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Die Erfindung betrifft einen Rotor, insbesondere für einen elektrischen Antrieb, aufweisend eine um eine Rotationsachse drehbare Welle, aufweisend ein Rotorblechpaket mit einer Vielzahl von Rotorwicklungen, welche stirnseitig zu Rotorwickelköpfen ausgebildet sind. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen elektrischen Antrieb mit einem derartigen Rotor sowie ein Fahrzeug mit mindestens einem elektrischen Antrieb.
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Bei elektrisch erregten Synchronmaschinen (EESM) weisen die Rotoren aufgrund der Rotorwicklungen üblicherweise eine raue und aerodynamisch ungünstige Oberfläche auf. Insbesondere können die Rotorwickelköpfe im Betrieb der Synchronmaschine erhöhte Luftreibungsverluste im Motorgehäuse verursachen. Durch die Rotation der Rotorwickelköpfe wird die Luft im Motorgehäuse bewegt bzw. verwirbelt. Diese zusätzlichen Luftreibungsverluste erhöhen damit die Gesamt-Verlustleistung der Synchronmaschine durch Reibung. Es sind bereits Verfahren bekannt, durch welche der Rotor vollständig vergossen wird. Dies geht jedoch mit einem erhöhten Aufwand bei der Herstellung einher. Darüber hinaus kann bei Rotoren, welche vollständig in einem Harz vergossen sind, eine gezielte Ölkühlung von Rotorwickelköpfen nicht oder nur schwer integriert werden.
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Die
CN 101777810 A beschreibt einen permanenterregten Synchronmotor, bei dem die Permanentmagnete durch axial entlang einer Rotorwelle verlaufende Luftkanäle gekühlt werden.
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Aus der
CN 209462237 U ist ein Synchronmotor bekannt, welcher für das Einstellen von Kontrollstäben in einem Kernreaktor konfiguriert ist und somit hohen Temperaturen und Strahlungsdosen standhalten kann. Derartige Synchronmotoren sind jedoch nicht für einen dauerhaften Einsatz mit hohen Drehzahlen ausgelegt, sodass die motorinternen Verluste durch interne Luftverwirbelungen und Reibungswiderstände vernachlässigbar sind.
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Die
DE 10 2010 040 857 A1 beschreibt einen elektronisch kommutierten Elektromotor mit einem abgeschirmten Rotorpositionssensor. Die Leistungsendstufe, die Positionssensoren und die Steuereinheit sind hier axial in einer zum Rotor und Stator benachbart angeordneten Motorkammer angeordnet. Insbesondere sind hierbei die Rotorwickelköpfe ohne eine aerodynamische Abschirmung ausgestaltet und erzeugen im Betrieb Verwirbelungen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Rotor für elektrische Antriebe, wie beispielsweise Synchronmaschinen, zu schaffen, welcher die internen Reibungsverluste durch Luftverwirbelung bzw. Luftreibung senken kann. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Rotor bereitgestellt. Der Rotor ist insbesondere dazu eingerichtet, in einem elektrischen Antrieb eingesetzt zu werden. Der Rotor weist eine um eine Rotationsachse drehbare Welle und ein Rotorblechpaket mit einer Vielzahl von Rotorwicklungen auf. Die Rotorwicklungen sind stirnseitig zu Rotorwickelköpfen ausgebildet. Weiterhin weist der Rotor mindestens einen Windschild auf, welcher an zumindest einem axialen Endabschnitt des Rotors angeordnet ist, wobei der Windschild die Rotorwickelköpfe zumindest bereichsweise bedeckt.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein elektrischer Antrieb, insbesondere in Form einer Synchronmaschine, bereitgestellt. Hierbei kann der elektrische Antrieb generell als ein Elektromotor ausgestaltet sein, welcher mit oder ohne Permanentmagnete betrieben werden kann. In Form einer Synchronmaschine bzw. eines Synchronmotors kann der elektrische Antrieb beispielsweise als eine elektrisch erregte Synchronmaschine ausgeführt sein.
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Der elektrische Antrieb weist einen erfindungsgemäßen Rotor und einen Stator auf, welcher den Rotor radial zumindest bereichsweise umgibt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Fahrzeug bereitgestellt, welches mindestens einen erfindungsgemäßen elektrischen Antrieb aufweist.
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Durch die Verwendung des Windschilds im bzw. am Rotor kann ein „Schleifen“ der Luft im Motorraum bzw. im Motorgehäuse durch die Bewegung der Rotorwickelköpfe reduziert werden.
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Dabei erfolgt insbesondere durch den mindestens einen Windschild eine Annäherung der Rotorkontur an eine ebene bzw. glatte Zylinderkontur, welche bei einer Rotation einen geringen Luftwiderstand aufweist. Der Einsatz des Windschilds sorgt somit für eine Senkung der internen Reibungsverluste im elektrischen Antrieb.
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Je nach Ausgestaltung kann ein Windschild an beiden stirnseitigen Enden des Rotors angeordnet sein. Dabei kann ein Windschild einteilig oder mehrteilig geformt sein. Ein einteiliger Windschild kann beispielsweise im Wesentlichen rund bzw. scheibenförmig ausgestaltet sein. Ein mehrteiliger Windschild kann beispielsweise aus mehreren Kreissektoren bzw. Kreisausschnitten bestehen. Die Form des Windschilds ist nicht auf einen Kreis beschränkt. Vielmehr kann der Windschild stirnseitig betrachtet als ein Vieleck, wie beispielsweise ein Oktaeder, ausgestaltet sein.
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Die Verringerung der motorinternen Reibung durch den internen Windschild resultiert ebenfalls in einem verringerten Verbrauch des elektrischen Antriebs und eines Fahrzeugs, welches durch den elektrischen Antrieb betreibbar ist. Ein derartiges Fahrzeug kann als ein Hybridfahrzeug oder als ein Elektrofahrzeug ausgestaltet sein.
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Ein erfindungsgemäßer Antrieb kann jedoch auch in anderen Bereichen, wie beispielsweise bei Flugzeugen, Schiffen, Zügen, Motorrädern und dergleichen eingesetzt werden.
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Der mindestens eine Windschild kann den Luftwiderstand der Rotorwickelköpfe besonders effizient reduzieren, wenn der mindestens eine Windschild eine radiale Ausdehnung aufweist, welche einer radialen Ausdehnung der Rotorwickelköpfe entspricht oder diese übersteigt bzw. überragt.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist der mindestens eine Windschild am Rotorblechpaket und/oder an der Welle befestigt. Der Windschild kann beispielsweise in Aussparungen im Rotorblechpaket einsetzt und befestigt werden. Hierzu kann der Windschild verklebt, verschraubt, verschweißt oder verlötet werden. Eine Anordnung des Windschilds auf der Welle kann beispielsweise durch Reibschluss bzw. Kraftschluss erfolgen.
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Der mindestens eine Windschild kann besonders vorteilhaft bei flüssiggekühlten Antrieben eingesetzt werden, wenn der mindestens eine Windschild eine den Rotorwickelköpfen zugewandt angeordnete Leitstruktur zum Führen eines Kühlmittels aufweist. Bevorzugterweise ist die Leitstruktur dazu eingerichtet, ein entlang einer Axialrichtung gefördertes Kühlmittel vor dem Windschild in eine Radialrichtung umzulenken. Die Leitstruktur kann beispielsweise in Form einer Rampe ausgestaltet sein, um ein aus dem Rotorblechpaket und/oder aus der Welle hinausgeleitetes Kühlmittel weiter an den Rotorwickelköpfen entlang zu leiten und diese optimal zu kühlen.
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Nach einer weiteren Ausführungsform ist die Leitstruktur des mindestens einen Windschilds dazu eingerichtet, durch mindestens einen in das Rotorblechpaket eingebrachten Kühlkanal und/oder durch mindestens einen in die Welle eingebrachten Kühlkanal transportiertes Kühlmittel entlang der Rotorwickelköpfe zu leiten. Durch diese Maßnahme kann eine besonders kontrollierte Kühlung der Rotorwickelköpfe erzielt werden.
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Das Kühlmittel kann den Rotor gezielt in Richtung des Stators verlassen, wenn zwischen mindestens einem Rotorwickelkopf und dem Windschild ein Kühlmittelauslass vorgesehen ist, welcher in radialer Richtung geöffnet ist. Hierdurch können insbesondere die Statorwickelköpfe gezielt vom „abgeworfenen“ Kühlmittel getroffen und ebenfalls gekühlt werden. Als Kühlmittel kann beispielsweise ein Kühlöl verwendet werden.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist zwischen mindestens einem Rotorwickelkopf und dem Windschild ein Kühlmittelauslass vorgesehen, welcher in axialer Richtung geöffnet ist. Durch diese Maßnahme kann das Kühlmittel beim Verlassen des Rotors gezielt vom Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator weg geleitet werden. Beispielsweise kann der Rotor im Bereich des Luftspalts axial verlängert sein, um eine Öffnung zwischen den Rotorwickelköpfen und dem Windschild radial abzudecken bzw. zu überlappen, wodurch das Kühlmittel lediglich in axialer Richtung entweichen kann. Eine derartige Verlängerung des Rotors kann beispielsweise durch eine Hülse realisiert werden, welche im Bereich des Luftspalts angeordnet ist.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Antriebs gemäß einer ersten Ausführungsform,
- 2 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Antriebs gemäß einer zweiten Ausführungsform,
- 3 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Antriebs gemäß einer dritten Ausführungsform,
- 4 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Antriebs gemäß einer vierten Ausführungsform, und
- 5 eine Seitenansicht auf ein Fahrzeug gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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In den Figuren weisen dieselben konstruktiven Elemente jeweils dieselben Bezugsziffern auf.
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Die 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Antriebs 10 gemäß einer ersten Ausführungsform. Der Antrieb 10 ist als ein elektrischer Antrieb in Form einer elektrisch erregten Synchronmaschine ausgestaltet. Der Übersicht halber sind in den Figuren Detailansichten eines axial endseitigen Abschnitts des elektrischen Antriebs 10 veranschaulicht.
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Der Antrieb 10 weist ein Gehäuse 11 auf, in welchem ein Stator 12 und ein Rotor 20 angeordnet sind. Der Rotor 20 ist relativ zum Stator 12 an einer Welle 21 drehbar gelagert. Die Welle 21 erstreckt sich aus dem Gehäuse 11 hinaus und kann zum Vollführen von Antriebsarbeiten mechanisch gekoppelt werden.
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Der dargestellte Schnitt veranschaulicht eine Statornut 13 mit einer eingesetzten Statorwicklung 14. Entlang eines Umfangs des Antriebs 10 ist eine Vielzahl von derartigen Statornuten 13 mit eingesetzten Statorwicklungen 14 vorgesehen. Die Statornuten 13 sind in ein Statorblechpaket 15 eingebracht.
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Die Statorwicklungen 14 weisen Statorwickelköpfe 16 auf, welche in Axialrichtung A endseitig bzw. stirnseitig über das Statorblechpaket 15 hinausragen.
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Der Rotor 20 weist eine um eine Rotationsachse D drehbare Welle 21 und ein Rotorblechpaket 22 mit einer Vielzahl von Rotorwicklungen 23 auf.
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Die Rotorwicklungen 23 sind stirnseitig bzw. in Axialrichtung A endseitig zu Rotorwickelköpfen 24 ausgebildet. Die Rotorwickelköpfe 24 ragen axial endseitig über das Rotorblechpaket 22 hinaus. Entlang eines Umfangs des Rotors 20 ist eine Vielzahl von Rotorwicklungen 23 mit Rotorwickelköpfen 24 vorgesehen.
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Weiterhin weist der Rotor 20 mindestens einen Windschild 30 auf, welcher an zumindest einem axialen Endabschnitt des Rotors 20 angeordnet ist. In den gezeigten Figuren ist ein axialer Endabschnitt des Rotors 20 dargestellt. Ein zweiter axialer Endabschnitt ist nicht gezeigt, kann jedoch ebenfalls einen weiteren Windschild 30 aufweisen. Der Windschild 30 bedeckt zumindest bereichsweise die Rotorwickelköpfe 24.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Windschild 30 im Wesentlichen eine dem Rotor 20 entsprechende Ausdehnung auf und bedeckt somit entlang einer Radialrichtung R die Rotorwickelköpfe 24. Zwischen den Rotorwickelköpfen 24 und dem Windschild 30 kann entlang der Axialrichtung A ein Luftspalt eingestellt oder ein Isolator 31 eingesetzt sein, wobei auch ein Luftspalt als ein elektrischer Isolator 31 fungiert.
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Zwischen dem Stator 12 und dem Rotor 20 ist in Radialrichtung R ebenfalls ein Luftspalt eingestellt, um eine Rotation des Rotors 20 zu ermöglichen.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Windschild 30 am Rotorblechpaket 22 befestigt.
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In der 2 ist eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Antriebs 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform gezeigt. Im Unterschied zum in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist hier ein elektrischer Antrieb 10 gezeigt, bei dem der Windschild 30 des Rotors 20 an der Welle 21 befestigt ist.
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Der Windschild 30 ermöglicht die Ablenkung von Luft innerhalb des Gehäuses 11 entlang einer ebenen bzw. glatten Fläche des Windschilds 30 und verhindert eine Luftverwirbelung 33 durch die Rotorwickelköpfe 24. Der Pfeil veranschaulicht schematisch die Ablenkung der gehäuseinternen Luft am Windschild 30.
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Die 3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Antriebs 10 gemäß einer dritten Ausführungsform. Im Unterschied zu den bereits gezeigten Ausführungsbeispielen ist hier ein Rotor 20 mit einer Rotorkühlung illustriert. Das Rotorblechpaket 22 weist hierzu Kühlmittelkanäle 25 auf, welche sich entlang der Axialrichtung A erstrecken.
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Die Kühlmittelkanäle 25 münden axial endseitig vor dem Windschild 30. Zum gezielten Leiten des Kühlmittels weist der mindestens eine Windschild 30 eine den Rotorwickelköpfen 24 zugewandt angeordnete Leitstruktur 32 zum Leiten bzw. Führen des Kühlmittels auf. Das Kühlmittel kann beispielsweise ein Kühlöl sein. Die Leitstruktur 32 ist dazu eingerichtet, ein entlang der Axialrichtung A gefördertes Kühlmittel vor dem Windschild 30 in Radialrichtung R umzulenken. Die Leitstruktur ist beispielhaft in Form einer Rampe ausgestaltet, um ein aus dem Rotorblechpaket 22 und/oder aus der Welle 21 hinausgeleitetes Kühlmittel weiter an den Rotorwickelköpfen 24 entlang zu leiten und diese optimal zu kühlen. Die Pfeile veranschaulichen einen Fluss des Kühlmittels.
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Je nach Ausgestaltung kann die Leitstruktur 32 einen quadratischen oder exponentiellen Anstieg entlang der Radialrichtung R aufweisen. Die Leitstruktur 32 kann zusammen mit dem Windschild 30 um die Rotationsache D rotationssymmetrisch ausgeführt sein.
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Das Kühlmittel kann den Rotor 20 gezielt in Richtung des Stators 12 verlassen. Hierfür ist zwischen mindestens einem Rotorwickelkopf 24 und dem Windschild 30 ein Kühlmittelauslass 26 vorgesehen, welcher in Radialrichtung R geöffnet ist. Der Kühlmittelauslass 26 ersetzt hierbei den zuvor beschriebenen Isolator 31.
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In der 4 ist eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Antriebs 10 gemäß einer vierten Ausführungsform gezeigt. Im Unterschied zu den bereits beschriebenen Ausführungsformen weist der Rotor 20 zwischen mindestens einem Rotorwickelkopf 24 und dem Windschild 30 einen Kühlmittelauslass 26 auf, welcher in Axialrichtung A geöffnet ist. Durch diese Maßnahme kann das Kühlmittel beim Verlassen des Rotors 20 gezielt vom Luftspalt zwischen dem Rotor 20 und dem Stator 12 weg geleitet werden.
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In der 5 ist eine Seitenansicht auf ein Fahrzeug 100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung mit einem elektrischen Antrieb 10 aus 1 gezeigt. Der elektrische Antrieb 10 ist beispielhaft in einem Frontbereich des Fahrzeugs 100 angeordnet und wird mittels einer Traktionsbatterie 110 mit elektrischer Energie versorgt, um das Fahrzeug 100 anzutreiben.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Fahrzeug
- 110
- Traktionsbatterie
- 10
- Antrieb
- 11
- Gehäuse
- 12
- Stator
- 13
- Statornut
- 14
- Statorwicklung
- 15
- Statorblechpaket
- 16
- Statorwickelkopf
- 20
- Rotor
- 21
- Welle
- 22
- Rotorblechpaket
- 23
- Rotorwicklungen
- 24
- Rotorwickelköpfe
- 25
- Kühlmittelkanal
- 26
- Kühlmittelauslass
- 30
- Windschild
- 31
- Isolator
- 32
- Leitstruktur
- 33
- Luftverwirbelung
- A
- Axialrichtung
- D
- Rotationsachse
- R
- Radialrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- CN 101777810 A [0003]
- CN 209462237 U [0004]
- DE 102010040857 A1 [0005]