WO2025237471A1 - Rotor mit kühlkanälen zwischen nutisolationselementen und nutverschlusselementen - Google Patents

Rotor mit kühlkanälen zwischen nutisolationselementen und nutverschlusselementen

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WO2025237471A1
WO2025237471A1 PCT/DE2025/100422 DE2025100422W WO2025237471A1 WO 2025237471 A1 WO2025237471 A1 WO 2025237471A1 DE 2025100422 W DE2025100422 W DE 2025100422W WO 2025237471 A1 WO2025237471 A1 WO 2025237471A1
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WO
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slot
rotor
cooling fluid
cooling
elements
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English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas Hoefler
Yann Tremaudant
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Bayerische Motoren Werke AG
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke AG
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Publication date
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    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/04—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
    • H02K3/24—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors with channels or ducts for cooling medium between the conductors
    • H—ELECTRICITY
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    • H02K3/46—Fastening of windings on the stator or rotor structure
    • H02K3/48—Fastening of windings on the stator or rotor structure in slots
    • H02K3/487—Slot-closing devices

Definitions

  • the invention relates to a rotor for a separately excited electric machine.
  • the rotor has a rotor body with circumferentially distributed slots and rotor windings with winding conductors which are arranged partially in the slots of the rotor body.
  • the invention also relates to a separately excited electric machine.
  • the present case concerns separately excited electric machines, which can be used as drive machines for electrically powered motor vehicles, such as electric or hybrid vehicles.
  • Separately excited electric machines typically have a stator with a stator body and current-carrying stator windings, and a rotor rotatably mounted relative to the stator, with a rotor body and current-carrying rotor windings.
  • Both the stator and the rotor can heat up during operation of the electric machine due to power losses, so it is common practice to equip the electric machine with a cooling device.
  • axially continuous cooling structures can be provided in the rotor body, forming cooling channels through which a cooling fluid flows.
  • the object of the present invention is to provide an alternative, simple, rotor-integrated cooling system for an electric motor vehicle.
  • a rotor according to the invention for a separately excited electric machine comprises a rotor body with slots arranged circumferentially, as well as rotor windings with winding conductors which are arranged in the slots of the rotor body in certain areas.
  • the rotor also includes slot closure elements, which are arranged at least partially within the slots to close them, and slot insulation elements, which are arranged between the slot-internal winding areas of the winding conductors and the slot-internal sides of the slot closure elements. Cooling channels are formed between the slot insulation elements and the slot-internal sides of the slot closure elements, which are designed to guide a cooling fluid through the slot along the slot-internal winding areas to cool the rotor windings.
  • the invention further relates to a separately excited electric machine for a motor vehicle, comprising a stator and a rotor according to the invention, rotatably mounted with respect to the stator.
  • the electric machine serves in particular as a drive machine for an electrified motor vehicle.
  • the electric machine is, in particular, an internal rotor machine in which the rotor is rotatably mounted within a hollow cylindrical stator body.
  • the rotor comprises the rotor body, which is, in particular, designed as a laminated core of axially stacked laminations.
  • the rotor body has slots on one side facing an air gap between the rotor and the stator, which accommodate the winding conductors of the rotor windings.
  • the rotor has external slots.
  • the rotor body can have an axial bore in which a rotor shaft, non-rotatably connected to the rotor body, is arranged.
  • the rotor body is preferably designed in a salient-pole configuration.
  • the rotor body has a rotor yoke and radially projecting salient poles, each with a pole tooth and a pole shoe.
  • a slot is formed between two adjacent pole teeth, and a pole gap, forming an access opening to the slot, is formed between two adjacent pole shoes.
  • the winding conductors are designed as wires wound around the pole teeth, with two internal winding sections of two adjacent rotor windings arranged in each slot.
  • the rotor body can have six salient poles, which are arranged equidistantly around the rotor yoke in the circumferential direction.
  • the rotor shaft passes through the rotor yoke.
  • Each salient pole carries a rotor winding, with each rotor winding having two internal winding sections arranged on the flanks of the associated pole tooth and two end-face winding sections arranged on opposite end faces of the associated pole tooth.
  • the end-face winding areas of the rotor windings form the winding heads of the rotor.
  • Slot insulation elements are also arranged in the slots. These cover, in particular, a surface of the slot-internal winding areas facing the slot closure element of the respective slot.
  • the slot insulation elements are designed, in particular, as flat, thin, flexible elements, for example, as insulating papers.
  • the insulating papers can, for example, encase the slot-internal winding areas, at least partially.
  • a first slot insulation element and a second slot insulation element can be arranged per slot.
  • the respective first slot insulation element lines the respective slot and covers the slot bottom and sides.
  • the first slot insulation element is thus arranged between the slot-internal winding areas of the two adjacent rotor windings and the rotor body.
  • the respective second slot insulation element covers the mutually facing surfaces of the adjacent slot-internal winding areas and can, for example, have a substantially V-shaped cross-section.
  • the second slot insulation elements can be designed as V-shaped bent insulating papers.
  • the second slot insulation element thus covers not only the surfaces of the internal winding areas of the slot, but also a section of the slot base lying in the circumferential direction between the internal winding areas of the slot.
  • each slot closure element can, for example, have a wedge-shaped closure area located within the slot between the internal winding sections of the adjacent rotor windings.
  • the wedge-shaped closure area has two V-shaped sides, which are covered by the slot insulation element, for example, the V-shaped bent insulating paper.
  • each slot closure element can have a support area located radially outside the closure area. The support area can be located in the area of the pole gap and is supported, for example, by the pole shoes of the adjacent salient poles.
  • Each groove has at least one cooling channel formed between the groove insulation element and the groove closure element, designed to guide a cooling fluid, in particular a coolant, through the groove.
  • the groove closure element and the groove insulation element thus form the walls of the at least one internal cooling channel.
  • no additional physical elements are required to form the cooling channels in the slots.
  • the cooling channel on the slot insulation element the cooling fluid can be guided particularly close to the winding conductors, thus enabling efficient cooling of the rotor windings.
  • at least two cooling channels are formed per slot. At least one cooling channel is formed between the V-shaped sides of the sealing area and the slot insulation element. Each cooling channel is continuous between the two axially opposite end faces of the rotor body.
  • the cooling fluid can be supplied to each cooling channel via one of the end faces of the rotor body and extracted again at the other end face.
  • the cooling fluid can be supplied to each cooling channel axially in the center, from where it divides and flows in axially opposite directions to the two end faces, exiting on both sides of the rotor body.
  • a side of the respective slot closure element facing the slot insulation element has at least one recess extending between the two axially opposite end faces of the respective slot insulation element and covered by the slot insulation element, forming at least one cooling channel.
  • Each side in particular, has several recesses spaced radially apart and distributed across the side.
  • the outer surface of the slot closure element can have recesses in the form of grooves, each groove being associated with a cooling channel for guiding the cooling fluid.
  • the direction of extension of the recesses is inclined to an axial direction of extension of the winding conductors of the winding areas within the slot.
  • the recesses are not parallel to the axial direction of extension of the winding conductors, at least in some sections, and thus do not extend along the axial direction.
  • the recesses can extend in a wave-like or inclined manner between the axially opposite end faces of the respective slot closure element. This prevents the winding conductors, such as the wires, from becoming lodged in the recesses and thus unintentionally blocking the cooling channel.
  • the non-axial recess sections increase the length of the cooling channel and therefore the cooling efficiency of the rotor cooling system.
  • the rotor body has at least one cooling fluid inlet channel for each slot, extending radially from the axial passage for the rotor shaft to the respective slot base.
  • the slot insulation element of each slot has at least one inlet opening into which the cooling fluid inlet channel of the respective slot opens to supply the cooling fluid to the at least one cooling channel of the slot.
  • the cooling fluid is thus not supplied to the cooling channels of the slots via one of the end faces of the rotor body, but via radial cooling fluid inlet channels inside the rotor body.
  • the radial cooling fluid inlet channels extend radially through the rotor yoke and can guide cooling fluid radially through the rotor yoke from the axial passage to the slots, where the cooling fluid enters the slots via the inlet openings of the slot insulation elements.
  • the rotor shaft designed as a hollow shaft, can have radial cooling fluid outlet openings aligned with the cooling fluid inlet channels of the rotor body.
  • the cooling fluid guided within the hollow shaft can thus exit radially through the cooling outlet openings, enter the cooling fluid inlet channels, and be directed to the inlet openings of the slot insulation elements, which are aligned with the cooling fluid inlet channels.
  • the cooling fluid Via the radial inlet openings, located in the area of the slot insulation element that overlaps with the slot base, the cooling fluid can be directed to the cooling channels within the slot. Through these channels, the cooling fluid flows axially between the slot insulation elements and the slot closure elements to the opposite end faces of the rotor body.
  • the rotor body has a radial cooling fluid inlet channel arranged axially centrally within each slot, and if the slot closure elements each have a distribution channel arranged axially within the slot closure element, which is fluidically coupled to the respective inlet opening and the cooling channels for guiding the cooling fluid from the inlet opening of the slot insulation element to the cooling channels.
  • the distribution channel of the slot closure elements has a radial main branch, which is arranged radially aligned with the respective inlet opening, and from which tangential secondary branches extend to the recesses in the two V-shaped sides of the slot closure element.
  • the groove closure elements are formed from two parts which are arranged axially adjacent to each other butt-fit in the respective groove, wherein at least one of the parts has a notch in a respective end-face butt area which forms the distribution channel in the butt-fit state of the parts.
  • Each groove closure element is therefore segmented in the axial direction and consists of two parts that are butted together in the groove. In other words, the two parts touch in the abutment area.
  • they can have an axial through-opening in which a tie rod is placed for a force-fit connection.
  • the abutment area is located at the same axial height as the respective entry opening of the groove insulation element.
  • the respective distribution channel is formed in this abutment area.
  • the end face of at least one part located in the abutment area has a notch that is covered by the end face of the other part.
  • Fig. 1 shows a perspective view of a rotor for a separately excited electric machine
  • Fig. 2 shows a perspective view of a rotor body of the rotor
  • Fig. 3 shows a side view of the rotor body
  • Fig. 4 shows a top view of the rotor in the area of a groove of the rotor
  • Fig. 5 shows a perspective view of a slot closure element and a
  • Fig. 6 shows a perspective view of the groove closure element
  • Fig. 7 shows a side view of the groove closure element
  • Fig. 8 shows a cross-sectional view through the rotor in the area of a cooling fluid inlet channel.
  • Fig. 1 shows a rotor 1 for a separately excited electric machine, which can, for example, function as a drive motor for an electrified motor vehicle.
  • the rotor 1 has a rotor body 2, which is shown from different perspectives in Fig. 2 and Fig. 3.
  • the rotor body 2 is formed, for example, as a laminated core of axially stacked sheet metal laminations.
  • the rotor body 2 is designed here in a salient-pole configuration and has a rotor yoke 3 and salient poles 4 projecting radially from the rotor yoke.
  • the rotor yoke 3 has an axial passage 5 for a rotor shaft of the rotor 1 (not shown here).
  • Each salient pole 4 has a pole tooth 6 projecting radially from the rotor yoke 3 and a pole shoe 7 arranged radially outside the pole tooth 6.
  • a groove 8 of the rotor body 2 is formed between two adjacent pole teeth 6.
  • a pole gap 9 is formed between two adjacent pole shoes 7, which provides an access opening to the respective groove 8.
  • Each groove 8 has a groove base 8a formed by the rotor yoke 3 and two groove flanks 8b formed by the rotor teeth 6.
  • the rotor 1 has rotor windings 10 with winding conductors 11, which are designed here as wires wound around the pole teeth 6.
  • a star disk 13 is arranged between each end face 12 of the rotor body 2 and end-face winding areas of the rotor windings 10. This disk serves to hold, deflect, and stabilize the winding conductors 11.
  • the winding conductors 11 also have slot-internal winding areas, which are arranged within the slots 8.
  • the winding areas of two adjacent rotor windings 10 are arranged along the slot flanks 8b in each slot 8.
  • the surfaces of the slot-internal winding areas are covered with a flat, thin slot insulation element 14.
  • the slots 8 are each closed with a slot closure element 15, which is arranged at least partially within the slot 8.
  • the groove closure element 15 extends in particular from the pole gap 9 to the respective groove base 8a, wherein between the A section of the groove insulation element 14 is arranged between the groove base 8a and the groove closure element 15.
  • Figure 4 shows a top view of one of the end faces 12 of the rotor body 2.
  • the slot insulation element 14, which here is designed as a slot insulation paper 16, is arranged between the slot-internal winding areas of the winding conductors 11 and the slot closure element 15.
  • the slot closure element 15 has a wedge-shaped closure area 17 with two V-shaped tapered sides 18, which face the slot-internal winding areas.
  • the slot insulation element 14 covers the sides 18 of the slot closure element 15 and thus conforms to the outer surfaces of the wedge-shaped closure area 17.
  • the slot closure element 15 has a support area 19, which is supported against the pole shoes 7 of the adjacent salient poles 4.
  • the sides 18 of the slot closure element 15 and the slot insulation element 14 are formed between the sides 18 of the slot closure element 15 and the slot insulation element 14.
  • This channel is designed to guide a cooling fluid axially through the respective slot 8.
  • the sides 18 of the slot closure element 15 have recesses 21, which are also shown in Figures 6 and 7 and which are covered by the slot insulation element 14.
  • the recesses 21 extend in a wave-like pattern across the sides 18 of the slot closure element 15 between two end faces 22 of the slot closure element 15.
  • the end faces 22 of the slot closure elements 15 are located in the region of the end faces 12 of the rotor body 2.
  • the internal cooling channels 20, which extend between the end faces 12 of the rotor body 2 are thus formed by means of the recesses 21 covered by the slot insulation element 14.
  • the slot insulation element 15 can be axially segmented, as shown in Fig. 7, and formed by two parts 15a, 15b arranged butt-jointed. To press the parts 15a, 15b together, they can have axial through-openings 23 through which a tie rod (not shown) can be passed.
  • a distribution channel 25 is formed in the butt joint 24 of the two parts 15a, 15b.
  • the distribution channel 25 forms a fluidic connection between the cooling channels 20 and an inlet opening 26 in the slot insulation element 14.
  • Fig. 8 shows a perspective sectional view through the rotor 1, in which only one part 15b of the slot closure element 15 is shown in the slot, so that one end face Part 15b is visible in the joint area 24.
  • the distribution channel 25 has indentations 27, which are covered by the end face of the other part 15a.
  • the distribution channel 25 has a radially extending main branch 25a and tangential secondary branches 25b, which extend to the axially adjacent recesses 21 in the sides 18 of the groove closure element 15. Furthermore, the end faces of parts 15a and 15b have corresponding connecting elements 28 in the joint area 24.
  • This inlet opening 26 is radially aligned with a cooling fluid inlet channel 29 within the rotor body 2.
  • the cooling fluid inlet channels 29 extend from the axial passage 5 to the slots 8 and terminate in the slot base 8a of the respective slots, see also Fig. 2 and Fig. 3.
  • the cooling fluid can be guided in the rotor shaft, which is designed as a hollow shaft, and exit through radial outlet openings in the rotor shaft that are aligned with the cooling fluid inlet channels 29.
  • the cooling fluid Via the cooling fluid inlet channels 29, the cooling fluid is directed to the inlet openings 26 of the slot insulation papers 16 and enters the distribution channels 25 through these inlet openings.
  • the cooling fluid is guided through the distribution channels 25 to the cooling channels 20, where it splits axially in opposite directions and flows towards the end faces 12 of the rotor body 2.

Landscapes

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

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rotor (1) für eine fremderregte elektrische Maschine aufweisend: - einen Rotorkörper (2) mit in Umfangsrichtung verteilt angeordneten Nuten (8), - Rotorwicklungen (10) mit Wicklungsleitern (11), welche bereichsweise in den Nuten (8) angeordnet sind, - Nutverschlusselemente (15), welche zum Verschließen der Nuten (8) zumindest bereichsweise in den Nuten (8) angeordnet sind, - Nutisolationselemente (14), welche zwischen nutinternen Wicklungsbereichen der Wicklungsleiter (11) und nutinternen Seiten (18) der Nutverschlusselemente (15) angeordnet sind, wobei zwischen den Nutisolationselementen (14) und den nutinternen Seiten (18) der Nutverschlusselemente (15) Kühlkanäle (20) ausgebildet sind, welche dazu ausgelegt sind, ein Kühlfluid durch die Nut (8) entlang der nutinternen Wicklungsbereiche zum Kühlen der Rotorwicklungen (10) zu führen.

Description

Rotor mit Kühlkanälen zwischen Nutisolationselementen und Nutverschlusselementen
Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine fremderregte elektrische Maschine. Der Rotor weist einen Rotorkörper mit in Umfangsrichtung verteilt angeordneten Nuten sowie Rotorwicklungen mit Wicklungsleitern, welche bereichsweise in den Nuten des Rotorkörpers angeordnet sind, auf. Die Erfindung betrifft außerdem eine fremderregte elektrische Maschine.
Vorliegend richtet sich das Interesse auf fremderregte elektrische Maschinen, welche als Antriebsmaschinen für elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge, beispielsweise Elektro- oder Hybridfahrzeuge, eingesetzt werden können. Fremderregte elektrische Maschinen weisen üblicherweise einen Stator mit einem Statorkörper und bestrombaren Statorwicklungen sowie einen bezüglich des Stators drehbar gelagerten Rotor mit einem Rotorkörper und bestrombaren Rotorwicklungen auf. Sowohl der Stator als auch der Rotor können sich im Betrieb der elektrischen Maschine verlustleistungsbedingt erwärmen, sodass es üblich ist, die elektrische Maschine mit einer Kühlvorrichtung auszustatten. Beispielsweise können hierfür, wie in der DE 102020 111 324 A1 gezeigt, axial durchgängige Kühlstrukturen im Rotorkörper vorgesehen sein, welche von einem Kühlfluid durchströmbare Kühlkanäle ausbilden.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine alternative, einfache, rotorintegrierte Kühlung für eine elektrische Maschine eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Rotor sowie eine fremderregte elektrische Maschine mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
Ein erfindungsgemäßer Rotor für eine fremderregte elektrische Maschine umfasst einen Rotorkörper mit in Umfangsrichtung verteilt angeordneten Nuten, sowie Rotorwicklungen mit Wicklungsleitern, welche bereichsweise in den Nuten des Rotorkörpers angeordnet sind. Ferner umfasst der Rotor Nutverschlusselemente, welche zum Verschließen der Nuten zumindest teilweise in den Nuten angeordnet sind, und Nutisolationselemente, welche zwischen nutinternen Wicklungsbereichen der Wicklungsleiter und nutinternen Seiten der Nutverschlusselemente angeordnet sind. Zwischen den Nutisolationselementen und den nutinternen Seiten der Nutverschlusselemente sind Kühlkanäle ausgebildet, welche dazu ausgelegt sind, ein Kühlfluid durch die Nut entlang der nutinternen Wicklungsbereiche zum Kühlen der Rotorwicklungen zu führen.
Die Erfindung betrifft außerdem eine fremderregte elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug aufweisend einen Stator und einen bezüglich des Stators drehbar gelagerten, erfindungsgemäßen Rotor. Die elektrische Maschine dient insbesondere als Antriebsmaschine für ein elektrifiziertes Kraftfahrzeug. Die elektrische Maschine ist insbesondere eine Innenläufer-Maschine, bei welcher der Rotor innerhalb eines hohlzylindrischen Statorkörper des Stators drehbar gelagert ist. Der Rotor weist den Rotorkörper auf, welcher insbesondere als ein Blechpaket aus axial gestapelten Blechlamellen ausgebildet ist. Der Rotorkörper weist an einer Seite, welche einem Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator zugewandt ist, die Nuten auf, welche die Wicklungsleiter der Rotorwicklungen aufnehmen. Im Falle der Innenläufer-Maschine ist der Rotor außengenutet. Außerdem kann der Rotorkörper eine axiale Durchführung aufweisen, in welcher eine drehfest mit dem Rotorkörper verbundene Rotorwelle des Rotors angeordnet ist.
Besonders bevorzugt ist der Rotorkörper in Schenkelpolbauweise ausgebildet. Hierfür weist der Rotorkörper ein Rotorjoch sowie radial von dem Rotorjoch abstehende Schenkelpole mit jeweils einem Polzahn und einem Polschuh auf, wobei jeweils eine Nut zwischen zwei benachbarten Polzähnen und jeweils eine, eine Zugangsöffnung zu der Nut ausbildende Pollücke zwischen zwei benachbarten Polschuhen ausgebildet ist. Die Wicklungsleiter sind als um die Polzähne gewickelte Drähte ausgebildet, wobei pro Nut zwei nutinterne Wicklungsbereiche zweier benachbarter Rotorwicklungen angeordnet sind. Beispielsweise kann der Rotorkörper sechs Schenkelpole aufweisen, welche in Umfangsrichtung äquidistant verteilt am Rotorjoch angeordnet sind. Durch das Rotorjoch hindurch ist die Rotorwelle geführt. Jeder Schenkelpol trägt eine Rotorwicklung, wobei jede Rotorwicklung zwei, an Flanken des zugehörigen Polzahns angeordnete, nutinterne Wicklungsbereiche und zwei, an gegenüberliegenden Stirnseiten des zugehörigen Polzahns angeordnete, stirnseitige Wicklungsbereiche aufweist. Die stirnseitigen Wicklungsbereiche der Rotorwicklungen bilden Wickelköpfe des Rotors aus. In den Nuten sind außerdem Nutisolationselemente angeordnet. Diese bedecken insbesondere eine dem Nutverschlusselement der jeweiligen Nut zugewandte Oberfläche der nutinternen Wicklungsbereiche. Die Nutisolationselemente sind insbesondere als flächige, dünne, biegbare Elemente, beispielsweise als Isolationspapiere ausgebildet. Die Isolationspapiere können die nutinternen Wicklungsbereiche beispielsweise zumindest bereichsweise ummanteln. Im Falle des Schenkelpol-Rotorkörpers können pro Nut beispielsweise ein erstes Nutisolationselement und ein zweites Nutisolationselement angeordnet sein. Das jeweilige erste Nutisolationselement kleidet die jeweilige Nut aus und überdeckt einen Nutgrund und Nutflanken der Nut. Das erste Nutisolationselement ist somit zwischen den nutinternen Wicklungsbereichen der zwei benachbarten Rotorwicklungen sowie dem Rotorkörper angeordnet. Das jeweilige zweite Nutisolationselement bedeckt die einander zugewandten Oberflächen der benachbarten nutinternen Wicklungsbereiche und kann beispielsweise einen im Wesentlichen V- förmigen Querschnitt aufweisen. Beispielsweise können die zweiten Nutisolationselemente als V-förmig gebogene Isolationspapiere ausgebildet sein. Das zweite Nutisolationselement bedeckt somit nicht nur die Oberflächen der nutinternen Wicklungsbereiche, sondern auch einen in Umfangsrichtung zwischen den nutinternen Wicklungsbereichen liegenden Abschnitt des Nutgrundes.
Die Nuten sind außerdem von den Nutverschlusselementen verschlossen. Diese ragen radial in die Nuten, insbesondere bis zum Nutgrund, hinein und sind somit zumindest bereichsweise innerhalb der Nuten angeordnet. Im Falle der Schenkelpolmaschine kann jedes Nutverschlusselement beispielsweise einen keilförmigen Verschlussbereich aufweisen, welcher innerhalb der Nut zwischen den nutinternen Wicklungsbereichen der benachbarten Rotorwicklungen angeordnet ist. Der keilförmige Verschlussbereich weist zwei V-förmig zueinander angeordnete Seiten auf, welche von dem Nutisolationselement, beispielsweise dem V-förmig gebogenen Isolationspapier, bedeckt sind. Außerdem kann jedes Nutverschlusselement einen Abstützbereich aufweisen, welcher radial außen am Verschlussbereich angeordnet ist. Der Abstützbereich kann im Bereich der Pollücke angeordnet sein und stützt sich beispielsweise an den Polschuhen der benachbarten Schenkelpole ab.
Pro Nut ist zumindest ein Kühlkanal zwischen dem Nutisolationselement und dem Nutverschlusselement gebildet, welcher dazu ausgelegt ist, ein Kühlfluid, insbesondere eine Kühlflüssigkeit, durch die Nut zu leiten. Das Nutverschlusselement und das Nutisolationselement bilden somit Wandungen des zumindest einen nutinternen Kühlkanals. Durch die Nutzung der ohnehin vorhandenen nutinternen Elemente müssen in vorteilhafter Weise keine zusätzlichen, gegenständlichen Elemente zum Ausbilden der Kühlkanäle in den Nuten angeordnet werden. Durch das Ausbilden des Kühlkanals an dem Nutisolationselement kann das Kühlfluid besonders nah an den Wicklungsleitern entlanggeführt werden und somit eine effiziente Kühlung der Rotorwicklungen ermöglichen. Im Falle des Schenkelpolrotors mit den keilförmigen Verschlussbereichen sind pro Nut zumindest zwei Kühlkanäle ausgebildet. Dabei ist jeweils zumindest ein Kühlkanal zwischen den V-förmig angeordneten Seiten des Verschlussbereiches und dem Nutisolationselement ausgebildet. Jeder Kühlkanal ist dabei insbesondere durchgängig zwischen den zwei axial gegenüberliegenden Stirnseiten des Rotorkörpers.
Beispielsweise kann jedem Kühlkanal das Kühlfluid über eine der Stirnseiten des Rotorkörpers zugeführt werden und an der anderen Stirnseite wieder entnommen werden. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass jedem Kühlkanal das Kühlfluid axial mittig zugeführt wird, von wo aus es sich aufteilt und in axial entgegengesetzte Richtungen zu den beiden Stirnseiten strömt und dort beidseitig am Rotorkörper austritt.
Es erweist sich als vorteilhaft, wenn eine dem Nutisolationselement zugewandte Seite des jeweiligen Nutverschlusselements zumindest eine Vertiefung aufweist, welche sich zwischen den zwei axial gegenüberliegenden Stirnseiten des jeweiligen Nutisolationselementes erstreckt und welche unter Ausbildung zumindest eines Kühlkanals von dem Nutisolationselement abgedeckt ist. Jede Seite weist insbesondere mehrere, in radialer Richtung beabstandet und über die Seite verteilt angeordnete Vertiefungen auf. Beispielsweise kann die Außenseite des Nutverschlusselementes Vertiefungen in Form von Rillen aufweisen, wobei jede Rille einem Kühlkanal zur Kühlfluidführung zugeordnet ist. Dabei ist eine Erstreckungsrichtung der Vertiefungen insbesondere zumindest abschnittsweise schräg zu einer axialen Erstreckungsrichtung der Wicklungsleiter der nutinternen Wicklungsbereiche gebildet. Anders ausgedrückt sind die Vertiefungen zumindest in Abschnitten nicht parallel zur axialen Erstreckungsrichtung der Wicklungsleiter und erstrecken sich somit zumindest abschnittsweise nicht entlang der axialen Richtung. Beispielsweise können sich die Vertiefungen wellenförmig oder schräg zwischen den axial gegenüberliegenden Stirnseiten des jeweiligen Nutverschlusselementes erstrecken. So kann verhindert werden, dass sich die Wicklungsleiter, beispielsweise die Drähte, in die Vertiefungen legen und somit den Kühlkanal ungewollt verschließen. Außerdem werden durch die nicht axialen Vertiefungsabschnitte eine Länge des Kühlkanals und somit eine Kühleffizienz der Rotorkühlung erhöht. In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Rotorkörper für jede Nut zumindest einen sich radial von der axialen Durchführung für die Rotorwelle zu dem jeweiligen Nutgrund der Nut erstreckenden Kühlfluidzuflusskanal auf. Das Nutisolationselement der jeweiligen Nut weist zumindest eine Eintrittsöffnung auf, in welche der Kühlfluidzuflusskanal der jeweiligen Nut zum Zuführen des Kühlfluids in den zumindest einen Kühlkanal der Nut mündet. Das Kühlfluid wird den Kühlkanälen der Nuten somit nicht über eine der Stirnseiten des Rotorkörpers zugeführt, sondern über radiale Kühlfluidzuflusskanäle im Inneren des Rotorkörpers. Die radialen Kühlfluidzuflusskanäle erstrecken sich bei einem Schenkelpolrotor strahlenförmig durch das Rotorjoch hindurch und können Kühlfluid radial durch das Rotorjoch von der axialen Durchführung zu den Nuten leiten, wo das Kühlfluid über die Eintrittsöffnungen der Nutisolationselemente in die Nuten eintritt. Beispielsweise kann die als Hohlwelle ausgebildete Rotorwelle fluchtend zu den Kühlfluidzuflusskanälen des Rotorkörpers angeordnete, radiale Kühfluidaustrittsöffnungen aufweisen. Das in der Hohlwelle geführte Kühlfluid kann somit radial über die Kühlaustrittsöffnungen aus der Hohlwelle austreten, in die Kühlfluidzuflusskanäle eintreten und zu den Eintrittsöffnungen der Nutisolationselemente geführt werden, welche fluchtend zu den Kühlfluidzuflusskanälen angeordnet sind. Über die radialen Eintrittsöffnungen, welche sich in dem mit dem Nutgrund überlappenden Bereich des Nutisolationselementes befinden, kann das Kühlfluid zu den nutinternen Kühlkanälen geführt werden, durch welche das Kühlfluid axial zwischen den Nutisolationselementen und den Nutverschlusselementen zu den gegenüberliegenden Stirnseiten des Rotorkörpers strömt.
Es erweist sich als vorteilhaft, wenn der Rotorkörper pro Nut einen radialen, axial mittig im Rotorkörper angeordneten Kühlfluidzuflusskanal aufweist und die Nutverschlusselemente jeweils einen axial innerhalb des Nutverschlusselementes angeordneten Verteilkanal aufweisen, welcher zum Leiten des Kühlfluids von der Eintrittsöffnung des Nutisolationselementes zu den Kühlkanälen fluidisch mit der jeweiligen Eintrittsöffnung sowie den Kühlkanälen gekoppelt ist. Beispielsweise weist der Verteilkanal der Nutverschlusselemente einen radialen Hauptzweig auf, welcher radial fluchtend zu der jeweiligen Eintrittsöffnung angeordnet ist und von welchem tangentiale Nebenzweige zu den Vertiefungen in den beiden V-förmig angeordneten Seiten des Nutverschlusselementes abgehen.
Vorzugsweise sind die Nutverschlusselemente aus jeweils zwei Teilen gebildet, welche axial benachbart zueinander auf Stoß in der jeweiligen Nut angeordnet sind, wobei zumindest eines der Teile in einem jeweiligen stirnseitigen Stoßbereich eine Einkerbung aufweist, welche im auf Stoß angeordneten Zustand der Teile den Verteilkanal ausbildet. Jedes Nutverschlusselement ist also in axialer Richtung segmentiert und besteht aus zwei Teilen, die auf Stoß zueinander in der Nut angeordnet sind. Anders ausgedrückt berühren sich die beiden Teile im Stoßbereich. Zum Anordnen der zwei Teile auf Stoß können die beiden Teile eine axiale Durchgangsöffnung aufweisen, in welcher ein Zuganker zum kraftschlüssigen Verbinden der zwei Teile angeordnet wird. Der Stoßbereich ist auf derselben axialen Höhe angeordnet wie die jeweilige Eintrittsöffnung des Nutisolationselementes. In diesem Stoßbereich ist der jeweilige Verteilkanal ausgebildet. Hierzu weist die im Stoßbereich angeordnete Stirnseite zumindest eines Teils die Einkerbung auf, welche von der Stirnseite des anderen Teils abgedeckt wird.
Die mit Bezug auf den erfindungsgemäßen Rotor vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße fremderregte elektrische Maschine.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der 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 allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Perspektivdarstellung eines Rotors für eine fremderregte elektrische Maschine;
Fig. 2 eine Perspektivdarstellung eines Rotorkörpers des Rotors;
Fig. 3 eine Seitenansicht des Rotorkörpers;
Fig. 4 eine Draufsicht auf den Rotor im Bereich einer Nut des Rotors;
Fig. 5 eine Perspektivdarstellung eines Nutverschlusselementes und eines
Nutisolationselementes des Rotors; Fig. 6 eine Perspektivdarstellung des Nutverschlusselementes;
Fig. 7 eine Seitenansicht des Nutverschlusselementes; und
Fig. 8 eine Schnittdarstellung durch den Rotor im Bereich eines Kühlfluidzuflusskanals.
In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1 zeigt einen Rotor 1 für eine fremderregte elektrische Maschine, welche beispielsweise als Antriebsmaschine eines elektrifizierten Kraftfahrzeugs fungieren kann. Der Rotor 1 weist einen Rotorkörper 2 auf, welcher aus unterschiedlichen Perspektiven in Fig. 2 und Fig. 3 gezeigt ist. Der Rotorkörper 2 ist beispielsweise als ein Blechpaket aus axial gestapelten Blechlamellen gebildet. Der Rotorkörper 2 ist hier in Schenkelpolbauweise ausgebildet und weist ein Rotorjoch 3 sowie radial von dem Rotorjoch abstehende Schenkelpole 4 auf. Das Rotorjoch 3 weist eine axiale Durchführung 5 für eine hier nicht gezeigte Rotorwelle des Rotors 1 auf. Jeder Schenkelpol 4 weist einen radial vom Rotorjoch 3 abstehenden Polzahn 6 sowie einen radial außen am Polzahn 6 angeordneten Polschuh 7 auf. Zwischen zwei benachbarten Polzähnen 6 ist eine Nut 8 des Rotorkörpers 2 gebildet. Zwischen zwei benachbarten Polschuhen 7 ist eine Pollücke 9 gebildet, welche eine Zugangsöffnung zu der jeweiligen Nut 8 ausbildet. Jede Nut 8 weist einen durch das Rotorjoch 3 gebildeten Nutgrund 8a und zwei, durch die Rotorzähne 6 gebildete Nutflanken 8b auf.
Der Rotor 1 weist Rotorwicklungen 10 mit Wicklungsleitern 11 auf, welche hier als um die Polzähne 6 gewickelte Drähte ausgebildet sind. Zwischen einer jeweiligen Stirnseite 12 des Rotorkörpers 2 und stirnseitigen Wicklungsbereichen der Rotorwicklungen 10 ist hier jeweils eine Sternscheibe 13 angeordnet. Diese dient zum Halten, Umlenken und Stabilisieren der Wicklungsleiter 11. Die Wicklungsleiter 11 weisen außerdem nutinterne Wicklungsbereiche auf, welche innerhalb der Nuten 8 angeordnet sind. Hier sind pro Nut 8 die Wicklungsbereiche zweier benachbarter Rotorwicklungen 10 entlang der Nutflanken 8b angeordnet. Oberflächen der nutinternen Wicklungsbereiche sind mit einem flächenartigen, dünnen Nutisolationselement 14 bedeckt. Außerdem sind die Nuten 8 mit jeweils einem Nutverschlusselement 15 verschlossen, welches zumindest bereichsweise innerhalb der Nut 8 angeordnet ist. Das Nutverschlusselement 15 erstreckt sich insbesondere von der Pollücke 9 bis zum jeweiligen Nutgrund 8a, wobei zwischen dem Nutgrund 8a und dem Nutverschlusselement 15 ein Abschnitt des Nutisolationselementes 14 angeordnet ist.
In Fig. 4 ist eine Draufsicht auf eine der Stirnseiten 12 des Rotorkörpers 2 gezeigt. Das Nutisolationselement 14, welches hier als ein Nutisolationspapier 16 ausgebildet ist, ist zwischen den nutinternen Wicklungsbereichen der Wicklungsleiter 11 und dem Nutverschlusselement 15 angeordnet. Das Nutverschlusselement 15 weist, wie auch in Fig. 5 und Fig. 6 gezeigt ist, einen keilförmigen Verschlussbereich 17 mit zwei V-förmig zulaufenden Seiten 18 auf, welche den nutinternen Wicklungsbereichen zugewandt sind. Wie auch in Fig. 5 gezeigt, bedeckt das Nutisolationselement 14 dabei die Seiten 18 des Nutverschlusselementes 15 und schmiegt sich somit an Außenflächen des keilförmigen Verschlussbereiches 17 an. Außerdem weist das Nutverschlusselement 15 einen Abstützbereich 19 auf, welcher sich an den Polschuhen 7 der benachbarten Schenkelpole 4 abstützt.
Zwischen den Seiten 18 des Nutverschlusselementes 15 und dem Nutisolationselement 14 ist außerdem zumindest ein nutinterner Kühlkanal 20 ausgebildet. Dieser ist dazu ausgelegt, ein Kühlfluid axial durch die jeweiligen Nut 8 zu leiten. Zum Ausbilden der Kühlkanäle 20 weisen die Seiten 18 des Nutverschlusselementes 15 Vertiefungen 21 auf, welche auch in Fig. 6 und Fig. 7 gezeigt sind und welche von dem Nutisolationselement 14 abgedeckt sind. Die Vertiefungen 21 erstrecken sich wellenförmig über die Seiten 18 des Nutverschlusselementes 15 zwischen zwei Stirnflächen 22 des Nutverschlusselementes 15. Die Stirnflächen 22 der Nutverschlusselemente 15 sind im Bereich der Stirnseiten 12 des Rotorkörpers 2 angeordnet. Mittels der durch das Nutisolationselement 14 abgedeckten Vertiefungen 21 sind somit die nutinternen Kühlkanäle 20 gebildet, welche sich zwischen den Stirnseiten 12 des Rotorkörpers 2 erstrecken.
Das Nutisolationselement 15 kann, wie in Fig. 7 gezeigt ist, axial segmentiert sein und durch zwei, auf Stoß aneinander angeordnete Teile 15a, 15b gebildet sein. Zum Aneinanderpressen der Teile 15a, 15b können die Teile 15a, 15b axiale Durchgangsöffnungen 23 aufweisen, durch welche ein hier nicht gezeigter Zuganker hindurchgeführt werden kann. Im Stoßbereich 24 der zwei Teile 15a, 15b ist ein Verteilkanal 25 ausgebildet. Der Verteilkanal 25 bildet eine fluidische Verbindung zwischen den Kühlkanälen 20 und einer Eintrittsöffnung 26 im Nutisolationselement 14. In Fig. 8 ist eine perspektivische Schnittdarstellung durch den Rotor 1 gezeigt, wobei in der Nut nur ein Teil 15b des Nutverschlusselementes 15 dargestellt ist, sodass eine Stirnseite des Teils 15b im Stoßbereich 24 sichtbar ist. Zum Ausbilden des Verteilkanals 25 weist zumindest die Stirnseite des Teils 15b Einkerbungen 27 auf, welche durch die Stirnseite des anderen Teils 15a abgedeckt werden. Der Verteilkanal 25 weist einen sich radial erstreckenden Hauptzweig 25a und tangentiale Nebenzweige 25b auf, welche sich zu den axial benachbarten Vertiefungen 21 in den Seiten 18 des Nutverschlusselementes 15 erstrecken. Außerdem weisen die Stirnseiten der Teile 15a, 15b hier im Stoßbereich 24 zueinander korrespondierende Verbindungselemente 28 auf.
Diese Eintrittsöffnung 26 ist radial fluchtend zu einen Kühlfluidzuflusskanal 29 innerhalb des Rotorkörpers 2 ausgebildet. Die Kühlfluidzuflusskanäle 29 erstrecken sich von der axialen Durchführung 5 zu den Nuten 8 und enden dabei im Nutgrund 8a der jeweiligen Nuten, siehe auch Fig. 2 und Fig. 3. Zum Kühlen der Rotorwicklungen 10 kann das Kühlfluid in der als Hohlwelle ausgebildeten Rotorwelle geführt werden und aus radialen, fluchtend zu den Kühlfluidzuflusskanälen 29 angeordneten Austrittsöffnungen in der Rotorwelle austreten. Über die Kühlfluidzuflusskanäle 29 wird das Kühlfluid zu den Eintrittsöffnungen 26 der Nutisolationspapiere 16 geleitet und tritt über die Eintrittsöffnungen in die Verteilkanäle 25 ein. Durch die Verteilkanäle 25 hindurch wird das Kühlfluid zu den Kühlkanälen 20 geleitet, wo es sich axial entgegengesetzt aufteilt und in Richtung der Stirnseiten 12 des Rotorkörpers 2 strömt.

Claims

Patentansprüche
1. Rotor (1) für eine fremderregte elektrische Maschine aufweisend:
- einen Rotorkörper (2) mit in Umfangsrichtung verteilt angeordneten Nuten (8),
- Rotorwicklungen (10) mit Wicklungsleitern (11), welche bereichsweise in den Nuten (8) angeordnet sind,
- Nutverschlusselemente (15), welche zum Verschließen der Nuten (8) zumindest bereichsweise in den Nuten (8) angeordnet sind,
- Nutisolationselemente (14), welche zwischen nutinternen Wicklungsbereichen der Wicklungsleiter (11) und nutinternen Seiten (18) der Nutverschlusselemente (15) angeordnet sind, wobei zwischen den Nutisolationselementen (14) und den nutinternen Seiten (18) der Nutverschlusselemente (15) Kühlkanäle (20) ausgebildet sind, welche dazu ausgelegt sind, ein Kühlfluid durch die Nut (8) entlang der nutinternen Wicklungsbereiche zum Kühlen der Rotorwicklungen (10) zu führen.
2. Rotor (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Nutisolationselemente (14) Isolationspapiere (16) sind, welche zumindest eine dem Nutverschlusselement (15) zugewandte Oberfläche des jeweiligen nutinternen Wicklungsbereiches sowie zumindest eine nutinterne Seite (18) des Nutverschlusselementes (15) bedecken.
3. Rotor (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine dem Nutisolationselement (14) zugewandte Seite (18) des jeweiligen Nutverschlusselements (15) zumindest eine Vertiefung (21) aufweist, welche sich zwischen zwei axial gegenüberliegenden Stirnseiten (22) des jeweiligen Nutisolationselementes (15) erstreckt und welche unter Ausbildung des zumindest einen Kühlkanals (20) von dem Nutisolationselement (14) abgedeckt ist.
4. Rotor (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Erstreckungsrichtung der Vertiefungen (21) zumindest abschnittsweise schräg zu einer axialen Erstreckungsrichtung der Wicklungsleiter (11) der nutinternen Wicklungsbereiche gebildet ist.
5. Rotor (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Vertiefungen (21) wellenförmig zwischen den axial gegenüberliegenden Stirnseiten (22) des jeweiligen Nutverschlusselementes erstrecken.
6. Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der in Schenkelpolbauweise ausgebildete Rotorkörper (2) ein Rotorjoch (3) sowie radial von dem Rotorjoch (3) abstehende Schenkelpole (4) mit jeweils einem Polzahn (6) und einem Polschuh (7) aufweist, wobei jeweils eine Nut (8) zwischen zwei benachbarten Polzähnen (6) ausgebildet ist und die Wicklungsleiter (11) um die Polzähne (6) gewickelt sind, sodass pro Nut (8) zwei nutinterne Wicklungsbereiche zweier benachbarter Rotorwicklungen (10) angeordnet sind, wobei die Nutverschlusselemente (15) einen keilförmigen Verschlussbereich (17) aufweisen, welcher in der Nut (8) zwischen den nutinternen Wicklungsbereichen der benachbarten Rotorwicklungen (10) angeordnet ist, wobei die den nutinternen Wicklungsbereichen zugewandten Seiten (18) des keilförmigen Verschlussbereiches (17) jeweils zumindest eine Vertiefung (21) zum Ausbilden jeweils zumindest eines Kühlkanals (20) aufweisen.
7. Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorkörper (2) für jede Nut (8) zumindest einen sich radial ausgehend von einer axialen Durchführung (5) für eine Rotorwelle des Rotors (1) zu einem jeweiligen Nutgrund (8a) der Nut (8) erstreckenden Kühlfluidzuflusskanal (29) aufweist und das Nutisolationselement (14) der jeweiligen Nut (8) zumindest eine Eintrittsöffnung (26) aufweist, welche radial fluchtend zu dem jeweiligen Kühlfluidzuflusskanal (29) zum Aufnehmen des Kühlfluids aus dem Kühlfluidzuflusskanal (29) angeordnet ist.
8. Rotor (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorkörper (2) pro Nut (8) einen radialen, axial mittig im Rotorkörper (2) angeordneten Kühlfluidzuflusskanal (29) aufweist und die Nutverschlusselemente (15) jeweils einen axial innerhalb des Nutverschlusselementes (15) angeordneten Verteilkanal (25) aufweisen, welcher zum Leiten des Kühlfluids von der Eintrittsöffnung (26) des Nutisolationselementes (14) zu den Kühlkanälen (20) fluidisch mit der jeweiligen Eintrittsöffnung (26) sowie den Kühlkanälen (20) gekoppelt ist.
9. Rotor (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutverschlusselemente (15) aus jeweils zwei Teilen (15a, 15b) gebildet sind, welche axial benachbart zueinander auf Stoß in der jeweiligen Nut (8) angeordnet sind, wobei zumindest eines der Teile (15b) in einem jeweiligen stirnseitigen Stoßbereich (24) eine Einkerbung (27) aufweist, welche im auf Stoß angeordneten Zustand der Teile (15a, 15b) den Verteilkanal (25) ausbildet.
10. Rotor (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorwelle des Rotors (1) als Hohlwelle zur Kühlfluidführung ausgebildet ist, welche innerhalb der Durchführung (5) des Rotorkörpers (2) angeordnet und drehfest mit dem Rotorkörper (2) verbunden ist, wobei die Rotorwelle fluchtend zu den Kühlfluidzuflusskanälen (29) des Rotorkörpers (2) angeordnete radiale Kühfluidaustrittsöffnungen aufweist.
11. Fremderregte elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug aufweisend einen Stator und einen bezüglich des Stators drehbar gelagerten Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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