DE102022106636A1

DE102022106636A1 - Two-part cooling device for a rotor for winding head cooling

Info

Publication number: DE102022106636A1
Application number: DE102022106636.3A
Authority: DE
Inventors: Markus Lang; Robert Schmidt
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2022-03-22
Filing date: 2022-03-22
Publication date: 2023-09-28

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung (6) für einen Rotor (1) einer elektrischen Maschine zum Anordnen an einer Stirnseite (7) eines Rotorkerns (2) des Rotors (1) und zum Kühlen von an der Stirnseite (7) ausgebildeten Wickelköpfen (8) von Wicklungen des Rotors (1), wobei die Kühleinrichtung (6) mehrteilig ausgebildet ist und aufweist:- eine aus einem elektrisch isolierenden Material ausgebildete Abdeckung (11) zum axialen Abdecken der Wickelköpfe (8) mit zumindest einem rohrartigen Fluidführungskanal (13) zum Führen eines Kühlfluids innerhalb der Abdeckung (11) entlang der Wickelköpfe (8), und- einen metallischen Stützring (12) zum radialen Ummanteln der Wickelköpfe (8) und der Abdeckung (11) mit einer Auffangrinne (20), in welche zum Aufnehmen des aus dem zumindest einen Fluidführungskanal (13) ausgetretenen Kühlfluids der zumindest eine Fluidführungskanal (13) mündet und welche zumindest eine den Stützring (12) radial durchdringende Abscheideöffnung (23) zum Abscheiden des Kühlfluids aus der Auffangrinne (20) in eine Umgebung des Rotors (1) aufweist.The invention relates to a cooling device (6) for a rotor (1) of an electrical machine for arranging on an end face (7) of a rotor core (2) of the rotor (1) and for cooling winding heads (8) formed on the end face (7). of windings of the rotor (1), the cooling device (6) being designed in several parts and having: - a cover (11) made of an electrically insulating material for axially covering the winding heads (8) with at least one tubular fluid guide channel (13) for guiding a cooling fluid within the cover (11) along the winding heads (8), and - a metallic support ring (12) for radially encasing the winding heads (8) and the cover (11) with a collecting channel (20) into which to receive the the at least one fluid guide channel (13) opens into the at least one fluid guide channel (13) and which has at least one separation opening (23) which penetrates radially through the support ring (12) for separating the cooling fluid from the collecting trough (20) into an area surrounding the rotor (1). having.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung für einen Rotor einer elektrischen Maschine zum Anordnen an einer Stirnseite eines Rotorkerns des Rotors und zum Kühlen von an der Stirnseite ausgebildeten Wickelköpfen von Wicklungen des Rotors. Die Erfindung betrifft außerdem einen Rotor sowie eine elektrische Maschine.The invention relates to a cooling device for a rotor of an electrical machine for arranging on an end face of a rotor core of the rotor and for cooling end windings of windings of the rotor formed on the end face. The invention also relates to a rotor and an electrical machine.

Vorliegend richtet sich das Interesse auf elektrische Maschinen, welche insbesondere als Antriebsmaschinen für elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge, also Hybrid- oder Elektrofahrzeuge, verwendet werden. Solche elektrischen Maschinen weisen üblicherweise einen Stator mit bestrombaren Wicklungen und einen bezüglich des Stators drehbar gelagerten Rotor auf. Im Falle einer stromerregten bzw. fremderregten elektrischen Maschine weist auch der Rotor bestrombare Wicklungen auf. Die Wicklungen werden von einem Kern, beispielsweise einem Blechpaket, gehalten und bilden an gegenüberliegenden Stirnseiten des Kerns Wickelköpfe aus. An diesen Wickelköpfen können sich sogenannte Hotspots bzw. Heißpunkte ausbilden, welche eine Leistung der elektrischen Maschine negativ beeinflussen können. Daher ist es üblich, die elektrische Maschine, insbesondere im Bereich der Hotspots, zu kühlen.In the present case, interest is focused on electrical machines, which are used in particular as drive machines for electrically driven motor vehicles, i.e. hybrid or electric vehicles. Such electrical machines usually have a stator with windings that can be energized and a rotor that is rotatably mounted with respect to the stator. In the case of a current-excited or externally excited electrical machine, the rotor also has windings that can be energized. The windings are held by a core, for example a laminated core, and form winding heads on opposite end faces of the core. So-called hotspots or hot spots can form on these winding heads, which can negatively influence the performance of the electrical machine. It is therefore common practice to cool the electrical machine, especially in the area of hotspots.

Dazu beschreibt die DE 10 2017 201 117 A1 ein Verfahren, bei welchem ein Kühlmittel in einer axialen Kühlmittelversorgungsleitung, die in einer Rotorwelle des Rotors angeordnet ist, geführt wird. Das Kühlmittel wird in einen Innenraum der elektrischen Maschine über eine kühlmittelleitend mit der axialen Kühlmittelversorgungsleitung verbundene radiale Kühlmittelversorgungsleitung eingeleitet. Während einer Drehbewegung des Rotors kann das Kühlmittel durch Fliehkraft radial nach außen transportiert werden und dabei den Rotor kühlen. Zusätzlich kann eine Spritzkühlung realisiert werden, bei welcher das Kühlmittel vom Rotor auf den Stator gespritzt wird, wenn sich der Rotor dreht. Diese Spritzkühlung ist oftmals diffus und unkontrolliert, sodass eine Kühlleistung unzureichend sein kann.This describes the DE 10 2017 201 117 A1 a method in which a coolant is guided in an axial coolant supply line which is arranged in a rotor shaft of the rotor. The coolant is introduced into an interior of the electrical machine via a radial coolant supply line connected to the axial coolant supply line in a coolant-conducting manner. During a rotational movement of the rotor, the coolant can be transported radially outwards by centrifugal force and thereby cool the rotor. In addition, spray cooling can be implemented, in which the coolant is sprayed from the rotor onto the stator when the rotor rotates. This spray cooling is often diffuse and uncontrolled, so that cooling performance may be inadequate.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine besonders effiziente Lösung zum Kühlen einer elektrischen Maschine bereitzustellen.It is the object of the present invention to provide a particularly efficient solution for cooling an electrical machine.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Kühleinrichtung, einen Rotor sowie eine 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.This object is achieved according to the invention by a cooling device, a rotor and an electrical machine with the features according to the respective independent patent claims. Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims, the description and the figures.

Eine erfindungsgemäße Kühleinrichtung für einen Rotor einer elektrischen Maschine dient zum Anordnen an einer Stirnseite eines Rotorkerns des Rotors und zum Kühlen von an der Stirnseite ausgebildeten Wickelköpfen von Wicklungen des Rotors. Die Kühleinrichtung ist zumindest zweiteilig ausgebildet und weist eine zumindest teilweise aus einem elektrisch isolierenden Material ausgebildete Abdeckung zum axialen Abdecken der Wickelköpfe auf. Die Abdeckung umfasst zumindest einen rohrartigen Fluidführungskanal zum Führen eines Kühlfluids innerhalb der Abdeckung entlang der Wickelköpfe. Außerdem weist die Kühleinrichtung einen metallischen Stützring zum radialen Ummanteln der Wickelköpfe und der Abdeckung auf. Der Stützring umfasst eine Auffangrinne, in welche zum Aufnehmen des aus dem Fluidführungskanal ausgetretenen Kühlfluids der zumindest eine Fluidführungskanal mündet und welche zumindest eine den Stützring radial durchdringende Abscheideöffnung zum Abscheiden des Kühlfluids aus der Auffangrinne in eine Umgebung des Rotors aufweist.A cooling device according to the invention for a rotor of an electrical machine is used for arranging on an end face of a rotor core of the rotor and for cooling end windings of windings of the rotor formed on the end face. The cooling device is designed at least in two parts and has a cover, which is at least partially made of an electrically insulating material, for axially covering the winding heads. The cover comprises at least one tubular fluid guide channel for guiding a cooling fluid within the cover along the winding heads. In addition, the cooling device has a metallic support ring for radially encasing the winding heads and the cover. The support ring comprises a collecting trough into which the at least one fluid guide channel opens to receive the cooling fluid that has emerged from the fluid guide channel and which has at least one separation opening which radially penetrates the support ring for separating the cooling fluid from the collecting trough into an area surrounding the rotor.

Die Erfindung betrifft außerdem einen Rotor für eine elektrische Maschine aufweisend einen Rotorkern, eine drehfest mit dem Rotorkern verbundene Rotorwelle, welche axial von einem Kühlfluid durchströmbar ist, Wicklungen, welche an axialen Stirnseiten des Rotorkerns Wickelköpfe ausbilden, und zumindest eine erfindungsgemäße Kühleinrichtung. Hierbei ist die Rotorwelle fluidisch mit der Abdeckung der zumindest einen Kühleinrichtung zum Einleiten des Kühlfluids in die Abdeckung verbunden. Ferner gehört zur Erfindung eine elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug aufweisend einen Stator und einen innerhalb des Stators drehbar gelagerten erfindungsgemäßen Rotor, wobei der Stützring dazu ausgelegt ist, das Kühlfluid auf Wickelköpfe des Stators zum Kühlen der Wickelköpfe gezielt zu leiten.The invention also relates to a rotor for an electrical machine having a rotor core, a rotor shaft which is connected in a rotationally fixed manner to the rotor core and through which a cooling fluid can flow axially, windings which form winding heads on axial end faces of the rotor core, and at least one cooling device according to the invention. Here, the rotor shaft is fluidly connected to the cover of the at least one cooling device for introducing the cooling fluid into the cover. The invention also includes an electrical machine for a motor vehicle having a stator and a rotor according to the invention rotatably mounted within the stator, the support ring being designed to specifically direct the cooling fluid to winding heads of the stator for cooling the winding heads.

Die elektrische Maschine ist eine fremderregte elektrische Innenläufer-Maschine, bei welcher der Stator und der Rotor jeweilige bestrombare Wicklungen zur Magnetfelderregung aufweisen und bei welcher der Stator den Rotor radial umgibt. Die Wicklungen werden von einem Statorkern bzw. Rotorkern gehalten, welcher jeweils als ein Blechpaket aus axial gestapelten, mechanisch verbundenen Elektroblechlamellen ausgebildet sein kann. Die Wicklungen stehen dabei an den axial gegenüberliegenden Stirnseiten bzw. Stirnflächen des jeweiligen Kerns über und bilden dort kranzartig bzw. ringförmig angeordnete Wickelköpfe aus. Die axiale Richtung entspricht dabei einer Orientierungsrichtung einer sich entlang der Rotorwelle erstreckenden Rotationsachse des Rotors.The electrical machine is an externally excited electrical internal rotor machine, in which the stator and the rotor have respective energized windings for magnetic field excitation and in which the stator radially surrounds the rotor. The windings are held by a stator core or rotor core, which can each be designed as a laminated core made of axially stacked, mechanically connected electrical sheet metal lamellae. The windings protrude from the axially opposite end faces or end faces of the respective core and form winding heads arranged in a ring-like or ring-shaped manner there. The axial direction corresponds to an orientation direction of a rotation axis of the rotor extending along the rotor shaft.

Zum Abführen einer Abwärme von den Wickelköpfen des Rotors weist dieser die zumindest eine mehrteilige Kühleinrichtung auf. Insbesondere weist der Rotor zwei mehrteilige Kühleinrichtungen auf, welche an den axial gegenüberliegenden Stirnseiten des Rotorkerns angeordnet sind. Die Kühleinrichtung weist dabei den Stützring sowie die Abdeckung auf, welche aus unterschiedlichen Materialien ausgebildet sind. Die Kühleinrichtung ist somit multifunktional ausgebildet und dient zusätzlich als eine Stützeinrichtung zum Stützen der Wickelköpfe gegen radiale Fliehkräfte beim Rotieren des Rotors. Durch die getrennte Ausführung von Abdeckung und Stützring ergibt sich außerdem der Vorteil, dass der Stützring optimal für dessen Aufgabe der Stützung der Wickelköpfe gestaltet werden kann.To dissipate waste heat from the winding heads of the rotor, it has at least a multi-part cooling device. In particular, the rotor has two multi-part cooling devices which are arranged on the axially opposite end faces of the rotor core. The cooling device has the support ring and the cover, which are made of different materials. The cooling device is therefore designed to be multifunctional and additionally serves as a support device for supporting the winding heads against radial centrifugal forces when the rotor rotates. The separate design of the cover and the support ring also has the advantage that the support ring can be designed optimally for its task of supporting the winding heads.

Die Abdeckung, welche axial über den Wickelköpfen angeordnet wird, ist zumindest teilweise, insbesondere vollständig, aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise Kunststoff, ausgebildet. Der Stützring, welcher konzentrisch zu den Wickelköpfen angeordnet ist und die Wickelköpfe dabei radial umgibt, ist aus einem Metall ausgebildet. Dadurch ist der Stützring besonders stabil und zum Aufnehmen der rotationsbedingten, auf die Wickelköpfe wirkenden Fliehkräfte ausgebildet. Der Stützring erstreckt sich dabei ausgehend von der Stirnseite des Rotorkerns axial über eine gesamte Höhe der Wickelköpfe bis zu einer Oberseite der Wickelköpfe, an welcher die Abdeckung angeordnet ist. Durch das Ausbilden der Abdeckung aus einem elektrisch nichtleitenden Material kann die Abdeckung besonders nah, ohne Luft- und Kriechstrecken berücksichtigen zu müssen, an den Wickelköpfen angeordnet werden, um einen Wärmeleitpfad zwischen den Wickelköpfen und der Abdeckung zu verkürzen und damit die Wärmeabfuhr von den Wickelköpfen an die Abdeckung zu verbessern. Beispielsweise kann die Abdeckung anliegend an den Wickelköpfen bzw. an einer Vergussmasse, in welche die Wickelköpfe eingebettet sind, angeordnet werden. Insbesondere ist vorgesehen, dass eine Formgebung der Abdeckung einer wickelkopfbedingten Oberflächenkontur des Rotors folgt, indem die Abdeckung Auswölbungen zum Aufnehmen der Wickelköpfe aufweist. Die Abdeckung schmiegt sich somit an die stirnseitige Oberflächenkontur des Rotors an.The cover, which is arranged axially above the winding heads, is at least partially, in particular completely, made of an electrically insulating material, for example plastic. The support ring, which is arranged concentrically to the winding heads and radially surrounds the winding heads, is made of metal. As a result, the support ring is particularly stable and designed to absorb the rotation-related centrifugal forces acting on the winding heads. The support ring extends axially from the end face of the rotor core over an entire height of the winding heads to an upper side of the winding heads, on which the cover is arranged. By forming the cover from an electrically non-conductive material, the cover can be arranged particularly close to the winding heads, without having to take air and creepage distances into account, in order to shorten a heat conduction path between the winding heads and the cover and thus the heat dissipation from the winding heads to improve coverage. For example, the cover can be arranged adjacent to the winding heads or to a casting compound in which the winding heads are embedded. In particular, it is provided that a shape of the cover follows a winding head-related surface contour of the rotor, in that the cover has bulges for receiving the winding heads. The cover thus nestles against the front surface contour of the rotor.

In der Abdeckung wird dabei ein Kühlfluid geleitet. Unter einem Kühlfluid ist hier ein Wärmetransportmittel, beispielsweise ein Kühlmittel oder ein Kältemittel, zu verstehen. Beispielsweise ist das Kühlfluid Öl. Zum Leiten des Kühlfluids innerhalb der Abdeckung weist die Abdeckung den zumindest einen rohrartigen Fluidführungskanal auf. Dieser Fluidführungskanal weist einen Eingang bzw. Einlass für das Kühlfluid und einen Ausgang bzw. Auslass für das Kühlfluid auf. Der Eingang des zumindest einen Fluidführungskanal kann beispielsweise fluidisch mit einem Hohlraum innerhalb der Rotorwelle des Rotors gekoppelt sein, durch welchen das Kühlfluid axial geleitet wird. Beispielsweise ist die Abdeckung für die Durchführung der Rotorwelle des Rotors ringscheibenartig und zum Ausbilden des zumindest einen Fluidführungskanals bereichsweise doppelschichtig bzw. doppelwandig ausgebildet. Der Eingang des zumindest einen Fluidführungskanals kann an einem der Rotorwelle zugewandten Innenrand der ringscheibenartigen Abdeckung angeordnet sein und der Ausgang des zumindest einen Fluidführungskanals kann an einem dem Stützring zugewandten Außenrand der ringscheibenartigen Abdeckung angeordnet sein.A cooling fluid is passed through the cover. A cooling fluid here is to be understood as meaning a heat transport medium, for example a coolant or a refrigerant. For example, the cooling fluid is oil. To guide the cooling fluid within the cover, the cover has the at least one tubular fluid guide channel. This fluid guide channel has an input or inlet for the cooling fluid and an output or outlet for the cooling fluid. The inlet of the at least one fluid guide channel can, for example, be fluidly coupled to a cavity within the rotor shaft of the rotor, through which the cooling fluid is guided axially. For example, the cover for the passage of the rotor shaft of the rotor is annular disk-like and is designed to be double-layered or double-walled in some areas to form the at least one fluid guide channel. The inlet of the at least one fluid guide channel can be arranged on an inner edge of the annular disk-like cover facing the rotor shaft and the outlet of the at least one fluid guide channel can be arranged on an outer edge of the annular disk-like cover facing the support ring.

Beispielsweise kann die Rotorwelle in einem Bereich, welcher an dem Innenrand der Abdeckung angeordnet ist, zumindest eine Durchtrittsöffnung aufweisen, durch welche das axial in der Rotorwelle geführte Kühlfluid radial aus der Rotorwelle austreten und in die Abdeckung eintreten kann. Die Abdeckung ist dabei so gestaltet, dass sie einen integrierten Sammelring aufweist, der das Kühlfluid über die Rotorwelle innenliegend aufnehmen kann. Dazu kann der Innenrand der Abdeckung beispielsweise eine Ringnut zum Anordnen an der zumindest einen Kühlfluid auslassenden Durchtrittsöffnung der Rotorwelle aufweisen, von welcher der zumindest eine Fluidführungskanal abzweigt. Die Ringnut in dem Innenrand grenzt dabei an die Außenseite der Rotorwelle an und bildet den abdeckungsseitigen Sammelring für das Kühlfluid. Ausgehend von diesem abdeckungsseitigen Sammelring zweigt der zumindest eine Fluidführungskanal ab. Der Eingang des zumindest einen Fluidführungskanals ist als mit der Ringnut in dem Innenrand der Abdeckung fluidisch gekoppelt.For example, in an area which is arranged on the inner edge of the cover, the rotor shaft can have at least one passage opening through which the cooling fluid guided axially in the rotor shaft can emerge radially from the rotor shaft and enter the cover. The cover is designed in such a way that it has an integrated collecting ring that can accommodate the cooling fluid on the inside via the rotor shaft. For this purpose, the inner edge of the cover can, for example, have an annular groove for arrangement at the passage opening of the rotor shaft which outlets at least one cooling fluid, from which the at least one fluid guide channel branches off. The annular groove in the inner edge adjoins the outside of the rotor shaft and forms the cover-side collecting ring for the cooling fluid. Starting from this cover-side collecting ring, the at least one fluid guide channel branches off. The entrance of the at least one fluid guide channel is fluidly coupled to the annular groove in the inner edge of the cover.

Das Kühlfluid wird dabei innerhalb der Abdeckung durch den zumindest einen Fluidführungskanal entlang einer Oberseite der Wickelköpfe in Richtung des Stützringes gefördert und nimmt dabei die Abwärme der Wickelköpfe auf. Beispielsweise kann die Abdeckung einen spiralförmigen Fluidführungskanal aufweisen. Der Fluidführungskanal erstreckt sich also ausgehend von der Rotorwelle schneckenförmig bzw. spiralförmig entlang der Umfangsrichtung über die Oberseite der Wickelköpfe. Durch die Spiralform des Fluidführungskanals weist eine solche Kühleinrichtung eine besonders lange Kühlstrecke und somit eine besonders hohe Kühleffizienz auf. Alternativ dazu weist die Abdeckung mehrere sternförmig angeordnete, sich radial erstreckende Fluidführungskanäle auf. Die Fluidführungskanäle können also beispielsweise radial von dem abdeckungsseitigen Sammelring abgehen, wobei durch jeden Fluidführungskanal Kühlfluid in radialer Richtung über die Oberseite der Wickelköpfe geleitet wird. Eine solche Abdeckung ist besonders einfach zu fertigen.The cooling fluid is conveyed within the cover through the at least one fluid guide channel along an upper side of the winding heads in the direction of the support ring and thereby absorbs the waste heat from the winding heads. For example, the cover can have a spiral-shaped fluid guide channel. The fluid guide channel therefore extends, starting from the rotor shaft, in a helical or spiral shape along the circumferential direction over the top of the winding heads. Due to the spiral shape of the fluid guide channel, such a cooling device has a particularly long cooling path and thus a particularly high cooling efficiency. Alternatively, the cover has a plurality of radially extending fluid guide channels arranged in a star shape. The fluid guide channels can therefore, for example, extend radially from the cover-side collecting ring, with cooling fluid being guided through each fluid guide channel in the radial direction over the top of the winding heads. Such a cover is particularly easy to manufacture.

Das Kühlfluid wird dabei insbesondere aufgrund der Fliehkraft des sich drehenden Rotors in dem zumindest einen Fluidführungskanal gefördert und aus dem zumindest einen Fluidführungskanal in die Auffangrinne des Stützringes geschleudert. Diese Auffangrinne ist insbesondere als eine Ringnut in einer den Wickelköpfen und der Abdeckung zugewandten Innenseite des Stützrings ausgebildet, wobei der den Ausgang des zumindest einen Fluidführungskanals aufweisender Außenrand der Abdeckung radial in die Ringnut hineinragt. Die Auffangrinne ist also eine sich in Umfangsrichtung in der Innenseite des Stützringes erstreckende längliche Vertiefung, welche einen stützringseitigen Sammelring ausbildet. In diesem stützringseitigen Sammelring sammelt sich das aus dem zumindest einen Fluidführungskanal austretende Kühlfluid und verteilt sich aufgrund der Fliehkraft insbesondere auch gleichmäßig. Dadurch dass die Abdeckung teilweise in der Ringnut angeordnet ist, ist die Abdeckung auch in axialer Richtung gesichert.The cooling fluid is conveyed in the at least one fluid guide channel, in particular due to the centrifugal force of the rotating rotor, and is thrown out of the at least one fluid guide channel into the collecting groove of the support ring. This collecting trough is designed in particular as an annular groove in an inside of the support ring facing the winding heads and the cover, the outer edge of the cover having the outlet of the at least one fluid guide channel protruding radially into the annular groove. The collecting channel is therefore an elongated depression extending in the circumferential direction on the inside of the support ring, which forms a collecting ring on the support ring side. The cooling fluid emerging from the at least one fluid guide channel collects in this collecting ring on the support ring side and, in particular, is distributed evenly due to the centrifugal force. Because the cover is partially arranged in the annular groove, the cover is also secured in the axial direction.

Auf Höhe der Auffangrinne weist der Stützring die zumindest eine radiale Abscheideöffnung auf. Diese erstrecht sich von einem Grund der Auffangrinne in radialer Richtung durch das Material des Stützrings hindurch bis zur Außenseite des Stützringes. Das in der Auffangrinne gesammelte Kühlfluid tritt also fliehkraftbedingt durch die zumindest eine Abscheideöffnung und somit an einer definierten Stelle nach außen hin aus und wird dabei insbesondere auf die Wickelköpfe des Stators gespritzt, sodass diese zusätzlich gekühlt werden können. So kann eine diffuse und ungerichtet Verteilung des Kühlfluids in der elektrischen Maschine verhindert werden und das Kühlfluid gezielt zu den Wickelköpfen des Stators geführt werden.At the level of the collecting channel, the support ring has at least one radial separation opening. This extends from a base of the collecting channel in a radial direction through the material of the support ring to the outside of the support ring. The cooling fluid collected in the collecting trough therefore exits outwards due to centrifugal force through the at least one separation opening and thus at a defined point and is sprayed in particular onto the winding heads of the stator, so that they can be additionally cooled. In this way, a diffuse and undirected distribution of the cooling fluid in the electrical machine can be prevented and the cooling fluid can be guided specifically to the winding heads of the stator.

Es kann vorgesehen sein, dass der Stützring zweiteilig ausgebildet ist und einen an der Stirnseite des Rotorkerns angeordneten ersten Teilstützring und einen an dem ersten Teilstützring axial angeordneten zweiten Teilstützring aufweist, wobei der zweite Teilstützring die Auffangrinne aufweist und wobei der zweite Teilstützring eine größere radiale Materialdicke aufweist als der erste Teilstützring.It can be provided that the support ring is designed in two parts and has a first partial support ring arranged on the end face of the rotor core and a second partial support ring arranged axially on the first partial support ring, the second partial support ring having the collecting channel and the second partial support ring having a larger radial material thickness as the first partial support ring.

Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Kühleinrichtung vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für den erfindungsgemäßen Rotor sowie für die erfindungsgemäße elektrische Maschine.The embodiments presented with reference to the cooling device according to the invention and their advantages apply accordingly to the rotor according to the invention and to the electrical machine according to the invention.

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 alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.Further features of the invention emerge from the claims, the figures and the description of the figures. The features and combinations of features mentioned above in the description as well as the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and/or shown in the figures alone can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own.

Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.The invention will now be explained in more detail using a preferred exemplary embodiment and with reference to the drawings.

Es zeigen:

1 eine Perspektivdarstellung einer ersten Ausführungsform eines Rotors einer elektrischen Maschine,
2 eine Perspektivdarstellung einer zweiten Ausführungsform eines Rotors;
3 eine Schnittdarstellung durch den Rotor gemäß 1 im Bereich einer Kühleinrichtung des Rotors; und
4 eine Schnittdarstellung durch den Rotor gemäß 2 im Bereich einer Kühleinrichtung des Rotors.

Show it:

1 a perspective view of a first embodiment of a rotor of an electrical machine,
2 a perspective view of a second embodiment of a rotor;
3 a sectional view through the rotor 1 in the area of a cooling device of the rotor; and
4 a sectional view through the rotor 2 in the area of a cooling device of the rotor.

In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.In the figures, identical and functionally identical elements are provided with the same reference numerals.

1 und 2 zeigen unterschiedliche Ausführungsformen eines Rotors 1 für eine elektrische Maschine eines Kraftfahrzeugs. Der Rotor 1 weist einen Rotorkern 2, beispielsweise ein Blechpaket, auf, welcher hier in Schenkelpolbauweise gefertigt ist. Dazu sind um Schenkelpole 3 des Rotorkerns 2 hier nicht sichtbare Wicklungen gewickelt. Nuten bzw. Pollücken zwischen den Schenkelpolen 3 sind mittels Nutverschlusskeilen 4 verschlossen. Der Rotorkern 2 ist drehfest mit einer Rotorwelle 5 des Rotors 1 verbunden. 1 and 2 show different embodiments of a rotor 1 for an electric machine of a motor vehicle. The rotor 1 has a rotor core 2, for example a laminated core, which is manufactured here in a salient pole design. For this purpose, windings that are not visible here are wound around the salient poles 3 of the rotor core 2. Grooves or pole gaps between the leg poles 3 are closed by means of slot closure wedges 4. The rotor core 2 is connected to a rotor shaft 5 of the rotor 1 in a rotationally fixed manner.

Der Rotor 1 weist hier außerdem zwei Kühlfluid führende Kühleinrichtungen 6 auf, welche axial gegenüberliegend an dem Rotorkern 2 angeordnet sind. 3 und 4 zeigen Schnittdarstellungen durch den Rotor 1 gemäß 1 und 2 im Bereich einer der Kühleinrichtungen 6. Die Kühleinrichtung 6 ist an einer Stirnseite 7 des Rotorkerns 2 angeordnet. An dieser Stirnseite 7 sind außerdem Wickelköpfe 8 der Wicklungen angeordnet. Die Wicklungen weisen axiale Wicklungsleiterabschnitte, welche sich axial entlang der Rotorwelle 5 durch den Rotorkern hindurch erstrecken, und stirnseitige Wicklungsabschnitte auf, welche hier über eine an der Stirnseite 7 angeordnete, elektrisch isolierende Sternscheibe 9 geführt sind und welche die Wickelköpfe 8 ausbilden. Außerdem sind die Wickelköpfe 8 hier in eine, insbesondere gut wärmeleitfähige, Vergussmasse 10 eingebettet.The rotor 1 here also has two cooling devices 6 carrying cooling fluid, which are arranged axially opposite one another on the rotor core 2. 3 and 4 show sectional views through the rotor 1 according to 1 and 2 in the area of one of the cooling devices 6. The cooling device 6 is arranged on an end face 7 of the rotor core 2. Winding heads 8 of the windings are also arranged on this end face 7. The windings have axial winding conductor sections, which extend axially along the rotor shaft 5 through the rotor core, and end-side winding sections, which are guided here over an electrically insulating star disk 9 arranged on the end face 7 and which form the winding heads 8. In addition, the winding heads 8 are embedded here in a casting compound 10, in particular with good thermal conductivity.

Die Kühleinrichtung 6 ist mehrteilig ausgebildet und weist eine Abdeckung 11 aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise Kunststoff, sowie einen dazu separaten Stützring 12 aus einem Metall auf. Die Abdeckung 11 ist axial über den Wickelköpfen 8 angeordnet und überlappt somit vollständig mit einer Oberseite der Wickelköpfe 8. Die Abdeckung 11 ist hier ringscheibenartig ausgebildet und weist eine Durchführung für die Rotorwelle 5 auf. Dadurch, dass die Abdeckung 11 aus einem elektrisch isolierenden Material ausgebildet ist, besteht keine Kurzschlussgefahr zwischen den Wickelköpfen 8 und der Abdeckung 11. Somit kann die Abdeckung 11 so nah wie möglich, beispielsweise anliegend an der Vergussmasse 10, an den Wickelköpfen 8 positioniert werden. Dies hat den Vorteil, dass eine Wegstrecke von den Wickelköpfen 8 zu der durch die Kühleinrichtung 6 gebildeten Wärmesenke deutlich reduziert werden kann und damit eine Wärmeabfuhr erhöht werden kann.The cooling device 6 is designed in several parts and has a cover 11 made of an electrical ric insulating material, for example plastic, and a separate support ring 12 made of metal. The cover 11 is arranged axially above the winding heads 8 and thus completely overlaps with an upper side of the winding heads 8. The cover 11 is here designed like an annular disk and has a passage for the rotor shaft 5. Because the cover 11 is made of an electrically insulating material, there is no risk of a short circuit between the winding heads 8 and the cover 11. The cover 11 can therefore be positioned as close as possible to the winding heads 8, for example adjacent to the casting compound 10. This has the advantage that a distance from the winding heads 8 to the heat sink formed by the cooling device 6 can be significantly reduced and thus heat dissipation can be increased.

Zum Führen des die Wärme der Wickelköpfe 8 abtransportierenden Kühlfluids entlang der Wickelköpfe 8 weist die Abdeckung 11 zumindest einen Fluidführungskanal 13 auf. Gemäß 3 weist die Abdeckung 11 mehrere strahlenförmig angeordnete Fluidführungskanäle13 auf. Diese erstrecken sich ausgehend von einem Innenrand 14 der Abdeckung 11, welcher die Durchführung für die Rotorwelle 5 begrenzt und die Rotorwelle 5 somit umgibt, in radialer Richtung nach außen zu einem Außenrand 15 der Abdeckung 11. Gemäß 4 weist die Abdeckung 11 nur einen spiralförmigen Fluidführungskanal 13 auf, welcher sich ausgehend von dem Innenrand 14 in Umfangsrichtung schneckenförmig zu dem Außenrand 15 erstreckt. In beiden Fällen wird somit das Kühlfluid entlang der Stirnseite 7 geleitet und nimmt dabei Abwärme der Wickelköpfe 8 auf.To guide the cooling fluid that transports away the heat from the winding heads 8 along the winding heads 8, the cover 11 has at least one fluid guide channel 13. According to 3 the cover 11 has a plurality of fluid guide channels 13 arranged in a radial shape. These extend from an inner edge 14 of the cover 11, which delimits the passage for the rotor shaft 5 and thus surrounds the rotor shaft 5, in the radial direction outwards to an outer edge 15 of the cover 11. According to 4 the cover 11 has only one spiral-shaped fluid guide channel 13, which extends helically from the inner edge 14 in the circumferential direction to the outer edge 15. In both cases, the cooling fluid is guided along the end face 7 and absorbs waste heat from the winding heads 8.

Der oder die Fluidführungskanäle 13 weisen jeweils einen Eingang 16 für das Kühlfluid auf, welcher an dem Innenrand 14 angeordnet ist und mit zumindest einer Durchtrittsöffnung 17 in der Rotorwelle 5 fluidisch gekoppelt ist. Innerhalb der Rotorwelle 5 wird das Kühlfluid axial geleitet und tritt über die Durchtrittsöffnung 17 radial in die Abdeckung 11 ein. Dazu kann der Innenrand 14, welcher hier hohlzylindrisch ausgebildet ist und sich in axialer Richtung erstreckt, beispielsweise eine an die Durchtrittsöffnung 17 angrenzende Ringnut 18 aufweisen, welche einen abdeckseitigen Sammelring bzw. Sammelkanal für das aus der Rotorwelle 5 austretende Kühlfluid ausbildet und von welcher der zumindest eine Fluidführungskanal 13 abgeht. Das Kühlfluid fließt fliehkraftbedingt durch den zumindest einen Fluidführungskanal 13 bis zu einem Ausgang 19 des Fluidführungskanals 13 an dem Außenrand 15 und nimmt dabei die Abwärme der Wickelköpfe 8 auf. In 4 sind der Eingang 16 und der Ausgang 19 aufgrund des hier gezeigten Schnittes nicht sichtbar.The fluid guide channel(s) 13 each have an inlet 16 for the cooling fluid, which is arranged on the inner edge 14 and is fluidly coupled to at least one passage opening 17 in the rotor shaft 5. The cooling fluid is guided axially within the rotor shaft 5 and enters the cover 11 radially via the passage opening 17. For this purpose, the inner edge 14, which here is hollow cylindrical and extends in the axial direction, can have, for example, an annular groove 18 adjacent to the passage opening 17, which forms a cover-side collecting ring or collecting channel for the cooling fluid emerging from the rotor shaft 5 and from which the at least a fluid guide channel 13 goes off. Due to centrifugal force, the cooling fluid flows through the at least one fluid guide channel 13 to an outlet 19 of the fluid guide channel 13 on the outer edge 15 and thereby absorbs the waste heat from the winding heads 8. In 4 The entrance 16 and the exit 19 are not visible due to the section shown here.

Der Stützring 12, welcher die Wickelköpfe 8 radial umgibt und welcher auf der Stirnseite 7 des Rotorkerns 2 aufliegt, weist eine Auffangrinne 20 auf. Diese Auffangrinne 20 ist als eine Ringnut 21 in einer Innenseite 22 des hohlzylindrischen Stützringes 12 ausgebildet und bildet einen stützringseitigen Sammelring für das aus der Abdeckung 11 austretende Kühlfluid aus. In diese Ringnut 21 ist der Außenrand 15 der Abdeckung 11 eingeführt bzw. eingesteckt, sodass der Ausgang 19 des zumindest einen Fluidführungskanals 13 in die Auffangrinne 20 einmündet. Das aus dem Ausgang 19 austretende Kühlfluid tritt also in die Auffangrinne 20, verteilt sich dort fliehkraftbedingt und sammelt sich an einem Grund bzw. Boden der Auffangrinne 20.The support ring 12, which radially surrounds the winding heads 8 and which rests on the end face 7 of the rotor core 2, has a collecting channel 20. This collecting channel 20 is designed as an annular groove 21 in an inside 22 of the hollow cylindrical support ring 12 and forms a collecting ring on the support ring side for the cooling fluid emerging from the cover 11. The outer edge 15 of the cover 11 is inserted or inserted into this annular groove 21, so that the outlet 19 of the at least one fluid guide channel 13 opens into the collecting channel 20. The cooling fluid emerging from the outlet 19 enters the collecting trough 20, is distributed there due to centrifugal force and collects on a base of the collecting trough 20.

Der Stützring 12 weist außerdem zumindest eine radiale Abscheideöffnung 23 auf, über welche das Kühlfluid aus der Auffangrinne 20 radial durch den Stützring 12 hindurch nach außen in die Umgebung abgeschieden bzw. geschleudert wird. Insbesondere weist der Stützring 12 mehrere, in Umfangsrichtung beabstandet zueinander angeordnete Abscheideöffnungen 23 auf. Beispielsweise kann das Kühlfluid auf Wickelköpfe eines den Rotor 1 radial umgebenden Stators geschleudert werden und auch diese kühlen. Die zumindest eine Abscheideöffnung 23 ist beispielsweise als eine radiale Bohrung durch den Stützring 12 hindurch auf Höhe der Auffangrinne 20 ausgebildet.The support ring 12 also has at least one radial separation opening 23, via which the cooling fluid from the collecting trough 20 is separated or thrown radially through the support ring 12 outwards into the environment. In particular, the support ring 12 has a plurality of separation openings 23 arranged at a distance from one another in the circumferential direction. For example, the cooling fluid can be thrown onto winding heads of a stator radially surrounding the rotor 1 and also cool them. The at least one separation opening 23 is designed, for example, as a radial bore through the support ring 12 at the level of the collecting channel 20.

Der Stützring 12 ist hier zweiteilig ausgebildet und weist einen ersten Teilstützring 12a und einen axial darüber angeordneten zweiten Teilstützring 12b auf. Der erste Teilstützring 12a ist anliegend an der Stirnseite 7 des Rotorkerns 2 angeordnet. Der zweite Teilstützring 12a umfasst die Auffangrinne 20 und weist dafür eine größere Materialdicke auf als der ersten Teilstützring 18a. Der Stützring 12 kann beispielsweise an sich axial erstreckenden Auskragungen 24 der Sternscheiben 9 befestigt, beispielsweise aufgepresst, sein.The support ring 12 is designed here in two parts and has a first partial support ring 12a and a second partial support ring 12b arranged axially above it. The first partial support ring 12a is arranged adjacent to the end face 7 of the rotor core 2. The second partial support ring 12a includes the collecting channel 20 and therefore has a greater material thickness than the first partial support ring 18a. The support ring 12 can, for example, be attached, for example pressed, to axially extending projections 24 of the star disks 9.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102017201117 A1 [0003]

Claims

Cooling device (6) for a rotor (1) of an electrical machine for arranging on an end face (7) of a rotor core (2) of the rotor (1) and for cooling winding heads (8) of windings of the rotor formed on the end face (7). (1), wherein the cooling device (6) is designed in several parts and has: - a cover (11) formed at least partially from an electrically insulating material for axially covering the winding heads (8), with at least one tubular fluid guide channel (13) for guiding a cooling fluid within the cover (11) along the winding heads (8), and - a metallic support ring (12) for radially encasing the winding heads (8) and the cover (11), with a collecting channel (20) into which the at least one fluid guide channel (13) is inserted to receive the cooling fluid that has emerged from the at least one fluid guide channel (13). ) opens and which has at least one separation opening (23) which penetrates radially through the support ring (12) for separating the cooling fluid from the collecting trough (20) into an area surrounding the rotor (1).

Cooling device (6). Claim 1 , characterized in that the cover (11) is made of a plastic.

Cooling device (6). Claim 1 or 2 , characterized in that the cover (11) is designed like an annular disk and has a passage for a rotor shaft (5) of the rotor (1) and is designed to be double-layered in some areas to form the at least one fluid guide channel (13), an entrance (16) of the at least one fluid guide channel (13) is arranged on an inner edge (14) of the cover (11) delimiting the feedthrough and an outlet (19) of the at least one fluid guide channel (13) on an outer edge facing the collecting channel (20) of the support ring (12) ( 19) of the cover (11) is arranged.

Cooling device (6). Claim 3 , characterized in that the inner edge (14) of the cover (11) has an annular groove (18) for arrangement on at least one passage opening (17) of the rotor shaft (5) which outlets cooling fluid, from which the at least one fluid guide channel (13) branches off.

Cooling device (6) according to one of the preceding claims, characterized in that the collecting rings (20) are designed as an annular groove (21) in an inside (22) of the support ring (12) facing the winding heads (8) and the cover (11). , whereby the cover (11) projects radially into the annular groove (21).

Cooling device (6) according to one of the preceding claims, characterized in that the cover (11) has a spiral-shaped fluid guide channel (13).

Cooling device (6) according to one of the Claims 1 until 5 , characterized in that the cover (11) has a plurality of radially extending fluid guide channels (13) arranged in a star shape.

Cooling device (6) according to one of the preceding claims, characterized in that the support ring (12) is designed in two parts and has a first partial support ring (12a) arranged on the end face (7) of the rotor core (2) and one on the first partial support ring (12a). axially arranged second partial support ring (12b), the second partial support ring (12b) having the collecting channel (20) and having a greater radial material thickness than the first partial support ring (12a).

Rotor (1) for an electrical machine comprising: - a rotor core (2), - a rotor shaft (5) which is non-rotatably connected to the rotor core (2) and through which a cooling fluid can flow axially; - Windings held by the rotor core (2), which form winding heads (8) on axial end faces (7) of the rotor core (2), and - at least one cooling device (6) according to one of the preceding claims, wherein the cover (11) of the at least one cooling device (6) is fluidly coupled to the rotor shaft (5) for receiving the cooling fluid from the rotor shaft (5).

Electric machine for a motor vehicle, comprising a stator and a rotor (1) rotatably mounted within the stator Claim 9 , wherein the support ring (12) is designed to throw the cooling fluid onto winding heads of the stator for cooling the winding heads of the stator.