WO2024153501A1 - Elektrische maschine - Google Patents

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WO2024153501A1
WO2024153501A1 PCT/EP2024/050418 EP2024050418W WO2024153501A1 WO 2024153501 A1 WO2024153501 A1 WO 2024153501A1 EP 2024050418 W EP2024050418 W EP 2024050418W WO 2024153501 A1 WO2024153501 A1 WO 2024153501A1
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WO
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rotor
heat exchange
exchange element
electrical machine
heat
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PCT/EP2024/050418
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French (fr)
Inventor
Martin STREBL
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Bayerische Motoren Werke AG
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Bayerische Motoren Werke AG
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    • 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
    • H02K9/223—Heat bridges
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/46—Fastening of windings on the stator or rotor structure
    • H02K3/52—Fastening salient pole windings or connections thereto
    • H02K3/527—Fastening salient pole windings or connections thereto applicable to rotors only

Definitions

  • the invention relates to an electrical machine with a rotor that is rotatably mounted relative to a stator, having at least one heat exchange element arranged between two adjacent windings of the rotor, which is designed to dissipate heat generated during operation of the electrical machine.
  • Electric machines can be used as working machines for electrically powered motor vehicles, for example electric and hybrid vehicles. Electric machines of various types can be used here, with an electric machine typically having a stator that is fixed in position or rotationally fixed and a rotor that is movably mounted relative to the stator.
  • active components have magnetic field-generating systems, for example in the form of energizable windings, which are held by an iron core to generate a magnetic flux.
  • Such windings can heat up during operation of the electrical machine, which can lead to local hot spots, for example due to an inhomogeneous temperature distribution in the winding. Since heating of the electrical machine can have a negative impact on efficiency and continuous performance, solutions for cooling the electrical machine are known in which the rotor can be cooled with a cooling fluid, for example by means of rotor hollow shaft cooling and/or on one end face by means of end face cooling.
  • an electrical machine is specified with a rotor that is mounted so as to be rotatable relative to a stator, having at least one heat exchange element arranged between two adjacent windings of the rotor, which is designed to conduct heat generated during operation of the electrical machine to at least one end face of the rotor.
  • the heat exchange element is designed in particular to transport the waste heat absorbed in the region of the windings in the direction of one or both end faces of the rotor or the electrical machine and to release it there to a heat sink of the rotor or the electrical machine to dissipate the waste heat. This can bring about cooling or improved heat distribution in the rotor, so that the efficiency and/or continuous output of the electrical machine can be increased.
  • the electrical machine can be used, for example, as an electrical traction machine for an electrically operated motor vehicle.
  • the electrical machine is designed in particular as a current-excited synchronous machine (SSM) or an asynchronous machine (ASM) and can have a stationary stator and a rotor that is movably mounted, in particular rotatably, with respect to the stator.
  • SSM current-excited synchronous machine
  • ASM asynchronous machine
  • the rotor typically has a rotor iron arranged on a rotor shaft, which can be formed, for example, by a rotor laminated core made of axially stacked laminations.
  • the rotor has electrically conductive windings, which are designed to generate or excite a magnetic flux for conducting current.
  • a winding in a current-excited synchronous machine can be designed as an excitation coil that can be energized.
  • the excitation coil can, for example, comprise rod-shaped conductors or shaped rods, which are arranged in grooves in the rotor iron or on its circumferential surface. are arranged or the coil may comprise winding wires which are wound around poles of the rotor iron.
  • the rotor shaft can be designed to allow fluid to flow through and a cooling medium to flow through.
  • the cooling medium can be taken from a coolant circuit or a lubricant circuit, for example, and introduced into the rotor shaft by means of a hollow lance.
  • the rotor shaft can have at least one outlet or outlet opening designed to deliver coolant from the hollow rotor shaft to an end face of the rotor and/or an end element arranged there. Distribution of this fluid or cooling medium to the end face(s) or the end element(s) can occur or be promoted by centrifugal forces prevailing during rotor operation. This can enable an even distribution of cooling fluid on the end face of the rotor, which in turn can be used to dissipate heat from the end face.
  • the at least one heat exchange element is arranged on a slot lining element arranged between two windings of the rotor.
  • a slot lining element is designed in particular as a sealing component for the potting material of the rotor and/or can be, for example, a plastic element which is arranged or can be arranged between two adjacent windings for insulation and/or spacing between them. Because the heat exchange element is arranged on such a slot lining element, the heat exchange element can be arranged in a simple manner between the two adjacent windings or in the space formed by them, in order to enable sufficient spacing of the heat exchange element from the windings and to be able to ensure electrical insulation of the heat exchange element from the windings.
  • the heat exchange element is molded onto the groove lining element.
  • the heat exchange element can be molded onto the groove lining element in particular by means of an injection molding process, an injection molding process or a casting process. connected or the slot lining element can be injection molded or cast onto the heat exchange element, which has been provided in particular beforehand. This makes it possible to provide a combination of two rotor components, whereby the heat exchange element can be placed between the windings in a simple manner by means of the slot lining element in order to reduce assembly time.
  • the heat exchange element can have at least one profile in order to enable or promote a positive connection between the heat exchange element and the slot lining element.
  • the invention is based, among other things, on the idea of avoiding overheating or exceeding a predetermined maximum temperature limit value in particular by providing at least one heat exchange element which is designed to dissipate (waste) heat which arises during operation of the rotor or the windings from the windings, which are arranged in particular adjacent to the heat exchange element, and to direct it to at least one end face of the rotor as a heat sink.
  • a heat exchange element which is designed for use in an electrical machine described herein.
  • the heat exchange element is in particular solid and can be rod-shaped and/or translaterally invariant, or have geometric modifications, such as at least one thickening and/or tapering and/or a wave-shaped or meandering course, in particular in its longitudinal extension.
  • the heat exchange element can, for example, have at least one profiling or profile geometry and/or have a thermally conductive material or be made of such a material in order to enable favorable heat transfer or transport.
  • the heat exchange element can have a high thermal conductivity so that a temperature distribution in the rotor can be homogenized and/or local hotspots can be avoided.
  • the thermal connection created by the heat exchange element between the winding and at least one end face of the rotor allows heat generated during operation to be dissipated and removed from the rotor system. This allows the core temperature of the rotor or the electrical machine to be reduced and thus the achievable continuous torque of the electrical machine to be increased.
  • the at least one heat exchange element is connected to at least one end element of the rotor in a heat-conducting manner.
  • the rotor has an at least substantially disk-shaped end element on each of its end faces, which can rest on the winding heads of the rotor windings and/or be thermally connected to them.
  • a cooling medium can flow over one or both end faces or end elements of the rotor in order to dissipate heat from the end faces or end elements.
  • the cooling medium can be taken from a coolant circuit or a lubricant circuit, for example, in order to enable a structurally or manufacturing-technically simple but effective heat dissipation from the rotor end faces into the coolant circuit.
  • the at least one heat exchange element is accommodated in sections in the front element.
  • the front element can have at least one recess or bore in which the at least one heat exchange element can be accommodated in sections, in particular in a form-fitting manner, in order to promote heat transfer between the heat exchange element and the front element.
  • one or both end regions of the heat exchange element are accommodated in the front element so that the heat exchange element does not protrude beyond the front element, in order to avoid in particular coolant-related eddy current losses during rotor rotation.
  • the at least one heat exchange element is flush with an outer surface of the front element.
  • End faces of the heat exchange element are designed to be adapted to a geometry of the end element in order to form a surface of the end element that can be flowed over as homogeneously as possible and thus promote heat removal by means of the coolant.
  • heat transfer from waste heat to the coolant can take place directly at the end faces of the heat exchange element.
  • this can provide a surface, in particular a uniform one, for the end element, which can enable a uniform liquid flow for the coolant over the surface of the end element in order to enable homogeneous heat removal.
  • the at least one heat exchange element extends between two end elements of the electrical machine. This allows heat to be transported away from the rotor windings to the end faces or end elements evenly in the axial direction. Since hot spots typically occur in an axial center region of the windings or the rotor, efficient heat dissipation in the direction of both end faces of the rotor can thus be made possible in order to enable a reduction in the internal temperature of the rotor and thus increase the service life of the rotor.
  • the at least one heat exchange element is cast together with the slot lining element in a rotor of the electric machine.
  • the at least one heat exchange element is placed between two adjacent rotor windings, in particular by means of the slot lining element, or such a slot lining element with heat exchange element is arranged in particular in each intermediate space between adjacent rotor windings, before the rotor or the rotor iron is cast, in particular by means of a plastic or casting material.
  • the casting material can enable permanent electrical insulation of the heat exchange element from the electrically conductive components of the rotor.
  • the heat exchange element can be arranged as such or without a slot lining element in the intermediate space and cast there.
  • the heat exchange element is arranged at a uniform distance from the adjacent windings by means of the slot lining element, in particular over its entire axial extent. This makes it possible to dissipate heat from both adjacent windings in a particularly axially uniform manner and also to ensure that the heat exchange element is sufficiently spaced from both windings in order to ensure electrical insulation of the heat exchange element.
  • the heat exchange element comprises aluminum and/or another suitable material with high thermal conductivity.
  • the at least one heat exchange element can in particular comprise or be made of a material that provides good thermal conduction properties in order to enable heat transfer from a particularly axially central region to the front-side cooling surfaces or front elements in order to reduce the core temperature of the rotor.
  • a motor vehicle with at least one electrical machine described herein is proposed.
  • the described embodiments and advantages apply accordingly to a motor vehicle having such an electrical machine.
  • Fig. 1 shows a view of an electrical machine according to an exemplary embodiment of the invention in a schematic sectional view
  • Fig. 2 shows a section of an electrical machine according to an exemplary embodiment of the invention in a three-dimensional schematic partial view.
  • Fig. 1 shows a representation of an electric machine 50 according to an exemplary embodiment in a section along an axis of rotation 51 of the electric machine 50 in a schematic view.
  • the electric machine 50 has a rotor 10 that is rotatably mounted relative to a stator 40 (shown only symbolically), the rotor 10 having a rotor shaft 11 through which fluid flows and a rotor iron 12 that is arranged in a rotationally fixed manner around the rotor shaft 11.
  • An energizable winding 13, here in the form of an excitation coil, is shown on the rotor iron 12, with a plurality of windings 13 being arranged evenly spaced from one another in a circumferential direction of the rotor 10.
  • a front element 15 is arranged on each of the front sides 14 of the rotor 10, which closes off a rotor interior from an interior 17 of the electric machine 10.
  • At least one heat exchange element 16 is arranged, which is designed to conduct heat generated during operation of the electrical machine 10, in particular in the windings 13, to at least one end face 14 of the rotor 10.
  • the heat exchange element 16 is arranged on a slot lining element 18 arranged in the gap.
  • the heat exchange element 16 extends between the two end faces 15 of the rotor 10 and is connected to the end faces 15 in a heat-conducting manner, in particular by means of a positive connection.
  • the heat exchange element 16 is accommodated in sections in the end face element 15 at one of its end face areas and is flush with an outer surface of the end face element 15 facing the interior 17 of the electric machine 50. This makes it possible to reduce eddy current losses on the outer surface of the rotor 10 or the end face element 15.
  • FIG. 2 a partial view of the inventive electrical machine 50 of Fig. 1 or its rotor 10 is shown in a three-dimensional schematic sectional view. Shown is a section of the rotor iron 12 of the rotor 10 of the electrical machine 50 with windings 13a and 13b arranged thereon.
  • a slot lining element 18 is arranged in the space formed between the windings 13a and 13b, which can serve as a sealing component for the casting material of the rotor 10.
  • the heat exchange element 16 is molded onto this slot lining element 18, or the heat exchange element 16 is at least partially surrounded by the slot lining element 18. This can be achieved, for example, by overmolding or casting the heat exchange element 16 with the geometry of the slot lining element 18.
  • the heat exchange element 16 is essentially rod-shaped and in the embodiment shown has profiles 21 on opposite sides, which serve to enable a connection between the heat exchange element 16 and the groove lining element 18 which at least partially surrounds it.
  • the groove lining element 18 is attached to the Heat exchange element 16 is arranged in particular on a radially outer and inner side with respect to the rotor 10, whereby areas of the heat exchange element 16 which face the windings 13 remain free in order to promote heat transfer between the windings 13 and the heat exchange element 16.
  • the at least one heat exchange element 16 is cast together with the slot lining element 18 in the rotor of the electric machine or is connected in particular permanently to the rotor 10 or rotor iron 12 by means of a casting material (not shown here), whereby an electrical insulation of the heat exchange element 16 from electrically conductive components of the rotor 10 can be made possible.
  • the slot lining element 18 has two engagement wings 19 on its radially outer end, by means of which it can be positioned on the rotor iron 12.
  • a central region 20 of the slot lining element 18, on which the heat exchange element 16 is arranged can be arranged at a uniform distance from the adjacent windings 13a and 13b.
  • the uniform spacing of the heat exchange element 16 from the windings 13a, 13b, in particular over the axial extent of the heat exchange element 16, enables a uniform removal of heat from the windings 13 to the end faces 14 or the end elements 15.
  • a core temperature of the rotor 10 can be reduced, whereby a continuous torque to be achieved by the electrical machine 50 can be increased.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Motor Or Generator Cooling System (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine (50) mit einem relativ zu einem Stator (40) drehbar gelagerten Rotor (10), aufweisend wenigstens ein Wärmetauschelement (16), welches eingerichtet ist, eine im Betrieb der elektrischen Maschine (50) entstehende Wärme abzuleiten, sowie ein entsprechendes Wärmetauschelement (16).

Description

Elektrische Maschine
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem relativ zu einem Stator drehbar gelagerten Rotor, aufweisend wenigstens ein zwischen zwei benachbarten Wicklungen des Rotors angeordnetes Wärmetauschelement, welches eingerichtet ist, eine im Betrieb der elektrischen Maschine entstehende Wärme abzuleiten.
Elektrische Maschinen können als Arbeitsmaschinen für elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge, beispielsweise Elektro- und Hybridfahrzeuge, eingesetzt werden. Hierbei können elektrische Maschinen vielfältiger Ausprägungen zur Verwendung kommen, wobei eine elektrische Maschine typischerweise einen orts- bzw. drehfest gelagerten Stator und einen relativ zu dem Stator beweglich gelagerten Rotor aufweist.
Bei stromerregten elektrischen Maschinen weisen aktive Komponenten magnetfelderzeugende Systeme beispielsweise in Form von bestrombaren Wicklungen auf, welche von einem Eisenkern gehalten werden, um einen magnetischen Fluss zu erzeugen. Solche Wicklungen können sich im Betrieb der elektrischen Maschine erhitzen, wodurch beispielsweise aufgrund einer inhomogenen Temperaturverteilung in der Wicklung lokale Heißpunkte bzw. Hotspots entstehen können. Da eine Erhitzung der elektrischen Maschine eine Effizienz und eine Dauerleistung negativ beeinflussen kann, sind Lösungen zur Kühlung der elektrischen Maschine bekannt, bei welchen der Rotor beispielsweise durch eine Rotorhohlwellenkühlung und/ oder an einer Stirnseite durch eine Stirnseitenkühlung, mit einen Kühlfluid gekühlt werden kann.
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Maschine, insbesondere in Bezug auf ihre thermischen Eigenschaften, zu verbessern. Insbesondere soll ein Aufbau eines Rotors der elektrischen Maschine dahingehend verbessert werden, dass eine verbesserte Wärmeverteilung während des Betriebs innerhalb des Rotors erzielt werden kann. Diese Aufgabe wird gelöst durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen von Anspruch 1 und durch ein Wärmetauschelement mit den Merkmalen von Anspruch 9. Die abhängigen Ansprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
Gemäß einem ersten Aspekt wird eine elektrische Maschine mit einem relativ zu einem Stator drehbar gelagerten Rotor angegeben, aufweisend wenigstens ein zwischen zwei benachbarten Wicklungen des Rotors angeordnetes Wärmetauschelement, welches eingerichtet ist, eine im Betrieb der elektrischen Maschine entstehende Wärme an wenigstens eine Stirnseite des Rotors zu leiten. Das Wärmetauschelement ist insbesondere dazu eingerichtet, die in dem Bereich der Wicklungen aufgenommene Abwärme in Richtung einer oder beider Stirnseiten des Rotors bzw. der elektrischen Maschine zu transportieren und dort an eine Wärmesenke des Rotors bzw. der elektrischen Maschine zum Abführen der Abwärme abzugeben. Dadurch kann eine Kühlung bzw. verbesserte Wärmeverteilung in dem Rotor bewirkt werden, sodass eine Effizienz und/ oder eine Dauerleistung der elektrischen Maschine gesteigert werden kann.
Die elektrische Maschine kann beispielsweise als elektrische Traktionsmaschine für ein elektrisch betreibbares Kraftfahrzeug eingesetzt werden. Die elektrische Maschine ist dabei insbesondere als eine Strom erregte Synchronmaschine (SSM) o- der eine Asynchronmaschine (ASM) ausgebildet und kann einen ortsfest gelagerten Stator sowie einen bezüglich des Stators beweglich, insbesondere drehbar, gelagerten Rotor aufweisen.
Der Rotor weist typischerweise ein an einer Rotorwelle angeordnetes Rotoreisen auf, welches beispielsweise durch ein Rotorblechpaket aus axial gestapelten Blechlamellen ausgebildet sein kann. Außerdem weist der Rotor elektrisch leitfähige Wicklungen auf, welche für die Erzeugung bzw. Erregung eines magnetischen Flusses zur Stromführung ausgebildet sind. Beispielsweise kann eine Wicklung bei einer stromerregten Synchronmaschine als bestrombare Erregerspule ausgebildet sein. Die Erregerspule kann beispielsweise stabförmige Leiter bzw. Formstäbe umfassen, welche in Nuten des Rotoreisens oder auf dessen Umfangsoberfläche angeordnet sind oder die Spule kann Wicklungsdrähte umfassen, welche um Pole des Rotoreisens gewickelt sind.
Zur Kühlung des Rotors kann die Rotorwelle fluiddurchströmbar ausgebildet sein und mit einem Kühlmedium durchströmbar sein. Das Kühlmedium kann beispielsweise aus einem Kühlmittelkreislauf oder einem Schmiermittelkreislauf entnommen werden und mittels einer Hohllanze in die Rotorwelle eingebracht werden. Die Rotorwelle kann wenigstens einen Auslass bzw. eine Auslassöffnung aufweisen, die zur Abgabe von Kühlmittel aus der Rotorhohlwelle an eine Stirnseite des Rotors und/ oder ein dort angeordnetes Stirnelement ausgebildet sind. Eine Verteilung von diesem Fluid bzw. Kühlmedium an der/ den Stirnseite(n) bzw. dem oder den Stirnelementen) kann durch im Rotorbetrieb vorherrschende Fliehkräfte erfolgen bzw. begünstigt werden. Hierdurch kann stirnseitig des Rotors eine gleichmäßige Verteilung von Kühlfluid ermöglicht werden, was wiederum zum stirnseitigen Wärmeabtransport genutzt werden kann.
Das wenigstens eine Wärmetauschelement ist an einem zwischen zwei Wicklungen des Rotors angeordneten Nutauskleidungselement angeordnet. Ein Nutauskleidungselement ist insbesondere als Abdichtkomponente für Vergussmaterial des Rotors eingerichtet und/ oder kann beispielsweise ein Kunststoffelement sein, welches zur Isolation und/ oder Beabstandung zweier benachbarter Wicklungen zwischen diesen angeordnet bzw. anordenbar ist. Dadurch, dass das Wärmetauschelement an einem solchen Nutauskleidungselement angeordnet ist, kann das Wärmetauschelement auf einfache Weise zwischen den beiden benachbarten Wicklungen bzw. in dem durch diese gebildeten Zwischenraum angeordnet werden, um somit eine ausreichende Beabstandung des Wärmetauschelements zu den Wicklungen zu ermöglichen und eine elektrische Isolation des Wärmetauschelements gegenüber den Wicklungen gewährleisten zu können.
Das Wärmetauschelement ist an das Nutauskleidungselement angeformt. Das Wärmetauschelement kann insbesondere mittels eines Spritzgießverfahrens, eines Spritzverfahrens oder eines Gießverfahrens mit dem Nutauskleidungselement verbunden sein bzw. kann das Nutauskleidungselement an das insbesondere zuvor bereitgestellte Wärmetauschelement angespritzt bzw. angegossen sein. Hierdurch kann eine Kombination zweier Rotorkomponenten bereitgestellt werden, wodurch das Wärmetauschelement mittels des Nutauskleidungselements auf einfache Weise zwischen den Wicklungen platziert werden, um Montagezeit zu reduzieren. Hierbei kann das Wärmetauschelement wenigstens eine Profilierung aufweisen, um eine formschlüssige Verbindung zwischen Wärmetauschelement und Nutauskleidungselement zu ermöglichen bzw. zu begünstigen.
Die Erfindung basiert nun unter anderem auf der Idee, eine Überhitzung bzw. ein Überschreiten eines insbesondere vorbestimmten maximalen Temperaturgrenzwerts dadurch zu vermeiden, dass wenigstens ein Wärmetauschelement vorgesehen ist, welches eingerichtet ist, eine (Ab-)Wärme, welche im Betrieb des Rotors bzw. der Wicklungen entsteht, von den, insbesondere benachbart zu dem Wärmetauschelement angeordneten, Wicklungen abzuführen und zu wenigstens einer Stirnseite des Rotors als Wärmesenke zu leiten.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Wärmetauschelement vorgeschlagen, welches zur Verwendung in einer hierin beschriebenen elektrischen Maschine eingerichtet ist. Das Wärmetauschelement ist insbesondere massiv ausgebildet und kann dabei stabförmig und/ oder translateral invariant ausgebildet sein, oder geometrische Abwandlungen, wie beispielsweise wenigstens eine Verdickung und/ o- der Verjüngung und/ oder einen wellenförmigen bzw. mäandernden Verlauf, insbesondere in seiner Längserstreckung, aufweisen. Ferner kann das Wärmetauschelement beispielsweise wenigstens eine Profilierung bzw. Profilgeometrie aufweisen und/ oder einen thermisch leitfähigen Werkstoff aufweisen oder aus einem solchen gefertigt sein, um einen günstigen Wärmeübergang bzw. -transport zu ermöglichen. Dabei kann das Wärmetauschelement eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, sodass eine Temperaturverteilung in dem Rotor homogenisiert und/oder lokale Hotspots vermieden werden können. Durch die mittels des Wärmetauschelements geschaffene thermische Verbindung zwischen Wicklung und wenigstens einer Stirnseite des Rotors, kann im Betrieb entstehende Wärme abgeleitet und dem System des Rotors entzogen werden. Dadurch kann eine Kerntemperatur des Rotors bzw. der elektrischen Maschine gesenkt werden und somit ein erreichbares Dauermoment der elektrischen Maschine gesteigert werden.
Bei einer Ausführungsform ist das wenigstens eine Wärmetauschelement mit wenigstens einem Stirnelement des Rotors wärmeleitend verbunden. Hierbei weist der Rotor insbesondere an beiden seiner Stirnseiten jeweils ein wenigstens im Wesentlichen scheibenförmig ausgebildetes Stirnelement auf, welches an Wicklungsköpfen der Rotorwicklungen anliegen und/ oder thermisch mit diesen verbunden sein kann. Dabei können eine oder beide Stirnseiten bzw. Stirnelemente des Rotors mit einem Kühlmedium überströmt werden, um Wärme von den Stirnseiten bzw. Stirnelementen abzuführen. Das Kühlmedium kann dabei beispielsweise aus einem Kühlmittelkreislauf oder einem Schmiermittelkreislauf entnommen werden, um eine konstruktiv bzw. fertigungstechnisch einfache, jedoch wirkungsvolle Wärmeabfuhr von den Rotorstirnseiten in den Kühlmittelkreislauf zu ermöglichen.
Bei einer Ausführungsform ist das wenigstens eine Wärmetauschelement abschnittsweise in dem Stirnelement aufgenommen. Hierbei kann das Stirnelement wenigstens eine Auslassung oder Bohrung aufweisen, in welcher das wenigstens eine Wärmetauschelement abschnittsweise, insbesondere formschlüssig, aufgenommen sein kann, um einen Wärmeübergang zwischen dem Wärmetauschelement und dem Stirnelement zu begünstigen. Hierbei ist insbesondere ein oder beide Endbereich(e) des Wärmetauschelements in dem Stirnelement aufgenommen, sodass das Wärmetauschelement nicht über das Stirnelement hinausragt, um insbesondere kühlmittelbedingte Wirbelstromverluste bei der Rotordrehung zu vermeiden.
Bei einer Ausführungsform schließt das wenigstens eine Wärmetauschelement bündig mit einer Außenfläche des Stirnelements ab. Hierbei können die Stirnflächen des Wärmetauschelements an eine Geometrie des Stirnelements angepasst ausgebildet sein, um eine möglichst homogen überströmbare Oberfläche des Stirnelements auszubilden und so einen Wärmeabtransport mittels des Kühlmittels zu begünstigen. Zudem kann bei dieser Lösung eine Wärmeübertragung von Abwärme an das Kühlmittel unmittelbar an den Stirnflächen des Wärmetauschelements erfolgen. Insgesamt kann hierdurch eine, insbesondere ebenmäßige, Oberfläche für das Stirnelement bereitgestellt werden, wodurch ein gleichmäßiger Flüssigkeitsstrom für das Kühlmittel über die Oberfläche des Stirnelements ermöglicht werden kann, um einen homogenen Wärmeabtransport zu ermöglichen.
Bei einer Ausführungsform erstreckt sich das wenigstens eine Wärmetauschelement zwischen zwei Stirnelementen der elektrischen Maschine. Hierdurch kann ein Wärmeabtransport von den Rotorwicklungen zu den Stirnseiten bzw. Stirnelemen- ten gleichmäßig in axialer Richtung erfolgen. Da Hotspots bzw. Heißstellen typischerweise in einem Axialmittelbereich der Wicklungen bzw. des Rotors auftreten, kann somit eine effiziente Wärmeableitung in Richtung beider Stirnseiten des Rotors ermöglicht werden, um eine Absenkung einer Innentemperatur des Rotors zu ermöglichen und somit eine Lebensdauer des Rotors zu erhöhen.
Bei einer Ausführungsform ist das wenigstens eine Wärmetauschelement zusammen mit dem Nutauskleidungselement in einem Rotor der elektrischen Maschine vergossen. Hierbei wird das wenigstens eine Wärmetauschelement, insbesondere mittels des Nutauskleidungselements zwischen zwei benachbarten Rotorwicklungen platziert bzw. wird ein solches Nutauskleidungselement mit Wärmetauschelement in insbesondere jedem Zwischenraum zwischen benachbarten Rotorwicklungen angeordnet, bevor der Rotor bzw. das Rotoreisen, insbesondere mittels eines Kunststoffs bzw. Vergussmaterials vergossen wird. Mittels des Vergussmaterials kann eine dauerhafte elektrische Isolierung des Wärmetauschelements gegenüber den elektrisch leitenden Komponenten des Rotors ermöglicht werden. Bei anderen Ausführungsformen kann das Wärmetauschelement als solches bzw. ohne Nutauskleidungselement in dem Zwischenraum angeordnet und dort vergossen sein. Bei einer Ausführungsform ist das Wärmetauschelement mittels des Nutauskleidungselements, insbesondere über dessen gesamte axiale Erstreckung, gleichmäßig beabstandet zu den benachbarten Wicklungen angeordnet. Hierdurch kann ein insbesondere axial gleichmäßiger Wärmeabtransport von beiden benachbarten Wicklungen ermöglicht werden und zudem eine ausreichende Beabstandung des Wärmetauschelements zu beiden Wicklungen ermöglicht werden, um eine elektrische Isolation des Wärmetauschelement sicherstellen zu können.
Bei einer Ausführungsform weist das Wärmetauschelement Aluminium und/ oder einen anderen geeigneten Werkstoff mit hoher Wärmeleitfähigkeit auf. Dabei kann das wenigstens eine Wärmetauschelement insbesondere ein Material aufweisen bzw. aus einem Material gefertigt sein, welches gute Wärmeleiteigenschaften bereitstellt, um einen Wärmetransfer aus einem insbesondere axial mittleren Bereich bis an die stirnseitigen Kühlungsflächen bzw. Stirnelemente zu ermöglichen, um die Kerntemperatur des Rotors zu senken.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einer hierin beschriebenen elektrischen Maschine vorgeschlagen. Die beschriebenen Ausführungsformen und Vorteile gelten entsprechend für ein Kraftfahrzeug aufweisend eine solche elektrische Maschine.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar. Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren. Fig. 1 zeigt eine Ansicht einer elektrischen Maschine gemäß einer beispielhaften Ausführung der Erfindung in einer schematischen Schnittdarstellung; und
Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt einer elektrischen Maschine gemäß einer beispielhaften Ausführung der Erfindung in einer dreidimensionalen schematischen Teilansicht.
Fig. 1 zeigt eine Darstellung einer elektrische Maschine 50 gemäß einer beispielhaften Ausführung in einem Schnitt entlang einer Drehachse 51 der elektrischen Maschine 50 in einer schematischen Ansicht.
Die elektrische Maschine 50 weist einen relativ zu einem (lediglich symbolisiert dargestellten) Stator 40 drehbar gelagerten Rotor 10 auf, wobei der Rotor 10 eine hier fluiddurchströmte Rotorwelle 11 und ein um die Rotorwelle 11 drehfest angeordnetes Rotoreisen 12 aufweist. An dem Rotoreisen 12 ist eine bestrombare Wicklung 13, hier in Form einer Erregerspule, dargestellt, wobei eine Mehrzahl an Wicklungen 13 gleichmäßig in einer Umfangrichtung des Rotors 10 zueinander beab- standet angeordnet sind. An den Stirnseiten 14 des Rotors 10 ist jeweils ein Stirnelement 15 angeordnet, welches einen Rotorinnenraum gegenüber einem Innenraum 17 der elektrischen Maschine 10 abschließt.
In einem zwischen zwei benachbarten Wicklungen 13 des Rotors 10 ausgebildeten Zwischenraum ist jeweils wenigstens ein Wärmetauschelement 16 angeordnet, welches eingerichtet ist, eine im Betrieb der elektrischen Maschine 10, insbesondere in den Wicklungen 13, entstehende Wärme an wenigstens eine Stirnseite 14 des Rotors 10 zu leiten. Dabei ist das Wärmetauschelement 16 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel an einem in dem Zwischenraum angeordneten Nutauskleidungselement 18 angeordnet. Mittels des durch das wenigstens eine Wärmetauschelement 16 ermöglichten Wärmeabtransport, kann eine Temperaturverteilung in dem Rotor homogenisiert und/oder lokale Hotspots vermieden werden, um beispielsweise eine Leistungsreduktion durch Überhitzung von Rotorkomponenten zu vermeiden.
Um einen gleichmäßigen Wärmetransport in Richtung der beiden Stirnseiten zu ermöglichen, erstreckt sich das Wärmetauschelement 16 zwischen beiden Stirnele- menten 15 des Rotors 10 und ist mit den Stirnelementen 15, insbesondere mittels einer formschlüssigen Verbindung, wärmeleitend verbunden. In dem abgebildeten Ausführungsbeispiel ist das Wärmetauschelement 16 jeweils an einem seiner stirnseitigen Endbereiche abschnittsweise in dem Stirnelement 15 aufgenommen und schließt bündig mit einer dem Innenraum 17 der elektrischen Maschine 50 zugewandten Außenfläche des Stirnelements 15 ab. Hierdurch können Wirbelstromverluste an der Außenfläche des Rotors 10 bzw. des Stirnelements 15 reduziert werden.
In Fig. 2 ist eine Teilansicht der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 50 der Fig. 1 bzw. deren Rotor 10 in einer dreidimensionalen schematischen Schnittdarstellung dargestellt. Gezeigt ist ein Ausschnitt des Rotoreisens 12 des Rotors 10 der elektrischen Maschine 50 mit daran angeordneten Wicklungen 13a und 13b.
In dem zwischen den Wicklungen 13a und 13b gebildeten Zwischenraum ist ein Nutauskleidungselement 18 angeordnet, welches als Abdichtungskomponente für Vergussmaterial des Rotors 10 dienen kann. An diesem Nutauskleidungselement 18 ist das Wärmetauschelement 16 angeformt bzw. ist das Wärmetauschelement 16 wenigstens teilweise von dem Nutauskleidungselement 18 umgeben. Dies kann beispielsweise durch umspritzen oder umgießen des Wärmetauschelements 16 mit der Geometrie des Nutauskleidungselements 18 erzielt werden.
Das Wärmetauschelement 16 ist im Wesentlichen stabförmig ausgebildet und weist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel an einander gegenüberliegenden Seiten Profilierungen 21 auf, die dazu dienen, eine Verbindung zwischen dem Wärmetauschelement 16 und dem dieses wenigstens teilweise umgebenden Nutauskleidungselement 18 zu ermöglichen. Das Nutauskleidungselement 18 ist an dem Wärmetauschelement 16 insbesondere an einer, bezogen auf den Rotor 10, radial äußeren und inneren Seite angeordnet, wodurch Bereiche des Wärmetauschelements 16, welche den Wicklungen 13 zugewandt sind, frei bleiben, um einen Wärmeübergang zwischen Wicklungen 13 und Wärmetauschelement 16 zu begünstigen.
Bei einigen Ausführungsformen ist das wenigstens eine Wärmetauschelement 16 zusammen mit dem Nutauskleidungselement 18 in dem Rotor der elektrischen Maschine vergossen bzw. mittels eines (hier nicht dargestellten) Vergussmaterials insbesondere dauerhaft mit dem Rotor 10 bzw. Rotoreisen 12 verbunden, wodurch eine elektrische Isolation des Wärmetauschelements 16 zu elektrisch leitenden Komponenten des Rotors 10 ermöglicht werden kann.
Das Nutauskleidungselement 18 weist an seinem radial äußeren Ende zwei Eingriffsflügel 19 auf, mittels welchen es an dem Rotoreisen 12 positionierbar ist. Hierdurch kann ein Zentral bereich 20 des Nutauskleidungselements 18, an welchem das Wärmetauschelement 16 angeordnet ist, gleichmäßig beabstandet zu den benachbarten Wicklungen 13a und 13b angeordnet sein bzw. werden. Durch die so ermöglichte gleichmäßige Beabstandung des Wärmetauschelements 16 zu den Wicklungen 13a, 13b, insbesondere über die axialen Erstreckung des Wärmetauschelements 16 hinweg, kann ein gleichmäßiger Abtransport von Wärme aus den Wicklungen 13 hin zu den Stirnseiten 14 bzw. den Stirnelementen 15 erfolgen. Hierdurch kann eine Kerntemperatur des Rotors 10 gesenkt werden, wodurch ein zu erreichendes Dauermoment der elektrischen Maschine 50 steigerbar sein kann.
BEZUGSZEICHENLISTE
10 Rotor
11 Rotorwelle
12 Rotoreisen 13, 13a, 13b Wicklung
14 Stirnseite
15 Stirnelement
16 Wärmetauschelement
17 Innenraum der elektrischen Maschine 18 Nutauskleidungselement
19 Eingriffsflügel
20 Zentralbereich
40 Stator
50 elektrische Maschine 51 Drehachse

Claims

ANSPRÜCHE
1 . Elektrische Maschine (50) mit einem relativ zu einem Stator (40) drehbar gelagerten Rotor (10), aufweisend wenigstens ein zwischen zwei benachbarten Wicklungen (13) des Rotors (10) angeordnetes Wärmetauschelement (16), welches eingerichtet ist, eine im Betrieb der elektrischen Maschine (50) entstehende Wärme an wenigstens eine Stirnseite (14) des Rotors (10) zu leiten, wobei das Wärmetauschelement (16) an einem zwischen zwei Wicklungen (13) des Rotors (10) angeordneten Nutauskleidungselement (18) angeordnet ist und das Wärmetauschelement (16) an das Nutauskleidungselement (18) angeformt ist.
2. Elektrische Maschine (50) nach Anspruch 1 , wobei das Wärmetauschelement (16) mit wenigstens einem Stirnelement (15) des Rotors (10) wärmeleitend verbunden ist.
3. Elektrische Maschine (50) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Wärmetauschelement (16) abschnittsweise in dem Stirnelement (15) aufgenommen ist.
4. Elektrische Maschine (50) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei das Wärmetauschelement (16) bündig mit einer Außenfläche des Stirnelements (15) abschließt.
5. Elektrische Maschine (50) nach einem der drei vorhergehenden Ansprüchen, wobei sich das Wärmetauschelement (16) zwischen zwei Stirnelementen (15) des Rotors (10) erstreckt.
6. Elektrische Maschine (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das wenigstens eine Wärmetauschelement (16) zusammen mit dem Nutauskleidungselement (16) in dem Rotor (10) vergossen ist.
7. Elektrische Maschine (50) nach einem der drei vorhergehenden Ansprüchen, wobei das Wärmetauschelement (16) mittels des Nutauskleidungselements (16) gleichmäßig beabstandet zu den benachbarten Wicklungen (13) angeordnet ist.
8. Elektrische Maschine (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das
Wärmetauschelement (16) Aluminium aufweist.
9. Wärmetauschelement (16), welches zur Verwendung in einer elektrischen Maschine (50), die nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist, eingerichtet ist.
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