Titel

Rotor einer elektrischen Maschine

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Rotor einer elektrischen Maschine nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Es ist schon ein Rotor einer elektrischen Maschine aus der US2003030333A1 bekannt, mit einer um eine Rotorachse drehbaren Rotorwelle, in der ein Wellenkühlkanal verläuft, und mit mehreren entlang einer Umfangsrichtung des Rotors angeordneten Schenkelpolen, zwischen denen Polnuten gebildet sind zur Anordnung von elektrischen Leitern einer Rotorwicklung, wobei die Schenkelpole an den radial äußeren Polenden Polschuhe aufweisen, wobei im Rotor zumindest ein Kühlpfad für ein Kühlmedium ausgebildet ist, der vom Wellenkühlkanal der Rotorwelle über zumindest einen Nutversorgungskanal in eine der Polnuten führt und in axialer Richtung zumindest durch einen Nutabschnitt der Polnut verläuft. Der Kühlpfad verläuft in den Polnuten jeweils innerhalb des Strangs von Leitern, also durch den Hohlraum zwischen den Leitern der jeweiligen Polnut.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Rotor einer elektrischen Maschine mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass die Kühlung der Rotorwicklung verbessert wird, indem in der jeweiligen Polnut eine große Wärmeübertragungsfläche zur direkten Kühlung der Leiter der Polnut bereitgestellt wird. Dies wird erfindungsgemäß erreicht, indem der Kühlpfad innerhalb der jeweiligen Polnut einen in einem Nutaußenbereich liegenden Sammelkanal zum axialen Abführen des Kühlmediums und zumindest einen von einem Nutgrund in radialer Richtung bis in den Sammelkanal führenden radialen Nutpfad umfasst. Die Wärmeübertragungsflächen zur direkten Kühlung der Leiter der jeweiligen Polnut sind sowohl im Sammelkanal als auch im radialen Kühlpfadabschnitt gebildet.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Rotors einer elektrischen Maschine möglich.

Besonders vorteilhaft ist, wenn die Leiter der jeweiligen Polnut mittels eines aushärtbaren Verbundmaterials zu einem Leiterverbund oder zu zwei Leiterverbünden, die insbesondere zwei Spulenseiten zweier Einzelspulen bilden, verbunden sind, wobei der jeweilige Leiterverbund für das Kühlmedium undurchlässig oder quasi-undurchlässig ist, wobei der radiale Nutpfad an zumindest einer Oberfläche des jeweiligen Leiterverbundes entlanggeführt ist. Auf diese Weise wird eine ausreichende Drehzahlfestigkeit der Rotorwicklung erreicht. Außerdem wird ermöglicht, dass die Leiter der jeweiligen Polnut auch einen Nutraum in Umfangsrichtung außerhalb der Polschuhe der beiden Schenkelpole zur Erzielung eines hohen Leiter-Füllfaktors, insbesondere Kupfer- Füllfaktors, ausfüllen können.

Vorteilhaft ist, wenn der zumindest eine radiale Nutpfad der jeweiligen Polnut gebildet ist durch einen Längsspalt zwischen einer Flankenseite eines der Schenkelpole und einer der Flankenseite zugewandten Seite des jeweiligen Leiterverbundes oder durch einen Längsspalt zwischen zwei Leiterverbünden oder durch einen insbesondere nutförmigen Kanal, der im jeweiligen Schenkelpol, insbesondere in einer Isolation des Schenkelpols, ausgeführt ist. Auf diese Weise wird eine große Wärmeübertragungsfläche zur Kühlung des Leiterverbundes der Rotorwicklung erzeugt und somit die Kühlung der Rotorwicklung weiter verbessert.

Weiterhin vorteilhaft ist, wenn in der jeweiligen Polnut zwischen den zwei Leiterverbünden jeweils ein Spalt-Einstellelement zur Einstellung der Spaltmaße der radialen Nutpfade vorgesehen ist, das insbesondere streifenförmig oder stabförmig ausgebildet ist. Auf diese Weise können bezüglich einer einzelnen Polnut die Spaltmaße der radialen Nutpfade derart gleichmäßig eng eingestellt werden, dass das Kühlmedium stromauf der radialen Nutpfade aufgestaut wird und sich in axialer Richtung gleichmäßig auf die radialen Nutpfade verteilt.

Auch vorteilhaft ist, wenn der Kühlpfad innerhalb der jeweiligen Polnut zusätzlich einen am Nutgrund liegenden Verteilerkanal zur axialen Verteilung des Kühlmediums umfasst. Auf diese Weise kann das Kühlmedium in axialer Richtung noch gleichmäßiger auf den zumindest einen radialen Nutpfad der jeweiligen Polnut verteilt werden, so dass eine gleichmäßige Kühlung der Leiterverbünde entlang deren axialen Erstreckung erreicht wird. Zusätzlich werden auch im Verteilerkanal auch Wärmeübertragungsflächen zur direkten Kühlung der Leiter der jeweiligen Polnut bereitgestellt.

Des weiteren vorteilhaft ist, wenn pro Polnut mehrere, Nutversorgungskanäle vorgesehen sind, die in axialer Richtung zueinander beabstandet sind, jeweils in radialer Richtung verlaufen und in den jeweiligen Verteilerkanal münden. Auf diese Weise kann eine gleichmäßige Verteilung des Kühlmediums auf den Verteilerkanal erreicht werden.

Darüber hinaus vorteilhaft ist, wenn der Verteilerkanal der jeweiligen Polnut zumindest eine Ansaugöffnung zum Ansaugen von Gas, vorzugsweise Luft, umfasst, insbesondere an einem oder beiden der stirnseitigen Kanalenden, an dem oder an denen jeweils ein Abdeckelement vorgesehen ist, das die jeweilige Ansaugöffnung aufweist oder teilweise abdeckt. Auf diese Weise wird ein Gas- Kühlflüssigkeits-Gemisch im Kühlpfad erzeugt, so dass die von der Drehzahl des Rotors abhängige Menge an geförderter Kühlflüssigkeit, insbesondere Öl, begrenzt wird.

Vorteilhaft ist, wenn die Polnuten in radialer Richtung mittels von Nutverschlusselementen verschlossen sind, insbesondere im radialen Bereich der Polschuhe, wobei der Sammelkanal der jeweiligen Polnut durch einen Hohlraum zwischen dem Nutverschlusselement und dem zumindest einen Leiterverbund, und der Verteilerkanal der jeweiligen Polnut als Hohlraum zwischen dem Nutgrund und dem zumindest einen Leiterverbund gebildet ist. Auf diese Weise werden der Sammelkanal und der Verteilerkanal ohne Zusatzelemente in der jeweiligen Polnut gebildet. Außerdem vorteilhaft ist, wenn der jeweilige Leiterverbund Leiter umfasst, die in Umfangsrichtung außerhalb der Polschuhe der beiden Schenkelpole der jeweiligen Polnut angeordnet sind. Der jeweilige Leiterverbund reicht also in Umfangsrichtung über den jeweiligen Polschuh des jeweiligen Schenkelpols hinaus. Auf diese Weise wird ein hoher Leiter-Füllfaktor, insbesondere Kupfer- Füllfaktor, in der jeweiligen Polnut erreicht.

Sehr vorteilhaft ist es, wenn der Sammelkanal der jeweiligen Polnut zu zumindest einer Stirnseite des Rotors hin, insbesondere zu beiden Stirnseiten hin, offen ausgebildet ist zum Abführen des Kühlmediums. Auf diese Weise wird im Sammelkanal eine axiale Strömung hin zu dem zumindest einen Auslass des Sammelkanals erreicht.

Weiter vorteilhaft ist, wenn an den beiden Stirnseiten des Rotors jeweils eine Endkappe vorgesehen ist, die jeweils einen Wickelkopf der Rotorwicklung abdeckt und jeweils einen Stirnraum einschließt, in den die Sammelkanäle münden, wobei die Endkappen in einem radial äußeren Bereich, insbesondere am Umfang, jeweils Auslassöffnungen zum Abschleudern des Kühlmediums aufweisen. Auf diese Weise kann zusätzlich noch eine Kühlung der Wickelköpfe des Rotors erreicht werden.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

Fig.1 zeigt im Schnitt eine Teilansicht eines erfindungsgemäßen Rotors einer elektrischen Maschine und

Fig.2 eine Ansicht des Rotors nach Fig.1 im Schnitt entlang einer Linie ll-ll in Fig.1.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Fig.1 zeigt im Schnitt eine Teilansicht eines erfindungsgemäßen Rotors einer elektrischen Maschine. Der erfindungsgemäße Rotor 1 einer elektrischen Maschine, insbesondere einer elektrisch erregten Synchronmaschine, umfasst eine um eine Rotorachse 2 drehbare Rotorwelle 3, in der ein Wellenkühlkanal 4 verläuft, und mehrere entlang einer Umfangsrichtung des Rotors 1 angeordnete Schenkelpole 5, zwischen denen Polnuten 6 gebildet sind zur Anordnung von elektrischen Leitern 7 einer Rotorwicklung 8. Die Schenkelpole 5 weisen an den bezüglich der Rotorachse 2 radial äußeren Polenden Polschuhe 9 auf. Im Rotor 1 ist zumindest ein Kühlpfad 10 für ein Kühlmedium, insbesondere eine Kühlflüssigkeit wie beispielsweise Öl, ausgebildet, der vom Wellenkühlkanal 4 der Rotorwelle 3 über zumindest einen Nutversorgungskanal 11 in eine der Polnuten 6 führt und in axialer Richtung bezüglich der Rotorachse 2 zumindest durch einen Nutabschnitt der Polnut 6 verläuft.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Kühlpfad 10 innerhalb der jeweiligen Polnut 6 einen in einem Nutaußenbereich 6.2 liegenden Sammelkanal 12 zum axialen Abführen des Kühlmediums und zumindest einen von einem Nutgrund 6.1 in radialer Richtung bis in den Sammelkanal 12 führenden radialen Nutpfad 15 umfasst. Der radiale Nutpfad 15 umfasst einen radialen Pfadabschnitt, muss jedoch ausdrücklich nicht ausschließlich radial verlaufen. Der radiale Nutpfad 15 führt zur Kühlung der Leiter 7 an dem in der Polnut 6 liegenden Teil der Rotorwicklung 8 vorbei.

Die Rotorwicklung 8 umfasst nach dem Ausführungsbeispiel mehrere Einzelspulen 18, könnte aber ausdrücklich auch als Wellenwicklung ausgebildet sein. Die Einzelspulen 18 können zusammengesetzte Spulen oder aus einem Spulendraht gewickelte Spulen sein.

Die Leiter 7 der jeweiligen Polnut 6 sind mittels eines aushärtbaren Verbundmaterials 16, beispielsweise mittels eines Imprägnierharzes, zu einem Leiterverbund 17 oder zu zwei Leiterverbünden 17 verbunden. Der jeweilige Leiterverbund 17 ist für das Kühlmedium undurchlässig oder quasiundurchlässig. Der radiale Nutpfad 15 führt dadurch an zumindest einer Oberfläche des jeweiligen Leiterverbundes 17 vorbei.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig.1 umfasst die Rotorwicklung 8 mehrere Einzelspulen 18, wobei pro Polnut 6 zwei Leiterverbünde 17 vorgesehen sind, die zwei Spulenseiten 18.1 zweier Einzelspulen 18 bilden. Die zwei Spulenseiten 18.1 derselben Polnut 6 bilden jeweils zwei voneinander getrennte Wicklungsschichten und umfassen jeweils die Leiter 7 von allen Lagen der jeweiligen Spulenseite 18.1.

Nach dem Ausführungsbeispiel umfasst der jeweilige Leiterverbund 17 eine gesamte ringförmige Einzelspule. Alternativ kann der Leiterverbund 17 auch Teil einer zusammengesetzten Einzelspule sein und daher als Stab ausgeführt sein. Ein derartiger Leiterverbund 17 kann beispielsweise durch ein Pultrusions- oder Gießverfahren hergestellt werden und umfasst stabförmige Leiter, die mittels von separaten, außerhalb der Polnuten 6 liegenden Verbindungsleitern mit Leitern anderer Leiterverbünde 17 zur Bildung der Rotorwicklung 8 verbindbar sind.

Der jeweilige Leiterverbund 17 kann Leiter 7 umfassen, die in Umfangsrichtung gesehen außerhalb der Polschuhe 9 der beiden Schenkelpole 5 der jeweiligen Polnut 6 angeordnet sind.

Der zumindest eine radiale Nutpfad 15 der jeweiligen Polnut 6 kann beispielsweise gebildet sein durch einen sich auch in axialer Richtung erstreckenden Längsspalt zwischen einer Flankenseite 5.1 eines der Schenkelpole 5 und dem jeweiligen Leiterverbund 17 oder durch einen sich auch in axialer Richtung erstreckenden Längsspalt zwischen zwei Leiterverbünden 17 oder durch einen insbesondere nutförmigen Kanal, der im jeweiligen Schenkelpol 5, insbesondere in einer Isolation des Schenkelpols 5, ausgeführt ist.

In der jeweiligen Polnut 6 kann zwischen den zwei Leiterverbünden 17 jeweils ein Spalt-Einstellelement 19 zur Einstellung der Spaltmaße der radialen Nutpfade 15 vorgesehen sein, das insbesondere streifenförmig oder stabförmig ausgebildet ist.

Der Kühlpfad 10 kann innerhalb der jeweiligen Polnut 6 zusätzlich einen am Nutgrund 6.1 liegenden Verteilerkanal 20 zur axialen Verteilung des Kühlmediums umfassen.

Die Polnuten 6 sind in radialer Richtung bezüglich der Rotorachse 2 mittels von Nutverschlusselementen 24 verschlossen, insbesondere im radialen Bereich der Polschuhe 9. Der Sammelkanal 12 der jeweiligen Polnut 6 ist beispielsweise jeweils durch einen kanalförmigen Hohlraum zwischen dem jeweiligen Nutverschlusselement 24 und dem zumindest einen Leiterverbund 17 der jeweiligen Polnut 6 gebildet. Auch der Verteilerkanal 20 der jeweiligen Polnut 6 kann beispielsweise jeweils als kanalförmiger Hohlraum gebildet sein, und zwar zwischen dem jeweiligen Nutgrund 6.1 und dem zumindest einen Leiterverbund 17.

Die Schenkelpole 5 sind nach dem Ausführungsbeispiel separate Blechpakete, die zur Bildung des Rotors 1 in einem Polträger, insbesondere der Rotorwelle 3, verankert sind. Alternativ können die Schenkelpole 5 auch Teil eines Rotorblechpaketes sein.

Fig.2 zeigt eine Ansicht des Rotors nach Fig.1 im Schnitt entlang einer Linie ll-ll in Fig.1.

Pro Polnut 6 können mehrere Nutversorgungskanäle 11 vorgesehen sein, die in axialer Richtung bezüglich der Rotorachse 2 zueinander beabstandet sind, jeweils in radialer Richtung bezüglich der Rotorachse 2 verlaufen und in den jeweiligen Verteilerkanal 20 münden.

Der Verteilerkanal 20 der jeweiligen Polnut 6 kann zumindest eine Ansaugöffnung 21 zum Ansaugen von Gas, vorzugsweise Luft, umfassen, die insbesondere zumindest an einem, beispielsweise beiden, der stirnseitigen Kanalenden 20e ausgeführt ist. Beispielsweise kann an dem jeweiligen Kanalende 20e ein Abdeckelement 22 angeordnet sein, das die jeweilige Ansaugöffnung 21 aufweist oder teilweise abdeckt.

Der Sammelkanal 12 der jeweiligen Polnut 6 ist zu zumindest einer Stirnseite des Rotors 1 hin, nach dem Ausführungsbeispiel zu beiden Stirnseiten hin, offen ausgebildet zum Abführen des Kühlmediums. An den beiden Stirnseiten des Rotors 1 ist beispielsweise jeweils eine Endkappe 25 vorgesehen, die jeweils einen Wickelkopf 8.1 der Rotorwicklung 8 abdeckt und jeweils einen Stirnraum 26 einschließt, in den die Sammelkanäle 12 münden.

Die Ansaugöffnungen 21 münden beispielsweise ebenfalls in einen der beiden Stirnräume 26. Die Endkappen 25 können zur Bildung zumindest eines Luftansaugpfades 27 weitere Ansaugöffnungen 28 umfassen, die beispielsweise radial innerhalb der Ansaugöffnungen 21 angeordnet sind.

Die Endkappen 25 weisen in einem radial äußeren Bereich, insbesondere am Umfang, jeweils Auslassöffnungen 23 auf zum Abschleudern des Kühlmediums aus dem jeweiligen Stirnraum 26.