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Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs mit Rotorwicklungen zum Ausbilden eines Rotormagnetfelds und mit einem Rotorkern zum Halten der Rotorwicklungen. Der Rotorkern weist ein ringförmiges Rotorjoch und zumindest zwei an dem Rotorjoch angeordnete Rotorpole auf, welche jeweils einen Rotorzahn und einen Polschuh aufweisen. Die Wicklungsleiter der Rotorwicklungen sind um die Rotorzähne gewickelt. Die Erfindung betrifft außerdem eine elektrische Maschine sowie ein Kraftfahrzeug.
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Vorliegend richtet sich das Interesse auf elektrische Maschinen für elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge, also Elektro- oder Hybridfahrzeuge. Die elektrischen Maschinen weisen einen ortsfesten Stator mit bestrombaren Statorwicklungen sowie einen bezüglich des Stators drehbar gelagerten Rotor mit einer magnetfelderzeugenden Komponente auf. Im Falle einer fremderregten bzw. stromerregten elektrischen Maschine weist die magnetfelderzeugende Komponente bestrombare Rotorwicklungen bzw. Rotorspulen auf. Die Rotorspulen werden üblicherweise als Runddrahtwicklungen, beispielsweise aus Kupfer, gefertigt. Solche Runddrahtspulen sind aufwändig zu wickeln und benötigen aufwändige Stabilisierungskonzepte für die bei hohen Drehzahlen der elektrischen Maschine entstehenden Fliehkräfte. Außerdem ist aufgrund der hohen Potentialdifferenz zwischen zwei Drähten einer Runddrahtspule eine entsprechend dicke Isolationsschicht notwendig, welche unter anderem die thermische Leitfähigkeit der Spule für eine Kühlung des Rotors verschlechtert. Dies wirkt sich negativ auf ein Dauerdrehmoment sowie eine Dauerleistung der elektrischen Maschine aus.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen einfach zu fertigenden Rotor für eine elektrische Maschine eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen, welcher ein hohes Dauerdrehmoment sowie eine hohe Dauerleistung der elektrischen Maschine gewährleistet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Rotor, eine elektrische Maschine 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 Figuren.
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Ein erfindungsgemäßer Rotor für eine elektrische Maschine eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs weist Rotorwicklungen zum Ausbilden eines Rotormagnetfelds und einen Rotorkern zum Halten der Rotorwicklungen auf. Der Rotorkern weist ein ringförmiges Rotorjoch und zumindest zwei an dem Rotorjoch angeordnete Rotorpole auf, welche jeweils einen Rotorzahn und einen Polschuh aufweisen. Die Wicklungsleiter der Rotorwicklungen sind um die Rotorzähne gewickelt. Dabei sind die Wicklungsleiter bandförmig ausgebildet und unter Ausbildung von mehrlagigen Rollbandspulen aufgewickelt, wobei jeweils eine Rollbandspule an einem Rotorzahn angeordnet ist.
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Die Erfindung betrifft außerdem eine elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug. Die elektrische Maschine ist insbesondere als eine stromerregte Synchronmaschine (SSM) ausgebildet und weist einen Stator sowie den bezüglich des Stators drehbar gelagerten Rotor auf. Die elektrische Maschine kann eine Innenläufer- oder eine Außenläufer-Maschine sein. Im Falle einer Innenläufer-Maschine ist der Rotor innerhalb des zylinderförmigen Stators angeordnet und dazu ausgelegt, um eine Rotationsachse innerhalb des Stators zu rotieren. Zur Erzeugung des Rotormagnetfeldes weist die elektrische Maschine Rotorwicklungen bzw. Rotorspulen auf, welche von dem Rotorkern gehalten werden. Der Rotorkern kann mit einer Antriebswelle des Kraftfahrzeugs zur Drehmomentübertragung mechanisch verbunden sein.
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Der Rotorkern ist vorzugsweise in Vollmaterialbauweise, beispielsweise aus Eisen, gebildet. In axialer Richtung entlang der Rotationsachse besteht der Rotorkern insbesondere also aus einem Vollmaterial, nicht aus axial gestapelten Blechlamellen. Der Rotorkern weist das ringförmige, beispielsweise kreisringförmige, Rotorjoch auf, an welchem radial abstehende Rotorpole angeordnet sind. Zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten Rotorpolen ist eine Pollücke bzw. Rotornut gebildet. Die Rotorpole weisen jeweils den Rotorzahn bzw. Rotorschaft sowie den Polschuh auf. Die Rotorzähne weisen insbesondere einen im Wesentlichen rechteckförmigen Querschnitt auf. Die Polschuhe sind unter anderem dazu ausgelegt, zu verhindern, dass sich die Rotorwicklungen während der Drehung des Rotors aufgrund der radial nach außen wirkenden Fliehkraft von den Rotorpolen lösen. Dazu weisen die Polschuhe einen kreissegmentförmigen Querschnitt auf, welcher durch eine Kreissehne und einen Kreisbogen begrenzt ist, auf und stehen seitlich bzw. lateral an den Rotorzähnen über, um die Pollücken zumindest teilweise zu verschließen. Die Rotorpole weisen also einen im Wesentlichen pilzförmigen Querschnitt auf.
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Die Rotorwicklungen sind dabei nicht als Runddrahtspulen sondern als Rollbandspulen ausgebildet. Dazu weisen die Rotorwicklungen bandförmige bzw. streifenförmige Wicklungsleiter auf. Unter einem bandförmigen bzw. streifenförmigen Wicklungsleiter ist ein Wicklungsleiter zu verstehen, welcher im Verhältnis zu seiner Dicke eine große flächige Ausdehnung aufweist. Dieser Wicklungsleiter wird zu einer mehrlagigen Rolle aufgerollt, bei welcher die aus Wicklungsleiterschnitten bestehenden Lagen übereinander angeordnet sind. Dabei wird jeweils eine Rollbandspule an einem Rotorzahn angeordnet. Insbesondere sind Windungen der Rollbandspulen, welche jeweils aus einer Lage des bandförmigen Wicklungsleiters bestehen, übereinander gestapelt und die gestapelten Lagen erstrecken sich entlang von Außenflächen der Rotorzähne. Eine Stapelrichtung der gestapelten Lagen ist somit senkrecht zu einer Oberfläche des Wicklungsleiters bzw. zu den Außenflächen der Rotorzähne orientiert. Eine Breite des Wicklungsleiters entspricht also einer Breite der Rollbandspule, wobei die Breite der Rollbandspule höchstens einer radialen Länge des Rotorzahns entspricht.
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Solche Rollbandspulen weisen eine gegenüber Runddrahtspulen verbesserte mechanische Stabilität bei Fliehkräften der elektrischen Maschine sowie eine verbesserte thermische Leitfähigkeit auf. Außerdem ist durch die aufgewickelten bzw. aufgerollten bahnförmigen Wicklungsleiter ein besonders hoher Füllgrad in den Pollücken erreichbar. Dadurch sind kleinere Spulen möglich, wodurch das Gewicht und die Kosten des Rotors verringert werden.
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Dabei können die Wicklungsleiter einen folienartigen, bandförmigen elektrischen Leiter aufweisen, welcher insbesondere als eine Aluminiumfolie oder eine Kupferfolie ausgebildet ist. Zum elektrischen Isolieren von Leiterabschnitten des elektrischen Leiters zweier benachbarter Windungen ist ein elektrisch isolierendes Material zwischen den Leiterabschnitten angeordnet. Das elektrisch isolierende Material kann beispielsweise eine Isolationsfolie und/oder eine Isolationsbeschichtung, beispielsweise ein Lack, und/oder eine mittels Oberflächentechnik auf einer Oberfläche des Leiters erzeugte Oxidschicht sein. Durch das Aufrollen des Wicklungsleiters weist jede Lage höchstens zwei benachbarte Lagen auf, welche unterhalb und/oder oberhalb dieser Lage angeordnet sind. Jeder elektrische Leiterabschnitt weist also nur höchstens zwei benachbarte Leiterabschnitte auf, weswegen eine Potentialdifferenz zwischen den Leiterabschnitten geringer ist. Dadurch kann das elektrisch isolierende Material mit einer im Vergleich zu Runddrahtspulen geringeren Materialdicke ausgebildet werden.
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In einer Weiterbildung der Erfindung sind die Rotorpole mehrteilig ausgebildet. Dazu sind die Rotorzähne der Rotorpole einteilig mit dem Rotorjoch ausgebildet und die Polschuhe sind separat zu den Rotorzähnen ausgebildet, sodass die Rollbandspulen auf die Rotorzähne aufschiebbar sind und die Polschuhe nach dem Aufschieben der Rollbandspule auf den jeweiligen Rotorzahn mechanisch mit den Rotorzähnen verbindbar sind. Der Rotorkern ist also mehrteilig ausgebildet, wobei hier die Rotorpole mehrteilig ausgebildet sind. Die Rotorzähne und die Polschuhe werden bei der Herstellung des Rotors mechanisch zu den Rotorpolen verbunden.
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Die Rotorzähne der Rotorpole sind monolithisch mit dem Rotorjoch ausgebildet. Das Rotorjoch und die Rotorzähne bilden somit einen außenverzahnten Zahnradring. Das Rotorjoch und die Rotorzähne sind polschuhlos ausgebildet. Durch das Fehlen der Polschuhe sind die Pollücken vollständig offen und die Rotorzähne liegen frei. Aufgrund der offenen Pollücken kann auf die Rotorzähne die vorgewickelte Rollbandspule aufgeschoben bzw. aufgesteckt werden. Nach Anordnen der Rollbandspulen an den Rotorzähnen werden die Polschuhe an den Rotorzähnen befestigt. Beispielsweise können die Polschuhe formschlüssig, beispielsweise über eine Schwalbenschwanzartige Verbindung, mit den Rotorzähnen verbunden werden. Durch das mehrteilige Ausbilden des Rotorkerns kann dieser während der Herstellung des Rotors besonders einfach mit den Rollbandspulen bestückt werden
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Besonders bevorzugt sind die Polschuhe jedoch radial an den jeweiligen Rotorzahn angepresst. Dazu weist der Rotor Hilfsfügeteile auf, welche dazu ausgelegt sind, jeweils zumindest einen Polschuh an dem zugehörigen Rotorzahn mittels Kraftschluss zu fixieren und welche mittels jeweils zumindest eines Verbindungselementes an dem Rotorjoch befestigt sind. Die Polschuhe sind dabei kappenartig ausgebildet und werden an die Rotorzähne angelegt. Den Kreissehnen zugeordnete Seiten bzw. Außenflächen der Polschuhe sind an Seiten bzw. Außenflächen der Rotorzähne angeordnet, welche dem Rotorjoch radial gegenüberliegen. Den Kreisbögen zugeordnete Seiten der Polschuhe bilden einen Umfang, insbesondere Außenumfang des Rotors, aus. Dieser Außenumfang ist im zusammengefügten Zustand des Rotors und des Stators einem Luftspalt zwischen Rotor und Stator zugewandt.
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Gemäß dieser Ausführungsform wird insbesondere keine formschlüssige Verbindung zwischen korrespondierenden Fügepartnern der Polschuhe und der Rotorzähne in radialer und tangentialer Richtung gebildet, wie es beispielsweise bei einer schwalbenschwanzartigen Verbindung der Fall ist. Vielmehr ist die mechanische Verbindung zwischen einem Polschuh und dem zugehörigen Rotorzahn, insbesondere ausschließlich, kraftschlüssig, indem der Polschuh mittels einer radial in Richtung des Rotorjochs gerichteten Normalkraft an den Rotorzahn angepresst wird. Zum Anpressen bzw. Andrücken der Polschuhe an die Rotorzähne sind die Hilfsfügeteile vorgesehen, welche zumindest teilweise in den Pollücken angeordnet sind. Die Hilfsfügeteile üben dabei die Normalkraft auf die Polschuhe aus und sind mittels jeweils zumindest eines Verbindungselementes an dem Rotorjoch befestigt. Die Verbindungselemente sind insbesondere Schrauben, Nieten oder Bolzen.
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Vorzugsweise sind die Hilfsfügeteile V-Klammer-artig ausgebildet und weisen jeweils zwei, über einen Scheitelbereich verbundene Schenkel auf, wobei Schenkelenden der Schenkel an zwei benachbarten Polschuhen angeordnet sind. Der Scheitelbereich ist an dem Rotorjoch angeordnet und weist zumindest eine Durchgangsöffnung für zumindest ein Verbindungselement auf. Die Schenkel erstrecken sich dabei in der Pollücke ausgehend von dem Rotorjoch in Richtung der Polschuhe und wirken dabei insbesondere auf die am Rotorzahn seitlich überstehenden Polschuhbereiche der Polschuhe. Der Scheitelbereich kann beispielsweise an das Rotorjoch angelegt sein. Das ringförmige Rotorjoch kann dazu ebene, ungebogene Bereiche aufweisen, anliegend an welchen die Scheitelbereiche angeordnet sind. Dadurch, dass die Polschuhe nur an die Rotorzähne angelegt werden und mittels der Hilfsfügeteile an den Rotorzähnen befestigt werden, ist die Herstellung des Rotors besonders einfach und aufwandsarm.
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Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug umfasst eine erfindungsgemäße elektrische Maschine. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere als ein Elektro- oder Hybridfahrzeug ausgebildet und weist die elektrische Maschine als Antriebsmaschine auf.
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Die mit Bezug auf den erfindungsgemäßen Rotor vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße elektrische Maschine sowie für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten 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.
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Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1a, 1b eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rotors während einer Herstellung des Rotors; und
- 2a, 2b schematische Perspektivdarstellungen einer Rollbandspule für den Rotor.
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In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1b zeigt eine Ausführungsform eines Ausschnitts eines Rotors 1 für eine hier nicht gezeigte elektrische Maschine eines Kraftfahrzeugs in einer Explosionsdarstellung. 1a zeigt einen Fertigungsschritt zum Herstellen des Rotors 1. Die elektrische Maschine ist insbesondere eine Antriebsmaschine des Kraftfahrzeugs und als eine stromerregte Synchronmaschine (SSM) ausgebildet. Der Rotor 1 weist einen Rotorkern 2 auf, welcher zum Halten von Rotorwicklungen 3 sowie zum Leiten eines von den Rotorwicklungen 3 erzeugten Rotormagnetfeldes ausgebildet ist. Der Rotorkern 2 ist beispielsweise aus massivem Stahl ausgebildet und weist ein Rotorjoch 4 sowie mehrere, zweiteilig ausgebildete Rotorpole 5 auf. Jeder Rotorpol 5 weist einen Rotorzahn 6 auf, welcher einstückig mit dem Rotorjoch 4 ausgebildet ist. Außerdem weist jeder Rotorpol 5 einen Polschuh 7 auf, welcher separat zu dem jeweiligen Rotorzahn 6 ausgebildet ist, mit dem jeweiligen Rotorzahn 6 mechanisch verbunden werden kann und zerstörungsfrei wieder von dem jeweiligen Rotorzahn 6 gelöst werden kann. Die Rotorzähne 6 weisen hier einen rechteckförmigen Querschnitt auf und weisen zwei parallele, sich lateral gegenüberliegende Seitenflächen 8a, zwei parallele, sich axial gegenüberliegende Seitenflächen 8b sowie eine dem Polschuh 7 zugewandte, dem Rotorjoch 4 radial gegenüberliegende Außenseite 8c auf. Die Polschuhe 7 weisen einen kreissegmentförmigen Querschnitt auf und weisen somit eine, durch eine Kreissehne begrenzte erste Seite 9a und eine, durch einen Kreisbogen begrenzte zweite Seite 9b auf.
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Dadurch, dass die Polschuhe 7 zerstörungsfrei von den Rotorzähnen 6 lösbar sind, kann der Rotor 1 auf einfache Weise, wie in 1a gezeigt, gefertigt werden. Zunächst sind, wie in 1a gezeigt, die Polschuhe 7 von den Rotorzähnen 6 gelöst. So kann die Rotorwicklung 3 auf einfache Weise an dem jeweiligen Rotorzahn 6 angeordnet werden. Die Rotorwicklung 3 ist, wie in 2a und 2b gezeigt, als eine Rollbandspule 10 ausgebildet. Dazu ist ein bandförmiger Wicklungsleiter 11 der Rotorwicklung 3 aufgerollt, sodass eine Luftspule aus mehreren, übereinandergeschichteten Lagen entstehen, welche einen Hohlraum 12 umschließen. In diesem Hohlraum 12 wird ein Rotorzahn 6 angeordnet, indem die Rollbandspule 10, wie in 1a gezeigt, auf den Rotorzahn 6 aufgesteckt wird. Eine Oberfläche 13 der Rollbandspule 10 ist dabei entlang der Seitenflanken 8a, 8b des Rotorzahns 6 orientiert.
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Der bandförmige Wicklungsleiter 11 weist dabei einen elektrischen Leiter 14 sowie eine elektrisch isolierende Schicht 15 auf. Der elektrische Leiter 14 kann beispielsweise eine Kupferfolie oder eine Alufolie sein. Die Isolationsschicht 15 kann beispielsweise eine Isolationsfolie, ein Lack oder eine Oxidschicht sein. Im Falle der Oxidschicht, welche also eine Oberflächenstruktur auf der Alufolie erzeugt sein kann, sind keine zusätzlichen Bauteile erforderlich und es wird eine bestmögliche thermische Leitfähigkeit in radialer Richtung bereitgestellt.
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Nach Aufstecken der Rollbandspulen 10 auf die Rotorzähne 6 werden die Polschuhe 7 an die Rotorzähne 6 angelegt. Hier liegt der Polschuh 7 dabei mit der ersten Seite 9a vollflächig an der Außenseite 8c des Rotorzahnes 6 an. Um die Polschuhe 7 nun an den Rotorzähnen 6 zu fixieren, werden Hilfsfügeteile 16 verwendet. Hier wird in jede Pollücke 17, wie in 1b gezeigt, zumindest ein Hilfsfügeteil 16 eingeführt, welches mit weiteren Hilfsfügeteilgen 16 dazu ausgelegt ist, die Polschuhe 7 der zwei angrenzenden Rotorpole 5 kraftschlüssig an dem zugehörigen Rotorzahn 6 zu fixieren. Die Hilfsfügeteile 16 werden dabei mittels jeweils eines Verbindungselementes 18 an dem Rotorjoch 4 befestigt. Das Hilfsfügeteil 16 ist hier V-Klammer-artig ausgebildet und weist zwei Schenkel 19 und einen Scheitelbereich 20 auf. Der Scheitelbereich 20 ist hier stegförmig ausgebildet und anliegend an dem Rotorjoch 4 angeordnet, wobei das Rotorjoch 4 hierfür abgeflachte, ebene Bereiche 21 aufweist. Der Scheitelbereich 20 weist eine Durchgangsöffnung 22 für das Verbindungselement 18 auf, welches hier als Schraube 23 ausgebildet ist. Zum Befestigen der durch die Durchgangsöffnung 22 durchgeführten Schraube 23 an dem Rotorjoch 4 weist das Rotorjoch 4 hier eine Gewinde 24 auf.
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Die Schenkel 19 weisen einen sich hier parallel zu den Seitenflächen 8a des Rotorzahns 6 erstreckenden ersten Schenkelabschnitt 25a und einen davon seitlich bzw. lateral abgewinkelten zweiten Schenkelabschnitt 25b auf. Die ersten Schenkelabschnitte 25a liegen hier an den Rollbandspulen 10 an und fixieren diese somit auch in Umfangsrichtung. Die zweiten Schenkelabschnitte 25b sind in Eingriff gebracht mit jeweiligen Falzen 26, welche in der jeweiligen zweiten Seite 9b der Polschuhe 7 ausgebildet sind. Somit sind die Hilfsfügeteile 16 und die Polschuhe 7 formschlüssig verbunden. Die Schenkel 19 ziehen die Polschuhe 7 radial in Richtung des Rotorjochs 4 und pressen die Polschuhe 7 somit an die Rotorzähne 6 an.
