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Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Schenkelpolmaschine eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs mit einer magnetfelderzeugenden Komponente zum Ausbilden eines Rotormagnetfelds und einem Rotoreisen zum Halten der magnetfelderzeugenden Komponente und zum Leiten des Rotormagnetfelds der magnetfelderzeugenden Komponente, wobei das Rotoreisen ein Poljoch mit zumindest zwei Rotorpolen aufweist, welche entlang eines Rotorumfangs an dem Poljoch angeordnet sind und an welchen die magnetfelderzeugende Komponente angeordnet ist, wobei die Rotorpole jeweils einen Polschaft und einen Polschuh aufweisen. Die Erfindung betrifft außerdem eine elektrische Schenkelpolmaschine sowie ein Kraftfahrzeug.
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Vorliegend richtet sich das Interesse auf elektrische Maschinen mit Schenkelpolgeometrie, im Folgenden kurz als Schenkelpolmaschinen bezeichnet, für elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge, also Elektro- oder Hybridfahrzeuge. Schenkelpolmaschinen weisen einen ortsfesten Stator mit bestrombaren Statorwicklungen sowie einen bezüglich des Stators drehbar gelagerten Rotor auf. Der Rotor weist ein Rotoreisen auf, welches eine magnetfelderzeugende Komponente des Rotors, beispielsweise bestrombare Rotorwicklungen und/oder Permanentmagnete, trägt. Das Rotoreisen weist üblicherweise ein Poljoch und mehrere Rotorpole bzw. Schenkelpole, welche entlang eines Rotorumfangs an dem Poljoch angeordnet sind, auf. Die Rotorpole bestehen üblicherweise aus einem radial von dem Poljoch abstehenden Polschaft bzw. Polkern um welchen beispielsweise eine Rotorwicklung gewickelt ist, sowie einem kreissegmentförmigen, tangential von dem Polschaft abstehenden Polschuh. Aufgrund der Geometrie der Schenkelpolmaschine, insbesondere aufgrund der auf die Polschuhe wirkenden mechanischen Belastungen im Betrieb der Schenkelpolmaschine, kann die Schenkelpolmaschine nur relativ geringe Drehzahlen bzw. Umfangsgeschwindigkeiten erreichen.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Schenkelpolmaschine für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug bereitzustellen, welche hohe Umfangsgeschwindigkeiten erreichen kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Rotor, eine elektrische Schenkelpolmaschine sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figur.
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Ein erfindungsgemäßer Rotor für eine elektrische Schenkelpolmaschine eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs weist eine magnetfelderzeugende Komponente zum Ausbilden eines Rotormagnetfelds und ein Rotoreisen zum Halten der magnetfelderzeugenden Komponente und zum Leiten des Rotormagnetfelds der magnetfelderzeugenden Komponente auf. Das Rotoreisen weist ein Poljoch mit zumindest zwei Rotorpolen auf, welche entlang eines Rotorumfangs an dem Poljoch angeordnet sind und an welchen die magnetfelderzeugende Komponente angeordnet ist, wobei die Rotorpole jeweils einen Polschaft und einen Polschuh aufweisen. Darüber hinaus weist der Rotor Stützelemente auf, welche mit seitlich an dem jeweiligen Polschaft abstehenden Polschuhbereichen der Polschuhe und mit dem Poljoch vorrangig formschlüssig verbunden sind, wobei die Stützelemente dazu ausgelegt sind, die Polschuhbereiche und das Poljoch zum Entgegenwirken von im Betrieb der elektrischen Schenkelpolmaschine auf die Polschuhe wirkenden mechanischen Belastungen durch Bereitstellen einer Gegenkraft mechanisch zu verbinden.
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Die Erfindung betrifft außerdem eine elektrische Schenkelpolmaschine bzw. eine elektrische Maschine mit Schenkelpolgeometrie aufweisend einen Stator mit einem hohlzylinderförmigen Statorkern und einen erfindungsgemäßen Rotor, wobei der Rotor insbesondere innerhalb des hohlzylinderförmigen Statorkerns drehbar gelagert ist. Die Schenkelpolmaschine kann beispielsweise als eine elektrisch erregte Synchronmaschine ausgebildet sein, welche Rotorwicklungen bzw. Rotorspulen als die magnetfelderzeugende Komponente aufweist. Vorzugsweise ist die Schenkelpolmaschine vierpolig ausgebildet, sodass das Rotoreisen vier Rotorpole aufweist. Zur Erfindung gehört außerdem ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen elektrischen Schenkelpolmaschine. Die Schenkelpolmaschine wird insbesondere als elektrische Traktionsmaschine bzw. elektrische Antriebsmaschine des Kraftfahrzeugs verwendet, sodass das Kraftfahrzeug insbesondere als ein elektrifiziertes Kraftfahrzeug ausgebildet ist.
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Der als Schenkelpolrotor ausgebildete Rotor weist das Rotoreisen auf, welches beispielsweise als ein Rotorblechpaket ausgebildet sein kann und dazu aus mehreren axial gestapelten Elektroblechlamellen gebildet sein kann. Das Rotoreisen weist das Poljoch auf, welches im Wesentlichen ringförmig ausgebildet ist und drehfest mit einer Rotorwelle verbunden werden kann. An dem Poljoch radial abstehend sind die Rotorpole bzw. Schenkelpole entlang des Rotorumfangs bzw. der Umfangsrichtung unter Ausbildung von Pollücken beabstandet zueinander angeordnet. Im Falle einer Innenläufer-Schenkelpolmaschine sind die Schenkelpole entlang eines Außenumfangs des Poljochs verteilt angeordnet und stehen radial nach außen hin ab. Das Poljoch und die Schenkelpole sind insbesondere einteilig ausgebildet.
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Die Schenkelpole weisen jeweils einen Rotorschaft bzw. Polschaft und einen Polschuh auf, wobei ein Außenrand des Polschuhs einem Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator zugewandt ist und wobei der Polschaft zwischen dem Poljoch und dem Polschuh angeordnet ist. Der Außenrand des Polschuhs kann beispielsweise einen Krümmungsradius aufweisen, welcher mit einem Krümmungsradius eines Innenrands des Stators korrespondiert, sodass der Luftspalt zwischen dem Außenrand des Polschuhs und dem Innenrand des Stators homogen ist und entlang der Umfangsrichtung eine konstante Breite aufweist. Auch kann der Krümmungsradius des Außenrands des Polschuhs von dem Krümmungsradius des Innenrands des Stators abweichen, sodass der Luftspalt zwischen dem Außenrand des Polschuhs und dem Innenrand des Stators inhomogen ist und entlang der Umfangsrichtung eine veränderliche Breite aufweist. Die Polschäfte sind vorzugsweise parallelflankig ausgebildet. Die Rotorpole sind insbesondere einteilig bzw. einstückig ausgebildet. Die Polschuhe stehen dabei entlang der Umfangsrichtung über die Polschäfte über. Die Rotorpole weisen also im Bereich der Polschuhe eine größere tangentiale Breite auf als im Bereich der Polschäfte. Bei einer elektrisch erregten Schenkelpolmaschine sind um die Polschäfte die Rotorwicklungen bzw. die Erregerwicklungen gewickelt und werden bei einer Rotation des Schenkelpolrotors durch die Polschuhe auf den Polschäften gehalten.
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Unter Last, also beim Rotieren des Rotors im Betrieb der elektrischen Schenkelpolmaschine, treten mechanische Spannungen in den Rotorpolen auf, welche eine Drehzahl bzw. Umfangsgeschwindigkeit des Rotors begrenzen. Diese mechanischen Spannungen resultieren zum einen aus der rotierenden Masse der Rotorwicklung und zum anderen aus der rotierenden Eigenmasse des Rotorpols. Um hohe Drehzahlen ermöglichen zu können, sind die Stützelemente vorgesehen, welche die mechanischen Spannungen in den Rotorpolen zumindest reduzieren. Insbesondere die Polschuhe sind einer Belastung ausgesetzt, da die Rotorspulen aufgrund der auf sie wirkenden Fliehkräfte bei der Rotation des Rotors einen Druck auf die Polschuhe ausüben. Um ein Versagen der Polschuhe zu verhindern, sind die Stützelemente formschlüssig mit dem Poljoch und den Polschuhen verbunden. Dazu sind die Stützelemente in den Pollücken angeordnet und im Poljoch und in den seitlich über den Polschaft hinausragenden Polschuhbereichen verankert. Die Stützelemente bzw. die Stützelemente können sich dabei axial über eine gesamte Höhe oder nur einen Teil der Höhe des Poljoches erstrecken. Die Stützelemente bzw. Zuganker weisen dabei Verbindungsbereiche und Zugbereiche auf, wobei sich die Zugbereiche radial zwischen dem Poljoch und den Polschuhbereichen erstrecken. Die Stützelemente stellen eine radial wirkende Gegenkraft, also eine Radialkraft, bereit, welche der Fliehkraft entgegen wirkt, und stabilisieren somit die Polschuhbereiche. Die Stützelemente sind somit als Stabilisierungselemente ausgebildet. Die Stützelemente sind aus einem Werkstoff gebildet, der zum einen eine relativ hohe mechanische Zugfestigkeit aufweist und zum anderen magnetisch nicht oder nur gering leitfähig ist, um einen magnetischen Kurzschluss zu verhindern bzw. zu vermindern. Die Stützelemente könnten beispielsweise aus Aluminium oder Kunststoff gebildet sein.
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Die Verbindungsbereiche der Stützelemente können mit korrespondierenden Verbindungsbereichen an dem Poljoch und den Polschuhbereichen formschlüssig verbunden werden. Beispielsweise können die Polschuhbereiche und das Poljoch Nuten aufweisen, in welche zapfenartige Verbindungsbereiche der Stützelemente axial einschiebbar sind. Beispielsweise kann die formschlüssige Verbindung zwischen dem Stützelement und dem Polschuhbereich sowie zwischen dem Stützelement und dem Poljoch als eine schwalbenschwanzartige Verbindung ausgebildet sein. Unter einen schwalbenschwanzartigen Verbindung ist eine Verbindung zu verstehen, bei welcher ein Querschnitt der Nuten und der Zapfen beliebig sein kann, jedoch eine Fixierung der Stützelemente in tangentialer Richtung, also entlang der Umfangsrichtung, und radialer Richtung ermöglicht. Der Querschnitt kann beispielsweise trapezförmig oder kreisförmig sein. Die Nuten können beispielsweise während eines Stanzprozesses der einzelnen Elektroblechlamellen gefertigt werden und somit beim axialen Zusammenfügen der Elektroblechlamellen am Rotoreisen ausgebildet werden.
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Bei einem Rotor für eine elektrisch erregte Schenkelpolmaschine, bei welcher die magnetfelderzeugende Komponente um die Polschäfte gewickelte Rotorwicklungen aufweist, sind die Stützelemente bevorzugt zusätzlich dazu ausgebildet, die Rotorwicklungen durch Einklemmen der Rotorwicklungen zwischen dem jeweiligen Polschaft und dem Stützelement an dem zugehörigen Polschaft zu fixieren. Vorzugsweise ist der Rotor vergussmasselos ausgebildet. Die Stützelemente können also die Rotorwicklungen an den jeweiligen Polschaft pressen, sodass die Rotorwicklungen zwischen den Stützelementen und den Polschaftflanken eingeklemmt sind. So kann in vorteilhafter Weise auf eine Vergussmasse, mit welcher Rotoren üblicherweise zum Fixieren der Rotorwicklungen vergossen werden, verzichtet werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Poljoch ringförmig mit radial nach außen abstehende Ausbuchtungen ausgebildet ist, in welchen der Verbindungsbereich zum formschlüssigen Verbinden mit den Stützelementen ausgebildet ist. Das Poljoch ist durch die radial nach außen abstehenden Ausbuchtungen, in welchen beispielsweise die Nuten ausgebildet sind, verstärkt bzw. mit einem vergrößerten radialen Durchmesser ausgebildet. Die Fertigung der Ausbuchtungen kann ebenfalls auf einfache Weise in den Stanzprozess der Elektroblechlamellen integriert werden.
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In einer ersten Variante weist der Rotor für jeden Rotorpol zwei Stützelemente auf, sodass jeder Polschuhbereich über ein Stützelement mit dem Poljoch mechanisch verbunden ist. Jedem Polschuhbereich ist also ein Stützelement zugeordnet, sodass zwischen zwei benachbarten Rotorpolen in jeder Pollücke zwei Stützelemente angeordnet sind. In einer zweiten Variante weist der Rotor eine der Anzahl an Rotorpolen entsprechende Anzahl an Stützelementen auf, wodurch durch ein Stützelement einander zugewandten Polschuhbereiche zweier benachbarter Rotorpole mit dem Poljoch mechanisch verbunden sind. Beispielsweise können die Stützelemente hierfür im Wesentlichen V-förmig ausgebildet sein und dazu jeweils zwei Zugbereiche aufweisen. Dabei sind die Stützelemente an ihrem jeweiligen Scheitelpunkt, an welchem die Zugbereiche miteinander verbunden sind, mit dem Poljoch mechanisch verbunden und ein Endabschnitt jedes Zugbereiches ist mit einem Polschuhbereich mechanisch verbunden. Es ist also in jeder Pollücke nur ein Stützelement angeordnet, welches die an diese Pollücke angrenzenden Polschuhbereiche mit dem Poljoch mechanisch verbindet. Die Zugbereiche erstrecken sich dabei ausgehend von den Verbindungsbereichen der Polschuhbereichen zu dem Verbindungsbereich des Poljoches.
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Es kann vorgesehen sein, dass der Zugbereich der Stützelemente plattenartig ausgebildet ist. Die sich in axialer und radialer Richtung erstreckende Fläche der Stützelemente ist also durchgängig ausgebildet, sodass die Stützelemente flächentragwerksartig ausgebildet sind. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass der Zugbereich der Stützelemente eine gewichtsreduzierende Strukturierung aufweist. Die Stützelemente sind somit stabwerksartig bzw. fachwerkartig ausgebildet. Beispielsweise können die Zugbereiche aus verflochtenen Streben gebildet sein, sodass ein Gewicht der Stützelemente und damit der gesamten Schenkelpolmaschine reduziert wird.
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Die mit Bezug auf den erfindungsgemäßen Rotor vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße Schenkelpolmaschine sowie für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Figur und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
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Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigt die einzige Figur 1 in schematischer Darstellung einen Ausschnitt einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Schenkelpolmaschine 1, welche insbesondere als Traktionsmaschine eines hier nicht gezeigten elektrifizierten Kraftfahrzeugs verwendet wird.
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Die Schenkelpolmaschine 1 weist einen Rotor 2 und einen Stator 3 auf. Die Schenkelpolmaschine 1 ist als ein Innenläufer ausgebildet, bei welchem der Stator 3 den Rotor 2 in radialer Richtung R umgibt und bei welcher der Rotor 2 drehbar innerhalb des Stators 3 gelagert ist. Der Rotor 2 weist ein Rotoreisen 4 auf, welcher beispielsweise als ein Blechpaket ausgebildet sein kann und an welchem eine magnetfelderzeugende Komponente angeordnet ist. Das Rotoreisen 4 weist ein im Wesentlichen ringförmiges Poljoch 5 auf, an welchem entlang eines Rotorumfangs in Umfangsrichtung U mehrere Rotorpole 6 angeordnet sind. Die Rotorpole 6 sind einstückig mit dem Poljoch 5 ausgebildet.
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Die einstückig ausgebildeten Rotorpole 6 sind aus einem Polschaft 7 und einem Polschuh 8 gebildet. Um die Polschäfte 7 können als die magnetfelderzeugende Komponente hier nicht gezeigte Rotorwicklungen gewickelt sein, welche von den Polschuhen 8 gehalten werden. Im Betrieb der Schenkelpolmaschine 1 wirkt auf die Rotorwicklungen und Polschuhe 8 eine radial nach außen gerichtete Fliehkraft, welche insbesondere im Bereich der Polschuhe 8 zu mechanischen Belastungen bzw. Spannungen führt. Um diese mechanischen Spannungen zu kompensieren, weist der Rotor Stützelemente 9 auf, welche der Fliehkraft entgegenwirken. Die Stützelemente 9 sind formschlüssig, beispielsweise mittels einer schwalbenschwanzartigen Verbindung, mit dem Poljoch 5 und Polschuhbereichen 10 der Polschuhe 8 verbunden, welche entlang der Umfangsrichtung U seitlich an den Polschäften 7 abstehen. Die Stützelemente 9 üben eine entgegen der radialen Richtung R wirkende Gegenkraft auf die Polschuhbereiche 10 und stützen sie somit ab.
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Entlang der axialen Richtung (in die Zeichenebene hinein) können die Stützelemente 9 durchgängig, beispielsweise plattenartig, ausgebildet sein. Alternativ dazu können die Stützelemente 9 in axialer Richtung eine gewichtsreduzierende Strukturierung, beispielweise ein maschenartiges Geflecht, aufweisen. Das Poljoch 5 weist hier Ausbuchtungen 11 auf, welche in radialer Richtung R abstehen, sodass das Poljoch 5 in diesen Bereichen einen vergrößerten radialen Durchmesser aufweisen. Im Bereich dieser Ausbuchtungen 11 sind die Stützelemente 9 mit dem Poljoch 5 formschlüssig verbunden.
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Außerdem sind hier zwei einander zugewandte, benachbarte Polschuhbereiche 10 über ein Stützelement 9 formschlüssig mit dem Poljoch 5 verbunden. Die Stützelemente 9 weisen hierzu einen V-förmigen Querschnitt auf. Ferner können die Stützelemente 9 ausgebildet sein, die Rotorwicklungen an den Rotorpolen 6 zu fixieren. Dazu können die Stützelemente 9 die Rotorwicklungen, welche in Bereichen 12 zwischen den Stützelementen 9 und den Polschäften 7 angeordnet sind, einklemmen. So kann auf das Vergießen des Rotors 2 mit einer Vergussmasse verzichtet werden.
