-
Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine stromerregte elektrische Maschine mit einer bestrombaren Formstabwicklung pro Rotorpol, welche mehrere Wicklungslagen mit jeweils mehreren Windungen aufweist, und mit einem Rotorkern, welcher pro Rotorpol einen Polzahn zum Halten der Formstabwicklung und an gegenüberliegende Zahnflanken des Polzahns angrenzende, axial durchgängige Pollücken aufweist. Die Erfindung betrifft außerdem eine elektrische Maschine sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors.
-
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 können aus Gründen der Nachhaltigkeit als magnetlose, stromerregte elektrische Maschinen ausgebildet sein, welche einen ortsfesten Stator mit bestrombaren Statorwicklungen sowie eine bezüglich des Stators drehbar gelagerten Rotor mit bestrombaren Rotorwicklungen aufweisen. Der Rotor weist üblicherweise einen Rotorkern auf, welcher pro Rotorpol einen Polzahn sowie zwei an den Polzahn angrenzende Pollücken aufweist. Zum Bestücken des Rotorkerns mit den Rotorwicklungen können die einzelnen Polzähne mit Hilfe eines Wickelapparats mit Wicklungsleitern in Form von Drähten bewickelt werden. Aufgrund des Produktionsprozesses dieser Drahtwicklung müssen umfangsseitige Durchlässe zu den Pollücken im Rotorkern vorgesehen werden, um die Drähte in die Pollücken einbringen zu können und die Polzähne mit den Drähten bewickeln zu können. Dies erfordert Bauraum, welcher nicht für die elektrische Erregung der Maschine genutzt werden kann. Außerdem werden durch dies Durchlässe die mechanische Stabilität des Rotors verringert und die mechanische Tragstruktur verschlechtert.
-
Auch ist es aus dem Stand der Technik bekannt, anstelle von Drahtwicklungen Steckwicklungen in Form von Formstabwicklungen bereitzustellen. Hierfür werden Formstäbe axial in die Pollücken des Rotorkerns eingesteckt. Hierbei ist jedoch die über Stirnseiten des Rotorkerns führende elektrische Verbindung der Formstäbe komplex sowie technisch aufwändig und führt zumeist zu hohen Leitungslängen sowie axial weit überstehenden Wickelköpfen an den Stirnseiten des Rotorkerns. Dies führt wiederum zu erhöhten ohmschen Verlusten sowie zu hohen, auf die Wickelköpfe wirkenden Fliehkräften.
-
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einfach zu fertigende Formstabwicklungen für Rotoren elektrischer Maschinen bereitzustellen.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Rotor, ein Verfahren sowie eine elektrische Maschine mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
-
Ein erfindungsgemäßer Rotor für eine stromerregte elektrische Maschine weist pro Rotorpol eine bestrombare Formstabwicklung auf, welche mehrere Wicklungslagen mit jeweils mehreren Windungen aufweist. Außerdem umfasst der Rotor einen Rotorkern, welcher pro Rotorpol einen Polzahn zum Halten der Formstabwicklung und an gegenüberliegende Zahnflanken des Polzahns angrenzende, axial durchgängige Pollücken aufweist. Der Rotor weist pro Formstabwicklung zwei Pakete mit Längsformstäben unterschiedlicher Längen auf, welche zum Ausbilden von axialen Wicklungsabschnitten derart in den Pollücken angeordnet sind, dass pro Rotorpol aus an zumindest einer Stirnseite des Rotorkerns überstehenden Längsformstabenden mehrere, von der jeweiligen Zahnflanke gegenläufig entlang der Umfangsrichtung treppenartig ansteigende Kontaktierebenen zum Kontaktieren von Längsformstäben unterschiedlicher Wicklungslagen gebildet sind. Darüber hinaus weist der Rotor zumindest einen, an der zumindest einen Stirnseite angeordneten Querverbinderstapel zum Vervollständigen der Formstabwicklung eines jeweiligen Rotorpols und zum Verschalten der Formstabwicklungen der Rotorpole auf. Der Querverbinderstapel umfasst eine zu der Anzahl an Wicklungslagen korrespondierende Anzahl an axial gestapelten, wicklungslagenspezifischen Querverbindern, wobei die Querverbinder jeweilige Querformstäbe wicklungslagenspezifischer Längen aufweisen, welche zum Ausbilden von stirnseitigen Wicklungsabschnitten mit den Längsformstabenden verbunden sind.
-
Zur Erfindung gehört außerdem ein Verfahren zum zumindest teilumfänglichen Herstellen eines solchen erfindungsgemäßen Rotors. Dabei wird ein zu einer ersten Wicklungslage korrespondierender, erster Querverbinder an der zumindest einen Stirnseite des Rotorkerns angeordnet und die Querformstäbe des ersten Querverbinders werden mit den Längsformstabenden der ersten Wicklungslage verbunden. Anschließend wird zumindest ein zu einer zweiten Wicklungslage korrespondierender, zweiter Querverbinder axial auf dem ersten Querverbinder angeordnet und die Querformstäbe des zumindest einen zweiten Querverbinders werden mit den Längsformstabenden der zumindest einen zweiten Wicklungslage verbunden.
-
Ferner betrifft die Erfindung eine stromerregte elektrische Maschine mit einem Stator und einem bezüglich des Stators drehbar gelagerten, erfindungsgemäßen Rotor. Die elektrische Maschine ist insbesondere eine stromerregte Synchronmaschine (SSM), welche den Rotor als einen innerhalb des Stators drehbar gelagerten Innenläufer aufweist.
-
Der Rotorkern des Rotors kann beispielsweise als ein Blechpaket aus axial gestapelten und mechanisch verbundenen Elektroblechlamellen ausgebildet werden. Der Rotorkern weist die entlang der Umfangsrichtung beabstandeten Polzähne auf, welche durch eine Polmitte des jeweiligen Rotorpols verlaufen, radial von einem Rotorjoch abstehen und jeweils eine bestrombare Spule in Form von einer Formstabwicklung tragen. Entlang der Umfangsrichtung grenzen beidseitig Pollücken in Form von axial durchgängigen Öffnungen an die Zahnflanken der Polzähne an und erstrecken sich in Richtung von entlang der Umfangsrichtung gegenüberliegenden Polrändern des jeweiligen Rotorpols. In diesen Pollücken werden die axialen Wicklungsabschnitte der Formstabwicklungen angeordnet. Die stirnseitigen Wicklungsabschnitte der Formstabwicklungen werden unter Ausbildung von Wickelköpfen über die axial gegenüberliegenden Stirnseiten des Rotorkerns geführt. Die Polzähne können schenkelpolförmig ausgebildet sein. Die axialen und die stirnseitigen Wicklungsabschnitte sind durch Formstäbe ausgebildet. Solche Formstäbe sind Massivleiter, beispielsweise aus Kupfer, mit einem beliebigen, insbesondere rechteckförmigen, Leiterquerschnitt. Die axialen Wicklungsabschnitte werden dabei durch die sich axial entlang einer Längsachse des Rotorkerns erstreckenden Längsformstäbe ausgebildet, welche axial in die Pollücken einsteckbar sind. Durch die Einsteckmöglichkeit kann eine Außenseite des Rotorkerns geschlossen, also ohne Durchlässe, ausgebildet sein, beispielsweise indem Polschuhe benachbarter schenkelpolförmiger Polzähne über Verbindungsstege verbunden sind. Dadurch kann der Rotor mit einer hohen mechanischen Stabilität ausgebildet werden.
-
Pro Rotorpol weisen die Formstabwicklungen dabei vorzugsweise mehrere entlang der Umfangsrichtung hintereinanderliegende Wicklungslagen sowie pro Wicklungslage mehrere, radial nebeneinanderliegende Windungen auf. Um die freien Längsformstabenden, welche an zumindest einer Stirnseite des Rotorkerns aus den Pollücken herausragen, zum Ausbilden von jeweils einer Formstabspule bzw. Formstabwicklung pro Rotorpol aufweisend jeweils mehrere, elektrisch und mechanisch verbundene Windungen und Wicklungslagen kontaktieren zu können, weisen die Längsformstäbe unterschiedliche axiale Längen auf. Zum Kontaktieren der mehreren Wicklungslagen einer rotorpolspezifischen Formstabwicklung werden die Längsformstäbe ausgehend von den Zahnflanken des zugehörigen Polzahns mit entlang der Umfangsrichtung in Richtung der Polränder ansteigender Längen in den Pollücken angeordnet. Zum Ausbilden von mehreren Windungen pro Wicklungslage werden mehrere Längsformstäbe gleicher oder unterschiedlicher, alternierender Längen in radialer Richtung nebeneinander angeordnet. Durch diese unterschiedlichen Längen der Längsformstäbe sind die an zumindest einer Stirnseite des Rotorkerns überstehenden Enden der Längsformstäbe in mehreren Kontaktierebenen unterschiedlicher axialer Höhe angeordnet. Dabei sind pro Rotorpol an der zumindest einen Stirnseite des Rotorkerns zwei, entlang der Umfangsrichtung gegenläufige Treppen mit ausgehend von den jeweiligen Zahnflanken in Richtung der Polränder ansteigenden, die Kontaktierebenen ausbildenden Stufen ausgebildet.
-
Die Längsformstäbe können als I-Pins ausgebildet sein, welche an beiden axial gegenüberliegen Stirnseiten des Rotorkerns überstehen. Auch kann vorgesehen sein, dass die Längsformstäbe durch axiale Teilbereiche von U-Pins bzw. Hairpins ausgebildet werden, welche an nur einer Stirnseite des Rotorkerns, freie und damit kontaktierbare Längsformstabenden ausbilden. Durch die U-förmige Ausgestaltung sind die in den unterschiedlichen Pollücken eines Rotorpols angeordneten Längsformstäbe eines Rotorpols an einer Stirnseite des Rotorkerns bereits elektrisch und mechanisch verbunden. Die U-Pins können dabei so gestaltet sein, dass Windungssprünge, also Übergänge zwischen zwei benachbarten Windungen, und/oder Wicklungslagensprünge, also Übergänge zwischen zwei benachbarten Wicklungslagen, durch stirnseitige Teilbereiche der U-Pins ausgebildet sind.
-
Es erweist sich als vorteilhaft, wenn die Pakete mit Längsformstäben einsteckfertig ausgebildet sind und dazu die Längsformstäbe in jeweils einer formstabilen, kassettenartigen, stirnseitig offenen Umhüllung angeordnet sind. Die axialen Wicklungsabschnitte sind also insbesondere vorkonfektioniert und somit als einsteckfertige bzw. einschubfertige Bauteile ausgebildet. Die Umhüllung ist dabei vorzugsweise eine elektrisch isolierende, ausgehärtete Vergussmasse, beispielsweise ein Kunststoff, welche zum elektrischen Isolieren der Längsformstäbe voneinander insbesondere auch zwischen den Längsformstäben angeordnet ist. Es kann aber auch vorgesehen sein, dass die Längsformstäbe mit einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise einem Lack, beschichtet sind, sodass die Umhüllung aus einem beliebigen, geeigneten Material ausgebildet sein kann. Die Umhüllung ist dabei so geformt, dass sich ein kassettenartiges, beispielsweise quaderförmiges, Paket, ergibt, welches auf einfache Weise unter Beibehaltung der geometrischen Form axial in die Pollücke eingeschoben werden kann. Die Umhüllung erstreckt sich dabei über zumindest einen Teil der axialen Länge der Längsformstäbe. Dabei stehen die Längsformstabenden an zumindest einer Stirnseite der Umhüllung über, sodass diese nach Einstecken bzw. Einschieben in die Pollücke an der zumindest einen Stirnseite des Rotorkerns überstehen und dort kontaktiert werden können.
-
Um nun die miteinander korrespondierenden Längsformstäbe eines Rotorpols, also die in der einen Pollücke angeordneten Längsformstäbe eines Rotorpols mit den in der anderen Pollücke angeordneten Längsformstäben desselben Rotorpols, unter Ausbildung der rotorpolspezifischen Formstabwicklung elektrisch zu verbinden, sind die wicklungslagenspezifischen Querverbinder vorgesehen, welche Querformstäbe aufweisen. Dabei ist pro Wicklungslage ein Querverbinder bereitgestellt, mittels welchem die miteinander korrespondierenden Längsformstäbe einer Wicklungslage aller Rotorpole elektrisch und mechanisch verbunden werden. Die Querverbinder sind dabei axial an der zumindest einen Stirnseite des Rotorkerns unter Ausbildung des zumindest einen Querverbinderstapels gestapelt, wobei durch den zumindest einen Querverbinderstapel die Formstabwicklungen jedes Rotorpols mit der vorbestimmten Windungs- und Wicklungszahl vervollständigt sind und die Formstabwicklungen aller Rotorpole miteinander verschaltet sind. Die Querformstäbe weisen dabei unterschiedliche, wicklungslagenspezifische Längen auf, da ein Abstand zwischen den zu verschaltenden, in den unterschiedlichen Pollücken eines Rotorpols angeordneten Längsformstabenden in Richtung der Polränder zunimmt. Die Querformstäbe des zu der ersten Wicklungslage korrespondierenden ersten Querverbinders weisen dabei eine erste Länge auf, welche einem ersten Abstand der zu verschaltenden Längsformstabenden der ersten Wicklungslage entspricht, die Querformstäbe des zu der zweiten Wicklungslage korrespondierenden zweiten Querverbinders weisen dabei eine zweite Länge auf, welche einem zweiten Abstand der zu verschaltenden Längsformstabenden der zweiten Wicklungslage entspricht, usw. Die Längsformstäbe und die damit verbundenen Querformstäbe eines Rotorpols bilden also einen durchgängigen Wicklungsleiter aus, durch welchen eine rotorpolspezifische Spule in Form von einer Formstabwicklung gebildet ist
-
Die Querformstäbe eines wicklungslagenspezifischen Querverbinders sind dabei insbesondere mittels einer Haltestruktur gehalten. Die Haltestruktur eines Querverbinders ist beispielsweise scheibenartig ausgebildet und weist sternförmig bzw. strahlenförmig angeordnete, also in Umfangsrichtung beabstandete und radial abstehende, Halterahmen auf, wobei pro Halterahmen zum Ausbilden der mehreren Windungen pro Wicklungslage zumindest zwei Querformstäbe radial nebeneinander angeordnet sind. Die Querformstäbe eines Halterahmens sind insbesondere durch zwei entlang der Umfangsrichtung gegenüberliegende Rahmenleisten des jeweiligen Halterahmens hindurchgeführt, wobei die an einer Außenseite der Rahmenleisten überstehenden Querformstabenden mit den zugehörigen Längsformstabenden verbindbar sind. Dabei ist ein Abstand der zwei in Umfangsrichtung gegenüberliegenden Rahmenleisten insbesondere an die jeweilige wicklungslagenspezifische Länge der Querformstäbe angepasst. Je länger die Querformstäbe sind, desto größer ist beispielsweise der Abstand der Rahmenleisten. Vorzugsweise weist jede Haltestruktur ein Joch auf, an welchem die Halterahmen radial abstehend angeordnet sind, wobei die Joche der Haltestrukturen mit einer drehfest mit dem Rotorkern verbundenen Rotorwelle des Rotors verbunden sind. Die Haltestrukturen werden also beim axialen Stapeln mit der Rotorwelle gefügt. Die Joche sind beispielsweise hohlzylinderförmig ausgebildet. Beispielsweise kann jede Haltestruktur zwei konzentrisch angeordnete Hohlzylinder aufweisen, welche über sich radial erstreckende Streben bzw. Stege verbunden sind. Ein innerer Hohlzylinder bildet das jeweilige Joch aus und jeweils zwei entlang der Umfangsrichtung benachbarte Streben bilden die Rahmenleisten eines Halterahmens aus. Ein äußerer Hohlzylinder bildet einen stützenden, die Halterahmen mechanisch verbindenden und stabilisierenden Außenmantel aus. Die Haltestrukturen sind dabei insbesondere aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise Kunststoff, ausgebildet.
-
Dabei werden die wicklungslagenspezifischen Halterstrukturen axial derart übereinandergestapelt, dass die Halterahmen überlappend mit den Polzähnen angeordnet sind. Dazu weisen die Rotorwelle und die Joche der Haltestrukturen vorzugsweise zueinander korrespondierende Positionierelemente auf, welche insbesondere eine Nut-Zapfen-Verbindung ausbilden. Beispielsweise kann die Rotorwelle eine Führungsnut aufweisen, in welcher die an den Jochen ausgebildeten Zapfen eingeführt werden, sodass die Haltestrukturen unverdrehbar bezüglich der Rotorwelle gelagert sind und damit alle Haltestrukturen die gleiche Winkellage bezogen auf die Rotorwelle haben. Außerdem wird die Winkellage des Rotorkerns über die gleiche Nut in der Rotorwelle definiert, um eine möglichst genaue Positionierung der jeweiligen Bauteile zueinander zu erreichen.
-
Nach dem Anordnen einer Haltestruktur werden die wicklungslagenspezifischen Querformstäbe mit den zugehörigen Längsformstabenden, welche in einer oder zwei alternierenden Kontaktierebenen liegen, elektrisch und mechanisch verbunden, bevor die nächste Haltestruktur aufgestapelt wird. Es werden also in einem Montageschritt, in welchem ein Querverbinder an dem Rotorkern angeordnet wird, die pro Rotorpol zu verschaltenden Wicklungslagen aller Rotorpole kontaktiert. Vorzugsweise werden die Querformstabenden und die Längsformstabenden auf Stoß angeordnet und zum elektrischen und mechanischen Verbinden verschweißt. Die Querformstabenden und die Längsformstabenden sind also auf Stoß verschweißt. Die scheibenartigen Haltestrukturen werden also so lange gestapelt, bis alle Kontaktierebenen unter Ausbildung der rotorpolspezifischen Formstabwicklungen kontaktiert sind.
-
Ein solcher Querverbinderstapel gewährleistet eine einfache Fertigung der Formstabwicklungen. Durch die scheibenartigen, gestapelten Haltestrukturen wird außerdem ein Wickelkopf bereitgestellt, welcher eine geringe axiale Höhe aufweist.
-
Im Falle von an beiden Stirnseiten überstehenden Längsformstäben in Form von I-Pins, werden zwei Querverbinderstapel bereitgestellt, wobei die Querverbinderstapel unterschiedlich zueinander ausgebildet sind. Ein an einer ersten Stirnseite angeordneter, erster Querverbinderstapel weist Querformstäbe auf, welche insbesondere geradlinig ausgebildet sind und zwei entlang der Umfangsrichtung gegenüberliegende Längsformstabenden eines Rotorpols elektrisch und mechanisch verbindet. Dieser erste Querverbinderstapel wird auch dann bereitgestellt, wenn die Längsformstäbe durch U-Pins ausgebildet sind, mittels welchen die Windungs- und Wicklungslagesprünge bereits realisiert sind.
-
Ein an einer zweiten Stirnseite angeordneter, zweiter Querverbinderstapel weist Querformstäbe auf, welche die Windungssprünge sowie die Wicklungslagensprünge bereitstellen. Dazu sind diese Querformstäbe mit einer nicht geradlinigen, insbesondere geschwungenen, Form ausgebildet, durch welche die Querformstabenden dieser Querformstäbe zum Verbinden von Längsformstäben unterschiedlicher Windungen radial zueinander versetzt sind und zum Verbinden von Längsformstäben unterschiedlicher Wicklungslagen axial zueinander versetzt sind. Dieser zweite Querverbinderstapel wird auch dann bereitgestellt, wenn die Längsformstäbe durch U-Pins ausgebildet sind, durch welche keine Windungs- und Wicklungslagesprünge realisiert sind.
-
In einer Weiterbildung der Erfindung bildet zumindest einer der Querverbinder, insbesondere der unmittelbar an der Stirnseite des Rotorkerns angeordnete erste Querverbinder, eine Verschaltungsscheibe aus, welche einen Anschluss an eine Stromquelle zum Bestromen der Formstabwicklungen, Zu- und Rückleitungen zum Kontaktieren von Start- und Endformstäben der Formstabwicklungen der jeweiligen Rotorpole und Verbindungsleitungen zum Verschalten der Formstabwicklungen der Rotorpole aufweist. Auch erweist es sich als vorteilhaft, wenn der zumindest eine Querverbinderstapel radial von einem Stützring zum Aufnehmen einer auf den Querverbinderstapel wirkenden Fliehkraft umgeben ist. Der Stützring kann einen zylinderförmigen Mantel aufweisen, welcher sich beispielsweise an die außenliegenden Hohlzylinder der Haltestrukturen abstützen und somit die Fliehkräfte aufnehmen kann.
-
Die mit Bezug auf den erfindungsgemäßen Rotor vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße elektrische Maschine sowie für das erfindungsgemäße Verfahren.
-
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.
-
Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
-
Es zeigen:
- 1 eine schematische Perspektivdarstellung eines Rotors einer elektrischen Maschine;
- 2 eine schematische Explosionsdarstellung eines Rotorkerns und einer Rotorwelle des Rotors;
- 3 eine schematische Explosionsdarstellung des Rotorkerns und Paketen mit Längsformstäben des Rotors;
- 4 eine Perspektivdarstellung des mit den Paketen bestückten Rotorkerns;
- 5 ein vergrößerter Ausschnitt des Rotors im Verbindungsbereich der Längsformstäben mit Querformstäben eines Querverbinderstapels; und
- 6 ein vergrößerter Ausschnitt des Rotors im Bereich eines Wickelkopfes des Rotors.
-
In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
-
1 zeigt einen Rotor 1 für eine stromerregte elektrische Maschine, welche beispielsweise als Antriebsmaschine für ein elektrifiziertes Kraftfahrzeug verwendet werden kann. Der Rotor 1 weist einen Rotorkern 2 auf, welcher auch beispielhaft in 2 gezeigt ist. Der Rotorkern 2 kann als ein Blechpaket aus axial gestapelten Elektroblechlamellen gebildet sein. Der Rotorkern 2 weist, wie in 2 gezeigt, eine Durchgangsöffnung 3 für eine Rotorwelle 4 auf. Die Rotorwelle 4 wird axial durch die Durchgangsöffnung 3 geschoben und zur Drehmomentübertragung drehfest mit dem Rotorkern 2 verbunden. Der Rotorkern 2 weist hier eine Vollpolgeometrie auf, welche durch eine geschlossene, in Umfangsrichtung U lückenlose Außenseite 5 des Rotorkerns 2 und damit des gesamten Rotors 1 gebildet ist. Diese geschlossene Außenseite 5 minimiert die Luftreibungsverluste und erhöht die mechanische Stabilität des Rotors 1.
-
Der Rotorkern 2 weist hier sechs Rotorpole 6 auf, welche jeweils einen Polzahn 7 aufweisen. Die jeweiligen Polzähne 7 sind hier schenkelpolförmig ausgebildet und erstrecken sich durch eine Polmitte des jeweiligen Rotorpols 6. Polschuhförmige Bereiche 8 der schenkelpolförmigen Polzähne 7 sind hier über Verbindungsstege 9, welche einstückig mit den Bereichen 8 ausgebildet sind, verbunden, sodass die geschlossene, lückenlose Außenseite 5 ausgebildet wird. Angrenzend an entlang der Umfangsrichtung U gegenüberliegende Zahnflanken 10 der Polzähne 7 sind Pollücken 11 ausgebildet, welche sich in Richtung von Polrändern der Rotorpole 6 erstrecken. In Richtung der Polränder sind die Pollücken 11 hier durch Stützsteganordnungen 12 begrenzt, wobei jeweils eine Stützsteganordnung 12 zwischen den Pollücken 11 zweier benachbarter Rotorpole 6 angeordnet ist. Die Stützsteganordnungen 12 sind hier V-förmig ausgebildet, sodass zwischen den Stützsteganordnungen 12 und den Verbindungsstegen 9 jeweilige gewichts- und streuflussreduzierende Kavitäten 13 im Rotorkern 2 ausgebildet sind.
-
Die Polzähne 7 halten jeweils eine Formstabspule bzw. Formstabwicklung 14, welche, wie in 5 gezeigt, pro Rotorpol 6 mehrere Wicklungslagen W1, W2, ..., Wn sowie pro Wicklungslage W1, W2, ..., Wn mehrere Windungen N1, N2, ..., Nm aufweist. Jede Windung N1, N2, ..., Nm ist dabei, wie auch in 6 gezeigt, durch zwei axiale Wicklungsabschnitte 15, welche in den in Umfangsrichtung U gegenüberliegenden Pollücken 11 eines Rotorpols 6 angeordnet sind, sowie durch zwei stirnseitige Wicklungsabschnitte 16, welche an den axial gegenüberliegenden Stirnseiten 17 des Rotorkerns 2 angeordnet sind, ausgebildet. Die axialen Wicklungsabschnitte 15 sind durch axial erstreckende Formstäbe bzw. Längsformstäbe 18 ausgebildet und die stirnseitigen Wicklungsabschnitte 16 sind durch stirnseitig angeordnete Formstäbe bzw. Querformstäbe 19 ausgebildet. Dabei können zwei Längsformstäbe 18 und ein die Längsformstäbe 18 verbindender Querformstab 19 durch einen hufeisenförmigen U-Pin bzw. Hairpin ausgebildet sein.
-
Die Längsformstäbe 18 sind hier, wie in 3 gezeigt, in formstabilen Umhüllungen 20 angeordnet. Jede Umhüllung 20 bildet hier mit den darin angeordneten Längsformstäben 18 ein einschubfertiges bzw. einsteckfertiges Paket 21, welches in eine der Pollücken 11 axial eingeschoben werden kann. Im Falle von U-Pins sind die axialen Teilbereiche der U-Pins in jeweils einer Umhüllung 20 angeordnet, sodass zwei einsteckfertige, stirnseitig verbundene Pakete 21 gebildet sind, welche in einem Verfahrensschritt in die zugehörigen Pollücken 11 eines Rotorpols 6 eingeschoben werden können. In 4 ist der Rotorkern 2 mit den axial eingesteckten Paketen 21 gezeigt. Die Längsformstäbe 18 eines Pakets 21 weisen dabei, wie in 5 gezeigt, unterschiedliche Längen auf. Dadurch sind die an zumindest einer Stirnseite 17 des Rotorkerns 2 überstehenden Längsformstabenden 18a zum Ausbilden der mehreren Wicklungslagen W1, W2, ..., Wn sowie der mehreren Windungen N1, N2, ..., Nm pro Wicklungslage W1, W2, ..., Wn in mehreren Kontaktierebenen E1, E2, E3, ..., Ex, Ey (die Kontaktierebene E1 ist hier nicht sichtbar) angeordnet. Die Kontaktierebenen E1, E2, E3, ..., Ex, Ey weisen dabei unterschiedliche axiale Niveaus bzw. Höhen auf. Zum Ausbilden der mehreren Wicklungslagen W1, W2, ..., Wn sind die Längsformstäbe 18 mit ansteigender Länge ausgehend von der jeweiligen Zahnflanke 10 in Richtung des jeweiligen Polrandes in der jeweiligen Pollücke 11 angeordnet, sodass die Kontaktierebenen E1, E2, E3, ..., Ex, Ey Stufen einer in Richtung der Polränder ansteigende Treppe ausbilden. Zum Ausbilden der mehreren Windungen N1, N2, ..., Nm sind hier pro Wicklungslage W1, W2, ..., Wn mehrere Längsformstäbe 18 in radialer Richtung R aneinandergereiht, wobei die Längsformstabenden 18a hier pro Wicklungslage W1, W2, ..., Wn zwei, in radialer Richtung R abwechselnde bzw. alternierende Kontaktierebenen E1, E2; E2, E3; ... ; Ex, Ey ausbilden.
-
Zum Vervollständigen der jeweiligen Formstabwicklung 14 pro Rotorpol 6 wird in einem ersten Montageschritt scheibenartiger erster Querverbinder 22 über die Rotorwelle 4 an den Rotorkern 2 gefügt und zentriert. Der erste Querverbinder 22 bildet unter anderem eine Verschaltungsscheibe aus und beinhaltet die Anschlussstellen zu einer Stromquelle zum Bestromen der Formstabwicklungen 14 sowie Zu- und Rückleitungen zu den einzelnen Formstabwicklungen 14 an den Rotorpolen 6. Außerdem ist die Verschaltung der einzelnen Formstabwicklungen 14 zueinander bereits in dieser Verschaltungsscheibe enthalten. Außerdem beinhaltet der erste Querverbinder 22 Querformstäbe 19 einer ersten Länge, mittels welchen pro Rotorpol 6 die an die Zahnflanken 10 angrenzenden Längsformstäbe 19 der ersten Wicklungslage W1 elektrisch und mechanisch miteinander verbunden werden. Dabei werden Querformstabenden 19a der Querformstäbe 19 mit den Längsformstabenden 18a verbunden, beispielsweise verschweißt, welche sich in den zwei alternierenden Kontaktierebenen E1, E2 der ersten Wicklungslage W1 befinden. In einem nächsten Montageschritt wird auf dem ersten Querverbinder 22 ein zweiter Querverbinder 22 angeordnet, welcher Querformstäbe 19 einer zweiten Länge aufweist. Mittels diesen werden pro Rotorpol 6 die Längsformstäbe 19 der zweiten Wicklungslage W2 elektrisch und mechanisch miteinander verbunden werden. Dazu werden die Querformstabenden 19a der Querformstäbe 19 mit denjenigen Längsformstabenden 18a verbunden, beispielsweise verschweißt, welche sich in den zwei alternierenden Kontaktierebenen E2, E3 der zweiten Wicklungslage W2 befinden. Dies wird fortgesetzt, bis alle Längsformstäbe 18 der Leitungspakte 21 miteinander so verbunden sind, dass sie pro Rotorpol 6 eine Formstabwicklung 14 mit der gewünschten Gesamtwindungsanzahl, hier n*m, ergeben.
-
Die Querverbinder 22, in welche die zu den jeweiligen Wicklungslagen W1, W2, ..., Wn korrespondierenden Querformstäbe 19 integriert sind, ermöglichen eine Positionierung und Zentrierung der Querformstäbe 19 zu den Längsformstäben 18 innerhalb des Rotorkerns 2. Dazu weist jeder Querverbinder 22 eine wicklungslagenspezifische Haltestruktur 23 auf, welche hier ein Joch 24 und von dem Joch 24 radial abstehende Halterahmen 25 aufweist. Dadurch ist die Haltestruktur 23 hier sternscheibenförmig ausgebildet. Die Querformstäbe 25 sind dabei durch in Umfangsrichtung U gegenüberliegende Rahmenleisten 26 der Halterahmen 25 geführt. Dazu ist eine axiale Dicke der Haltestruktur 23 größer als ein Leiterdurchmesser der Querformstäbe 19. Die an den Rahmenleisten 26 überstehenden Querformstabenden 19a werden beim sukzessiven, axialen Stapeln der Querverbinder 22 mit den zugehörigen Längsformstabenden 18a auf Stoß angeordnet und verschweißt. Mit zunehmender axialer Höhe steigt dabei eine Länge der Querformstäbe 19 sowie ein Abstand der Rahmenleisten 26 zueinander an. Zum Positionieren der Querverbinder 22 an dem Rotorkern 2 derart, dass die Halterahmen 25 mit den Polzähnen 7 überlappen, weisen die Rotorwelle 4 und die Joche 24 zueinander korrespondierende Positionierelemente 27, 28 auf. Das Positionierelement 27 der Rotorwelle 4 ist hier als eine sich axial erstreckende Nut 29 ausgebildet. Die Positionierelemente 28 der ringförmigen Joche 24 sind hier als Zapfen 30 ausgebildet, welche beim axialen Aufschieben der Haltestrukturen 23 auf die Rotorwelle 4 in die Nut 29 eingeführt werden können.
-
Zum Bereitstellen von Windungssprüngen und Wicklungslagesprüngen weisen die Querformstäbe 19 hier zumindest teilweise eine geschwungene Form auf, sodass die Querformstabenden 19a eines solchen geschwungenen Querformstabes 19 nicht fluchtend zueinander angeordnet sind. Die axial gestapelten Querverbinder 22 bilden einen Querverbinderstapel 31, an welchem ein Stützring 32 montiert wird. Dieser Stützring 32 stützt und schützt die Formstabwicklungen 14 gegen die Fliehkraft beim Rotieren des Rotors 1. Diese Konstruktion ermöglich einen sehr kompakten Überhang der Formstabwicklungen 14 über den Rotorkern 2 hinaus, was zur Folge hat, dass die Leitungslänge der Formstabwicklungen im Vergleich zu klassischen Drahtwicklungen reduziert werden kann und damit die ohmschen Verluste bei gleichem Strom reduziert werden können.
