Rotoreinrichtung für eine elektrische Maschine Die Erfindung betrifft eine Rotoreinrichtung für eine elektrische Maschine.
Eine effektive Rotorkühlung von elektrischen Antriebsmaschinen stellt eine Hauptanforderung für eine hohe Dauerleistung dar, insbesondere bei stromerregten Synchronmaschinen. Eine hohe Dauerleistung ist essentiell für ein dynamisches Fahrverhalten von Kraftfahrzeugen, wie beispielsweise einer dynamischen
Landstraßenfahrt. Elektroantriebe mit Hohlwellenkühlung des Rotors mittels Wasser und Öl sind bereits bekannt. Eine zu schnelle Erwärmung eines Rotors kann zu einer frühzeitigen Erwärmung des Rotors und damit zu einer Degradation des Antriebs führen. Hierdurch können wesentliche Fahrzeugziele ohne Degradation nicht erreicht werden.
Die WO 2018/137955 A1 offenbart eine elektrische Maschine mit einem auf einer Rotorwelle drehfest angeordneten Rotor und mit einem Stator, wobei in der Rotorwelle eine axiale Kühlmittelversorgungsleitung und mindestens eine kühlmittelleitende, mit der axialen Kühlmittelversorgungsleitung verbundene, radiale Kühlmittelversorgungsleitung angeordnet sind. Ein Innenraum der elektrischen Maschine ist mit der radialen Kühlmittelversorgungsleitung kühlmittelführend verbunden. Bei einem Betrieb der elektrischen Maschine kann das Kühlmittel durch den Rotor hindurch oder an mindestens einer Stirnseite des Rotors entlang transportiert werden. Besteht der Rotor aus mehreren Rotorblechen und ist somit ein sogenannter geblechter Rotor, dann kann das Kühlmittel durch die Fliehkraft, die durch den sich drehenden Rotor generiert wird, zwischen den
einzelnen Rotorblechen hindurchgefördert werden. Durch das Einleiten des Kühlmittels in den Blechzwischenraum wird der Rotor im Inneren gekühlt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Lösung zu schaffen, welche eine besonders effiziente Kühlung eines Rotoraktivbereichs einer stromerregten Synchronmaschine ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Weitere mögliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren offenbart.
Die Erfindung betrifft eine Rotoreinrichtung für eine elektrische Maschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit einem Rotor und mit wenigstens einer Kühlfluidleitung. Der Rotor umfasst ein Rotorblechpaket, welches mehrere von einer Mittelachse des Rotors radial abstehende Polschenkel aufweist. Diese Polschenkel können von jeweiligen Rotorwicklungen umwickelt sein. Der Rotor besteht somit aus mehreren zu dem Rotorblechpaket in einer Stapelrichtung gestapelten Rotorblechen, welche die radial von der Mittelachse des Rotors abstehenden Polschenkel bereitstellen. An jeweiligen Enden der Polschenkel können sogenannte Polschuhe ausgebildet sein. Die Kühlfluidleitung erstreckt sich mit ihrer Längserstreckungsrichtung parallel zur Mittelachse des Rotors zwischen in Umfangsrichtung benachbarten Polschenkeln. Weiterhin ist für ein Kühlen des Rotors die wenigstens eine Kühlfluidleitung dazu eingerichtet, von einem Kühlfluid durchströmt zu werden. Über das die Kühlfluidleitung durchströmende Kühlfluid kann somit Wärme von dem Rotor aufgenommen werden, um den Rotor zu kühlen. Innerhalb der wenigstens einen Kühlfluidleitung kann das Kühlfluid parallel zu der Mittelachse des Rotors zwischen den Polschenkeln des Rotors hindurchströmen. Insbesondere verläuft die wenigstens eine Kühlfluidleitung entlang einer gesamten Länge des Rotorblechpakets, sodass sich die wenigstens eine Kühlfluidleitung über die gesamte Länge des Rotorblechpakets zwischen den in Umfangsrichtung benachbarten Polschenkeln längs erstreckt. Somit kann mittels des die wenigstens eine Kühlfluidleitung durchströmenden Kühlfluids das Rotorblechpaket über dessen gesamte Länge gekühlt werden. Weist der Rotor die die Polschenkel umschließenden Wicklungen auf, kann sich die wenigstens eine Kühlfluidleitung zwischen einem ersten der Polschenkel zugeordneten ersten Wicklungen und einem zu dem ersten Polschenkel benachbarten zweiten Polschenkel zugeordneten zweiten Wicklungen längs erstrecken. Hierdurch können mittels des die Kühlfluidleitung
durchströmenden Kühlfluids sowohl die den ersten Polschenkel umwickelnden ersten Wicklungen als auch die den zweiten Polschenkel umwickelnden zweiten Wicklungen gekühlt werden. Die wenigstens eine Kühlfluidleitung ermöglicht somit eine besonders vorteilhafte unmittelbare Kühlung der Polschenkel beziehungsweise der den Polschenkeln zugeordneten Wicklungen, wodurch ein besonders effizienter Betrieb der elektrischen Maschine ermöglicht wird.
Um ein besonders gutes Kühlen einer jeweiligen Stirnseite des Rotors mittels des Kühlfluids zu ermöglichen und darüber hinaus ein präzises Zuführen des Kühlfluids zu der wenigstens einen Kühlfluidleitung sicherzustellen, umfasst die Rotoreinrichtung wenigstens einen Sammelring, welcher an einer Stirnseite des Rotors angeordnet ist und welcher dazu eingerichtet ist, entlang der strömendes Kühlfluid zu sammeln und für die wenigstens eine Kühlfluidleitung bereitzustellen. Der wenigstens eine Sammelring ermöglicht somit ein Einsammeln des entlang der Stirnseite des Rotors strömenden Kühlfluids, um das Kühlfluid der wenigstes einen Kühlfluidleitung zuzuführen. Folglich kann die Stirnseite des Rotors durch das an der Stirnseite entlang strömende Kühlfluid gekühlt werden und die Rotorwicklungen beziehungsweise das Rotorblechpaket des Rotors kann mittels des in der wenigstens einen Kühlfluidleitung geführten Kühlfluids gekühlt werden. Hierdurch kann besonders viel Wärme von dem Rotor mittels des Kühlfluids abtransportiert werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass in Umfangsrichtung für jeden Zwischenraum zwischen benachbarten Polschenkeln eine Kühlfluidleitung vorgesehen ist. Das bedeutet, dass die Rotoreinrichtung genauso viele Kühlfluidleitungen umfasst, wie sie Polschenkel umfasst. In Umfangsrichtung um den Rotor sind somit jeweils alternierend ein Polschenkel und eine Kühlfluidleitung angeordnet. Die Kühlfluidleitungen sind insbesondere jeweils dazu eingerichtet, das Kühlfluid in entgegengesetzter Richtung zu fördern im Vergleich zu in Umfangsrichtung unmittelbar benachbarten Kühlfluidleitungen. Das bedeutet, dass die Kühlfluidleitungen in Umfangsrichtung jeweils zueinander abwechselnde und somit alternierende Kühlfluidführungsrichtungen aufweisen. In Umfangsrichtung aufeinander folgende Kühlfluidleitungen weisen somit einander diametral entgegengesetzte Kühlfluidführungsrichtungen auf. Hierdurch kann beim Kühlen des Rotors durch das die Kühlfluidleitungen durchströmende Kühlfluid ein besonders gleichmäßiges Temperaturprofil in dem Rotor eingestellt werden. Hierbei verläuft jede der
Kühlfluidführungsrichtungen zumindest im Wesentlichen parallel zu der Mittelachse des Rotors.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass jede Kühlfluidleitung in einem jeweiligen Deckschieber integriert ist. Dieser Deckschieber kann auch als sogenannte Nutenkappe oder Nutabdeckung bezeichnet werden. Dieser Deckschieber ist dazu eingerichtet, Nuten zwischen benachbarten Polschenkeln im Rotor nach einem Wickelprozess und somit nach einem Wickeln der Wicklungen um die jeweiligen Polschenkel in radialer Richtung nach außen zu verschließen. Durch das Integrieren der jeweiligen Kühlfluidleitung in den Deckschieber kann die Kühlfluidleitung besonders gut durch den Deckschieber stabilisiert werden und darüber hinaus mittels des Deckschiebers besonders genau relativ zu den jeweiligen Polschenkeln positioniert werden. Weiterhin kann der Deckschieber eine Versteifung der jeweiligen Kühlfluidleitung ermöglichen.
Es ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die wenigstens eine Kühlfluidleitung einen Längenabschnitt aufweist, in welchem die Kühlfluidleitung umfangsseitig von einer Rotorvergussmasse umschlossen ist. Insbesondere kann die Rotorvergussmasse einen Zwischenraum zwischen den von den Wicklungen umwickelten Polschenkeln ausfüllen, wodurch mittels der Rotorvergussmasse ein Verrutschen der jeweiligen Wicklungen innerhalb des Rotors vermieden werden kann. Diese Rotorvergussmasse kann zusätzlich zu den Wicklungen die wenigstens eine Kühlfluidleitung zwischen den Polschenkeln in ihrer Position halten. Für ein Montieren der Rotoreinrichtung können somit die Rotorbleche zu dem Rotorblechpaket in Stapelrichtung aufeinander gestapelt werden, anschließend die Polschenkel mit den Wicklungen umwickelt werden, die wenigstens eine Kühlfluidleitung zwischen den benachbarten Polschenkeln angeordnet und ausgerichtet werden und anschließend ein verbleibender Zwischenraum zwischen den Polschenkeln mit der Rotorvergussmasse angefüllt werden. Hierdurch kann die wenigstens eine Kühlfluidleitung besonders gut in ihrer Position zwischen den Polschenkeln gehalten werden.
In einerweiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Rotoreinrichtung eine Hohlwelle umfasst, an welcher der Rotor drehfest gehalten ist und welche eine Rotationsachse des Rotors vorgibt. Insbesondere ist bei einem Betrieb der elektrischen Maschine der Rotor um die Hohlwelle zu rotieren. Die Hohlwelle ist dazu eingerichtet, von dem Kühlfluid durchströmt zu werden. Hierdurch kann im Inneren der
Hohlwelle Wärme von der Hohlwelle abtransportiert werden, wodurch wiederum der an der Hohlwelle gehaltene Rotor gekühlt werden kann. Weiterhin weist die Hohlwelle wenigstens eine Radialöffnung auf, über welche das Kühlfluid aus der Hohlwelle ausströmen kann, um zu der wenigstens einen Kühlfluidleitung zu strömen. Die Radialöffnung ermöglicht ein radiales Ausströmen des in der Hohlwelle fließenden Kühlfluids aus der Hohlwelle. Dieses aus der Hohlwelle ausströmende Kühlfluid kann zu der wenigstens einen Kühlfluidleitung geführt werden, um zu ermöglichen, dass mit einem einzigen Kühlkreislauf sowohl die Hohlwelle von innen als auch den Rotor über die wenigstens eine Kühlfluidleitung gekühlt wird. Das Kühlfluid kann somit in die Hohlwelle einströmen, die Hohlwelle von innen kühlen und anschließend in die wenigstens eine Kühlfluidleitung strömen, um die Polschenkel des Rotors zu kühlen. Es kann somit mittels des Kühlfluids eine besonders umfangreiche und insbesondere besonders gleichmäßige Kühlung der Rotoreinrichtung umgesetzt werden.
Es kann in diesem Zusammenhang insbesondere vorgesehen sein, dass der wenigstens eine Sammelring die Hohlwelle umfangsseitig zumindest über einen Längenabschnitt der Hohlwelle umschließt. Der wenigstens eine Sammelring ist dazu eingerichtet, das über die wenigstens eine Radialöffnung der Hohlwelle aus der Hohlwelle ausgetretene Kühlfluid zu sammeln und für die wenigstens eine Kühlfluidleitung bereitzustellen. Insbesondere kann an jeder Stirnseite des Rotors ein jeweiliger Sammelring angeordnet sein, wodurch sowohl an einer Vorderseite des Rotors als auch an einer Rückseite des Rotors radial aus der Hohlwelle austretendes Kühlfluid gesammelt und jeweiligen Kühlfluidleitungen zugeführt werden kann. Hierdurch wird die alternierende Kühlfluidführungsrichtung von in Umfangsrichtung benachbart angeordneten Kühlfluidleitungen ermöglicht. Der Sammelring ist dazu eingerichtet, über Fliehkräfte das von der Hohlwelle ausströmende Kühlfluid einzusammeln. Dieses eingesammelte Kühlfluid kann mittels des Sammelrings wiederum zu den Kühlfluidleitungen umgelenkt werden. Der wenigstens eine Sammelring ermöglicht somit, dass das über die wenigstens eine Radialöffnung der Hohlwelle austretende Kühlfluid die dem Sammelring zugeordnete Stirnfläche des Rotors kühlt und anschließend mittels des Sammelrings eingefangen und für die wenigstens eine Kühlfluidleitung bereitgestellt wird. Somit ermöglicht der wenigstens eine Sammelring ein Transportieren des Kühlfluids aus dem Inneren der Hohlwelle zu der wenigstens einen Kühlfluidleitung.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Sammelring eine in Umfangsrichtung verlaufende, zur Hohlwelle hin offene Rille aufweist, in welcher über Fliehkraft das gesammelte Kühlfluid gehalten werden kann. In der Rille kann somit das gesammelte Kühlfluid zwischengespeichert werden, um das gesammelte Kühlfluid der wenigstens einen Kühlfluidleitung bereitstellen zu können. Die Rille des Sammelrings behindert somit ein radiales Vorbeiströmen des Kühlfluids an dem Sammelring.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Sammelring für die wenigstens eine Kühlfluidleitung eine Fluidöffnung aufweist, in welcher ein Adapter eingesteckt ist. Dieser Adapter ist dazu eingerichtet, das von dem Sammelring gesammelte Kühlfluid der jeweiligen an den Adapter anschließenden Kühlfluidleitung zuzuführen. Mit anderen Worten stellt der Adapter eine fluidische Verbindung zwischen der Rille des Sammelrings und der mit dem Adapter fluidisch verbundenen Kühlfluidleitung her, um in der Rille gesammeltes Kühlfluid zu der zugeordneten Kühlfluidleitung zu führen. Der Adapter kann somit insbesondere dazu eingerichtet sein, das in der Rille gesammelte Kühlfluid in die zugeordnete Kühlfluidleitung umzulenken. Insbesondere kann der Sammelring für jede Kühlfluidleitung, welcher in der Rille gesammeltes Kühlfluid zuzuführen ist, eine Fluidöffnung aufweisen, in welcher ein jeweiliger Adapter eingesteckt ist. Der Adapter für das fluidische Verbinden des Sammelrings, insbesondere der Rille, mit der wenigstens einen Kühlfluidleitung ermöglicht, dass bei einem Bereitstellen der Rotoreinrichtung die wenigstens eine Kühlfluidleitung zwischen den zueinander in Umfangsrichtung benachbarten Polschenkeln angeordnet und gegebenenfalls mit der Rotorvergussmasse innerhalb des Rotors fixiert werden kann. Anschließend kann der wenigstens eine Sammelring an der Stirnseite des Rotors angeordnet und relativ zu dem Rotor ausgerichtet werden. Sobald der Sammelring relativ zu dem Rotor ausgerichtet ist, kann der Adapter für jede Kühlfluidleitung, welche mit dem Sammelring zu verbinden ist, in die jeweilige Fluidöffnung des Sammelrings eingesteckt werden und mit der zugeordneten Kühlfluidleitung verbunden werden. Der wenigstens eine Adapter ermöglicht somit, dass durch das Ausrichten des Sammelrings relativ zu dem Rotor Fertigungstoleranzen des Rotors beziehungsweise des Sammelrings ausgeglichen werden können. Über den Adapter kann somit eine besonders präzise und dichte fluidische Verbindung des Sammelrings mit der wenigstens einen Kühlfluidleitung sichergestellt werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Adapter eine Nut, insbesondere eine umfangsseitige Nut, aufweist, welche dazu eingerichtet ist, mit der Rotorvergussmasse des Rotors einen Formschluss auszubilden. Das bedeutet, dass der Adapter in der Rotorvergussmasse über einen Formschluss gehalten werden kann, wodurch ein Lösen des Adapters von dem Sammelring mit besonders großer Sicherheit vermieden werden kann. Bei einem Montieren der Rotoreinrichtung kann es somit vorgesehen sein, dass die wenigstens eine Kühlfluidleitung zwischen den in Umfangsrichtung benachbart zueinander angeordneten Polschenkeln angeordnet wird, der Sammelring an der Stirnfläche des Rotors angeordnet und ausgerichtet wird, der wenigstens eine Adapter in die zugeordnete Fluidöffnung des Sammelrings eingesteckt und mit der zugeordneten Kühlfluidleitung verbunden wird und anschließend ein freier Raum zwischen den in Umfangsrichtung benachbarten Polschenkeln sowie deren Wicklungen mit der Rotorvergussmasse angefüllt wird, mittels welcher sowohl die Kühlfluidleitung zwischen den Polschenkeln fixiert wird, als auch der Formschluss mit dem Adapter ausgebildet wird. Hierdurch kann eine Gefahr eines Lösens des Adapters von dem Sammelring besonders gering gehalten werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass an jeder Kühlfluidleitung ein Austrittselement angeordnet ist, über welches das Kühlfluid nach Durchströmen der jeweiligen Kühlfluidleitung aus dieser ausströmen kann, wobei das Austrittselement dazu eingerichtet ist, das Kühlfluid in radialer Richtung nach außen umzulenken. Dieses Austrittselement kann insbesondere baugleich zu dem Adapter ausgebildet sein. Das bedeutet, dass an dem ersten Ende der jeweiligen Kühlfluidleitung der Adapter anschließt und an dem zweiten Ende der jeweiligen Kühlfluidleitung das Austrittselement anschließt. Der Adapter ist dazu eingerichtet, das Kühlfluid der jeweiligen Kühlfluidleitung zuzuführen, insbesondere von dem jeweiligen Sammelring, wohingegen das Austrittselement dazu eingerichtet ist, das Kühlfluid aus der Kühlfluidleitung herauszuführen, insbesondere in radialer Richtung des Rotors. Insbesondere kann der Adapter in einem ersten Sammelring an einer ersten Stirnseite des Rotors eingesteckt sein und das Austrittselement kann in einen zweiten Sammelring an einer der ersten Stirnseite gegenüberliegenden, zweiten Stirnseite des Rotors eingesteckt sein. Bei jeweiligen zueinander alternierenden Kühlfluidführungsrichtungen von in Umfangsrichtung zueinander benachbarten Kühlfluidleitungen können die jeweiligen Sammelringe in Umfangsrichtung jeweils alternierend eingesteckte Adapter und Austrittselemente aufweisen. Analog zu dem wenigstens einen Adapter kann das wenigstens eine
Austrittselement ebenfalls eine Nut aufweisen, welche einen Formschluss mit der Rotorvergussmasse ausbilden kann. Das jeweilige Führen des Kühlfluids zu der wenigstens einen Kühlfluidleitung hin beziehungsweise von der wenigstens einen Kühlfluidleitung weg mittels des Adapters beziehungsweise mittels des Austrittselements ermöglicht eine besonders einfache Montage der Rotoreinrichtung, wobei Toleranzen jeweiliger Bauteile der Rotoreinrichtung besonders gut ausgeglichen werden können. Der Adapter und das Austrittselement können baugleich ausgebildet sein.
Weitere Merkmale der Erfindung können sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung ergeben. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung und/oder in den Figuren allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht einer Rotoreinrichtung sowie eine ausschnittsweise Vergrößerung der Rotoreinrichtung mit einer Hohlwelle, an welcher drehfest ein Rotor gehalten ist, wobei der Rotor mehrere strahlenförmig von einer Mittelachse der Hohlwelle abstehende Polschenkel umfasst, zwischen welchen in Umfangsrichtung jeweilige Kühlfluidleitungen angeordnet sind, mittels welchen aus der Hohlwelle ausgeströmtes Kühlfluid zwischen jeweiligen die Polschenkel des Rotors umwickelnden Wicklungen hindurch geführt werden kann;
Fig. 2 einen Querschnitt eines Bereichs des Rotors mit den die benachbarten
Polschenkel umwickelnden Wicklungen sowie mit der zwischen den Polschenkeln beziehungsweise den Wicklungen angeordneten Kühlfluidleitung, welche an einem Deckschieber gehalten ist, welcher wiederum gegen jeweilige an die Polschenkel anschließende Polschuhe abgestützt ist;
Fig. 3 eine schematische Perspektivansicht des Rotors mit jeweiligen
Kühlfluidleitungen, welche in regelmäßigen Abständen über einen Umfang des
Rotors verteilt am Rotor angeordnet sind, sowie mit einem Sammelring, welcher an einer Stirnseite des Rotors angeordnet ist und welcher dazu eingerichtet ist, aus der Hohlwelle ausströmendes Kühlfluid zu sammeln und den jeweiligen Kühlfluidleitungen zuzuführen;
Fig. 4 eine geschnittene Perspektivansicht zweier Sammelringe, welche jeweils an einer Stirnseite des Rotors an den Rotor anlegbar sind, sowie jeweilige sich von einem ersten der Sammelringe bis zu einem zweiten der Sammelringe erstreckende Kühlfluidleitungen, welche über jeweilige Adapter beziehungsweise Austrittselemente mit den Sammelringen verbunden sind, über welche das Kühlfluid von den Sammelringen zu den Kühlfluidleitungen beziehungsweise aus den Kühlfluidleitungen zu den Sammelringen geführt werden kann; Fig. 5 eine schematische Seitenansicht einer Kühlfluidleitung, welche an einem Deckschieber gehalten ist;
Fig. 6 eine schematische Explosionsdarstellung der Rotoreinrichtung, bei welcher die Kühlfluidleitungen sowie die Deckschieber zwischen den jeweiligen Polschenkeln des Rotors angeordnet sind, der Rotor auf die Hohlwelle aufgesteckt ist und die Sammelringe an jeweils einander gegenüberliegenden Stirnseiten des Rotors angeordnet sind, wobei die jeweiligen Adapter beziehungsweise Austrittselemente für eine besonders gute Erkennbarkeit deren Position an den Sammelringen von den Sammelringen beabstandet dargestellt sind; und
Fig. 7a-7c jeweilige unterschiedliche Perspektivansichten sowie eine geschnittene
Perspektivansicht eines der Sammelringe, welche Fluidöffnungen aufweisen, in welche jeweilige Adapter einzustecken sind, um mittels des Sammelrings eingesammeltes Kühlfluid zu den jeweiligen über die Adapter mit dem
Sammelring verbundenen Kühlfluidleitungen zu führen.
In den Figuren sind gleiche und funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In Fig. 1 ist eine Rotoreinrichtung 10 für eine elektrische Maschine gezeigt. Diese elektrische Maschine kann insbesondere dazu eingerichtet sein, ein Kraftfahrzeug mit elektrischer Energie anzutreiben. Zusätzlich zu der Rotoreinrichtung 10 kann die elektrische Maschine einen Stator umfassen, wobei durch ein Zusammenspiel zwischen der Rotoreinrichtung 10 und dem Stator elektrische Energie in ein mechanisches Drehmoment umgewandelt werden kann.
Die Rotoreinrichtung 10 umfasst einen Rotor 12, welcher ein Rotorblechpaket 14 umfasst. Dieses Rotorblechpaket 14 ist durch Aufeinanderstapeln einer Vielzahl an Rotorblechen in einer Stapelrichtung bereitgestellt. Vorliegend stellt das Rotorblechpaket 14 mehrere sternförmige radial von einer Mittelachse des Rotors 12 abstehende Polschenkel 16 bereit, welche insbesondere in den Fig. 2 und 3 besonders gut erkannt werden können.
An diese Polschenkel 16 schließen in radialer Richtung nach außen hin jeweilige Polschuhe 18 an. Wie in den Fig. 2 und 3 erkannt werden kann, werden die jeweiligen Polschenkel 16 für ein Bereitstellen von Spulen von jeweiligen Wicklungen 20 umwickelt. Der Übersichtlichkeit halber sind lediglich einige der Wicklungen 20 mit dem Bezugszeichen 20 gekennzeichnet. Um die Wicklungen 20 des Rotors 12 besonders gut kühlen zu können, umfasst die Rotoreinrichtung 10 mehrere Kühlfluidleitungen 22, welche sich mit ihrer Längserstreckungsrichtung parallel zu einer Mittelachse des Rotors 12 erstrecken.
In Fig. 2 kann die Anordnung der jeweiligen Kühlfluidleitungen 22, welche sich innerhalb des Rotors 12 erstrecken, besonders gut erkannt werden. Jede Kühlfluidleitung 22 ist in Umfangsrichtung 24 zwischen zwei Polschenkeln 16 des Rotorblechpakets 14 angeordnet. Hierbei ist die jeweilige Kühlfluidleitung 22 weiterhin in Umfangsrichtung 24 zwischen jeweils unterschiedliche Polschenkel 16 umwickelnden Wicklungen 20 angeordnet. Die Kühlfluidleitungen 22 sind dazu eingerichtet, ein Kühlfluid 26 zwischen den Polschenkeln 16 beziehungsweise zwischen den Wicklungen 20 hindurchzuführen. Hierdurch kann Wärme mittels des Kühlfluids 26 besonders gut von den Wicklungen 20 beziehungsweise von den Polschenkeln 16 aufgenommen werden. Bei dem Kühlfluid 26 kann es sich insbesondere um Öl oder um Wasser handeln. Um die jeweiligen Kühlfluidleitungen 22 besonders gut relativ zu den Polschenkeln 16 beziehungsweise relativ zu den Wicklungen 20 fixieren zu können, umfasst die Rotoreinrichtung 10 weiterhin für jede Kühlfluidleitung 22 einen Deckschieber 28. Die jeweiligen Kühlfluidleitungen 22 können gleitend an dem jeweiligen zugeordneten Deckschieber 28
gehalten sein. Der Deckschieber 28 kann gemeinsam mit den Polschuhen 18 und den Polschenkeln 16 ein Volumen umfangsseitig umschließen, in welchem die Wicklungen 20 und die jeweilige Kühlfluidleitung 22 angeordnet sind. Um ein Verschieben der Wicklungen 20 sowie der jeweiligen Kühlfluidleitung 22 in dem Volumen zu unterbinden, kann ein Freiraum in dem Volumen von einer Rotorvergussmasse angefüllt werden.
Die Rotoreinrichtung 10 umfasst des Weiteren eine Hohlwelle 30, an welcher der Rotor 12 drehfest gehalten werden kann. Das bedeutet, dass bei einer Rotation des Rotors 12 die Hohlwelle 30 mitgedreht wird beziehungsweise bei einer Rotation der Hohlwelle 30 der Rotor 12 mit der Hohlwelle 30 mitrotiert wird. Die Hohlwelle 30 umschließt einen Hohlraum 32, durch welchen das Kühlfluid 26 hindurchfließen kann. Für ein Kühlen der Hohlwelle 30 wird somit das Kühlfluid 26 in den Hohlraum 32 der Hohlwelle 30 geführt.
Um ein Kühlen sowohl der Hohlwelle 30 als auch der Wicklungen 20 beziehungsweise der Polschenkel 16 mittels des Kühlfluids 26 zu ermöglichen, weist die Hohlwelle 30 wenigstens eine Radialöffnung 34, vorliegend mehrere Radialöffnungen 34 auf, über welche das in der Hohlwelle 30 geführte Kühlfluid 26 aus der Hohlwelle 30 radial ausströmen kann. Insbesondere weist die Hohlwelle 30 wenigstens eine, insbesondere mehrere, einer ersten Stirnseite 36 des Rotors 12 zugeordnete Radialöffnungen 34 sowie wenigstens eine, vorliegend mehrere, einer zweiten Stirnseite 38 des Rotors 12 zugeordnete Radialöffnungen 34 auf.
Für ein Auffangen des radial über die jeweiligen Radialöffnungen 34 aus der Hohlwelle 30 ausströmenden Kühlfluids 26 umfasst die Rotoreinrichtung 10 vorliegend zwei Sammelringe 40, von welchen ein erster Sammelring 40 an der ersten Stirnseite 36 des Rotors 12 angeordnet ist und der zweite Sammelring 40 an der zweiten Stirnseite 38 des Rotors 12 angeordnet ist. Die jeweiligen Sammelringe 40 sind dazu eingerichtet, das über die Radialöffnungen 34 aus der Hohlwelle 30 ausströmende Kühlfluid 26 aufzufangen. Hierfür weisen die jeweiligen Sammelringe 40 jeweils eine Rille 42 auf, in welcher das von der Hohlwelle 30 radial weggeströmte Kühlfluid 26 aufgefangen werden kann. Die jeweiligen Sammelringe 40 weisen jeweils Fluidöffnungen 44 auf, wobei für jede Kühlfluidleitung 22 wenigstens eine Fluidöffnung 44 pro Sammelring 40 vorgesehen ist. In jede Fluidöffnung 44 ist vorliegend ein Adapter 46 eingesteckt. Jeder Adapter 46 ist wiederum mit einer Kühlfluidleitung 22 verbunden, insbesondere auf die zugeordnete Kühlfluidleitung 22 aufgesteckt, wodurch das Kühlfluid 26 von dem Adapter 46 zu der eingesteckten Kühlfluidleitung 22 oder von der Kühlfluidleitung 22 zu dem aufgesteckten
Adapter 46 geführt werden kann. Dieser Adapter 46 kann entweder dazu eingerichtet sein, das in der Rille 42 gesammelte Kühlfluid 26 der jeweiligen mit dem Adapter 46 verbundenen Kühlfluidleitung 22 zuzuführen, um ein Einströmen des Kühlfluids 26 in die Kühlfluidleitung 22 zu ermöglichen, oder dazu eingerichtet sein, als Austrittselement für die mit dem Adapter 46 verbundene Kühlfluidleitung 22 zu dienen. Wird der Adapter 46 als Austrittselement verwendet, dann ist der Adapter 46 dazu eingerichtet, das in der mit dem Austrittselement verbundenen Kühlfluidleitung 22 geführte Kühlfluid 26 zu empfangen und radial nach außen umzulenken, wodurch das Kühlfluid 26 radial aus dem Rotor 12 ausströmen kann. Die Adapter 46 können aus einem Kunststoff bereitgestellt sein.
Um ein jeweiliges Halten der Adapter 46 an dem Rotor 12 sicherstellen zu können, können die Adapter 46 jeweils eine Nut 48 aufweisen, über welche der jeweilige Adapter 46 einen Formschluss mit der Rotorvergussmasse ausbilden kann. In den jeweiligen Sammelringen 40 können in der Umfangsrichtung 24 jeweilige angeordnete Adapter 46 alternierend zum Zuführen des Kühlfluids 26 zu der zugeordneten Kühlfluidleitung 22 und zum Wegführen des Kühlfluids 26 von der jeweiligen zugeordneten Kühlfluidleitung 22 ausgebildet sein. Hierdurch wird ermöglicht, dass in Umfangsrichtung 24 aufeinanderfolgende und damit benachbarte Kühlfluidleitungen 22 einander diametral entgegengerichtete Kühlfluidführungsrichtungen 50 aufweisen.
Wie in Fig. 3 besonders gut erkannt werden kann, können die Kühlfluidleitungen 22 in regelmäßigen Abständen entlang der Umfangsrichtung 24 über den Umfang des Rotors 12 verteilt angeordnet sein. In Fig. 3 ist aus Übersichtlichkeitsgründen der Sammelring 40, welcher an der zweiten Stirnseite 38 des Rotors 12 anzuordnen ist, nicht gezeigt. In Fig. 4 sind die stirnseitig des Rotors 12 anzuordnenden Sammelringe 40, die Kühlfluidleitung 22 sowie die Adapter 46 gezeigt. In Fig. 4 kann besonders gut erkannt werden, dass die Adapter 46 je nach Anordnung an dem zugeordneten Sammelring 40 dazu eingerichtet sind, in der Rille 42 gesammeltes Kühlfluid 26 der jeweiligen angeschlossenen Kühlfluidleitung 22 zuzuführen oder das in der angeschlossenen Kühlfluidleitung 22 geführte Kühlfluid 26 radial nach außen umzulenken, um ein radiales Ausströmen des Kühlfluids 26 aus der Rotoreinrichtung 10 zu ermöglichen. Das Verwenden des gleichen Adapters 46 sowohl zum Führen des Kühlfluids 26 aus der Rille 42 zu der jeweiligen zugeordneten Kühlfluidleitung 22 sowie die Verwendung des Adapters 46 als
Austrittselement ermöglicht ein Bereitstellen der Rotoreinrichtung 10 mit besonders wenigen zueinander unterschiedlichen Bauteilen.
In Fig. 5 ist die gleitend an dem zugeordneten Deckschieber 28 gehaltene Kühlfluidleitung 22 separat gezeigt. Vorliegend ist der Deckschieber 28 aus Kunststoff bereitgestellt. Die Kühlfluidleitung 22 kann durch ein aus Aluminium und/oder Kupfer und/oder Stahl gebildetes Nutrohr bereitgestellt sein.
In Fig. 6 ist ein Montageschritt einer Montage der Rotoreinrichtung 10 gezeigt. Beim Montieren der Rotoreinrichtung 10 ist es vorgesehen, dass der Rotor 12 gewickelt wird. Anschließend können die Deckschieber 28 mit den Kühlfluidleitungen 22 in den Rotor 12 eingesetzt werden. Im Anschluss daran können die Sammelringe 40, bei welchen es sich insbesondere um Stützringe handeln kann, an den jeweiligen Stirnseiten 36, 38 des Rotors 12 angelegt werden. Hierbei bestehen erhöhte Anforderungen an eine Winkellage der Sammelringe 40 gegenüber jeweiligen Rotorzähnen des Rotors 12 beziehungsweise gegenüber den Kühlfluidleitungen 22. Im Anschluss daran können die als Dichtelemente wirkenden Adapter 46 in die jeweils zugeordneten Fluidöffnungen 44 der Sammelringe 40 eingesteckt werden. In einem weiteren Verfahrensschritt kann die Rotorvergussmasse über Einfüllöffnungen 52 der jeweiligen Sammelringe 40 zwischen die Polschenkel 16 des Rotors 12 eingebracht werden. Bei der Rotorvergussmasse kann es sich insbesondere um Gießharz handeln. Außenseitig an der Rotoreinrichtung 10 kann für ein Fixieren der jeweiligen Deckschieber 28 relativ zu den Sammelringen 40 für jeden Sammelring 40 ein Stahlring 54 vorgesehen sein, welcher den Rotor 12 sowie den zugeordneten Sammelring 40 umfangsseitig und damit radial nach außen umschließt. Über einen Ringspalt 56 zwischen dem Stahlring 54 und dem zugeordneten Sammelring 40 kann das von dem Austrittselement beziehungsweise dem Adapter 46 radial nach außen umgelenkte Kühlfluid 26 aus der Rotoreinrichtung 10 ausströmen.
In den Fig. 7a bis 7c ist ein Sammelring 40 in unterschiedlichen Perspektivdarstellungen beziehungsweise in einer geschnittenen Perspektivdarstellung gezeigt. Hierbei ist der Sammelring 40 außenumfangsseitig von dem Stahlring 54 umschlossen. Wie in Fig. 7a besonders gut erkannt werden kann, können in Umfangsrichtung 24 alternierend jeweilige Einfüllöffnungen 52 für die Rotorvergussmasse und jeweilige Fluidöffnungen 44 angeordnet sein. In Umfangsrichtung 24 aufeinanderfolgende Fluidöffnungen 44 können alternierend dazu eingerichtet sein, jeweilige Adapter 46 aufzunehmen, welche dazu
eingerichtet sind, von der Rille 42 gesammeltes Kühlfluid 26 der zugeordneten Kühlfluidleitung 22 zuzuführen beziehungsweise von der zugeordneten Kühlfluidleitung 22 empfangenes Kühlfluid 26 radial nach außen von der Kühlfluidleitung 22 weg und über den Ringspalt 56 aus der Rotoreinrichtung 10 hinauszuführen. Hierfür können in Umfangsrichtung 24 zueinander benachbarte Adapter 46 in ihrer Ausrichtung relativ zu einer Mittelachse des Rotors 12 beziehungsweise der Hohlwelle 30 verdreht, insbesondere um 180 Grad um die Mittelachse des Rotors 12 in ihrer Ausrichtung relativ zu der Mittelachse des Rotors 12 verdreht sein.
Vorliegend weisen die jeweiligen Adapter 46 ein Grundelement mit einem im Wesentlichen dreieckigen Querschnitt auf, wobei die Grundelemente der als Austrittselemente dienenden Adapter 46 mit einer Spitze zu der Mittelachse des Rotors 12 hin ausgerichtet sind. Diejenigen Adapter 46, welche dazu eingerichtet sind, das Kühlfluid 26 aus der Rille 42 des jeweiligen Sammelrings 40 der angeschlossenen Kühlfluidleitung 22 zuzuführen, sind mit ihrem Grundelement derart in den jeweiligen zugeordneten Sammelring 40 eingesteckt, dass eine Spitze des dreieckförmigen Querschnitts des Grundelements von der Mittelachse des Rotors 12 weg weist. Durch ein jeweiliges Einstellen der Ausrichtung des Adapters 46, insbesondere des Grundelements des jeweiligen Adapters 46, relativ zu der Mittelachse des Rotors 12 beziehungsweise der Mittelachse der Hohlwelle 30 kann somit der Adapter 46 als Austrittselement oder für ein Zuführen des Kühlfluids 26 aus der Rille 42 des jeweiligen Sammelrings 40 in die zugeordnete Kühlfluidleitung 22 dienen.
Der beschriebenen Erfindung liegt die Grundidee zugrunde, das Kühlfluid 26 nach dem Ausspritzen aus der Hohlwelle 30 an den Stirnseiten 36, 38 aufzufangen und zwischen Nuten des Rotors 12 der stromerregten Synchronmaschine zu leiten. Das Kühlfluid 26 kann auf der gegenüberliegenden Seite des Rotors 12 austreten und dort Wickelköpfe des Stators der elektrischen Maschine kühlen. Durch die Führung des Kühlfluids 26 in einer Rotornut des Rotors 12 kann Wärme am Entstehungsort abgeführt werden, wodurch besonders viel Wärme aus dem Rotor 12 abgeführt werden kann. Zusätzlich kann der Rotor 12 durch eine Hohlwellenkühlung der Hohlwelle 30 mittels des Kühlfluids 26 aktiv gekühlt werden.
Das Kühlfluid 26 spritzt aus der Hohlwelle 30 auf beiden Seiten des Rotors 12 aus. An den Stirnseiten 36, 38 des Rotors 12 ist jeweils der nach innen offene Sammelring 40,
welcher die Rille 42 zum Auffangen des Kühlfluids 26 aufweist, angeordnet, wobei sich in der Rille 42 das Kühlfluid 26 sammelt. Das Kühlfluid 26 kann hierbei durch eine Fliehkraft im jeweiligen Sammelring 40 gehalten und radial nach außen gedrückt werden. Der jeweilige Sammelring 40 stellt gleichzeitig einen Überlauf für den Fall dar, dass die Kühlfluidleitungen 22 einen Kühlfluidstrom, insbesondere einen Ölvolumenstrom, nicht vollständig aufnehmen können. In diesem Fall tritt das Kühlfluid 26 über eine Kante des jeweiligen Sammelrings 40 und strömt radial nach außen unmittelbar auf einen jeweiligen Wickelkopf. Bei einer Fertigung von Rotorstirnseiten des Rotors 12 aus Aluminium kann das Kühlfluid 26 im Bereich des Sammelrings 40 bereits Wärme von den Wicklungen 20 des Rotors 12 aufnehmen.
Aus dem jeweiligen Sammelring 40 wird das Kühlfluid 26 durch radiale Bohrungen, die an den Stirnseiten 36, 38 des Rotors 12 angeordnet sind, in die jeweiligen Adapter 46 geführt. Der jeweilige Adapter 46 stellt eine Brücke zwischen dem jeweiligen Sammelring 40 an der Stirnseite 36 beziehungsweise 38 und den Kühlfluidleitungen 22 dar. Der Adapter 46 kann vorzugsweise aus einem elastischen Kunststoff bestehen und mehrere Funktionen vereinen. Zum einen ermöglicht der Adapter 46 eine Abdichtung gegenüber dem jeweiligen Sammelring 40 sowie der Kühlfluidleitungen 22 zur Vermeidung von ungewolltem Kühlfluidaustritt sowie zur Vermeidung von Eintritt von Rotorvergussmasse in der Herstellung. Weiterhin ermöglicht der Adapter 46 einen Längenausgleich der Kühlfluidleitungen 22 und des Rotorblechpakets 14 aufgrund von Fertigungstoleranzen. Weiterhin ermöglicht der Adapter 46 einen Ausgleich eines Verdrehwinkels der Sammelringe 40 gegenüber den Kühlfluidleitungen 22 aufgrund von Fertigungstoleranzen. Überdies ermöglicht der Adapter 46 eine Sicherung vor Herausrutschen des Adapters 46 durch Formschluss mit der Rotorvergussmasse durch die Nut 48, die von der Rotorvergussmasse umschlossen werden kann. Der Adapter 46 kann axial von außen in dem jeweiligen Sammelring 40 montiert werden, wobei diese Montage einen letzten Schritt in der Montage der Rotoreinrichtung 10 darstellen kann. Hierdurch können die Sammelringe 40 bei der Montage relativ zu dem Rotor 12 rotiert werden und kollidieren bei dieser Rotation nicht mit den Kühlfluidleitungen 22.
Die Kühlfluidleitungen 22, welche insbesondere aus einem Metall bereitgestellt sind, führen das Kühlfluid 26 an einen Entstehungsort der Wärme, an die Wicklungen 20 der stromerregten Synchronmaschine. Eine Strömungsführung des Kühlfluids 26 ist derart gestaltet, dass die Kühlfluidführungsrichtung 50 in den Nuten und somit in
Umfangsrichtung 24 zwischen den jeweiligen Polschenkeln 16 alterniert. Das bedeutet, dass in jeder zweiten Kühlfluidleitung 22 das Kühlfluid 26 in einer ersten Richtung strömt und in den verbleibenden Kühlfluidleitungen 22 das Kühlfluid 26 in einer zu der ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung strömt. Die jeweiligen Kühlfluidleitungen 22 können in den jeweiligen zugeordneten Deckschieber 28 integriert werden, insbesondere mittels Umspritzen mit einem Thermoplasten oder einem Duroplasten. Die Kühlfluidleitungen 22 und/oder die Deckschieber 28 können alternativ aus hochwärmeleitfähiger Keramik gefertigt werden. Insbesondere können die Kühlfluidleitungen 22 und die zugeordneten Deckschieber 28 einstückig oder zweistückig gefertigt werden.
Im Anschluss an ein Durchströmen der Kühlfluidleitungen 22 strömt das Kühlfluid 26 von dem Rotor 12 ausgehend radial nach außen. Hierbei kann der weitere Adapter 46 zum Einsatz kommen, welcher als Austrittselement dient und um 180 Grad gedreht relativ zur Mittelachse des Rotors 12 beziehungsweise der Hohlwelle 30 montiert ist im Vergleich zu jeweiligen Adaptern 46, mittels welchen das Kühlfluid 26 von dem jeweiligen Sammelring 40 in die zugeordnete Kühlfluidleitung 22 zu leiten ist. Hierdurch wird das Kühlfluid 26 mittels des als Austrittselement dienenden Adapters 46 von der Kühlfluidleitung 22 ausgehend nach außen geleitet. Das Kühlfluid 26 kann durch Bohrungen in jeweiligen Rotorstirnseiten auf Wickelköpfe des Stators strömen.
Insgesamt zeigt die Erfindung, wie eine Hochleistungskühlung für Rotoren 12 elektrischer Antriebsmaschinen bereitgestellt werden kann.
Bezugszeichenliste
10 Rotoreinrichtung
12 Rotor
14 Blechpaket
16 Polschenkel
18 Polschuh
20 Wicklung
22 Kühlfluidleitung
24 Umfangsrichtung
26 Kühlfluid
28 Deckschieber
30 Hohlwelle
32 Hohlraum
34 Radialöffnung
36 erste Stirnseite
38 zweite Stirnseite
40 Sammelring
42 Rille
44 Fluidöffnung
46 Adapter
48 Nut
50 Kühlfluidführungsrichtung
52 Einfüllöffnung
54 Stahlring