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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sternscheibe mit integrierten Stromschienen zur Verschaltung von Rotorwicklungen, einen die Sternscheibe umfassenden Rotor sowie Verfahren zur Herstellung des Rotors.
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Der aktive Teil einer elektrischen Maschine besteht grundsätzlich aus einem ortsfesten Teil, dem Stator, und einem sich bewegendenden Teil, dem Rotor. Im Stator befinden sich Leiter, die durch geeignete Bestromung ein sich drehendes Magnetfeld erzeugen. Über eine elektromagnetische Wechselwirkung mit dem Rotor übt der Stator eine Kraft auf den Rotor aus, was zu dessen Bewegung führt. Hierfür gibt es unterschiedliche Maschinenprinzipien. Die üblichen sind Asynchronmaschine (kurz: ASM), permanenterregte Synchronmaschine (kurz: PSM) und fremderregte Synchronmaschine (kurz: FSM).
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Die fremderregte Synchronmaschine (FSM) ist eine magnetlose Alternative zur permanenterregten Synchronmaschine (PSM) für den Antrieb eines elektrifizierten Fahrzeuges. Die im Rotor befindlichen Magnete der PSM werden durch stromführende Kupferwicklungen ersetzt, die als Elektromagnet das drehmomentbildende Rotor-Magnetfeld erzeugen.
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Die Kupferwicklungen des Rotors bestehen aus einem Standard-Lackdraht. Diese Wicklungen werden auf den Rotorpolen aufgewickelt. Aus Effizienzgründen und Leistungsgründen wird dabei versucht, möglichst viele Windungen in die verfügbare Querschnittsfläche zu wickeln. Aus diesem Grund ist eine orthozyklische Wicklung das Ziel, die einer hexagonal dichtesten Anordnung der Drähte entspricht, da diese durch den 60°-Versatz zwischen Drähten zweier Lagen eine möglichst hohe Packungsdichte erlaubt.
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Der Wickelkörper eines FSM-Rotors setzt sich aus mehreren Komponenten zusammen. Zentrales Bauteil ist das auf eine Welle montierte Blechpaket. In den Nuten des Blechpaketes verlaufen nach Bewicklung die Kupferdrähte. Zur Umlenkung der Drahtspulen im Bereich der Wickelköpfe werden auf den Stirnseiten des Blechpaktes zwei Sternscheiben angebracht. Die Sternscheiben weisen eine Kontur zur gezielten mechanischen Abstützung der Drahtspulen auf. Die Sternscheiben können vollständig aus Kunststoff bestehen. Zur Erhöhung der Festigkeit kann auch ein Metallkern Anwendung finden. Der Grundkörper aus Metall ist bei derartigen Bauteilen mit Kunststoff umspritzt.
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Die Wicklung des Rotors besteht aus konzentrierten Spulen, die jeweils um die Pole angeordnet sind. In der Regel umfasst der Rotor 6 Pole, es kann aber auch eine andere Anzahl von Polen vorhanden sein, beispielsweise 8 Pole. Die Konstruktion baut auf einem trapezförmigen Wicklungsaufbau auf, um den Raum zwischen den Polen maximal mit Kupfer auszufüllen. Dadurch lässt sich ein hoher Kupferfüllgrad und damit eine hohe Effizienz und Leistungsdichte der elektrischen Maschine erreichen. Alle gezeigten Teilwicklungen werden mit einem fortlaufenden Draht seriell nacheinander aufgebaut.
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Als Herausforderung bei einem trapezförmigen Wicklungsaufbau ergibt sich, dass die letzte Windung einer Pol-Wicklung nie unten am Joch endet. Die erste Windung liegt unten am Joch an. Danach baut sich die Wicklung lageweise auf. Die letzte Windung endet oben am Polschuh und nicht unten am Joch. Ein Wechsel zwischen den Polen ist jedoch stets nur unten am Joch möglich. Da ein Polwechsel nur unten erfolgen kann, muss der Draht zum Joch zurückgeführt werden. Aus Sicht des Rotors erfolgt die Rückführung von radial außen nach innen in Richtung Welle. Am Joch ist dann eine Verbindung der einzelnen Pole möglich. Es existieren verschiedene Ansätze zum Zurückführen des Drahtes vom Polschuh zum Joch:
- Zum einen besteht die Möglichkeit der Rückführung über spezielle Konturen in der Sternscheibe. Diese stützen den Draht ab und ermöglichen einen Verlauf diagonal über den Wickelkopf. Die genaue Umsetzung beschreibt die deutsche Patentanmeldung DE 10 2020 118 944.3.
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Zum anderen kann der Draht über ein spezielles Wickelschema vom Polschuh zurück zum Joch geführt werden. Gezielte Lücken bzw. Auslassungen in der Wicklung stützen den Draht beim Zurückführen ab. Die genaue Umsetzung beschreibt die deutsche Patentanmeldung DE 10 2021 101 814.5.
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US 2018/0337569 A1 offenbart eine Rotorbaugruppe mit einem Rotorkern, um den Spulen gewickelt sind; und einer Sammelschiene mit Anschlüssen, die mit den Spulen verbunden sind, und einem Körper, der auf dem Rotorkern angeordnet und mit den Anschlüssen gekoppelt ist und eine Vielzahl von Schaufeln aufweist. Der Körper umfasst einen Innenkörper, einen Außenkörper und Verbindungsteile, wobei der Außenkörper außerhalb des Innenkörpers angeordnet ist, und die Verbindungsteile in regelmäßigen Abständen in einem Umfang des Innenkörpers angeordnet sind und den Innenkörper mit dem Außenkörper verbinden. Die Anschlüsse sind im Innenkörper angeordnet, so dass Verbindungsenden der Anschlüsse zwischen den benachbarten Verbindungsteilen angeordnet sind, und die Schaufeln ragen aus einer oberen Fläche des Außenkörpers hervor und sind in einer Umfangsrichtung in Bezug auf ein Drehzentrum in regelmäßigen Abständen angeordnet. Der äußere Körper umfasst ein Kühlloch, das von einer unteren Oberfläche davon zu seiner oberen Oberfläche verläuft. Das Kühlloch ist zwischen benachbarten Schaufeln angeordnet.
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Aus der
DE 11 2016 006 082 T5 sind eine Struktur eines elektrischen Verbindungsteils, ein Rotor und Motor, auf den diese Struktur angewendet wird, sowie Verfahren zum Bilden eines elektrischen Verbindungsteils bekannt. In der Struktur eines elektrischen Verbindungsteils sind ein Anschluss eines stromführenden Teils eines Motors und eine Wicklung thermisch gekoppelt. Der Anschluss weist einen auf Seite des Basisendes liegenden Rastteil und einen auf der Spitzenseite liegenden Schmelzteil auf. Die Wicklung weist einen Windungsteil auf, der auf dem Rastteil gewickelt und dessen eines Ende mit einer am Schmelzteil erzeugten Schmelzkugel gebunden ist, sowie einen Verbindungsdraht, der von einem gewickelt angeordneten Hauptwicklungsteil des Motors gespannt angeordnet ist und auf das andere Ende des Windungsteils folgt. Auf das eine Ende des Windungsteils wirkt keine Spannung zum Ziehen des Verbindungsdrahts auf die Seite des Hauptwicklungsteils.
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Die
DE 10 2017 214 776 A1 betrifft ein Verfahren zum Fertigen eines Rotors für eine elektrische Maschine mit berührungslosem Leistungsübertragungssystem, wobei an einer Stirnseite eines Blechpakets des Rotors eine Wickelkopfabdeckung angeordnet wird. Eine Sekundäreinheit (SEC) des Leistungsübertragungssystems wird in die Wickelkopfabdeckung integriert und hierdurch wird die Sekundäreinheit (SEC) nach dem Anordnen der Wickelkopfabdeckung indirekt über die Wickelkopfabdeckung am Rotor gehalten.
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Vor diesem Hintergrund hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, Vorrichtungen und Verfahren zur Verfügung zu stellen, die zur Herstellung fremderregter Synchronmaschinen mit hoher Effizienz und Leistungsdichte eingesetzt werden können.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch Vorrichtungen mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 8 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Abbildungen.
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Gegenstand der Erfindung ist eine Sternscheibe für einen Rotor einer fremderregten Synchronmaschine, wobei zumindest die Oberfläche der Sternscheibe aus Kunststoff besteht, in den Stromschienen eingebettet sind, die jeweils einen Polschuh oder eine Nut der Sternscheibe mit einem dazu benachbarten Polschuh oder einer dazu benachbarten Nut der Sternscheibe elektrisch leitend verbinden und an ihren beiden Enden jeweils ein Kontaktier-Element zur Aufnahme eines Wicklungsdrahts aufweisen, das aus der Oberfläche der Sternscheibe herausragt.
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Erfindungsgemäß sind in die Sternscheibe Stromschienen zur Leiterrückführung bei trapezförmigen Wicklungen integriert. Die Stromschienen werden, beispielsweise mittels Spritzguss, in die Sternscheibe eingebettet. Die Rückführung des Leiters vom Polschuh hin zum Joch erfolgt dann nicht mehr über Standard-Wickeldraht wie bei allen anderen Wicklungen auch, sondern über eine Stromschiene. Die Funktion der Rückführung wird also in die Sternscheibe verlagert. An den beiden Enden der Stromschienen befinden sich Kontaktier-Elemente, die jeweils eine Verbindung zwischen Wicklung und Stromschiene herstellen. Die Pole der Sternscheibe dienen zusätzlich auch der Drahtführung und Drahtabstützung. Die gezielt definierte Außenkontur der Pole mit den Stützstrukturen ermöglicht einen robusten Bewicklungsprozess. Die Kontaktier-Elemente stellen die Schnittstellen zwischen einer gewickelten Spule und den Stromschienen dar. Zur Drahtführung zwischen der Spule und den Kontaktier-Elementen sind in die Sternscheibe Stützkonturen integriert. Die elektrische Verbindung von Stromschiene und Draht kann dann beispielsweise über ein Verschweißen hergestellt werden.
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In einer Ausführungsform führen Stromschienen zur Verbindung der trapezförmigen Wicklungen der einzelnen Pole vom Polschuh zum Joch. In einer weiteren Ausführungsform führen Stromschienen vom Polschuh zum Joch und wieder zu einem weiteren Polschuh, verbinden also einen Polschuh mit einem weiteren. In einer Ausführungsform sind die Stromschienen so angeordnet, dass sie ein freies Verbinden der trapezförmigen Wicklungen auf den einzelnen Polen eines Rotors ermöglichen. In einer Ausführungsform sind die Stromschienen so angeordnet, dass sie ein Bewickeln aller Pole mit demselben Drehsinn erlauben und gleichzeitig gleichlaufende Stromrichtungen in den Nuten der Sternscheibe ermöglichen.
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Für einen FSM-Rotor erfolgt standardmäßig eine serielle Verschaltung aller Wicklungen. Eine Wicklung besteht jeweils aus mehreren Einzeldrähten. Zur Erzeugung eines homogenen Magnetfelds müssen die Ströme in den Wicklungen auf beiden Seiten einer Nut zwischen zwei benachbarten Polen in dieselbe Richtung fließen. Entsprechende Stromrichtungen sind durch die Verschaltung der Pole zu gewährleisten. Durch die Verwendung von Stromschienen sind verschiedene Schemata zur Verschaltung der Spulen umsetzbar. Die in die Sternscheibe eingegossenen Stromschienen verschalten die einzelnen Wicklungen seriell, wobei die Stromrichtungen in einer Nut jeweils in dieselbe Richtung zeigen.
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Durch die Verwendung der Stromschienen zur Leiterrückführung bei trapezförmigen Wicklungen ergeben sich mehrere Vorteile für die Produkteigenschaften sowie für den Herstellprozess einer FSM. Durch den Entfall des Zurückführens des Drahtes über die Wicklung selbst entstehen im Wickelkopfbereich keine Drahtkreuzungen bzw. -sehnen. Es resultiert daraus eine erhöhte Stabilität der Wicklung gegenüber bisher bekannten Umsetzungen. Durch die Verwendung von Stromschienen entfallen auch die Verbindungsdrähte zwischen den Spulen.
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Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sternscheibe weist Stromschienen auf, die von einem Polschuh zurück zum Joch und weiter zum Polschuh des im Uhrzeigersinn benachbarten Pols führen. In einer Ausführungsform weist eine Sternscheibe für einen sechspoligen Rotor 3 Typen von Stromschienen auf, wobei alle Pole jeweils mit demselben Wickelsinn bewickelt sind. In einer anderen Ausführungsform sind benachbarte Pole in entgegengesetztem Wickelsinn bewickelt.
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Durch die Verwendung der Stromschienen von Polschuh zu Polschuh resultiert mehr Freiraum zur Gestaltung des Bauteils. Durch die Funktionsintegration in die Sternscheibe wird der benötigte Bauraum deutlich verringert und kann somit für andere Funktionen genutzt werden. Diese Variante weist zudem den Vorteil auf, dass die Stromschienen überkreuzungsfrei in den Kunststoff der Sternscheibe eingespritzt werden können. Der Betrag der Potentialunterschiede in nahe aneinander liegenden Leitern kann damit deutlich verringert werden. Auch ist eine vollkommen regelmäßige und orthozyklische Wicklung umsetzbar. Die orthozyklische Wicklung kann lagenweise aufgebaut werden. Es gibt keine Unregelmäßigkeiten durch Auslassungen oder durch das Zurückspringen einzelner Wicklungen.
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Gegenstand der Erfindung ist auch ein Rotor einer fremderregten Synchronmaschine, der mindestens eine erfindungsgemäße Sternscheibe aufweist. Die Sternscheiben sind auf einer Rotorachse an gegenüberliegenden Stirnflächen eines Blechpakets des Rotors angeordnet. In einer Ausführungsform weist der Rotor eine erfindungsgemäße Sternscheibe an einer Stirnfläche des Blechpakets und eine konventionelle Sternscheibe ohne Stromschienen an der gegenüberliegenden Stirnfläche des Blechpakets auf. In einer anderen Ausführungsform weist der Rotor zwei erfindungsgemäße Sternscheiben an gegenüberliegenden Stirnflächen des Blechpakets auf, wobei die zur Kontaktierung der Wicklungen erforderlichen Stromschienen auf die beiden Sternscheiben verteilt sind. Auf den Polen der Sternscheiben und des Blechpakets sind trapezförmige orthozyklische Wicklungen angeordnet.
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Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors einer fremderregten Synchronmaschine. In dem erfindungsgemäßen Verfahren werden zwei Sternscheiben an den Stirnflächen eines Blechpakets des Rotors angeordnet, wobei mindestens eine der beiden Sternscheiben eine erfindungsgemäße Sternscheibe ist, und die Pole der Sternscheiben und des Blechpakets werden mit einem Wickeldraht unter Bildung einer trapezförmigen orthozyklischen Wicklung umwickelt.
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Durch die Verwendung von Stromschienen in der Sternscheibe endet die Wicklung eines Pols oben am Polschuh. Im Gegensatz zu den bisher bekannten Varianten der Drahtrückführung muss die letzte Windung der Wicklung nicht unten am Joch abgelegt werden. Für die letzte Windung muss der Drahtführer also nicht bis zum Nutgrund in die Nut eintauchen. Folglich ist für den Bewicklungsvorgang weniger Freiraum zwischen zwei Wicklungen benachbarter Pole vorzuhalten. Durch eine sogenannte Drehpunktverschiebung kann die Drahtdüse im Bewicklungsprozess näher am aktuell zu bewickelnden Pol entlangfahren. Es nimmt deshalb der erforderliche Freiraum ab. Dieser kann wiederum mit weiteren Kupferdrähten gefüllt werden. Der so erreichbare Anstieg im Kupferfüllfaktor zieht direkt eine erhöhte Leistungsdichte für den Rotor nach sich.
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In einer Ausführungsform des Verfahrens ist die Wickelrichtung für alle Pole gleich. Dies vereinfacht den Fertigungsprozess deutlich, da lauter Gleichteile herzustellen sind. Eine Umkehr der Stromrichtung kann über den Verlauf der Stromschienen erreicht werden. Bei einer durchgehenden Bewicklung mit einem ununterbrochenen Draht wäre dies nicht möglich. Durch das Auftrennen der Spulen ist die Reihenfolge der Polbewicklung frei wählbar. Dadurch können mechanische Belastungen im Wickelprozess reduziert werden. In einer Ausführungsform des Verfahrens erfolgt eine Bewicklung gegenüberliegender Pole direkt nacheinander. Dies führt zu einer gleichmäßigeren Belastung des Bauteils im Produktionsprozess. Einem Verbiegen der Welle in eine Richtung aufgrund einer einseitigen Belastung kann so effektiv entgegengewirkt werden. In einer weiteren Ausführungsform erfolgt ein gleichzeitiges Bewickeln mehrerer Pole. Bei der Verwendung mehrerer Drahtführer können die Prozesszeiten so deutlich reduziert werden. Bei einer durchgehenden Bewicklung mit einem fortlaufenden Draht ist dies nicht möglich.
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Für eine maximale Ausnutzung des zur Verfügung stehenden Bauraums setzt die FSM ein trapezförmiges Wickelfenster voraus. Durch einen orthozyklischen Wicklungsaufbau in der Nut lässt sich ein sehr hoher Kupferfüllfaktor erzielen. Mit einem hohen Kupferfüllfaktor kann die Effizienz der Maschine gesteigert werden. Die Effizienz ist mit das wichtigste Merkmal einer elektrischen Maschine. Je höher die Effizienz der Maschine, desto grö-ßer ist die Reichweite des Fahrzeugs bei gleichbleibender Batteriekapazität. Die Wicklung endet dabei nicht unten am Joch, sondern oben am Polschuh. Aus diesem Grund ist in jedem Fall eine Rückführung des Drahtes nach innen erforderlich. Durch das erfindungsgemäße Zurückführen des Drahtes sowie die Verbindung der gewickelten Spulen können maximale Kupferfüllgrade erreicht werden. Die Stromschienen ermöglichen es, in dem vorhandenen Bauraum noch mehr Kupfer unterzubringen, da der Freiraum zwischen zwei Wicklungen reduziert werden kann. Die Verbindung der Spulen durch Stromschienen im Bereich des Wickelkopfes ermöglicht es, den Draht radial in Richtung Welle zurückzuführen, ohne in der Nut unnötige Überkreuzungen einbringen zu müssen. Dies bildet die Voraussetzung für eine stabile Wicklung sowie eine prozesssichere Führung der Verbindungsdrähte. Ein prozesssicheres Fertigungskonzept für die Rückführung des Drahtes ist eine Grundvoraussetzung für die Verwendung der FSM-Technologie in Großserie. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist zudem eine deutliche Kostenersparnis für die Fertigung zu erwarten.
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Die Verwendung der beschriebenen Stromschienen bietet zudem den Vorteil, dass die Wickelrichtung für alle Pole gleich sein kann. Im Gegensatz zu bisherigen Ansätzen können dann beispielsweise sechs identische Spulen gewickelt werden, sodass die Komplexität der Anlagen und des Wickelprozesses entscheidend abnimmt. Durch ein gleichzeitiges Bewickeln mehrerer Pole ist eine Reduktion der Fertigungszeit pro Rotor möglich. Das gleichzeitige Bewickeln zweier gegenüberliegender Pole ermöglicht beispielsweise eine Halbierung der Durchlaufzeit. Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen.
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Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den beigefügten Zeichnungen exemplarisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter beschrieben. Es zeigt:
- 1 eine Teilansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sternscheibe;
- 2 zwei Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Sternscheibe;
- 3 eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotors.
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1 zeigt eine Teilansicht einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sternscheibe 100. Der Ausschnitt umfasst einen der sechs Pole 110 der Sternscheibe 100 mit Polschuh 111, sowie die angrenzende Joche 112. Die Sternscheibe 100 weist einen Metallkern 101 mit einer Kunststoffumhüllung 102 auf, die beispielsweise durch Umspritzen des Metallkerns 101 erhalten werden kann. Die Kunststoffumhüllung 102 weist Stützstrukturen 103 auf, die einen Wickeldraht abstützen und führen und damit den Aufbau einer regelmäßigen Drahtwicklung auf den Polen 110 der Sternscheibe 100 erleichtern. Die gezielt definierte Außenkontur ermöglicht einen robusten Bewicklungsprozess. In die Kunststoffumhüllung 102 eingebettet sind Stromschienen 121, 122, 123, an deren Enden sich Kontaktier-Elemente 125 zur Aufnahme eines Wickeldrahts befinden. Die Kontaktier-Elemente 125 stellen jeweils eine elektrisch leitende Verbindung zwischen Wicklung und Stromschiene her.
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2 zeigt zwei Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Sternscheibe 100 mit unterschiedlichen Anordnungen der Stromschienen 121, 122, 123. In der in 2a) dargestellten Ausführungsform verbinden die Stromschienen 121 jeweils den Polschuh eines Pols mit dem Fuß des im Uhrzeigersinn benachbarten Pols. Die Stromschienen 122 verbinden den Polschuh eines Pols mit dem Fuß des im Uhrzeigersinn übernächsten Pols. Die Stromschienen 123 stellen den Anschluss zur Stromversorgung her.
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In der in 2b) dargestellten Ausführungsform verbinden die Stromschienen 121 jeweils den Polschuh eines Pols mit dem Polschuh des im Uhrzeigersinn benachbarten Pols, führen also vom Polschuh zurück zum Joch und weiter zum Polschuh des benachbarten Pols. Die Stromschienen 122 verbinden den Fuß eines Pols mit dem Fuß des im Uhrzeigersinn benachbarten Pols. Die Stromschienen 123 stellen den Anschluss zur Stromversorgung her.
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Die in die Sternscheibe 100 eingegossenen Stromschienen 121, 122, 123 verschalten die einzelnen Wicklungen auf den Polen der Sternscheibe 100 seriell. Die Stromrichtungen in einer Nut zeigen jeweils in dieselbe Richtung. Für den gezeigten Fall eines sechspoligen Rotors ergeben sich somit 3 Typen von Stromschienen, wenn alle Pole jeweils mit demselben Wickelsinn bewickelt werden. Für das gezeigte Beispiel erfolgt stets eine Bewicklung im Uhrzeigersinn.
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3 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rotors 200. Auf der Rotorwelle 210 ist ein Blechpaket 220 mit sechs Polen angeordnet. An den Stirnflächen des Blechpakets 220 sind Sternscheiben 100 A, 100 B angeordnet, eine konventionelle Sternscheibe 100 A ohne eingebettete Stromschienen auf der A-Seite des Rotor 200 und eine erfindungsgemäße Sternscheibe 100 B auf der B-Seite des Rotors 200. Die Drähte der Rotorwicklung sind über die Sternscheiben 100 A, 100 B und die Pole des Blechpakets 220 geführt. Die Wicklung ist in der Zeichnung nicht dargestellt.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Sternscheibe
- 100 A
- Sternscheibe A-Seite
- 100 B
- Sternscheibe B-Seite
- 101
- Metallkern
- 102
- Kunststoffumhüllung
- 103
- Stützstruktur
- 110
- Pol
- 111
- Polschuh
- 112
- Joch
- 121
- Stromschiene
- 122
- Stromschiene
- 123
- Stromschiene
- 125
- Kontaktier-Element
- 200
- Rotor
- 210
- Rotorwelle
- 220
- Blechpaket
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 20180337569 A1 [0009]
- DE 112016006082 T5 [0010]
- DE 102017214776 A1 [0011]
