WO2025124788A1 - Rotor for an electric machine, method for manufacturing a rotor, and electric machine - Google Patents
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Definitions
- Rotor for an electrical machine Method for producing a rotor and electrical machine
- the invention relates to a rotor according to the preamble of claim 1.
- the invention relates in particular to a method for producing a rotor and, further in particular, to an electrical machine having such a rotor.
- a rotor for an electrical machine of the type mentioned above is described in EP 2 985 885 A1.
- the known rotor has a cooling device with cooling tubes through which coolant flows for cooling longitudinal sections of a rotor winding.
- the challenge with the present cooling concept is to securely mount the cooling tubes on the rotor against the loads that occur during operation.
- cooling pipes can be moved, for example, by means of Internal high-pressure forming can be mechanically fixed at least in sections in a force-locking and/or form-locking manner to longitudinal winding sections of a rotor winding of the rotor.
- a rotor for an electrical machine which comprises a rotor body defining a center of rotation, a rotor winding, and a cooling device.
- the rotor body has a rotor shaft aligned coaxially with the center of rotation and a laminated core arranged on the rotor shaft in a rotationally fixed manner and having a plurality of pole arms projecting radially away from the center of rotation.
- the pole arms are adjacent to one another in a circumferential direction around the center of rotation and define longitudinal grooves between them in the circumferential direction, which extend completely axially through said laminated core.
- the cooling device comprises cooling tubes through which coolant can flow, which are designed to cool the winding longitudinal sections. It can be provided that each longitudinal slot is assigned a cooling tube, so that the number of cooling tubes corresponds to the number of longitudinal slots. It is essential that the cooling tubes are arranged within the longitudinal slots between circumferentially adjacent longitudinal winding sections and are arranged at least in sections following the contour, in particular without gaps, on these longitudinal winding sections, so that the cooling tubes are fixed to the longitudinal winding sections in a force-fitting and/or form-fitting connection.
- the cooling tubes are thus fixed in place to the longitudinal sections of the rotor winding.
- the resulting force-locking and/or positive connection between the cooling tubes and the longitudinal sections of the winding results in a mechanically highly resilient arrangement that can withstand even the high loads that occur during normal operation of the rotor, in particular circumferential and radial accelerations.
- auxiliary materials such as adhesives and/or thermally conductive materials, in particular thermal pastes, can be completely dispensed with, making the assembly of the proposed rotor more cost-effective and less complex in terms of process technology compared to known rotors. This provides a significant economic advantage, particularly in the industrial production of electrical machines equipped with such a rotor.
- cooling tubes on the longitudinal winding sections and the simultaneous absence of auxiliary materials also ensures that a heat path through a wall of the cooling tubes is relatively short, thereby improving the transfer of thermal energy from the longitudinal winding sections to a coolant flowing through the cooling tubes.
- cooling tubes are arranged "contour-following on these winding longitudinal sections" in particular to mean that the cooling tubes are designed in such a way that they are supported on the winding longitudinal sections without gaps. Accordingly, the outer surfaces of the cooling tubes can be directly connected to the windings of the rotor winding.
- the cooling tubes can preferably be machined in such a way that they follow a surface contour of the winding longitudinal sections without a gap, whereby the cooling tubes, so to speak, mold the surface contour of the winding longitudinal sections and, at least in some areas, have a toothing contour as mentioned below.
- cooling tubes are "accommodated within the longitudinal grooves between circumferentially adjacent longitudinal winding sections"
- the cooling tubes are arranged entirely or at least partially within the longitudinal grooves. Cooling tubes arranged entirely within the longitudinal grooves expediently do not protrude upwards through the longitudinal openings of the longitudinal grooves to the surroundings. Furthermore, cooling tubes arranged at least partially within the longitudinal grooves expediently protrude upwards through the longitudinal openings of the longitudinal grooves to the surroundings.
- the said coolant can conveniently be realized by a cooling liquid.
- the said laminated core is expediently made of a plurality of laminated elements made of a ferromagnetic material stacked on top of one another in the direction of the rotational center axis.
- the cooling tubes are arranged by means of internal high-pressure forming, at least in sections, contour-following, in particular gap-free, on the longitudinal winding sections.
- the cooling tubes can have a wall thickness of less than or equal to 1 mm, at least in sections.
- Internal high-pressure forming processes are relatively easy to master from a process engineering perspective. Cooling tubes can be installed cost-effectively and without the use of environmentally hazardous substances, following the contours of the windings.
- the relatively thin wall thickness of the cooling tubes facilitates the transfer of thermal energy between the windings and the coolant flowing through the cooling tubes, as the heat path through the cooling tubes is correspondingly shortened.
- the cooling tubes in particular at least partially gap-free, on the opposing circumferential surfaces of the immediately adjacent pole arms, i.e. the pole arms immediately adjacent in the circumferential direction.
- This can expediently be achieved by arranging the cooling tubes at least partially contour-following, in particular gap-free, on the circumferential surfaces by means of internal high-pressure forming.
- This also provides a force-fitting and/or form-fitting connection between the cooling tubes and the pole arms, so that the cooling tubes are also fixed in place on the rotor body. This has the advantage that the cooling tubes can be even better protected against the loads occurring during normal operation of the rotor, in particular circumferential and radial accelerations.
- the cooling tubes can be even better protected against the loads that occur during normal operation of the rotor, in particular circumferential and radial accelerations.
- the pole arms have pole shoes on the radial outside which project beyond the longitudinal slots and the longitudinal winding sections in the circumferential direction.
- the cooling tubes are arranged at least in sections so as to follow the contour, i.e. in particular at least in sections without a gap, on radially inwardly oriented inner surfaces of the pole shoes.
- the cooling pipes each Have contact surfaces via which the cooling tubes are supported within the longitudinal grooves on the circumferentially adjacent longitudinal winding sections. This creates a surface contact between the longitudinal winding sections and the cooling tubes. Compared to merely point or linear contact, such surface contact enables a relatively efficient transfer of thermal energy between the longitudinal winding sections and a coolant flowing through the cooling tubes.
- the cooling tubes have a toothed contour in the region of the contact surfaces.
- a particularly secure force-locking and/or positive-locking connection can be created between the cooling tubes and the longitudinal winding sections.
- the toothed contour of the cooling tubes can expediently be formed by molding one or more superimposed layers of essentially parallel sections of the electrically conductive conductor of the longitudinal winding sections.
- the contact surfaces are the same size or smaller than a respective longitudinal winding section in a depth direction running transversely with respect to the rotational center axis and in a longitudinal direction running parallel to the rotational center axis and transversely with respect to the depth direction.
- the cooling tubes are either formed over the entire surface of an available longitudinal winding section or only partially on an available surface of a longitudinal winding section. This allows a heat flow during the transfer of thermal energy between the longitudinal winding sections and the cooling tubes to be specifically specified, thus enabling an adjustment of the cooling capacity provided by the cooling device.
- the contact surfaces have a depth surface length in the depth direction and a longitudinal surface length in the longitudinal direction.
- the longitudinal surface length of the contact surfaces corresponds to a longitudinal surface length of a respective longitudinal winding section running in the longitudinal direction.
- the depth surface length of the contact surfaces corresponds to a surface length of a respective longitudinal winding section running in the depth direction.
- the cooling tubes extend completely over the longitudinal winding sections in the depth direction and in the longitudinal direction. The transfer of thermal energy is thus realized with a comparatively large heat flow.
- the depth surface length of the contact surfaces is smaller than a surface length of the respective longitudinal winding section running in the depth direction.
- the pole arms have pole shoes on the radial outside, which project beyond the longitudinal slots and the winding longitudinal sections in the circumferential direction.
- the cooling tubes can be arranged at least in sections in a contour-following manner, i.e. in particular at least in sections without a gap, on radially inwardly oriented inner surfaces of the pole shoes, wherein the depth surface length of the contact surfaces, starting from the pole shoes, amounts to a maximum of 50% of a surface length of the respective winding longitudinal section running in the depth direction.
- the cooling tubes can be arranged in a radially outer half of the rotor body or in a radially outer third of the rotor body.
- the contact surfaces are reduced in size compared to the contact surfaces of the previous embodiment.
- This has the advantage that relatively small, cost-effective cooling tubes can be used to manufacture a rotor.
- the assembly of the smaller cooling tubes can be comparatively simple and the overall weight of the proposed rotor can be reduced.
- the cooling tubes have fins designed to transfer thermal energy and to stiffen the cooling tubes. It is expedient if the cooling tubes each delimit an internal volume and have an inner surface facing the internal volume, wherein the fins are each arranged within an internal volume and on a respective inner surface around which coolant can flow. It can be provided that the inner surface of a cooling tube has surface sections opposite one another in the circumferential direction, on each of which at least one fin, two fins, or several fins are arranged. The fins are designed such that they lie directly opposite one another in pairs in the circumferential direction or such that adjacent fins are radially offset from one another in the circumferential direction.
- the cooling tubes can be stiffened against loads occurring during normal operation of the proposed rotor, in particular circumferential and radial accelerations. This makes it possible, in particular, to avoid undesired deformation of the cooling tubes. Furthermore, the proposed fins increase the surface area of a cooling tube involved in the transfer of thermal energy, resulting in a comparatively efficient transfer of thermal energy. Furthermore, cooling tubes with fins arranged in pairs directly opposite one another in the circumferential direction, as well as cooling tubes in which adjacent fins are radially offset from one another in the circumferential direction, can be provided cost-effectively, for example, in an extrusion process as an extruded profile.
- the cooling pipes where adjacent pipes are located in the direction of travel,
- the fins are radially offset from one another and, in an uninstalled state, are designed so that the fins interlock like a zipper.
- This has the advantage that the cooling tubes, referred to as tube blanks in their uninstalled state, have a relatively narrow tube cross-section. This makes it relatively easy to insert the corresponding tube blanks into the longitudinal grooves of the rotor.
- the cooling tubes can be made of a non-magnetizable metal. This can preferably be an aluminum material or a steel material, more preferably stainless steel. Such cooling tubes can be provided cost-effectively, and the ductile material properties also offer sufficient formability, allowing them to be machined, particularly by internal high-pressure forming.
- cooling tubes it is also possible for the cooling tubes to be realized using cost-effective extruded profiles. It is also conceivable for the rotor shaft to be realized using a hollow rotor shaft.
- a method for producing a rotor in particular the rotor according to the above description, is proposed.
- the proposed method is characterized by the following steps:
- the tube blanks form cooling tubes which, at least in sections, follow the contour, in particular are arranged gap-free on adjacent winding longitudinal sections in the circumferential direction in a force-locking and/or form-locking connection on the winding longitudinal sections.
- an electric machine in particular a traction drive for an electric vehicle, which has a stator and a rotor designed according to the preceding description or a rotor manufactured according to the preceding method.
- the present invention preferably relates to a rotor for an electrical machine, comprising a rotor body equipped with a rotor winding, which has a laminated core with pole arms, wherein adjacent pole arms define longitudinal slots between them, which axially penetrate the laminated core.
- the rotor further comprises a cooling device having cooling tubes which are received within the longitudinal slots between adjacent longitudinal winding sections of the rotor winding and are arranged at least in sections in a contour-following manner, in particular without a gap, on these longitudinal winding sections, so that the cooling tubes are fixed to the longitudinal winding sections in a force-fitting and/or form-fitting connection.
- the invention further expediently relates to a method for producing such a rotor and, in particular, to an electrical machine equipped with such a rotor.
- Fig. 1 shows a sectional view of a section of a rotor for an electrical machine according to a first preferred embodiment
- Fig. 2 shows a sectional view of the rotor from Fig. 1 during its manufacture according to the method for manufacturing a rotor according to the invention
- Fig. 3 shows a sectional view of a section of a rotor for an electrical machine according to a further preferred embodiment
- Fig. 4 shows a sectional view of the rotor from Fig. 3 during its manufacture according to the method according to the invention for producing a Rotors
- Fig. 5 shows a sectional view of a section of a rotor for an electrical machine according to a further preferred embodiment
- Fig. 6 shows a perspective view of a section of a pipe blank in an unassembled state, which can form the cooling pipe of Fig. 5,
- the laminated core 6 consists purely by way of example of a plurality of laminated elements made of a ferromagnetic material, which are not visible in the present figures and are stacked axially one on top of the other in the direction of the rotational center axis 3.
- Two of these longitudinal winding sections 12 of the rotor winding 10 are, as can be seen in Figs. 1 to 5 and 7, received within a longitudinal groove 9 and arranged at least in sections and possibly exclusively on circumferential surfaces 13 of the directly adjacent pole arms 7, which are opposite one another in the circumferential direction 8.
- the winding longitudinal sections 12 of the rotor winding 10 bear, for example, directly against the circumferential surfaces 13 of the pole arms 7 and each extend radially with respect to the center of rotation 3 between one of the said inner surfaces 19 of the pole shoes 18 and a radially outwardly oriented base surface 17 of the rotor body 4, which connect circumferential surfaces 13 of a longitudinal groove 9, which are opposite one another in the circumferential direction 8.
- a respective winding longitudinal section 12 can bear against the inner surface 19 of a pole shoe 18 and/or a base surface 17 of the rotor body 4.
- the rotor 1 In order to prevent the risk of overheating of the rotor 1 during normal operation, which could in particular lead to thermal failure of the aforementioned insulation coating of the electrically conductive conductor 37 and a failure of the electrical machine 2, provision is made for the rotor 1 to be equipped with a cooling device 14, which has cooling tubes 15 through which coolant can flow for cooling the longitudinal winding sections 12.
- the cooling tubes 15 are here made of a non-magnetizable, formable metal, preferably an aluminum material or a steel material, in particular stainless steel, and are furthermore designed to be formed by means of internal high-pressure forming. In Figs. 1 to 5 and 7, it can be seen that the cooling tubes 15 are accommodated within the longitudinal grooves 9 between longitudinal winding sections 12 adjacent in the circumferential direction 8.
- cooling tubes 15 are each supported on the longitudinal winding sections 12 via contact surfaces 21. This provides a planar contact between the longitudinal winding sections 12 and the cooling tubes 15, which, compared to a point or linear contact point, allows for a relatively efficient transfer of thermal energy between the longitudinal winding sections 12 and a coolant flowing through the cooling tubes 15.
- the contact surfaces 21 are designed to be the same size as a respective longitudinal winding section 12 in a depth direction 23 running transversely with respect to the center axis of rotation 3 and in a longitudinal direction 24 running parallel with respect to the center axis of rotation 3 and transversely with respect to the depth direction 23. Accordingly, the contact surfaces 21 have a depth surface length 25 in the depth direction 23 and a longitudinal surface length (not illustrated in the figures) in the longitudinal direction 24.
- the longitudinal surface length is identical to a longitudinal surface length of a respective longitudinal winding section 12 running in the longitudinal direction 24.
- the depth surface length 25 is identical to a surface length 29 of a respective longitudinal winding section 12 running in the depth direction 23.
- Fig. 2 shows a sectional view of the rotor 1 from Fig. 1 during manufacture, i.e. in an unassembled state.
- the above-described rotor body 4 is provided with the rotor winding 10 attached thereto.
- tube blanks 35 are inserted radially through longitudinal openings of the longitudinal grooves 9 into the longitudinal grooves 9, so that the tube blanks 35 are received within the longitudinal grooves 9 between longitudinal winding sections 12 of the rotor winding 10 that are adjacent in the circumferential direction 8.
- the tube blanks 35 can already be supported on the longitudinal winding sections 12 of the rotor winding 10 in a point-like or linear manner.
- the tube blanks 35 are arranged by means of internal high-pressure forming, at least in sections following the contour, in particular without gaps, on winding longitudinal sections 12 adjacent in the circumferential direction 8, so that between the tube blanks 35 then referred to as cooling tubes 15 and the winding longitudinal sections 12 a force-fitting and/or form-fitting connection 16, in particular a Toothing contour 22.
- the tube blank 35 shown in Fig. 2 has a tube cross-section that is approximately in the shape of a figure eight. This allows the tube blank 35 to be inserted relatively easily through the longitudinal opening of the longitudinal groove 9 into the longitudinal groove 9 and, if necessary, guided to the base surface 17 of the rotor body 4.
- the tube blanks 35 can be realized, for example, using a cost-effectively available extruded profile.
- the cooling tubes 15 bear neither against the circumferential surfaces 13 of the pole arms 7, which are opposite in the circumferential direction 8, nor against the base surfaces 17 of the rotor body 4.
- the cooling tubes 15 are arranged in a radially outer half of the rotor body 4 or in a radially outer third of the rotor body 4.
- the contact surfaces 21 of the cooling tubes 15 are relatively small compared to the contact surfaces 21 of the previously described cooling tubes 15 of the previous embodiment. This has the advantage that the present cooling tubes 15 are relatively small and lightweight, which, for example, can simplify their assembly.
- Fig. 4 is a sectional view of the device being manufactured, ie in a 3 in its unassembled state.
- the tube blanks 35 have a polygonal tube cross-section, in particular a triangular tube cross-section. This allows the tube blanks 35 to be easily inserted through the longitudinal openings of the longitudinal grooves 9 into the longitudinal grooves 9.
- the tube blank 35 shown can, for example, be a cost-effectively available extruded profile.
- Fig. 5 shows a sectional view of a section of a rotor 1 for an electrical machine 2 according to a further preferred embodiment.
- the illustrated embodiment of the rotor 1 differs from the previous embodiments of the rotor 1 in particular in that the cooling tubes 15 have integral ribs 30, which are designed to transfer thermal energy and to stiffen the cooling tubes 15. It can be seen in Fig. 5 that the cooling tubes 15 each delimit an inner volume 31 and have an inner circumferential surface 32 facing the inner volume 31 and wettable by the coolant.
- the said ribs 30 are arranged within the inner volume 31 on the inner circumferential surface 32, so that they are surrounded by coolant during normal operation of the rotor 1.
- the inner circumferential surface 32 has two planar surface sections 33a, 33b lying opposite one another in the circumferential direction 8.
- two ribs 30 are arranged on each of the first surface portion 33a and the second surface portion 33b, wherein in the present embodiment, these ribs 30 are arranged directly opposite one another in pairs in the circumferential direction 8.
- the cooling tubes 15 can be stiffened against loads occurring during the intended operation of the proposed rotor 1, in particular circumferential and radial accelerations. Undesirable deformations of the cooling tubes 15 can thus be avoided.
- the surface area of a cooling tube 15 involved in the transfer of thermal energy is increased to such an extent that a comparatively efficient transfer of thermal energy can be achieved.
- Fig. 6 shows a perspective view of a section of a tube blank 35 in an unassembled state, which forms a cooling tube 15 from Fig. 5.
- the illustrated tube blank 35 can be realized, for example, by an extruded profile that can be provided inexpensively.
- Fig. 7 shows a sectional view of a section of a rotor 1 for an electrical machine 2 according to a further preferred embodiment.
- the illustrated embodiment of the rotor 1 differs from the embodiment of the rotor 1 according to Fig. 5 in that the ribs 30 arranged on the first surface section 33a are radially offset from one another with respect to the ribs 30 arranged on the second surface section 33b.
- the tubular blanks 35 are therefore relatively compact and have a relatively narrow construction, so that they can be inserted comparatively easily into the longitudinal grooves 9 of the rotor 1.
- Fig. 8 shows a perspective view of a section of the tube blank 35 described in the previous section in an unassembled state, so that it can be seen that the ribs 30 adjacent in the circumferential direction 8 engage with each other like a zipper.
- the tube blank 35 forms the cooling tube from Fig. 7. Furthermore, it is advantageous if the tube blank 35 shown is cost-effectively available extruded profile is realized.
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Abstract
Description
Rotor für eine elektrische Maschine, Verfahren zur Herstellung eines Rotors sowie elektrische Maschine Rotor for an electrical machine, method for producing a rotor and electrical machine
Die Erfindung betrifft einen Rotor gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 . Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors sowie weiter insbesondere eine elektrische Maschine mit einem solchen Rotor. The invention relates to a rotor according to the preamble of claim 1. The invention relates in particular to a method for producing a rotor and, further in particular, to an electrical machine having such a rotor.
Ein Rotor für eine elektrische Maschine der eingangs genannten Art ist in der Schrift EP 2 985 885 A1 beschrieben. Der bekannte Rotor verfügt über eine Kühleinrichtung, die von Kühlmittel durchströmbare Kühlrohre zur Kühlung von Wicklungslängsabschnitten einer Rotorwicklung des Rotors aufweist. Die Herausforderung bei dem vorliegenden Kühlkonzept besteht darin, die Kühlrohre sicher gegen im Betrieb auftretende Belastungen an dem Rotor festzulegen. A rotor for an electrical machine of the type mentioned above is described in EP 2 985 885 A1. The known rotor has a cooling device with cooling tubes through which coolant flows for cooling longitudinal sections of a rotor winding. The challenge with the present cooling concept is to securely mount the cooling tubes on the rotor against the loads that occur during operation.
Die Erfindung hat es sich daher zur Aufgabe gemacht, eine verbesserte oder zumindest eine andere Ausführungsform eines Rotors für eine elektrische Maschine anzugeben. Insbesondere soll der Versuch unternommen werden, die Kühlrohre in einer gegenüber der bekannten Lösung verbesserten Weise an dem Rotor festzu legen. Weiterhin soll ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors sowie weiter insbesondere eine elektrische Maschine mit einem solchen Rotor bereitgestellt werden. The invention therefore aims to provide an improved or at least a different embodiment of a rotor for an electrical machine. In particular, the attempt is made to secure the cooling tubes to the rotor in a manner that is improved compared to the known solution. Furthermore, a method for producing a rotor and, more particularly, an electrical machine with such a rotor are to be provided.
Bei der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe insbesondere durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und der Beschreibung. In the present invention, this object is achieved in particular by the subject matter of the independent claims. Advantageous embodiments are the subject matter of the dependent claims and the description.
Die Erfinder haben erkannt, dass die Kühlrohre sich beispielsweise mittels Innenhochdruckumformen zumindest abschnittsweise kraft- und/oder formschlüssig an Wicklungslängsabschnitten einer Rotorwicklung des Rotors mechanisch festlegen lassen. The inventors have recognized that the cooling pipes can be moved, for example, by means of Internal high-pressure forming can be mechanically fixed at least in sections in a force-locking and/or form-locking manner to longitudinal winding sections of a rotor winding of the rotor.
Hierzu wird ein Rotor für eine elektrische Maschine vorgeschlagen, der einen eine Drehmittenachse definierenden Rotorkörper, eine Rotorwicklung und eine Kühleinrichtung aufweist. Der Rotorkörper besitzt eine koaxial zur Drehmittenachse ausgerichtete Rotorwelle und ein auf der Rotorwelle drehfest angeordnetes Blechpaket mit mehreren von der Drehmittenachse radial wegragenden Polarmen. Dabei sind die Polarme in einer Umfangsrichtung um die Drehmittenachse herum zueinander benachbart und begrenzen in der Umfangsrichtung zwischen sich Längsnuten, die das besagte Blechpaket axial vollständig durchsetzen. Die Längsnuten können beispielsweise in der Form eines zur Drehmittenachse hinzeigenden, V-förmigen Längsschlitzes ausgeführt und/oder nach radial außen über eine Längsöffnung zur Umgebung hin offen sein. Die besagte Rotorwicklung ist bestrombar und aus zumindest einem, in mehreren Windungen um die besagten Polarme geführten elektrisch leitfähigen Leiter hergestellt. Der zumindest eine elektrisch leitfähige Leiter kann eine Isolationsbeschichtung aufweisen, um eine elektrische Fehlkontaktierung zu vermeiden. Die Rotorwicklung weist weiterhin axial, insbesondere parallel zur Drehmittenachse, verlaufende Wicklungslängsabschnitte auf, die innerhalb den Längsnuten zumindest abschnittsweise oder vollflächig und ggf. ausschließlich an einander in der Umfangsrichtung gegenüberliegenden Umfangsflächen von benachbarten Polarmen angeordnet sind. Die besagte Kühleinrichtung besitzt von Kühlmittel durchströmbare Kühlrohre, die zur Kühlung der Wicklungslängsabschnitte eingerichtet sind. Es kann vorgesehen sein, dass jeder Längsnut ein Kühlrohr zugeordnet ist, sodass die Anzahl der Kühlrohre der Anzahl der Längsnuten entspricht. Wesentlich ist, dass die Kühlrohre innerhalb den Längsnuten zwischen in der Umfangsrichtung benachbarten Wicklungslängsabschnitten aufgenommen und zumindest abschnittsweise konturfolgend, insbesondere spaltfrei, an diesen Wicklungslängsabschnitten angeordnet sind, sodass die Kühlrohre in einer kraft- und/oder formschlüssigen Verbindung an den Wicklungslängsabschnitten festgelegt sind. For this purpose, a rotor for an electrical machine is proposed, which comprises a rotor body defining a center of rotation, a rotor winding, and a cooling device. The rotor body has a rotor shaft aligned coaxially with the center of rotation and a laminated core arranged on the rotor shaft in a rotationally fixed manner and having a plurality of pole arms projecting radially away from the center of rotation. The pole arms are adjacent to one another in a circumferential direction around the center of rotation and define longitudinal grooves between them in the circumferential direction, which extend completely axially through said laminated core. The longitudinal grooves can, for example, be designed in the form of a V-shaped longitudinal slot pointing towards the center of rotation and/or be open radially outwards to the environment via a longitudinal opening. Said rotor winding can be energized and is made of at least one electrically conductive conductor guided in several turns around said pole arms. The at least one electrically conductive conductor can have an insulating coating to prevent incorrect electrical contact. The rotor winding further comprises axially extending winding sections, in particular parallel to the rotational center axis, which are arranged within the longitudinal slots at least in sections or over their entire surface and optionally exclusively on circumferential surfaces of adjacent pole arms that are opposite one another in the circumferential direction. The cooling device comprises cooling tubes through which coolant can flow, which are designed to cool the winding longitudinal sections. It can be provided that each longitudinal slot is assigned a cooling tube, so that the number of cooling tubes corresponds to the number of longitudinal slots. It is essential that the cooling tubes are arranged within the longitudinal slots between circumferentially adjacent longitudinal winding sections and are arranged at least in sections following the contour, in particular without gaps, on these longitudinal winding sections, so that the cooling tubes are fixed to the longitudinal winding sections in a force-fitting and/or form-fitting connection.
Die Kühlrohre sind dadurch an den Wicklungslängsabschnitten der Rotorwicklung ortsfest festgelegt. Dabei ergibt sich aufgrund der erzeugten kraft- und/oder formschlüssigen Verbindung zwischen den Kühlrohren und den Wicklungslängsabschnitten eine mechanisch hochbelastbare Anordnung, die selbst hohen, im bestimmungsgemäßen Betrieb des Rotors auftretenden Belastungen, insbesondere Umfangs- und Radialbeschleunigungen, widerstehen kann. Weiterhin kann auf Hilfsstoffe, wie beispielsweise Klebstoffe und/oder Wärmeleitmittel, insbesondere Wärmeleitpasten, gänzlich verzichtet werden, wodurch die Montage des vorgeschlagenen Rotors im Vergleich mit bekannten Rotoren kostengünstiger und verfahrenstechnisch weniger komplex ausführbar ist, was insbesondere bei der industriellen Produktion von mit einem solchen Rotor ausgerüsteten elektrischen Maschinen einen signifikanten wirtschaftlichen Vorteil verschafft. Durch die konturfolgende, d.h. spaltfreie, Anordnung der Kühlrohre an den Wicklungslängsabschnitten und das gleichzeitige Fehlen von Hilfsstoffen wird außerdem erreicht, dass ein Wärmepfad durch eine Wandung der Kühlrohre relativ kurz ist, wodurch die Übertragung von Wärmeenergie von den Wicklungslängsabschnitten auf ein durch die Kühlrohre strömendes Kühlmittel verbessert wird. The cooling tubes are thus fixed in place to the longitudinal sections of the rotor winding. The resulting force-locking and/or positive connection between the cooling tubes and the longitudinal sections of the winding results in a mechanically highly resilient arrangement that can withstand even the high loads that occur during normal operation of the rotor, in particular circumferential and radial accelerations. Furthermore, auxiliary materials such as adhesives and/or thermally conductive materials, in particular thermal pastes, can be completely dispensed with, making the assembly of the proposed rotor more cost-effective and less complex in terms of process technology compared to known rotors. This provides a significant economic advantage, particularly in the industrial production of electrical machines equipped with such a rotor. The contour-following, i.e. gap-free, arrangement of the cooling tubes on the longitudinal winding sections and the simultaneous absence of auxiliary materials also ensures that a heat path through a wall of the cooling tubes is relatively short, thereby improving the transfer of thermal energy from the longitudinal winding sections to a coolant flowing through the cooling tubes.
Dass die Kühlrohre „konturfolgend an diesen Wicklungslängsabschnitten“ angeordnet sind, wird in der vorliegenden Erfindung insbesondere dahingehend verstanden, dass die Kühlrohre so gearbeitet sind, dass sie sich an den Wicklungslängsabschnitten spaltfrei abstützen. Dementsprechend können Außenmantelflächen der Kühlrohre direkt an den Windungen der Rotorwicklung anliegen. Dabei können die Kühlrohre bevorzugt so gearbeitet sein, dass sie einer Oberflächenkontur der Wicklungslängsabschnitte spaltfrei folgen, wodurch die Kühlrohre die Oberflächenkontur der Wicklungslängsabschnitte sozusagen abformen und zumindest bereichsweise eine nachfolgend noch erwähnte Verzahnungskontur besitzen. The fact that the cooling tubes are arranged "contour-following on these winding longitudinal sections" is understood in the present invention in particular to mean that the cooling tubes are designed in such a way that they are supported on the winding longitudinal sections without gaps. Accordingly, the outer surfaces of the cooling tubes can be directly connected to the windings of the rotor winding. The cooling tubes can preferably be machined in such a way that they follow a surface contour of the winding longitudinal sections without a gap, whereby the cooling tubes, so to speak, mold the surface contour of the winding longitudinal sections and, at least in some areas, have a toothing contour as mentioned below.
Dass die Kühlrohre „innerhalb den Längsnuten zwischen in der Umfangsrichtung benachbarten Wicklungslängsabschnitten aufgenommen“ sind, ist im Sinne der vorliegenden Erfindung insbesondere dahingehend zu verstehen, dass die Kühlrohre vollständig oder zumindest abschnittsweise innerhalb der Längsnuten angeordnet sind. Zweckmäßigerweise ragen vollständig in den Längsnuten angeordnete Kühlrohre nicht durch die Längsöffnungen der Längsnuten zur Umgebung empor. Weiter zweckmäßigerweise ragen zumindest abschnittsweise innerhalb der Längsnuten angeordnete Kühlrohre zumindest abschnittsweise durch die Längsöffnungen der Längsnuten zur Umgebung empor. The fact that the cooling tubes are "accommodated within the longitudinal grooves between circumferentially adjacent longitudinal winding sections" is to be understood, in the context of the present invention, in particular to mean that the cooling tubes are arranged entirely or at least partially within the longitudinal grooves. Cooling tubes arranged entirely within the longitudinal grooves expediently do not protrude upwards through the longitudinal openings of the longitudinal grooves to the surroundings. Furthermore, cooling tubes arranged at least partially within the longitudinal grooves expediently protrude upwards through the longitudinal openings of the longitudinal grooves to the surroundings.
Das besagte Kühlmittel kann zweckmäßigerweise durch eine Kühlflüssigkeit realisiert sein. The said coolant can conveniently be realized by a cooling liquid.
Das besagte Blechpaket ist zweckmäßigerweise aus einer Mehrzahl von in Richtung der Drehmittenachse aufeinandergestapelten Blechelementen aus einem ferromagnetischen Material hergestellt. The said laminated core is expediently made of a plurality of laminated elements made of a ferromagnetic material stacked on top of one another in the direction of the rotational center axis.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Kühlrohre mittels Innenhochdruckumformen zumindest abschnittsweise konturfolgend, insbesondere spaltfrei, an die Wicklungslängsabschnitte angeordnet sind. Dabei können die Kühlrohre zumindest abschnittsweise eine Wandstärke von kleiner gleich 1 mm besitzen. Innenhochdruckumformverfahren sind aus verfahrenstechnischer Sicht relativ einfach zu beherrschen. Dabei lassen sich die Kühlrohre kostengünstig und ohne den Einsatz von umweltgefährdenden Stoffen konturfolgend an die Wicklungslängsabschnitte anlegen. Weiterhin wird durch die relativ kleine Wandstärke der Kühlrohre die Übertragbarkeit von Wärmeenergie zwischen den Wicklungslängsabschnitten und einem durch die Kühlrohre strömenden Kühlmittel begünstigt, da ein Wärmepfad durch die Kühlrohre entsprechende verkürzt ist. In particular, it can be provided that the cooling tubes are arranged by means of internal high-pressure forming, at least in sections, contour-following, in particular gap-free, on the longitudinal winding sections. The cooling tubes can have a wall thickness of less than or equal to 1 mm, at least in sections. Internal high-pressure forming processes are relatively easy to master from a process engineering perspective. Cooling tubes can be installed cost-effectively and without the use of environmentally hazardous substances, following the contours of the windings. Furthermore, the relatively thin wall thickness of the cooling tubes facilitates the transfer of thermal energy between the windings and the coolant flowing through the cooling tubes, as the heat path through the cooling tubes is correspondingly shortened.
Weiterhin kann die Rotorwicklung an einander axial gegenüberliegenden Axialstirnflächen der Polarme Wickelköpfe ausbilden, an welche sich die Wicklungslängsabschnitte der Rotorwicklung axial anschließen. Es ist denkbar, dass die vorgeschlagenen Kühlrohre auch zumindest abschnittsweise an den Wickelköpfen der Rotorwicklung konturfolgend, insbesondere spaltfrei, angeordnet sind. Dies kann zweckmäßigerweise dadurch realisiert sein, indem die Kühlrohre mittels Innenhochdruckumformen zumindest abschnittsweise konturfolgend, insbesondere spaltfrei, an die Wickelköpfe angeordnet sind. Dadurch sind die Kühlrohre an die Wickelköpfe angelegt, sodass auch dort eine Kühlung realisiert werden kann. Furthermore, the rotor winding can form winding heads on axially opposite axial end faces of the pole arms, to which the longitudinal winding sections of the rotor winding are axially connected. It is conceivable that the proposed cooling tubes are also arranged at least in sections on the winding heads of the rotor winding, following the contours, in particular without gaps. This can be expediently achieved by arranging the cooling tubes at least in sections on the winding heads, following the contours, in particular without gaps, by means of internal high-pressure forming. The cooling tubes are thus positioned against the winding heads, so that cooling can also be achieved there.
Beim Herstellen der Rotorwicklung können zwischen den Windungen der Rotorwicklung und/oder zwischen den Windungen der Rotorwicklung und den Polarmen Hohlräume gebildet werden. Es kann vorgesehen sein, dass diese Hohlräume zwischen den Windungen der Rotorwicklung und/oder zwischen den Windungen der Rotorwicklung und den Polarmen mit einer Vergussmasse verfällt sind. Dabei kann die eingesetzte Vergussmasse mit einer vorgegebenen Wärmeleitfähigkeit ausgestattet sein, sodass anhand der Vergussmasse die Effizient der Übertragung von Wärmeenergie von der Rotorwicklung auf das durch die Kühlrohre strömende Kühlmittel verbessert wird. Außerdem kann die Vergussmasse beschaffen sein, elektrisch isolierend zu wirken. Die Vergussmasse kann beispielsweise ein Harzwerkstoff sein. Zweckmäßigerweise kann vorgesehen sein, dass die Kühlrohre weiterhin zumindest abschnittsweise konturfolgend, d.h. insbesondere zumindest abschnittsweise spaltfrei, an die einander gegenüberliegenden Umfangsflächen der unmittelbar benachbarten Polarme, d.h. die in der Umfangsrichtung unmittelbar benachbarten Polarme, angeordnet sind. Dies kann zweckmäßigerweise dadurch realisiert sein, indem die Kühlrohre mittels Innenhochdruckumformen zumindest abschnittsweise konturfolgend, insbesondere spaltfrei, an die Umfangsflächen angeordnet sind. Dadurch ist auch zwischen den Kühlrohren und den Polarmen eine kraft- und/oder formschlüssige Verbindung bereitgestellt, sodass die Kühlrohre auch am Rotorkörper ortsfest festgelegt sind. Das hat den Vorteil, dass die Kühlrohre noch besser gegen die im bestimmungsgemäßen Betrieb des Rotors auftretenden Belastungen, insbesondere Umfangs- und Radialbeschleunigungen, gesichert werden können. During the manufacture of the rotor winding, cavities can be formed between the turns of the rotor winding and/or between the turns of the rotor winding and the pole arms. These cavities between the turns of the rotor winding and/or between the turns of the rotor winding and the pole arms can be filled with a potting compound. The potting compound used can have a predetermined thermal conductivity so that the potting compound improves the efficiency of the transfer of thermal energy from the rotor winding to the coolant flowing through the cooling tubes. In addition, the potting compound can be designed to have an electrically insulating effect. The potting compound can be a resin material, for example. It can expediently be provided that the cooling tubes are further arranged at least partially contour-following, i.e. in particular at least partially gap-free, on the opposing circumferential surfaces of the immediately adjacent pole arms, i.e. the pole arms immediately adjacent in the circumferential direction. This can expediently be achieved by arranging the cooling tubes at least partially contour-following, in particular gap-free, on the circumferential surfaces by means of internal high-pressure forming. This also provides a force-fitting and/or form-fitting connection between the cooling tubes and the pole arms, so that the cooling tubes are also fixed in place on the rotor body. This has the advantage that the cooling tubes can be even better protected against the loads occurring during normal operation of the rotor, in particular circumferential and radial accelerations.
Weiter zweckmäßigerweise kann vorgesehen sein, dass die Kühlrohre zumindest abschnittsweise konturfolgend, d.h. insbesondere zumindest abschnittsweise spaltfrei, an nach radial außen orientierten Fußflächen des Rotorkörpers angelegt sind. Dies kann zweckmäßigerweise dadurch realisiert sein, indem die Kühlrohre mittels Innenhochdruckumformen zumindest abschnittsweise konturfolgend, insbesondere spaltfrei, an die Fußflächen angeordnet sind. Dabei sind die Fußflächen des Rotorkörpers zweckmäßigerweise so gestaltet, dass sie die einander gegenüberliegenden Umfangsflächen von in der Umfangsrichtung unmittelbar benachbarten Polarmen miteinander verbinden. Dadurch sind die Kühlrohre in einer kraft- und/oder formschlüssigen Verbindung an den Fußflächen des Rotorkörpers ortsfest festgelegt. Aufgrund der zusätzlichen Verbindung können die Kühlrohre noch besser gegen die im bestimmungsgemäßen Betrieb des Rotors auftretende Belastungen, insbesondere Umfangs- und Radialbeschleunigungen, gesichert werden. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Polarme radial außen Polschuhe aufweisen, welche die Längsnuten und die Wicklungslängsabschnitte in der Umfangsrichtung überragen. Um die Kühlrohre noch besser gegen die im bestimmungsgemäßen Betrieb des Rotors auftretende Belastungen, insbesondere Umfangs- und Radialbeschleunigungen, sichern zu können, kann vorgesehen sein, dass die Kühlrohre zumindest abschnittsweise konturfolgend, d.h. insbesondere zumindest abschnittsweise spaltfrei, an nach radial innen orientierten Innenflächen der Polschuhe angeordnet sind. Dies kann zweckmäßigerweise dadurch realisiert sein, indem die Kühlrohre mittels Innenhochdruckumformen zumindest abschnittsweise konturfolgend, insbesondere spaltfrei, an die besagten Innenflächen angelegt sind. Dadurch sind die Kühlrohre in einer kraft- und/oder formschlüssigen Verbindung an den Polschuhen des Rotorkörpers ortsfest festgelegt. Die Polschuhe besitzen dabei nach radial außen orientierte Außenflächen. It can also be expediently provided that the cooling tubes are arranged on radially outward-oriented root surfaces of the rotor body in a manner that follows the contour at least in part, i.e. in particular without a gap at least in part. This can expediently be achieved by arranging the cooling tubes on the root surfaces by means of internal high-pressure forming in a manner that follows the contour at least in part, in particular without a gap. The root surfaces of the rotor body are expediently designed such that they connect the opposing circumferential surfaces of pole arms that are immediately adjacent in the circumferential direction. The cooling tubes are thereby fixed in place on the root surfaces of the rotor body in a force-fitting and/or form-fitting connection. Due to the additional connection, the cooling tubes can be even better protected against the loads that occur during normal operation of the rotor, in particular circumferential and radial accelerations. Furthermore, it can be provided that the pole arms have pole shoes on the radial outside which project beyond the longitudinal slots and the longitudinal winding sections in the circumferential direction. In order to be able to protect the cooling tubes even better against the loads occurring during normal operation of the rotor, in particular circumferential and radial accelerations, it can be provided that the cooling tubes are arranged at least in sections so as to follow the contour, i.e. in particular at least in sections without a gap, on radially inwardly oriented inner surfaces of the pole shoes. This can expediently be achieved in that the cooling tubes are applied to the said inner surfaces by means of internal high pressure forming, at least in sections so as to follow the contour, in particular without a gap. The cooling tubes are thus fixed in place on the pole shoes of the rotor body in a force-fitting and/or form-fitting connection. The pole shoes have outer surfaces oriented radially outwards.
Die Kühlrohre können weiterhin so gearbeitet sein, dass sie jeweils eine nach radial außen orientierte Kopffläche aufweisen. Die Kopfflächen der Kühlrohre können plan oder gewölbt ausgeführt sein. Die Kopfflächen können weiterhin an in der Umfangsrichtung benachbarten Außenflächen von in der Umfangsrichtung unmittelbar benachbarten Polschuhen angeordnet sein und/oder daran anliegen. Ferner können die Kopfflächen die Außenflächen zumindest abschnittsweise radial überragen und/oder die Außenflächen in der Umfangsrichtung zumindest abschnittsweise überlappen. Dadurch werden die vorstehend erwähnten, zur Umgebung hin offenen Längsöffnungen der Längsnuten durch die Kühlrohre fluiddicht abgeschlossen und außerdem die Kühlrohre noch besser an dem Rotorkörper festgelegt. The cooling tubes can furthermore be machined such that they each have a radially outward-oriented head surface. The head surfaces of the cooling tubes can be flat or curved. The head surfaces can furthermore be arranged on and/or bear against outer surfaces of pole pieces that are immediately adjacent in the circumferential direction. Furthermore, the head surfaces can project radially beyond the outer surfaces at least in sections and/or overlap the outer surfaces at least in sections in the circumferential direction. As a result, the aforementioned longitudinal openings of the longitudinal grooves, which are open to the environment, are sealed in a fluid-tight manner by the cooling tubes and, moreover, the cooling tubes are even better secured to the rotor body.
Weiter zweckmäßigerweise kann vorgesehen sein, dass die Kühlrohre jeweils Kontaktflächen aufweisen, über welche die Kühlrohre sich innerhalb den Längsnuten an den in der Umfangsrichtung benachbarten Wicklungslängsabschnitten abstützen. Dadurch ist zwischen den Wicklungslängsabschnitten und den Kühlrohren ein flächiger Kontakt bereitgestellt. Ein solche flächenhafte Kontakte ermöglichen im Vergleich mit einem lediglich punktuellen oder linienartgien Kontakt eine relativ effiziente Übertragung von Wärmeenergie zwischen den Wicklungslängsabschnitten und einem die Kühlrohre durchströmenden Kühlmittel. Furthermore, it can be expediently provided that the cooling pipes each Have contact surfaces via which the cooling tubes are supported within the longitudinal grooves on the circumferentially adjacent longitudinal winding sections. This creates a surface contact between the longitudinal winding sections and the cooling tubes. Compared to merely point or linear contact, such surface contact enables a relatively efficient transfer of thermal energy between the longitudinal winding sections and a coolant flowing through the cooling tubes.
Zweckmäßigerweise kann vorgesehen sein, dass die Kühlrohre im Bereich der Kontaktflächen eine Verzahnungskontur aufweisen. Mittels einer entsprechenden Verzahnungskontur kann eine besonders sichere kraft- und/oder formschlüssigen Verbindung zwischen den Kühlrohren und den Wicklungslängsabschnitten geschaffen werden. Zweckmäßigerweise kann die Verzahnungskontur der Kühlrohre durch Abformen von einer oder mehrere übereinanderliegender Lagen aus zueinander im Wesentlichen parallel verlaufenden Abschnitten des elektrisch leitfähigen Leiters der Wicklungslängsabschnitte gebildet sein. It can be expediently provided that the cooling tubes have a toothed contour in the region of the contact surfaces. By means of a corresponding toothed contour, a particularly secure force-locking and/or positive-locking connection can be created between the cooling tubes and the longitudinal winding sections. The toothed contour of the cooling tubes can expediently be formed by molding one or more superimposed layers of essentially parallel sections of the electrically conductive conductor of the longitudinal winding sections.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Kontaktflächen in einer quer bezüglich der Drehmittenachse verlaufenden Tiefenrichtung sowie in einer parallel bezüglich der Drehmittenachse und quer bezüglich der Tiefenrichtung verlaufenden Längsrichtung gleich groß oder kleiner sind als ein jeweiliger Wicklungslängsabschnitt. Mit anderen Worten sind die Kühlrohre entweder vollflächig an einer verfügbaren Oberfläche eines Wicklungslängsabschnitts oder lediglich abschnittsweise an einer verfügbaren Oberfläche eines Wicklungslängsabschnitts angeformt. Damit kann ein Wärmestrom bei der Übertragung von Wärmeenergie zwischen den Wicklungslängsabschnitten und den Kühlrohren gezielt vorgegeben und damit eine Anpassung der durch die Kühleinrichtung bereitstellbaren Kühlleistung realisiert werden. In diesem Zusammenhang kann vorgesehen sein, dass die Kontaktflächen in der Tiefenrichtung eine Tiefenoberflächenlänge und in der Längsrichtung eine Längsoberflächenlänge aufweisen. Dabei ist vorgesehen, dass die Längsoberflächenlänge der Kontaktflächen einer in der Längsrichtung verlaufenden Längsoberflächenlänge eines jeweiligen Wicklungslängsabschnitts entspricht. Weiterhin ist vorgesehen, dass die Tiefenoberflächenlänge der Kontaktflächen einer in der Tiefenrichtung verlaufenden Oberflächenlänge eines jeweiligen Wicklungslängsabschnitts entspricht. Mit anderen Worten erstrecken sich die Kühlrohre in Tiefenrichtung und in Längsrichtung vollständig über die Wicklungslängsabschnitte. Damit wird die Übertragung von Wärmeenergie mit einem vergleichsweise großen Wärmestrom realisiert. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Tiefenoberflächen länge der Kontaktflächen kleiner als eine in der Tiefenrichtung verlaufenden Oberflächenlänge des jeweiligen Wicklungslängsabschnitts ist. In particular, it can be provided that the contact surfaces are the same size or smaller than a respective longitudinal winding section in a depth direction running transversely with respect to the rotational center axis and in a longitudinal direction running parallel to the rotational center axis and transversely with respect to the depth direction. In other words, the cooling tubes are either formed over the entire surface of an available longitudinal winding section or only partially on an available surface of a longitudinal winding section. This allows a heat flow during the transfer of thermal energy between the longitudinal winding sections and the cooling tubes to be specifically specified, thus enabling an adjustment of the cooling capacity provided by the cooling device. In this context, it can be provided that the contact surfaces have a depth surface length in the depth direction and a longitudinal surface length in the longitudinal direction. It is provided that the longitudinal surface length of the contact surfaces corresponds to a longitudinal surface length of a respective longitudinal winding section running in the longitudinal direction. Furthermore, it is provided that the depth surface length of the contact surfaces corresponds to a surface length of a respective longitudinal winding section running in the depth direction. In other words, the cooling tubes extend completely over the longitudinal winding sections in the depth direction and in the longitudinal direction. The transfer of thermal energy is thus realized with a comparatively large heat flow. Alternatively, it can be provided that the depth surface length of the contact surfaces is smaller than a surface length of the respective longitudinal winding section running in the depth direction.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Polarme radial außen Polschuhe aufweisen, welche die Längsnuten und die Wicklungslängsabschnitte in der Umfangsrichtung überragen. Dabei können die Kühlrohre zumindest abschnittsweise konturfolgend, d.h. insbesondere zumindest abschnittsweise spaltfrei, an nach radial innen orientierten Innenflächen der Polschuhe angeordnet sein, wobei die Tiefenoberflächenlänge der Kontaktflächen ausgehend von den Polschuhen maximal 50% einer in der Tiefenrichtung verlaufenden Oberflächenlänge des jeweiligen Wicklungslängsabschnitts beträgt. Beispielsweise können die Kühlrohre in einer radial äußeren Hälfte des Rotorkörpers oder in einem radial äußeren Drittel des Rotorkörpers angeordnet sein. Dadurch sind die Kontaktflächen im Vergleich mit den Kontaktflächen der vorhergehenden Ausführungsform verkleinert. Das hat den Vorteil, dass relativ kleinbauende, kostengünstige Kühlrohre zur Herstellung eines Rotors eingesetzt werden können. Dabei kann die Montage der kleineren Kühlrohre vergleichsweise einfach sowie das Gesamtgewicht des vorgeschlagenen Rotors reduziert sein. In particular, it can be provided that the pole arms have pole shoes on the radial outside, which project beyond the longitudinal slots and the winding longitudinal sections in the circumferential direction. The cooling tubes can be arranged at least in sections in a contour-following manner, i.e. in particular at least in sections without a gap, on radially inwardly oriented inner surfaces of the pole shoes, wherein the depth surface length of the contact surfaces, starting from the pole shoes, amounts to a maximum of 50% of a surface length of the respective winding longitudinal section running in the depth direction. For example, the cooling tubes can be arranged in a radially outer half of the rotor body or in a radially outer third of the rotor body. As a result, the contact surfaces are reduced in size compared to the contact surfaces of the previous embodiment. This has the advantage that relatively small, cost-effective cooling tubes can be used to manufacture a rotor. The assembly of the smaller cooling tubes can be comparatively simple and the overall weight of the proposed rotor can be reduced.
Zweckmäßigerweise kann vorgesehen sein, dass die Kühlrohre Rippen aufweisen, die zur Übertragung von Wärmeenergie und zur Versteifung der Kühlrohre eingerichtet sind. Dabei ist es zweckmäßig, wenn die Kühlrohre jeweils ein Innenvolumen begrenzen und eine dem Innenvolumen zugewandte Innenmantelfläche aufweisen, wobei die Rippen jeweils innerhalb einem Innenvolumen und von Kältemittel umströmbar an einer jeweiligen Innenmantelfläche angeordnet ist. Dabei kann vorgesehen werden, dass die Innenmantelfläche eines Kühlrohres einander in der Umfangsrichtung gegenüberliegende Flächenabschnitte aufweist, an denen jeweils zumindest eine Rippe, zwei Rippen oder mehrere Rippen so angeordnet sind. Dabei sind die Rippen so eingerichtet, dass sie sich in der Umfangsrichtung paarweise direkt gegenüberliegen oder dass in der Umgangsrichtung benachbarte Rippen radial zueinander versetzt sind. Mittels der vorgeschlagenen Rippen können die Kühlrohre gegen im bestimmungsgemäßen Betrieb des vorgeschlagenen Rotors auftretende Belastungen, insbesondere Umfangs- und Radialbeschleunigungen, versteift werden. Hierdurch ist insbesondere eine unerwünschte Verformung der Kühlrohre vermeidbar. Weiterhin ist mittels der vorgeschlagenen Rippen die an der Übertragung von Wärmeenergie beteiligte Oberfläche eines Kühlrohrs vergrößert, woraus eine vergleichsweise effiziente Übertragbarkeit von Wärmeenergie erreicht ist. Ferner können Kühlrohre mit in der Umfangsrichtung paarweise direkt gegenüberliegenden Rippen als auch solche Kühlrohre, bei denen in der Umgangsrichtung benachbarte Rippen radial zueinander versetzt sind, kostengünstig bereitgestellt werden, beispielsweise in einem Strangpressverfahren als Strangpressprofil. It can be expediently provided that the cooling tubes have fins designed to transfer thermal energy and to stiffen the cooling tubes. It is expedient if the cooling tubes each delimit an internal volume and have an inner surface facing the internal volume, wherein the fins are each arranged within an internal volume and on a respective inner surface around which coolant can flow. It can be provided that the inner surface of a cooling tube has surface sections opposite one another in the circumferential direction, on each of which at least one fin, two fins, or several fins are arranged. The fins are designed such that they lie directly opposite one another in pairs in the circumferential direction or such that adjacent fins are radially offset from one another in the circumferential direction. By means of the proposed fins, the cooling tubes can be stiffened against loads occurring during normal operation of the proposed rotor, in particular circumferential and radial accelerations. This makes it possible, in particular, to avoid undesired deformation of the cooling tubes. Furthermore, the proposed fins increase the surface area of a cooling tube involved in the transfer of thermal energy, resulting in a comparatively efficient transfer of thermal energy. Furthermore, cooling tubes with fins arranged in pairs directly opposite one another in the circumferential direction, as well as cooling tubes in which adjacent fins are radially offset from one another in the circumferential direction, can be provided cost-effectively, for example, in an extrusion process as an extruded profile.
Weiterhin können die Kühlrohre, bei denen in der Umgangsrichtung benachbarte Rippen radial zueinander versetzt sind, in einem unverbauten Zustand so ausgeführt sein, dass die Rippen reisverschlussartig ineinandergreifen. Das hat den Vorteil, dass die im unverbauten Zustand als Rohrrohlinge bezeichneten Kühlrohre einen relativ schmalen Rohrquerschnitt besitzen. Hierdurch lassen sich entsprechende Rohrrohlinge vergleichsweise einfach in die Längsnuten des Rotors einlegen. Furthermore, the cooling pipes, where adjacent pipes are located in the direction of travel, The fins are radially offset from one another and, in an uninstalled state, are designed so that the fins interlock like a zipper. This has the advantage that the cooling tubes, referred to as tube blanks in their uninstalled state, have a relatively narrow tube cross-section. This makes it relatively easy to insert the corresponding tube blanks into the longitudinal grooves of the rotor.
Zweckmäßigerweise kann vorgesehen sein, dass die Kühlrohre aus einem nicht magnetisierbaren Metall realisiert sind. Dabei kann es sich bevorzugt um einen Aluminiumwerkstoff oder einen Stahlwerkstoff, weiter bevorzugt Edelstahl, handeln. Entsprechende Kühlrohre können kostengünstig bereitgestellt werden, außerdem bieten die duktilen Werkstoffeigenschaften eine ausreichende Umformbarkeit, sodass sich entsprechende Kühlrohre insbesondere mittels Innenhochdruckumformen bearbeiten lassen. It can be advantageous for the cooling tubes to be made of a non-magnetizable metal. This can preferably be an aluminum material or a steel material, more preferably stainless steel. Such cooling tubes can be provided cost-effectively, and the ductile material properties also offer sufficient formability, allowing them to be machined, particularly by internal high-pressure forming.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die Kühlrohre durch kostengünstige Strangpressprofile realisiert sind. Weiterhin ist denkbar, dass die Rotorwelle durch eine Rotorhohlwelle realisiert ist. It is also possible for the cooling tubes to be realized using cost-effective extruded profiles. It is also conceivable for the rotor shaft to be realized using a hollow rotor shaft.
Gemäß einem weiteren Grundgedanken der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors, insbesondere der Rotor nach der vorherstehenden Beschreibung, vorgeschlagen. Das vorgeschlagene Verfahren zeichnet sich durch die nachfolgenden Schritte aus: According to a further basic idea of the invention, a method for producing a rotor, in particular the rotor according to the above description, is proposed. The proposed method is characterized by the following steps:
1) Einlegen von Rohrrohlingen in Längsnute eines mit einer Rotorwicklung ausgestatteten Rotorkörpers, sodass die Rohrrohlinge innerhalb der Längsnuten zwischen in einer Umfangsrichtung um eine Drehmittenachse des Rotorkörpers benachbarten Wicklungslängsabschnitten der Rotorwicklung aufgenommen sind,1) Inserting tube blanks into the longitudinal groove of a rotor body equipped with a rotor winding, so that the tube blanks are accommodated within the longitudinal grooves between adjacent longitudinal winding sections of the rotor winding in a circumferential direction around a rotational center axis of the rotor body,
2) Innenhochdruckumformen der Rohrrohlinge, in der Art, dass die Rohrrohlinge Kühlrohre bilden, die zumindest abschnittsweise konturfolgend, insbesondere spaltfrei, an in der Umfangsrichtung benachbarten Wicklungslängsabschnitten in einer kraft- und/oder formschlüssigen Verbindung an den Wicklungslängsabschnitten angeordnet sind. 2) Internal high pressure forming of the tube blanks, in such a way that the tube blanks form cooling tubes which, at least in sections, follow the contour, in particular are arranged gap-free on adjacent winding longitudinal sections in the circumferential direction in a force-locking and/or form-locking connection on the winding longitudinal sections.
Dadurch ist ein vorteilhaftes Verfahren angegeben, mittels dem sich ein erfindungsgemäßer Rotor mit Kühleinrichtung zur Kühlung der Wicklungslängsabschnitte der Rotorwicklung kostengünstig und in großen Stückzahlen bereitstellen lässt. This provides an advantageous method by means of which a rotor according to the invention with a cooling device for cooling the longitudinal winding sections of the rotor winding can be provided cost-effectively and in large quantities.
Gemäß einem weiteren Grundgedanken der Erfindung ist eine elektrische Maschine, insbesondere ein Traktionsantrieb für ein Elektrofahrzeug, vorgesehen, die einen Stator und einen gemäß der vorhergehenden Beschreibung ausgeführten Rotor oder einen gemäß dem vorhergehenden Verfahren hergestellten Rotor aufweist. According to a further basic idea of the invention, an electric machine, in particular a traction drive for an electric vehicle, is provided, which has a stator and a rotor designed according to the preceding description or a rotor manufactured according to the preceding method.
Zusammenfassend bleibt festzuhalten: Die vorliegende Erfindung betrifft vorzugsweise einen Rotor für eine elektrische Maschine aufweisend einen mit einer Rotorwicklung ausgerüsteten Rotorkörper, der ein Blechpaket mit Polarmen aufweist, wobei jeweils benachbarte Polarme zwischen sich Längsnuten begrenzen, die das Blechpaket axial durchsetzen. Wesentlich für die Erfindung ist, dass der Rotor weiterhin eine Kühleinrichtung aufweist, die Kühlrohre besitzt, die innerhalb der Längsnuten zwischen benachbarten Wicklungslängsabschnitten der Rotorwicklung aufgenommen und zumindest abschnittsweise konturfolgend, insbesondere spaltfrei, an diesen Wicklungslängsabschnitten angelegt sind, sodass die Kühlrohre in einer kraft- und/oder formschlüssigen Verbindung an den Wicklungslängsabschnitten festgelegt sind. Die Erfindung betrifft weiter zweckmäßigerweise ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Rotors sowie insbesondere eine mit einem solchen Rotor ausgerüstete elektrische Maschine. In summary, the present invention preferably relates to a rotor for an electrical machine, comprising a rotor body equipped with a rotor winding, which has a laminated core with pole arms, wherein adjacent pole arms define longitudinal slots between them, which axially penetrate the laminated core. It is essential for the invention that the rotor further comprises a cooling device having cooling tubes which are received within the longitudinal slots between adjacent longitudinal winding sections of the rotor winding and are arranged at least in sections in a contour-following manner, in particular without a gap, on these longitudinal winding sections, so that the cooling tubes are fixed to the longitudinal winding sections in a force-fitting and/or form-fitting connection. The invention further expediently relates to a method for producing such a rotor and, in particular, to an electrical machine equipped with such a rotor.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen. Further important features and advantages of the invention result from the Subclaims, from the drawings and from the associated description of the figures based on the drawings.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. It is understood that the features mentioned above and those to be explained below can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the present invention.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen. Preferred embodiments of the invention are illustrated in the drawings and are explained in more detail in the following description, wherein like reference numerals refer to like or similar or functionally identical components.
Es zeigen, jeweils schematisch They show, schematically
Fig. 1 in einer Schnittansicht einen Ausschnitt eines Rotors für eine elektrische Maschine gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform, Fig. 1 shows a sectional view of a section of a rotor for an electrical machine according to a first preferred embodiment,
Fig. 2 in einer Schnittansicht den Rotor aus Fig. 1 bei seiner Herstellung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Rotors, Fig. 2 shows a sectional view of the rotor from Fig. 1 during its manufacture according to the method for manufacturing a rotor according to the invention,
Fig. 3 in einer Schnittansicht einen Ausschnitt eines Rotors für eine elektrische Maschine gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, Fig. 3 shows a sectional view of a section of a rotor for an electrical machine according to a further preferred embodiment,
Fig. 4 in einer Schnittansicht den Rotor aus Fig. 3 bei seiner Herstellung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Rotors, Fig. 4 shows a sectional view of the rotor from Fig. 3 during its manufacture according to the method according to the invention for producing a Rotors,
Fig. 5 in einer Schnittansicht einen Ausschnitt eines Rotors für eine elektrische Maschine gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform, Fig. 5 shows a sectional view of a section of a rotor for an electrical machine according to a further preferred embodiment,
Fig. 6 in einer perspektivischen Ansicht einen Abschnitt eines Rohrrohlings in einem unverbauten Zustand, der das Kühlrohr aus Fig. 5 bilden kann, Fig. 6 shows a perspective view of a section of a pipe blank in an unassembled state, which can form the cooling pipe of Fig. 5,
Fig. 7 in einer Schnittansicht einen Ausschnitt eines Rotors für eine elektrische Maschine gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform und zuletzt Fig. 7 shows a sectional view of a section of a rotor for an electrical machine according to a further preferred embodiment and finally
Fig. 8 in einer perspektivischen Ansicht einen Abschnitt eines weiteren Rohrrohlings in einem unverbauten Zustand, der das Kühlrohr aus Fig. 7 bilden kann. Fig. 8 shows a perspective view of a section of another tube blank in an unassembled state, which can form the cooling tube of Fig. 7.
Die Fig. 1 , 3, 5 und 7 zeigen jeweils eine bevorzugte Ausführungsform eines im Gesamten mit der Bezugsziffer 1 bezeichneten Rotors für eine elektrische Maschine 2. Die elektrische Maschine 2 kann insbesondere als Traktionsantrieb für ein nicht illustriertes Elektrofahrzeug ausgebildet sein. Figures 1, 3, 5 and 7 each show a preferred embodiment of a rotor, designated as a whole by the reference number 1, for an electric machine 2. The electric machine 2 can be designed in particular as a traction drive for an electric vehicle (not illustrated).
In Fig. 1 ist in einer Schnittansicht ein Ausschnitt eines Rotors 1 für eine elektrische Maschine 2 dargestellt. Der Rotor 1 besitzt zunächst einen üblicherweise in etwa kreiszylindrischen Rotorkörper 4, der eine Drehmittenachse 3 definiert, um die herum der Rotorkörper 4 in einer in Fig. 1 , 3, 5 und 7 jeweils durch einen Pfeil angedeuteten Umfangsrichtung 8 drehverstellbar ist. Der Rotorkörper 4 weist eine koaxial zur Drehmittenachse 3 ausgerichtete, nur abschnittsweise angedeutete Rotorwelle 5, die vorliegend als Rotorhohlwelle realisiert ist, und ein auf der Rotorwelle 5 drehtest angeordnetes Blechpaket 6 mit mehreren von der Drehmittenachse 3 radial wegragenden Polarmen 7 auf. Das Blechpaket 6 besteht rein exemplarisch aus einer Mehrzahl von in den vorliegenden Figuren nicht ersichtlichen, in Richtung der Drehmittenachse 3 axial aufeinandergestapelten Blechelementen aus einem ferromagnetischen Material. Fig. 1 shows a sectional view of a section of a rotor 1 for an electrical machine 2. The rotor 1 initially has a rotor body 4, which is usually approximately circularly cylindrical and defines a rotational center axis 3, around which the rotor body 4 is rotatably adjustable in a circumferential direction 8, indicated by an arrow in Figs. 1, 3, 5 and 7. The rotor body 4 has a a rotor shaft 5, which is aligned coaxially with the rotational center axis 3 and only partially indicated, which in this case is realized as a hollow rotor shaft, and a laminated core 6 arranged on the rotor shaft 5 with a plurality of pole arms 7 projecting radially away from the rotational center axis 3. The laminated core 6 consists purely by way of example of a plurality of laminated elements made of a ferromagnetic material, which are not visible in the present figures and are stacked axially one on top of the other in the direction of the rotational center axis 3.
In Fig. 1 kann man weiterhin erkennen, dass jeweils zwei in der Umfangsrichtung 8 zueinander unmittelbar benachbarte Polarme 7 in der Umfangsrichtung 8 zwischen sich eine etwa V-förmig gestaltete Längsnut 9 begrenzen, die das Blechpaket 6 axial durchsetzt. Die Polarme 7 besitzen weiterhin radial außen Polschuhe 18, welche radial außen eine Außenfläche 20 aufweisen und welche die Längsnuten 9 in der Umfangsrichtung 8 zumindest abschnittsweise überragen, sodass sie jeweils den Längsnuten 9 zugewandte, nach radial innen zur Drehmittenachse 3 hin orientierte Innenflächen 19 ausbilden. In Fig. 1, it can also be seen that each two pole arms 7 directly adjacent to one another in the circumferential direction 8 define an approximately V-shaped longitudinal groove 9 between them in the circumferential direction 8, which extends axially through the laminated core 6. The pole arms 7 also have pole shoes 18 on the radial outside, which have an outer surface 20 on the radial outside and which project beyond the longitudinal grooves 9 at least in sections in the circumferential direction 8, so that they each form inner surfaces 19 facing the longitudinal grooves 9 and oriented radially inward towards the center axis of rotation 3.
Der Rotor 1 besitzt weiterhin eine mittels einer nicht dargestellten Stromquelle bestrombare Rotorwicklung 10, die aus zumindest einem elektrisch leitfähigen Leiter 37 realisiert ist. Der zumindest eine elektrisch leitfähige Leiter 37 kann eine Isolationsbeschichtung aufweisen, um eine elektrische Fehlkontaktierung zu vermeiden. Weiterhin ist vorgesehen, dass der zumindest eine elektrisch leitfähige Leiter 37 der Rotorwicklung 10 in herkömmlicher Art und Weise in mehreren Windungen 11 um die Polarme 7 geführt ist, wobei die Rotorwicklung 10 an einander axial gegenüberliegenden, nicht illustrierten Axialstirnflächen der Polarme 7 ebenfalls nicht gezeigte Wickelköpfe ausbildet, an die sich axial, vorliegend parallel zur Drehmittenachse 3 verlaufende Wicklungslängsabschnitte 12 der Rotorwicklung 10 anschließen. Je zwei dieser Wicklungslängsabschnitte 12 der Rotorwicklung 10 sind, was in den Fig. 1 bis 5 und 7 zu erkennen ist, dabei innerhalb einer Längsnut 9 aufgenommen und zumindest abschnittsweise und ggf. ausschließlich an einander in der Umfangsrichtung 8 gegenüberliegenden Umfangsflächen 13 der zueinander unmittelbar benachbarten Polarme 7 angeordnet. Die Wicklungslängsabschnitte 12 der Rotorwicklung 10 liegen dabei exemplarisch unmittelbar an den Umfangsflächen 13 der Polarme 7 an und erstrecken sich jeweils radial bezüglich der Drehmittenachse 3 zwischen einer der besagten Innenflächen 19 der Polschuhe 18 und einer nach radial außen orientierten Fußfläche 17 des Rotorkörper 4, die in der Umfangsrichtung 8 gegenüberliegende Umfangsflächen 13 einer Längsnut 9 miteinander verbinden. Dabei kann ein jeweiliger Wicklungslängsabschnitt 12 an der Innenfläche 19 eines Polschuhs 18 und/oder einer Fußfläche 17 des Rotorkörper 4 anliegen. The rotor 1 further comprises a rotor winding 10, which can be supplied with current by means of a power source (not shown), which is realized from at least one electrically conductive conductor 37. The at least one electrically conductive conductor 37 can have an insulating coating to prevent faulty electrical contact. Furthermore, it is provided that the at least one electrically conductive conductor 37 of the rotor winding 10 is guided in a conventional manner in several turns 11 around the pole arms 7, wherein the rotor winding 10 forms winding heads (also not shown) on axially opposite, not illustrated axial end faces of the pole arms 7, to which longitudinal winding sections 12 of the rotor winding 10 are connected axially, in this case parallel to the rotational center axis 3. Two of these longitudinal winding sections 12 of the rotor winding 10 are, as can be seen in Figs. 1 to 5 and 7, received within a longitudinal groove 9 and arranged at least in sections and possibly exclusively on circumferential surfaces 13 of the directly adjacent pole arms 7, which are opposite one another in the circumferential direction 8. The winding longitudinal sections 12 of the rotor winding 10 bear, for example, directly against the circumferential surfaces 13 of the pole arms 7 and each extend radially with respect to the center of rotation 3 between one of the said inner surfaces 19 of the pole shoes 18 and a radially outwardly oriented base surface 17 of the rotor body 4, which connect circumferential surfaces 13 of a longitudinal groove 9, which are opposite one another in the circumferential direction 8. A respective winding longitudinal section 12 can bear against the inner surface 19 of a pole shoe 18 and/or a base surface 17 of the rotor body 4.
Im bestimmungsgemäßen Betrieb des Rotors 1 treten innerhalb die Rotorwicklung 10 Verluste in Form von Abwärme auf, die für eine unerwünschte Erhitzung der Rotorwicklung 10 sowie der angrenzenden Bauteile des Rotors 1 , insbesondere des Rotorkörpers 4, sorgen. During normal operation of the rotor 1, losses in the form of waste heat occur within the rotor winding 10, which cause undesired heating of the rotor winding 10 and the adjacent components of the rotor 1, in particular the rotor body 4.
Um einer drohenden Überhitzung des Rotors 1 im bestimmungsgemäßen Betrieb vorzubeugen, durch die insbesondere die erwähnte Isolationsbeschichtung des elektrisch leitfähigen Leiters 37 thermisch versagen und einen Ausfall der elektrischen Maschine 2 verursacht werden könnte, ist vorgesehen, dass der Rotor 1 mit einer Kühleinrichtung 14 ausgestattet ist, die von Kühlmittel durchströmbare Kühlrohre 15 zur Kühlung der Wicklungslängsabschnitte 12 aufweist. Die Kühlrohre 15 sind vorliegend aus einem nicht magnetisierbaren, umformbaren Metall realisiert, bevorzugt aus einem Aluminiumwerkstoff oder einem Stahlwerkstoff, insbesondere Edelstahl, und weiterhin dazu eingerichtet, mittels Innenhochdruckumformen umgeformt zu werden. In den Fig. 1 bis 5 und 7 ist ersichtlich, dass die Kühlrohre 15 innerhalb den Längsnute 9 zwischen in der Umfangsrichtung 8 benachbarten Wicklungslängsabschnitten 12 aufgenommen und beispielsweise mittels Innenhochdruckumformen zumindest abschnittsweise konturfolgend, insbesondere spaltfrei, an die Wicklungslängsabschnitte 12 angeordnet sind. Dadurch besitzen die Kühlrohre 15 im Bereich der Wicklungslängsabschnitte 12 zumindest abschnittsweise eine Wandstärke von kleiner gleich 1 mm. Weiterhin ist dadurch eine kraft- und/oder formschlüssige Verbindung 16 zwischen den Kühlrohren 15 und den Wicklungslängsabschnitten 12 erzeugt, durch die die Kühlrohre 15 an dem Rotorköper 4 bzw. der Rotorwicklung 10 ortsfest festgelegt sind. In order to prevent the risk of overheating of the rotor 1 during normal operation, which could in particular lead to thermal failure of the aforementioned insulation coating of the electrically conductive conductor 37 and a failure of the electrical machine 2, provision is made for the rotor 1 to be equipped with a cooling device 14, which has cooling tubes 15 through which coolant can flow for cooling the longitudinal winding sections 12. The cooling tubes 15 are here made of a non-magnetizable, formable metal, preferably an aluminum material or a steel material, in particular stainless steel, and are furthermore designed to be formed by means of internal high-pressure forming. In Figs. 1 to 5 and 7, it can be seen that the cooling tubes 15 are accommodated within the longitudinal grooves 9 between longitudinal winding sections 12 adjacent in the circumferential direction 8. and are arranged, for example, by means of internal high-pressure forming, at least in sections in a contour-following manner, in particular without gaps, on the longitudinal winding sections 12. As a result, the cooling tubes 15 in the region of the longitudinal winding sections 12 have, at least in sections, a wall thickness of less than or equal to 1 mm. Furthermore, this creates a force-fitting and/or form-fitting connection 16 between the cooling tubes 15 and the longitudinal winding sections 12, by means of which the cooling tubes 15 are fixedly fixed to the rotor body 4 or the rotor winding 10.
In Fig. 1 kann man weiterhin erkennen, dass die Kühlrohre 15 jeweils über Kontaktflächen 21 an den Wicklungslängsabschnitten 12 abstützen sind. Dadurch ist zwischen den Wicklungslängsabschnitten 12 und den Kühlrohren 15 ein flächiger Kontakt bereitgestellt, durch den, im Vergleich mit einer punktuellen oder linienartgien Kontaktstelle, eine relativ effiziente Übertragung von Wärmeenergie zwischen den Wicklungslängsabschnitten 12 und einem durch die Kühlrohre 15 strömenden Kühlmittel bewerkstelligt werden kann. In Fig. 1, it can also be seen that the cooling tubes 15 are each supported on the longitudinal winding sections 12 via contact surfaces 21. This provides a planar contact between the longitudinal winding sections 12 and the cooling tubes 15, which, compared to a point or linear contact point, allows for a relatively efficient transfer of thermal energy between the longitudinal winding sections 12 and a coolant flowing through the cooling tubes 15.
In Fig. 1 ist ferner zu erkennen, dass die Kühlrohre 15 infolge der Innenhochdruckumformung im Bereich der Kontaktflächen 21 eine Oberflächenkontur der Wicklungslängsabschnitte 12, die zweckmäßigerweise durch eine oder mehrere übereinanderliegende Lagen aus zueinander im Wesentlichen parallel verlaufenden Abschnitten des elektrisch leitfähigen Leiters 37 gebildet wird, abgeformt haben, sodass sie im Bereich der Kontaktflächen 21 jeweils eine Verzahnungskontur 22 aufweisen. Dadurch wird die kraft- und/oder formschlüssige Verbindung 16 zwischen den Kühlrohren 15 und den Wicklungslängsabschnitten 12 signifikant verbessert. In Fig. 1, it can also be seen that, as a result of the internal high-pressure forming, the cooling tubes 15 have molded a surface contour of the winding longitudinal sections 12 in the region of the contact surfaces 21, which surface contour is expediently formed by one or more superimposed layers of sections of the electrically conductive conductor 37 that run essentially parallel to one another, so that they each have a toothed contour 22 in the region of the contact surfaces 21. This significantly improves the force-fitting and/or form-fitting connection 16 between the cooling tubes 15 and the winding longitudinal sections 12.
Weiterhin sind die Kühlrohre 15 gemäß der in Fig. 1 illustrierten Ausführungsform mittels Innenhochdruckumformen zumindest abschnittsweise konturfolgend, d.h. insbesondere zumindest abschnittsweise spaltfrei, an die einander in der Umfangsrichtung 8 gegenüberliegenden Umfangsflächen 13 von der in der Umfangsrichtung 8 unmittelbar benachbarten Polarme 7 angeordnet. Dadurch sind die Kühlrohre 15 auch kraft- und/oder formschlüssig an den Polarmen 7 festgelegt. Ferner sind die in Fig. 1 gezeigten Kühlrohre 15 mittels Innenhochdruckumformen zumindest abschnittsweise konturfolgend, d.h. insbesondere zumindest abschnittsweise spaltfrei, sowohl an die besagten Fußflächen 17 des Rotorkörpers 4 als auch an die Innenflächen 19 der Polschuhe 18, die weiterhin die Wicklungslängsabschnitte 12 in der Umfangsrichtung 8 vollständig überragen, angeordnet. Dadurch sind die Kühlrohre auch kraft- und/oder formschlüssig an den Fußflächen 17 und den Innenflächen 19 angeordnet. Furthermore, the cooling tubes 15 according to the embodiment illustrated in Fig. 1 are contour-following at least in sections by means of internal high-pressure forming, ie in particular at least partially gap-free, on the circumferential surfaces 13 of the pole arms 7 directly adjacent in the circumferential direction 8, which are opposite one another in the circumferential direction 8. As a result, the cooling tubes 15 are also fixed to the pole arms 7 in a force-fitting and/or form-fitting manner. Furthermore, the cooling tubes 15 shown in Fig. 1 are arranged by means of internal high-pressure forming in a contour-following manner, at least in sections, i.e. in particular at least partially gap-free, both on the said base surfaces 17 of the rotor body 4 and on the inner surfaces 19 of the pole shoes 18, which furthermore completely project beyond the longitudinal winding sections 12 in the circumferential direction 8. As a result, the cooling tubes are also arranged in a force-fitting and/or form-fitting manner on the base surfaces 17 and the inner surfaces 19.
Weiterhin ist bezüglich der in Fig. 1 illustrierten Ausführungsform zu erwähnen, dass die Kontaktflächen 21 in einer quer bezüglich der Drehmittenachse 3 verlaufenden Tiefenrichtung 23 sowie in einer parallel bezüglich der Drehmittenachse 3 und quer bezüglich der Tiefenrichtung 23 verlaufenden Längsrichtung 24 gleich groß gestaltet ist, wie ein jeweiliger Wicklungslängsabschnitt 12. Demnach weisen die Kontaktflächen 21 in der Tiefenrichtung 23 eine Tiefenoberflächenlänge 25 und in der Längsrichtung 24 eine in den Figuren nicht illustrierte Längsoberflächenlänge auf. Die Längsoberflächenlänge ist dabei mit einer in der Längsrichtung 24 verlaufenden Längsoberflächenlänge eines jeweiligen Wicklungslängsabschnitts 12 identisch. Weiterhin ist die Tiefenoberflächenlänge 25 mit einer in der Tiefenrichtung 23 verlaufenden Oberflächenlänge 29 eines jeweiligen Wicklungslängsabschnitts 12 identisch. Dadurch ist ein maximaler Wärmestrom bei der Übertragung von Wärmeenergie zwischen den Wicklungslängsabschnitten 12 und einem durch die Kühlrohre 15 strömenden Kühlmittel erreichbar, sodass damit eine optimale Kühlleistung der Kühleinrichtung 14 bereitgestellt wird. Weiterhin ist in Fig. 1 ersichtlich, dass die vorgeschlagenen Kühlrohre 15 so gearbeitet sind, dass sie jeweils eine nach radial außen orientierte Kopffläche 36 aufweisen. Die Kopfflächen 36 der Kühlrohre 15 sind nach den Ausführungsformen gemäß Fig. 1 und 3 plan und gemäß der in Fig. 5 und 7 dargestellten Ausführungsformen nach radial außen gewölbt ausgeführt. Die Kopfflächen 36 liegend dabei an in der Umfangsrichtung 8 benachbarten Außenflächen 20 von in der Umfangsrichtung 8 unmittelbar benachbarten Polschuhen 7 an und überragen die Außenflächen 20 zumindest abschnittsweise radial. Ferner kann vorgesehen sein, dass die Kopfflächen 36 die Außenflächen 20 in der Umfangsrichtung 8 zumindest abschnittsweise überlappen. Dadurch werden die über Längsöffnungen zur Umgebung hin offenen Längsnuten 9 durch die Kühlrohre 15 fluiddicht versiegelt. Furthermore, with regard to the embodiment illustrated in Fig. 1, it should be mentioned that the contact surfaces 21 are designed to be the same size as a respective longitudinal winding section 12 in a depth direction 23 running transversely with respect to the center axis of rotation 3 and in a longitudinal direction 24 running parallel with respect to the center axis of rotation 3 and transversely with respect to the depth direction 23. Accordingly, the contact surfaces 21 have a depth surface length 25 in the depth direction 23 and a longitudinal surface length (not illustrated in the figures) in the longitudinal direction 24. The longitudinal surface length is identical to a longitudinal surface length of a respective longitudinal winding section 12 running in the longitudinal direction 24. Furthermore, the depth surface length 25 is identical to a surface length 29 of a respective longitudinal winding section 12 running in the depth direction 23. As a result, a maximum heat flow can be achieved during the transfer of thermal energy between the winding longitudinal sections 12 and a coolant flowing through the cooling tubes 15, so that an optimal cooling performance of the cooling device 14 is provided. Furthermore, it can be seen in Fig. 1 that the proposed cooling tubes 15 are designed such that they each have a head surface 36 oriented radially outwards. The head surfaces 36 of the cooling tubes 15 are flat according to the embodiments shown in Figs. 1 and 3 and curved radially outwards according to the embodiments shown in Figs. 5 and 7. The head surfaces 36 lie on outer surfaces 20 of pole pieces 7 that are immediately adjacent in the circumferential direction 8 and project radially beyond the outer surfaces 20 at least in sections. Furthermore, it can be provided that the head surfaces 36 overlap the outer surfaces 20 in the circumferential direction 8 at least in sections. As a result, the longitudinal grooves 9, which are open to the environment via longitudinal openings, are sealed fluid-tight by the cooling tubes 15.
In Fig. 2 ist eine Schnittansicht des in der Herstellung befindlichen, d.h. in einem nicht zusammengebauten Zustand befindlichen Rotors 1 aus Fig. 1 gezeigt. Im Rahmen der angedeuteten Herstellung des Rotors 1 ist vorgesehen, dass der vorstehend beschriebene Rotorkörper 4 mit der daran angebauten Rotorwicklung 10 bereitgestellt wird. Anschließend werden Rohrrohlinge 35 radial durch Längsöffnungen der Längsnuten 9 in die Längsnuten 9 eingelegt, sodass die Rohrrohlinge 35 innerhalb der Längsnuten 9 zwischen in der Umfangsrichtung 8 benachbarten Wicklungslängsabschnitten 12 der Rotorwicklung 10 aufgenommen sind. Dabei können die Rohrrohlinge 35 sich bereits an den Wicklungslängsabschnitten 12 der Rotorwicklung 10 punktuell oder linienförmig abstützen. Anschließend werden die Rohrrohlinge 35 mittels Innenhochdruckumformen zumindest abschnittsweise konturfolgend, insbesondere spaltfrei, an in der Umfangsrichtung 8 benachbarten Wicklungslängsabschnitten 12 angeordnet, sodass zwischen den dann als Kühlrohren 15 bezeichneten Rohrrohlinge 35 und den Wicklungslängsabschnitten 12 eine kraft- und/oder formschlüssige Verbindung 16, insbesondere eine Verzahnungskontur 22, ausgebildet ist. Der in Fig. 2 ersichtliche Rohrrohling 35 besitzt einen Rohrquerschnitt, der etwa die Form einer acht aufweist. Dadurch lässt der Rohrrohling 35 sich relativ einfach durch die Längsöffnung der Längsnut 9 in die Längsnut 9 einlegen und ggf. bis zur Fußfläche 17 des Rotorkörpers 4 führen. Die Rohrrohlinge 35 können beispielsweise durch ein kostengünstig bereitstellbares Strangpressprofil realisiert werden. Fig. 2 shows a sectional view of the rotor 1 from Fig. 1 during manufacture, i.e. in an unassembled state. As part of the indicated manufacture of the rotor 1, it is provided that the above-described rotor body 4 is provided with the rotor winding 10 attached thereto. Subsequently, tube blanks 35 are inserted radially through longitudinal openings of the longitudinal grooves 9 into the longitudinal grooves 9, so that the tube blanks 35 are received within the longitudinal grooves 9 between longitudinal winding sections 12 of the rotor winding 10 that are adjacent in the circumferential direction 8. The tube blanks 35 can already be supported on the longitudinal winding sections 12 of the rotor winding 10 in a point-like or linear manner. Subsequently, the tube blanks 35 are arranged by means of internal high-pressure forming, at least in sections following the contour, in particular without gaps, on winding longitudinal sections 12 adjacent in the circumferential direction 8, so that between the tube blanks 35 then referred to as cooling tubes 15 and the winding longitudinal sections 12 a force-fitting and/or form-fitting connection 16, in particular a Toothing contour 22. The tube blank 35 shown in Fig. 2 has a tube cross-section that is approximately in the shape of a figure eight. This allows the tube blank 35 to be inserted relatively easily through the longitudinal opening of the longitudinal groove 9 into the longitudinal groove 9 and, if necessary, guided to the base surface 17 of the rotor body 4. The tube blanks 35 can be realized, for example, using a cost-effectively available extruded profile.
Die Fig. 3 zeigt in einer Schnittansicht einen Ausschnitt eines Rotors 1 für eine elektrische Maschine 2 gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform. Hierbei sind die Kühlrohre 15 im Unterschied zu den Kühlrohren 15 der vorhergehend beschriebenen Ausführungsform relativ klein gestaltet. Dies ist vorliegend dadurch realisiert, indem die Kühlrohre 15 zumindest abschnittsweise konturfolgend, d.h. insbesondere zumindest abschnittsweise spaltfrei, an die Innenflächen 19 der Polschuhe 18 angeordnet und die Tiefenoberflächenlänge 25 der Kontaktflächen 21 so verkürzt sind, dass die Tiefenoberflächenlängen 25 ausgehend von den Polschuhen 18 maximal 50% einer in der Tiefenrichtung 23 verlaufenden Oberflächenlänge 29 des jeweiligen Wicklungslängsabschnitts 12 betragen. Weiterhin liegen bei der vorliegenden Ausführungsform die Kühlrohre 15 weder an den in der Umfangsrichtung 8 gegenüberliegenden Umfangsflächen 13 der Polarme 7 noch an den Fußflächen 17 des Rotorkörpers 4 an. Beispielsweise sind die Kühlrohre 15 in einer radial äußeren Hälfte des Rotorkörpers 4 oder in einem radial äußeren Drittel des Rotorkörpers 4 angeordnet. Dadurch sind die Kontaktflächen 21 der Kühlrohre 15 im Vergleich mit den Kontaktflächen 21 der vorherstehend beschriebenen Kühlrohre 15 der vorhergehenden Ausführungsform relativ klein. Das hat den Vorteil, dass die vorliegenden Kühlrohre 15 relativ klein und leichtgewichtig bauen, wodurch beispielsweise deren Montage vereinfacht sein kann. Fig. 3 shows a sectional view of a section of a rotor 1 for an electrical machine 2 according to another preferred embodiment. In contrast to the cooling tubes 15 of the previously described embodiment, the cooling tubes 15 are designed to be relatively small. This is achieved in the present case by arranging the cooling tubes 15 at least partially contour-following, i.e., in particular, at least partially gap-free, on the inner surfaces 19 of the pole pieces 18 and by shortening the depth surface lengths 25 of the contact surfaces 21 such that the depth surface lengths 25, starting from the pole pieces 18, amount to a maximum of 50% of a surface length 29 of the respective longitudinal winding section 12 running in the depth direction 23. Furthermore, in the present embodiment, the cooling tubes 15 bear neither against the circumferential surfaces 13 of the pole arms 7, which are opposite in the circumferential direction 8, nor against the base surfaces 17 of the rotor body 4. For example, the cooling tubes 15 are arranged in a radially outer half of the rotor body 4 or in a radially outer third of the rotor body 4. As a result, the contact surfaces 21 of the cooling tubes 15 are relatively small compared to the contact surfaces 21 of the previously described cooling tubes 15 of the previous embodiment. This has the advantage that the present cooling tubes 15 are relatively small and lightweight, which, for example, can simplify their assembly.
In Fig. 4 ist eine Schnittansicht des in der Herstellung befindlichen, d.h. in einem nicht zusammengebauten Zustand befindlichen Rotors 1 aus Fig. 3 gezeigt. Im Rahmen der angedeuteten Herstellung des Rotors 1 ist im Unterschied zu der zu Fig. 2 erläuterten Vorgehensweise vorgesehen, dass die Rohrrohlinge 35 einen vieleckigen Rohrquerschnitt, insbesondere einen dreieckigen Rohrquerschnitt, besitzt. Dadurch können die Rohrrohlinge 35 einfach durch die Längsöffnungen der Längsnuten 9 in die Längsnuten 9 eingelegt werden. Der dargestellte Rohrrohling 35 kann beispielsweise ein kostengünstig bereitstellbares Strangpressprofil sein. In Fig. 4 is a sectional view of the device being manufactured, ie in a 3 in its unassembled state. In the context of the indicated production of the rotor 1, in contrast to the procedure explained for Fig. 2, it is provided that the tube blanks 35 have a polygonal tube cross-section, in particular a triangular tube cross-section. This allows the tube blanks 35 to be easily inserted through the longitudinal openings of the longitudinal grooves 9 into the longitudinal grooves 9. The tube blank 35 shown can, for example, be a cost-effectively available extruded profile.
Die Fig. 5 zeigt in einer Schnittansicht einen Ausschnitt eines Rotors 1 für eine elektrische Maschine 2 gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform. Die dargestellte Ausführungsform des Rotors 1 unterscheidet sich von den vorhergehenden Ausführungsformen des Rotors 1 insbesondere dadurch, dass die Kühlrohre 15 integrale Rippen 30 aufweisen, die zur Übertragung von Wärmeenergie und zur Versteifung der Kühlrohre 15 eingerichtet sind. Dabei ist in Fig. 5 ersichtlich, dass die Kühlrohre 15 jeweils ein Innenvolumen 31 begrenzen und eine dem Innenvolumen 31 zugewandte, von dem Kühlmittel benetzbare Innenmantelfläche 32 aufweisen. Die besagten Rippen 30 sind dabei innerhalb dem Innenvolumen 31 an der Innenmantelfläche 32 angeordnet, sodass sie im bestimmungsgemäßen Betrieb des Rotors 1 von Kühlmittel umspült werden. Es ist weiterhin ersichtlich, dass die Innenmantelfläche 32 zwei einander in der Umfangsrichtung 8 gegenüberliegende, planare Flächenabschnitte 33a, 33b aufweist. Dabei sind sowohl an dem ersten Flächenabschnitt 33a als auch an dem zweiten Flächenabschnitt 33b jeweils zwei Rippen 30 angeordnet, wobei in der vorliegenden Ausführungsform vorgesehen ist, dass diese Rippen 30 sich in der Umfangsrichtung 8 paarweise direkt gegenüberliegen. Mittels der vorgeschlagenen Rippen 30 können die Kühlrohre 15 gegen im bestimmungsgemäßen Betrieb des vorgeschlagenen Rotors 1 auftretende Belastungen, insbesondere Umfangs- und Radialbeschleunigungen, versteift werden. Unerwünschte Verformungen der Kühlrohre 15 sind damit vermeidbar. Weiterhin ist mittels der vorgeschlagenen Rippen 30 die an der Übertragung von Wärmeenergie beteiligte Oberfläche eines Kühlrohrs 15 derart vergrößert, dass eine vergleichsweise effiziente Übertragbarkeit von Wärmeenergie erreicht werden kann. Fig. 5 shows a sectional view of a section of a rotor 1 for an electrical machine 2 according to a further preferred embodiment. The illustrated embodiment of the rotor 1 differs from the previous embodiments of the rotor 1 in particular in that the cooling tubes 15 have integral ribs 30, which are designed to transfer thermal energy and to stiffen the cooling tubes 15. It can be seen in Fig. 5 that the cooling tubes 15 each delimit an inner volume 31 and have an inner circumferential surface 32 facing the inner volume 31 and wettable by the coolant. The said ribs 30 are arranged within the inner volume 31 on the inner circumferential surface 32, so that they are surrounded by coolant during normal operation of the rotor 1. It can also be seen that the inner circumferential surface 32 has two planar surface sections 33a, 33b lying opposite one another in the circumferential direction 8. In this case, two ribs 30 are arranged on each of the first surface portion 33a and the second surface portion 33b, wherein in the present embodiment, these ribs 30 are arranged directly opposite one another in pairs in the circumferential direction 8. By means of the proposed ribs 30, the cooling tubes 15 can be stiffened against loads occurring during the intended operation of the proposed rotor 1, in particular circumferential and radial accelerations. Undesirable deformations of the cooling tubes 15 can thus be avoided. Furthermore, by means of the proposed ribs 30, the surface area of a cooling tube 15 involved in the transfer of thermal energy is increased to such an extent that a comparatively efficient transfer of thermal energy can be achieved.
Die Fig. 6 zeigt in einer perspektivischen Ansicht einen Abschnitt eines Rohrrohlings 35 in einem unverbauten Zustand, der ein Kühlrohr 15 aus Fig. 5 bildet. Der dargestellte Rohrrohling 35 kann beispielsweise durch ein kostengünstig bereitstellbares Strangpressprofil realisiert sein. Fig. 6 shows a perspective view of a section of a tube blank 35 in an unassembled state, which forms a cooling tube 15 from Fig. 5. The illustrated tube blank 35 can be realized, for example, by an extruded profile that can be provided inexpensively.
Weiterhin ist in Fig. 7 in einer Schnittansicht ein Ausschnitt eines Rotor 1 für eine elektrische Maschine 2 gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform gezeigt. Die dargestellte Ausführungsform des Rotors 1 unterscheidet sich von der Ausführungsformen des Rotors 1 gemäß Fig. 5 dadurch, dass die an dem ersten Flächenabschnitt 33a angeordneten Rippen 30 bezüglich der an dem zweiten Flächenabschnitt 33b angeordneten Rippen 30 radial zueinander versetzt sind. Dadurch kann ein in Fig. 8 illustrierter, kompakter Rohrrohling 35 bereitgestellt werden, bei dem im unverbauten Zustand die in Umgangsrichtung 8 benachbarten Rippen 30 reisverschlussartig ineinandergreifen. Die Rohrrohlinge 35 sind dadurch relativ kompakt bzw. bauen relativ schmalen, sodass sie sich vergleichsweise einfach in die Längsnuten 9 des Rotors 1 einlegen lassen. Furthermore, Fig. 7 shows a sectional view of a section of a rotor 1 for an electrical machine 2 according to a further preferred embodiment. The illustrated embodiment of the rotor 1 differs from the embodiment of the rotor 1 according to Fig. 5 in that the ribs 30 arranged on the first surface section 33a are radially offset from one another with respect to the ribs 30 arranged on the second surface section 33b. This makes it possible to provide a compact tubular blank 35, as illustrated in Fig. 8, in which, in the uninstalled state, the ribs 30 adjacent in the circumferential direction 8 engage with one another like a zipper. The tubular blanks 35 are therefore relatively compact and have a relatively narrow construction, so that they can be inserted comparatively easily into the longitudinal grooves 9 of the rotor 1.
Zuletzt zeigt die Fig. 8 in einer perspektivischen Ansicht einen Abschnitt des im vorangehenden Abschnitt beschriebenen Rohrrohlings 35 in einem unverbauten Zustand, sodass man erkennen kann, dass die in Umgangsrichtung 8 benachbarten Rippen 30 reisverschlussartig ineinandergreifen. Nach dem Innenhochdruckumformen bildet der Rohrrohling 35 das Kühlrohr aus Fig. 7. Weiterhin ist es von Vorteil, wenn der dargestellte Rohrrohling 35 durch ein kostengünstig bereitstellbares Strangpressprofil realisiert ist. Finally, Fig. 8 shows a perspective view of a section of the tube blank 35 described in the previous section in an unassembled state, so that it can be seen that the ribs 30 adjacent in the circumferential direction 8 engage with each other like a zipper. After internal high-pressure forming, the tube blank 35 forms the cooling tube from Fig. 7. Furthermore, it is advantageous if the tube blank 35 shown is cost-effectively available extruded profile is realized.
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