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Die Erfindung betrifft einen Schenkelpolrotor für eine elektrische Maschine aufweisend Rotorwicklungen zum Ausbilden eines Rotormagnetfelds und einen Rotorkern mit einem Rotorkernjoch und Rotorkernschenkelpolen zum Halten der Rotorwicklungen, wobei eine jeweilige Außenseite der Rotorkernschenkelpole einen ersten Krümmungsradius aufweist. Außerdem weist der Schenkelpolrotor Deckschieber zum Verschließen von zwischen zwei benachbarten Rotorkernschenkelpolen gebildeten Rotorkernnuten auf, wobei im Bereich des Rotorkerns durch die ersten Krümmungsradien der Rotorkernschenkelpole eine mit Ausbuchtungen versehene Außenkontur gebildet ist. Ferner weist der Schenkelpolrotor zwei, eine kreisförmige Innenkontur aufweisende Stützringe zum Ummanteln von axial an dem Rotorkern überstehenden Wickelköpfen der Rotorwicklungen auf. Die Erfindung betrifft außerdem eine elektrische Maschine sowie ein Kraftfahrzeug.
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Vorliegend richtet sich das Interesse auf elektrische Maschinen, welche beispielsweise als Antriebsmaschinen für elektrifizierte Kraftfahrzeuge, also Elektro- oder Hybridfahrzeuge, eingesetzt werden können. Solche elektrischen Maschinen weisen üblicherweise einen ortsfesten Stator mit bestrombaren Statorwicklungen sowie einen bezüglich des Stators drehbar gelagerten Rotor auf. Im Falle einer fremderregten Maschine weist auch der Rotor bestrombare Rotorwicklungen auf. Diese können bei einem Rotor in Schenkelpolbauweise um Schenkelpole bzw. Rotorpole eines Rotorkerns des Rotors gewickelt sein. Zwischen den Rotorkernschenkelpolen sind Nuten bzw. Pollücken ausgebildet. Die Wicklungen bilden an axial einander gegenüberliegenden Stirnseiten des Rotorkerns Wickelköpfe aus, welche aus Stabilitätsgründen von jeweils einer Endkappe bzw. einem Stützring ummantelt sind. Außerdem weist der Rotor in der Regel eine Vergussmasse auf, welche beispielsweise zum Stabilisieren des Schenkelpolrotors in die Pollücken eingefüllt ist. Zum radialen und axialen Abdichten des Rotors gegen den Austritt der Vergussmasse wird der Rotor mittels Deckschieber gesichert, welche die Nuten verschließen. Für die Abdichtung werden die Deckschieber üblicherweise axial gegen eine Dichtung der Stützringe geschoben, welche verpresst wird und somit eine axiale Dichtwirkung bereitstellt.
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Die Schwierigkeit bei der axialen Abdichtung besteht aus der vorschriftsmäßigen Verpressung der in den Stützringen axial aufgebrachten Dichtung, wobei diese Verpressung durch die verfahrensbedingten Toleranzen der beteiligten Bauteile, nämlich des Rotorkerns, der Deckschieber und der Stützringe, in axialer Richtung beeinflusst wird. Eine zu geringe axiale Verpressung führt zu einer Leckage, während eine zu hohe axiale Verpressung die Dichtung selbst beschädigt. In beiden Fällen kann es zum Austritt von Vergussmasse kommen, wodurch eine Funktionstüchtigkeit des Schenkelpolrotors beeinträchtigt werden kann.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Schenkelpolrotor für eine elektrische Maschine bereitzustellen, welcher auf einfache Weise abgedichtet werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Schenkelpolrotor, 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 Schenkelpolrotor für eine elektrische Maschine weist Rotorwicklungen zum Ausbilden eines Rotormagnetfelds und einen Rotorkern mit einem Rotorkernjoch und Rotorkernschenkelpolen zum Halten der Rotorwicklungen auf, wobei Außenseiten der Rotorkernschenkelpole einen ersten Krümmungsradius aufweisen. Außerdem weist der Schenkelpolrotor Deckschieber zum Verschließen von zwischen zwei benachbarten Rotorkernschenkelpolen gebildeten Rotorkernnuten auf, wobei im Bereich des Rotorkerns durch den ersten Krümmungsradius der Außenseiten der Rotorkernschenkelpole eine mit Ausbuchtungen versehene Außenkontur gebildet ist. Auch weist der Schenkelpolrotor zwei, eine kreisförmige Innenkontur aufweisende Stützringe zum Ummanteln von axial an dem Rotorkern überstehenden Wickelköpfen der Rotorwicklungen auf. Darüber hinaus weist der Schenkelpolrotor zwei an axial gegenüberliegenden Stirnseiten des Rotorkerns angeordnete Endscheiben auf, welche jeweils ein Endscheibenjoch und Endscheibenschenkelpole aufweisen. Außenseiten der Endscheibenschenkelpole weisen einen im Vergleich zum ersten Krümmungsradius unterschiedlichen zweiten Krümmungsradius auf. Die Deckschieber weisen Konturelemente auf, welche zum Verschließen von zwischen zwei Endscheibenschenkelpolen gebildeten Endscheibennuten ausgebildet sind und den zweiten Krümmungsradius aufweisen, sodass im Bereich der Endscheiben zum Anpassen an die kreisförmige Innenkontur der Stützringe eine kreisförmige Außenkontur gebildet ist. Die Stützringe sind unter Ausbildung einer Radialdichtung mit den Endscheiben und den Konturelementen gefügt.
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Eine erfindungsgemäße elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug weist einen Stator und einen erfindungsgemäßen Schenkelpolrotor auf, welcher drehbar gegenüber dem Stator gelagert ist. Die elektrische Maschine ist insbesondere eine fremderregte bzw. stromerregte Innenläufer-Synchronmaschine (SSM). Der Rotor weist den Rotorkern auf, welcher beispielsweise als ein Blechpaket aus axial gestapelten Elektroblechlamellen ausgebildet sein kann. Der Rotor ist in Schenkelpolbauweise gefertigt. Dazu sind an dem ringförmigen Rotorkernjoch die Rotorkernschenkelpole angeordnet, welche jeweils einen an dem Rotorkernjoch angeordneten Rotorkernzahn bzw. Rotorkernschaft sowie einen an dem Rotorkernzahn angeordneten Rotorkernpolschuh aufweisen. Eine Außenseite der Rotorkernpolschuhe, welche die Außenseite des zugehörigen Rotorkernschenkelpols ausbildet, ist entlang der Umfangsrichtung gekrümmt und weist dabei den ersten Krümmungsradius auf. Wicklungsdrähte der Rotorwicklungen sind um die Rotorkernzähne gewickelt und werden von den Rotorkernpolschuhen auf den Rotorkernzähnen gehalten. Zwischen den Rotorkernschenkelpolen sind die Rotorkernpollücken bzw. Rotorkernnuten ausgebildet, über welche die Wicklungsdrähte um die Rotorkernzähne gewickelt werden können.
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Um die Rotorkernnuten zu verschließen, sind Deckschieber vorgesehen. Die Deckschieber sind insbesondere aus einem Kunststoff, beispielsweise einem Thermoplast, gebildet. Diese werden insbesondere axial in die Rotorkernnuten eingeschoben und dabei von den Rotorkernpolschuhen der benachbarten Rotorkernschenkelpole gehalten. Dazu können die Deckschieber Einkerbungen aufweisen, welche sich axial erstrecken und beim Einschieben des Deckschiebers in die Rotorkernnut eine formschlüssige Verbindung mit den Rotorkernpolschuhen der Rotorkernschenkelpole ausbilden. Durch die ersten Krümmungsradien der Rotorkernpolschuhe weist die Außenkontur des mit den Deckschiebern bestückten Rotorkerns die mit Ausbuchtungen versehene, blumenförmige Außenkontur auf.
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Die Wickelköpfe, welche die Rotorwicklungen an den axial gegenüberliegenden Stirnseiten ausbilden, werden von jeweils einem Stützring bzw. einer Endkappe umgeben. Die Stützringe sind zum Stabilisieren des Schenkelpolrotors ausgebildet. Die Stützringe weisen dabei eine ringförmige Innenkontur auf, sodass der Stützring aufgrund der im Bereich des Rotorkerns blumenförmigen Außenkontur nicht radial mit dem Rotorkern abgedichtet werden kann. Um dennoch ein radiales Dichtkonzept bereitstellen zu können, sind die Endscheiben bzw. Endplatten vorgesehen, welche an den Stirnseiten des Rotorkerns angeordnet sind. Der Rotorkern ist also zwischen zwei Endscheiben angeordnet, wobei die Endscheiben mechanisch mit dem Rotorkern verbunden sind. Die Endscheiben weisen insbesondere das gleiche Material wie der Rotorkern auf. Die Endscheiben weisen dabei eine deutlich geringere axiale Höhe auf wie der Rotorkern.
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Jede Endscheibe weist das Endscheibenjoch auf, welches insbesondere deckungsgleich zu dem Rotorkernjoch ausgebildet ist und stirnseitig anliegend an dem Rotorkernjoch angeordnet ist. Die Endscheibenschenkelpole einer Endscheibe weisen jeweils einen Endscheibenzahn und einen Endscheibenpolschuh auf. Die Endscheibenzähne sind insbesondere deckungsgleich mit den Rotorkernzähnen ausgebildet und stirnseitig anliegend an den Rotorkernzähnen angeordnet. Die Endscheibenschenkelpole bilden dabei keine magnetischen Pole aus, sondern sind lediglich hinsichtlich ihrer geometrischen Form an die Rotorkernschenkelpole angepasst. Zumindest die Endscheibenpolschuhe sind nicht deckungsgleich zu den Rotorkernpolschuhen ausgebildet, sondern weisen den im Vergleich zum ersten Krümmungsradius unterschiedlichen, insbesondere größeren, zweiten Krümmungsradius auf. Die Schenkelpole der Endscheiben und des Rotorkerns unterscheiden sich also insbesondere nur durch den Krümmungsradius der Außenseite der jeweiligen Polschuhe.
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Außerdem sind zum Bereitstellen des radialen Dichtkonzeptes die Deckschieber entsprechend gestaltet, sodass jeder Deckschieber insbesondere zwei Konturelemente aufweist. Insbesondere weist jeder Deckschieber einen Nutverschlusskeil und zwei Konturelemente auf, welche als sich in Umfangsrichtung erstreckende, gekrümmte Stege ausgebildet sind und an einer Außenseite der Nutverschlusskeile angeordnet sind. Der Nutverschlusskeil und die Konturelemente eines Deckschiebers sind vorzugsweise einteilig ausgebildet. Die zwei Konturelemente eines Deckschiebers sind dabei in einer zwischen zwei Endscheibenschenkelpolen gebildeten Endscheibennut angeordnet. Diese Konturelemente weisen ebenfalls den zweiten Krümmungsradius auf, sodass die Endscheiben und die Konturelemente die kreisförmige Außenkontur ausbilden. Der zweite Krümmungsradius der Endscheiben und der Konturelemente der Deckschieber ist also konzentrisch zu einer Rotordrehachse, welche einer axialen Längsachse des Rotors entspricht, um somit das radiale Dichtungskonzept zur kreisförmigen Innenkontur der Stützringe darstellen zu können.
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Aufgrund der kreisförmigen Innenkontur der Stützringe und der kreisförmigen Außenkontur im Bereich der Endscheiben kann also die Radialdichtung bereitgestellt werden, indem die Stützringe radial dicht mit den Endscheiben und den Konturelementen gefügt, insbesondere verpresst, werden.
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Ein solches erfindungsgemäßes radiales Dichtkonzept weist die gleiche Dichtwirkung auf wie ein axiales Dichtkonzept, ist jedoch in vorteilhafter Weise von den axialen Toleranzen der einzelnen Bauteile entkoppelt und erlaubt sogar größere Toleranzen der einzelnen Bauteile.
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Bevorzugt weisen die Stützringe jeweils einen zylinderförmigen Mantel, einen mit den Endscheiben überlappenden Deckel sowie ein ringförmiges Dichtelement auf, welches an einer Innenseite des Mantels angeordnet ist und welches radial mit der durch die Endscheiben und die Konturelemente gebildeten kreisförmigen Außenkontur verpresst ist. Durch die Konturelemente und die Endscheiben wird also eine kreisförmige radiale Dichtkontur bzw. Dichtfläche gebildet, welche mit dem Dichtelement radial verpresst werden kann. Das Dichtelement kann beispielsweise als ein O-Ring ausgebildet sein. Das Dichtelement kann beispielsweise in einer Nut in der den Endscheiben zugewandten Innenseite des Mantels angeordnet sein.
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Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug mit zumindest einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere ein elektrifiziertes Kraftfahrzeug und weist die elektrische Maschine als Antriebsmaschine auf.
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Die mit Bezug auf den erfindungsgemäßen Schenkelpolrotor 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:
- 1 eine schematische Perspektivdarstellung von Rotorkomponenten eines Schenkelpolrotors;
- 2 ein vergrößerter Ausschnitt aus der Perspektivdarstellung gemäß 1;
- 3 eine schematische Perspektivdarstellung eines Rotorkerns mit Endscheiben des Schenkelpolrotors;
- 4 ein vergrößerter Ausschnitt aus der Perspektivdarstellung gemäß 3;
- 5 eine schematische Perspektivdarstellung eines Deckschiebers des Schenkelpolrotors
- 6 eine schematische Perspektivdarstellung eines Stützringes des Schenkelpolrotors;
- 7 ein vergrößerter Ausschnitt aus der Perspektivdarstellung gemäß 6;
- 8 eine Querschnittdarstellung einer Radialdichtung des Schenkelpolrotors; und
- 9 eine schematische Perspektivdarstellung des Schenkelpolrotors.
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In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt Rotorkomponenten eines Schenkelpolrotors 1 für eine hier nicht gezeigte stromerregte Innenläufer-Synchronmaschine. In 2 ist ein vergrößerter Ausschnitt im Bereich eines axialen Endes des Schenkelpolrotors 1 gezeigt. Der Schenkelpolrotor 1 weist einen Rotorkern 2 auf, welcher mit einer Welle 3 zur Drehmomentübertragung drehfest verbunden ist und welcher in 3 und in einem vergrößerten Ausschnitt in 4 gezeigt ist. Der Rotorkern 2 weist ein Rotorkernjoch 4 und Rotorkernschenkelpole 5 auf. Die Rotorkernschenkelpole 5 weisen jeweils einen parallelflankigen Rotorkernzahn 6 und einen Rotorkernpolschuh 7 auf. Die Rotorkernschenkelpole 5 halten, wie in 1 und 2 gezeigt, Rotorwicklungen 8, welche zur Erzeugung eines Rotormagnetfelds ausgelegt sind. Wicklungsleiter 9 der Rotorwicklungen 8 sind über axiale Stirnseiten 10 des Rotorkerns 2 geführt und bilden dabei Wickelköpfe 11 aus. Hier sind die Wicklungsleiter 9 im Bereich der Stirnseiten 10 über eine Sternscheibe 12 geführt, die hier nicht näher beschrieben wird. Zwischen jeweils zwei Rotorkernschenkelpolen 4 ist eine Rotorkernnut 13 ausgebildet, welche durch jeweils einen Deckschieber 14 zur radialen und axialen Abdichtung der Rotorkernnut 13 verschlossen ist. Eine beispielhafte Ausführung eines Deckschiebers 14 ist ebenfalls in 5 gezeigt.
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Zum Stabilisieren des Schenkelpolrotors 1 weist dieser außerdem Stützringe 15 auf, welche die Wickelköpfe 11 ummanteln bzw. umgeben. Ein solcher Stützring 15 ist beispielhaft in 6 gezeigt. Ein vergrößerter Ausschnitt des Stützringes 15 ist in 7 gezeigt. Der Stützring 15 weist einen zylindrischen Mantel 16 und einen Deckel 17 auf. Im Deckel 17 ist eine Durchgangsöffnung 18 für die Welle 3 angeordnet. Außerdem weist der Deckel 17 Befüllöffnungen 19 zum Befüllen der Rotorkernnuten 13 mit einer Vergussmasse auf. Durch dem zylindrischen Mantel 16 weist der Stützring 15 eine kreisförmige Innenkontur 20 auf. Der Stützring 15 weist hier außerdem ein Dichtelement 21, beispielsweise in Form von einem Gummiring, auf, welcher in einer Nut 22 in einer Innenseite 23 des Mantels 16 angeordnet ist (siehe 7).
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Eine jeweilige durch die Rotorkernpolschuhe 7 gebildete Außenseite 24 der Rotorkernschenkelpole 5 weist einen ersten Krümmungsradius auf, sodass der Schenkelpolrotor 1 im Bereich des Rotorkerns 2 eine mit Ausbuchtungen versehene Außenkontur 25 aufweist. Die Außenkontur 25 des Schenkelpolrotors 1 weicht also im Bereich des Rotorkerns 2 von einer Kreisform ab. Somit können die Stützringe 15 nicht derart mit dem Rotorkern 2 gefügt werden, dass sich eine radiale Abdichtung der Nuten 13 ergibt.
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Daher weist der Schenkelpolrotor 1 außerdem Endscheiben 26 bzw. Endbleche auf, welche an den Stirnseiten 10 des Rotorkerns zwischen dem Rotorkern 2 und dem jeweiligen Wickelkopf 11, hier zwischen dem Rotorkern 2 und der jeweilige Sternscheibe 12, angeordnet sind. Die Endscheiben 26 weisen jeweils ein Endscheibenjoch 27 und Endscheibenschenkelpole 28 auf. Das Endscheibenjoch 26 und das Rotorkernjoch 4 sind insbesondere kongruent. Die Endscheibenschenkelpole 28 weisen parallelflankige Endscheibenzähne 29 und Endscheibenpolschuhe 30 auf. Eine durch die Endscheibenpolschuhe 30 gebildete Außenseite 31 der Endscheibenschenkelpole 28 weist jeweils einen zweiten Krümmungsradius auf, welcher größer als der erste Krümmungsradius ist. Die Außenseiten 31 liegen also auf einer Kreislinie eines zu einer Rotationsachse des Schenkelpolrotors 1 konzentrischen Kreises. Die Endbleche 26 mit zylindrischem Außendurchmesser unterscheiden sich also geometrisch von den axial innen liegenden Rotorkernblechen, sodass das Konzept zur radialen Abdichtung ermöglicht werden kann.
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Zum Ausbilden einer kreisförmigen Außenkontur 32 im Bereich der Endscheiben 26 weisen die Deckschieber 14 außerdem Konturelemente 33 auf, welche ebenfalls den zweiten Krümmungsradius aufweisen, sodass die Konturelemente 33 und die Außenseiten 31 der Endscheibenschenkelpole 28 eine geschlossene kreisförmige Kurve, welche der Kreislinie des konzentrischen Kreises entspricht, und damit eine ringförmige Dichtfläche ausbilden. Die Deckschieber 14 weisen also ebenfalls im Bereich der radialen Abdichtung einen zylindrischen Außendurchmesser auf. Diese ringförmige Dichtfläche kann zum Abdichten des Schenkelpolrotors 1 radial gegen das Dichtelement 21 des jeweiligen Stützringes 15 gepresst werden. Dazu werden nach dem Fügen der Deckschieber 14 die Stützringe 14, welche am Innendurchmesser die radial aufgebrachte Dichtung 21 aufweisen, über die Endbleche 26 bis zum axialen Anschlag an die Stirnseiten 10 der innen liegenden Rotorkernbleche montiert.
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Eine solche durch das Dichtelemente 21 und die kreisförmige Außenkontur 32 gebildete Radialdichtung 34 ist in einer Schnittdarstellung in 8 gezeigt. Diese Radialdichtung 34 weist ein gewisses axiales Toleranzfeld 35 auf. Dies bedeutet, dass ein gewisser Spielraum beim axialen Fügen der Bauteile vorliegt, ohne dass die Dichtwirkung der Radialdichtung 34 beeinträchtigt wird. Der mit den Stützringen 15 versehene Schenkelpolrotor 1 ist in 9 gezeigt.
