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Die Erfindung betrifft eine Rotorwelle eines Elektromotors, insbesondere eine Rotorwelle einer stromerregten Synchronmaschine.
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Elektromotoren zur Verwendung als elektrische Traktionsmaschine für Hybrid- und Elektrofahrzeuge müssen eine hohe Leistungsdichte und einen sehr guten Wirkungsgrad bei möglichst geringen Kosten haben. Um die erwünschte Leistungsdichte zu erreichen, werden hochdrehende Elektromotoren eingesetzt, die jedoch auch höheren mechanischen Belastungen unterworfen sind.
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Stromerregte Synchronmaschine bieten den Vorteil, dass zu ihrer Fertigung keine seltenen Erden benötigt werden, da das Rotormagnetfeld durch stromdurchflossene Wicklungen erzeugt wird. Mit dieser Bauweise lassen sich die Kosten senken. Die Rotorwelle dient bei bekannten Konzepten sowohl der Lagerung des Rotors und der Kraftübertragung zu angetriebenen Bauteilen als auch der Stromversorgung der Rotorwicklungen.
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Die
DE 23 32 700 B2 zeigt eine Kupplung zwischen einem Generatorläufer und einer Schleifringwelle eines Generators, bei der die beiden Bauteile an einer Schulter aneinandergrenzen und Kühlmittelkanäle durch beide Bauteile verlaufen und elektrische Zuleitungskabel in separaten Kanälen geführt sind.
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Die
DE 1 269 236 A zeigt eine Kupplung in einer Rotorwelle eines Elektromotors, bei der die beiden Bauteile an einer Schulter aneinandergrenzen und Kühlmittelkanäle in Ausnehmungen von elektrischen Zuleitungen verlaufen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Rotorwelle zu schaffen, die hohen mechanischen Belastungen standhält und die einfach und kostengünstig zu fertigen ist.
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Diese Aufgabe wird mit einer Rotorwelle eines Elektromotors mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Es hat sich herausgestellt, dass eine derartige Rotorwelle im Betrieb des Elektromotors eine deutlich höhere Eigensteifigkeit und Stabilität und auch deutlich bessere Schwingungseigenschaften aufweist als herkömmliche Rotorwellen. Dies erlaubt, eine höhere Maximaldrehzahl vorzusehen oder, bei einer geringeren Maximaldrehzahl, eine Reduktion der Materialstärke.
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Das Stromübertragungsmodul umfasst einen Grundkörper aus einem ersten Material und elektrische Kontaktelemente aus einem zweiten Material, die am Grundkörper vorgesehen sind.
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Das erste Material ist vorzugsweise das Material des Wellenkörpers.
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Das zweite Material sollte gut elektrisch leitend sein und kann beispielsweise Kupfer sein.
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Die elektrischen Kontaktelemente umfassen Leitungsbahnen vorgesehen, die in im Grundkörper vorgesehenen Kontaktierungs-Kanälen verlaufen, wobei die Kontaktierungs-Kanäle elektrisch leitend mit an einer Umfangsfläche des Grundkörpers angeordneten Kontaktstellen verbunden sind. Die Kontaktstellen dienen der elektrischen Verbindung mit den Rotorwicklungen, und die Kontaktierungs-Kanäle verbinden die Kontaktstellen elektrisch leitend mit dem Leiterbahmen im Inneren des Hohlraums. Ein Großteil der elektrischen Kontaktierung der Rotorwicklungen kann auf diese Weise im Inneren des Grundkörpers geschützt angeordnet werden.
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Zusätzlich sind im Grundkörper Kühlfluid-Kanäle vorgesehen sind, die vom wellenkörperseitigen Ende ausgehen und die an einer Außenseite des Stromübertragungsmoduls münden und die mit einem Innenraum des Wellenkörpers in Fluidverbindung stehen. Kühlfluid, dass durch den Innenraum des Wellenkörpers fließt, gelangt durch die Kühlfluid-Kanäle in Wärmekontakt mit dem Stromübertragungsmodul und kann dieses somit kühlen.
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Die Kühlfluid-Kanäle sind in Umfangsrichtung versetzt zu den Kontaktierungs-Kanälen angeordnet, um den Platz am Grundkörper des Stromübertragungsmoduls optimal auszunutzen.
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Zur Fertigung der Rotorwelle wird vorzugsweise der Wellenkörper auf das Stromübertragungsmodul aufgepresst, sodass das wellenkörperseitige Ende des Stromübertragungsmoduls in die Aufnahme ragt und innerhalb des Wellenkörpers liegt.
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Die gesamte Rotorwelle lässt sich mit einem über ihre gesamte Länge im Wesentlichen gleichbleibenden Außendurchmesser gestalten. Insbesondere müssen keine Stufen, Schultern oder Absätze in der Außenoberfläche des Wellenkörpers vorgesehen sein, die der Befestigung des Stromübertragungsmoduls dienen.
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Die Außenoberfläche des wellenkörperseitigen Endes des Stromübertragungsmoduls ist vorzugsweise über den überwiegenden Anteil in formschlüssigem Kontakt mit der Innenseite der Aufnahme, sodass eine stabile Verbindung zwischen Wellenkörper und Stromübertragungsmodul gebildet ist.
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Das wellenkörperseitige Ende des Stromübertragungsmoduls weist beispielsweise einen axialen Vorsprung auf, der in einer umlaufenden Schulter endet, wobei das wellenkörperseitige Ende des Stromübertragungsmoduls so weit in die Aufnahme am Ende des Wellenkörpers ragt, dass die Schulter an einer Endfläche des Wellenkörpers anliegt. Die Endfläche bildet dabei vorzugsweise auch das axiale Ende des Wellenkörpers. Der Wellenkörper und das Stromübertragungsmodul können in diesem Fall so zusammengefügt werden, dass eine durchgehende Außenoberfläche mit gleichbleibendem Durchmesser am Übergang zwischen dem Wellenkörper und dem Stromübertragungsmodul entsteht. Es hat sich herausgestellt, dass sich so das Schwingungsverhalten der Rotorwelle weiter verbessern lässt.
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Der Grundkörper stellt die tragende stabile Komponente des Stromübertragungsmoduls dar, während die elektrischen Kontaktelemente der elektrischen Kontaktierung der Motorwicklungen dienen, aber keine hohen Kräfte aufnehmen müssen.Vorzugsweise umfasst der Grundkörper einen Hohlraum in seinem Inneren, der gegenüber einem Innenraum des Wellenkörpers abgeschlossen ist, insbesondere gegen Kühlfluid gedichtet. Diese Geometrie lässt sich beispielsweise dadurch erreichen, dass der Vorsprung am wellenkörperseitigen Ende des Stromübertragungsmoduls eine geschlossene Stirnwand aufweist, die gegebenenfalls einstückig mit dem Vorsprung ausgebildet ist.
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Der Hohlraum im Grundkörper lässt sich ausnutzen, um die elektrischen Kontaktelemente geschützt im Inneren des Stromübertragungsmoduls anzuordnen, wobei vorzugsweise die elektrischen Kontaktelemente an einer Innenseite des Innenraums verlaufende Leitungsbahnen umfassen. Auf diese Weise kann auf Kabel oder andere bewegliche Bauteile zur Stromführung weitestgehend oder vollständig verzichtet werden. Die Kontaktelemente können mit jedem geeigneten bekannten Verfahren auf den Grundkörper aufgebracht werden.
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Die Leitungsbahnen und Kontaktstellen werden vorzugsweise nach der Fertigung des Grundkörpers auf dessen Oberfläche und in die Kontaktierungs-Kanäle aufgebracht, beispielsweise, indem Bahnen aus dem zweiten Material auf Oberflächen des Grundkörpers aufgetragen werden. Um die Materialdicke der Leitungsbahnen zu erhöhen, können beispielsweise entsprechende Vertiefungen oder Nuten im Grundkörper vorgefertigt sein, durch Bohren, Fräsen oder durch eine entsprechende Formgebung, falls der Grundkörper ein Gussteil ist.
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Die Kontaktierungs-Kanäle können vollständig mit dem zweiten Material verfüllt sein, sodass sie auch die Abdichtung des Hohlraums im Bereich der Kontaktstellen bewirken.
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Zur externen elektrischen Kontaktierung des Stromübertragungsmoduls sind vorzugsweise an einer Außenseite des Stromübertragungsmoduls an dessen dem Wellenkörper abgewandten Ende zwei Schleifringe angeordnet, wie dies herkömmlich bekannt ist. Die Schleifringe bestehen aus einem geeigneten, gut elektrisch leitfähigen Material, wobei ein anderes Material als das zweite Material verwendet werden kann. Die Schleifringe werden beispielsweise nach der Fertigung des Grundkörpers auf diesen aufgepresst.
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Die Kontaktstellen sind vorzugsweise in Axialrichtung entlang der Rotorwelle entfernt von den Schleifringen angeordnet, wobei die elektrische Verbindung über die im Inneren des Grundkörpers verlaufenden Leitungsbahnen und die Kontaktierungs-Kanäle erfolgt.
- - Vorzugsweise verlaufen die Kühlfluid-Kanäle entlang des Vorsprungs in Axialrichtung, sodass ausreichend Wärme auf das Kühlfluid übertragen werden kann, um das gesamte Stromübertragungsmodul ausreichend zu kühlen. Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. In den
- Zeichnungen zeigen:1 eine schematische Explosionsdarstellung eines Rotors einer stromerregten Synchronmaschine;
- - 2 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Rotorwelle;
- - 3 eine schematische perspektivische Darstellung eines Wellenkörpers der Rotorwelle aus 2;
- - 4 eine schematische perspektivische Darstellung eines Stromübertragungsmoduls der Rotorwelle aus 2;
- - 5 eine schematische vergrößerte Schnittansicht des Übergangs vom Wellenkörper zum Stromerzeugungsmodul der Rotorwelle aus 2; und
- - 6 und 7 schematische perspektivische Schnittansichten des Stromübertragungsmoduls aus 4.
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1 zeigt eine Prinzipskizze eines Rotors 10 einer stromerregten Synchronmaschine (nicht näher dargestellt). Eine Rotorwelle 12 erstreckt sich durch den gesamten Rotor 10 und dient sowohl der Lagerung sowie der Übertragung der Abtriebskraft als auch der Stromversorgung von auf einem Träger 14 aufgenommenen Rotorwicklungen 16, die meist aus einem Kupferdraht bestehen.
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Elektrische Anschlüsse, herkömmlich in Form von zwei Schleifringen 18 an einem axialen Ende der Rotorwelle 12, stehen in elektrischen Kontakt mit einer externen Stromquelle (nicht dargestellt). Elektrischer Strom wird beispielsweise über Bürsten in Kontakt mit der Schleifringen 18 zu den Rotorwicklungen 16 übertragen.
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Die 2 bis 7 zeigen eine erfindungsgemäße Rotorwelle 12.
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Die Rotorwelle 12 ist aus zwei einzelnen, separat vorgefertigten Bauteilen zusammengesetzt, nämlich einem Wellenkörper 20 sowie einem Stromübertragungsmodul 22, die in Axialrichtung A entlang der Längserstreckung der Rotorwelle 12 hintereinander angeordnet sind.
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Das zum Stromübertragungsmodul 22 gerichtete Ende des Wellenkörpers 20 ist rohrförmig und offen gestaltet und endet in einer ringförmigen Endfläche 24 (siehe beispielsweise 3). Dieses offene Ende bildet eine Aufnahme 26 mit einer im Wesentlichen zylindrischen Innenwand.
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In diesem Beispiel geht die Aufnahme 26 ohne Änderung des Innendurchmessers des Wellenkörpers 20 in einen hohlen Innenraum 28 des Wellenkörpers über, der sich in Axialrichtung A durch den gesamten Wellenkörper 20 erstreckt.
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Der Wellenkörper 20 hat in diesem Beispiel über seine gesamte Längserstreckung im Wesentlichen denselben Außendurchmesser.
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An dem der Aufnahme 26 gegenüberliegenden Ende ist an einer Innenfläche des Wellenkörpers eine Verzahnung 30 ausgebildet, mittels der eine Abtriebswelle mit der Rotorwelle 12 gekoppelt werden kann.
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Das Stromübertragungsmodul 22 weist an seinem wellenkörperseitigen Ende 32 einen zylindrischen (hier kreiszylindrischen) Vorsprung 34 auf, dessen Durchmesser und Außenkontur an den Durchmesser und die Innenkontur der Aufnahme 26 angepasst ist. In Axialrichtung A wird der Vorsprung 34 durch eine Schulter 38 begrenzt.
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Der Wellenkörper 20 wird bei der Fertigung der Rotorwelle 12 so auf das wellenkörperseitige Ende 32 des Stromübertragungsmoduls 22 aufgepresst, dass der Vorsprung 34 in der fertigen Rotorwelle 12 vollständig im Inneren der Aufnahme 26 angeordnet ist und die Schulter 38 an der Endfläche 24 des Wellenkörpers 20 anliegt.
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An der Außenumfangsfläche des Vorsprungs 34 sind mehrere in Axialrichtung A verlaufende Nuten vorgesehen, die Kühlfluidkanäle 40 bilden und die am wellenkörperseitigen Ende 32 des Stromübertragungsmoduls 22 in Fluidverbindung mit dem Innenraum 28 des Wellenkörpers 20 stehen. Dies ist in den 2 und 6 dargestellt.
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Mit Ausnahme der Kühlfluidkanäle 40 liegt die Außenumfangsfläche des Vorsprungs 34 flächig und formschlüssig an der Innenseite der Aufnahme 26 des Wellenkörpers 20 an. Dies ist beispielsweise in 5 zu erkennen.
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Im Stromübertragungsmodul 22 verlaufen die Kühlfluidkanäle 40 teilweise als geschlossene Kanäle, bis sie in Axialrichtung A entfernt vom wellenkörperseitigen Ende 32 an der Außenumfangsfläche des Stromübertragungsmoduls 22 in Austrittsstellen 42 münden.
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Kühlfluid aus dem Innenraum 28 des Wellenkörpers 20 kann so durch die Kühlfluidkanäle 40 entlang des Vorsprungs 34 des Stromübertragungsmoduls 22 bis zu den Austrittsstellen 42 strömen und so das Stromübertragungsmodul 22 kühlen.
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Das Stromübertragungsmodul 22 weist einen starren, formstabilen Grundkörper 44 auf, der hier aus demselben Material besteht wie der Wellenkörper 20.
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Im Inneren des Grundkörpers 44 ist ein Hohlraum 46 vorgesehen, der gegenüber dem Innenraum 28 des Wellenkörpers 20 fluiddicht abgeschlossen ist, hier durch eine Stirnwand 47, die den Hohlraum 46 vom Innenraum 28 trennt. Auch die Kühlfluidkanäle 40 stellen keine Fluidverbindung zum Hohlraum 46 her, sodass der Hohlraum 46 stets frei von Kühlmittel bleibt.
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Am Grundkörper 44 sind elektrische Kontaktelemente 48 angeordnet, die aus einem zweiten, vom ersten Material des Grundkörpers 44 verschiedenen, elektrisch gut leitfähigen Material wie beispielsweise Kupfer bestehen.
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In diesem Beispiel ist das wellenkörperferne Ende 50 des Grundkörpers 44 zum Hohlraum 46 offen. Das zweite Material ist in Form von mehreren Leiterbahnen 52 auf den Grundkörper 44 aufgebracht, die von der Außenumfangsfläche des Grundkörpers 44 über das offene Ende und an der Innenwand des Hohlraum 46 bis zu im Grundkörper 44 ausgebildeten Kontaktierungs-Kanälen 54 (siehe 5 und 7) und durch diese radial nach außen zu jeweils einer Kontaktstelle 56 an einer Umfangsfläche des Grundkörpers 44 verlaufen. Die Kontaktstellen 56 sind in Axialrichtung A beabstandet vom wellenkörperfernen Ende 50.
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Jeweils ein elektrisches Kontaktelement 48 ist hier mit einem Schleifring 18 am wellenkörperfernen Ende 50 des Grundkörpers 44 elektrisch verbunden, beispielsweise indem die Schleifringe 18 auf das Ende 50 und die dort angeordneten elektrischen Kontaktelemente 48 aufgepresst sind.
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Die Schleifringe 18 können aus einem anderen Material als dem zweiten Material bestehen, das gegebenenfalls eine höhere mechanische Verschleißfestigkeit aufweist, wenn vorgesehen ist, dass die Schleifringe 18 durch Bürsten kontaktiert werden.
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Die elektrischen Kontaktelemente 48, die Leiterbahnen 52, die Kontaktierungs-Kanäle 54 und die Kontaktstellen 56 sind so ausgebildet und angeordnet, dass zwei separate elektrische Leitungen von jeweils einem Schleifring 18 zu einer Kontaktstelle 56 verlaufen. Die beiden Kontaktstellen 56 sind im fertigen Rotor 10 mit den Rotorwicklungen 16 verbunden und dienen der Stromversorgung der Rotorwicklungen 16. Die beiden elektrischen Leitungen sind natürlich in ihrem Verlauf elektrisch gegeneinander isoliert, um einen kurzschlussfreien geschlossenen Stromkreis über die beiden Schleifringe 18 und die Rotorwicklungen 16 herstellen zu können.
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Selbstverständlich könnten weitere elektrische Kontaktelemente 48, Leiterbahnen 52, Kontaktierungs-Kanäle 54 und Kontaktstellen 56 vorgesehen sein, um weitere elektrische Leitungen für andere Zwecke zu realisieren.
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Die Kontaktierungs-Kanäle 54 können von den Kontaktstellen 56 bis in den Hohlraum 46 vollständig mit dem zweiten Material der elektrischen Kontaktelemente 48 verfüllt sein.
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Es ist möglich, im Bereich der elektrischen Kontaktelemente 48, insbesondere an der Innenseite des Hohlraums 46, geeignet geformte Vertiefungen oder Nuten vorzusehen, die mit dem zweiten Material verfüllt sind.
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Die Kontaktierungs-Kanäle 54 und die Kontaktstellen 56 sind gegenüber den Kühlfluidkanälen 40 und deren Austrittsstellen 42 entlang des Umfangs des Grundkörpers 44 versetzt und haben keine Überschneidungen.
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Der Grundkörper 44 kann auf jede geeignete Weise hergestellt sein, beispielsweise durch ein Gussverfahren, gegebenenfalls kombiniert mit Bohr- und/oder Frässchritten, um die Kühlfluidkanäle 40, die Kontaktierungs-Kanäle 54 sowie andere geometrische Elemente herzustellen.
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In diesem Beispiel ist die Rotorwelle 12 im Bereich des Stromübertragungsmoduls 22 gelagert (siehe Lager 60 in 5). Hierzu kann vorgesehen sein, dass sich der Grundkörper 44 des Stromübertragungsmoduls 22 in Axialrichtung A anschließend an die Schulter 38 verjüngt, sodass das Ende 50 des Stromübertragungsmoduls 22 in das Lager 60 eingeschoben werden kann.
