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Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine nach Gattung des unabhängigen Anspruchs. Die Erfindung betrifft weiterhin auch ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Rotors sowie eine elektrische Maschine mit einem solchen Rotor.
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Stand der Technik
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Für elektrische Traktionsantriebe, beispielsweise für Elektro- oder Hybrid-Kraftfahrzeuge, werden heute zunehmend elektrisch erregte Synchronmaschinen eingesetzt, da sich diese durch eine große Drehzahlspreizung und einen breiten Drehzahlbereich mit hohen Wirkungsgrad auszeichnen. Der hohe Wirkungsgrad hat insbesondere darin seine Ursache, dass im Feldschwächbereich, also insbesondere bei hohen Drehzahlen und niedriger Last, die Feldschwächung direkt im Rotor durchführbar ist. Der zur Rotorerregung notwendige magnetische Fluss wird durch Erregerspulen um die Schenkel bzw. Pole des Rotors erzeugt. Die Spulenwicklungen werden bevorzugt um Zähne des Rotors gewickelt.
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Häufig sind derartige Maschinen als Schenkelpolmaschinen ausgeführt, welche insbesondere konzentrierte Wicklungen um die Pole (Statorpole und/oder Rotorpole) bzw. Zähne aufweisen. Der zur Rotorerregung notwendige magnetische Fluss wird durch Erregerspulen um die Schenkel bzw. Pole des Rotors erzeugt.
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In der Regel werden Spulenwicklungen aus einem Kupferdraht gewickelt. Die einzelnen Drähte werden durch die hohen Drehzahlen - typischerweise bis zu 20.000 Umdrehungen pro Minute - und die daraus resultierenden Fliehkräfte aus dem Rotor gezogen. Daher müssen die Spulenwicklungen des Rotors gegen zu hohe Fliehkräfte abgesichert werden. Bekannte Möglichkeiten zur Festigkeitssteigerung den Rotor zu Bandagieren, Nutkeile in die Nuten zwischen die Spulenwicklungen einzuführen und/oder den Rotor bzw. die Spulenwicklungen mit einem Lack, Harz oder Kunststoff zu Vergießen
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Zur Steigerung der Effizienz der elektrischen Maschine wird bevorzugt versucht, den magnetischen Fluss der Rotorpole zu erhöhen. Bevorzugt wird angestrebt, auf den Spulenwicklungen des Rotors möglichst viele Windungen anzubringen und diese mit einem möglichst hohen Strom zu betrieben, also bevorzugt Spulenwicklungen mit einem geringen elektrischen Wiederstand zu verwenden. Dazu wird beispielsweise versucht, die Rotornuten mit möglichst vielen Windungen mit einem möglichst großen Drahtdurchmesser zu füllen. Die Effizienz kann also gesteigert werden, wenn das zur Verfügung stehende Nutvolumen zwischen zwei Zähnen so weit wie möglich mit Spulenwicklungen gefüllt wird. Das wird auch als Erhöhung des Nutfüllfaktors, Kupferfüllfaktors oder Kupferfüllgrads bezeichnet.
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Die Maßnahmen zur Festigkeitssteigerung der Spulenwicklungen des Rotors verringern tendenziell den Kupferfüllfaktor. So benötigen beispielsweise Bandagen und/oder Nutkeil innerhalb der Nut Bauraum, welcher sonst mit Windungen der Spulenwicklungen gefüllt sein könnte, welche den magnetischen Fluss erhöhen würden.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Rotor bereitzustellen, welcher die Effizienz einer elektrischen Maschine verbessern kann. Weiterhin soll der Rotor robuste Spulenwicklungen aufweisen, welche auch bei hohen Fliehkräften nicht aus den Rotornuten herausgedrückt werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile
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Die vorliegende Erfindung beschreibt einen Rotor für eine elektrische Maschine, wobei der Rotor eine Mehrzahl an Zähnen aufweist. Der Rotor weist eine Mehrzahl von Spulenwicklungen um die Zähne auf. Es ist vorgesehen, dass wenigstens ein Zahn zumindest abschnittsweise eine Kohlefaserspulenwicklung aufweist, welche wenigstens eine stromleitende Kohlefaser aufweist und als Erregerwicklung eingerichtet ist.
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Das hat den Vorteil, dass die Kohlefaserspulenwicklung die Spulenwicklung des wenigstens einen Zahns stützt und so gegenüber dem Einfluss von einer Fliehkraft im Betrieb des Rotors stabilisiert und ihre Festigkeit steigert. Gleichzeitig wird dadurch, dass die Kohlefaserspulenwicklung als Erregerwicklung vorgesehen ist, der Nutfüllfaktor des Rotors erhöht.
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Dabei soll unter einer elektrischen Maschine insbesondere ein Elektromotor verstanden werden, bevorzugt einen rotativer Elektromotor mit einem Stator und einem Rotor. Ein Stator ist üblicherweise dazu eingerichtet, Erregerspulen aufzunehmen. Die Erregerspulen können im Betrieb der elektrischen Maschine ein zeitlich veränderliches Magnetfeld, insbesondere Drehfeld erzeugen, welches dazu vorgesehen ist, den Rotor in Rotation zu versetzten. Der Rotor bzw. der Läufer des Elektromotors weist bevorzugt stromkommutierte Spulen für die Magnetfelderzeugung auf. Gemäß der vorliegenden Erfindung ist der Rotor als Innenläufer ausgebildet.
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Bevorzugt ist der Rotor weitgehend zylinderförmig ausgebildet. Darunter soll insbesondere verstanden werden, dass der Rotor im Wesentlichen zylindersymmetrisch ausgebildet ist, wobei die Zylinderachse weitgehend der Rotationsachse entspricht, um die sich im Betrieb der Rotor der elektrischen Maschine dreht. Beispielsweise kann die räumliche Ausdehnung des weitgehend zylinderförmig ausgebildeten Rotors durch einen virtuellen, gedachten Zylinder um die Rotationsachse bzw. Zylinderachse begrenzt sein, insbesondere kann ein gedachter Radius um die Zylinderachse existieren, innerhalb welchen der Rotor angeordnet ist. Beispielsweise ist es denkbar, dass die Maschinenkomponente ein zylinderförmiges Grundelement aufweist, von welchem aus sich die Zähne erstrecken.
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Bevorzugt erstrecken sich die Zähne des Rotors radial nach außen. Die Zähne sind entlang des Umfangs des Rotors angeordnet. Zwischen den Zähnen sind Nuten angeordnet, welche sich in Richtung der Rotationsachse erstrecken. Darunter, dass zwischen zwei Zähnen eine Nut angeordnet ist, soll insbesondere verstanden werden, dass die Nut in Umfangsrichtung zwischen den beiden Zähnen angeordnet ist.
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Eine Spulenwicklung wird insbesondere durch einen Draht, bevorzugt einem Metalldraht, besonders bevorzugt Kupferdraht, ausgebildet, welcher mindestens einmal, bevorzugt mehrfach um einen Pol gewickelt ist, welcher in einer radialen Richtung des Rotors ausgerichtet ist. Beispielsweise kann die Spulenwicklung durch zwei unterschiedliche Nuten gewickelt werden. Bevorzugt verläuft eine Windung eines Drahtes einer Spulenwicklung von einer ersten Stirnseite des Rotors durch eine erste Nut zur zweiten Stirnseite, anschließend entlang der zweiten Stirnseite zur einer zweiten Nut, dann durch die zweite Nut zurück zur ersten Stirnseite und dann entlang der ersten Stirnseite zurück zur ersten Stirnseite, wo der Umlauf dieser Windung beendet. Anschließend kann der Draht mit dem gleichen Weg um den Rotor eine nächste Windung bilden. Typischerweise weist eine Spulenwicklung eine Vielzahl von Windungen auf. Es ist vorgesehen, dass die Spulenwicklung im Betrieb der elektrischen Maschine bestromt wird und ein magnetisches Feld ausbildet. Die Ausrichtung des Pols des magnetischen Feldes kann mit einer radialen Haupterstreckungsrichtung von einem der Zähne zusammenfallen, um welche die Spulenwicklung gewickelt ist.
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Die Spulenwicklung kann insbesondere als Zahnwicklung ausgebildet sein. Unter einer Zahnwicklung soll insbesondere eine Wicklung verstanden werden, welche um genau einen Zahn gewickelt ist und abschnittsweise durch die beiden an den Zahn angrenzenden Nuten verläuft. Eine solche Wicklung wird auch als Einzelzahnwicklung bezeichnet. Der Pol des magnetischen Feldes fällt bei Zahnwicklungen typischerweise mit der Achse der Haupterstreckungsrichtung des Zahns zusammen. Eine Zahnwicklung wird typischerweise mit der Nadelwickeltechnik oder mit Hilfe von Leitblechen angebracht. In beiden Fällen wird ein freier Bereich in der Nut benötigt, in welchen die Windungen der Zahnwicklung nicht hineinreichen, entweder als Wickelgasse für die Nadel beim Nadelwickeln oder als freier Raum zum Einführen des Leitblechs.
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Die Spulenwicklung kann als Sehnenwicklung ausgebildet sein. Unter einer Sehnenwicklung soll insbesondere eine Wicklung verstanden werden, welche anders als die Zahnwicklung um mehr als einen Zahn gewickelt ist. Insbesondere kann eine Sehnenwicklung durch zwei Nuten gewickelt werden zwischen welchen entlang des Umfangs der Maschinenkomponente wenigstens eine weitere Nut angeordnet ist, durch welche die Sehnenwicklung nicht verläuft. Eine Sehnenwicklung kann beispielsweise durch Flyerwickeln angebracht werden.
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Unter einer Kohlefaserspulenwicklung soll insbesondere eine Spulenwicklung verstanden werden, welche überwiegend aus einer Kohlefaser ausgebildet, wobei die Kohlefaser wie der Draht einer herkömmlichen Spulenwicklung zum Führen von Strom und Ausbilden eines Magnetfelds vorgesehen ist. Darunter, dass die Kohlefaserspulenwicklung überwiegend aus eines Kohlefaser ausgebildet ist soll insbesondere verstanden werden, dass die Kohlefaserspulenwicklung zu wenigstens 50%, bevorzugt wenigstens 80%, besonders bevorzugt wenigstens 90% aus der Kohlefaser ausgebildet ist, bezogen auf das Volumen. Bevorzugt ist die Kohlefaserspulenwicklung im Wesentlichen aus der Kohlefaser ausgebildet und weist optional weitere Bindemittel auf, wie beispielsweise ein Harz oder ein Kunststoff, insbesondere zur Festigkeitssteigerung. Insbesondere kann die Kohlefaserspulenwicklung als Zahnwicklung oder als Sehnenwicklung ausgebildet sein.
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Unter einer Kohlefaser soll eine Faser verstanden werden, welche graphitartig angeordneten Kohlenstoff aufweist. Durch eine anisotrope Anordnung der graphitartigen Schichten zeichnet sich die Kohlefaser insbesondere durch eine hohe Festigkeit und Steifigkeit in einer axialen Richtung aus. Eine Kohlefaser wird manchmal auch als Kohlenstofffaser oder Karbonfaser bezeichnet.
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Darunter, dass der Zahn zumindest abschnittsweise die Kohlefaserspulenwicklung aufweist, soll insbesondere verstanden werden, dass die Kohlefaserspulenwicklung zumindest abschnittsweise am Zahn und/oder an einer Spulenwicklung des Zahns anliegt. Bevorzugt ist die Kohlefaserspulenwicklung zumindest teilweise in wenigstens einer der zum Zahn benachbarten Nuten angeordnet. Besonders bevorzugt verläuft die Kohlefaserspulenwicklung abschnittsweise in Axialrichtung bzw. Rotationsrichtung entlang einer Nut. Es ist denkbar, dass die Kohlefaserspulenwicklung zumindest teilweise in einem in einer Nut angeordneten Zwischenraum zwischen zwei Zahnwicklungen bzw. Spulenwicklungen von zueinander benachbarten Zähnen verläuft.
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Die Kohlefaserspulenwicklung soll insbesondere die Festigkeit des Rotors bzw. der Spulenwicklungen erhöhen. Es ist denkbar, dass die Kohlefaserspulenwicklung mit einer Spannung um den Rotor aufgewickelt bzw. beaufschlagt wird, was eine besonders gute mechanische Stabilisierung des Rotors bzw. der Spulenwicklungen ermöglicht.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Merkmale sind vorteilhafte Weiterbildungen des Rotors möglich.
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Ist die Kohlefaserspulenwicklung als paralleler Zweig von wenigstens einer Spulenwicklung geschaltet, kann die Kohlefaserspulenwicklung zusammen mit der Spulenwicklung als verteilte Wicklung wirken. Vorteilhaft weisen die magnetischen Pole der Kohlefaserspulenwicklung und der Spulenwicklung die gleiche Ausrichtung auf. Beispielsweise ist es denkbar, dass die Spulenwicklung als Zahnwicklung um einen Zahn ausgebildet ist und dass die Kohlefaserspulenwicklung als Zahnwicklung um den gleichen Zahn ausgebildet ist.
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Der Rotor wird weiter verbessert, wenn die Kohlefaserspulenwicklung einen Leiter aus Graphen aufweist, wenn die Kohlefaserspulenwicklung Kohlenstoffnanoröhrchen aufweist. Graphen zeichnen sich durch eine besonders hohe Zugfestigkeit und Strombelastbarkeit aus. Insbesondere hat Graphen eine sehr viel höhere spezifische Festigkeit als Kupfer. Zusätzlich hat Graphen eine hohe Wärmeleitfähigkeit, so dass die Kohlefaserspulenwicklung zusätzlich zur Kühlung bzw. thermischen Entlastung des Rotors beitragen kann.
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Eine weitere Verbesserung liegt vor, wenn die Kohlefaserspulenwicklung Kohlenstoffnanoröhrchen aufweist. Kohlenstoffnanoröhrchen weisen im Wesentlichen die vorteilhaften Eigenschaften von Graphen und stellen quasi die eindimensionale Form des zweidimensionalen Graphens dar. Kohlenstoffnanoröhrchen werden auch als CNTs oder Carbon Nanotubes bezeichnet.
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Die mechanische Stabilisierung des Rotors wird verbessert, wenn die Kohlefaserspulenwicklung wenigstens um eine Spulenwicklung gewickelt ist. Darunter, dass die Kohlefaserspulenwicklung um eine Spulenwicklung gewickelt ist, soll insbesondere auch verstanden werden, dass die Kohlefaserspulenwicklung im Wesentlichen an der einen Spulenwicklung anliegt. Insbesondere soll darunter verstanden werden, dass die Kohlefaserspulenwicklung in der Nut im Wesentlichen an der einen Spulenwicklung anliegt. Darunter, dass die Kohlefaserspulenwicklung um eine Spulenwicklung gewickelt ist, kann insbesondere auch verstanden werden, dass die Kohlefaserspulenwicklung abschnittsweise durch die gleichen Nuten verläuft wie die eine Spulenwicklung. Bevorzugt ist die Kohlefaserspulenwicklung um eine Spulenwicklung gewickelt, welche als Zahnwicklung ausgebildet ist.
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Bevorzugt entspricht der Wickelsinn der Kohlefaserspulenwicklung dem Wickelsinn der Spulenwicklung, um welche die Kohlefaserspulenwicklung gewickelt ist.
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Ist die Kohlefaserspulenwicklung um einen einzelnen Zahn gewickelt, wird eine besonders hohe mechanische Festigkeit der Kohlefaserspulenwicklung erreicht. Eine Wicklung um einen einzelnen Zahn wird auch als Zahnwicklung oder Einzelzahnwicklung bezeichnet. Bevorzugt ist dabei die als Zahnwicklung ausgebildete Kohlefaserspulenwicklung um eine als Zahnwicklung ausgebildete, um einen einzelnen Zahn gewickelte Spulenwicklung gewickelt. Auf diese Weise wird die Spulenwicklung besonders zuverlässig durch die Kohlefaserspulenwicklung gestützt.
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Bevorzugt entspricht der Wickelsinn der als Zahnwicklung ausgebildeten Kohlefaserspulenwicklung dem Wickelsinn der als Zahnwicklung ausgebildeten Spulenwicklung um den gleichen Zahn.
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Die mechanische Festigkeit wird weiter erhöht, wenn die Kohlfaserspulenwicklung als Sehnenwicklung ausgebildet ist. Durch die Sehnen werden die axialen Stirnseiten des Rotors besonders gut durch die Kohlefaserspulenwicklungen abgedeckt. Auf diese Weise ergibt sich ein besonders guter Halt gegen die Fliehkräfte, insbesondere können die Abschnitte der Spulenwicklung, die entlang der axialen Stirnseiten des Rotors verlaufen, besonders gut abgestützt werden.
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Eine weitere Verbesserung liegt vor, wenn die Kohlefaserspulenwicklung als Wellenwicklung um die Zähne gewickelt ist, wobei die Kohlefaserspulenwicklung für jeweils benachbarte Zähne um gegenüberliegende axiale Stirnseiten des Rotors bzw. der Zähne verläuft und durch die dazwischenliegende Nut verläuft. Auf diese Weise wird der axiale Überstand der Kohlefaserspulenwicklung, manchmal auch als Wickelkopf bezeichnet, minimiert. Das ermöglicht die Konstruktion eines besonders kompakten Rotors. Zusätzlich verläuft auf diese Weise die Kohlefaserspulenwicklung diagonal bzw. schräg durch die Nuten und ermöglicht so eine besonders gute Fixierung der zuvor eingebrachten bzw. darunter angeordneten Spulenwicklungen.
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Darunter, dass zwei Zähne zueinander benachbart sind, soll insbesondere verstanden werden, dass die zwei Zähne in Umfangsrichtung zueinander benachbart sind, insbesondere dass kein dritter Zahn existiert, welcher entlang des Umfangs einen geringeren Abstand zu jeden der beiden Zähne aufweist, der geringer ist als der Abstand entlang des Umfangs der beiden Zähne zueinander. Anders formuliert ist zwischen den benachbarten Zähnen entlang des Umfangs kein weiterer Zahn angeordnet.
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Bevorzugt verläuft eine Wellenwicklung zunächst auf der ersten Stirnseite des Rotors in einer ersten Umfangsrichtung des Rotors entlang an einer axialen Stirnseite von einem ersten Zahn, verläuft dann durch die Nut zwischen dem ersten Zahn und einen in der ersten Umfangsrichtung benachbarten zweiten Zahn zur zweiten Stirnseite des Rotors. An der zweiten Stirnseite des Rotors verläuft die Wellenwicklung in der ersten Umfangsrichtung entlang einer axialen Stirnseite des zweiten Zahns und dann durch die Nut zwischen dem zweiten Zahn und einem in der ersten Umfangsrichtung benachbarten dritten Zahn zurück zur ersten Stirnseite. Auf der ersten Stirnseite verläuft die Wellenwicklung in der ersten Umfangsrichtung entlang der axialen Stirnseite vom dritten Zahn bis zur der in der ersten Umfangsrichtung nächsten Nut und so weiter. Die Wellenwicklung verläuft auf diese Weise bevorzugt wenigstens einmal um den Rotor, es sind auch mehrere Umläufe denkbar.
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Dabei ist es von Vorteil, wenn die Wellenwicklung einen solchen Wickelsinn aufweist, dass die Wellenwicklung an der Stelle, an der sie entlang einer axialen Stirnseite eines Zahns verläuft, den gleichen Wickelsinn aufweist, wie eine Spulenwicklung, bevorzugt als Zahnwicklung ausgebildet, welche an der gleichen axialen Stirnseite des Zahns verläuft. Eine Wellenwicklung wird manchmal auch als Schleifenwicklung bezeichnet.
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Falls der Rotor eine gerade Anzahl von Zähnen und Nuten aufweist, verläuft eine den Rotor mehr als einmal umlaufende Wellenwicklung an einem vorgegebenen Zahn stets an der gleichen Stirnseite.
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Der Rotor kann verbessert werden, wenn die Wellenwicklung in zwei verschiedenen Umfangsrichtungen aufgebracht ist. Auf diese Weise ist es auch bei Rotoren mit einer geraden Anzahl an Zähnen und Nuten möglich, jeweils beide axiale Stirnseiten aller Zähne abzudecken. Zusätzlich überkreuzen sich die Abschnitte der Wellenwicklung mit jeweils verschiedenen Umfangsrichtungen in einer Nut. Vorteilhaft kreuzen sich die Abschnitte der Wellenwicklung weitgehend mittig in der Nut. Das ermöglicht eine besonders gute Aufnahme von Zugkräften durch die Nut, so dass besonders gut auf die Spulenwicklungen wirkende Fliehkräfte aufnehmbar sind.
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Beispielsweise ist es denkbar, dass der Rotor zwei Wellenwicklungen aufweist, welche an jeweils anderen Seiten der axialen Stirnseiten der Zähne angeordnet sind und in verschiedene Umfangsrichtungen laufen. Es ist auch denkbar, dass die Umlaufrichtung einer Wellenwicklung umgedreht wird. Dazu kann beispielsweise die Wellenwicklung an einem Zahn als eine Schleife gewickelt werden. Dabei wird die aus der Nut an einer axialen Stirnseite heraustretende Wellenwicklung nicht wie im bisherigen Verlauf der Wellenwicklung in der ersten Umfangsrichtung entlang der axialen Stirnseite des in der ersten Umfangsrichtung nächsten benachbarten Zahn geführt, sondern in einer zweiten Umfangsrichtung, welche der ersten Umfangsrichtung entgegengesetzt ist, an der axialen Stirnseite des Zahns zurückgeführt. Die Wellenwicklung wird von da an als normale Wellenwicklung in der zweiten Umfangsrichtung fortgesetzt.
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Von Vorteil ist auch eine elektrische Maschine, insbesondere elektrisch erregte Synchronmaschine, aufweisend einen Stator und einen Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche. Eine solche Maschine zeichnet sich durch ein hohes Drehmoment und hohe Leistung bei einer hohen Zuverlässigkeit und Haltbarkeit bei hohen Drehzahlen aus.
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Vorteilhaft ist auch ein Verfahren zum Bewickeln eines Rotors gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei zumindest wenigstens eine Spulenwicklung um wenigstens einen Zahn gewickelt wird und anschließend eine Kohlefaserspulenwicklung gewickelt wird, welche wenigstens abschnittsweise an der wenigstens einen Spulenwicklung angeordnet ist. Bevorzugt liegt die Kohlefaserspulenwicklung innerhalb einer Nut weitgehend an der wenigstens einen Spulenwicklung an. Bevorzugt liegt die Kohlefaserspulenwicklung in einer Nut an wenigstens zwei Spulenwicklungen an, bevorzugt im Umfangsrichtung zwischen zwei Spulenwicklungen an.
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In bevorzugten Varianten werden zunächst alle Spulenwicklungen des Rotors gewickelt und anschließend alle Kohlefaserspulenwicklungen. Auf diese Weise wird das Herstellungsverfahren besonders einfach und zuverlässig.
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Wenn die Kohlefaserspulenwicklung mit einem Bindemittel gebunden wird, wird die Festigkeit der Kohlefaserspulenwicklung weiter gesteigert. Das Bindemittel kann insbesondere ein Harz, bevorzugt Epoxidharz, und/oder Lack und/oder Kunststoff sein. Der Harz und/oder Kunststoff können insbesondere verträufelt und/oder eingespritzt und/oder angespritzt werden.
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Bevorzugt weist die Kohlefaserspulenwicklung einen Kohlefaserdraht auf. Unter einem Kohlefaserdraht soll entweder eine Kohlefaser oder ein Faden bzw. Garn aus Kohlefaser verstanden werden.
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Bevorzugt wird die Kohlefaserspulenwicklung aus einem durchgehenden Kohlefaserdraht gewickelt. Auf diese Weise wird die Herstellung vereinfacht. Es ist auch denkbar, dass die Kohlefaserspulenwicklung mehre Kohlefaserdrähte aufweist, beispielsweise jeweils einen für je eine Zahnwicklung und/oder für je eine Sehnenwicklung und/oder für je eine Umlaufsrichtung einer Wellenwicklung.
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Figurenliste
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In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele des Rotors sowie einer elektrischen Maschine mit dem Rotor abgebildet und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
- 1 eine schematische Darstellung der elektrischen Maschine mit einem Rotor,
- 2 eine schematische Darstellung des Rotors gemäß der vorliegenden Erfindung und
- 3a bis 3c schematische Darstellungen verschiedener Ausführungsbeispiele des Rotors.
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Beschreibung
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In den verschiedenen Ausführungsvarianten erhalten gleiche Teile die gleichen Bezugszah len.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer elektrischen Maschine 10 im Querschnitt senkrecht zur Rotationsachse 12. Die elektrische Maschine weist einen Stator 14 auf, welcher als außenliegender Stator 14 ausgebildet ist. Der Stator 14 ist weitgehend hohlzylinderförmig ausgebildet. In einer Innenausnehmung des Stators 14 ist ein um die Rotationsachse 12 drehbarer Rotor 16 angeordnet.
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Der Rotor 16 weist im Ausführungsbeispiel beispielhaft sechs radial nach außen weisende Zähne 18 auf. In Varianten sind auch acht, zwölf oder sechzehn Zähne 18 denkbar. Grundsätzlich ist jede Anzahl von Zähnen 18 denkbar. Bevorzugt ist eine gerade Anzahl von Zähnen 18, da dann die Kohlefaserspulenwicklung 20 vorteilhaft als Wellenwicklung auf den Rotor 16 angebracht werden kann. Die Kohlefaserspulenwicklung 20 hat dann stets eine mit den lokal an den axialen Stirnseiten der Zähne 18 verlaufenden Spulenwicklungen 22 übereinstimmenden Wickelsinn.
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In Umfangsrichtung 24 sind zwischen den Zähnen 18 Nuten 26 angeordnet. In den Nuten 26 verlaufen abschnittsweise Spulenwicklungen 22. Beispielhaft sind die Spulenwicklungen 22 als Zahnwicklungen bzw. Einzelzahnwicklungen um die Zähne 18 ausgebildet. Der Übersicht halber ist die Kohlefaserspulenwicklung 20 in 1 nicht abgebildet.
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2 zeigt eine detailliertere Ansicht auf den Rotor 16 in einer Schnittdarstellung senkrecht zur Rotationsachse 12. Zwischen den Spulenwicklungen 22 von zwei benachbarten Zähnen 18 ist in einer Nut 26 ein Zwischenraum 28 angeordnet. Der Zwischenraum 28 ist der Raum innerhalb einer Nut 26, in welchem keine Spulenwicklung 22 angeordnet ist. Bevorzugt wird die Kohlefaserspulenwicklung 20 im Zwischenraum 28 angeordnet. In 2 ist der Rotor 16 in einem Herstellungszwischenschritt gezeigt, in welchem die Spulenwicklungen 22 um die Zähne 18 fertig gewickelt sind und die Nuten 26 jeweils eine oder zwei Windungen von einem Kohlefaserdraht der Kohlefaserspulenwicklung 20 aufweist. Bevorzugt ist im fertigen Rotor 16 in jeder Nut 26 jeweils die gleiche oder weitgehend gleiche Anzahl von Kohlefaserdrähten angeordnet. Besonders bevorzugt ist im fertigen Rotor 16 in jeder Nut 26 der Zwischenraum 28 vollständig oder weitgehend vollständig mit der Kohlefaserspulenwicklung 20 gefüllt.
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Darunter, dass ein Raumbereich oder Volumen weitgehend vollständig ausgefüllt ist, soll insbesondere verstanden werden, dass der Raum bzw. das Volumen zu wenigstens 90%, bevorzugt wenigstens 95%, besonders bevorzugt wenigstens 98% ausgefüllt ist.
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In den 3a bis 3c ist zur Illustration der möglichen Anordnung der Kohlefaserspulenwicklung 20 am Rotor 16 eine Seitenansicht auf dem Rotor 16 aus einer Radialrichtung abgebildet. Der Übersicht halber sind einzelne oder wenige Windungen bzw. Kohlenfaserdrähte der Kohlenfaserspulenwicklung 20 abgebildet und die Spulenwicklungen 22 nicht abgebildet
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In 3a ist beispielhaft ein Abschnitt der Kohlefaserspulenwicklung 20 abgebildet, welcher als Zahnwicklung um einen zweiten Zahn 18b ausgebildet. Die Kohlefaserspulenwicklung 20 kommt zunächst von einem ersten Zahn 18a und einer ersten Stirnseite 30a des Rotors 16 und verläuft durch eine erste Nut 26a zwischen dem ersten Zahn 18a und dem zweiten Zahn 18b zu einer in Richtung der Rotationsachse 12 gegenüberliegend angeordneten zweiten Stirnseite 30b des Rotors 16. Auf der zweiten Stirnseite verläuft die Kohlefaserspulenwicklung 20 in einer ersten Umfangsrichtung 24a entlang der axialen Stirnseite des zweiten Zahns 18b zur zweiten Nut 26b. Die zweite Nut 26b ist zwischen dem zweiten Zahn 18b und dem im erster Umfangsrichtung 24a nächsten benachbarten dritten Zahn 18c angeordnet. Die Kohlefaserspulenwicklung 20 verläuft durch die zweite Nut 26b zurück zur ersten Stirnseite 30a. An der ersten Stirnseite 30a verläuft die Kohlefaserspulenwicklung 20 in einer der ersten Umfangsrichtung 24a entgegengesetzten zweiten Umfangsrichtung 24b entlang der axialen Stirnseite des zweiten Zahns 18b zurück zur ersten Nut 26a. Anschließen verläuft die Kohlefaserspulenwicklung 20 wieder durch die erste Nut 26a zur zweiten Stirnseite 30b und so weiter. Sobald die Kohlefaserspulenwicklung 20 die gewünschte Zahl an Windungen um den zweiten Zahn 18b aufweist, kann die Kohlefaserspulenwicklung 20 durch die erste Nut 26a zum ersten Zahn 18a zurückgeführt werden. Es ist auch denkbar, dass die Kohlefaserspulenwicklung 20 zum dritten Zahn 18c weitergeführt wird. Insbesondere können auf diese Weise nacheinander alle Zähne 18 in erster Umfangsrichtung 24a nacheinander mit einer als Zahnwicklung ausgebildeten Kohlefaserspulenwicklung 20 versehen werden.
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In 3b ist beispielhaft ein Abschnitt der Kohlefaserspulenwicklung 20 abgebildet, welcher als Wellenwicklung ausgebildet ist. Die Kohlefaserspulenwicklung 20 verläuft zunächst in erster Umfangsrichtung 24a entlang der ersten Stirnseite 30a entlang der axialen Stirnseite des ersten Zahns 18a. Anschließend verläuft die Kohlefaserspulenwicklung 20 durch die erste Nut 26a auf die zweite Stirnseite 30b, wo sie in erster Umfangsrichtung 24a entlang der axialen Stirnseite des zweiten Zahns 18b verläuft. Anschließend verläuft die Kohlefaserspulenwicklung 20 durch die zweite Nut 26b zurück zur ersten Stirnseite 30a, wo sie in erster Umfangsrichtung 24a entlang der axialen Stirnseite des dritten Zahns 18c verläuft. Auf diese Weise kann die Kohlefaserspulenwicklung 20 wellenförmig um den Umfang 24 des Rotors 16 gewickelt werden.
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In 3c ist eine Möglichkeit abgebildet, wie die Richtung der Kohlefaserspulenwicklung 20 entlang des Umfangs 24 umgekehrt werden kann. Beispielhaft ist die Kohlefaserspulenwicklung 20 als Schleife um den zweiten Zahn 18b ausgebildet. Zunächst verläuft die Kohlefaserspulenwicklung 20 beispielhaft wie eine Wellenwicklung in erster Umfangsrichtung 24a entlang der ersten Stirnseite 30a entlang der axialen Stirnseite des ersten Zahns 18a, dann durch die erste Nut 26a zur zweiten Stirnseite 30b, auf der zweiten Stirnseite 30b in erster Umfangsrichtung 24a entlang der axialen Stirnseite des zweiten Zahns 18b und durch die zweite Nut 26b zurück auf die erste Stirnseite 30a. Hier wird die Bewicklungsrichtung der Kohlefaserspulenwicklung 20 um den Rotor 16 umgedreht und die Kohlefaserspulenwicklung 20 verläuft jetzt in der entgegengesetzten zweiten Umfangsrichtung 24b entlang der axialen Stirnseite des zweiten Zahns 18b zurück zur ersten Nut 26a. Die Kohlefaserspulenwicklung 20 verläuft durch die erste Nut 26a zur zweiten Stirnseite 30b und verläuft dort weiter wie eine Wellenwicklung in zweiter Umfangsrichtung 24b entlang der axialen Stirnseite des ersten Zahns 18a.
