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 Öl 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 besser gekühlt werden kann.

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

Der erfindungsgemäße Rotor umfasst ein auf der Rotorwelle angeordnetes, aus gestapelten Elektroblechen gebildetes Blechpaket mit radial nach außen abstehenden Blechpaketvorsprüngen, eine an einer ersten Axialseite des Blechpakets angeordnete erste Endplatte mit radial nach außen abstehenden Endplattenvorsprüngen, eine an einer gegenüberliegenden zweiten Axialseite des Blechpakets angeordnete zweite Endplatte mit radial nach außen abstehenden Endplattenvorsprüngen, mehrere Rotorwicklungen, die jeweils um einen Endplattenvorsprung der ersten Endplatte, einen axial gegenüberliegenden Endplattenvorsprung der zweiten Endplatte und einen sich zwischen den beiden Endplattenvorsprüngen axial erstreckenden Blechpaketvorsprung gewunden sind, eine topfförmige erste Endkappe, welche die erste Endplatte axial abdeckt, eine topfförmige zweite Endkappe, welche die zweite Endplatte axial abdeckt, und einen zwischen zwei benachbarten Rotorwicklungen von der ersten Endkappe bis zu der zweiten Endkappe axial verlaufenden rohrförmigen Kühlkanal für ein Kühlmittel.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass eine verbesserte Kühlung erzielt werden kann, indem das Kühlmittel den Rotorwicklungen über einen axial verlaufenden (axialen) rohrförmigen Kühlkanal zugeführt wird. Das Kühlmittel strömt in Axialrichtung an den Rotorwicklungen entlang und führt die beim Betrieb des Rotors entstehende Wärme ab. Im Vergleich zu einem herkömmlichen Rotor, bei dem lediglich Öl auf die Axialseiten gesprüht wird, kann der erfindungsgemäße Rotor wesentlich besser und homogener gekühlt werden. Ein weiterer Vorteil des Kühlkanals besteht in der Erhöhung der Stabilität des Rotors, denn der Kühlkanal bewirkt eine mechanische Verstärkung. Das ermöglicht einen störungsfreien Betrieb der elektrischen Maschine insbesondere bei hohen Drehzahlen.

Bei der elektrischen Maschine kann es sich zum Beispiel um einen elektrisch erregten Synchronmotor (EESM) handeln. Die Endplattenvorsprünge einer Endplatte, welche auch als „Plattenfortsätze“ bezeichnet werden, können entlang des Umfanges der Endplatte angeordnet sein. Sie dienen unter anderem zum Halten der Rotorwicklungen in einer bestimmten Position. Die Blechpaketvorsprünge des Blechpakets werden auch als „Zähne“ bezeichnet.

Bei dem erfindungsgemäßen Rotor kann es vorgesehen sein, dass ein erstes axiales Ende des Kühlkanals in einer Öffnung der ersten Endkappe angeordnet ist und/oder ein gegenüberliegendes zweites axiales Ende des Kühlkanals in einer Öffnung der zweiten Endkappe angeordnet ist. Dadurch kann Kühlmittel von axial außerhalb der Endkappen in den Kühlkanal gelangen. Dazu handelt es sich bei den Öffnungen insbesondere um Durchgangsöffnungen beziehungsweise Löcher der Endkappen.

Bei dem erfindungsgemäßen Rotor wird es bevorzugt, dass der Kühlkanal in die Endkappen eingepresst ist. Eine zusätzliche Befestigung des Kühlkanals ist dann nicht erforderlich. Durch das Einpressen wird die Herstellung des Rotors vereinfacht und der Kühlkanal wird stabil in dem Rotor fixiert.

Vorzugsweise weist das erste axiale Ende des Kühlkanals einen Einlass für Kühlmittel auf und das zweite axiale Ende des Kühlkanals weist einen Auslass für Kühlmittel auf. Dadurch kann dem Kühlkanal am ersten Ende Kühlmittel zugeführt werden und am zweiten Ende vom Kühlkanal abgeführt werden.

Dementsprechend wird der Kühlkanal auf seiner gesamten axialen Länge von dem Kühlmittel durchströmt, wodurch die gewünschte homogene Kühlung erreicht wird. Die Strömungsrichtung kann beliebig gewählt werden, das heißt Einlass und Auslass können vertauscht werden. Der Einlass und der Auslass können jeweils axial oder radial an dem Kühlkanal angeordnet sein.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass der Kühlkanal in einer Vergussmasse eingebettet ist. Dazu kann der Zwischenraum zwischen den beiden benachbarten Rotorwicklungen, in dem der Kühlkanal verläuft, mit der Vergussmasse vergossen sein. Insbesondere können auch die Rotorwicklungen mit der Vergussmasse vergossen sein, so dass Bewegungen oder Verschiebungen der Rotorwicklungen auch bei hohen Drehzahlen unterbunden werden. Mit der Vergussmasse werden außerdem die Wärmeabführung von den Rotorwicklungen verbessert und die Stabilität des Rotors weiter erhöht.

Bei dem erfindungsgemäßen Rotor wird es bevorzugt, dass er mehrere Poltrenner aufweist, die jeweils zwischen zwei benachbarten Blechpaketvorsprüngen des Blechpakets angeordnet sind. Ein solcher Poltrenner kann sich in Axialrichtung zwischen den beiden gegenüberliegenden Axialseiten des Blechpakets erstrecken. Die Poltrenner erhöhen die Stabilität des Rotors und vereinfachen das Vergießen der Zwischenräume zwischen benachbarten Rotorwicklungen mit Vergussmasse.

Der Kühlkanal des erfindungsgemäßen Rotors kann unter anderem aus einer Stahllegierung, einer Aluminiumlegierung oder einem Kunststoffmaterial hergestellt sein.

Anstelle nur eines axialen rohrförmigen Kühlkanals, der zwischen zwei benachbarten Rotorwicklungen von der ersten Endkappe bis zu der zweiten Endkappe verläuft, kann der erfindungsgemäße Rotor mehrere solche Kühlkanäle aufweisen. Besonders bevorzugt wird, dass die Anzahl der Kühlkanäle der Polzahl des Rotors entspricht. Allerdings sind auch andere Ausführungen möglich, bei denen die Anzahl der Kühlkanäle kleiner oder größer als die Polzahl des Rotors ist. Insbesondere ist es möglich, nur in jedem zweiten Zwischenraum zwischen zwei benachbarten Rotorwicklungen einen solchen Kühlkanal vorzusehen.

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 einen Einlass des Kühlkanals gerichtet ist. Die Düse kann fest mit dem Stator verbunden sein, beispielsweise indem die Düse an einem Gehäuse der elektrischen Maschine befestigt ist. Mit der Düse kann Kühlmittel in den Kühlkanal gespritzt werden, welches dann den Kühlkanal durchströmt.

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, Anordnen der ersten Endplatte an der ersten Axialseite des Blechpakets, Anordnen der zweiten Endplatte an der zweiten Axialseite des Blechpakets, Winden der Rotorwicklungen jeweils um einen Endplattenvorsprung der ersten Endplatte, einen axial gegenüberliegenden Endplattenvorsprung der zweiten Endplatte und einen sich zwischen den beiden Endplattenvorsprüngen axial erstreckenden Blechpaketvorsprung des Blechpakets, Anordnen von Poltrennern jeweils zwischen zwei benachbarten Blechpaketvorsprüngen des Blechpakets, axiales Abdecken der ersten Endplatte mit der ersten Endkappe, axiales Abdecken der zweiten Endplatte mit der zweiten Endkappe, Anordnen des Kühlkanals zwischen zwei benachbarten Rotorwicklungen, so dass der Kühlkanal von der ersten Endkappe bis zu der zweiten Endkappe axial verläuft, und Vergießen der Rotorwicklungen mit einer Vergussmasse, so dass der Kühlkanal in die Vergussmasse eingebettet wird.

Zum Vergießen kann der Rotor so positioniert werden, dass seine Rotationsachse senkrecht verläuft, und die Vergussmasse kann durch eine Einfüllöffnung in einer Endkappe eingebracht werden, wobei die Endkappe vorzugsweise auch eine Entlüftungsöffnung aufweist.

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 erfindungsgemäßen Rotors,

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

Fig. 3 ein erfindungsgemäßes Fahrzeug mit einer elektrischen Maschine.

Der in Figur 1 in einer geschnittenen Seitenansicht gezeigte 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 4 (siehe Figur 2) auf, die auch als „Zähne“ bezeichnet werden. 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 besitzen jeweils radiale Endplattenvorsprünge 7, 8 (auch „Plattenfortsätze“), um die mehrere Rotorwicklungen 9 gewunden sind. Die Rotorwicklungen 9 bestehen aus lackiertem Kupferdraht. Beide Endplatten 5, 6 weisen jeweils einen Aluminiumkern auf, der mit Kunststoff umspritzt ist. Alternativ dazu könnten die Endplatten auch ganz aus Kunststoff bestehen.

Eine topfförmige erste Endkappe 10 deckt die erste Endplatte 5 ab. Eine topfförmige zweite Endkappe 11 befindet sich an dem entgegengesetzten axialen Ende des Rotors 1 und deckt die zweite Endplatte 6 ab.

Ein axial verlaufender rohrförmiger Kühlkanal 12 für ein Kühlmittel verläuft von der ersten Endkappe 10 bis zur zweiten Endkappe 11 . Der rohrförmige Kühlkanal 12 ist in die Endkappen 10, 11 eingepresst und dadurch kraftschlüssig und formschlüssig fixiert. In der geschnittenen Ansicht von Figur 2 erkennt man, dass insgesamt sechs derartige rohrförmige Kühlkanäle 12 vorhanden sind. Die Anzahl der Kühlkanäle 12 entspricht somit der Anzahl der Pole („Polzahl“) des Rotors 1 .

Jeder Kühlkanal 12 ist in einem Freiraum zwischen zwei benachbarten Rotorwicklungen 9 angeordnet. Ein erstes axiales Ende 13 des Kühlkanals 12 durchsetzt eine Öffnung der ersten Endkappe 10. Ein gegenüberliegendes zweites axiales Ende 14 des Kühlkanals 12 ist in einer Öffnung der zweiten Endkappe 11 angeordnet. Ein Zwischenraum zwischen benachbarten Blechpaketvorsprüngen 4 beziehungsweise deren verbreiterten Enden ist jeweils mit einem Poltrenner 15 abgedeckt, der radial außerhalb der Kühlkanäle 12 angeordnet ist.

Der einen Kühlkanal 12 umgebende Bereich, der radial innen mit dem Blechpaket 2, in Umfangsrichtung mit zwei benachbarten Rotorwicklungen 9 und radial außen mit einem Poltrenner 15 begrenzt wird, ist mit einer Vergussmasse vergossen. Das bewirkt, dass die Rotorwicklungen 9 und der Kühlkanal 12 auch bei hohen Drehzahlen ihre Position beibehalten und von den Rotorwicklungen 9 abgegebenen Wärme besonders gut zum Kühlkanal 12 transportiert wird.

Die Pfeile in Figur 1 geben beispielhaft die Strömungsrichtung des Kühlmittels in dem Rotor 1 an. Bei dem Kühlmittel kann es sich unter anderem um eine Flüssigkeit, ein Gas oder ein Öl handeln. Alle rohrförmigen Kühlkanäle 12 verlaufen gerade und in Axialrichtung. Da die Kühlkanäle 12 an den Rotorwicklungen 9 entlang führen, wird Wärme von den Rotorwicklungen 9 an das in den Kühlkanälen 12 strömende Kühlmittel übertragen und mit dem Kühlmittel abgeführt. Die Rotorwicklungen 9 werden dadurch entlang ihrer gesamten axialen Länge gekühlt.

In Figur 1 ist schematisch eine Düse 16 dargestellt, die fest mit dem Stator (nicht gezeigt) der elektrischen Maschine verbunden ist, beispielsweise indem die Düse 16 am Gehäuse der elektrischen Maschine befestigt ist. Die Düse 16 ist auf einen axialen Einlass 13 des Kühlkanals 12 gerichtet. Beim Betrieb des Elektromotors wird mit der Düse 16 ein Kühlmittel in den Einlass 13 gesprüht. Das Kühlmittel strömt in Axialrichtung durch den Kühlkanal 12 und verlässt diesen durch einen axialen Auslass 14 am entgegengesetzten Ende des Kühlkanals 12, wonach es in einem Kühlmittelsumpf (nicht gezeigt) gesammelt wird. Die Düse 16, der Kühlkanal 12 und der Kühlmittelsumpf gehören zu einem Kühlkreislauf, durch den das Kühlmittel mit einer Kühlmittelpumpe gepumpt wird.

Bei dem Verfahren zur Herstellung des Rotors 1 wird das Blechpaket 2 auf der Rotorwelle 3 angeordnet, anschließend werden die erste Endplatte 5 an der ersten Axialseite des Blechpakets 2 und die zweite Endplatte 6 an der zweiten Axialseite des Blechpakets 2 angeordnet. Die Rotorwicklungen 9 werden jeweils durch Umwickeln eines Endplattenvorsprungs 7 der ersten Endplatte 5, eines axial gegenüberliegenden Endplattenvorsprungs 8 der zweiten Endplatte 6 und eines sich zwischen den beiden Endplattenvorsprüngen 7, 8 axial erstreckenden Blechpaketvorsprungs 4 des Blechpakets 2 mit lackiertem Kupferdraht hergestellt. Anschließend werden die Poltrenner 13 jeweils zwischen zwei benachbarten Blechpaketvorsprüngen 4 des Blechpakets 2 positioniert. Die erste Endplatte 5 wird axial mit der ersten Endkappe 10 abgedeckt und die zweite Endplatte 6 wird axial mit der zweiten Endkappe 11 abgedeckt. Der rohrförmige Kühlkanal 12 wird zwischen zwei benachbarten Rotorwicklungen 9 angeordnet, sodass sich der Kühlkanal 12 von der ersten Endkappe 10 axial bis zur zweiten Endkappe 11 erstreckt. Dazu kann der Kühlkanal 12 in die Endkappen 10, 11 eingepresst werden. Anstelle nur eines Kühlkanals 12 können mehrere derartige Kühlkanäle 12 jeweils genauso zwischen zwei (anderen) benachbarten Rotorwicklungen 9 angeordnet werden.

Bei einem weiteren Verfahrensschritt werden die Rotorwicklungen 9 mit einer Vergussmasse vergossen, so dass die Kühlkanäle 12 in die Vergussmasse eingebettet werden. Dazu wird die Vergussmasse insbesondere in die Zwischenräume zwischen benachbarten Rotorwicklungen 9 eingebracht. Dadurch entsteht ein Formschluss der Vergussmasse mit den Rotorwicklungen 9.

Zum Vergießen kann der Rotor 1 zweckmäßig in eine bezogen auf seine Axialrichtung senkrechte Position gebracht werden. Ferner kann die Vergussmasse durch eine Einfüllöffnung (nicht gezeigt), die in einer der Endkappen ausgebildet ist, in das Rotorinnere eingefüllt beziehungsweise eingebracht werden. Die Endkappe weist vorzugsweise auch eine Entlüftungsöffnung auf, durch die im Rotorinneren befindliche Luft ausströmen kann.

Figur 3 zeigt ein Fahrzeug 17 mit einer elektrischen Maschine 18, die zum Antreiben des Fahrzeugs 17 dient. Die elektrische Maschine 18 weist ein Gehäuse 19 auf, in dem der erfindungsgemäße Rotor 1 und ein Stator 20 aufgenommen sind, der den Rotor 1 umgibt. Bezugszeichenliste

1 Rotor

2 Blechpaket

3 Rotorwelle

4 Blechpaketvorsprung

5 erste Endplatte

6 zweite Endplatte

7 Endplattenvorsprung

8 Endplattenvorsprung

9 Rotorwicklung

10 erste Endkappe

11 zweite Endkappe

12 Kühlkanal

13 Einlass

14 Auslass

15 Poltrenner

16 Düse

17 Fahrzeug

18 elektrische Maschine

19 Gehäuse

20 Stator