WO2022258281A1 - Blechpaketeinrichtung für eine elektrische maschine sowie elektrische maschine - Google Patents

Blechpaketeinrichtung für eine elektrische maschine sowie elektrische maschine Download PDF

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WO2022258281A1
WO2022258281A1 PCT/EP2022/062613 EP2022062613W WO2022258281A1 WO 2022258281 A1 WO2022258281 A1 WO 2022258281A1 EP 2022062613 W EP2022062613 W EP 2022062613W WO 2022258281 A1 WO2022258281 A1 WO 2022258281A1
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WO
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laminated core
core device
heat
thermally conductive
insert
Prior art date
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PCT/EP2022/062613
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French (fr)
Inventor
Joachim Maerz
Thomas Hoefler
Korbinian KOENIG-PETERMAIER
Maximilian Martens
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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Publication date
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    • 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
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    • H02K9/22—Arrangements for cooling or ventilating by solid heat conducting material embedded in, or arranged in contact with, the stator or rotor, e.g. heat bridges
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    • H—ELECTRICITY
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    • H02K9/00—Arrangements for cooling or ventilating
    • H02K9/22—Arrangements for cooling or ventilating by solid heat conducting material embedded in, or arranged in contact with, the stator or rotor, e.g. heat bridges
    • H02K9/225—Heat pipes
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K9/00—Arrangements for cooling or ventilating
    • H02K9/22—Arrangements for cooling or ventilating by solid heat conducting material embedded in, or arranged in contact with, the stator or rotor, e.g. heat bridges
    • H02K9/227—Heat sinks

Definitions

  • the invention relates to a laminated core device for an electrical machine and an electrical machine.
  • Ohmic losses in rotor windings and stator windings as well as iron losses in laminated cores exposed to alternating magnetic fields must be supplied to a heat sink or cooled in order to avoid overheating of the insulation of the windings or magnets in permanently excited machines, for example.
  • cooling current-carrying components of the electrical machine improves the efficiency of the electrical machine, since the electrical resistance decreases at low operating temperatures and ohmic power losses decrease. It is therefore already generally known to cool electrical machines, for example by means of a water jacket in the housing, by means of open or closed air cooling or in the rotating rotor, for example by means of a liquid-cooled hollow shaft.
  • EP 2 807732 B1 discloses an electrical machine with a stator, a rotor mounted so as to be rotatable about an axis of rotation, and a shaft on which the rotor is fastened.
  • the rotor includes a laminated core made from a first material and a cast-on short-circuit ring made from a second material, the second material having a specific thermal conductivity that is greater than a specific thermal conductivity of the first material.
  • This cast-on short ring has an attachment area on, which is directly connected to the shaft. This short-circuit ring can be used to transfer waste heat from the rotor to the shaft.
  • the invention relates to a laminated core device for an electrical machine, with a plurality of laminates stacked on top of one another in a stacking direction.
  • This electrical machine is in particular an electric motor for a motor vehicle, by means of which the motor vehicle can be driven via electrical energy.
  • the respective sheets stacked in the stacking direction may be wound with a wire to provide a coil and an electromagnet via this coil.
  • heat can develop in the coils, which can adversely affect the efficiency of the electrical machine.
  • a single thermal connection between motor windings or stator windings and a cooled hollow shaft or a housing cooling jacket is heat conduction via the laminated core, which due to its structure only provides comparatively poor thermal conductivity.
  • the respective laminations of the laminated core are made of steel coated with a paint.
  • the laminated core device has at least one thermally conductive insert which is stacked between two metal sheets in the stacking direction and which has a higher thermal conductivity than the adjacent metal sheets.
  • the thermal conductivity of the entire laminated core device can thus be improved by means of the at least one thermally conductive insert, as a result of which heat can be transported away particularly well from the laminates of the laminated core device.
  • the laminations of the laminated core device are cooled particularly well, which in turn results in a particularly high degree of efficiency of the electrical machine having the laminated core device can be reached.
  • the at least one thermally conductive insert is stacked together with the metal sheets in the stacking direction, as a result of which the thermally conductive insert rests against a metal sheet on opposite side surfaces in each case.
  • the thermally conductive insert can transport heat away from the adjacent metal sheets, as a result of which the metal sheets of the laminated core device can be cooled particularly well. Due to the arrangement of the at least one heat-conducting insert between the laminations of the laminated core device, a particularly large amount of heat can be dissipated from the laminated core device.
  • the laminated core device has a cooling side, in which all the laminated cores of the laminated core device can be placed against a heat sink.
  • the at least one heat-conducting insert is flush with the metal sheets on this cooling side.
  • the heat sink is set up to transport the heat received from the laminated core device away from the laminated core device in order to cool the laminated core device. Due to the fact that all of the laminations of the laminated core device can be placed against the heat sink on the cooling side, heat can be released from all of the laminations of the laminated core device to the heat sink.
  • the at least one heat-conducting insert is flush with the stacked metal sheets on the cooling side, the at least one heat-conducting insert with the metal sheets can also be placed against the heat sink, which means that heat can be transferred to the heat sink via the at least one heat-conducting insert. This enables particularly good heat dissipation from the laminated core device to the heat sink.
  • the at least one heat-conducting insert comprises aluminum and/or copper.
  • the at least one heat-conducting insert is made of aluminum or of copper or of an aluminum alloy or of a copper alloy.
  • the thermally conductive insert if it comprises aluminum and/or copper, has a higher thermal conductivity than the sheets, which means that the at least one thermally conductive insert can be used to increase the thermal conductivity of the entire laminated core device. The provision of the at least one heat-conducting insert in the laminated core device thus enables particularly good cooling of the laminates.
  • the at least one thermally conductive insert is hollow, with at least one fluid being filled in a cavity of the thermally conductive insert.
  • the fluid heat can be absorbed by the metal sheets adjoining the heat-conducting insert and transported to the cooling side, as a result of which the heat can be transferred from the fluid to the heat sink via the cooling side.
  • the provision of the thermally conductive insert with the cavity allows the fluid to flow within the cavity, as a result of which heat can be transferred particularly easily and quickly via the fluid from areas of the thermally conductive insert facing away from the cooling side to the cooling side of the thermally conductive insert by flowing the fluid.
  • the fluid thus enables heat to be removed particularly quickly from the laminated core device via the cooling side to the heat sink.
  • a thermal oil is filled into the cavity as the fluid.
  • the thermal oil is in particular particularly temperature-resistant, as a result of which the risk of the thermal oil decomposing when the thermal oil is used in hot areas of the electrical machine can be kept particularly low.
  • the thermal oil enables the laminated core device to be reliably cooled when it is used in the electric machine, even when heat develops in the electric machine.
  • the at least one heat-conducting insert is designed as a two-phase thermosiphon.
  • the at least one heat-conducting insert is hollow, with the fluid being arranged in the cavity of the heat-conducting insert, which fluid changes its state of aggregation at least once, in particular several times, for cooling the laminated core device.
  • Water for example, can be filled into the cavity of the thermally conductive insert as the fluid.
  • the cavity of the thermally conductive insert is evacuated and only partially filled with water.
  • the water in the cavity can be at least partially evaporated from its liquid state when the rotor rotates due to heat absorption by the thermally conductive insert from surrounding metal sheets.
  • Centrifugal forces can also cause liquid water to collect radially, starting from an axis of rotation of the rotor, in an outer area of the cavity, whereas the water vaporized into water vapor collects in an inner area of the cavity facing the axis of rotation.
  • This inner area of the cavity is arranged in particular facing the cooling side of the at least one heat-conducting insert.
  • the water vapor collected in the inner area of the cavity can be cooled via the cooling side of the laminated core device by dissipating heat from the laminated core device or from the water vapor to the heat sink and consequently condensed.
  • the condensed water flows from the inner portion to the outer portion of the cavity due to the centrifugal force when the rotor rotates about the axis of rotation.
  • Due to the design of the heat-conducting insert as a two-phase thermosiphon, a particularly large amount of heat can be dissipated particularly quickly from the laminated core device via the at least one heat-conducting insert to the heat sink.
  • the outer edge of the at least one heat-conducting insert remains behind the metal sheets in the region of a pole shoe of the laminated core device.
  • the at least one heat-conducting insert in the region of the pole shoe provided by the laminated core device can end set back behind an outer edge of the respective laminations.
  • the at least one thermally conductive insert begins at a distance from the air gap, with the air gap running radially outside of the pole shoe. As a result, the occurrence of eddy current losses in the thermally conductive inserts can be reduced.
  • the plurality of thermally conductive inserts can each have equal spacings from one another in the stacking direction. This allows a particularly uniform cooling of the thermally conductive insert Laminated core device can be achieved. For example, every ten metal sheets stacked one on top of the other in the stacking direction can be followed by a thermally conductive insert in the stacking direction, which in turn is followed by ten metal sheets stacked one on top of the other in the stacking direction.
  • the invention also relates to an electrical machine, having a stator and a rotor which can be rotated about an axis of rotation relative to the stator.
  • the stator and/or the rotor comprise a laminated core device, as has already been described in connection with the laminated core device according to the invention.
  • Advantages and advantageous developments of the laminated core device according to the invention are to be regarded as advantages and advantageous developments of the electrical machine and vice versa.
  • the provision of the laminated core device in the stator and/or the rotor of the electric machine allows the electric machine to be operated with a particularly high degree of efficiency and overheating of the electric machine can be at least essentially avoided.
  • the rotor comprises the laminated core device, as has already been described in connection with the laminated core device according to the invention, and the laminated core device rests with its cooling side on a cooled rotor shaft of the electric machine.
  • the rotor shaft defines the axis of rotation for the rotor.
  • the rotor shaft can be designed, for example, as a hollow shaft through which a cooling fluid can flow.
  • Fig. 1 shows a schematic perspective view of a laminated core device, which is part of a rotor of an electrical machine shown in detail and which bears against a rotor shaft of the electrical machine, as a result of which the laminated core device can be rotated about a rotor axis provided by the rotor shaft, the laminated core device having several in one
  • FIG. 2 shows a schematic perspective view of the laminated core device in a further embodiment, in which a cross-sectional geometry of heat-conducting inserts arranged between respective laminations differs from the cross-sectional geometry of the laminations of the laminated core device in the region of a pole shoe.
  • identical and functionally identical elements are provided with the same reference symbols.
  • FIG. 1 and FIG. 2 show a laminated core device 10 which is part of a rotor of an electrical machine.
  • This electrical machine can be set up in particular to drive a motor vehicle.
  • the core assembly 10 forms a 60 degree segment of the rotor.
  • the laminated core device 10 comprises a multiplicity of individual laminations 12 which are stacked on top of one another in a stacking direction 14 .
  • the laminated core device 10 has a cooling side 16 on which the laminations 12 of the laminated core device 10 can be placed against a rotor shaft 18, as shown in FIG.
  • the rotor shaft 18 shown in detail in FIG.
  • the laminated core device 10 comprises at least one heat-conducting insert 20, here a plurality of heat-conducting inserts 20.
  • the respective heat-conducting inserts 20 are flat and their outer contour is adapted to an outer contour of the metal sheets 12 .
  • the thermally conductive inserts 20 cover the sheets 12 in the stacking direction 14. In the configuration of the thermally conductive inserts 20 shown in FIG.
  • the respective thermally conductive inserts 20 are stacked in the stacking direction 14 between respective metal sheets 12 of the laminated core device 10 .
  • the respective thermally conductive inserts 20 can have regular spacing from one another in the stacking direction 14 .
  • a thermally conductive insert 20 can be arranged in the stacking direction 14 for every five sheets 12 stacked on top of one another.
  • the heat-conducting inserts 20 end flush with the metal sheets 12 , as a result of which the heat-conducting inserts 20 can be applied to the rotor shaft 18 together with the metal sheets 12 . Heat can thus be transferred from the thermally conductive inserts 20 to the rotor shaft 18 via thermal conduction.
  • the heat-conducting inserts 20 are also set up to absorb heat from adjacent metal sheets 12 in order to emit this absorbed heat to the heat sink on the cooling side 16 .
  • the thermally conductive inserts 20 have a higher thermal conductivity than the metal sheets 12.
  • the thermally conductive inserts 20 are made of copper.
  • the thermally conductive inserts 20 can be made of aluminum.
  • the thermally conductive inserts 20 can be designed with a cavity and thus hollow. A fluid can be filled in this cavity.
  • this fluid is a thermal oil or water. If water is filled into the cavity of the respective thermally conductive inserts 20, with a region of the cavity being evacuated, then those thermally conductive inserts 20 are designed as a so-called two-phase thermosiphon.
  • the heat-conducting inserts 20 can remain behind the laminations 12 with their respective outer edges, as can be seen in FIG. In the area of the pole shoe 22, the thermally conductive inserts 20 are not flush with the metal sheets 12 radially outwards. In one of the rotor shaft 18 In the area of the laminated core device facing them, the heat-conducting inserts 20 are designed to completely cover the metal sheets 12 and have an at least essentially identical external geometry.
  • At least one slot insulation 24 can be arranged on the side of the laminated core device 10 .
  • thermally conductive inserts 20 with good thermal conductivity, in particular discs made of copper or aluminum, between the metal sheets 12, an average thermal conductivity of the laminated core device 10 can be significantly increased and thus improved heat transport from a winding into the heat sink is achieved can be. This directly increases a continuous output of the electrical machine.
  • the thermally conductive inserts 20 can be designed as hollow discs which are filled with a gaseous medium, a liquid medium or a phase change medium, which works according to the principle of a two-phase thermosiphon or a heat pump in particular can allow strong heat conduction.
  • an active length of the electrical machine can be shortened by a thickness of the heat-conducting inserts 20, so that a longer stator or rotor has to be built for the same torque, or the currents provided have to be increased.
  • the improved cooling provided by the thermally conductive inserts 20 can at least partially compensate for the associated losses.
  • a heat output that can be dissipated increases by approximately 50 percent at the same temperature difference across the laminated core device 10 .

Landscapes

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

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Blechpaketeinrichtung (10) für eine elektrische Maschine, mit mehreren in einer Stapelrichtung (14) aufeinander gestapelten Blechen (12) und mit wenigstens einem Wärmeleiteinleger (20), welcher in der Stapelrichtung (14) zwischen zwei Bleche (12) gestapelt ist und welcher eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist als die anliegenden Bleche (12).

Description

Blechpaketeinrichtung für eine elektrische Maschine sowie elektrische Maschine Die Erfindung betrifft eine Blechpaketeinrichtung für eine elektrische Maschine sowie eine elektrische Maschine.
Ohmsche Verluste in Rotorwicklungen und Statorwicklungen sowie Eisenverluste in von Wechselmagnetfeldern beaufschlagten Blechpaketen sind einer Wärmesenke zuzuführen beziehungsweise zu kühlen, um ein Überhitzen beispielsweise einer Isolation der Wicklungen oder von Magneten bei permanenterregten Maschinen zu vermeiden.
Darüber hinaus verbessert eine Kühlung von stromführenden Bauteilen der elektrischen Maschine den Wirkungsgrad der elektrischen Maschine, da bei niedrigen Betriebstemperaturen der elektrische Widerstand sinkt und ohmsche Verlustleistungen zurückgehen. Es ist daher bereits allgemein bekannt, elektrische Maschinen zu kühlen, beispielsweise durch einen Wassermantel im Gehäuse, durch offene oder geschlossene Luftkühlung oder im drehenden Rotor beispielsweise durch eine flüssigkeitsgekühlte Hohlwelle. Die EP 2 807732 B1 offenbart eine elektrische Maschine mit einem Stator, einen um eine Drehachse drehbar gelagerten Rotor und einer Welle, auf der der Rotor befestigt ist. Der Rotor umfasst ein Blechpaket aus einem ersten Material und einem angegossenen Kurzschlussring aus einem zweiten Material, wobei das zweite Material eine spezifische Wärmeleitfähigkeit aufweist, die größer ist als eine spezifische Wärmeleitfähigkeit des ersten Materials. Dieser angegossene Kurzschlussring weist einen Befestigungsbereich auf, der direkt an der Welle angebunden ist. Dieser Kurzschlussring kann zur Übertragung von Abwärme des Rotors auf die Welle verwendet werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Lösung zu schaffen, welche ein besonders gleichmäßiges und gutes Kühlen von Blechpaketen einer elektrischen Maschine 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 Blechpaketeinrichtung für eine elektrische Maschine, mit mehreren in einer Stapelrichtung aufeinander gestapelten Blechen. Bei dieser elektrischen Maschine handelt es sich insbesondere um einen Elektromotor für ein Kraftfahrzeug, mittels welchem das Kraftfahrzeug über elektrische Energie antreibbar ist. Die jeweiligen in der Stapelrichtung aufeinander gestapelten Bleche können mit einem Draht umwickelt werden, um eine Spule und über diese Spule einen Elektromagneten bereitzustellen. Infolge von ohmschen Verlusten in diesen Spulen kann sich Wärme in den Spulen entwickeln, welche einen Wirkungsgrad der elektrischen Maschine negativ beeinflussen kann. Infolgedessen ist es vorgesehen, dass das Blechpaket gekühlt wird. Eine einzige thermische Verbindung zwischen Motorwicklungen oder Statorwicklungen und einer gekühlten Hohlwelle beziehungsweise einem Gehäusekühlmantel ist eine Wärmeleitung über das Blechpaket, welches aufgrund seines Aufbaus lediglich eine vergleichsweise schlechte Wärmeleitfähigkeit bereitstellt. Insbesondere sind die jeweiligen Bleche des Blechpakets aus einem mit einem Lack beschichteten Stahl bereitgestellt.
Um eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit in der Blechpaketeinrichtung zu erreichen, ist es vorgesehen, dass die Blechpaketeinrichtung wenigstens einen Wärmeleiteinleger aufweist, welcher in der Stapelrichtung zwischen zwei Blechen gestapelt ist und welcher eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist als die anliegenden Bleche. Mittels des wenigstens einen Wärmeleiteinlegers ist somit eine Wärmeleitfähigkeit der gesamten Blechpaketeinrichtung verbesserbar, wodurch Wärme besonders gut von den Blechen der Blechpaketeinrichtung abtransportiert werden kann. Infolgedessen erfolgt eine besonders gute Kühlung der Bleche der Blechpaketeinrichtung, wodurch wiederum ein besonders hoher Wirkungsgrad der die Blechpaketeinrichtung aufweisenden elektrischen Maschine erreicht werden kann. Der wenigstens eine Wärmeleiteinleger ist gemeinsam mit den Blechen in der Stapelrichtung gestapelt, wodurch der Wärmeleiteinleger an jeweils gegenüberliegenden Seitenflächen jeweils an einem Blech anliegt. Hierdurch kann der Wärmeleiteinleger von den anliegenden Blechen Wärme abtransportieren, wodurch die Bleche der Blechpaketeinrichtung besonders gut gekühlt werden können. Aufgrund der Anordnung des wenigstens einen Wärmeleiteinlegers zwischen den Blechen der Blechpaketeinrichtung kann besonders viel Wärme aus der Blechpaketeinrichtung abgeführt werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Blechpaketeinrichtung eine Kühlseite aufweist, in welcher sämtliche Bleche der Blechpaketeinrichtung an eine Wärmesenke anlegbar sind. An dieser Kühlseite schließt der wenigstens eine Wärmeleiteinleger mit den Blechen bündig ab. Die Wärmesenke ist dazu eingerichtet, die von der Blechpaketeinrichtung empfangene Wärme von der Blechpaketeinrichtung abzutransportieren, um die Blechpaketeinrichtung zu kühlen. Dadurch, dass sämtliche Bleche der Blechpaketeinrichtung an der Kühlseite an die Wärmesenke angelegt werden können, kann von sämtlichen Blechen der Blechpaketeinrichtung Wärme an die Wärmesenke abgegeben werden. Aufgrund des bündigen Abschließens der wenigstens einen Wärmeleiteinlegers mit den aufeinandergestapelten Blechen an der Kühlseite ist zusätzlich der wenigstens eine Wärmeleiteinleger mit den Blechen an die Wärmesenke anlegbar, wodurch über den wenigstens einen Wärmeleiteinleger Wärme an die Wärmesenke übertragen werden kann. Hierdurch wird ein besonders guter Wärmeabtransport von der Blechpaketeinrichtung an die Wärmesenke ermöglicht.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der wenigstens eine Wärmeleiteinleger Aluminium und/oder Kupfer umfasst. Beispielsweise ist der wenigstens eine Wärmeleiteinleger aus Aluminium oder aus Kupfer oder aus einer Aluminiumlegierung oder aus einer Kupferlegierung gebildet. Insbesondere bei der Ausbildung der Bleche aus beschichtetem, insbesondere lackiertem Stahl, weist der Wärmeleiteinleger, wenn dieser Aluminium und/oder Kupfer umfasst, eine höhere Wärmeleitfähigkeit als die Bleche auf, wodurch mittels des wenigstens einen Wärmeleiteinlegers eine Wärmeleitfähigkeit der gesamten Blechpaketeinrichtung erhöht werden kann. Das Vorsehen des wenigstens einen Wärmeleiteinlegers in der Blechpaketeinrichtung ermöglicht somit eine besonders gute Kühlung der Bleche. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der wenigstens eine Wärmeleiteinleger hohl ausgebildet ist, wobei in einem Hohlraum des Wärmeleiteinlegers wenigstens ein Fluid eingefüllt ist. Mittels des Fluids kann Wärme von den an den Wärmeleiteinleger angrenzenden Blechen aufgenommen und zu der Kühlseite hin transportiert werden, wodurch über die Kühlseite die Wärme von dem Fluid an die Wärmesenke übertragen werden kann. Das Vorsehen des Wärmeleiteinlegers mit dem Hohlraum ermöglicht, dass das Fluid innerhalb des Hohlraums strömt, wodurch Wärme von von der Kühlseite abgewandten Bereichen des Wärmeleiteinlegers über das Fluid besonders einfach und schnell zu der Kühlseite des Wärmeleiteinlegers durch Strömen des Fluids übertragen werden kann. Das Fluid ermöglicht somit einen besonders schnellen Wärmeabtransport von Wärme aus der Blechpaketeinrichtung über die Kühlseite an die Wärmesenke. In diesem Zusammenhang kann es insbesondere vorgesehen sein, dass als Fluid ein Thermoöl in den Hohlraum eingefüllt ist. Das Thermoöl ist insbesondere besonders temperaturbeständig, wodurch eine Gefahr einer Zersetzung des Thermoöls bei einem Einsatz des Thermoöls in heißen Bereichen der elektrischen Maschine besonders gering gehalten werden kann. Das Thermoöl ermöglicht ein zuverlässiges Kühlen der Blechpaketeinrichtung bei deren Einsatz in der elektrischen Maschine auch bei Hitzeentwicklung in der elektrischen Maschine.
In einerweiteren alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass der wenigstens eine Wärmeleiteinleger als Zweiphasen-Thermosiphon ausgebildet ist. Das bedeutet, dass der wenigstens eine Wärmeleiteinleger hohl ausgebildet ist, wobei in dem Hohlraum des Wärmeleiteinlegers das Fluid angeordnet ist, welches für ein Kühlen der Blechpaketeinrichtung seinen Aggregatszustand wenigstens einmal, insbesondere mehrmals, ändert. Als das Fluid kann beispielsweise Wasser in den Hohlraum des Wärmeleiteinlegers eingefüllt werden. Hierbei wird der Hohlraum des Wärmeleiteinlegers evakuiert und lediglich teilweise mit dem Wasser befüllt. Bei einem Einsatz des wenigstens einen Wärmeleiteinlegers in der Blechpaketeinrichtung für einen Rotor der elektrischen Maschine kann bei einem Rotieren des Rotors aufgrund von Wärmeaufnahme des Wärmeleiteinlegers von umliegenden Blechen das Wasser in dem Hohlraum von seinem flüssigen Zustand ausgehend zumindest teilweise verdampft werden. Infolge von beim Rotieren des Rotors in dem Hohlraum auftretenden Zentrifugalkräften kann sich weiterhin flüssiges Wasser radial ausgehend von einer Rotationsachse des Rotors in einem äußeren Bereich des Hohlraums sammeln, wohingegen das zu Wasserdampf verdampfte Wasser sich an einem der Rotationsachse zugewandten, inneren Bereich des Hohlraums sammelt. Dieser innere Bereich des Hohlraums ist insbesondere der Kühlseite des wenigstens einen Wärmeleiteinlegers zugewandt angeordnet. Infolgedessen kann der in dem inneren Bereich des Hohlraums gesammelte Wasserdampf über die Kühlseite der Blechpaketeinrichtung durch Abführen von Wärme aus der Blechpaketeinrichtung beziehungsweise von dem Wasserdampf zu der Wärmesenke gekühlt und infolgedessen kondensiert werden. Das kondensierte Wasser strömt aufgrund der Zentrifugalkraft bei der Rotation des Rotors um die Rotationsachse von dem inneren Bereich in den äußeren Bereich des Hohlraums. Hierdurch resultiert in dem Hohlraum eine Kreislaufströmung des Wassers, wobei aufgrund des Phasenwechsels des Wassers besonders viel Wärme von den an den Wärmeleiteinleger angrenzenden Blechen weg transportiert und zu der Kühlseite und insbesondere über die Kühlseite zu der Wärmesenke hin transportiert werden kann. Aufgrund des Ausbildens des Wärmeleiteinlegers als Zweiphasen-Thermosiphon kann somit besonders viel Wärme besonders schnell aus der Blechpaketeinrichtung über den wenigstens einen Wärmeleiteinleger zu der Wärmesenke abgeführt werden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der wenigstens eine Wärmeleiteinleger im Bereich eines Polschuhs der Blechpaketeinrichtung mit seiner äußeren Kante hinter den Blechen zurückbleibt. Insbesondere bei einem Einsatz der Blechpaketeinrichtung in dem Rotor der elektrischen Maschine kann somit der wenigstens eine Wärmeleiteinleger im Bereich des durch die Blechpaketeinrichtung bereitgestellten Polschuhs hinter einer äußeren Kante der jeweiligen Bleche zurückversetzt enden. Mit anderen Worten beginnt der wenigstens eine Wärmeleiteinleger erst in einem Abstand vom Luftspalt, wobei der Luftspalt radial außerhalb des Polschuhs verläuft. Hierdurch kann ein Entstehen von Wirbelstromverlusten in den Wärmeleiteinlegern vermindert werden.
In einerweiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass mehrere Wärmeleiteinleger in regelmäßigen Abständen zwischen den gestapelten Blechen angeordnet sind. Mit anderen Worten können die mehreren Wärmeleiteinleger in der Stapelrichtung jeweils gleichmäßige Abstände zueinander aufweisen. Hierdurch kann über die Wärmeleiteinleger ein besonders gleichmäßiges Kühlen der Blechpaketeinrichtung erzielt werden. Beispielsweise kann auf je zehn in Stapelrichtung aufeinander gestapelte Bleche ein Wärmeleiteinleger in Stapelrichtung folgen, an welchem wiederum zehn in Stapelrichtung aufeinander gestapelte Bleche anschließen.
Die Erfindung betrifft des Weiteren eine elektrische Maschine, mit einem Stator und einem relativ zu dem Stator um eine Rotationsachse drehbaren Rotor. Der Stator und/oder der Rotor umfassen eine Blechpaketeinrichtung, wie sie bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Blechpaketeinrichtung beschrieben worden ist. Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Blechpaketeinrichtung sind als Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen der elektrischen Maschine anzusehen und umgekehrt. Insbesondere ermöglicht das Vorsehen der Blechpaketeinrichtung in dem Stator und/oder dem Rotor der elektrischen Maschine, dass die elektrische Maschine mit einem besonders hohen Wirkungsgrad betrieben werden kann und ein Überhitzen der elektrischen Maschine zumindest im Wesentlichen vermieden werden kann.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass zumindest der Rotor die Blechpaketeinrichtung, wie sie bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Blechpaketeinrichtung beschrieben worden ist, umfasst und die Blechpaketeinrichtung mit ihrer Kühlseite an einer gekühlten Rotorwelle der elektrischen Maschine anliegt. Insbesondere definiert die Rotorwelle die Rotationsachse für den Rotor. Um das Kühlen der Rotorwelle zu ermöglichen, kann die Rotorwelle beispielsweise als von einem Kühlfluid durchströmbare Hohlwelle ausgebildet sein. Durch das Anlegen der Blechpaketeinrichtung mit ihrer Kühlseite an die Rotorwelle kann somit Wärme aus der Blechpaketeinrichtung an die Rotorwelle abgegeben werden, wodurch die Blechpaketeinrichtung gekühlt werden kann. Innerhalb der Rotorwelle kann wiederum die von der Blechpaketeinrichtung empfangene Wärme mittels des Kühlfluids abtransportiert werden. Es kann somit ein besonders umfangreiches Kühlen der Blechpaketeinrichtung erfolgen, wodurch wiederum die elektrische Maschine besonders effizient betrieben werden kann.
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.
Dabei zeigt:
Fig. 1 eine schematische Perspektivansicht einer Blechpaketeinrichtung, welche Teil eines ausschnittsweise dargestellten Rotors einer elektrischen Maschine ist und welche an einer Rotorwelle der elektrischen Maschine anliegt, wodurch die Blechpaketeinrichtung um eine durch die Rotorwelle bereitgestellte Rotorachse rotierbar ist, wobei die Blechpaketeinrichtung mehrere in einer
Stapelrichtung aufeinander gestapelte Bleche umfasst, zwischen welche mehrere Wärmeleiteinleger zwischengestapelt sind; und
Fig. 2 eine schematische Perspektivansicht der Blechpaketeinrichtung in einer weiteren Ausführungsform, in welcher eine Querschnittsgeometrie von zwischen jeweiligen Blechen angeordneten Wärmeleiteinlegern von der Querschnittsgeometrie der Bleche der Blechpaketeinrichtung im Bereich eines Polschuhs abweicht. In den Figuren sind gleiche und funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In Fig. 1 und in Fig. 2 ist eine Blechpaketeinrichtung 10 gezeigt, welche Teil eines Rotors einer elektrischen Maschine ist. Diese elektrische Maschine kann insbesondere dazu eingerichtet sein, ein Kraftfahrzeug anzutreiben. In den vorliegenden Abbildungen bildet die Blechpaketeinrichtung 10 ein 60-Grad-Segment des Rotors. Die Blechpaketeinrichtung 10 umfasst eine Vielzahl an einzelnen Blechen 12, welche in einer Stapelrichtung 14 aufeinander gestapelt sind. Die Blechpaketeinrichtung 10 weist eine Kühlseite 16 auf, an welcher die Bleche 12 der Blechpaketeinrichtung 10 an eine Rotorwelle 18 angelegt werden können, wie in Fig. 1 dargestellt ist. Die in Fig. 1 ausschnittsweise dargestellte Rotorwelle 18 kann insbesondere als fluidgekühlte Hohlwelle ausgebildet sein, wodurch die Rotorwelle 18 eine Wärmesenke für die Blechpaketeinrichtung 10 darstellt. Das bedeutet, dass über die Rotorwelle 18 Wärme von der Blechpaketeinrichtung 10 abtransportiert werden kann. Um eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit der Blechpaketeinrichtung 10 zu ermöglichen, ist es vorgesehen, dass die Blechpaketeinrichtung 10 wenigstens einen Wärmeleiteinleger 20, vorliegend mehrere Wärmeleiteinleger 20, umfasst. Vorliegend sind die jeweiligen Wärmeleiteinleger 20 flach ausgebildet und mit ihrer Außenkontur an eine Außenkontur der Bleche 12 angepasst. Somit überdecken die Wärmeleiteinleger 20 die Bleche 12 in der Stapelrichtung 14. Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausgestaltung der Wärmeleiteinleger 20 überdecken sich die Bleche 12 und die Wärmeleiteinleger 20 in der Stapelrichtung 14 vollständig.
Die jeweiligen Wärmeleiteinleger 20 sind in der Stapelrichtung 14 zwischen jeweilige Bleche 12 der Blechpaketeinrichtung 10 gestapelt. Hierbei können die jeweiligen Wärmeleiteinleger 20 in der Stapelrichtung 14 regelmäßige Abstände zueinander aufweisen. Beispielsweise kann in der Stapelrichtung 14 alle fünf aufeinander gestapelte Bleche 12 ein Wärmeleiteinleger 20 angeordnet sein. An der Kühlseite 16 schließen die Wärmeleiteinleger 20 bündig mit den Blechen 12 ab, wodurch die Wärmeleiteinleger 20 gemeinsam mit den Blechen 12 an die Rotorwelle 18 angelegt werden können. Somit kann Wärme über Wärmeleitung von den Wärmeleiteinlegern 20 an die Rotorwelle 18 übertragen werden. Die Wärmeleiteinleger 20 sind weiterhin dazu eingerichtet, von anliegenden Blechen 12 Wärme aufzunehmen, um diese aufgenommene Wärme an der Kühlseite 16 an die Wärmesenke abzugeben. Hierfür ist es vorgesehen, dass die Wärmeleiteinleger 20 eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweisen als die Bleche 12. Vorliegend sind die Wärmeleiteinleger 20 aus Kupfer gebildet. Alternativ können die Wärmeleiteinleger 20 aus Aluminium gebildet sein. Weiterhin alternativ oder zusätzlich können die Wärmeleiteinleger 20 mit einem Hohlraum und somit hohl ausgebildet sein. In diesem Hohlraum kann ein Fluid eingefüllt sein. Beispielsweise handelt es sich bei diesem Fluid um ein Thermoöl oder um Wasser. Wird Wasser in den Hohlraum der jeweiligen Wärmeleiteinleger 20 eingefüllt, wobei ein Bereich des Hohlraums evakuiert wird, dann sind diejenigen Wärmeleiteinleger 20 als sogenannter Zweiphasen-Thermosiphon ausgebildet.
Um eine Entstehung von Wirbelstromverlusten in den Blechen 12 besonders gering zu halten, können die Wärmeleiteinleger 20, wie in Fig. 2 erkannt werden kann, im Bereich eines Polschuhs 22 des Rotors mit ihren jeweiligen äußeren Kanten hinter den Blechen 12 Zurückbleiben. Im Bereich des Polschuhs 22 schließen somit die Wärmeleiteinleger 20 nicht bündig mit den Blechen 12 radial nach außen ab. In einem der Rotorwelle 18 zugewandten Bereich der Blechpaketeinrichtung sind die Wärmeleiteinleger 20 die Bleche 12 vollständig überdeckend ausgebildet und weisen dabei eine zumindest im Wesentlichen identische Außengeometrie auf.
Wie in Fig. 1 erkannt werden kann, kann seitlich an der Blech paketeinrichtung 10 wenigstens eine Nutisolation 24 angeordnet sein.
Der beschriebenen Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch Einlegen von gut wärmeleitfähigen Wärmeleiteinlegern 20, insbesondere Scheiben aus Kupfer oder Aluminium, zwischen die Bleche 12 sich eine mittlere Wärmeleitfähigkeit der Blechpaketeinrichtung 10 deutlich erhöhen lässt und somit ein verbesserter Wärmetransport von einer Wicklung in die Wärmesenke erzielt werden kann. Diese erhöht unmittelbar eine Dauerleistung der elektrischen Maschine. Alternativ oder zusätzlich zu dem Vorsehen der wärmeleitfähigen Scheiben aus Kupfer oder Aluminium können die Wärmeleiteinleger 20 als hohle Scheiben ausgebildet sein, welche mit einem gasförmigen Medium, einem flüssigen Medium oder einem Phasenwechselmedium befüllt sind, das nach dem Prinzip eines Zweiphasen-Thermosiphons beziehungsweise einer Wärmepumpe besonders starke Wärmeleitung ermöglichen kann. Mit dieser Maßnahme kann eine Aktivlänge der elektrischen Maschine um eine Dicke der Wärmeleiteinleger 20 verkürzt sein, sodass für ein gleiches Drehmoment ein längerer Stator beziehungsweise Rotor zu bauen ist oder bereitgestellte Ströme zu erhöhen sind. Die durch die Wärmeleiteinleger 20 bereitgestellte verbesserte Kühlung kann damit einhergehende Verluste zumindest teilweise kompensieren. Bei einer Länge des Rotoraktivteils einer stromerregten Synchronmaschine als elektrische Maschine von 136 Millimetern lässt sich durch Einlegen von Aluminiumscheiben als Wärmeleiteinleger 20 mit einer Dicke von 1 Millimeter, die auf einem Blechschnitt der elektrischen Maschine gestanzt beziehungsweise gelasert wurden, in das Blechpaket eine mittlere Wärmeleitfähigkeit der Blechpaketeinrichtung 10 von Lambda = 20 Watt pro Meter und Kelvin auf etwa 30 Watt pro Meter und Kelvin erhöhen. Hierdurch steigt eine abführbare Wärmeleistung bei gleicher Temperaturdifferenz über die Blechpaketeinrichtung 10 um zirka 50 Prozent.
Insgesamt zeigt die Erfindung, wie eine Rotorkühlung und eine Statorkühlung durch wärmeleitende Einleger im Blechpaket erzielt werden kann. Bezugszeichenliste 10 Blechpaketeinrichtung
12 Bleche
14 Stapelrichtung
16 Kühlseite
18 Rotorwelle 20 Wärmeleiteinleger
22 Polschuh
24 Nutisolation

Claims

Patentansprüche 1. Blechpaketeinrichtung (10) für eine elektrische Maschine, mit mehreren in einer
Stapelrichtung (14) aufeinander gestapelten Blechen (12) und mit wenigstens einem Wärmeleiteinleger (20), welcher in der Stapelrichtung (14) zwischen zwei Bleche (12) gestapelt ist und welcher eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist als die anliegenden Bleche (12).
2. Blechpaketeinrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Blechpaketeinrichtung (10) eine Kühlseite (16) aufweist, an welcher sämtliche Bleche (12) der Blechpaketeinrichtung (10) an eine Wärmesenke anlegbar sind, wobei an dieser Kühlseite (16) der wenigstens eine Wärmeleiteinleger (20) mit den
Blechen (12) bündig abschließt.
3. Blechpaketeinrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Wärmeleiteinleger (20) Aluminium und/oder Kupfer umfasst.
4. Blechpaketeinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Wärmeleiteinleger (20) hohl ausgebildet ist, wobei in einem Hohlraum des Wärmeleiteinlegers (20) wenigstens ein Fluid eingefüllt ist.
5. Blechpaketeinrichtung (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als Fluid ein Thermoöl in dem Hohlraum eingefüllt ist.
6. Blechpaketeinrichtung (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Wärmeleiteinleger (20) als Zweiphasen-Thermosiphon ausgebildet ist.
7. Blechpaketeinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Wärmeleiteinleger (20) im Bereich eines Polschuhs der Blechpaketeinrichtung (10) mit seiner äußeren Kante hinter den Blechen (12) zurückbleibt.
8. Blechpaketeinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Wärmeleiteinleger (20) in regelmäßigen Abständen zwischen den gestapelten Blechen (12) angeordnet sind.
9. Elektrische Maschine, mit einem Stator und einem relativ zu dem Stator um eine Rotationsachse drehbaren Rotor, wobei der Stator und/oder der Rotor eine Blechpaketeinrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche umfassen.
10. Elektrische Maschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Rotor die Blechpaketeinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 8 umfasst und die Blechpaketeinrichtung (19) mit ihrer Kühlseite (16) an einer gekühlten Rotorwelle (18) der elektrischen Maschine anliegt.
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