DE102017202801A1

DE102017202801A1 - Rotorblechpaket für einen Rotor

Info

Publication number: DE102017202801A1
Application number: DE102017202801.7A
Authority: DE
Inventors: Holger Fröhlich
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2017-02-21
Filing date: 2017-02-21
Publication date: 2018-08-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Rotorblechpaket (1) für einen Rotor einer elektrischen Maschine (22). Das Rotorblechpaket (1) umfasst ein erstes stirnseitiges Endblech (3) mit wenigstens einem ersten Lüfterkopf (4), ein zweites stirnseitiges Endblech (5) mit wenigstens einem zweiten Lüfterkopf (6) und mehrere Innenbleche (7), welche zwischen dem ersten stirnseitigen Endblech (3) und dem zweiten stirnseitigen Endblech (5) angeordnet sind. Dabei bilden die Innenbleche (7) wenigstens einen Kühlkanal (8) aus, und der Kühlkanal (8) verbindet den ersten Lüfterkopf (4) mit dem zweiten Lüfterkopf (6). Der erste Lüfterkopf (4) und der zweite Lüfterkopf (6) sind derart achssymmetrisch zueinander angeordnet, dass eine erste Öffnung (9) des ersten Lüfterkopfs (4) in einer Rotationsrichtung (R) des Rotorblechpakets (1) geöffnet ist, und dass eine zweite Öffnung (10) des zweiten Lüfterkopfs (6) entgegen der Rotationsrichtung (R) des Rotorblechpakets (1) geöffnet ist. Bei einer Rotation des Rotorblechpakets (1) erzeugt der erste Lüfterkopf (4) einen Staudruck (15), durch welchen ein Kühlmedium über den ersten Lüfterkopf (4) in den Kühlkanal (8) gefördert wird, und der zweite Lüfterkopf (6) erzeugt einen Sog (17), durch welchen das Kühlmedium über den zweiten Lüfterkopf (6) aus dem Kühlkanal (8) heraus gefördert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Rotorblechpaket für einen Rotor einer elektrische Maschine. Weitere Ansprüche sind auf den Rotor mit dem Rotorblechpaket, eine elektrische Maschine mit dem Rotor sowie ein Kraftfahrzeug mit der elektrischen Maschine gerichtet.
In elektrischen Maschinen aller Leistungsklassen wird erhebliche Wärme entwickelt, die im Hinblick auf eine verbesserte Maschineneffizienz und im Hinblick auf eine höhere Lebensdauer der elektrischen Maschine mittels kühltechnischer Maßnahmen abzuführen ist. Der Rotor bzw. Läufer erzeugt üblicherweise Verlustwärme, welche teilweise durch Wärmeleitung und -strahlung über einen Luftspalt zwischen dem Rotor und einem Stator der elektrischen Maschine übertragen wird und von dort aus an ein Gehäuse der elektrischen Maschine abgegeben wird. Ein weiterer Teil der Verlustwärme kann über die Rotorwelle nach außen geleitet werden, wodurch sich die Wälzlager der Rotorwelle erwärmen.
Eine derartige thermische Lagerbelastung und eine sich einstellende Temperaturdifferenz zwischen Innenring- und Außenring führt zu hohen Kontaktspannungen im Lager, was ein Abrollen behindert und Schälbeanspruchung sowie Materialermüdung zur Folge haben kann. Zusätzlich wird durch derartig thermische Lagerbelastung der Schmierstoff der Wälzlager thermisch gealtert, zersetzt oder verbrannt und verändert seine anfänglich eingestellten Eigenschaften. Alles dies führt zu einer deutlichen Reduzierung der Lebensdauer der Wälzlager.
In vielen Anwendungsfällen, z.B. bei Elektromotoren, bei denen die Rotortemperatur größer ist als die Temperatur der Lageraufnahmen im Gehäuses der elektrischen Maschine, liegt eine Betriebstemperatur der Außenringe unterhalb der Temperatur der Innenringe. Dies führt zu einer Reduzierung der Lagerluft, welche bei übermäßiger Minderung eine hohe Vorspannung in den Lagern verursacht. Diese unerwünschte, sich im Betrieb einstellende zusätzliche Belastung des Lagers behindert das definierte Abrollen des Wälzkörpers und führt zu Schälbeanspruchungen sowie Materialermüdung, welche zum vorzeitigen Ausfall der Lager und somit der ganzen elektrischen Maschine führen können. Werden Lager mit größerer Lagerluft als normal verwendet, um diese thermische Betriebsspieländerung zu kompensieren, so kann dies negative Auswirkungen auf die elektrische Maschine haben, unter anderem erhöhte Schwingungen und größere Axialtoleranzen der Rotorwelle, was sich ungünstig auf das Betriebsverhalten des Motors auswirkt.
Sofern eine Kühlung der Rotorwelle bzw. des Rotorblechpakets möglich ist, kann dies direkte positive Auswirkungen auf das Betriebsverhalten der elektrischen Maschine sowie auf die Lebensdauer der Lagerung haben. Besonders vorteilhaft kann eine Kühlung des Rotorblechpakets auch einen großen Anteil zur Kühlung der Rotorwelle beisteuern. Durch eine Kühlung der Rotorwelle kann eine Verringerung der großen Temperaturunterschiede zwischen dem Innenring und dem Außenring des jeweiligen Lagers erreicht werden und damit die Lebensdauer der Lager verlängert werden.
Aus der DE 10 2009 012 324 A1 ist eine elektrische Maschine mit einer drehbaren Welle und einem mit der Welle verbundenen Rotor bekannt. Um die Kühlung des Rotors der elektrischen Maschine zu verbessern, weist die Welle einen sich in axialer Richtung der Welle erstreckenden Hohlraum auf, wobei der Hohlraum zur Aufnahme eines Kältemittels vorgesehen ist. Weiterhin umfasst die Welle eine innerhalb des Rotors angeordnete Verdampfereinheit und eine außerhalb des Rotors angeordnete Kondensatoreinheit, wobei die Kondensatoreinheit zur Kondensation des Kältemittels vorgesehen ist. Die elektrische Maschine gemäß der DE 10 2009 012 324 A1 ermöglicht eine Abfuhr von Verlustwärme einer elektrischen Maschine durch einen Wellenthermosiphon bei Maschinen ohne standardmäßige Zwangsluftkühlung. Allerdings ist diese elektrische Maschine apparativ sehr aufwändig und teuer.
Sofern eine elektrische Maschine ferner eine Mantel-Flüssigkeitskühlung in geschlossener Bauweise (gekapselt) aufweist, kann das Problem auftreten, dass der Rotor und die Wickelköpfe nahezu ungekühlt bleiben, wodurch die Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine eingeschränkt wird und die Gefahr besteht, dass die Lager der Rotorwelle temperaturbedingt ausfallen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kühlung des Rotors zu verbessern, um die mittlere Lagertemperatur sowie die Temperaturdifferenz zwischen Lagerinnenring und Lageraußenring des Rotorwellenlagers zu senken, sodass die Lebensdauer des Rotorwellenlagers erhöht und dessen Ausfälle durch Materialermüdung vermieden werden können.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der folgenden Beschreibung sowie der Figuren.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Rotorblechpaket für einen Rotor einer elektrischen Maschine bereitgestellt.
Das Rotorblechpaket umfasst ein erstes stirnseitiges Endblech mit wenigstens einem ersten Lüfterkopf, ein zweites stirnseitiges Endblech mit wenigstens einem zweiten Lüfterkopf und mehrere Innenbleche, welche zwischen dem ersten stirnseitigen Endblech und dem zweiten stirnseitigen Endblech angeordnet sind.
Die Innenbleche sind dabei untereinander drehfest miteinander verbunden und die Endbleche sind mit den Innenblechen drehfest verbunden.
Die Innenbleche bilden wenigstens einen Kühlkanal aus, wobei der Kühlkanal den ersten Lüfterkopf mit dem zweiten Lüfterkopf verbindet. Der erste Lüfterkopf und der zweite Lüfterkopf sind derart achssymmetrisch zueinander angeordnet, dass eine erste Öffnung des ersten Lüfterkopfs in einer Rotationsrichtung des Rotorblechpakets geöffnet ist, und dass eine zweite Öffnung des zweiten Lüfterkopfs entgegen der Rotationsrichtung des Rotorblechpakets geöffnet ist. Wenn das Rotorblechpaket rotiert, erzeugt der erste Lüfterkopf einen Staudruck, durch welchen ein Kühlmedium über den ersten Lüfterkopf in den Kühlkanal gefördert wird, und der zweite Lüfterkopf erzeugt einen Sog, durch welchen das Kühlmedium über den zweiten Lüfterkopf aus dem Kühlkanal heraus gefördert wird.
Lüfterköpfe sind insbesondere aus dem Schiffbau bekannt, wo sie auch Windhutzen genannt werden und in Dorade-Lüftern eingesetzt werden. Die Lüfterköpfe können insbesondere eine trichterförmige Öffnung aufweisen, durch welche Kühlmedium bei (Rotations-)Bewegung der Lüfterköpfe aufgefangen und in den Kühlkanal geleitet werden kann.
Die Lüfterköpfe sind strömungsleitende Elemente, wobei die Lüfterköpfe insbesondere dazu eingerichtet sind, zur inneren Kühlung des Rotorblechpakets einen Luftstrom, einen Aerosolstrom oder einen sonstigen Kühlmedium-Strom in axialer Richtung auf einer ersten axialen Stirnseite des Rotorblechpakets in den Kühlkanal hinein zu fördern und auf der anderen axialen Stirnseite des Rotorblechpakets wieder aus dem Kühlkanal heraus zu fördern.
Anders ausgedrückt bilden sich bei einer Rotation des Rotorblechpakets durch die in den Endblechen ausgebildeten Lüfterköpfe (siehe auch Wirkungsweise Dorade-Lüfter) lokal unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten und gemäß dem Gesetz von Bernoulli unterschiedliche statische und dynamische Drücke. Der Lüfterkopf oder die Lüfterköpfe in den Endblechen des Rotorblechpakets besitzen dabei eine unterschiedliche Ausrichtung, insbesondere sind sie um 180° zueinander gedreht angeordnet. Auf der einen Seite hat der wenigstens eine Lüfterkopf die Öffnung in Rotationsrichtung, auf der anderen Seite entgegen der Rotationsrichtung.
Auf der Seite, auf welcher der erste Lüfterkopf in Rotationsrichtung geöffnet ist, entsteht ein Staudruck und die Luft bzw. das Kühlmedium wird in den wenigstens einen Kühlkanal des Rotorblechpakets gedrückt. Auf der anderen Seite, auf welcher der zweite Lüfterkopf entgegen der Rotationsrichtung geöffnet ist, entsteht eine Sogwirkung, welche die Luft bzw. das Kühlmedium aus dem Kühlkanal des Rotorblechpakets ansaugt. Durch die Druckwirkung auf der einen Stirnseite des Rotorblechpakets und die Sogwirkung auf der anderen Stirnseite des Rotorblechpakets entsteht zwischen beiden Lüfterköpfen entlang des wenigstens einen Kühlkanals des Rotorblechpakets eine Luftzirkulation. Das Rotorblechpaket gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung ermöglicht auf diese Weise, einen aktiv durchzugsbelüfteten Rotor bereitzustellen.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Bleche jeweils mehrere auf einem Kreisring der Bleche angeordnete Durchbrüche aufweisen, welche die Stirnseiten des jeweiligen Blechs miteinander verbinden, sodass mehrere Kühlkanäle ausgebildet werden, wobei jeweils einer dieser Kühlkanäle einen von mehreren ersten Lüfterköpfen mit einem von mehreren zweiten Lüfterköpfen verbindet. Die mehreren ersten Lüfterköpfe und die mehreren zweiten Lüfterköpfe können dabei jeweils wie auf einem Lüfterrad zueinander angeordnet sein, d.h. insbesondere kreisringförmig und in Umfangsrichtung voneinander beabstandet.
Durch die mehreren Kühlkanäle kann besonders viel Kühlmedium durch das Rotorblechpaket geleitet und somit eine besonders hohe Wärmeabfuhr im Bereich des Rotorblechpakets ermöglicht werden. Die Durchbrüche können insbesondere äquidistant zueinander angeordnet sein, wodurch parallel zueinander verlaufende Kühlkanäle gebildet werden können, welche eine besonders gleichmäßige Wärmeabfuhr aus dem Rotorblechpaket ermöglichen. Zwischen benachbarten Durchbrüchen bildet das Blech jeweils eine Speiche aus. Das entstehende Speichen-Design gemäß dieser Ausführungsform ermöglicht eine hohe Rotorsteifigkeit bzw. Rotorfestigkeit und eine Übertragung hoher Drehmomente.
Gemäß einer Ausführungsform ist ein radial äußerer Eintritt und Austritt von Luft bzw. Kühlmedium vorgesehen. Dazu ist der wenigstens eine erste Lüfterkopf derart geformt, dass das Kühlmedium bei einer Rotation des Rotorblechpakets aus einem den ersten Lüfterkopf in radialer Richtung umgebenden Bereich über den ersten Lüfterkopf in den Kühlkanal gefördert wird. Weiterhin ist der wenigstens eine zweite Lüfterkopf derart geformt, dass das Kühlmedium bei einer Rotation des Rotorblechpakets über den zweiten Lüfterkopf aus dem Kühlkanal heraus in einen den zweiten Lüfterkopf umgebenden Bereich gefördert wird.
Alternativ kann ein mittiger Eintritt und Austritt von Luft bzw. Kühlmedium vorgesehen sein. Dazu ist der wenigstens eine erste Lüfterkopf derart geformt, dass das Kühlmedium bei einer Rotation des Rotorblechpakets aus einem mittleren Bereich, welcher sich in radialer Richtung auf der Höhe des ersten Lüfterkopfs befindet, über den ersten Lüfterkopf in den Kühlkanal gefördert wird. Weiterhin ist dass der wenigstens eine zweite Lüfterkopf derart geformt, dass das Kühlmedium bei einer Rotation des Rotorblechpakets über den zweiten Lüfterkopf aus dem Kühlkanal heraus in einen mittleren Bereich gefördert wird, welcher sich in radialer Richtung auf der Höhe des zweiten Lüfterkopfs befindet.
Ferner kann ein radial innerer Eintritt und Austritt von Luft bzw. Kühlmedium vorgesehen sein. Dazu ist der wenigstens eine erste Lüfterkopf derart geformt, dass das Kühlmedium bei einer Rotation des Rotorblechpakets aus einem Innenbereich, welcher in radialer Richtung von dem ersten Lüfterkopf umgeben ist, über den ersten Lüfterkopf in den Kühlkanal gefördert wird. Weiterhin ist der wenigstens eine zweite Lüfterkopf derart geformt, dass das Kühlmedium bei einer Rotation des Rotorblechpakets über den zweiten Lüfterkopf aus dem Kühlkanal heraus in einen Innenbereich gefördert wird, welcher in radialer Richtung von dem zweiten Lüfterkopf umgeben ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Kühlkanal schraubenspindelförmig ist. Auf diese Weise kann der Kühlkanal im Inneren des Rotorblechpakets als eine „Förderspirale“ dienen, welche z.B. durch versetztes Aufeinanderstapeln gleicher, insbesondere kongruenter Blechzuschnitte entstehen kann. Die Innenbleche können dabei jeweils wenigstens einen Durchbruch aufweisen, welcher die Stirnseiten des jeweiligen Blechs miteinander verbindet. Die Durchbrüche von in der Stapelrichtung versetzten Innenblechen können in einer Umfangsrichtung der Bleche derart versetzt zueinander angeordnet sein, dass der wenigstens eine durch das Rotorblechpaket verlaufende, schraubenspindelförmige Kühlkanal gebildet wird. Mit anderen Worten können die Durchbrüche von in der Stapelrichtung versetzten Innenblechen derart verdreht bzw. tordiert zueinander angeordnet sein, dass in der Gesamtheit wenigstens ein schraubenspindelförmiger Kühlkanal ausgebildet wird, wobei das Design des Kühlkanals auf dem Prinzip der archimedischen Schraube beruht.
Sofern das Rotorblechpaket im Betrieb der elektrischen Maschine mit einer ausreichenden Drehzahl rotiert, dreht sich auch der wenigstens eine schraubenspindelförmige Kühlkanal innerhalb des Rotorblechpakets und kann das Kühlmedium nach dem Prinzip einer Schneckenpumpe durch den Kühlkanal fördern. Die äußere Kontur des Kühlkanals wird durch die Form bzw. die Kontur der Durchbrüche in den einzelnen Innenblechen bestimmt. Auf eine mögliche Fördermenge kann hierbei insbesondere über die Drehzahl des Rotorblechpakets, den Innen- und Außendurchmesser und die Steigung des Kühlkanals sowie über die Reibung der Kühlflüssigkeit an den Innenwänden des Kühlkanals Einfluss genommen werden. Der schraubenspindelförmige Verlauf des Kühlkanals stellt eine besonders große Wärmeübertragungsfläche bereit, wodurch eine verbesserte Wärmeabfuhr bzw. Kühlung ermöglicht wird.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Rotor für eine elektrische Maschine bereitgestellt. Der Rotor umfasst ein Rotorblechpaket gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung und eine Rotorwelle, wobei das Rotorblechpaket drehfest auf der Rotorwelle gelagert ist und wobei die Rotorwelle drehbar in zwei Wellenlagern, insbesondere Wälzlagern, gelagert ist.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird eine elektrische Maschine für ein Fahrzeug bereitgestellt. Die elektrische Maschine umfasst einen Rotor gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung, einen Stator mit einem Statorblechpaket und mit Stator-Wickelköpfen, welche an gegenüberliegenden Stirnseiten des Statorblechpakets angeordnet sind, und ein Gehäuse, welches den Stator in radialer Richtung umgibt. Der Stator bildet entlang seines Außenumfangs verteilte Nuten aus, welche zwei gegenüberliegende Stirnseiten der Stator-Wickelköpfe miteinander verbinden. Bei einer Rotation des Rotors erzeugt der erste Lüfterkopf einen Staudruck, durch welchen ein Kühlmedium aus den Nuten auf einer Sogseite des Stators über den ersten Lüfterkopf in den Kühlkanal gefördert wird, und der zweite Lüfterkopf erzeugt einen Sog, durch welchen das Kühlmedium über den zweiten Lüfterkopf aus dem Kühlkanal heraus in die Nuten auf einer Druckseite des Stators gefördert wird.
Mit anderen Worten kann sich mittels der Luftzirkulation bzw. der Zirkulation von Kühlmedium durch das Rotorblechpaket in der elektrischen Maschine auf einer ersten Motorseite bzw. Statorseite eine Sogseite ausbilden, während sich auf der anderen Motorseite bzw. Statorseite eine Druckseite ausbilden kann.
Das Kühlmedium, insbesondere Luft oder ein Aerosol, kann nun über die Nuten zwischen dem Gehäuse und dem Stator Blechpaket angesogen werden, wobei die Nuten über den gesamten Umfang des Stators verteilt sind. Hier werden beim Passieren des Kühlmediums die Wickelköpfe des Stators auf der Sogseite gekühlt. Das Kühlmedium wird an der Sogseite in den Rotor gesogen und über die Rotorpassage auf die Druckseite der elektrischen Maschine gefördert. Von dort aus passiert die Luft die Wickelköpfe der anderen Stator Seite, um wieder über den Umfang des Stator Blechpakets auf die Sogseite zu wechseln. Auf diese Weise kann ein geschlossener Kreislauf des Kühlmediums durch die elektrische Maschine erzeugt werden, wobei das Kühlmedium auf seinem zurückgelegten Weg sowohl den Rotor, als auch den Stator und das Gehäuse der elektrischen Maschine kühlen kann. Dadurch dass der Rotor besonders gut durch das Kühlmedium gekühlt werden kann, können die mittleren Lagertemperaturen der Wellenlager sowie Temperaturdifferenzen zwischen den jeweiligen Lagerinnenringen und Lageraußenringen der Wellenlager gesenkt werden. Auf diese Weise kann die Lebensdauer der Wellenlager erhöht werden und deren Ausfälle durch Materialermüdung vermieden werden.
Das Gehäuse kann einen Flüssigkeits-Kühlkanal eines Umlauf-kühlkreislaufs umfassen, innerhalb welchem eine Kühlflüssigkeit zirkuliert und das Gehäuse kühlt. Auf diese Weise kann ein Wickelkopfraum an das Gehäuse bzw. dessen Flüssigkeitskühlung herangeführt bzw. angebunden werden. Dadurch kann besonders viel Wärme im Bereich des Rotors und Stators der elektrischen Maschine abgeführt werden.
Der Umlaufkühlkreislauf kann weiterhin eine Pumpe und einen Wärmetauscher zur Kühlung der Kühlflüssigkeit aufweisen. Die Pumpe kann die Kühlflüssigkeit aus dem Bereich des Flüssigkeits-Kühlkanals des Gehäuses ansaugen und durch den Wärmetauscher fördern, wo es durch ein zweites Kühlmedium gekühlt wird, beispielsweise durch Kühlwasser eines Hauptkühlkreislaufs, und anschließend wieder zurück in den Flüssigkeits-Kühlkanal des Gehäuses fördern.
Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung wird ein Fahrzeug bereitgestellt, welches eine elektrische Maschine gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung umfasst.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert, wobei gleiche oder ähnliche Elemente mit dem gleichen Bezugszeichen versehen sind. Hierbei zeigt:

1 eine perspektivische Explosionsdarstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Rotorblechpakets und einer Rotorwelle,
2 eine perspektivische Ansicht des Rotorblechpakets und der Rotorwelle nach 1,
3 eine Querschnittsdarstellung des Rotorblechpakets und der Rotorwelle nach 1,
4 eine schematische, stark vereinfachte Querschnittsansicht einer oberen Hälfte eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Rotorblechpakets,
5 eine perspektivische Ansicht auf ein Endblech eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Rotorblechpakets, wobei das Endblech einen Lüfterkopf mit radial äußerem Lufteintritt bzw. Luftaustritt aufweist,
6 eine Draufsicht auf das Endblech nach 5,
7 eine Querschnittsdarstellung des Endblechs nach 5,
8 eine perspektivische Ansicht auf ein weiteres Endblech eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Rotorblechpakets, wobei das Endblech einen Lüfterkopf mit mittigem Lufteintritt bzw. Luftaustritt aufweist,
9 eine Seitenansicht des Endblechs nach 8,
10 eine perspektivische Ansicht auf ein weiteres Endblech eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Rotorblechpakets, wobei das Endblech einen Lüfterkopf mit radial innerem Lufteintritt bzw. Luftaustritt aufweist,
11 eine Seitenansicht des Endblechs nach 10 und
12 eine Querschnittsdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine.

1 bis 3 zeigen ein Rotorblechpaket 1, welches drehfest auf einer Rotorwelle 2 gelagert ist. Das Rotorblechpaket 1 umfasst ein erstes stirnseitiges Endblech 3 mit wenigstens einem ersten Lüfterkopf 4, in dem gezeigten Ausführungsbeispiel mit neun ersten Lüfterköpfen 4, die identisch sein können und - wie durch 1 bis 3 gezeigt - auf einem gedachten Kreisring angeordnet und in Umfangsrichtung voneinander beabstandet sein können.
Weiterhin umfasst das Rotorblechpaket 1 ein zweites stirnseitiges Endblech 5 mit wenigstens einem zweiten Lüfterkopf 6, in dem gezeigten Ausführungsbeispiel mit neun zweiten Lüfterköpfen 6, die identisch sein können und - wie durch 1 bis 3 gezeigt - auf einem gedachten Kreisring angeordnet und in Umfangsrichtung voneinander beabstandet sein können. Bei dem ersten Endblech 3 und bei dem zweiten Endblech 5 kann es sich insbesondere um Gleichteile handeln, welche spiegelsymmetrisch, d.h. um 180° gedreht, zueinander angeordnet sind.
Weiterhin umfasst das Rotorblechpaket 1 mehrere Innenbleche 7, welche zwischen dem ersten stirnseitigen Endblech 3 und dem zweiten stirnseitigen Endblech 5 angeordnet sind. Die Innenbleche 7 sind dabei untereinander drehfest miteinander verbunden und die Endbleche 3 und 5 sind mit den Innenblechen 7 drehfest verbunden. Auf diese Weise kann eine Drehbewegung und ein Drehmoment von der Rotorwelle 2 auf das Rotorblechpaket 1 mit seinen Endblechen 3 und 5 sowie mit seinen Innenblechen 7 übertragen werden.
Die Innenbleche 7 bilden wenigstens einen Kühlkanal 8 aus, in dem gezeigten Ausführungsbeispiel insgesamt neun Kühlkanäle (passend zu der Anzahl erster Lüfterköpfe 4 und zweiter Lüfterköpfe 6). Jeweils einer der insgesamt neun Kühlkanäle 8 verbindet jeweils einen der insgesamt neun ersten Lüfterköpfe 4 mit jeweils einem der insgesamt neun zweiten Lüfterköpfe 6.
Die ersten Lüfterköpfe 4 und die zweiten Lüfterköpfe 6 sind derart achssymmetrisch zueinander angeordnet, dass jeweils eine von insgesamt neun ersten Öffnungen 9 der ersten Lüfterköpfe 4 in einer Rotationsrichtung R des Rotorblechpakets 3 geöffnet ist, und dass jeweils eine von insgesamt neun zweiten Öffnungen 10 der zweiten Lüfterköpfe 6 entgegen der Rotationsrichtung R des Rotorblechpakets 1 geöffnet ist.
Wenn das Rotorblechpaket 1 rotiert, erzeugen die ersten Lüfterköpfe 4 einen Staudruck, durch welchen ein Kühlmedium, z.B. Luft oder ein Aerosol, über die ersten Lüfterköpfe 4 in jeweils einen der Kühlkanäle 8 gefördert wird, und die zweiten Lüfterköpfe 6 erzeugen einen Sog, durch welchen das Kühlmedium über die zweiten Lüfterköpfe 6 aus dem jeweiligen Kühlkanal 8 heraus gefördert wird. Ein möglicher Weg des Kühlmediums durch das Rotorblechpaket 1 ist in 3 durch zwei Strichpunkt-Linien 11 und 12 mit Endpfeil verdeutlicht. Wie insbesondere aus 1 und 3 ersichtlich, weist das Rotorblechpaket weiterhin Magnettaschen 13 zur Aufnahme von Permanentmagneten (nicht gezeigt) auf.
4 veranschaulicht die Funktion und Wirkungsweise eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Rotorblechpakets 1, welches in den Endblechen auf beiden Seiten des Rotorblechpakets 1 um 180° gedreht angeordnete Lüfterköpfe 4 und 6 aufweist, welche insbesondere trichterförmig ausgestaltet sein können.
Bei einer Rotation des Rotorblechpakets 1 bilden sich durch die in den Endblechen ausgebildeten Lüfterköpfe (siehe auch Wirkungsweise Dorade-Lüfter) lokal unterschiedliche Strömungsgeschwindigkeiten und gemäß dem Gesetz von Bernoulli unterschiedliche statische und dynamische Drücke. Eine relative Richtung der an den Lüfterköpfen 4 und 6 vorbeiziehenden Kühlmedium-Strömung, z.B. ein Luftstrom oder ein Aerosol-Strom, ist in 4 durch mehrere parallel zueinander verlaufende Linien 14 mit Endpfeilen verdeutlicht.
Der Lüfterkopf 4, 6 oder die Lüfterköpfe 4, 6 in den Endblechen des Rotorblechpakets 1 besitzen dabei eine unterschiedliche Ausrichtung, insbesondere sind sie um 180° zueinander gedreht angeordnet. Auf der in 4 links dargestellten Seite hat der wenigstens eine erste Lüfterkopf 4 die Öffnung in Rotationsrichtung R, wohingegen der wenigstens eine zweite Lüfterkopf die Öffnung auf der in 4 rechts dargestellten Seite entgegen der Rotationsrichtung R hat.
Auf der in 4 linken Seite, auf welcher der erste Lüfterkopf 4 in Rotationsrichtung R geöffnet ist, entsteht ein Staudruck 15 und das Kühlmedium wird in den wenigstens einen Kühlkanal 8 des Rotorblechpakets 1 gedrückt. Ein möglicher Weg des Kühlmediums durch den wenigstens einen Kühlkanal 8 des Rotorblechpakets 1 ist in 4 mit drei aufeinanderfolgenden Pfeilen 16 verdeutlicht.
Auf der in 4 rechten Seite, auf welcher der zweite Lüfterkopf 6 entgegen der Rotationsrichtung R geöffnet ist, entsteht eine Sogwirkung 17, welche das Kühlmedium aus dem Kühlkanal 8 des Rotorblechpakets 1 heraus saugt. Durch die Druckwirkung 15 auf der einen Stirnseite des Rotorblechpakets 1 und die Sogwirkung 17 auf der entgegengesetzten Stirnseite des Rotorblechpakets 1 entsteht zwischen beiden Lüfterköpfen 4, 6 entlang des wenigstens einen Kühlkanals 8 des Rotorblechpakets 1 ein Luftstrom bzw. in einer entsprechenden elektrischen Maschine (vgl. 12) eine Luftzirkulation. Das Rotorblechpaket 1 gemäß den 1 bis 3 bzw. 4 ermöglicht auf diese Weise, einen aktiv durchzugsbelüfteten Rotor bereitzustellen.
5 bis 7 zeigen ein erstes Endblech 3, welches z.B. in dem Rotorblechpaket 1 nach 1 bis 3 und 4 eingesetzt werden kann. Um 180° gedreht kann das erste Endblech 3 nach 5 bis 7 auch als zweites Endblech 5 in dem Rotorblechpaket 1 nach 1 bis 3 und 4 eingesetzt werden. Das erste Endblech 3 nach 5 bis 7 ermöglicht einen radial äußeren Eintritt eines Kühlmediums, z.B. Luft oder ein Aerosol. Dazu ist der wenigstens eine Lüfterkopf 4, in dem gezeigten Ausführungsbeispiel insgesamt neun erste Lüfterköpfe 4, derart geformt, dass das Kühlmedium bei einer Rotation des Rotorblechpakets 1 aus einem den ersten Lüfterkopf 4 in radialer Richtung umgebenden Bereich B1 über eine erste Öffnung 9 des ersten Lüfterkopfs 4 in den Kühlkanal des Rotorblechpakets (vgl. 1 bis 4) gefördert wird. Mögliche Strömungsrichtungen des Kühlmediums sind in 5 bis 7 durch Pfeile 18 verdeutlicht. Um die beschriebene Strömung des Kühlmediums zu fördern, kann insbesondere eine innere radiale Barriere 19 vorgesehen sein.
8 und 9 zeigen ein weiteres erstes Endblech 3, welches z.B. in dem Rotorblechpaket 1 nach 1 bis 3 und 4 eingesetzt werden kann. Um 180° gedreht kann das erste Endblech 3 nach 8 und 9 auch als zweites Endblech 5 in dem Rotorblechpaket 1 nach 1 bis 3 und 4 eingesetzt werden. Das erste Endblech 3 nach 8 und 9 ermöglicht einen mittigen Eintritt eines Kühlmediums, z.B. Luft oder ein Aerosol. Dazu ist der wenigstens eine Lüfterkopf 4, in dem gezeigten Ausführungsbeispiel insgesamt neun erste Lüfterköpfe 4, derart geformt, dass das Kühlmedium bei einer Rotation des Rotorblechpakets aus einem mittleren Bereich B2, welcher sich in radialer Richtung auf der Höhe der ersten Lüfterköpfe befindet, über den ersten Lüfterkopf 4 in den Kühlkanal (vgl. 1 bis 4) gefördert wird. Mögliche Strömungsrichtungen des Kühlmediums sind in 8 und 9 durch Pfeile 18 verdeutlicht. Um die beschriebene Strömung des Kühlmediums zu fördern, wird insbesondere auch die durch 5 bis 8 gezeigte radiale Barriere 19 verzichtet, wobei ein barrierefreier radialer Randbereich der mit dem Bezugszeichen 20 gekennzeichnet ist.
10 und 11 zeigen ein weiteres erstes Endblech 3, welches z.B. in dem Rotorblechpaket 1 nach 1 bis 3 und 4 eingesetzt werden kann. Um 180° gedreht kann das erste Endblech 3 nach 8 und 9 auch als zweites Endblech 5 in dem Rotorblechpaket 1 nach 1 bis 3 und 4 eingesetzt werden. Das erste Endblech 3 nach 10 und 11 ermöglicht einen radial inneren Eintritt eines Kühlmediums, z.B. Luft oder ein Aerosol. Dazu ist der wenigstens eine Lüfterkopf 4, in dem gezeigten Ausführungsbeispiel insgesamt neun erste Lüfterköpfe 4, derart geformt, dass das Kühlmedium bei einer Rotation des Rotorblechpakets 1. Mögliche Strömungsrichtungen des Kühlmediums sind in 10 und 11 durch Pfeile 18 verdeutlicht. Um die beschriebene Strömung des Kühlmediums zu fördern, kann insbesondere eine äußere radiale Barriere 21 vorgesehen sein.
12 zeigt eine elektrische Maschine 22 mit einem Gehäuse 23 und mit einem Luft-Kühlkreislauf 24, dessen Förderrichtung innerhalb des Gehäuses 23 mit Pfeilen veranschaulicht ist. Alternativ kann auch ein anderes Kühlmedium vorgesehen sein, z.B. ein Aerosol. Innerhalb des Gehäuses 23 ist eine Rotorwelle 2 drehbar innerhalb eines ersten Wellenlagers, insbesondere innerhalb eines ersten Wälzlagers 25, und innerhalb eines Wellenlagers, insbesondere innerhalb eines zweiten Wälzlagers 26 gelagert. An die sich durch 12 rechts dargestellte Seite des Gehäuses 23 schließt sich ein Inverter 27 der elektrischen Maschine 22 an.
Auf der Rotorwelle 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rotorblechpakets 1 (vgl. 1 bis 11) drehfest gelagert. Bei rotierender Rotorwelle 2 dreht sich somit auch das Rotorblechpaket 1. Das Rotorblechpaket 1 wird mit geringem Abstand radial von einem fest stehenden Stator 28 umgeben, welcher ein Statorblechpaket 29 umfasst und an seinen beiden gegenüberliegenden Stirnseiten jeweils einen Stator-Wickelkopf 30 und 31 aufweist, welche in axialer Richtung über zwei entgegengesetzte axiale Stirnseiten des Rotorblechpakets 1 hinausragen. Der Stator 28 wird mit Abstand in radialer Richtung vollumfänglich von dem Gehäuse 23 umgeben. Dabei bilden das Gehäuse 23 und der Stator 48 zwischen sich mehrere Nuten 32 aus, die jeweils als Kanal für die Kühlluft dienen.
Die Nuten 32 setzen sich beidseitig an das Statorblechpaket 29 anschließend zwischen den Stator-Wickelköpfen 30, 31 und dem Gehäuse 23 fort. Nachdem Luft, wie im Folgenden dargestellt wird, Wärme insbesondere aus dem Inneren des Rotorblechpakets 1 und von dem Stator 28 aufgenommen hat, wird sie durch das Gehäuse 23 rückgekühlt, welches wiederum durch einen Umlauf-Kühlkreislauf 33 rückgekühlt wird.
Der Umlauf-Kühlkreislauf 33 umfasst eine Kühlmittelleitung 34 außerhalb des Gehäuses 23 und einen Flüssigkeits-Kühlkanal 35 innerhalb des Gehäuses 23. Innerhalb des Umlauf-Kühlkreislaufs 33 zirkuliert ein flüssiges Kühlmittel. Innerhalb der Kühlmittelleitung 34 ist eine Förderpumpe 36 angeordnet, welche Kühlmittel aus dem Flüssigkeits-Kühlkanal 35 in die Kühlmittelleitung 34 ansaugt und über einen Wärmetauscher 37 wieder zurück in den Flüssigkeits-Kühlkanal 34 fördert. Zur Kühlung des Kühlmittels innerhalb des Wärmetauschers 37 wird dieser zusätzlich von Kühlwasser durchströmt, welches in einem Hauptkühlkreislauf 38 zirkuliert und wiederum von einem Hauptwasserkühler 39 gekühlt wird.
Wird die elektrische Maschine 22 in den Betriebszustand versetzt, so rotiert die Rotorwelle 2 und mit ihr auch das Rotorblechpaket 1 und die Kühlkanäle 8 innerhalb des Rotorblechpakets 1. Die Kühlkanäle 8 können insbesondere schraubenspindelförmig ausgestaltet sein.
Durch die Rotation der Kühlkanäle 8 und der Kühlköpfe 4 und 6 in den Endblechen 3 bzw. 5, bilden sich innerhalb des geschlossenen Gehäuses 23 der elektrischen Maschine 22 auf einander gegenüberliegenden Stirnseiten des Stators 28 eine Druckseite 41 (entsprechend dem durch die zweiten Lüfterköpfe 6 erzeugten Sog, durch welchen die Luft aus den Kühlkanälen 8 gefördert wird) und eine Sogseite 42 (entsprechend dem durch die ersten Lüfterköpfe 4 erzeugten Staudruck, durch welchen die Luft in die Kühlkanäle 8 gefördert wird) aus.
Durch die Staudruckwirkung der ersten Lüfterköpfe 4 wird auf der Sogseite 42 Luft über die Nuten 32 über den Umfang des Stators 28 angesogen. Über den Stator-Wickelkopf 31, welcher beim Passieren der Kühlluft gekühlt wird, wird Kühlluft in das Rotorblechpaket 1 gesogen und über die Kühlkanäle 8 auf die Druckseite 41 der elektrischen Maschine 22 gefördert. Von dort aus passiert die Kühlluft den Stator-Wickelkopf 30 der anderen Statorseite, um wieder über den Umfang des Statorblechpaketes 29 auf die Sogseite 42 zu wechseln.
Auf diese Weise kühlt die Kühlluft insbesondere das Rotorblechpaket 1 von innen, die Rotorwelle 2, die Wälzlager 25 und 26, die Statorwickelköpfe 30 und 31 sowie das Statorblechpaket 29. Über den Umlauf-Kühlkreislauf 33 wird das Gehäuse 23 direkt und die Kühlluft indirekt über das Gehäuse 23 rückgekühlt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009012324 A1 [0006]

Claims

Rotorblechpaket (1) für einen Rotor einer elektrischen Maschine (22), das Rotorblechpaket (1) umfassend: - ein erstes stirnseitiges Endblech (3) mit wenigstens einem ersten Lüfterkopf (4), - ein zweites stirnseitiges Endblech (5) mit wenigstens einem zweiten Lüfterkopf (6) und - mehrere Innenbleche (7), welche zwischen dem ersten stirnseitigen Endblech (3) und dem zweiten stirnseitigen Endblech (5) angeordnet sind, wobei - die Innenbleche (7) wenigstens einen Kühlkanal (8) ausbilden, - der Kühlkanal (8) den ersten Lüfterkopf (4) mit dem zweiten Lüfterkopf (6) verbindet, - der erste Lüfterkopf (4) und der zweite Lüfterkopf (6) derart achssymmetrisch zueinander angeordnet sind, dass eine erste Öffnung (9) des ersten Lüfterkopfs (4) in einer Rotationsrichtung (R) des Rotorblechpakets (1) geöffnet ist, und dass eine zweite Öffnung (10) des zweiten Lüfterkopfs (6) entgegen der Rotationsrichtung (R) des Rotorblechpakets (1) geöffnet ist, - bei einer Rotation des Rotorblechpakets (1) - der erste Lüfterkopf (4) einen Staudruck (15) erzeugt, durch welchen ein Kühlmedium über den ersten Lüfterkopf (4) in den Kühlkanal (8) gefördert wird, - der zweite Lüfterkopf (6) einen Sog (17) erzeugt, durch welchen das Kühlmedium über den zweiten Lüfterkopf (6) aus dem Kühlkanal (8) heraus gefördert wird.
Rotorblechpaket (1) nach Anspruch 1, wobei - der wenigstens eine erste Lüfterkopf (4) derart geformt ist, dass das Kühlmedium bei einer Rotation des Rotorblechpakets (1) aus einem den ersten Lüfterkopf in radialer Richtung umgebenden Bereich (B1) über den ersten Lüfterkopf (4) in den Kühlkanal (8) gefördert wird, und - der wenigstens eine zweite Lüfterkopf (6) derart geformt ist, dass das Kühlmedium bei einer Rotation des Rotorblechpakets (1) über den zweiten Lüfterkopf (6) aus dem Kühlkanal (8) heraus in einen den zweiten Lüfterkopf (6) umgebenden Bereich (B1) gefördert wird.
Rotorblechpaket (1) nach Anspruch 1, wobei - der wenigstens eine erste Lüfterkopf (4) derart geformt ist, dass das Kühlmedium bei einer Rotation des Rotorblechpakets (1) aus einem mittleren Bereich (B2) , welcher sich in radialer Richtung auf der Höhe des ersten Lüfterkopfs (4) befindet, über den ersten Lüfterkopf (4) in den Kühlkanal (8) gefördert wird, und - der wenigstens eine zweite Lüfterkopf (6) derart geformt ist, dass das Kühlmedium bei einer Rotation des Rotorblechpakets (1) über den zweiten Lüfterkopf (6) aus dem Kühlkanal (8) heraus in einen mittleren Bereich (B2) gefördert wird, welcher sich in radialer Richtung auf der Höhe des zweiten Lüfterkopfs (6) befindet.
Rotorblechpaket (1) nach Anspruch 1, wobei - der wenigstens eine erste Lüfterkopf (4) derart geformt ist, dass das Kühlmedium bei einer Rotation des Rotorblechpakets (1) aus einem Innenbereich (B3) , welcher in radialer Richtung von dem ersten Lüfterkopf (4) umgeben ist, über den ersten Lüfterkopf (4) in den Kühlkanal (8) gefördert wird, und - der wenigstens eine zweite Lüfterkopf (6) derart geformt ist, dass das Kühlmedium bei einer Rotation des Rotorblechpakets (1) über den zweiten Lüfterkopf (6) aus dem Kühlkanal (8) heraus in einen Innenbereich (B3) gefördert wird, welcher in radialer Richtung von dem zweiten Lüfterkopf (6) umgeben ist.
Rotorblechpaket (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Kühlkanal (8) schraubenspindelförmig ist.
Rotor für eine elektrische Maschine (22), der Rotor umfassend ein Rotorblechpaket (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche und eine Rotorwelle (2), wobei das Rotorblechpaket (1) drehfest auf der Rotorwelle (2) gelagert ist und wobei die Rotorwelle (2) drehbar in zwei Wellenlagern (25, 26) gelagert ist.
Elektrische Maschine (22) für ein Fahrzeug, die elektrische Maschine (22) umfassend - einen Rotor nach Anspruch 6, - einen Stator (28) mit einem Statorblechpaket (29) und mit Stator-Wickelköpfen (30, 31), welche an gegenüberliegenden Stirnseiten des Statorblechpakets (29) angeordnet sind, und - ein Gehäuse (23), welches den Stator (28) in radialer Richtung umgibt, wobei - der Stator (28) entlang seines Außenumfangs verteilte Nuten (32) ausbildet, welche zwei gegenüberliegende Stirnseiten der Stator-Wickelköpfe (30, 31) miteinander verbinden, - bei einer Rotation des Rotors, - der erste Lüfterkopf (4) einen Staudruck erzeugt, durch welchen ein Kühlmedium aus den Nuten (32) auf einer Sogseite (42) des Stators (28) über den ersten Lüfterkopf (4) in den Kühlkanal (8) gefördert wird, - der zweite Lüfterkopf (4) einen Sog erzeugt, durch welchen das Kühlmedium über den zweiten Lüfterkopf (6) aus dem Kühlkanal (8) heraus in die Nuten (32) auf einer Druckseite (41) des Stators (28) gefördert wird.
Elektrische Maschine (22) nach Anspruch 7, wobei das Gehäuse (23) einen Flüssigkeits-Kühlkanal (35) eines Umlaufkühlkreislaufs (33) umfasst, innerhalb welchem eine Kühlflüssigkeit zirkuliert und das Gehäuse (23) kühlt.
Elektrische Maschine (22) nach Anspruch 8, wobei der Umlaufkühlkreislauf (33) eine Pumpe (36) und einen Wärmetauscher (37) zur Kühlung der Kühlflüssigkeit aufweist.
Fahrzeug mit einer elektrischen Maschine (22) nach einem der Ansprüche 7 bis 9.