mit einer zentralen Öffnung 28 ausgebildet, durch welche sich die Rotorwelle 22 (hier nicht dargestellt) erstreckt.
Die erste Kanalstruktur 25a ist als Eintritts- und Verteilerkanalstruktur ausgebildet, welche in der dargestellten Ausführungsform vier innere Aussparungen bzw. Kanäle 41 aufweist, die derart dimensioniert sind, dass sie mit den axialen Enden jeweiliger (hier nicht dargestellter) Rotoraussparungen kommunizieren. Der Eintritt von Kühlflüssigkeit in die erste Kanalstruktur 25a erfolgt hierbei über in der Rotorwelle ausgebildete radiale Öffnungen 22e, wie in Figur 1 dargestellt. Diese Öffnungen 22e sind an beiden Enden der Rotorwelle derart ausgebildet, dass sie eine fluide Verbindung zwischen der Wellenbohrung 22b und der ersten Kanalstruktur in beiden Wuchtscheiben 27a, 27b zur Verfügung stellen.
Die zweite Kanalstruktur 25b ist als Austrittskanalstruktur mit, im dargestellten Beispiel, vier Austrittskanälen 42 ausgebildet. Diese kommunizieren ebenfalls, jeweils mit ihren unteren bzw. radial inneren Bereichen 42a, mit jeweiligen Rotoraussparungen.
Da die Seitenwände 42b der Austrittskanäle 42 durch die Rotation des Rotors 20 Energie auf die Kühlflüssigkeit übertragen, ist die Kanalgeometrie strömungsmechanisch wirksam und sollte entsprechend konkreter Anforderungen ausgelegt werden. Für eine möglichst geringe Geräuschentwicklung, typischerweise ausgedrückt als Noise-Vibration-Harshness oder NVH, und eine stabile Kennlinie ist ein eher in tangentialer Richtung flacher Austrittswinkel der Wände 42b der Kanäle 42 vorteilhaft (siehe zur Veranschaulichung Pfeil T in Figur 4). Um die Austrittsgeschwindigkeit maximal zu reduzieren ist es ebenso möglich, keine Einzeltaschen 25b vorzusehen und somit auf die Wände 42b zu verzichten. Für eine möglichst hohe Förderleistung und hohe Austrittsgeschwindigkeiten der Kühlflüssigkeit aus den Kanälen 42 ist ein radial steiler Winkel (siehe zur Veranschaulichung Pfeil R in Figur 4) der Wände 42b vorteilhaft.
Wie in Figur 4 erkennbar, weisen Kanäle 41 und 42 jeweils in den Wuchtscheiben ausgebildete Böden auf, so dass die Wuchtscheiben als fluiddichte axiale Abschlüsse des Rotors gegenüber dem Raum bzw. Luftraum 45 der elektrischen Maschine dienen. Als Erweiterung des dargestellten Kühlkonzeptes ist es denkbar, die inneren Aussparungen bzw. Kanäle 41 zum Raum 45 hin zu öffnen. Hierdurch könnte anstelle der Kühlflüssigkeit bei Rotation des Rotors Luft angesaugt werden und durch die Rotoraussparungen 24 befördert werden. Hierdurch kann eine konvektive Wärmeübertragung zwischen Rotor und Luft verbessert werden. Die Luft in der Maschine 45 wird dann umgewälzt und durch die Verluste im Rotor erwärmt, wobei die Rotorverluste zum Stator bzw. zum Gehäuse transportiert werden. Dadurch wird der Rotor thermisch besser an ein Kühlsystem angekoppelt im Vergleich zu einer konventionellen Maschine, in der der Rotor die Luft nur leicht verwirbelt. In diesem Fall könnte auf eine Zufuhr von Kühlflüssigkeit über die Rotorwelle verzichtet werden. Bezugszeichenliste
10 Stator
10a Wickelkopf
12 Gehäuse
17 Luftspalt
20 Rotor
22 Rotorwelle
22a Wellenstumpf
22b Wellenbohrung
22e radiale Öffnung
23 Rotorkörper
24 Rotoraussparung
25 Kühlmittelkanalsystem
25a erste Kanalstruktur
25b zweite Kanalstruktur
27a, b Wuchtscheiben
28 zentrale Öffnung der Rotorwelle 32 Einlass
40 Umgebung
41 Aussparungen bzw. Kanäle der ersten Kanalstruktur
42 Aussparungen bzw. Kanäle der zweiten Kanalstruktur
42a radial innerer Bereich der Kanäle 42
42b Seitenwände
45 Raum bzw. Luftraum
45a Sumpfbereich
100 elektrische Maschine

Claims

Ansprüche
1. Elektrische Maschine mit einem Rotor (20), der eine sich in axialer Richtung erstreckende Rotorwelle (22) und einen die Rotorwelle (22) umgebenden Rotorkörper (23) aufweist, und einem den Rotor (20) umgebenden Stator (10), wobei ein Kühlmittelkanalsystem (25) mit einer ersten Kanalstruktur (25a) vorgesehen ist, mittels der Kühlflüssigkeit von einer sich in axialer Richtung durch die Rotorwelle (22) erstreckenden Wellenbohrung (22b) in eine Anzahl von sich innerhalb des Rotorkörpers (23) axial erstreckenden Rotoraussparungen (24) übertragbar ist, wobei das Kühlmittelkanalsystem derart ausgebildet ist, dass eine axiale Strömungsrichtung der Kühlflüssigkeit in wenigstens einer der Rotoraussparungen gegenläufig ist zu einer Strömungsrichtung der Kühlflüssigkeit in wenigstens einer weiteren der Rotoraussparungen, wobei der Rotorkörper an seinen beiden axialen Enden mit einer Wuchtscheibe (27a, 27b) ausgebildet ist, wobei das Kühlmittelkanalsystem (25) in jeder der Wuchtscheiben (27a, 27b) radial sich erstreckende Kanäle (41) umfasst, die derart ausgebildet sind, dass die Kühlflüssigkeit von der Wellenbohrung (22b) in die Rotorausnehmungen (24) gelangen kann.
2. Elektrische Maschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Kühlmittelkanalsystem (25) eine zweite oder weitere sich axial erstreckende Kanalstruktur (25a) aufweist, über welche durch die jeweiligen Rotoraussparungen (24) geleitete Kühlflüssigkeit derart radial ableitbar ist, dass sie auf den den Rotor (20) umgebenden Stator (10) geschleudert wird.
3. Elektrische Maschine nach Anspruch 3, wobei diese zweite Kanalstruktur (25b) ebenfalls in den jeweiligen Wuchtscheiben (27a, 27b) ausgebildet ist.
4. Elektrische Maschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein den Rotorkörper und den Stator umgebendes Gehäuse (12) vorgesehen ist, wobei die Rotorwelle (22) wenigstens an einem axialen Ende über die axiale Erstreckung des Gehäuses (12) hinausragt. Elektrische Maschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Rotorkörper zwei, drei, vier, fünf, sechs, sieben, acht, neun oder zehn Rotoraussparungen (24) aufweist, die in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt angeordnet sind.
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