Ohmsche Verluste in Rotorwicklungen und Statorwicklungen sowie Eisenverluste in von Wechselmagnetfeldern beaufschlagten Blechpaketen sind einer Wärmesenke zuzuführen beziehungsweise zu kühlen, um ein Überhitzen beispielsweise einer Isolation der Wicklungen oder von Magneten bei permanenterregten Maschinen zu vermeiden.

Darüber hinaus verbessert eine Kühlung von stromführenden Bauteilen der elektrischen Maschine den Wirkungsgrad der elektrischen Maschine, da bei niedrigen Betriebstemperaturen der elektrische Widerstand sinkt und ohmsche Verlustleistungen zurückgehen. Es ist daher bereits allgemein bekannt, elektrische Maschinen zu kühlen, beispielsweise durch einen Wassermantel im Gehäuse, durch offene oder geschlossene Luftkühlung oder im drehenden Rotor beispielsweise durch eine flüssigkeitsgekühlte Hohlwelle. Die EP 2 807732 B1 offenbart eine elektrische Maschine mit einem Stator, einen um eine Drehachse drehbar gelagerten Rotor und einer Welle, auf der der Rotor befestigt ist. Der Rotor umfasst ein Blechpaket aus einem ersten Material und einem angegossenen Kurzschlussring aus einem zweiten Material, wobei das zweite Material eine spezifische Wärmeleitfähigkeit aufweist, die größer ist als eine spezifische Wärmeleitfähigkeit des ersten Materials. Dieser angegossene Kurzschlussring weist einen Befestigungsbereich auf, der direkt an der Welle angebunden ist. Dieser Kurzschlussring kann zur Übertragung von Abwärme des Rotors auf die Welle verwendet werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Lösung zu schaffen, welche ein besonders gleichmäßiges und gutes Kühlen von Blechpaketen einer elektrischen Maschine ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Weitere mögliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren offenbart.

Die Erfindung betrifft eine Blechpaketeinrichtung für eine elektrische Maschine, mit mehreren in einer Stapelrichtung aufeinander gestapelten Blechen. Bei dieser elektrischen Maschine handelt es sich insbesondere um einen Elektromotor für ein Kraftfahrzeug, mittels welchem das Kraftfahrzeug über elektrische Energie antreibbar ist. Die jeweiligen in der Stapelrichtung aufeinander gestapelten Bleche können mit einem Draht umwickelt werden, um eine Spule und über diese Spule einen Elektromagneten bereitzustellen. Infolge von ohmschen Verlusten in diesen Spulen kann sich Wärme in den Spulen entwickeln, welche einen Wirkungsgrad der elektrischen Maschine negativ beeinflussen kann. Infolgedessen ist es vorgesehen, dass das Blechpaket gekühlt wird. Eine einzige thermische Verbindung zwischen Motorwicklungen oder Statorwicklungen und einer gekühlten Hohlwelle beziehungsweise einem Gehäusekühlmantel ist eine Wärmeleitung über das Blechpaket, welches aufgrund seines Aufbaus lediglich eine vergleichsweise schlechte Wärmeleitfähigkeit bereitstellt. Insbesondere sind die jeweiligen Bleche des Blechpakets aus einem mit einem Lack beschichteten Stahl bereitgestellt.

Um eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit in der Blechpaketeinrichtung zu erreichen, ist es vorgesehen, dass die Blechpaketeinrichtung wenigstens einen Wärmeleiteinleger aufweist, welcher in der Stapelrichtung zwischen zwei Blechen gestapelt ist und welcher eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist als die anliegenden Bleche. Mittels des wenigstens einen Wärmeleiteinlegers ist somit eine Wärmeleitfähigkeit der gesamten Blechpaketeinrichtung verbesserbar, wodurch Wärme besonders gut von den Blechen der Blechpaketeinrichtung abtransportiert werden kann. Infolgedessen erfolgt eine besonders gute Kühlung der Bleche der Blechpaketeinrichtung, wodurch wiederum ein besonders hoher Wirkungsgrad der die Blechpaketeinrichtung aufweisenden elektrischen Maschine erreicht werden kann. Der wenigstens eine Wärmeleiteinleger ist gemeinsam mit den Blechen in der Stapelrichtung gestapelt, wodurch der Wärmeleiteinleger an jeweils gegenüberliegenden Seitenflächen jeweils an einem Blech anliegt. Hierdurch kann der Wärmeleiteinleger von den anliegenden Blechen Wärme abtransportieren, wodurch die Bleche der Blechpaketeinrichtung besonders gut gekühlt werden können. Aufgrund der Anordnung des wenigstens einen Wärmeleiteinlegers zwischen den Blechen der Blechpaketeinrichtung kann besonders viel Wärme aus der Blechpaketeinrichtung abgeführt werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Blechpaketeinrichtung eine Kühlseite aufweist, in welcher sämtliche Bleche der Blechpaketeinrichtung an eine Wärmesenke anlegbar sind. An dieser Kühlseite schließt der wenigstens eine Wärmeleiteinleger mit den Blechen bündig ab. Die Wärmesenke ist dazu eingerichtet, die von der Blechpaketeinrichtung empfangene Wärme von der Blechpaketeinrichtung abzutransportieren, um die Blechpaketeinrichtung zu kühlen. Dadurch, dass sämtliche Bleche der Blechpaketeinrichtung an der Kühlseite an die Wärmesenke angelegt werden können, kann von sämtlichen Blechen der Blechpaketeinrichtung Wärme an die Wärmesenke abgegeben werden. Aufgrund des bündigen Abschließens der wenigstens einen Wärmeleiteinlegers mit den aufeinandergestapelten Blechen an der Kühlseite ist zusätzlich der wenigstens eine Wärmeleiteinleger mit den Blechen an die Wärmesenke anlegbar, wodurch über den wenigstens einen Wärmeleiteinleger Wärme an die Wärmesenke übertragen werden kann. Hierdurch wird ein besonders guter Wärmeabtransport von der Blechpaketeinrichtung an die Wärmesenke ermöglicht.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der wenigstens eine Wärmeleiteinleger Aluminium und/oder Kupfer umfasst. Beispielsweise ist der wenigstens eine Wärmeleiteinleger aus Aluminium oder aus Kupfer oder aus einer Aluminiumlegierung oder aus einer Kupferlegierung gebildet. Insbesondere bei der Ausbildung der Bleche aus beschichtetem, insbesondere lackiertem Stahl, weist der Wärmeleiteinleger, wenn dieser Aluminium und/oder Kupfer umfasst, eine höhere Wärmeleitfähigkeit als die Bleche auf, wodurch mittels des wenigstens einen Wärmeleiteinlegers eine Wärmeleitfähigkeit der gesamten Blechpaketeinrichtung erhöht werden kann. Das Vorsehen des wenigstens einen Wärmeleiteinlegers in der Blechpaketeinrichtung ermöglicht somit eine besonders gute Kühlung der Bleche. In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der wenigstens eine Wärmeleiteinleger hohl ausgebildet ist, wobei in einem Hohlraum des Wärmeleiteinlegers wenigstens ein Fluid eingefüllt ist. Mittels des Fluids kann Wärme von den an den Wärmeleiteinleger angrenzenden Blechen aufgenommen und zu der Kühlseite hin transportiert werden, wodurch über die Kühlseite die Wärme von dem Fluid an die Wärmesenke übertragen werden kann. Das Vorsehen des Wärmeleiteinlegers mit dem Hohlraum ermöglicht, dass das Fluid innerhalb des Hohlraums strömt, wodurch Wärme von von der Kühlseite abgewandten Bereichen des Wärmeleiteinlegers über das Fluid besonders einfach und schnell zu der Kühlseite des Wärmeleiteinlegers durch Strömen des Fluids übertragen werden kann. Das Fluid ermöglicht somit einen besonders schnellen Wärmeabtransport von Wärme aus der Blechpaketeinrichtung über die Kühlseite an die Wärmesenke. In diesem Zusammenhang kann es insbesondere vorgesehen sein, dass als Fluid ein Thermoöl in den Hohlraum eingefüllt ist. Das Thermoöl ist insbesondere besonders temperaturbeständig, wodurch eine Gefahr einer Zersetzung des Thermoöls bei einem Einsatz des Thermoöls in heißen Bereichen der elektrischen Maschine besonders gering gehalten werden kann. Das Thermoöl ermöglicht ein zuverlässiges Kühlen der Blechpaketeinrichtung bei deren Einsatz in der elektrischen Maschine auch bei Hitzeentwicklung in der elektrischen Maschine.

In einerweiteren alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass der wenigstens eine Wärmeleiteinleger als Zweiphasen-Thermosiphon ausgebildet ist. Das bedeutet, dass der wenigstens eine Wärmeleiteinleger hohl ausgebildet ist, wobei in dem Hohlraum des Wärmeleiteinlegers das Fluid angeordnet ist, welches für ein Kühlen der Blechpaketeinrichtung seinen Aggregatszustand wenigstens einmal, insbesondere mehrmals, ändert. Als das Fluid kann beispielsweise Wasser in den Hohlraum des Wärmeleiteinlegers eingefüllt werden. Hierbei wird der Hohlraum des Wärmeleiteinlegers evakuiert und lediglich teilweise mit dem Wasser befüllt. Bei einem Einsatz des wenigstens einen Wärmeleiteinlegers in der Blechpaketeinrichtung für einen Rotor der elektrischen Maschine kann bei einem Rotieren des Rotors aufgrund von Wärmeaufnahme des Wärmeleiteinlegers von umliegenden Blechen das Wasser in dem Hohlraum von seinem flüssigen Zustand ausgehend zumindest teilweise verdampft werden. Infolge von beim Rotieren des Rotors in dem Hohlraum auftretenden Zentrifugalkräften kann sich weiterhin flüssiges Wasser radial ausgehend von einer Rotationsachse des Rotors in einem äußeren Bereich des Hohlraums sammeln, wohingegen das zu Wasserdampf verdampfte Wasser sich an einem der Rotationsachse zugewandten, inneren Bereich des Hohlraums sammelt. Dieser innere Bereich des Hohlraums ist insbesondere der Kühlseite des wenigstens einen Wärmeleiteinlegers zugewandt angeordnet. Infolgedessen kann der in dem inneren Bereich des Hohlraums gesammelte Wasserdampf über die Kühlseite der Blechpaketeinrichtung durch Abführen von Wärme aus der Blechpaketeinrichtung beziehungsweise von dem Wasserdampf zu der Wärmesenke gekühlt und infolgedessen kondensiert werden. Das kondensierte Wasser strömt aufgrund der Zentrifugalkraft bei der Rotation des Rotors um die Rotationsachse von dem inneren Bereich in den äußeren Bereich des Hohlraums. Hierdurch resultiert in dem Hohlraum eine Kreislaufströmung des Wassers, wobei aufgrund des Phasenwechsels des Wassers besonders viel Wärme von den an den Wärmeleiteinleger angrenzenden Blechen weg transportiert und zu der Kühlseite und insbesondere über die Kühlseite zu der Wärmesenke hin transportiert werden kann. Aufgrund des Ausbildens des Wärmeleiteinlegers als Zweiphasen-Thermosiphon kann somit besonders viel Wärme besonders schnell aus der Blechpaketeinrichtung über den wenigstens einen Wärmeleiteinleger zu der Wärmesenke abgeführt werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der wenigstens eine Wärmeleiteinleger im Bereich eines Polschuhs der Blechpaketeinrichtung mit seiner äußeren Kante hinter den Blechen zurückbleibt. Insbesondere bei einem Einsatz der Blechpaketeinrichtung in dem Rotor der elektrischen Maschine kann somit der wenigstens eine Wärmeleiteinleger im Bereich des durch die Blechpaketeinrichtung bereitgestellten Polschuhs hinter einer äußeren Kante der jeweiligen Bleche zurückversetzt enden. Mit anderen Worten beginnt der wenigstens eine Wärmeleiteinleger erst in einem Abstand vom Luftspalt, wobei der Luftspalt radial außerhalb des Polschuhs verläuft. Hierdurch kann ein Entstehen von Wirbelstromverlusten in den Wärmeleiteinlegern vermindert werden.

In einerweiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass mehrere Wärmeleiteinleger in regelmäßigen Abständen zwischen den gestapelten Blechen angeordnet sind. Mit anderen Worten können die mehreren Wärmeleiteinleger in der Stapelrichtung jeweils gleichmäßige Abstände zueinander aufweisen. Hierdurch kann über die Wärmeleiteinleger ein besonders gleichmäßiges Kühlen der Blechpaketeinrichtung erzielt werden. Beispielsweise kann auf je zehn in Stapelrichtung aufeinander gestapelte Bleche ein Wärmeleiteinleger in Stapelrichtung folgen, an welchem wiederum zehn in Stapelrichtung aufeinander gestapelte Bleche anschließen.

Die Erfindung betrifft des Weiteren eine elektrische Maschine, mit einem Stator und einem relativ zu dem Stator um eine Rotationsachse drehbaren Rotor. Der Stator und/oder der Rotor umfassen eine Blechpaketeinrichtung, wie sie bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Blechpaketeinrichtung beschrieben worden ist. Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Blechpaketeinrichtung sind als Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen der elektrischen Maschine anzusehen und umgekehrt. Insbesondere ermöglicht das Vorsehen der Blechpaketeinrichtung in dem Stator und/oder dem Rotor der elektrischen Maschine, dass die elektrische Maschine mit einem besonders hohen Wirkungsgrad betrieben werden kann und ein Überhitzen der elektrischen Maschine zumindest im Wesentlichen vermieden werden kann.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass zumindest der Rotor die Blechpaketeinrichtung, wie sie bereits im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Blechpaketeinrichtung beschrieben worden ist, umfasst und die Blechpaketeinrichtung mit ihrer Kühlseite an einer gekühlten Rotorwelle der elektrischen Maschine anliegt. Insbesondere definiert die Rotorwelle die Rotationsachse für den Rotor. Um das Kühlen der Rotorwelle zu ermöglichen, kann die Rotorwelle beispielsweise als von einem Kühlfluid durchströmbare Hohlwelle ausgebildet sein. Durch das Anlegen der Blechpaketeinrichtung mit ihrer Kühlseite an die Rotorwelle kann somit Wärme aus der Blechpaketeinrichtung an die Rotorwelle abgegeben werden, wodurch die Blechpaketeinrichtung gekühlt werden kann. Innerhalb der Rotorwelle kann wiederum die von der Blechpaketeinrichtung empfangene Wärme mittels des Kühlfluids abtransportiert werden. Es kann somit ein besonders umfangreiches Kühlen der Blechpaketeinrichtung erfolgen, wodurch wiederum die elektrische Maschine besonders effizient betrieben werden kann.

Weitere Merkmale der Erfindung können sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung ergeben. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung und/oder in den Figuren allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Dabei zeigt:

Fig. 1 eine schematische Perspektivansicht einer Blechpaketeinrichtung, welche Teil eines ausschnittsweise dargestellten Rotors einer elektrischen Maschine ist und welche an einer Rotorwelle der elektrischen Maschine anliegt, wodurch die Blechpaketeinrichtung um eine durch die Rotorwelle bereitgestellte Rotorachse rotierbar ist, wobei die Blechpaketeinrichtung mehrere in einer

Stapelrichtung aufeinander gestapelte Bleche umfasst, zwischen welche mehrere Wärmeleiteinleger zwischengestapelt sind; und

Fig. 2 eine schematische Perspektivansicht der Blechpaketeinrichtung in einer weiteren Ausführungsform, in welcher eine Querschnittsgeometrie von zwischen jeweiligen Blechen angeordneten Wärmeleiteinlegern von der Querschnittsgeometrie der Bleche der Blechpaketeinrichtung im Bereich eines Polschuhs abweicht. In den Figuren sind gleiche und funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

In Fig. 1 und in Fig. 2 ist eine Blechpaketeinrichtung 10 gezeigt, welche Teil eines Rotors einer elektrischen Maschine ist. Diese elektrische Maschine kann insbesondere dazu eingerichtet sein, ein Kraftfahrzeug anzutreiben. In den vorliegenden Abbildungen bildet die Blechpaketeinrichtung 10 ein 60-Grad-Segment des Rotors. Die Blechpaketeinrichtung 10 umfasst eine Vielzahl an einzelnen Blechen 12, welche in einer Stapelrichtung 14 aufeinander gestapelt sind. Die Blechpaketeinrichtung 10 weist eine Kühlseite 16 auf, an welcher die Bleche 12 der Blechpaketeinrichtung 10 an eine Rotorwelle 18 angelegt werden können, wie in Fig. 1 dargestellt ist. Die in Fig. 1 ausschnittsweise dargestellte Rotorwelle 18 kann insbesondere als fluidgekühlte Hohlwelle ausgebildet sein, wodurch die Rotorwelle 18 eine Wärmesenke für die Blechpaketeinrichtung 10 darstellt. Das bedeutet, dass über die Rotorwelle 18 Wärme von der Blechpaketeinrichtung 10 abtransportiert werden kann. Um eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit der Blechpaketeinrichtung 10 zu ermöglichen, ist es vorgesehen, dass die Blechpaketeinrichtung 10 wenigstens einen Wärmeleiteinleger 20, vorliegend mehrere Wärmeleiteinleger 20, umfasst. Vorliegend sind die jeweiligen Wärmeleiteinleger 20 flach ausgebildet und mit ihrer Außenkontur an eine Außenkontur der Bleche 12 angepasst. Somit überdecken die Wärmeleiteinleger 20 die Bleche 12 in der Stapelrichtung 14. Bei der in Fig. 1 gezeigten Ausgestaltung der Wärmeleiteinleger 20 überdecken sich die Bleche 12 und die Wärmeleiteinleger 20 in der Stapelrichtung 14 vollständig.

Die jeweiligen Wärmeleiteinleger 20 sind in der Stapelrichtung 14 zwischen jeweilige Bleche 12 der Blechpaketeinrichtung 10 gestapelt. Hierbei können die jeweiligen Wärmeleiteinleger 20 in der Stapelrichtung 14 regelmäßige Abstände zueinander aufweisen. Beispielsweise kann in der Stapelrichtung 14 alle fünf aufeinander gestapelte Bleche 12 ein Wärmeleiteinleger 20 angeordnet sein. An der Kühlseite 16 schließen die Wärmeleiteinleger 20 bündig mit den Blechen 12 ab, wodurch die Wärmeleiteinleger 20 gemeinsam mit den Blechen 12 an die Rotorwelle 18 angelegt werden können. Somit kann Wärme über Wärmeleitung von den Wärmeleiteinlegern 20 an die Rotorwelle 18 übertragen werden. Die Wärmeleiteinleger 20 sind weiterhin dazu eingerichtet, von anliegenden Blechen 12 Wärme aufzunehmen, um diese aufgenommene Wärme an der Kühlseite 16 an die Wärmesenke abzugeben. Hierfür ist es vorgesehen, dass die Wärmeleiteinleger 20 eine höhere Wärmeleitfähigkeit aufweisen als die Bleche 12. Vorliegend sind die Wärmeleiteinleger 20 aus Kupfer gebildet. Alternativ können die Wärmeleiteinleger 20 aus Aluminium gebildet sein. Weiterhin alternativ oder zusätzlich können die Wärmeleiteinleger 20 mit einem Hohlraum und somit hohl ausgebildet sein. In diesem Hohlraum kann ein Fluid eingefüllt sein. Beispielsweise handelt es sich bei diesem Fluid um ein Thermoöl oder um Wasser. Wird Wasser in den Hohlraum der jeweiligen Wärmeleiteinleger 20 eingefüllt, wobei ein Bereich des Hohlraums evakuiert wird, dann sind diejenigen Wärmeleiteinleger 20 als sogenannter Zweiphasen-Thermosiphon ausgebildet.

Um eine Entstehung von Wirbelstromverlusten in den Blechen 12 besonders gering zu halten, können die Wärmeleiteinleger 20, wie in Fig. 2 erkannt werden kann, im Bereich eines Polschuhs 22 des Rotors mit ihren jeweiligen äußeren Kanten hinter den Blechen 12 Zurückbleiben. Im Bereich des Polschuhs 22 schließen somit die Wärmeleiteinleger 20 nicht bündig mit den Blechen 12 radial nach außen ab. In einem der Rotorwelle 18 zugewandten Bereich der Blechpaketeinrichtung sind die Wärmeleiteinleger 20 die Bleche 12 vollständig überdeckend ausgebildet und weisen dabei eine zumindest im Wesentlichen identische Außengeometrie auf.

Wie in Fig. 1 erkannt werden kann, kann seitlich an der Blech paketeinrichtung 10 wenigstens eine Nutisolation 24 angeordnet sein.

Der beschriebenen Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch Einlegen von gut wärmeleitfähigen Wärmeleiteinlegern 20, insbesondere Scheiben aus Kupfer oder Aluminium, zwischen die Bleche 12 sich eine mittlere Wärmeleitfähigkeit der Blechpaketeinrichtung 10 deutlich erhöhen lässt und somit ein verbesserter Wärmetransport von einer Wicklung in die Wärmesenke erzielt werden kann. Diese erhöht unmittelbar eine Dauerleistung der elektrischen Maschine. Alternativ oder zusätzlich zu dem Vorsehen der wärmeleitfähigen Scheiben aus Kupfer oder Aluminium können die Wärmeleiteinleger 20 als hohle Scheiben ausgebildet sein, welche mit einem gasförmigen Medium, einem flüssigen Medium oder einem Phasenwechselmedium befüllt sind, das nach dem Prinzip eines Zweiphasen-Thermosiphons beziehungsweise einer Wärmepumpe besonders starke Wärmeleitung ermöglichen kann. Mit dieser Maßnahme kann eine Aktivlänge der elektrischen Maschine um eine Dicke der Wärmeleiteinleger 20 verkürzt sein, sodass für ein gleiches Drehmoment ein längerer Stator beziehungsweise Rotor zu bauen ist oder bereitgestellte Ströme zu erhöhen sind. Die durch die Wärmeleiteinleger 20 bereitgestellte verbesserte Kühlung kann damit einhergehende Verluste zumindest teilweise kompensieren. Bei einer Länge des Rotoraktivteils einer stromerregten Synchronmaschine als elektrische Maschine von 136 Millimetern lässt sich durch Einlegen von Aluminiumscheiben als Wärmeleiteinleger 20 mit einer Dicke von 1 Millimeter, die auf einem Blechschnitt der elektrischen Maschine gestanzt beziehungsweise gelasert wurden, in das Blechpaket eine mittlere Wärmeleitfähigkeit der Blechpaketeinrichtung 10 von Lambda = 20 Watt pro Meter und Kelvin auf etwa 30 Watt pro Meter und Kelvin erhöhen. Hierdurch steigt eine abführbare Wärmeleistung bei gleicher Temperaturdifferenz über die Blechpaketeinrichtung 10 um zirka 50 Prozent.

Insgesamt zeigt die Erfindung, wie eine Rotorkühlung und eine Statorkühlung durch wärmeleitende Einleger im Blechpaket erzielt werden kann. Bezugszeichenliste 10 Blechpaketeinrichtung

12 Bleche

14 Stapelrichtung

16 Kühlseite

18 Rotorwelle 20 Wärmeleiteinleger

22 Polschuh

24 Nutisolation