DE102020116423A1

DE102020116423A1 - Rotor und elektromechanischer Energiewandler mit toroidaler Erregerspule und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102020116423A1
Application number: DE102020116423.8A
Authority: DE
Inventors: Norman Borchardt
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2020-06-22
Filing date: 2020-06-22
Publication date: 2021-12-23

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine, eine elektrische Maschine mit einem derartigen Rotor und ein damit ausgestattetes Kraftfahrzeug. Der Rotor weist ein Rotorjoch und mehrere davon in radialer Richtung ausgehende Polschäfte auf. Das Rotorjoch ist dabei zumindest im Wesentlichen ringförmig ausgebildet. Eine Erregerspule des Rotors ist zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten Polschäften um einen dortigen Ringabschnitt des Rotorjochs gewickelt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine, eine elektrische Maschine mit einem derartigen Rotor und ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen elektrischen Maschine.
Elektrische Maschinen werden heutzutage in vielen verschiedenen Anwendungsbereichen eingesetzt und finden gerade im Fahrzeugbereich zunehmend Verbreitung. Obwohl elektrische Maschinen an sich seit langer Zeit bekannt sind, besteht damit ein unverändert großer Bedarf an Verbesserungen und Weiterentwicklungen.
Als eine solche Weiterentwicklung klassischer Elektromotoren beschreibt die DE 10 2019 103 737 A1 einen Elektromotor, dessen Stator eine Mehrzahl von mit Statorspulen bewickelte Statorzähne zur Erzeugung eines umlaufenden Magnetfelds aufweist. An und/oder in dem Stator sind dabei zumindest zwei Magneteinheiten angeordnet. Diese Magneteinheiten sind zwischen zwei benachbarten statisch magnetischen Polen des Stators angeordnet und weisen eine tangential zu einem Umfang des Stators orientierte Magnetisierung auf. Diese ist dazu vorgesehen, den benachbarten statisch magnetischen Polen des Stators eine entgegengesetzte statische Magnetisierung aufzuprägen. Insgesamt soll damit ein Elektromotor, insbesondere ein bürstenloser Gleichstrommotor, bereitgestellt werden, der vorteilhafte Eigenschaften hinsichtlich eines Volumens, einer Masse und/oder eines Herstellungsaufwands aufweist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine besonders kompakte Bauform einer elektrischen Maschine, die wenigstens eine Rotorwicklung aufweist, zu ermöglichen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen, in der Beschreibung und in der Zeichnung angegeben.
Ein erfindungsgemäßer Rotor für eine elektrische Maschine, insbesondere für eine elektrisch erregte Synchronmaschine (ESM), weist ein Rotorjoch und mehrere davon in radialer Richtung ausgehende oder abstehende Polschäfte auf. Erfindungsgemäß ist das Rotorjoch bzw. ein das Rotorjoch bildendes Aktiv- oder Eisenmaterial zumindest im Wesentlichen ringförmig ausgebildet. Wenigstens eine Erregerspule oder Erregerwicklung des Rotors, also eine Rotorspule, ist dabei zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten Polschäften um einen Ringabschnitt des Rotorjochs gewickelt. Insbesondere kann der Rotor mehrere entsprechend angeordnete Erregerspulen aufweisen. Beispielsweise kann der Rotor wenigstens zwei Polschäfte aufweisen, zwischen denen die Erregerspulen angeordnet sind. Ebenso kann es möglich sein, eine Erregerspule um mehrere verschiedene bzw. voneinander beabstandete Abschnitte des Rotorjochs zu wickeln, ggf. in unterschiedlichen Wicklungsrichtungen. Es kann also in diesem Sinne eine Spule in Umfangsrichtung betrachtet auf verschiedenen Seiten eines Polschafts angeordnet sein.
Der Rotor kann also als Ringkern ausgebildet sein. Eine Wicklung der Erregerspule verläuft dabei in einer axial und radial erstreckten Längsschnittebene des Rotors um das Rotorjoch herum und damit in dieser Längsschnittebene senkrecht zur Umfangsrichtung des Rotors. Eine entsprechende axiale Richtung ist dabei durch eine zentrale Drehachse des Rotors gegeben. Mit anderen Worten erstreckt sich also eine gedachte Linie, um welche die Erregerspule herum gewickelt ist, innerhalb der Erregerspule betrachtet in einer senkrecht zu der zentralen Drehachse und der genannten Längsschnittebene stehenden Querschnittsebene des Rotors in Tangentialerrichtung oder in Umfangsrichtung und verläuft durch das Rotorjoch. Im Gegensatz dazu würde bei einer in herkömmlicher Weise um einen Polschaft gewickelten Rotorspule eine entsprechende gedachte Linie sich in der Querschnittsebene in radialer Richtung erstrecken und damit beispielsweise senkrecht auf der die Erregerspule in der erfindungsgemäßen Anordnung mittig durchtretenden gedachten Linie stehen. Die Erregerspule ist hier also derart angeordnet, dass sie sich in radialer Richtung betrachtet auf beiden Seiten des von ihr umgebenen Ringabschnitt des Rotorjochs, also innerhalb und außerhalb davon, erstreckt, also zumindest teilweise befindet. Dabei können insbesondere radial innenseitig und radial außenseitig des Rotorjochs die gleiche Anzahl oder um 1 verschiedene Anzahlen von Windungen oder Adern der Erregerspule angeordnet sein.
Elektrische Erregerspulen werden typischerweise in elektrische Maschinen integriert, um einen magnetischen Erregerfluss zu erzeugen. Dieser magnetische Erregerfluss kann dabei in Längsrichtung durch die jeweilige Erregerspule hindurch, also entlang der genannten gedachten Linie, verlaufen. Bei in herkömmlicher Weise um einen Polschaft gewickelten Erregerspulen kann dieser magnetische Erregerfluss also im Bereich der jeweiligen Erregerspule in radialer Richtung innerhalb des von der Erregerspule umgebenden Polschaft verlaufen. Derartig angeordnete Erregerspulen benötigen relativ viel radialen Bauraum und müssen aufwendig gegen im Betrieb wirkende Fliehkräfte abgesichert werden. Zudem ist oftmals ein signifikanter Aufwand notwendig, um eine ausreichend gute thermische Anbindung der um den Polschaft gewickelten Erregerspule sicherzustellen.
Wie herkömmlich angeordnete Erregerspulen erzeugt auch die gemäß der vorliegenden Erfindung angeordnete Erregerspule im Betrieb, also bei Bestromung der Erregerspule, einen magnetischen Erregerfluss, der sich von der Erregerspule aus aufbaut. Gemäß der vorliegenden Erfindung verläuft dieser magnetische Erregerfluss, also entsprechende Feld- oder Flusslinien bei einer initialen Bestromung der Erregerspule, also beim Einschalten einer entsprechenden Stromversorgung der Erregerspule, zunächst in Umfangsrichtung oder tangentialer Richtung innerhalb des Rotorjochs. Von dort ausgehend kann der erzeugte magnetische Erregerfluss dann in radialer Richtung durch die Polschäfte verlaufen. Im Bereich der Polschäfte bzw. daran anschließender Polschuhe kann ein Feld- oder Flusslinienverlauf, also ein Verlauf des magnetischen Erregerflusses, trotz der erfindungsgemäß vorgeschlagenen veränderten Anordnung der Erregerspule zumindest im Wesentlichen unverändert bleiben im Vergleich zu einer Anordnung der Erregerspule um den Polschaft herum.
Damit können bisherige vorteilhafte Polschuhgeometrien beibehalten werden. Die erfindungsgemäße Anordnung der Erregerspule um das Rotorjoch herum bietet jedoch mehr Flexibilität hinsichtlich der Gestaltung des Rotors bzw. einer entsprechenden elektrischen Maschine. So können beispielsweise die Polschäfte in radialer Richtung verkürzt werden, sodass der Rotor und damit die elektrische Maschine entsprechend kompakter gebaut werden können. Ebenso kann durch die Verkürzung der Polschäfte beispielsweise bei gleicher Außengröße des Rotors bzw. der elektrischen Maschine eine größere zentrale Welle verwendet werden. Diese Flexibilität oder Gestaltungsfreiheit besteht dabei insbesondere bei gleicher Größe oder Länge der Erregerspule bzw. bei gleicher Leistung der elektrischen Maschine. Dadurch dass die Polschäfte radial verkürzt werden können, wird weniger Aktivmaterial oder Eisen für den Rotor - und gegebenenfalls für einen entsprechend kleineren Stator der elektrischen Maschine - benötigt. Insgesamt können somit Bauraum, Material und Kosten eingespart werden. Auch kann dabei eine Masse oder Massenträgheit des Rotors zugunsten einer größeren Dynamik der elektrischen Maschine verringert werden. So ermöglicht der hier vorgeschlagene Aufbau des Rotors - bei gegebener Leistung der elektrischen Maschine - eine relativ geringe Massenträgheit des Rotors, wodurch beispielsweise eine relativ hohe Beschleunigung möglich ist.
Auch können bei Verwendung des erfindungsgemäßen Rotors bei gegebener Größe oder Masse relativ hohe elektrische Erregerstromdichten verwendet werden, da eine besonders gute thermische Anbindung der Erregerspule an das Rotorjoch und damit eine besonders effektive und effiziente Entwärmung bzw. Kühlung der Erregerspule erreicht werden kann. Dies ist der Fall, da zwischen den Polschäften ohne sonstige Einschränkungen mehr Oberfläche zur Verfügung stehen kann, welche von der Erregerspule bedeckt werden kann. Die Erregerspule kann also bei gleicher Windungslänge beispielsweise eine größere Fläche des Aktivmaterials des Rotors bedecken, wodurch eine verbesserte Wärmeübertragung von der Erregerspule in das Rotormaterial oder ein Rotor-Kühlsystem möglich ist.
Durch die mit der vorliegenden Erfindung ermöglichte kompaktere Bauform bzw. den so gewonnenen Bauraum kann eine entsprechend kompakt gebaute elektrische Maschine mit dem erfindungsgemäßen Rotor vorteilhaft beispielsweise besonders einfach als Radnabenmotor oder Direktantrieb oder allgemein als Motor oder Generator dort eingesetzt werden, wo nur eng begrenzter Bauraum zur Verfügung steht.
Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass zumindest ein radial innenliegender Teil der Erregerspule im Betrieb in radialer Richtung ohne weitere Maßnahmen vollständig mechanisch an dem Rotorjoch abgestützt ist. Eine bei Betrieb oder Drehung des Rotors auf diesen Teil der Erregerspule wirkende Fliehkraft wird also besonders einfach und effektiv und ohne entsprechend aufwändige oder zusätzliche Führungen oder Halterungen oder dergleichen in das Rotorjoch geleitet bzw. von diesem aufgenommen. Dadurch können entsprechende Führungen, Halterungen oder Abstützungen eingespart werden und es sind bei gegebener Größe oder Masse bzw. gegebenem Rotormaterial relativ hohe Rotordrehzahlen möglich, ohne dass sich zumindest dieser Teil der Erregerspule verschiebt oder verformt.
In vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist der Rotor wenigstens vier, insbesondere wenigstens sechs, in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt angeordnete Polschäfte und eine entsprechende Anzahl von Erregerspulen auf. Die Erregerspulen sind dabei jeweils zwischen zwei Polschäften angeordnet. Insbesondere kann zwischen jeweils zwei benachbarten Polschäften genau eine der Erregerspulen angeordnet sein. Grundsätzlich könnte die jeweilige Erregerspule aber ebenso in zwei Teilspulen aufgeteilt sein, die in Umfangsrichtung voneinander beabstandet sein können. Ebenso können in entsprechender Weise zwischen zwei benachbarten Polschäften zwei oder mehr Erregerspulen angeordnet sein. Damit lässt sich gegebenenfalls das Rotorfeld bzw. der magnetische Erregerfluss in dem Rotor besonders genau oder flexibel formen. Dies kann je nach Anwendungsfall zu verbesserten Betriebsparametern der elektrischen Maschine in zumindest einem Betriebsmodus führen. Durch jeweils eine einzelne Erregerspule zwischen zwei benachbarten Polschäften kann hingegen der dort verfügbare Bauraum besonders gut bzw. möglichst vollständig für die jeweilige Erregerspule verwendet, also ausgenutzt werden. Damit kann beispielsweise ein besonders großer magnetischer Erregerfluss erreicht werden. Jeweils zwei benachbarte Erregerspulen können dabei in umgekehrter Richtung oder Polarität angeschlossen sein, also im Betrieb des Rotors bzw. der elektrischen Maschine in entgegengesetzten Richtungen bestromt werden. Auf diese Weise kann in den Polschäften ein besonders großer und hinsichtlich seiner Richtung homogener magnetischer Erregerfluss erreicht werden. Insgesamt kann durch die mehreren Polschäfte und Erregerspulen, also entsprechend viele Pole des Rotors, über dessen gesamten Umfang hinweg eine vorteilhafte Verteilung des magnetischen Erregerflusses erreicht werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist eine Länge der wenigstens einen Erregerspule in Umfangsrichtung größer als eine Höhe wenigstens eines der Polschäfte in radialer Richtung. Beispielsweise kann die Länge der Erregerspule in Umfangsrichtung wenigstens 1,5-mal oder wenigstens zweimal so groß sein wie die Höhe des Polschafts oder der Polschäfte in radialer Richtung. Die Höhe eines Polschaft in radialer Richtung kann dabei der Höhe eines sich in radialer Richtung von dem Rotorjoch bis zu einem jeweiligen, an dem Polschaft angeordneten Polschuh erstreckenden Abschnitts entsprechen. Mit anderen Worten ist also der durch die jeweilige Erregerspule umwickelte Ringabschnitt des Rotorjochs in Umfangsrichtung länger als die Polschäfte in radialer Richtung hoch sind. Auf diese Weise können eine besonders große Kontaktfläche zwischen der Erregerspule und dem Rotorjoch und damit eine besonders gute thermische Anbindung der Erregerspule und gleichzeitig ein besonders kompakter Aufbau des Rotors durch die radial entsprechend kurzen Polschäfte erreicht werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist an den von dem Rotorjoch abgewandten Enden der Polschäfte ein jeweiliger Polschuh mit einem in Umfangsrichtung über den jeweiligen Polschaft hinausragenden Überhang angeordnet.
Dabei ist die wenigstens eine Erregerspule in radialer Richtung an dem jeweiligen Überhang mechanisch abgestützt. Insbesondere kann eine bestimmte Erregerspule an einander zugewandten Überhängen von dieser Erregerspule benachbarten Polschuhen mechanisch abgestützt sein. Der jeweilige Überhang oder die jeweiligen Überhänge, also die Polschuhe, ragen also in Umfangsrichtung über die jeweilige Erregerspule hinaus.
Die mechanische Abstützung der jeweiligen Erregerspule kann insbesondere indirekt sein. Das bedeutet, dass zwischen der Erregerspule und dem jeweiligen Überhang bzw. einem Aktivmaterial des jeweiligen Überhangs oder Polschuhs mindestens ein weiteres Bauteil oder Material angeordnet sein kann, insbesondere zur elektrischen Isolierung der Erregerspule von dem Aktivmaterial. Dabei kann aber in radialer Richtung eine durchgängige, also ununterbrochene mechanische Verbindung bzw. ein durchgängiger, also ununterbrochener Kraftpfad von der Erregerspule bis zu dem jeweiligen Überhang bzw. einem entsprechenden Bereich oder Abschnitt des Aktivmaterials gegeben sein. Die Erregerspule kann also in radialer Richtung, beispielsweise bis auf eine entsprechende elektrische Isolierung, bis an die dem Rotorjoch zugewandte Seite des jeweiligen Polschuhs bzw. dessen in Umfangsrichtung über den Polschaft hinausragenden Teil herangeführt sein. Die Erregerspule kann also an einer Polschuhisolierung abgestützt sein.
Ebenso kann im Bereich zwischen zwei benachbarten Polschuhen ein Nutverschlusskeil angeordnet sein, der auch zwischen die Erregerspule und den jeweiligen Polschuh ragen oder greifen kann. Die Erregerspule kann dann also direkt oder indirekt an oder über diesen Nutverschlusskeil mechanisch abgestützt sein.
Zusätzlich oder alternativ kann ein zwischen zwei benachbarten Polschuhen um die dort angeordnete Erregerspulen herum verbleibender Bereich zumindest teilweise mit einem, insbesondere elektrisch isolierenden, Füllmaterial ausgefüllt sein. Ein solches Füllmaterial kann beispielsweise eine Kunststoff-Vergussmasse sein. Durch ein solches Füllmaterial können Formabweichungen zwischen der Erregerspule und den Polschuhen sowie Fertigungstoleranzen ausgeglichen bzw. ausgefüllt werden. Dadurch kann eine besonders effektive und zuverlässige mechanische Abstützung der Erregerspule über das Füllmaterial an dem jeweiligen Polschuh erreicht und somit ein Verschieben oder Verformen der Erregerspule - auch bei relativ hohen Drehzahlen oder Beschleunigungen des Rotors - vermieden werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der Rotor aus mehreren Segmenten zusammengesetzt, wobei zwei in Umfangsrichtung benachbarte Segmente des zusammengesetzten Rotors zwischen zwei benachbarten Polschäften aneinandergrenzen. Mit anderen Worten verläuft in dem zusammengesetzten Rotor wenigstens eine Segmentgrenze zwischen zwei benachbarten Segmenten also zwischen zwei benachbarten Polschäften. Die Segmente des Rotors können beispielsweise in der quer zur Drehachse des Rotors stehenden Querschnittsebene betrachtet jeweils in einem Kreissektor des Rotors liegende Anteile sein oder umfassen. Ein Segment kann also einen von einer Erregerspule zu umgebenden Ringabschnitt, zumindest einen Teil eines Polschafts, gegebenenfalls einschließlich eines entsprechenden Pulsschuhs oder Teil eines Polschuhs, oder eine Kombination daraus umfassen. Damit können zumindest einige der Segmente an ihren Enden in Umfangsrichtung einen exponierten, also direkt zugänglichen Ringabschnitt des Rotorjochs aufweisen. Mit anderen Worten können die Ringabschnitte, die sich bei dem zusammengesetzten Rotor zwischen zwei benachbarten Polschäften befinden, bei den einzeln betrachteten Segmenten des Rotors in Umfangsrichtung bzw. nach außen hin exponiert, also nicht durch einen Polschaft begrenzt sein. Dadurch kann die Erregerspule vor dem Zusammensetzen der Segmente zu dem Rotor in Umfangsrichtung auf den jeweiligen exponierten Ringabschnitt aufgeschoben werden. Dazu kann die Erregerspule separat von den Segmenten bzw. dem Rotor vorgewickelt, also hergestellt werden. Alternativ kann die Erregerspule auf die Ringabschnitte der einzelnen Segmente vor deren Zusammensetzen aufgewickelt werden. Mit beiden Varianten kann eine einfachere und schnellere Fertigung des Rotors erreicht werden, da das typischerweise vergleichsweise schwierige und zeitaufwendige Einfädeln der Erregerwicklungen, also der Wicklungen der Erregerspulen, zwischen den Polschuhen entfallen kann. Die Segmente können beispielsweise durch Formschluss, etwa in Schwalbenschwanztechnik - miteinander verbunden und/oder verschraubt, verschweißt oder verklebt sein bzw. bei dem Zusammensetzen, also bei der Fertigung des Rotors entsprechend verbunden werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist der Rotor mehrere in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Erregerspulen auf. Dabei sind auf der von den Polschäften abgewandten Seite des Rotorjochs zwischen den Erregerspulen befindliche Bereiche mit einem elektrisch isolierenden Füllmaterial, insbesondere einem Kunststoffmaterial, ausgefüllt. Das Füllmaterial kann beispielsweise eine Kunststoff-Vergussmasse sein. Ist der Rotor als Innenläufer konstruiert, kann also das Füllmaterial in einem radial innenliegenden, von dem Rotorjoch umgebenen Bereich angeordnet sein. Dabei kann ein zentraler Bereich für eine Welle der elektrischen Maschine freigelassen oder beispielsweise durch eine das Füllmaterial durchgreifende Bohrung freigemacht werden. Ist der Rotor als Außenläufer ausgebildet, kann das Füllmaterial auf dessen radial außenliegender Seite angeordnet sein. Dadurch kann beispielsweise eine besonders gleichmäßige oder gleichförmige Außenoberfläche des Rotors realisiert werden. In beiden Fällen können die Erregerspulen durch das zwischen diesen angeordnete Füllmaterial in Umfangsrichtung mechanisch gehalten oder abgestützt sein. Damit kann auf einfache und kostengünstige Weise eine zuverlässige Fixierung und elektrische Isolierung der Erregerspulen realisiert werden.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine elektrische Maschine, die einen erfindungsgemäßen Rotor sowie einen koaxial oder konzentrisch dazu angeordneten und durch einen Luftspalt von dem Rotor beabstandeten Stator aufweist. Dabei kann der Rotor als Innenläufer oder als Außenläufer ausgebildet sein. Die elektrische Maschine kann insbesondere eine elektrisch erregte Synchronmaschine (ESM) sein. Der Stator kann eine Vielzahl von Statorzähnen aufweisen, die von einer Statorwicklung zum Erzeugen eines Statorfelds umgeben oder umwickelt sind. Die erfindungsgemäße elektrische Maschine kann insbesondere die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Rotor genannte elektrische Maschine sein und dementsprechend einige oder alle die in diesem Zusammenhang genannten Eigenschaften und/oder Merkmale aufweisen. Beispielsweise kann die erfindungsgemäße elektrische Maschine als Radnabenmotor, als Direktantrieb, als Traktionsmotor eines Kraftfahrzeugs oder dergleichen ausgebildet sein.
In vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist eine Wellenanbindung zum mechanischen Anbinden des Rotors an eine Welle durch eine Passfeder, einen Formschluss gegeben, also durch eine sonstige Verbindungstechnik realisiert. Dazu kann die Welle - je nachdem, ob der Rotor als Innenläufer oder als Außenläufer ausgebildet ist - radial nach außen oder radial nach innen zwischen die auf der der Welle zugewandten Seite des Rotorjochs angeordneten Teile der Erregerspulen ragende Ausformungen aufweisen. Dadurch kann eine besonders große Kontaktfläche zwischen der Welle und dem Rotor realisiert werden. Dies kann vorteilhaft nicht nur einen mechanisch besonders zuverlässigen Betrieb der elektrischen Maschine erlauben, sondern ebenso eine besonders effektive Wärmeabführung von den Erregerspulen über die Welle bzw. ein, beispielsweise ölbasiertes, Kühlsystem der Welle ermöglichen. Die Welle kann Teil der erfindungsgemäßen elektrische Maschine oder ein von dieser separates Bauteil sein.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist die elektrische Maschine mehrere Erregerspulen auf und ist die Welle in radialer Richtung mechanisch an in Umfangsrichtung zwischen den Erregerspulen liegende Bereiche des Rotorjochs angebunden. Mit anderen Worten ist also eine mechanische Verbindung oder Kopplung des Rotors mit der Welle in den oder mit den zwischen den Erregerspulen liegenden Abschnitten des Rotorjochs angeordnet, also realisiert. Dadurch kann vorteilhaft im Betrieb der elektrischen Maschine eine mechanische Belastung der Erregerspulen besonders gering gehalten und somit ein Verschieben oder Verformen der Erregerspulen im Betrieb der elektrischen Maschine besonders zuverlässig vermieden werden. Die mechanische Anbindung des Rotors an die Welle kann beispielsweise durch entsprechende formschlüssige Ausformungen der Welle und/oder des Rotorjochs realisiert sein. Dazu kann die Welle und/oder das Rotorjoch in radialer Richtung erstreckte Ausformungen aufweisen.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Kraftfahrzeug, das wenigstens eine erfindungsgemäße elektrische Maschine aufweist, insbesondere als Antriebs- oder Traktionsmotor. Dementsprechend kann das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug insbesondere ein Elektrofahrzeug, beispielsweise ein Elektroauto, ein elektrisches Motorrad, ein Elektrofahrrad oder dergleichen sein. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug kann insbesondere das im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Rotor und/oder der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine genannte Kraftfahrzeug sein und dementsprechend einige oder alle der dort genannten Eigenschaften und/oder Merkmale aufweisen.
Weitere Merkmale der Erfindung können sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung ergeben. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:

1 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit zwei elektrischen Maschinen; und
2 eine schematische ausschnittweise Querschnittsansicht einer der elektrischen Maschinen.

In den Figuren sind gleiche und funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Ein vorteilhafter Anwendungsbereich elektromechanischer Energiewandler, also insbesondere als Motor oder Generator betreibbarer elektrischer Maschinen, stellt die Fahrzeugtechnik dar. Dazu zeigt 1 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs 10, dass hier beispielhaft mehrere derartige elektromechanische Energiewandler bzw. elektrische Maschinen 12 aufweist. Das Kraftfahrzeug 10 ist vorliegend ein Elektrofahrzeug und weist daher eine Traktionsbatterie 14 zum Speisen der elektrischen Maschinen 12 mit elektrischer Energie auf. Die elektrischen Maschinen 12 sind hier beispielhaft als Direkt- oder Achsantriebe an Antriebsachsen 16 des Kraftfahrzeugs 10 angeordnet, um letztlich mit den Antriebsachsen 16 verbundene Räder 18 des Kraftfahrzeugs 10 anzutreiben.
2 zeigt eine schematische ausschnittweise Querschnittsansicht einer der elektrischen Maschinen 12. Die elektrische Maschine 12 umfasst hier einen außenliegenden Stator 20 und einen innenliegenden, also als Innenläufer ausgebildeten Rotor 22.
Der Stator 20 weist ein im Wesentlichen ringförmiges Statorjoch 24 mit einer Vielzahl von radial nach innen ragenden Statorzähnen 26 auf, von denen hier der Übersichtlichkeit halber nur einige beispielhaft gekennzeichnet sind. Radial nach innen sind an den Statorzähnen 26 in Umfangsrichtung verbreiterte Statorzahnköpfe 28 angeordnet. Die Statorzähne 26 bzw. deren sich jeweils zwischen dem Statorjoch 24 und ihrem Statorzahnkopf 28 erstreckenden Schaftbereiche sind hier durch eine oder mehrere hier nur teilweise explizit gekennzeichnete Statorwicklungen 30 umgeben. Durch Bestromung der Statorwicklungen 30 kann ein Statorfeld für den Betrieb der elektrischen Maschine 12 erzeugt werden.
Radial innenseitig schließt sich an die Statorkopfzähne 28 ein Luftspalt 32 an, durch den der Stator 20 von dem Rotor 22 beabstandet ist. Sowohl der Stator 20 als auch der Rotor 22 sind hier koaxial oder konzentrisch um eine zentrale Drehachse 34 der elektrischen Maschine 12 angeordnet, um die der Rotor 22 im Betrieb rotiert. Eine entsprechende Dreh- oder Rotationsrichtung ist hier durch einen Pfeil um die Drehachse 34 angedeutet.
Der Rotor 22 weist ein ringförmiges Rotorjoch 36 auf, von dem in radialer Richtung nach außen mehrere Polschäfte 38 abstehen. An von dem Rotorjoch 36 abgewandten Enden der Polschäfte 38 sind vorliegend Polschuhe 40 angeordnet, die in Umfangsrichtung über die Polschäfte 38 hinausragen. Anders als hier dargestellt können die Polschuhe 40 und/oder die Polschäfte 38 ebenso asymmetrisch ausgebildet sein.
Zwischen den Polschäften 38, also zwischen jeweils zwei benachbarten Polen des Rotors 22, ist vorliegend eine jeweilige Rotor- oder Erregerspule 42 angeordnet. Die Erregerspulen 42 sind hier also um zwischen den Polschäften 38 liegende ringförmige Abschnitte des Rotorjochs 36 gewickelt. Eine jeweilige Wicklungs- oder Stromflussrichtung ist für die Erregerspulen 42 schematisch auf beiden Seiten des Rotorjochs 36 durch entsprechende Symbole angedeutet. Ebenso sind Richtungen eines durch die Erregerspulen 42 im Betrieb erzeugten magnetischen Erregerflusses durch entsprechende Pfeile in dem Rotorjoch 36 angedeutet. Zur besseren Orientierung sind hier zudem beispielhaft für einen Pol des Rotors 22 die d- und q-Achsen angedeutet. Die q-Achse verläuft hier mittig durch eine der Erregerspulen 42. Beim Einschalten der elektrischen Maschine 12 bzw. bei einer initialen Bestromung dieser Erregerspule 42 wird dann wie durch den entsprechenden Pfeil angedeutet der magnetische Erregerfluss innerhalb dieser Erregerspule 42 in dem dortigen Ringabschnitt des Rotorjochs 36 in Umfangsrichtung und zumindest punktuell senkrecht zu der q-Achse erzeugt.
Um die Polschäfte 38 ist hier keine Rotorspule gewickelt, sodass im Vergleich zu herkömmlichen derart ausgebildeten elektrischen Maschinen eine jeweilige Höhe H der Polschäfte 38 in radialer Richtung, die hier schematisch für einen der Polschäfte 38 angedeutet ist, entsprechend klein oder verkürzt ist. Insbesondere ist hier diese jeweilige Höhe H kleiner als eine jeweilige Länge L der Erregerspulen 42 in Umfangsrichtung, die hier ebenfalls für eine der Erregerspulen 42 schematisch angedeutet ist.
Für einen Betrieb oder eine Anwendung der elektrischen Maschine 12 kann im Bereich der hier angedeuteten Drehachse 34 eine Welle angeordnet werden, die dann mechanisch mit dem Rotor 22 gekoppelt sein kann. Dazu kann eine solche Welle beispielsweise in zwischen den radial innenliegenden Teilen der Erregerspulen 42 liegende Bereiche eingreifen. Zusätzlich oder alternativ können diese Bereiche oder Zwischenräume zwischen den Erregerspulen 42 verfüllt sein, beispielsweise mit einer elektrisch isolierenden Füll- oder Vergussmasse.
Ebenso können die radial außen liegenden Teile der Erregerspulen 42, also verbleibende Freiräume zwischen den Polschäften 38 bzw. den Polschuhen 40 ausgefüllt sein. Dort können beispielsweise weitere Wicklungen der Erregerspulen 42, eine elektrische Isolierung, ein Füll- oder Vergussmaterial, ein jeweiliger Nutverschlusskeil und/oder dergleichen mehr angeordnet sein.
Insgesamt können durch die hier vorgeschlagene, das ringförmige Rotorjoch 36 abschnittsweise toroidal umgebende Anordnung der Erregerspulen 42 die Polschäfte 38 in radialer Richtung verkürzt und somit Bauraum gewonnen werden, wodurch sich viel Potenzial zur Verbesserung oder einsatzzweckabhängigen Anpassung der elektrischen Maschine 12 bietet.
Bezugszeichenliste

10: Kraftfahrzeug
12: elektrische Maschine
14: Traktionsbatterie
16: Antriebsachsen
18: Räder
20: Stator
22: Rotor
24: Statorjoch
26: Statorzähne
28: Statorzahnköpfe
30: Statorwicklung
32: Luftspalt
34: Drehachse
36: Rotorjoch
38: Polschäfte
40: Polschuhe
42: Erregerspulen
d: d-Achse
q: q-Achse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102019103737 A1 [0003]

Claims

Rotor (22) für eine elektrische Maschine (12), aufweisend ein Rotorjoch (36) und mehrere davon in radialer Richtung ausgehende Polschäfte (38), dadurch gekennzeichnet, dass das Rotorjoch (36) zumindest im Wesentlichen ringförmig ausgebildet ist und eine Erregerspule (42) des Rotors (22) zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten Polschäften (38) um einen Ringabschnitt des Rotorjochs (36) gewickelt ist.
Rotor (22) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (22) wenigstens vier, insbesondere wenigstens sechs, in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt angeordnete Polschäfte (38) und eine entsprechende Anzahl von Erregerspulen (42) aufweist, die jeweils zwischen zwei Polschäften (38) angeordnet sind.
Rotor (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Länge (L) der Erregerspule (42) in Umfangsrichtung größer ist als eine Höhe (H) eines der Polschäfte (38) in radialer Richtung.
Rotor (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an den von dem Rotorjoch (36) abgewandten Enden der Polschäfte (38) ein jeweiliger Polschuh (40) mit einem in Umfangsrichtung über den jeweiligen Polschaft (38) hinausragenden Überhang (40) angeordnet ist, wobei die Erregerspule (42) in radialer Richtung an dem Überhang (40) mechanisch abgestützt ist, insbesondere an den einander zugewandten Überhängen (40) der Erregerspule (42) benachbarter Polschuhe (40).
Rotor (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (22) aus mehreren Segmenten zusammengesetzt ist, wobei zwei in Umfangsrichtung benachbarte Segmente des zusammengesetzten Rotors (22) zwischen zwei benachbarten Polschäften (38) aneinandergrenzen.
Rotor (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (22) mehrere in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Erregerspulen (42) aufweist, wobei auf der von den Polschäften (38) abgewandten Seite des Rotorjochs (36) zwischen den Erregerspulen (42) befindliche Bereiche mit einem elektrisch isolierenden Füllmaterial, insbesondere einem Kunststoffmaterial, ausgefüllt sind.
Elektrische Maschine (12), aufweisend einen Rotor (22) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einen koaxial dazu angeordneten und durch einen Luftspalt von dem Rotor (22) beabstandeten Stator (20).
Elektrische Maschine (12) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Wellenanbindung zum mechanischen Anbinden des Rotors (22) an eine Welle durch eine Passfeder oder einen Formschluss gegeben ist.
Elektrische Maschine (12) nach einem der Ansprüche 7 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (12) mehrere Erregerspulen (42) aufweist und eine Welle in radialer Richtung mechanisch an in Umfangsrichtung zwischen den Erregerspulen (42) liegende Bereiche des Rotorjochs (36) angebunden ist.
Kraftfahrzeug (10), aufweisend eine elektrische Maschine (12) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, insbesondere als Antriebsmotor (12).