Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine, eine elektrische Maschine mit einem Rotor und ein Fahrzeug mit einer elektrischen Maschine.

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, so dass eine Kühlung erforderlich ist. Die Kühlung kann beispielsweise durch Aufsprühen von flüssigem Kühlmittel (zum Beispiel Öl) auf die Axialseiten des Rotors erfolgen. Allerdings kann das axial auf den Rotor auftreffende Kühlmittel aufschäumen, so dass diese Art der Kühlung nur wenig effektiv ist. Ferner kann das axial auf den Rotor auftreffende Kühlmittel von dem Rotor in die Gegenrichtung abprallen beziehungsweise reflektiert werden, was die Kühlwirkung weiter verschlechtert.

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 Blechpaket mit einer Mehrzahl gestapelter Elektrobleche, eine an einer Axialseite des Blechpakets angeordnete erste Endplatte mit entlang ihres Umfanges angeordneten radialen Vorsprüngen, eine an der gegenüberliegenden Axialseite des Blechpakets angeordnete zweite Endplatte mit entlang ihres Umfanges angeordneten radialen Vorsprüngen, mehrere Rotorwicklungen, die jeweils um einen Vorsprung der ersten Endplatte und einen axial gegenüberliegenden Vorsprung der zweiten Endplatte gewunden sind, und einen an der ersten Endplatte angeordneten Umlenkkörper mit einer Umlenkfläche, die so geformt ist, dass auftreffendem Kühlmittel eine radiale Bewegungskomponente verliehen wird.

Mit der Umlenkfläche wird sichergestellt, dass axial auf den Rotor gesprühtes Kühlmittel auf die Wicklungsköpfe der Rotorwicklungen umgelenkt wird, anstatt aufzuschäumen oder axial von dem Rotor abzuprallen. Insbesondere führt die Umlenkfläche dazu, dass das Kühlmittel in einem spitzen Winkel auf die Wicklungsköpfe auftrifft. Ein nahezu senkrechtes (rechtwinkliges) Auftreffen des flüssigen Kühlmittels, das ein Aufschäumen des Kühlmittels bewirken kann, wird hingegen verhindert. Durch den Kontakt mit den Wicklungsköpfen wird das Kühlmittel erwärmt und führt die Wärme von dem Rotor ab, sobald es durch die Zentrifugalkraft von dem Rotor weggeschleudert wird. Das von dem Rotor weggeschleuderte Kühlmittel kann in einem Kühlmittelsumpf gesammelt und anschließend durch einen Kühlkreislauf gepumpt werden, so dass es wieder zum Rotor gelangt.

Der Umlenkkörper kann an der Axialseite beziehungsweisen axialen Außenseite der ersten Endplatte angeordnet sein. Bei der elektrischen Maschine kann es sich zum Beispiel um einen elektrisch erregten Synchronmotor (EESM) handeln.

Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Umlenkkörper und vorzugsweise auch die Umlenkfläche ringförmig ausgebildet ist beziehungsweise sind. Bei dieser Ausgestaltung wird auf den Umlenkkörper auftreffendes Kühlmittel unabhängig von dem momentanen Drehwinkel des Rotors in Radialrichtung umgelenkt. Auf diese Weise wird eine kontinuierliche Kühlung des Rotors durch das Kühlmittel sichergestellt.

Bei dem erfindungsgemäßen Rotor kann es weiterhin vorgesehen sein, dass der Umlenkkörper integral beziehungsweise einstückig mit der Endplatte ausgebildet ist. Dadurch können die Anzahl der Einzelteile des Rotors und dessen Montageaufwand verringert werden. Alternativ kann der Umlenkkörper als separates Bauteil mit der Endplatte verbunden sein.

Optional kann der Rotor mit einer axial auf der ersten Endplatte sitzenden Endkappe versehen sein. Die Endkappe kann ringförmig ausgebildet sein, mit einer zentralen Öffnung, durch welche die Rotorwelle verläuft und der Umlenkkörper und sowie die Wicklungsköpfe zugänglich sind. Die Endplatte kann den Rotor stabilisieren, wobei durch die Öffnung trotzdem Kühlmittel zu den Wicklungsköpfen der Rotorwicklungen gelangt.

Vorzugsweise weist die Endplatte im Bereich der Rotorwicklungen eine ringförmige Öffnung für das von der Umlenkfläche umgelenkte Kühlmittel auf. Durch die Öffnung werden die Rotorwicklungen freigelegt, so dass das umgelenkte Kühlmittel zu den Rotorwicklungen gelangt.

Im Rahmen der Erfindung kann es außerdem vorgesehen sein, dass der Umlenkkörper ein von der Umlenkfläche radial nach außen beabstandetes Führungselement aufweist, das sich zumindest abschnittsweise näherungsweise in Radialrichtung erstreckt. Das Kühlmittel kann dann durch eine Passage zwischen der Umlenkfläche und dem Führungselement strömen. Das Führungselement bewirkt, dass von der Umlenkfläche abgepralltes Kühlmittel zur Axialseite des Blechpakets beziehungsweise zu den Wicklungsköpfen abgelenkt wird.

Es wird ferner bevorzugt, dass ein radial innerer Abschnitt des Führungselementes zumindest näherungsweise parallel zu der Umlenkfläche verläuft. Der Abschnitt und die Umlenkfläche bilden auf diese Weise einen gebogenen Kanal für das auftreffende Kühlmittel, dem die radiale Bewegungskomponente verliehen wird.

Eine Ausgestaltung der Erfindung kann vorsehen, dass sich das Führungselement in Radialrichtung weiter nach außen als die Umlenkfläche erstreckt. Das stellt sicher, dass das Kühlmittel zu der Axialseite des Blechpakets beziehungsweise den Rotorwicklungen abgelenkt wird.

Zwischen dem Führungselement und der Umlenkfläche kann eine Mehrzahl von Rippen vorhanden sein, welche die Umlenkfläche mit dem Führungselement verbinden. Die Rippen können schmal ausgebildet sein und sich in Radialrichtung erstrecken, um die Strömung des Kühlmittels zwischen der Umlenkfläche und dem Führungselement möglichst wenig zu beeinträchtigen. Optional kann der Umlenkkörper mit dem Führungselement und den Rippen einstückig ausgebildet sein. Vorzugsweise entspricht die Anzahl der Rippen der Anzahl der Pole (Polzahl) des Rotors. Alternativ kann die Anzahl der Rippen von der Polzahl abweichen.

Die radialen Rippen sind vorzugsweise in Umfangsrichtung so positioniert, dass sie einem zwischen zwei benachbarten Rotorwicklungen gebildeten Freiraum gegenüberliegen. Dementsprechend sind die Rotorwicklungen nicht von den Rippen verdeckt, so dass Kühlmittel ungehindert auf die Rotorwicklungen auftreffen kann.

Eine ganz besonders gute Kühlung des Rotors kann erzielt werden, indem an der zweiten Endplatte ein dem beschriebenen Umlenkkörper entsprechender weiterer Umlenkkörper angeordnet ist. Dadurch können die an der zweiten Endplatte angeordneten Wicklungsköpfe der Rotorwicklungen ebenfalls optimal gekühlt werden, so dass insgesamt eine bessere Kühlwirkung erzielt wird. Dazu kann Kühlmittel auch auf den weiteren Umlenkkörper gesprüht beziehungsweise gespritzt werden. Die für die Kühlung erforderlichen Komponenten des Rotors können somit symmetrisch ausgebildet sein.

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.

Vorzugsweise kann die elektrische Maschine zusätzlich eine Düse aufweisen, die auf die Umlenkfläche des Umlenkkörpers gerichtet ist. Die Düse kann fest mit dem Stator verbunden sein, beispielsweise indem die Düse an einem Gehäuse der elektrischen Maschine befestigt ist.

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 wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Die Figuren sind schematische Darstellungen und zeigen:

Fig. 1 eine geschnittene Seitenansicht eines Teils eines erfindungsgemäßen Rotors,

Fig. 2 eine nsicht des in Fig. 1 gezeigten Rotors in Axialrichtung, und

Fig. 3 ein erfindungsgemäßes Fahrzeug mit einer elektrischen Maschine.

Der in Figur 1 in einer geschnittenen Seitenansicht und in Figur 2 in einer Ansicht in Axialrichtung gezeigte erfindungsgemäße Rotor 1 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 auf, die als „Zähne“ bezeichnet werden und an ihren Enden jeweils in Umfangsrichtung verbreitert sind.

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 einen Aluminiumkern auf, der mit Kunststoff umspritzt ist. Alternativ können die Endplatten aus einem elektrisch nichtleitenden Werkstoff hergestellt sein, zum Beispiel aus Kunststoff.

Die Endplatten 5, 6 besitzen radiale Endplattenvorsprünge 7, 8 (auch „Plattenfortsätze“), die an ihren Enden jeweils in Umfangsrichtung verbreitert sind. Um die Endplattenvorsprünge 7, 8 sind mehrere Rotorwicklungen 9 gewunden, die lackierten Kupferdraht aufweisen.

Zwischen benachbarten Rotorwicklungen 9 befindet sich jeweils ein Zwischenraum 17, der nach außen von einem Poltrenner 10 abgedeckt ist. Der Zwischenraum 17 kann mit einer Vergussmasse gefüllt sein, mit der die Rotorwicklungen 9 vergossen sind. Optional kann in dem Zwischenraum 17 ein axialer Kühlkanal verlaufen.

An der in Figur 1 linken Axialseite des Rotors 1 wird die Rotorwelle 3 von einem ringförmigen Umlenkkörper 11 umschlossen, welcher an der Endplatte 5 anliegt. Der Umlenkkörper 11 ist fest mit der Rotorwelle 3 und/oder der Endplatte 5 verbunden. Insbesondere kann der Umlenkköper 11 mit einer Presspassung an der Rotorwelle 3 befestigt sein. Optional kann die Endplatte mit dem Umlenkkörper einstückig ausgebildet sein. An einer Außenseite des Umlenkkörpers 11 befindet sich eine konkav gewölbte Umlenkfläche 12. Die Wölbung erstreckt sich etwa über einen Viertelkreis.

Die Pfeile symbolisieren Kühlmittel, das zunächst durch eine Düse 12 auf die Umlenkfläche 12 des Umlenkkörpers 11 gespritzt wird. Das Kühlmittel wird an der Umlenkfläche 12 entsprechend der Gesetzmäßigkeit „Einfallswinkel gleich Ausfallswinkel“ so abgelenkt, dass ihm eine radiale Bewegungskomponente verliehen wird.

Dementsprechend wird auf die Umlenkfläche 12 aufgetroffenes Kühlmittel radial nach außen reflektiert, so dass es die Wicklungsköpfe der Rotorwicklungen 9 benetzt. Aufgrund der Fliehkraft kann das Kühlmittel danach radial nach außen von den Wicklungsköpfen ablaufen und den Rotor 1 am Endplattenvorsprung 7 verlassen.

Optional kann der Rotor 1 mit einer axial auf der Endplatte 5 sitzenden Endkappe (nicht gezeigt) versehen sein. Die Endkappe kann ringförmig ausgebildet sein, mit einer zentralen Öffnung, durch welche die Rotorwelle 3 verläuft und der Umlenkkörper 11 und sowie die Wicklungsköpfe zugänglich sind. Die Endplatte kann den Rotor 1 stabilisieren, wobei durch die Öffnung trotzdem Kühlmittel zu den Wicklungsköpfen der Rotorwicklungen 9 gelangt.

Im vorliegenden Fall ist zwischen dem äußeren Abschnitt der Endplatte 5 und dem unmittelbar an der Rotorwelle 3 angeordneten inneren Abschnitt der Endplatte 5 eine ringförmige Öffnung gebildet, welche die Rotorwicklungen 9 freilegt, auf welche das Kühlmittel auftrifft. Das auf die Rotorwicklungen 9 auftreffende Kühlmittel wird durch den Kontakt mit den Rotorwicklungen 9 erwärmt und führt diese Wärme von den Rotorwicklungen 9 ab, wenn es den Rotor 1 verlässt.

Der Umlenkkörper 11 weist ein von der Umlenkfläche 12 radial nach außen beabstandetes Führungselement 15 auf. Das Führungselement 15 unter Verwendung mehrerer Rippen 16 mit der Umlenkfläche 12 verbunden. In Figur 2 erkennt man, dass insgesamt acht derartige über den Umfang verteilt angeordnete Rippen 16 vorhanden sind. Die sich in Radialrichtung erstreckenden Rippen 16 sind in Umfangsrichtung jeweils an einem Freiraum 17 angeordnet. Dadurch wird sichergestellt, dass die Rippen 16 die Kühlung der Rotorwicklungen 9 nicht beeinträchtigen, so dass das Kühlmittel störungsfrei auf die Rotorwicklungen auftreffen kann.

Das Führungselement 15 besitzt einen radial inneren Abschnitt 18, der ähnlich wie die Umlenkfläche 12 gewölbt ist. Die Innenfläche des Führungselementes 15 und die Umlenkfläche 12 verlaufen somit nahezu parallel, wobei dazwischen eine Passage für das Kühlmittel gebildet ist. An den radial inneren Abschnitt 18 des Führungselementes 15 schließt sich ein radial äußerer Abschnitt 19 des Führungselementes 15 an, der näherungsweise radial verläuft, aber leicht in Richtung der Rotorwicklungen 9 geneigt ist.

Die Düse 20 ist am Gehäuse der elektrischen Maschine befestigt ist, so dass die Düse 20 fest mit dem Stator der elektrischen Maschine verbunden ist. Die Düse 20 ist auf die Umlenkfläche 12 des Umlenkkörpers 11 gerichtet, so dass sich mit der Düse 20 Kühlmittel auf die Umlenkfläche 11 spritzen lässt.

An der gegenüberliegenden Endplatte ist ein dem Umlenkkörper 11 entsprechender weiterer Umlenkkörper 11 angeordnet, so dass die Rotorwicklungen 9 an beiden Axialseiten des Blechpakets 2 in gleicher Weise gekühlt werden können.

Figur 3 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 erfindungsgemäße Rotor 1 und ein Stator 24 aufgenommen sind, der den Rotor 1 umgibt.

Bezugszeichenliste

1 Rotor

2 Blechpaket

3 Rotorwelle

5 Endplatte

6 Endplatte

7 Endplattenvorsprung

8 Endplattenvorsprung

9 Rotorwicklung

10 Poltrenner

11 Umlenkkörper

12 Umlenkfläche

15 Führungselement

16 Rippe

17 Zwischenraum

18 innerer Abschnitt

19 äußerer Abschnitt

20 Düse

21 Fahrzeug

22 elektrische Maschine

23 Gehäuse

24 Stator