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