Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine, eine elektrische Maschine mit einem Rotor, ein Fahrzeug mit einer elektrischen Maschine und ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors.

Der Rotor weist eine Rotorwelle und ein auf der Rotorwelle angeordnetes, aus gestapelten Elektroblechen gebildetes Blechpaket auf. Der Rotor gehört gemeinsam mit einem Stator zu einer elektrischen Maschine.

Elektrische Maschinen dieser Art werden in zunehmendem Maße in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen und Hybridfahrzeugen verwendet, überwiegend als Elektromotor für den Antrieb eines Rads oder einer Achse eines derartigen Fahrzeugs.

Ein solcher Elektromotor ist zumeist mechanisch mit einem Getriebe zur Drehzahlanpassung gekoppelt. Daneben ist der Elektromotor in der Regel elektrisch mit einem Wechselrichter gekoppelt, der aus einer von einer Batterie gelieferten Gleichspannung eine Wechselspannung für den Betrieb des Elektromotors erzeugt, beispielsweise eine mehrphasige Wechselspannung.

Es ist auch möglich, eine elektrische Maschine mit einem derartigen Rotor als Generator zur Rekuperation von Bewegungsenergie eines Fahrzeugs zu betreiben. Hierzu wird die Bewegungsenergie zunächst in elektrische Energie und dann in chemische Energie einer Fahrzeugbatterie umgewandelt.

Bei einer bestimmten Bauart von elektrisch erregten Synchronmotoren (EESM) besitzt der Rotor Rotorwicklungen, die mit Gleichstrom gespeist werden, um ein magnetisches Erregerfeld zu erzeugen. Wenn mit den Statorwicklungen eines zugehörigen Stators ein Drehfeld erzeugt wird, bewirkt das eine Kraftwirkung auf den Rotor, sodass dieser synchron zum Statordrehfeld rotiert. Die Rotorwicklungen werden dabei allerdings stark erwärmt, sodass eine Kühlung erforderlich ist. Die Kühlung kann beispielsweise durch Aufsprühen von Kühlmittel auf die Axialseiten des Rotors erfolgen. Allerdings wirkt diese Art der Kühlung nur oberflächlich und ist deshalb wenig effektiv.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Rotor für eine elektrische Maschine anzugeben, der während des Betriebs der elektrischen Maschine besser gekühlt werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Rotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgesehen.

Der erfindungsgemäße Rotor umfasst ein auf einer Rotorwelle angeordnetes, aus gestapelten Elektroblechen gebildetes Blechpaket mit radial nach außen abstehenden Vorsprüngen, Rotorwicklungen, die jeweils um einen Vorsprung des Blechpakets (Blechpaketvorsprung) gewunden sind, und einem zwischen zwei benachbarten Vorsprüngen des Blechpakets angeordneten Poltrenner, in dem ein Kühlkanal für ein Kühlmittel verläuft.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass eine verbesserte Kühlung erzielt werden kann, indem das Kühlmittel den Rotorwicklungen über einen Kühlkanal zugeführt wird, der sich einem Poltrenner befindet. Das Kühlmittel kann in dem Poltrenner an den Rotorwicklungen entlangströmen, so dass die beim Betrieb der elektrischen Maschine entstehende Wärme abgeführt wird. Im Vergleich zu einem herkömmlichen Rotor, bei dem lediglich Kühlmittel auf die Axialseiten gesprüht wird, kann der erfindungsgemäße Rotor wesentlich besser und homogener gekühlt werden.

Ferner wird mit dem Poltrenner ein multifunktionales Bauteil geschaffen, mit dem der Rotor mechanisch stabilisiert, gegen Umwelteinflüsse geschützt und gekühlt wird. Bei der elektrischen Maschine kann es sich zum Beispiel um einen elektrisch erregten Synchronmotor (EESM) handeln.

Optional verfügt der Rotor über eine erste Endplatte, die an einem axialen Ende des Blechpakets angeordnet ist und eine zweite Endplatte, die am gegenüberliegenden axialen Ende des Blechpakets angeordnet ist. Die beiden Endplatten dienen zum Zusammenhalten der Elektrobleche des Blechpakets und besitzen jeweils radial nach außen abstehende Endplattenvorsprünge, die insbesondere entlang des Umfanges einer Endplatte angeordnet sein können. Die Endplattenvorsprünge werden auch als „Plattenfortsätze“ bezeichnet und dienen unter anderem zum Halten der Rotorwicklungen in einer bestimmten Position.

Die Blechpaketvorsprünge des Blechpakets werden auch als „Zähne“ bezeichnet und können insbesondere entlang des Umfanges des Blechpakets angeordnet sein. Außer um einen Blechpaketvorsprung kann eine Rotorwicklung um einen Endplattenvorsprung der ersten Endplatte und einen axial gegenüberliegenden Endplattenvorsprung der zweiten Endplatte gewunden sein, zwischen denen sich der Blechpaketvorsprung axial erstreckt.

Vorzugsweise verläuft der Kühlkanal von einer Axialseite des Blechpakets bis zu einer gegenüberliegenden Axialseite des Blechpakets, beispielsweise gerade und in Axialrichtung. Dementsprechend können die Rotorwicklungen über ihre gesamte axiale Länge gekühlt werden. Durch die Kühlung kann die Temperatur des Rotors auch bei Dauerbetrieb mit hoher Leistung unterhalb eines festgelegten Grenzwerts gehalten werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Rotor kann es vorgesehen sein, dass der Poltrenner einen inneren Abschnitt, der zwischen den beiden Rotorwicklungen angeordnet ist, und einen äußeren Abschnitt, der radial außerhalb der beiden Rotorwicklungen angeordnet ist, aufweist. Mit dem inneren Abschnitt lassen sich insbesondere die Rotorwicklungen mechanisch stabilisieren und kühlen. Da die Rotorwicklungen vorzugsweise aus lackiertem Kupferdraht bestehen, ist eine gute Wärmeleitung und Wärmeabfuhr über den Poltrenner gewährleistet. Mit dem äußeren Abschnitt lassen sich insbesondere die Enden der Blechpaketvorsprünge mechanisch stabilisieren und kühlen.

Der Poltrenner kann kostengünstig aus einem Kunststoffmaterial im Spritzgussverfahren hergestellt sein. Alternativ kann der Poltrenner auch aus einer Metalllegierung, beispielsweise aus einer Aluminiumlegierung, durch Extrudieren hergestellt sein.

Im Rahmen der Erfindung wird es bevorzugt, dass der innere Abschnitt des Poltrenners in einer Vergussmasse eingebettet ist, mit der die beiden Rotorwicklungen vergossen sind. Dadurch werden die Rotorwicklungen stabilisiert und der Wärmeübergang von den Rotorwicklungen zu dem Poltrenner wird verbessert.

Bei dem erfindungsgemäßen Rotor kann der Kühlkanal in dem inneren Abschnitt des Poltrenners und/oder dem äußeren Abschnitt des Poltrenners verlaufen. Die Größe und die Position des Kühlkanals können somit an die jeweiligen Kühlanforderungen und den zur Verfügung stehenden Platz angepasst werden.

Bei geringen Kühlanforderungen kann es ausreichen, wenn sich der Kühlkanal in dem inneren Abschnitt des Poltrenners befindet. Wenn ein größerer Kühlbedarf existiert, kann sich der Kühlkanal von dem inneren Abschnitt bis in den äußeren Abschnitt erstrecken.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Kühlkanal einen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Ein solcher Kühlkanal zeichnet sich durch geringe reibungsbedingte Strömungsverluste aus. Gemäß einer alternativen Ausgestaltung kann der Kühlkanal einen Y-förmigen Querschnitt aufweisen. Ein derartiger Kühlkanal kann optimal in einem Poltrenner angeordnet werden, der einen inneren Abschnitt, der zwischen zwei benachbarten Rotorwicklungen angeordnet ist, und einen äußeren Abschnitt, der radial außerhalb der beiden Rotorwicklungen angeordnet ist, aufweist. In diesem Fall kann sich der Y-förmige Kühlkanal beziehungsweise dessen Querschnitt von dem inneren Abschnitt bis in den äußeren Abschnitt erstrecken. Alternativ zu den erwähnten Querschnittsformen kann der Kühlkanal auch einen rechteckförmigen, quadratischen, dreieckförmigen, trapezförmigen, sechseckförmigen oder ellipsenförmigen Querschnitt haben. Grundsätzlich ermöglicht ein größerer Querschnitt das Abführen einer größeren Wärmemenge.

Eine ganz besonders bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Kühlkanal in einer Endkappe des Rotors mündet. Die Endkappe kann an einer Axialseite des Blechpakets angeordnet sein, insbesondere eine dort positionierte Endkappe abdecken. Ebenso kann sich an der gegenüberliegenden Axialseite des Kühlkanals eine zweite Endkappe befinden, in welcher der Kühlkanal ebenfalls mündet und die optional eine zweite Endkappe abdeckt.

Die Endkappen können das Innere des Rotors nach außen abdichten und jeweils eine Durchgangsöffnung für Kühlmittel aufweisen, von denen eine als Einlass und die andere als Auslass dient. In einem Gehäuse der elektrischen Maschine kann eine zugehörige Düse für Kühlmittel angeordnet sein, mit der Kühlmittel in den Einlass gesprüht werden kann. Alternativ kann in einer Endkappe auch ein Anschluss für eine externe Kühlmittelleitung integriert sein.

Um die Kühlwirkung zu verbessern, kann der Poltrenner des erfindungsgemäßen Rotors mehrere Kühlkanäle aufweisen. Dadurch kann der Poltrenner von einer größeren Menge Kühlmittel durchströmt werden. Ferner kann mit mehreren Kühlkanälen die Stabilität des Poltrenners erhöht werden. Die Kühlkanäle können in Radialrichtung hintereinander angeordnet sein. Alternativ dazu können die Kühlkanäle in Umfangsrichtung hintereinander angeordnet sein, zum Beispiel in dem zwischen zwei Rotorwicklungen gebildeten Zwischenraum. Es ist aber auch möglich, dass in dem Poltrenner mehrere Kühlkanäle in Radialrichtung hintereinander angeordnet sind und zusätzlich mehrere Kühlkanäle in Umfangsrichtung hintereinander angeordnet sind. Dabei können zum Beispiel erstere in dem in dem inneren Abschnitt und letztere in dem äußeren Abschnitt des Poltrenners angeordnet sein.

Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Rotor mehrere Poltrenner der beschriebenen Art auf. Die Poltrenner sind jeweils zwischen zwei (anderen) benachbarten Blechpaketvorsprüngen des Blechpakets angeordnet. Die Poltrenner verbessern die Kühlung des Rotors, erhöhen seine Stabilität und vereinfachen das Vergießen der Zwischenräume zwischen benachbarten Rotorwicklungen mit Vergussmasse. Die Anzahl der Poltrenner kann der Anzahl von Polen (Polzahl) des Rotors entsprechen oder davon abweichen.

Das Kühlmittel kann den Kühlkanälen auf verschiedene Weise zugeführt werden. Beispielsweise kann die Rotorwelle eine oder mehrere Bohrungen aufweisen, durch die das Kühlmittel aus einem in der Rotorwelle verlaufenden zentralen Kühlkanal in einen von einer Endkappe des Rotors begrenzten Hohlraum strömt. Aus dem Hohlraum kann das Kühlmittel dann in den Kühlkanal fließen. Alternativ kann das Kühlmittel durch eine fest mit dem Stator der elektrischen Maschine verbundenen Düse in die Kühlkanäle eingespritzt werden. Dazu kann eine Endkappe des Rotors eine oder mehrere Durchgangsöffnungen aufweisen, durch die das Kühlmittel gespritzt wird.

Daneben betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine mit einem Rotor der beschriebenen Art und einem Stator, der den Rotor umgibt. Der Rotor ist gegenüber dem Stator drehbar. Der Stator kann ein weiteres Blechpaket (Statorpaket) aufweisen, das aus gestapelten Elektroblechen gebildet ist.

Daneben kann der Stator Wicklungen elektrischer Leiter besitzen, zum Beispiel in Form von Spulenwicklungen oder Flachdrahtwicklungen.

Ferner betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einer derartigen elektrischen Maschine, die zum Antreiben des Fahrzeugs vorgesehen ist. Die Maschine kann insbesondere ein Rad oder eine Achse des Fahrzeugs antreiben. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors der beschriebenen Art. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Anordnen des Blechpakets auf der Rotorwelle, Herstellen der Rotorwicklungen durch Winden von lackiertem Kupferlackdraht um die Vorsprünge des Blechpakets, Einsetzen von einen Kühlkanal aufweisenden Poltrennern jeweils zwischen zwei benachbarte Vorsprünge des Blechpakets, Anordnen einer ersten Endkappe an einer ersten Axialseite des Blechpakets, Anordnen einer zweiten Endkappe an der zweiten Axialseite des Blechpakets, Vergießen von Zwischenräumen zwischen benachbarten Rotorwicklungen und den Poltrennern mit einer Vergussmasse, so dass die Poltrenner jeweils in die Vergussmasse eingebettet werden.

Vorzugsweise wird der Rotor zum Vergießen so positioniert, dass seine Rotationsachse senkrecht verläuft und die Vergussmasse durch eine Einfüllöffnung in einer Endkappe des Rotors eingebracht wird, wobei die Endkappe vorzugsweise auch eine Entlüftungsöffnung aufweist. Die Entlüftungsöffnung ermöglicht das Entweichen von Luft, sodass die Zwischenräume in dem Rotor vollständig vergossen werden können.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Die Figuren sind schematische Darstellungen und zeigen:

Fig. 1 eine geschnittene Seitenansicht eines erfindungsgemäßen Rotors mit einem Poltrenner gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie ll-ll von Figur 1 ,

Fig. 3 eine vergrößerte Ansicht im Bereich eines Poltrenners gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, Fig. 4 eine vergrößerte Ansicht im Bereich eines Poltrenners gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, und

Fig. 5 ein erfindungsgemäßes Fahrzeug mit einer elektrischen Maschine.

Der in Figur 1 in einer geschnittenen Seitenansicht und in Figur 2 in einer entlang der Linie ll-ll von Figur 1 geschnittenen axialen Ansicht gezeigte Rotor 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist für eine elektrische Maschine vorgesehen, die als Elektromotor zum Antreiben eines Fahrzeugs eingesetzt wird.

Der Rotor 1 umfasst ein aus gestapelten Elektroblechen gebildetes zylinderförmiges Blechpaket 2, das eine Rotorwelle 3 form- und/oder kraftschlüssig umschließt. Bei den Elektroblechen kann es sich um identisch ausgebildete Stanzteile handeln. Das Blechpaket 2 weist mehrere radial nach außen abstehende Blechpaketvorsprünge 4 („Zähne“) auf, wie am besten in Figur 2 zu sehen ist. Endabschnitte der Blechpaketvorsprünge 4 sind in Umfangsrichtung verbreitert.

An einer ersten Axialseite des Blechpakets 2 befindet sich eine erste Endplatte 5. An der entgegengesetzten zweiten Axialseite des Blechpakets 2 befindet sich eine zweite Endplatte 6. Die Endplatten 5, 6 weisen eine elektrisch isolierende Beschichtung auf oder sind aus einem elektrisch nichtleitenden Werkstoff wie ein Kunststoff hergestellt. Die Endplatten 5, 6 besitzen jeweils radiale Endplattenvorsprünge 7, 8 (auch „Plattenfortsätze“), um die mehrere Rotorwicklungen 9 gewunden sind. Die Rotorwicklungen 9 bestehen aus lackiertem Kupferdraht.

In Figur 2 erkennt man, dass zwischen zwei benachbarten Blechpaketvorsprüngen 4 jeweils ein Poltrenner 10 angeordnet ist. Der Rotor 1 weist sechs Rotorpole und sechs Poltrenner 10 auf. Ein solcher Poltrenner 10 ist als Kunststoffprofil ausgebildet und axial zwischen 2 benachbarten Rotorwicklungen 9 eingeschoben, die um zwei benachbarte Blechpaketvorsprünge 4 gewunden sind. Der Poltrenner 10 verschließt einen zwischen den beiden Rotorwicklungen 9 und den beiden Blechpaketvorsprüngen 4 gebildeten Freiraum. Dazu ist der Querschnitt des Poltrenners 10 an die Form des Freiraums angepasst.

Der einstückig ausgebildete Poltrenner 10 umfasst einen breiteren, näherungsweise trapezförmigen radial äußeren Abschnitt 11 und einen näherungsweise rechteckigen radial inneren Abschnitt 12. In dem Poltrenner 10 verlaufen drei Kühlkanäle 13 für ein Kühlmittel, die in Radialrichtung aneinander gereiht sind.

Die Fugen zwischen den Rotorwicklungen 9 und dem Poltrenner 10 können mit einer Vergussmasse vergossen sein. Das bewirkt, dass die Rotorwicklungen 9 auch bei hohen Drehzahlen ihre Position beibehalten und verbessert den Wärmeübergang von den Rotorwicklungen 9 beziehungsweise dem Blechpaket 2 zu dem Poltrenner 10.

Wieder auf Figur 1 bezugnehmend erkennt man, dass sich die Kühlkanäle 13 in den Poltrennern 10 über deren gesamte axiale Länge erstrecken. An beiden Axialseiten des Rotors 1 befindet sich jeweils eine Endkappe 14, 15, die von der Rotorwelle 3 durchsetzt ist.

Die Pfeile in Figur 1 geben beispielhaft die Strömungsrichtung des Kühlmittels an. Bei dem Kühlmittel kann es sich unter anderem um eine Flüssigkeit, ein Gas oder ein Öl handeln. Alle Kühlkanäle 13 verlaufen gerade und in Axialrichtung. Da die Kühlkanäle 13 an den Rotorwicklungen 9 entlang führen, wird Wärme von den Rotorwicklungen 9 an das in den Kühlkanälen 13 strömende Kühlmittel übertragen und abgeführt. Die Rotorwicklungen 9 werden dadurch entlang ihrer gesamten axialen Länge gekühlt. In dem in Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel befindet sich an der linken Seite ein nicht dargestellter Einlass für Kühlmittel. Der Einlass kann unterschiedlich gestaltet sein. Beispielsweise kann die Rotorwelle 3 eine oder mehrere Bohrungen aufweisen, durch die das Kühlmittel aus einem in der Rotorwelle 3 angeordneten zentralen Kühlkanal in den von der Endkappe 14 begrenzten Hohlraum eingebracht wird. Von dort kann das Kühlmittel in die Kühlkanäle 13 gelangen.

Alternativ kann die Endkappe 14 eine oder mehrere Durchgangsöffnungen aufweisen, durch die das Kühlmittel von einer im Gehäuse der elektrischen Maschine angeordneten Düse durch die Endkappe 14 in die Kühlkanäle 13 eingespritzt wird.

An der gegenüberliegenden, in Figur 1 rechten Seite befindet sich innerhalb der Endkappe 15 ein dem Einlass entsprechender, nicht dargestellter Auslass für das Kühlmittel. Der Auslass kann analog entweder als Durchgangsöffnung in der Endkappe 15 oder als Bohrung in der Rotorwelle 3 ausgebildet sein.

Bei dem Verfahren zur Herstellung des Rotors 1 wird das aus gestapelten Elektroblechen gebildete Blechpaket 2 mit den radial nach außen abstehenden Blechpaketvorsprüngen 4 auf der Rotorwelle 3 angeordnet. Ferner werden die Rotorwicklungen 9 durch Winden von lackiertem Kupferlackdraht um die Blechpaketvorsprünge 4 des Blechpakets 2 hergestellt. Anschließend werden die Poltrenner 10 jeweils zwischen zwei benachbarte Vorsprüngen des Blechpakets 2 axial eingeschoben. Danach werden die beiden Endkappen 14, 15 an beiden Axialseiten des Blechpakets 2 durch Aufpressen auf die Endplatten 5, 6 befestigt.

Die Fugen zwischen den Rotorwicklungen 9 und den Poltrennern 10 werden mit einer Vergussmasse vergossen, wodurch die Rotorwicklungen 9 und die Poltrenner 10 in die Vergussmasse eingebettet werden. Zum Vergießen wird der Rotor 1 zweckmäßig in eine bezogen auf seine Axialrichtung senkrechte Position gebracht. Das Einfüllen der Vergussmasse erfolgt durch eine Einfüllöffnung (nicht gezeigt), die in einer der Endkappen ausgebildet ist. Diese Endkappe weist vorzugsweise auch eine Entlüftungsöffnung auf.

Figur 3 zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Poltrenners 16 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Poltrenner 16 verschließt mit seinem radial äußeren Abschnitt eine Lücke zwischen zwei benachbarten Blechpaketvorsprüngen 4. Sein radial innerer Abschnitt befindet sich zwischen zwei benachbarten Rotorwicklungen 9 und weist mehrere entlang einer Radialachse (Strichpunktlinie) angeordnete Kühlkanäle 17 auf, die jeweils einen kreisförmigen Querschnitt besitzen. Der radial äußeren Abschnitt des Poltrenners 16 weist zwei in Umfangsrichtung beidseitig der Radialachse angeordnete Kühlkanäle 18 auf, deren Querschnitte den Kühlkanälen 17 im inneren Abschnitt entsprechen.

Figur 4 ist eine ähnliche Ansicht wie Figur 3 und zeigt einen Poltrenner 19 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung, der nur einen einzigen Kühlkanal 20 aufweist. Der Kühlkanal 20 besitzt einen Y-förmigen Querschnitt, der sich von einem radial inneren Abschnitt des Poltrenners 19 bis in einen radial äußeren Abschnitt des Poltrenners 19 erstreckt. In dem radial inneren Abschnitt des Poltrenners 19 weist der Querschnitt einen geraden, entlang einer Radialachse (Strichpunktlinie) verlaufenden ersten Abschnitt auf. In dem radial äußeren Abschnitt des Poltrenners 19 weist der Querschnitt zwei gerade Abschnitte auf, die jeweils von dem ersten Abschnitt abzweigen, schräg zu der Radialachse entlang der Rotorwicklungen 9 verlaufen und bezüglich der Radialachse symmetrisch zueinander ausgerichtet sind.

Figur 5 zeigt ein Fahrzeug 21 mit einer elektrischen Maschine 22, die zum Antreiben des Fahrzeugs 21 dient. Die elektrische Maschine 22 weist ein Gehäuse 23 auf, in dem der Rotor 1 und ein Stator 24 aufgenommen sind, der den Rotor 1 umgibt. Bezugszeichenliste

1 Rotor

2 Blechpaket

3 Rotorwelle

4 Blechpaketvorsprung

5 Endplatte

6 Endplatte

7 Endplattenvorsprung

8 Endplattenvorsprung

9 Rotorwicklung

10 Poltrenner

11 äußerer Abschnitt

12 innerer Abschnitt

13 Kühlkanal

14 Endkappe

15 Endkappe

16 Poltrenner

17 Kühlkanal

18 Kühlkanal

19 Poltrenner

20 Kühlkanal

21 Fahrzeug

22 elektrische Maschine

23 Gehäuse

24 Stator