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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors für eine rotierende elektrische Maschine.
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Sie betrifft ferner einen Rotor für eine rotierende elektrische Maschine, insbesondere für einen Elektromotor oder einen Generator.
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In modernen Kraftfahrzeugen werden zunehmend Elektromotoren verbaut. Sie werden dabei insbesondere als im Antriebsstrang vollintegrierte Antriebsmotoren oder in Hybridanwendungen beispielsweise als Startergeneratoren oder Achsmotoren eingesetzt. Dabei kommen zum Teil fremderregte Synchronmaschinen zum Einsatz, die einen Rotor aus einem mit einer Erregerwicklung versehenen Blechpaket aufweisen. Bei derartigen Rotoren sind die bewickelten Polzähne durch Nuten voneinander getrennt.
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Im Betrieb treten sowohl bei Innen- als auch bei Außenläufern hohe Fliehkräfte auf, die die Erregerwicklung aus den Nuten ziehen könnten. Die Fliehkräfte sind von der Drehzahl und von dem Gewicht der Nutinnenkomponenten abhängig. Insbesondere bei hochdrehenden Maschinen wird die Wicklung daher nach der Montage zusätzlich gesichert. Dazu sind verschiedene Bindemittel bekannt, die als Tränkharze oder Vergussmassen eingesetzt werden. Das Vergießen von Hohlräumen im Rotor ist beispielsweise aus der
DE 10 2005 028 047 A1 bekannt.
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Üblicherweise erfolgt das Aushärten der Vergussmasse in einem Durchlaufofen. Derartige Anlagen benötigen jedoch in der Regel viel Platz und nutzen die Wärmeenergie nicht effizient.
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Bei für Elektromotoren mit hoher Drehzahl (10 000 Umdrehungen pro Minute und mehr) ausgelegten Rotoren wäre es zudem vorteilhaft, die Nutinnenkomponenten, insbesondere die Erregerwicklung, noch wirksamer gegen im Betrieb auftretende Fliehkräfte zu sichern.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein besonders effizientes Verfahren zur Herstellung eines Rotors anzugeben. Zudem soll ein Rotor für eine rotierende elektrische Maschine angegeben werden, dessen Erregerwicklung derart gegen Fliehkräfte fixiert ist, dass der Rotor auch für hohe Drehzahlen einsetzbar ist.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors für eine rotierende elektrische Maschine, die als fremderregte Synchronmaschine ausgebildet ist, angegeben, wobei das Verfahren folgendes aufweist:
- – Bereitstellen eines Rotorblechpakets mit einer Anzahl von Polzähnen, wobei die Polzähne Erregerwicklungen tragen und wobei die Erregerwicklungen aus dem Rotorblechpaket zu Schleifringen herausgeführt sind;
- – Umgeben der Erregerwicklungen mit einem Bindemittel;
- – Widerstandstempern des vergossenen Rotorblechpakets durch Anlegen eines elektrischen Stromes über die Schleifringe an die Erregerwicklungen.
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Für die Erregerwicklungen kann ein Backlackdraht verwendet werden oder ein herkömmlicher Wickeldraht aus einem gängigen Material und mit einer beliebigen Querschnittsform.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors für eine rotierende elektrische Maschine angegeben, das folgendes aufweist:
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Es wird ein Rotorblechpaket mit einer Anzahl von Polzähnen bereitgestellt. Die Polzähne werden mit Erregerwicklungen aus einem Backlackdraht bewickelt. Die Erregerwicklungen werden anschließend mit einem Bindemittel umgeben. Es erfolgt ein Widerstandstempern durch Bestromung der Erregerwicklungen zum Verbacken der Erregerwicklungen aus Backlackdraht und zum Tempern der Kunststoffmasse.
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Hierzu kann beispielsweise jeweils wie folgt vorgegangen werden:
Nach dem Bewickeln wird an die Erregerwicklung ein elektrischer Strom angelegt. Falls die Wicklungen zu Schleifringen herausgeführt sind, kann das Anlegen des Stroms über die Schleifringe erfolgen. Es erfolgt ein Vortempern mittels Widerstandsheizen, beispielsweise für 1 bis 2 Stunden bei einer Temperatur von 135°C. Alternativ kann das Vortempern auch anders als durch Widerstandsheizen erfolgen, beispielsweise in einem Durchlaufofen. Dann sind typischerweise etwas längere Temperzeiten erforderlich, beispielsweise 4 Stunden. Anschließend erfolgt das Vergießen oder Tränken, wobei gleichzeitig durch Anlegen eines elektrischen Stroms die notwendige Temperatur gehalten werden kann. Es schließt sich ein Nachtempern an, beispielsweise für 4 Stunden bei 160°C, und ein anschließendes Abkühlen. Dabei sind die Prozessparameter insbesondere abhängig vom verwendeten Bindemittel.
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Das Verfahren ermöglicht eine besonders effiziente Herstellung des Rotors. Der Rotor weist ohnehin mit der Erregerwicklung eine mit elektrischen Anschlüssen versehene Wicklung auf. Die zum Tempern des Bindemittels und zum Verbacken des Backlackdrahtes erforderliche Temperaturbehandlung kann daher als Widerstandstempern durch Bestromung der Erregerwicklung durchgeführt werden. Dadurch kann auf sehr viel Platz beanspruchende Durchlauföfen verzichtet werden.
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Zudem ist das Verfahren sehr energieeffizient, da die elektrische Energie beim Widerstandsheizen der Erregerwicklungen besonders gut ausgenutzt wird. Heizverluste durch nicht vollständig isolierbare Öfen entfallen. Zudem kann der gesamte Herstellungsprozess vergleichsweise schnell ablaufen.
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In einer Ausführungsform umfasst das Widerstandstempern ein erstes Intervall, während dessen die Erregerwicklung auf eine Verbackungstemperatur TB aufgeheizt wird, und ein zweites Intervall, während dessen das Bindemittel unter entsprechenden Temperaturbedingungen getempert wird. Die Temperaturbedingungen werden derart gewählt, dass das Bindemittel nach dem Tempervorgang im Wesentlichen seine Endstruktur erreicht.
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Dabei kann die zeitliche Abfolge der Intervalle unter praktischen Gesichtspunkten gewählt werden. Beispielsweise kann das Verbacken, für das typischerweise eine höhere Temperatur erforderlich ist als für das Tempern, am Anfang oder am Ende des Vergussprozesses durch ein kurzzeitig verstärktes Bestromen erfolgen. Im Übrigen wird das Temperaturprofil praktischen Erfordernissen angepasst, beispielsweise kann es wünschenswert sein, den Tempervorgang mit einer bestimmten Geschwindigkeit ablaufen zu lassen und beispielsweise ein langsames Heizen vorzusehen.
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In einer Ausführungsform erfolgt ein Widerstandstempern zusätzlich vor und/oder während des Umgebens der Erregerwicklungen mit einem Bindemittel.
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In einer Ausführungsform erfolgt das Verbacken der Erregerwicklungen bei einer Verbackungstemperatur TB mit 200°C ≤ TB ≤ 220°C und das Tempern des Bindemittels bei einer bestimmten Temperatur TH mit 120°C ≤ TH ≤ 170°C. Dies sind typische Temperaturbereiche für bekannte Bindemittel und Backlacke. Für bestimmte Anwendungen sind jedoch auch andere Temperaturen denkbar.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Rotor für eine rotierende elektrische Maschine angegeben, der eine Anzahl von eine Erregerwicklung tragenden Polzähnen aufweist. Zwischen den Polzähnen sind jeweils Nuten gebildet. Die Erregerwicklung ist aus einem Backlackdraht ausgebildet und von einem Bindemittel umgeben.
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Unter einem Backlackdraht, teilweise auch als Klebelackdraht bezeichnet, wird dabei hier und im Folgenden ein elektrisch leitender Draht verstanden, der außen eine zusätzliche Back- oder Klebelackschicht aufweist. Die Klebewirkung wird mittels Wärme aktiviert. Nach der Aktivierung bei der Verbackungstemperatur verkleben die einzelnen Windungen zu einer Wicklungseinheit.
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Unter Bindemitteln werden hier und im Folgenden aushärtende Kunststoffe, beispielsweise Duroplaste oder Thermoplaste, verstanden.
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Durch die Kombination der aus Backlackdraht ausgebildeten Erregerwicklung mit dem die Erregerwicklung umgebenden Bindemittel wird die Erregerwicklung besonders gut gegen im Betrieb auftretende Fliehkräfte gesichert. Ein derartiger Rotor ist daher auch für hohe Drehzahlen von 10.000 Umdrehungen pro Minute und mehr geeignet.
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In einer Ausführungsform ist als Bindemittel eine Vergussmasse vorgesehen. Dazu wird nach der Montage des Rotors, nach Aufbringen der Wicklungen die elektrisch isolierende Vergussmasse, beispielsweise ein Vergussharz bzw. Epoxidharz wie Araldit, in die Hohlräume innerhalb der Nuten des Rotors eingebracht und ausgehärtet. In einer Ausführungsform füllt die Vergussmasse die in den Nuten verbliebenen Hohlräume im Wesentlichen vollständig aus.
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Alternativ kann als Bindemittel auch eine Tränkmasse vorgesehen sein, beispielsweise ein Tränkharz. Beim Tränken wird der Rotor in die Tränkmasse getaucht und anschließend getrocknet. Dabei werden alle Nutkomponenten zusammengeklebt, der Rest der Tränkmasse tropft ab. Die Rotornuten werden dabei typischerweise nicht vollständig aufgefüllt.
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Der Backlackdraht weist beispielsweise eine Verbackungstemperatur TB mit 200°C ≤ TB ≤ 220°C auf. Das Bindemittel vernetzt in einem Ausführungsbeispiel bei etwas niedrigeren Temperaturen.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Elektromotor mit dem beschriebenen Rotor angegeben. Der Elektromotor kann insbesondere als fremderregte Synchronmaschine ausgebildet sein. Er kann sowohl als Innen- als auch als Außenläufer ausgebildet sein.
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Da die Nutinnenkomponenten wirksam gegen eine Zerstörung durch auftretende Fliehkräfte gesichert sind, kann der Elektromotor für Drehzahlen von mehr als 10.000 Umdrehungen pro Minute ausgelegt sein.
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Derartige Elektromotoren eignen sich für die Verwendung in einem Kraftfahrzeug. Sie können sowohl als im Antriebsstrang vollintegrierte Antriebsmotoren als auch beispielsweise als Startergeneratoren, Radnaben- oder Achsmotoren eingesetzt werden. Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird deshalb ein Kraftfahrzeug mit einem Antrieb angegeben, der den beschriebenen Elektromotor aufweist. Das Kraftfahrzeug kann dabei als Elektrooder Hybridfahrzeug ausgebildet sein.
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Ausführungsformen der Erfindung werden nun anhand der beiliegenden Figuren näher beschrieben.
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1 zeigt schematisch einen Querschnitt durch einen Elektromotor 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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2 zeigt schematisch ein mögliches Temperaturprofil bei einem Widerstandstempern gemäß einer Ausführungsform der Erfindung und
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3 zeigt schematisch ein weiteres mögliches Temperaturprofil bei einem Widerstandstempern gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Der Elektromotor 1 gemäß 1 weist einen als Blechpaket ausgebildeten Rotor 2 und einen den Rotor 2 umgebenden Stator 3 auf.
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Der Rotor 2 weist eine Anzahl von Polzähnen 4 auf, zwischen denen jeweils Nuten 7 gebildet sind. Die Polzähne 4 tragen Erregerwicklungen 5, die von den Polzähnen 4 beispielsweise durch ein Nutisolierpapier 6 elektrisch isoliert sind. Es kann auch eine andere Form der Isolierung, beispielsweise ein Umspritzen mit einem Kunststoff, gewählt werden.
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Die Erregerwicklungen 5 sind in der gezeigten Ausführungsform aus Backlackdraht ausgebildet. In dieser Ausführungsform wird ein Draht mit einem Durchmesser von etwa 1,18 mm verwendet, der eine äußere Lackschicht aufweist. Die Lackschicht umfasst einen Grundlack und einen Backlack. In einer nicht gezeigten Ausführungsform sind die Erregerwicklungen aus einem herkömmlichen Wickeldraht, insbesondere einem Runddraht, ausgebildet.
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Die Nut 7 wird nach außen hin abgeschlossen durch einen Nutkeil 8. Der Nutkeil 8 ist aus einem nicht magnetisierbaren Material, beispielsweise einem nicht magnetisierbaren Stahl oder einem Kunststoff, ausgebildet. Der Nutkeil 8 sichert die Nutinnenkomponenten im Betrieb zusätzlich. Es kann aber auch auf ihn verzichtet werden.
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Der Nutkeil 8 weist in dieser Ausführungsform ein Material auf, das im Wesentlichen die Legierungszusammensetzung FeRestCraNibMncCdSiePfSgNh auf, worin a, b, c, d, e, f, g und h in Gewichtsprozent angegeben sind und 18 ≤ a ≤ 19; 12 ≤ b ≤ 13; 0 ≤ c ≤ 1,4; 0 ≤ d ≤ 0,055; 0 ≤ e ≤ 0,6; 0 ≤ f ≤ 0,04; 0 ≤ g ≤ 0,008 und 0 ≤ h ≤ 0,1 gilt.
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Gegenüber bekannten "Nirosta"-Stählen weist dieses Material einen besonders hohen Anteil an Chrom und Nickel auf. Wie sich herausgestellt hat, bleiben Werkstücke aus diesem Stahl auch nach dem Umformen, Stanzen oder Schneiden unmagnetisierbar. Wirbelstromverluste in dem Nutkeil 8 werden somit vermieden.
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In der gezeigten Ausführungsform weist der Nutkeil 8 eine konkave Form auf mit einer Aufwölbung 11 zum Innern des Rotors 2 hin. Mit seinen Randbereichen ist der Nutkeil 8 in Ausnehmungen 10 in den Polzähnen 4 aufgenommen und gehaltert.
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Der Nutkeil 8 sichert die Nutinnenkomponenten, insbesondere die Erregerwicklungen 5, auch bei hohen Drehzahlen des Elektromotors 1 zusätzlich in der Nut 7. Darüberhinaus sind zur Sicherung der Erregerwicklung 5 in der Nut 7 verbliebene Hohlräume mit einer Vergussmasse 12 vergossen.
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Bei der Herstellung des Rotors 2 werden zunächst die Polzähne 4 mit den Erregerwicklungen 5 versehen. Dann wird der Rotor 2 in ein nicht gezeigtes Vergusswerkzeug eingebracht und die Hohlräume in der Nut 7 mit einer Vergussmasse 12 gefüllt. Vor oder während des Vergießens kann bereits ein Tempern stattfinden, beispielsweise in einem Durchlaufofen oder durch Widerstandsheizen.
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Es werden nicht gezeigte elektrische Anschlüsse der Erregerwicklungen 5 kontaktiert und die Erregerwicklungen 5 bestromt, so dass sie sich aufheizen. Wenn die Backlackschicht die Verbackungstemperatur TB erreicht, verbacken die Windungen der Erregerwicklung 5 zu einer Wicklungseinheit. Durch das Heizen der Erregerwicklungen 5 wird auch die umgebende Vergussmasse 12 aufgeheizt und in einer geeigneten Temperaturbehandlung getempert.
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2 zeigt ein mögliches Temperaturprofil beim Widerstandstempern. Dabei wird ausgehend von der Raumtemperatur bis auf die Verbackungstemperatur TB aufgeheizt. Diese muss nur kurz gehalten werden, weil zum einen das Verbacken verhältnismäßig schnell erfolgt und zum anderen die Temperatur unmittelbar in der Backlackschicht "ankommt".
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Anschließend wird die etwas niedrigere Temperatur TH für einen längeren Zeitraum gehalten. Dieser Zeitraum muss ausreichend lang sein, dass die gesamte die Erregerwicklungen 5 umgebende Vergussmasse 12 getempert wird und vollständig vernetzen kann.
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3 zeigt ein weiteres mögliches Temperaturprofil beim Widerstandstempern, das sich von dem in 2 gezeigten dadurch unterscheidet, dass das zum Verbacken vorgesehene Zeitintervall mit der erhöhten Temperatur TB gegen Ende des Vergussprozesses erreicht wird.
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Obwohl zumindest eine beispielhafte Ausführungsform in der vorhergehenden Beschreibung gezeigt wurde, können verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden. Die genannten Ausführungsformen sind lediglich Beispiele und nicht dazu vorgesehen, den Gültigkeitsbereich, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration in irgendeiner Weise zu beschränken. Vielmehr stellt die vorhergehende Beschreibung dem Fachmann einen Plan zur Umsetzung zumindest einer beispielhaften Ausführungsform zur Verfügung, wobei zahlreiche Änderungen in der Funktion und der Anordnung von in einer beispielhaften Ausführungsform beschriebenen Elementen gemacht werden können, ohne den Schutzbereich der angefügten Ansprüche und ihrer rechtlichen Äquivalente zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektromotor
- 2
- Rotor
- 3
- Stator
- 4
- Polzahn
- 5
- Erregerwicklung
- 6
- Nutisolierpapier
- 7
- Nut
- 8
- Nutkeil
- 10
- Ausnehmung
- 11
- Aufwölbung
- 12
- Vergussmasse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005028047 A1 [0004]
