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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor einer elektrischen Maschine. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Rotor mit einer elektrischen Erregerwicklung, sodass der Rotor in elektrisch erregten Synchronmaschinen einsetzbar ist. Außerdem betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine mit einem derartigen Rotor.
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Aus dem Stand der Technik sind elektrisch erregte Synchronmaschinen bekannt. Diese weisen einen Rotor mit einer elektrischen Wicklung auf. Solche Rotoren und entsprechende Wicklungen sind beispielsweise in der
DE 20 2012 003 120 U1 oder der
DE 10 2009 008 981 A1 beschrieben.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erregerwicklung weist ein hohes Maß an Festigkeit auf und ist insbesondere mechanisch gut verankert, um so im Betrieb auftretenden hohen Fliehkräfte zu widerstehen.
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Der erfindungsgemäße Rotor einer elektrischen Maschine umfasst mehrere Polkerne und mehrere Polschuhe, wobei an einem Ende jedes Polkerns jeweils ein Polschuh vorgesehen ist. Die Polschuhe des Rotors sind als separate Bauteile ausgebildet. Zwischen den Polkernen ist jeweils eine Rotornut ausgebildet, in der jeweils elektrische Leiter einer Erregerwicklung angeordnet sind. Es ist vorgesehen, dass an jedem Polkern ein Polschuh angebracht ist. Durch die Trennung von Polkern und Polschuh lässt sich eine bereits vorbereitete elektrische Erregerwicklung radial auf den Polkern aufschieben. Somit ist die Herstellung und Anbringung der Erregerwicklung an dem Rotor vereinfacht.
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Weiterhin ist vorgesehen, dass zwischen zwei benachbarten Polschuhen ein Nutverschlusselement zur Abstützung der Erregerwicklung angebracht ist. Die Nutverschlusselemente sind insbesondere amagnetisch ausgebildet, was zu einer Vermeidung eines magnetischen Kurzschlusses innerhalb des Rotors führt. Das Nutverschlusselement ist mit den Polschuhen verschweißt oder verklebt. Dadurch lässt sich eine Festigkeit des Rotors erhöhen. Insbesondere kann die Erregerwicklung des Rotors optimal abgestützt werden, um hohe Fliehkräfte aufzunehmen, die im Betrieb des Rotors entstehen. Die Polschuhe und die Nutverschlusselemente umschließen den Rotor bevorzugt vollständig in der Art einer Rotorbandage. Die Polschuhe und die Nutverschlusselemente bilden dabei eine Einheit, die nicht zerstörungsfrei trennbar ist. Des Weiteren kann durch das Fügen von Polschuhen und Nutverschlusselement ein Toleranzausgleich erreicht werden.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Bevorzugt ist eine magnetische Leitfähigkeit des Nutverschlusselements geringer als diejenige der Polschuhe. So ist insbesondere ein magnetischer Kurzschluss verhindert. Daher ermöglicht der Rotor eine elektrische Maschine mit hoher Leistungsdichte aufzubauen.
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Jedes Nutverschlusselement weist vorteilhafterweise dieselbe radiale Position wie die Polschuhe auf. Dies bedeutet insbesondere, dass ein radial innerster Punkt des Nutverschlusselements insbesondere mindestens denselben Abstand zu der Mittelachse des Rotors aufweist wie ein radial innerster Punkt der Polschuhe. Ebenso weist ein radial äußerster Punkt des Nutverschlusselements höchstens denselben Abstand zur Mittelachse auf wie ein radial äußerster Punkt der Polschuhe. Alternativ dazu ist das Nutverschlusselement an einem Außenumfang der Polschuhe angeordnet, sodass eine radiale Position des Nutverschlusselements radial außerhalb einer radialen Position der Polschuhe angeordnet ist. Dies bedeutet insbesondere, dass ein radial innerster Punkt des Nutverschlusselements einen größeren Abstand zur Mittelachse aufweist als ein radial äußerster Punkt der Polschuhe. Somit dient das Nutverschlusselement vorteilhafterweise als Element zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit des Gesamtverbands des Rotors.
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Außerdem ist das Nutverschlusselement bevorzugt aus Edelstahl, insbesondere hochlegiertem Edelstahl, gefertigt. Dadurch ist das Nutverschlusselement insbesondere amagnetisch ausgebildet. Zusätzlich ist ein Verschweißen von dem Nutverschlusselement aus Edelstahl und den Polschuhen aus Stahl, insbesondere Elektroblech, ermöglicht. Dadurch lässt sich eine optimale mechanische Festigkeit des Rotors erreichen. Ebenso kann das Nutverschlusselement aus einem anderen Material ausgebildet sein, solange das Nutverschlusselement vorteilhafterweise amagnetisch ausgebildet ist.
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Die Polschuhe weisen in einer vorteilhaften Ausführungsform Ausnehmungen auf, in die die Nutverschlusselemente eingelegt werden können. Somit lassen sich die Nutverschlusselemente relativ zu den Polschuhen optimal und eindeutig platzieren, bevor ein Verschweißen erfolgt. Damit ist eine einfache Herstellung und ein stabiler Halt gewährleistet.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung sind die Polschuhe formschlüssig an den Polkernen befestigt. Die Befestigung erfolgt insbesondere über eine Schwalbenschwanzverbindung. Somit ist die Verbindung zwischen Polschuh und Polkern einfach und schnell herstellbar. Außerdem ist die Verbindung stabil insbesondere in radialer Richtung und kann damit Fliehkräfte aufnehmen und für die Abstützung der Erregerwicklung sorgen.
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Weiterhin sind die Polschuhe bevorzugt jeweils aus einer Vielzahl von gestapelten und elektrisch gegeneinander isolierten Blechlamellen gefertigt. Die Blechlamellen sind insbesondere aus Elektroblech gefertigt. Außerdem sind die Blechlamellen mechanisch verbunden, insbesondere durch nieten und/oder schweißen und/oder mittels Backlack und/oder mittels Klebung und/oder Stanzpaketierung. Durch die Blechlamellen lassen sich Wirbelströme vermeiden und somit Verluste reduzieren.
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Die Polkerne sind, insbesondere einstückig, an einem Rotorkörper ausgebildet. Rotorkörper und/oder Polkerne sind bevorzugt als nicht geblechter Massivkörper oder als Blechpaket ausgebildet. Die somit in den Polkernen aufgrund der Ausbildung als Massivkörper auftretenden Wirbelströme führen zusätzlich zu einer Dämpfung von Wechselanteilen im magnetischen Fluss.
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Die Erregerwicklung ist aus einem Flachdraht gefertigt. Durch die getrennte Ausbildung von Polkern und Polschuh muss die Erregerwicklung nicht direkt auf den Polkern gewickelt werden. Vielmehr kann die Wicklung vorbereitet sein und radial auf den Polkern geschoben werden, was insbesondere bei Wicklungen aus Flachdraht vorteilhaft ist. Somit ist die Herstellung der Erregerwicklung vereinfacht. Durch die Ausbildung der Erregerwicklung aus Flachdraht ist diese stabil aufgebaut, insbesondere in Radialrichtung. Der Flachdraht kann aus Aluminium und/oder Kupfer gefertigt sein.
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Beim Übergang der Erregerwicklung von einer Rotornut zu einer benachbarten Rotornut weist die Erregerwicklung insbesondere Lagensprünge auf. Die Lagensprünge werden insbesondere durch Falten des Flachdrahts erreicht und bewirken eine Änderung der Lage des Flachdrahts. Der Flachdraht der Erregerwicklung jedes Polkerns weist insbesondere zwei Falzstellen auf. Durch die beiden Falzstellen sind zwei parallele Erregerwicklungsabschnitte und ein dazu abgewinkelter Übergangsabschnitt vorhanden. Die beiden Falzstellen sind bevorzugt parallel zueinander ausgebildet. Die beiden Wickelabschnitte sind zur Bildung zweier Teilspulen um den Polkern gewickelt. Bevorzugt stellen die beiden Wickelabschnitte Spulenhälften der gesamten an dem Polkern angebrachten Erregerwicklung dar. Jeder Wickelabschnitt wird dazu bevorzugt stets übereinander gewickelt, d.h. an derselben radialen Position, nicht jedoch nebeneinander, d.h. an radial unterschiedlichen Positionen. Der Übergangsabschnitt zwischen den Wickelabschnitten verläuft somit zumindest teilweise entlang der radialen Richtung und ist bevorzugt an einer Stirnseite des Polkerns angeordnet. An der Stirnseite ist der Übergangsabschnitt platzsparend angeordnet, sodass ein geringer Bauraum für den Rotor notwendig ist.
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Der Polkern weist bevorzugt zumindest eine Rastnase auf. Die Rastnase dient zum Verrasten der Erregerwicklung in radialer Richtung an dem Polkern. Somit ist die Erregerwicklung an dem Polkern gehalten, wodurch im Betrieb des Rotors auftretende Fliehkräfte nicht zu einem Abrutschen der Erregerwicklung führen.
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Die Erfindung betrifft außerdem eine elektrische Maschine. Die elektrische Maschine weist einen Rotor wie zuvor beschrieben auf. Außerdem weist die elektrische Maschine einen Stator zum Antreiben des Rotors auf. Besonders vorteilhaft ist die elektrische Maschine als elektrisch erregte Synchronmaschine ausgebildet. Dabei ist die elektrische Maschine robust ausgebildet und insbesondere der Rotor kann hohe im Betrieb auftretende Fliehkräfte aufnehmen.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 eine schematische Ansicht einer elektrischen Maschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2 eine schematische Detailansicht des Rotors der elektrischen Maschine gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 3 eine schematische Detailansicht einer Erregerwicklung des Rotors der elektrischen Maschine gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 4 eine weitere schematische Detailansicht des Rotors der elektrischen Maschine gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
- 5 eine schematische Darstellung einer Befestigung der Erregerwicklung des Rotors der elektrischen Maschine gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Ausführungsform der Erfindung
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1 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus einer elektrischen Maschine 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Dabei wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit auf eine Darstellung der Erregerwicklung verzichtet.
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Die elektrische Maschine 10 weist eine Mittelachse 100 auf, entlang derer sich ein Rotor 1 und ein Stator 11 erstrecken und um die der Rotor 1 rotierbar ist. Der Stator 11 dient dabei zum Antreiben des Rotors 1 und weist dazu bevorzugt eine elektrische Erregerwicklung 7 (vgl. 2 und 3) auf. Der Rotor 1 weist mehrere Polkerne 2 und mehrere Polschuhe 3 auf, wobei Polkerne 2 und Polschuhe 3 als separate Bauteile ausgebildet sind.
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Die Polkerne 2 sind bevorzugt einstückig an einem Rotorkörper 14 ausgebildet. Außerdem sind die Polkerne 2 zusammen mit dem Rotorkörper 14 als einstückiger, massiver Körper ausgebildet. Durch die Ausbildung der Polkerne 2 als Massivkörper können Wirbelströme auftreten. Diese Wirbelströme führen zusätzlich zu einer Dämpfung von Wechselanteilen im magnetischen Fluss. Die Polschuhe 3 hingegen sind bevorzugt aus einer Vielzahl von gestapelten und elektrisch gegeneinander isolierten Blechlamellen gefertigt. Dadurch kann das Auftreten von Wirbelströmen unterdrückt werden. Die Blechlamellen sind aneinander befestigt, insbesondere durch nieten und/oder schweißen und/oder mittels Backlack und/oder mittels Klebungen und/oder Stanzpaketierung. Alternativ können auch die Polkerne 2 auch aus einem Stapel von Blechlamellen gebildet sein.
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Zwischen den Polkernen 2 sind jeweils Rotornuten zur Aufnahme von elektrischen Leitern einer in 1 nicht gezeigten elektrischen Erregerwicklung 7, die ausgebildet. Durch das Ausbilden von Polkernen 2 und Polschuhen 3 als separate Bauteile ist ein radiales Aufschieben der elektrischen Erregerwicklung 7 auf die Polkerne 2 ermöglicht. Die Ausgestaltung der Erregerwicklung 7 wird mit Bezug auf die 2 und 3 nachfolgend erläutert. In jedem Fall ist ermöglicht, die Erregerwicklung 7 vorzufertigen und anschließend lediglich auf den entsprechenden Polkern 2 aufzuschieben. Damit ist die Herstellung der Erregerwicklung 7 vereinfacht. Ist die Erregerwicklung 7 auf den Polkern 2 aufgeschoben, so kann anschließend der Polschuh 3 an dem Polkern 2 angebracht werden.
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Jeder Polschuh 3 ist bevorzugt an einem Polkern 2 befestigt, wobei die Befestigung formschlüssig über eine Schwalbenschwanzverbindung 5 erfolgt. Somit ist die Befestigung des Polschuhs 3 an dem Polkern 2 einfach und aufwandsarm möglich. Gleichzeitig ist eine stabile Verbindung vorhanden, die insbesondere Fliehkräfte aufnehmen kann, die im Betrieb der elektrischen Maschine 10 am Rotor 1 auftreten können.
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Zusätzlich ist vorgesehen, dass zwischen zwei benachbarten Polschuhen 3 ein Nutverschlusselement 4 vorgesehen ist, das zur Verbesserung der mechanischen Festigkeit des Rotors 1 und zum Toleranzausgleich mit den Polschuhen 3 verschweißt ist. Alternativ kann auch eine Verklebung erfolgen. Das Nutverschlusselement 4 stellt somit einen Nutverschluss des Rotors 1 dar. Dadurch ist verhindert, dass die Erregerwicklung 7 aus der Nut, in der sie angebracht ist, herausrutschen kann.
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Durch das Verschweißen bilden alle Nutverschlusselemente 4 und alle Polschuhe 3 einen festen Verbund, der die Polkerne 2 und den Rotorkörper 14 wie eine Bandage umgreift. Dadurch kann besagte Festigkeitserhöhung erreicht werden, sodass der Rotor 1 hohe Fliehkräfte aufnehmen kann.
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Um einen magnetischen Kurzschluss zu vermeiden ist insbesondere vorgesehen, dass das Nutverschlusselement 4 amagnetisch ist oder zumindest eine geringere magnetische Leitfähigkeit als die Polschuhe 3 aufweist. Besonders vorteilhaft ist das Nutverschlusselement 4 aus einem hochlegierten Edelstahl gefertigt, der sich mit den Elektroblechen der Polschuhe 3 verschweißen lässt. Das Nutverschlusselement 4 weist entweder dieselbe radiale Position wie die Polschuhe 3 auf oder ist an einem Außenumfang der Polschuhe 3 angeordnet. Somit ist insbesondere ein Anordnen auf einer radialen Innenseite der Polschuhe 3 vermieden.
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2 zeigt schematisch eine räumliche Repräsentation eines Teils des Rotors 1. Dabei ist insbesondere auch die elektrische Erregerwicklung 7 gezeigt. 3 zeigt eine Detailansicht der Erregerwicklung 7. Diese beiden Figuren werden nachfolgend gemeinsam beschrieben.
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Die elektrische Erregerwicklung 7 ist aus einem Flachdraht aus Aluminium und/oder Kupfer gefertigt. Die Erregerwicklung 7 jedes Polkerns 2 kann beim Übergang von einer der Rotornuten in die benachbarte Rotornut einen Lagensprung machen, der jeweils durch Falten des Flachdrahts erreicht ist und eine Änderung der radialen Lage des Flachdrahts bewirkt. Es ist gezeigt, dass die Erregerwicklung 7 zwei miteinander verbundene Spulenteile aufweist, die jeweils aus einem Erregerwicklungsabschnitt 8 gewickelt sind. Die Erregerwicklungsabschnitte 8 sind insbesondere dadurch hergestellt, dass zwei Falzstellen 12 in den Flachdraht der elektrischen Erregerwicklung 7 eingebracht werden. Dies ist insbesondere in 3 gezeigt. Die Falzstellen 12 verlaufen schräg zu einer Längsachse (Achse der größten Erstreckung) der Erregerwicklung und sind insbesondere parallel zueinander orientiert. Diese Falzstellen 12 teilen die Erregerwicklung 7 in zwei miteinander verbundene Erregerwicklungsabschnitte 8, und in einen Übergangsbereich 9. Der Übergangsbereich 9 stellt sicher, dass die Erregerwicklungsabschnitte 8 in radialer Richtung des Rotors 1 beabstandet sind. Der Übergangsbereich 9, der durch das Falten an den Falzstellen 12 entsteht, ist dabei bevorzugt an einer axialen Stirnseite des Polkerns 2 angebracht. In 2 ist der Übergangsbereich 9 mit einer anderen Art der Faltung dargestellt.
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Durch die Trennung von Polkern 2 und Polschuh 3 ist die Erregerwicklung 7 vorfertigbar und im Ganzen auf den Polkern 2 aufschiebbar. Daher ist die Herstellung und Montage der Erregerwicklung 7 vereinfacht. Nach dem Aufschieben kann der Polschuh 3 am Polkern 2 angebracht werden, um somit ein Abrutschen der Erregerwicklung 7 zu verhindern. Sobald die Pokerne 2 mit den Nutverschlusselementen 4 verschweißt sind, ist außerdem eine stabile Halterung der Erregerwicklung 7 vorhanden, sodass die Erregerwicklung 7 selbst bei hohen Fliehkräften den Polkern 2 nicht mehr verlassen kann.
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4 zeigt schematisch eine bevorzugte Befestigung der Nutverschlusselemente 4. Dazu ist an einer radialen Außenseite der Polschuhe 3 eine Ausnehmung 6 vorhanden, in das das Nutverschlusselement 4 einlegbar ist. In dieser Ausnehmung 6 kann das Nutverschlusselement 4 verschweißt, oder alternativ auch verklebt, werden. Somit sind ein sicherer Halt und eine robuste Verbindung zwischen Nutverschlusselement 4 und Polschuh 3 vorhanden. Außerdem ist ein radialer Bauraum des Rotors 1 trotz Anbringung der Nutverschlusselemente 4 auf einer radialen Außenseite der Polschuhe 3 nicht oder nur minimal erhöht.
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5 zeigt eine weitere schematische Detailansicht des Rotors 1. Dabei ist gezeigt, dass die Polkerne 2 Rastnasen 13 zum Verrasten der Erregerwicklung 7 aufweisen. Damit ist bereits ein radiales Abrutschen der Erregerwicklung 7 an dem Polkern 2 verhindert. Die Erregerwicklung 7 kann somit hohe Fliehkräfte aufnehmen, ohne wesentlich in ihrer radialen Position verschoben zu werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202012003120 U1 [0002]
- DE 102009008981 A1 [0002]
