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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor, insbesondere für eine fremd- oder stromerregte Synchronmaschine, sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors, insbesondere für eine fremd- bzw. stromerregte Synchronmaschine.
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Die mechanische Stabilisierung von Rotorwicklungen ist eine große Herausforderung bei der Entwicklung und Herstellung elektrischer Maschinen, wie beispielsweise strom- oder fremderregten elektrischen Maschinen. Die
DE 10 2016 205 813 A1 schlägt in diesem Zusammenhang ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors vor, wobei ein Rotorblechpaket mit den gewickelten Rotorwicklungen in eine Gussform eingelegt und mit Kunststoffmasse umspritzt wird. Es hat sich herausgestellt, dass in der Realität die Gefahr besteht, dass die Kunststoffmasse reißt. Dies kann beim Abkühlen aber auch vor allem im Betrieb, bei hohen und höchsten Drehzahlen, erfolgen. Insbesondere wenn die Risse im Bereich der Wickelköpfe der Wicklung auftreten, kann dies zu Problemen führen.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Rotor sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors anzugeben, wobei die bekannten Verfahren optimiert und insbesondere Rotoren angegeben werden sollen, welche höchsten Qualitätsanforderungen genügen.
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Diese Aufgabe wird durch einen Rotor gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 9 gelöst. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
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Erfindungsgemäß umfasst ein Rotor, insbesondere für eine stromerregte/fremderregte elektrische Maschine, insbesondere eine Synchronmaschine, einen Rotorgrundkörper, welcher eine Vielzahl von umfänglich verteilt angeordneten Rotorzähnen und dazwischen ausgebildete Rotornuten aufweist, wobei die Rotorzähne entlang der Rotornuten und stirnseitig mit Leitermaterial zum Formen einer Wicklung umwickelt sind, wobei das Leitermaterial zur mechanischen Stabilisierung mit Vergussmasse umgeben ist, wodurch ein Vergusskörper gebildet ist, wobei der Vergusskörper an den Stirnseiten in Verlängerung der Rotornuten Segmente aufweist, und wobei in zumindest einem der Segmente der Materialzusammenhalt der Vergussmasse zumindest bereichs- oder abschnittsweise gezielt geschwächt oder aufgelöst ist. Es hat sich herausgestellt, dass es durchaus nicht das Ziel sein muss, einen Vergusskörper derart auszubilden, dass dieser in keinem Fall Risse oder dergleichen aufweist oder bildet. Stattdessen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, gezielt Bereiche vorzusehen, in welchen Risse und dergleichen zugelassen werden. Damit können die Bereiche, in welchen Risse möglichst verhindert werden sollen, geschützt werden. Mit anderen Worten treten dort vorteilhafterweise keine Schäden/Risse mehr auf. Bei den kritischen Bereichen handelt es sich insbesondere um die stirnseitigen Bereiche des Vergusskörpers, welche die Wickelköpfe im Bereich oder in Verlängerung der Rotorzähne umgeben. Die stirnseitigen Bereiche in Verlängerung der Rotornuten, wie auch die Bereiche in den Rotornuten sind dagegen unkritisch. So hat sich herausgestellt, dass der Vergusskörper im Bereich der Rotornuten nicht reißt. Entstehen Risse im Vergusskörper in Verlängerung der Rotornuten und breiten sich diese axial, d.h. entlang der Rotorachse, aus, treffen diese nicht auf die Wicklung bzw. auf Leitermaterial. Indem nun gezielt eine Materialschwächung oder -Auflösung in den stirnseitigen Bereichen oder Segmenten, welche in Verlängerung der Rotornuten gebildet sind, zugelassen werden, können die jeweils dazwischenliegenden Segmente, sozusagen in Verlängerung der Rotorzähne, geschützt werden.
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Bei dem Rotorgrundkörper handelt es sich bevorzugt um ein Rotorblechpaket, umfassend eine Vielzahl von Blechlamellen, welche zu dem Blechpaket paketiert sind.
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Wie erwähnt, handelt es sich bei dem Rotor insbesondere um einen Rotor für eine stromerregte/fremderregte Synchronmaschine, wobei die Erfindung nicht auf exakt diesen Motortyp beschränkt ist. Bevorzugt ist die elektrische Maschine ein Antriebs- oder Traktionsmotor, für ein teil- oder vollständig elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug, wie insbesondere ein Kraftrad, ein Personenkraftwagen oder auch ein Nutzfahrzeug.
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Bei der Vergussmasse handelt es sich gemäß bevorzugter Ausführungsformen um einen Duroplast oder um einen Thermoplast. Das Aufbringen der Vergussmasse erfolgt bevorzugt mittels Spritzgießen oder auch mittels Umgießen, wie beispielsweise (Vakuum-)Druckgelieren. Der Vergusskörper ist dabei zweckmäßigerweise derart geformt, dass er die Rotornuten sowie die stirnseitigen Bereiche des Rotors, an welchem die Wickelköpfe ausgebildet sind, zumindest weitgehend vollständig einhüllt oder umhüllt. Insbesondere soll der Vergusskörper möglichst das Leitermaterial vollständig abdecken.
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Bei dem Leitermaterial handelt es sich gemäß einer bevorzugten Ausführungsform insbesondere um Kupferdraht. Vorliegend soll verhindert werden, dass etwaige Risse bis an die Wicklung, also an den Kupferdraht, gelangen. Indem nun eine Auflösung/Schwächung des Materialzusammenhalts der Vergussmasse oder des Vergusskörpers gezielt im Bereich der Segmente, welche in Verlängerung der Rotornuten und stirnseitig ausgebildet sind, zugelassen wird, kann wirkungsvoll verhindert werden, dass sich etwaige Risse bis an die Wicklung fortsetzen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Materialzusammenhalt der Vergussmasse zumindest bereichs- oder abschnittsweise gezielt geschwächt oder aufgelöst in den Segmenten, insbesondere also an beiden Stirnseiten des Rotors.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Rotor im Bereich des zumindest einen Segments bzw. im Bereich der Segmente eine Struktur auf, welche ausgelegt ist, die Schwächung oder Auflösung des Materialzusammenhalts zu bewirken oder zu erzeugen. Zweckmäßigerweise ist der Rotor also abschnittsweise entsprechend geformt oder weist Bauteile auf, welche so geformt sind, dass die Materialschwächung oder -Auflösung in der Vergussmasse erzeugt werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Materialschwächung oder -Auflösung, wie bereits angedeutet, als sich im Wesentlichen radial erstreckender Riss ausgebildet. Ein derart radial sich erstreckender Riss kann sich axial ausbreiten, ohne dass dadurch Probleme entstehen. Grund hierfür ist, dass sich der Riss in die Rotornut ausbreiten würde, wo ohnehin kein Leitermaterial ist.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Struktur zumindest eine Kante, eine Ecke und/oder einen Radius, welcher radial nach innen und/oder nach außen gerichtet ist. Bei der Struktur handelt es sich also insbesondere um eine bauliche/technische Ausgestaltung des Rotors im Bereich der Segmente. Die tatsächliche Ausgestaltung ist einzelfallabhängig zu wählen.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Struktur beispielsweise an einem Nutschließkeil, auch Nutdeckel genannt, ausgebildet, wobei der Nutschließkeil oder der Nutdeckel in das zumindest eine Segment bzw. in die Segmente axial hinein ragt. Der Nutschließkeil oder der Nutdeckel ist so ausgelegt, dass er jeweils stirnseitig in Verlängerung der Rotornuten die Materialschwächung oder -auflösung erzeugen kann. Gemäß einer Ausführungsform weist der Nutschließkeil bzw. der Nutdeckel hierzu eine radial nach innen gerichtete Struktur, insbesondere eine scharfe Kante oder Spitze oder einen entsprechend kleinen Radius, auf.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der Rotorgrundkörper zum Formen einer Ummantelung, insbesondere mit Kunststoff, umspritzt oder umgossen, und wobei die Struktur an der Ummantelung ausgebildet ist. Die Ummantelung ist zweckmäßigerweise zur Anordnung und insbesondere auch Führung der Leiterelemente, bzw. des Leitermaterials, insbesondere der Kupferdrähte, vorgesehen. Bevorzugt kann eine Struktur zur Materialschwächung oder -Auflösung direkt über die Ummantelung erzeugt oder ausgebildet werden. Hierzu weist die Ummantelung gemäß einer bevorzugten Ausführungsform einen entsprechend kleinen Radius, eine Spitze oder eine Ecke auf, welche radial nach außen orientiert ist, derart, dass im Bereich des bzw. der Segmente die Materialschwächung oder -Auflösung induziert werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der Vergusskörper im Bereich des zumindest einen Segments bzw. im Bereich der Segmente zumindest abschnitts- oder bereichsweise derart dünn ausgebildet, dass eine Materialschwächung insbesondere in Form einer Sollbruchstelle gebildet ist. Insbesondere ist der Vergusskörper entlang der Rotorachse gesehen zumindest bereichs- oder abschnittsweise entsprechend dünn ausgebildet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Sollbruchstelle mittelbar über ein stirnseitig am Rotor angeordnetes Deckelelement gebildet. Bevorzugt sind an beiden Enden des Rotorgrundkörpers derartige Deckelelemente angeordnet. Über die Geometrie der vorgenannten Ummantelung und/oder auch über eine Ausgestaltung des Deckelelements kann in den gewünschten Segmenten gezielt der Verbundkörper derart dünn ausgebildet werden, dass die entsprechende Stelle reißt, sei es beispielsweise bereits beim Abkühlen der Vergussmasse oder auch im Betrieb, insbesondere bei der Inbetriebnahme, des Rotors.
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Derartige Deckelelemente werden typischerweise bereits vor dem Erzeugen des Vergusskörpers am Rotor bzw. am Rotorgrundköper angeordnet. Derartige Deckelelemente können auch so gestaltet sein, dass über sie das Eindringen der Vergussmasse erfolgt.
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Eine Materialschwächung kann in dem Vergusskörper gemäß einer Ausführungsform über die Struktur oder mittels entsprechender Strukturen erzeugt werden. Alternativ oder zusätzlich weist der Vergusskörper bereits als solches die Materialschwächung (bzw. mehrere) auf. Gemäß einer Ausführungsform wird in die Vergussmasse bzw. in den Vergusskörper eine Materialschwächung mechanisch eingebracht, beispielsweise in Form einer Kerbe.
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Erfindungsgemäß umfasst ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors, insbesondere für eine stromerregte/fremderregte elektrische Maschine, insbesondere Synchronmaschine, die Schritte:
- - Bereitstellen eines Rotorgrundköpers, umfassend eine Vielzahl von umfänglich verteilt angeordneten Rotorzähnen und dazwischen ausgebildeten Rotornuten;
- - Umwickeln der Rotorzähne mit Leitermaterial zum Formen einer Wicklung;
- - Aufbringen von Vergussmasse auf das Leitermaterial zum Formen eines Vergusskörpers zur mechanischen Stabilisierung der Wicklung, wobei der Vergusskörper stirnseitig in Verlängerung der Rotornuten Segmente ausbildet oder aufweist;
- - Gezieltes bereichs- oder abschnittsweises Auflösen des Materialzusammenhalts der Vergussmasse in zumindest einem der Segmente.
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An dieser Stelle sei erwähnt, dass die im Zusammenhang mit dem Rotor erwähnten Vorteile und Merkmale analog für das Verfahren gelten, wie auch umgekehrt.
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Zweckmäßigerweise erfolgt das Auflösen des Materialzusammenhalts durch ein gezieltes Einbringen einer Struktur, welche das Reißen der Vergussmasse bewirkt. Zweckmäßigerweise ist der Rotor im Bereich des oder der Segmente derart geformt oder ausgebildet, dass das Reißen der Vergussmasse bewirkt werden kann, wobei hier gemäß bevorzugter Ausführungsformen insbesondere entsprechend ausgelegte Kanten, Radien oder Ecken vorgesehen werden. Entscheidend ist, dass die Struktur oder die Strukturen derart gezielt eingebracht werden, dass etwaige Risse nicht zufällig entstehen, sondern explizit an den dafür vorgesehenen Bereichen. Entstehen die Risse in den dafür vorgesehenen Bereichen, kann davon ausgegangen werden, dass in den übrigen Bereichen keine Risse (mehr) entstehen.
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Gemäß einer Ausführungsform wird in die Vergussmasse selbst eine Materialschwächung eingebracht, beispielsweise in Form einer bereichsweisen Wandstärkenverringerung oder in Form einer Kerbe. Diese kann mechanisch eingebracht und/oder beim Erzeugen der Vergussmasse ausgebildet werden.
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Gemäß einer Ausführungsform erfolgt das Reißen oder die Materialtrennung/-Auflösung beim Abkühlen der Vergussmasse, beispielsweise durch thermisch induzierte Spannungen, zweckmäßigerweise auch bei der Inbetriebnahme oder im Betrieb. Im Betrieb ist beispielsweise die Temperatur- und/oder Drehzahlbelastung derart, dass das Reißen induziert wird.
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Gemäß einer Ausführungsform werden die Risse beim Abkühlen der Vergussmassen von der Aushärtetemperatur der Vergussmasse auf Raumtemperatur erzeugt. Die Aushärtetemperatur liegt hierbei bei etwa 180 bis 200 °C, insbesondere bei 190 °C.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen von Rotoren mit Bezug auf die beigefügten Figuren. Dabei können die Merkmale der einzelnen Ausführungsformen im Rahmen der Erfindung miteinander kombiniert werden.
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Es zeigen:
- 1: eine stirnseitige Ansicht einer Ausführungsform eines Rotors;
- 2: eine Detailansicht eines Rotors;
- 3: eine weitere Ausführungsform eines Rotors mit einem teilweise geschnitten dargestellten Deckelelement.
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1 zeigt einen Rotor 10, entlang einer Rotorachse R gesehen. Der Rotor 10 erstreckt sich sozusagen in die Zeichenebene hinein. Der Rotor 10 weist vorliegend sechs Rotorzähne 12 mit dazwischen ausgebildeten Rotornuten 14 auf. Die Rotorzähne 12 sind mit Leitermaterial 20, wie beispielsweise Kupferdraht, umwickelt. Eine Anordnung, wie sie hier skizziert ist, ist zweckmäßigerweise mit Vergussmasse umspritzt oder umgossen, wobei die Vergussmasse sowohl die Rotornuten 14 ausfüllt, als auch jeweils stirnseitig das Leitermaterial 20 abdeckt oder einhüllt. Die Vergussmasse bzw. der durch sie gebildete Vergusskörper ist vorliegend nicht dargestellt. Wichtig ist, dass die Vergussmasse im Bereich der Wickelköpfe und in Verlängerung der Rotorzähne 12 möglichst nicht reißt. Dieser Bereich ist vorliegend als kritischer Bereich 18 skizziert. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist nur ein derartiger Bereich herausgegriffen/skizziert. Vorliegend befindet sich an jedem der Rotorzähne 12 ein derart kritischer Bereich. Es hat sich herausgestellt, dass eine Materialschwächung oder -Auflösung, insbesondere ein oder mehrere Risse in Bereichen, in Verlängerung der Rotornuten 12, vorliegend Segment oder Segmente 30 genannt, dazu führen kann, dass in den kritischen Bereichen 18 keine Risse entstehen. Indem also in den Segmenten 30 Risse zugelassen werden, können Risse in den kritischen Bereichen 18 vorteilhafterweise vermieden werden. Die Materialschwächungen oder Risse 32 sind vorliegend als gezackte Linie dargestellt. Die Materialschwächungen oder Risse erstrecken sich zweckmäßigerweise strahlförmig bzw. radial in den jeweiligen Segmenten 30. Mit dem Bezugszeichen 22 ist eine Ummantelung 22 skizziert, welche einen Rotorgrundkörper zweckmäßigerweise ummantelt oder umhüllt. An der Ummantelung liegt zweckmäßigerweise das Leitermaterial 20 an.
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2 zeigt nun eine Detailansicht eines Rotors, wobei zwei Rotorzähne mit einer dazwischen ausgebildeten Rotornut 14 zu erkennen sind. Bezugszeichen R bezeichnet eine Rotorachse, Bezugszeichen 22 eine Ummantelung eines Rotorgrundkörpers. Die Rotornut 14 wird vorliegend nach außen hin über einen Nutdeckel oder Nutschließkeil 40 begrenzt. Zweckmäßigerweise ist an diesem eine Struktur 50 in Form einer sich radial nach innen orientierten Kante ausgebildet. Diese ist ausgelegt und vorgesehen, um gezielt eine Materialschwächung oder -Auflösung im Bereich eines Segments 30 zu erzeugen. Zusätzlich oder alternativ kann auch die Ummantelung 22, wie hier skizziert, eine entsprechend ausgebildete Kante aufweisen, welche vorliegend entsprechend radial nach außen gerichtet ist. Derartige Strukturen bzw. bauliche/geometrische Merkmale ermöglichen gezielt das bereichs- oder abschnittsweise Auflösen des Materialzusammenhalts der Vergussmasse im Segment 30 oder im Bereich eines Segments 30. Dabei kann die Auflösung des Materialzusammenhalts bereits beim Abkühlen der Vergussmasse, durch hierbei auftretende Spannungen, erfolgen und/oder aber auch im Betrieb oder insbesondere bei der Inbetriebnahme des Rotors. Zweckmäßigerweise ist die Materialschwächung in Verlängerung der Rotornuten 14 ausgebildet, also jeweils stirnseitig am Rotorgrundkörper, insbesondere im Bereich der Wickelköpfe. Hierzu überragt der Nutschließkeil 40 den Rotorgrundkörper in beide Richtungen zweckmäßigerweise entsprechend. Die tatsächliche Ausgestaltung muss einzelfallabhängig gewählt werden.
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3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Rotors 10, wobei hier stirnseitig ein Deckelelement 60 am Rotorgrundkörper angeordnet ist. Im Übrigen sind die wesentlichen technischen Merkmale aus den 1 und 2 bekannt. Vorliegend wird über einen Ummantelung 22 und das Deckelelement 60 gezielt eine Sollbruchstelle 52 erzeugt. Zweckmäßigerweise ist der Vergusskörper im Bereich des Bezugszeichens 52 durch die Ausgestaltung der Ummantelung 22 und/oder die Ausgestaltung des Deckelelements 60 derart dünn ausgebildet, dass die Vergussmasse dort reißt. Hintergrund ist, dass hierdurch zweckmäßigerweise in radialer Richtung im Bereich des Segments 30 ein Riss entsteht. Gut zu erkennen ist, dass ein hier entstehender Riss, welcher sich axial ausbreitet, nicht auf die Wicklung trifft. Würde stirnseitig im Bereich der Rotorzähne 12 ein Riss entstehen, würde dieser, wenn er sich in axialer Richtung ausbreitet, auf die Wicklung treffen, was unbedingt zu vermeiden ist.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Rotor
- 12
- Rotorzahn
- 14
- Rotornut
- 16
- Rotorwelle
- 18
- kritischer Bereich
- 20
- Leiter(-Material), Kupferdraht
- 22
- Ummantelung
- 30
- Segment, unkritischer Bereich
- 32
- Materialschwächung, Riss
- 40
- Nutdeckel, Nutschließkeil
- 50
- Struktur
- 52
- Sollbruchstelle
- 60
- Deckelelement
- R
- Rotorachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016205813 A1 [0002]
