DE102021134585A1

DE102021134585A1 - Rotorpaket für einen Rotor einer elektrischen Maschine, Rotor, elektrische Maschine und Verfahren zum Herstellen eines Rotors

Info

Publication number: DE102021134585A1
Application number: DE102021134585.5A
Authority: DE
Inventors: Christian Finger-Albert; Christoph Wieczorek; Carsten Siepker; Regina Bach
Original assignee: Valeo eAutomotive Germany GmbH
Current assignee: Valeo eAutomotive Germany GmbH
Priority date: 2021-12-23
Filing date: 2021-12-23
Publication date: 2023-06-29
Also published as: WO2023117717A1

Abstract

Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Rotorpaket für einen Rotor einer elektrischen Maschine, einen Rotor, eine elektrische Maschine und ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors für eine elektrische Maschine. Das Rotorpaket umfasst eine Längsachse, eine erste Stirnseite entlang einer ersten axialen Richtung und eine der ersten Stirnseite gegenüberliegende zweite Stirnseite entlang einer der ersten axialen Richtung gegenüberliegenden zweiten axialen Richtung, einen Rotorkern, mehrere in Umfangsrichtung angeordnete, sich von dem Rotorkern in radialer Richtung erstreckende Rotorpole und zwei Endscheiben, zumindest teilweise an die Rotorpole angrenzend angeordnet. Jede Endscheibe umfasst Auflageflächen für zumindest eine Spule des Rotors und zumindest eine gegenüber den Auflageflächen in axialer Richtung sich zu der jeweils anderen Endscheibe annähernde Vertiefung .

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Rotorpaket für einen Rotor einer elektrischen Maschine, einen Rotor, eine elektrische Maschine und ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors für eine elektrische Maschine.
Elektrische Maschinen sind allgemein bekannt und umfassen unter anderem einen Rotor. Der Rotor kann beispielsweise permanenterregt sein. Permanenterregte Rotoren weisen Permanentmagnete auf, durch die ein Magnetfeld erzeugt wird. Der Selbstanlauf von Rotoren mit Permanentmagneten ist allerdings aufwendig, ein Freilauf ist bei permanenterregten Rotoren in der Regel nicht realisierbar und sie enthalten oft Seltenerdmaterialien (z.B. Neodym), die starken Preisschwankungen unterliegen und kostenintensiv sind. Zusätzlich ist der Abbau der Seltenerdmaterialien oftmals mit Umweltschäden verbunden und generell können derartige Materialien den CO2-Fussabdruck des Rotors gegenüber alternativen Konzepten verschlechtern.
Diese Nachteile können durch fremderregte Rotoren zumindest teilweise gemindert werden. Diese weisen zumindest eine stromdurchflossene Induktivität auf, mittels der das entsprechende Magnetfeld erzeugt wird. Die Induktivität wird durch zumindest eine Wicklung mit mehreren Windungen realisiert. Bei hohen Drehzahlen (bis zu 30.000 Umdrehungen pro Minute) muss eine Bewegung der Windungen durch auftretende Zentrifugalkräfte verhindert werden, damit die elektrische Isolierung der Windungen nicht beschädigt wird. Typischerweise kommen Vergussmaterialien zum Einsatz, mit denen die Windungen vergossen werden. Oftmals sind mehrere Windungen als Spule übereinander und nebeneinander positioniert. Dadurch entstehen Zwischenräume zwischen den Windungen. Um eine Relativbewegung der Windungen gänzlich ausschließen, müssen diese Zwischenräume ebenfalls mit dem Vergussmaterial ausgefüllt werden. In Abhängigkeit der Beaufschlagungsrichtung des Vergussmaterials und des Spulenquerschnitts entlang dieser Richtung, können die Zwischenräume allerdings nur ungenügend ausgefüllt werden. Mit zunehmender Tiefe der Spule relativ zu einer Spulenoberfläche, ist es problematisch das Vergussmaterial in ausreichender Weise in die Zwischenräume zu pressen, damit diese gänzlich ausgefüllt werden. Der Druck mit dem das Vergussmaterial in die Zwischenräume gepresst wird, kann auch nicht beliebig erhöht werden, da ansonsten das Risiko einer Beschädigung von Komponenten des Rotors besteht. Dadurch sind bei bestehenden Ansätzen die Windungen der Spule entweder unzureichend mit dem Vergussmaterial vergossen, oder es bestehen Randbedingungen an die Anzahl der Windungen oder die Positionierung der Windungen, damit eine zu große Spulenbreite vermieden wird.
Es besteht daher ein Bedürfnis ein Rotorpaket für einen Rotor einer elektrischen Maschine, einen Rotor, eine elektrische Maschine und ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors bereitzustellen, mittels denen die Nachteile bekannter Ansätze ausgeräumt oder zumindest verringert werden können.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Patentansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, von denen jeder für sich oder in (Sub-)Kombination Aspekte der Offenbarung darstellen kann. Einige Aspekte werden im Hinblick auf Vorrichtungen und andere im Hinblick auf Verfahren erläutert. Die Merkmale sind aber wechselseitig zu übertragen.
Gemäß einem Aspekt wird ein Rotorpaket für einen Rotor einer elektrischen Maschine bereitgestellt, insbesondere für einen Rotor einer fremderregten elektrisch angeregten Synchronmaschine (EESM). Das Rotorpaket umfasst zumindest eine Längsachse, eine erste Stirnseite entlang einer ersten axialen Richtung und eine der ersten Stirnseite gegenüberliegende zweite Stirnseite entlang einer der ersten axialen Richtung gegenüberliegenden zweiten axialen Richtung, einen Rotorkern, mehrere in Umfangsrichtung angeordnete, sich von dem Rotorkern in radialer Richtung erstreckende Rotorpole und zwei Endscheiben. Die Endscheiben sind zumindest teilweise an die Rotorpole angrenzend angeordnet. Jede Endscheibe umfasst Auflageflächen für zumindest eine Spule des Rotors. Jede Endscheibe weist zumindest eine gegenüber den Auflageflächen in axialer Richtung sich zu der jeweils anderen Endscheibe annähernde Vertiefung auf.
In anderen Worten bilden die Auflageflächen eine Anstoßfläche für Windungen einer Spule als Teil der Wicklung des Rotors aus. Gegenüber diesen Auflageflächen ist die jeweilige Vertiefung zurückgesetzt. Das so eingerichtete Rotorpaket ermöglicht die Zuführung des Vergussmaterials auf gegenüberliegende Oberflächen einer Spule. Deshalb können die Zwischenräume zwischen den Windungen der Spule aus unterschiedlichen Richtungen mit dem Vergussmaterial vergossen werden. Dadurch kann bei gleichbleibenden Druck, eine erhöhte Eindringungstiefe des Vergussmaterials in die Spule erzielt werden. Folglich kann die Spule entlang der Beaufschlagungsrichtung des Vergussmaterials einen deutlich erhöhten Spulenquerschnitt aufweisen. Somit wird die Variabilität der Spulengeometrien, deren Zwischenräume ausreichend mit dem Vergussmaterial ausgefüllt werden, deutlich erhöht, wodurch das Rotordesign bedarfsgerechter angepasst werden kann.
Vorliegend werden die Endscheiben als Teil des Rotorpakets angesehen. Alternativ können diese auch separat sein. Die Stirnseiten sind in gegenüberliegenden axialen Richtungen an den Endscheiben angeordnet und begrenzen insofern das Rotorpaket oder das System aus Rotorpaket und Endscheiben.
Bevorzugt weisen der Rotorkern und die Rotorpole geschichtete Elektrobleche auf. Die einzelnen Lagen des Elektroblechs sind dabei gegeneinander elektrisch isoliert. Dadurch wird das Auftreten von Wirbelströmen im Wesentlichen vermieden. Derartige Wirbelströme können bei einem einstückig hergestellten Rotorkern und einstückig hergestellten Rotorpolen beispielsweise durch die Wicklung induziert werden, mit deren Windungen üblicherweise die einzelnen Rotorpole umwickelt sind.
Bevorzugt ist eine Flächennormale der Vertiefung im Wesentlichen in axialer Richtung orientiert. Typischerweise wird das Vergussmaterial entlang der axialen Richtung aufgebracht. Zudem wird entlang der axialen Richtung typischerweise auch Druck auf den Rotor ausgeübt, solange das Vergussmaterial noch nicht erstarrt ist, beispielsweise kann das Vergussmaterial unter Druck bereitgestellt werden. Durch die Positionierung der Vertiefung derart, dass die Flächennormale entlang der axialen Richtung orientiert ist, kann der ohnehin aufgewendete Druck vorteilhaft ausgenutzt werden, um die Zwischenräume zwischen den Windungen der Spule aus entgegengesetzten axialen Richtungen mit dem Vergussmaterial auszufüllen.
Optional umfasst jede Endscheibe für jeden Rotorpol eine zugeordnete Vertiefung. Üblicherweise ist jeder Rotorpol mit Windungen der Wicklung umwickelt, die dann als Spule bezeichnet werden. Entlang der axialen Richtung bilden sich dann sogenannte Wicklungsköpfe der Spulen (im Folgenden Spulenköpfe) neben den Endscheiben des Rotorpakets aus. Folglich ist es vorteilhaft, wenn für jeden Spulenkopf einer Spule an einem jeweiligen Rotorpol aus den entgegengesetzten axialen Richtungen an den jeweiligen Endscheiben eine jeweilige Vertiefung bereitgestellt wird. Somit kann die im Wesentlichen vollständige Verfüllung sämtlicher Zwischenräume zwischen den Windungen der jeweiligen Spulenköpfe der Spulen beidseitig des Rotorpakets entlang der axialen Richtung gewährleistet werden.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung weisen die Auflageflächen jeder Endscheibe zwei zusammenwirkende Flächenabschnitte auf. Die Flächenabschnitte sind derart ausgebildet, dass die Spule jeweils aus einer axialen Längserstreckungsrichtung in eine dazu senkrechte Erstreckungsrichtung umlenkbar ist. Die Vertiefung ist zwischen den zusammenwirkenden Flächenabschnitten ausgebildet. Die Auflageflächen gewährleisten durch die zusammenwirkenden Flächenabschnitte eine korrekte Positionierung der Windungen der Spule. Dabei werden die Windungen der Spule mittels eines ersten Flächenabschnitts von der axialen Richtung in eine dazu senkrechte Richtung umgelenkt. Aus dieser senkrechten Richtung werden sie durch den zweiten Flächenabschnitt wiederum in die entgegengesetzte axiale Richtung umgelenkt. Die Spulenköpfe weisen deshalb an den jeweiligen Endscheiben eine U-Form auf. Die Auflageflächen gewährleisten dabei eine möglichst kompakte Positionierung, um dem Bauraum des Rotors zu optimieren. Die Vertiefung kann deshalb besonders vorteilhaft zwischen den zusammenwirkenden Flächenabschnitten ausgebildet sein, die die jeweilige Umlenkung gewährleisten. Somit wird die korrekte Positionierung der Windungen gewährleistet und gleichzeitig kann vorteilhaft die Vertiefung ein geradlinig orientiertes Teilstück der Windungen überspannen. Dadurch können die Windungen einerseits in definierter Weise mit dem Vergussmaterial aus Richtung der Vertiefung beaufschlagt werden und andererseits muss das Konzept der Positionierung der Windungen nicht angepasst werden.
Bevorzugt weist jede Endscheibe eine in axialer Richtung von dem Rotorkern und den Rotorpolen wegweisende Grundfläche auf. Zudem umfasst jede Endscheibe zwischen der jeweiligen Grundfläche und der jeweiligen Vertiefung zumindest einen Zuflusskanal. Der Zuflusskanal kann optional im Wesentlichen entlang der axialen Richtung ausgebildet sein. Der Zuflusskanal kann sich auch in einer Richtung erstrecken, die nicht mehr als 20 Grad von der axialen Richtung abweicht. Der Zuflusskanal kann insbesondere die Vertiefung mit einem Außenraum der Endscheibe verbinden. Dann kann das Vergussmaterial über den Zuflusskanal in die Vertiefung gelangen. Vorteilhaft ist dabei der Zuflusskanal im Wesentlichen entlang der axialen Richtung ausgebildet, also genau der Richtung, entlang der beim Herstellen des Rotors üblicherweise Druck auf die Außenflächen oder das Vergussmaterial oder beide ausgeübt wird. Somit wird der Zufluss des Vergussmaterials in die Vertiefungen durch die Positionierung des Zuflusskanal gefördert.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird auch ein Rotor mit einem Rotorpaket wie zuvor beschrieben bereitgestellt. Insbesondere kann es ein Rotor für eine fremderregte Synchronmaschine sein. Der Rotor umfasst zumindest eine Spule. Die Spule ist auf den Auflageflächen der Endscheiben angeordnet. Durch die Vertiefung wird zwischen der Endscheibe und der Spule ein Reservoir ausgebildet. Somit wird ein definiertes Volumen für das Vergussmaterial gewährleistet, sodass die Spule bzw. der Spulenkopf der Spule aus gegenüberliegenden Richtungen mit dem Vergussmaterial beaufschlagt werden kann.
In einer besonderen Ausgestaltung kann eine Querschnittsfläche der Vertiefung in radialer Richtung ausgehend von der Welle des Rotors im Wesentlichen mit einer Querschnittsfläche des Zuflusskanals in axialer Richtung entlang der Welle übereinstimmen. Die Querschnittsfläche eines Durchflusskanals beeinflusst die Flusseigenschaften des hindurchfließenden Mediums. Hier fließt das Vergussmaterial, bevor es erstarrt ist, durch den Zuflusskanal und die Vertiefung. Da die Querschnittsflächen der beiden Abschnitte im Wesentlichen gleich sind, können die Strömungseigenschaften vorteilhaft verbessert werden, insbesondere gegenüber der Konfiguration, in der der Zuflusskanal eine kleinere Querschnittsfläche aufweist als die Vertiefung.
Optional kann der Zuflusskanal aber auch eine Querschnittsfläche aufweisen, die von der Querschnittsfläche der Vertiefung abweicht, insbesondere die größer oder kleiner ist.
Bevorzugt umfasst der Rotor eine Vergussmasse. Die Vergussmasse ist zumindest im Bereich der Vertiefung in axial gegenüberliegenden Richtungen zumindest teilweise angrenzend an die Spule angeordnet. Die Vergussmasse kann insbesondere ein Vergussmaterial umfassen. Somit wird die Spule, zumindest im Bereich der Spulenköpfe aus den Richtungen mit der Vergussmasse vergossen aus denen auch Druck auf den Rotor oder die Vergussmasse während des Vergussprozesses ausgeübt wird.
Optional kann die Vergussmasse einen Verbundwerkstoff mit einer Matrix, die durch das Vergussmaterial bereitgestellt wird, und einer darin zumindest teilweise eingebetteten Verstärkungskomponente umfassen.
Der Verbundwerkstoff kann einen Teilchenverbundwerkstoff aufweisen.
Alternativ umfasst der Verbundwerkstoff einen Faserverbundwerkstoff.
Zudem kann der Verbundwerkstoff auch eine Kombination der genannten Werkstoffarten umfassen. Solche Verbundwerkstoffe stellen mittels der umfassten Teilchen oder Fasern eine verbesserte mechanische Stabilität gegenüber herkömmlichen Vergussmaterialien bereit. Zudem sind sie verhältnismäßig kostengünstig und einfach zu verarbeiten.
Das Vergussmaterial des Verbundwerkstoffs kann insbesondere ein Vergussharz umfassen, beispielsweise ein Epoxidharz.
Ferner können das Material der Matrix und das Material der Verstärkungskomponente insbesondere ähnliche Wärmeausdehnungskoeffizienten umfassen. Dann führen Temperaturschwankungen nicht zu mechanischen Spannungen zwischen der Matrix und der Verstärkungskomponente.
Auch kann zumindest das Material der Vergussmasse oder zumindest eines der Materialien der Matrix und der Verstärkungskomponente, bevorzugt beide, eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Dann können in dem Rotorkern oder den Rotorpolen erzeugte Wärmemengen effektiv durch die Matrix oder die Verstärkungskomponente oder beide an eine Außenoberfläche des Rotors geleitet werden, wo ein Kühlmechanismus vorgesehen sein kann. Beispielsweise kann der Rotor stirnseitig mit Kühlflüssigkeit beaufschlagt werden. Derartige Wärmemengen entstehen beispielsweise durch die Bestromung der Spule, die die Rotorpole umgibt.
Das Vergussmaterial, die Vergussmasse oder der Verbundwerkstoff können auch Additive umfassen, um die Eigenschaften in gewünschter Weise einzustellen, beispielsweise Additive, die die Wärmeleitfähigkeit erhöhen.
Bevorzugt umfasst der Rotor zwei Endabdeckungen, die den Rotor stirnseitig entlang gegenüberliegenden axialen Richtungen abschließen. Die Endabdeckungen können topfartig ausgebildet sein. Die Endabdeckungen definieren zumindest teilweise die Außenoberfläche des Rotors, insbesondere stirnseitige Teile der Außenoberfläche.
Optional umfasst der Rotor Verschlussleisten (auch Poltrenner genannt), die zwischen den Rotorpolen entlang der Umfangsrichtung des Rotors angeordnet sind. Die Verschlussleisten bilden zumindest teilweise die Außenoberfläche des Rotors aus. Die Verschlussleisten verschließen Zwischenräume, die zwischen den Rotorpolen entstehen und in denen zumindest teilweise die Spule angeordnet ist.
Durch die Endabdeckungen und die Verschlussleisten kann ein Innenvolumen des Rotors bestimmt sein, das mit dem Vergussmaterial oder der Vergussmasse ausgefüllt wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird auch eine elektrische Maschine bereitgestellt, insbesondere eine fremderregte Synchronmaschine. Die elektrische Maschine weist einen Rotor wie zuvor beschrieben auf.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird auch ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug bereitgestellt, das eine elektrische Maschine wie zuvor beschrieben umfasst.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung können zumindest teilweise elektrisch angetriebene Fahrzeuge insbesondere Landfahrzeuge umfassen, nämlich unter anderem Elektroroller, E-Scooter, Zweiräder, Motorräder, Dreiräder, Trikes, Quads, Gelände- und Straßenfahrzeuge wie Personenkraftwagen, Busse, Lastkraftwagen, Traktoren und andere Nutzfahrzeuge, Schienenfahrzeuge (Bahnen), aber auch Wasserfahrzeuge (Boote) und Luftfahrzeuge wie Hubschrauber, Multicopter, Propellerflugzeuge und Strahlflugzeuge, welche zumindest einen dem Vortrieb des Fahrzeugs dienenden Elektromotor und zumindest eine Energiespeichervorrichtung aufweisen. Fahrzeuge können bemannt oder unbemannt sein. Neben reinen Elektrofahrzeugen (BEV) können auch Plug-In-Hybride (PHEV) und Brennstoffzellenfahrzeuge (FCEV) umfasst sein.
Gemäß einem zusätzlichen Aspekt wird auch ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors für eine elektrische Maschine bereitgestellt, insbesondere für eine fremderregte elektrisch angeregte Synchronmaschine (EESM). Der Rotor kann wie zuvor beschrieben ausgebildet sein. Das Verfahren erfolgt zumindest wie nachfolgend beschrieben:

Es wird ein Rotorpaket bereitgestellt. Das Rotorpaket umfasst eine Längsachse, eine erste Stirnseite entlang einer ersten axialen Richtung und eine der ersten Stirnseite gegenüberliegende zweite Stirnseite entlang einer der ersten axialen Richtung gegenüberliegenden zweiten axialen Richtung, einen Rotorkern, mehrere in Umfangsrichtung angeordnete, sich von dem Rotorkern in radialer Richtung erstreckende Rotorpole und zwei Endscheiben. Die Endscheiben sind zumindest teilweise an die Rotorpole angrenzend angeordnet. Jede Endscheibe umfasst Auflageflächen für zumindest eine Spule des Rotors. Jede Endscheibe weist zumindest eine gegenüber den Auflageflächen in axialer Richtung sich zu der jeweils anderen Endscheibe annähernde Vertiefung auf. Nun wird ein Vergussmaterial aufgebracht, sodass die Spule zumindest im Bereich der Vertiefung ausgehend von axial gegenüberliegenden Oberflächen der Spule mit dem Vergussmaterial vergossen wird.

Da die Spule aus gegenüberliegenden axialen Richtungen mit dem Vergussmaterial beaufschlagt wird, kann die effektive Eindringtiefe in die Zwischenräume der Spule deutlich erhöht und im Wesentlichen verdoppelt werden. Daher ist die Variabilität in Bezug auf realisierbare Spulengeometrien, deren Zwischenräume vollständig mit dem Vergussmaterial ausgefüllt werden, deutlich vergrößert.
Anschließend muss das eingebrachte Vergussmaterial nur noch erstarren, beispielsweise durch einen Heizprozess.
Das Verfahren kann unter Zuhilfenahme einer Vergussanlage ausgeführt werden. Teile der Vergussanlage können heizbar sein.
Optional kann die Vergussanlage eine Kavität aufweisen, in der das Rotorpaket positioniert wird.
Bevorzugt kann die Kavität verschlossen werden, bevor das Vergussmaterial aufgebracht wird.
Optional kann die Kavität eine Wandung aufweisen, die komplementär zu einer gewünschten Form der Außenoberfläche des Rotors sein kann.
Bevorzugt wird eine Restgasatmosphäre aus der Kavität abgepumpt bevor das Vergussmaterial aufgebracht wird. Dadurch kann die Reinheit des Prozesses erhöht werden. Zudem kann das Vergussmaterial in sämtliche Hohlräume der Kavität hineingesogen werden.
Das Verfahren kann auch abgewandelt werden, indem der Rotor Baukomponenten derart umfasst, dass ein definiertes Innenvolumen des Rotors ausgebildet wird. Beispielsweise können Endabdeckungen vorgesehen sein, die in gegenüberliegenden axialen Richtungen an das Rotorpaket oder die Endscheiben angrenzend angeordnet werden. Die Zwischenräume zwischen den Rotorpolen können zudem durch Verschlussleisten (Poltrenner) verschlossen sein. Dann wird insgesamt ein definiertes Innenvolumen des Rotors bereitgestellt. In diesem Fall muss eine Vergussanlage selbst nicht zwingend eine Kavität bereitstellen, da die Form der Außenoberfläche des Rotors durch die Rotorpole, die Verschlussleisten, die Endabdeckungen und optional, den Rotorkern und die Welle bestimmt ist. Folglich braucht das Verfahren dann nicht den Schritt des Verschließens der Kavität zu umfassen.
Sämtliche im Hinblick auf die verschiedenen Aspekte erläuterten Merkmale sind einzeln oder in (Sub-)Kombination mit anderen Aspekten kombinierbar.
Die Offenbarung sowie weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen derselben werden im Folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Beispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:

- 1 eine vereinfachte schematische Darstellung von Teilen des Rotors,
- 2 eine vereinfachte schematische Darstellung der Endabdeckung des Rotors,
- 3 eine vereinfachte schematische Schnittansicht von Teilen des Rotors,
- 4 eine vereinfachte schematische Schnittansicht des Rotors in einer Vergussanlage,
- 5 eine vereinfachte schematische Darstellung einer elektrischen Maschine,
- 6 eine vereinfachte schematische Darstellung eines Verfahrens zum Herstellen eines Rotors, und
- 7 eine vereinfachte schematische Darstellung eines zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugs mit einer elektrischen Maschine.

Alle nachstehend in Bezug auf die Ausführungsbeispiele und/oder die begleitenden Figuren offengelegten Merkmale können allein oder in einer beliebigen Unterkombination mit Merkmalen der Aspekte der vorliegenden Offenbarung, einschließlich Merkmalen bevorzugter Ausführungsformen, kombiniert werden, vorausgesetzt, die sich ergebende Merkmalskombination ist für einen Fachmann auf dem Gebiet der Technik sinnvoll.
Für die Zwecke der vorliegenden Offenbarung bedeutet die Formulierung „mindestens eines von A, B und C“ beispielsweise (A), (B), (C), (A und B), (A und C), (B und C) oder (A, B und C), einschließlich aller weiteren möglichen Kombinationen, wenn mehr als drei Elemente aufgeführt sind. Mit anderen Worten, der Begriff „mindestens eines von A und B“ bedeutet im Allgemeinen „A und/oder B“, nämlich „A“ allein, „B“ allein oder „A und B“.
1 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung von Teilen des Rotors 10. Der Rotor 10 ist hier aus einer axialen Richtung ohne die Endabdeckung gezeigt. Das Rotorpaket 12 umfasst einen Rotorkern 14 und sich radial sich von dem Rotorkern 14 erstreckende Rotorpole 16. Vorliegend umfasst das Rotorpaket 12 sechs Rotorpole 16. Andere Geometrien sind aber ebenso denkbar. Der Rotorkern 14 und die Rotorpole 16 sind aus geschichteten, gegeneinander elektrisch isolierten Elektroblechen gebildet.
Die Rotorpole 16 weisen hutförmige Polabschnitte 18 auf, die die radialen Außenflächen der Rotorpole 16 bereitstellen. Zwischen den Polabschnitten 18 benachbarter Rotorpole 16 sind Verschlussleisten 20 angeordnet, die sich in axialer Richtung erstreckende Zwischenräume 22 in radialer Richtung abschließen. Die Polabschnitte 18 und die Verschlussleisten 20 bilden Teile der Außenoberfläche 24 des Rotors 10 aus.
Der Rotorkern 14 umfasst ein Durchgangsloch in dem eine Welle 26 angeordnet und mechanisch mit dem Rotorkern 14 verbunden ist. Typischerweise werden hier Pressverbindungen oder Schrumpfverbindungen eingesetzt. Durch die Welle 26 werden die axiale Richtung, die radiale Richtung ausgehend von der Welle 26 und die Umfangsrichtung definiert.
Vorliegend umfasst das Rotorpaket 10 eine Endscheibe 28, die in axialer Richtung stirnseitig neben dem Rotorkern 14 und den Rotorpolen 16 angeordnet ist. Optional können die Endscheiben 28 mit dem Rotorkern 14 oder den Rotorpolen 16 oder beiden mechanisch verbunden sein. Die Endscheibe 28 weist Auflageflächen 30 für eine Spule auf. Die Wicklung ist typischerweise um jeden Rotorpol 16 gewickelt und umfasst pro Rotorpol 16 mehrere Windungen, die als Spule angeordnet sind. Die Spule wird dann zusätzlich zumindest teilweise in den Zwischenräumen 22 angeordnet, um zur gegenüberliegenden Stirnseite des Rotors 10 geführt zu werden.
Bei einer Drehung des Rotors 10 wirken im Betrieb Zentrifugalkräfte auf die Spule. Ohne mechanische Stabilisierung kann das generell dazu führen, dass die Windungen der Spule relativ zueinander, insbesondere in radialer Richtung, bewegt werden. Dadurch kann die elektrische Isolation der Windungen beschädigt werden, wodurch die vorgesehenen Strompfade verkürzt werden können. Deshalb müssen die Windungen der Spule ausreichend mechanisch stabilisiert werden.
Vorliegend erfolgt dies über ein Vergussmaterial, wie mit Bezug auf die nachfolgenden Figuren noch näher erläutert wird.
Die Auflageflächen 30 der Endscheibe 28 umfassen pro Rotorpol 16 zwei separate Flächenabschnitte 32, 34, die zusammenwirken. Die Endscheibe 28 umfasst pro Rotorpol 16 jeweils einen Endscheibenabschnitt 36, der den jeweiligen Rotorpol 16 in axialer Richtung überdeckt. Die Flächenabschnitte 32, 34 sind an gegenüberliegenden Enden des Endscheibenabschnitts 36 beabstandet zueinander angeordnet. Die Flächenabschnitte 32, 34 bilden die fluchtenden Auflageflächen 30 für die Windungen der Spule. Die Flächenabschnitte 32, 34 ermöglichen eine Umlenkung der Windungen der Spule aus einer axialen Längserstreckungsrichtung in eine dazu senkrechte Erstreckungsrichtung. Durch die Flächenabschnitte 32, 34 wird insofern eine doppelte Umlenkung für die Windungen bereitgestellt. Dadurch entstehen Spulenköpfe im Bereich der Endscheibe 28, die eine U-Form aufweisen. Das bedeutet, dass die Windungen der Spule in benachbarten Zwischenräumen 22 um einen jeweiligen Rotorpol 16 in axialer Richtung zu einer Endscheibe 28 hingeführt und weggeführt werden.
Jeder Endscheibenabschnitt 36 umfasst jeweils eine Vertiefung 40, die zwischen den Flächenabschnitten 32, 34 ausgebildet ist. Die Vertiefung 40 ist dabei gegenüber der Auflagefläche 30, die durch die Flächenabschnitte 32, 34 bereitgestellt wird, in axialer Richtung zurückgesetzt. Eine Flächennormale der Vertiefung 40 ist entlang der axialen Richtung orientiert. Die Vertiefung 40 ist ebenfalls gegenüber einer Grundfläche 42 der Endscheibe 28 zurückgesetzt. Zwischen der Grundfläche 42 und der Vertiefung 40 ist ein Zuflusskanal 44 ausgebildet. Der Zuflusskanal 44 erstreckt sich im Wesentlichen entlang der axialen Richtung des Rotors 10. Eine leichte Winkelabweichung von bis zu 20 Grad kann in diesem Zusammenhang unbeachtlich bleiben. Durch den Zuflusskanal 44 kann Vergussmaterial entlang der axialen Richtung aus einem Bereich der Grundfläche 42 zur Vertiefung 40 gelangen.
Durch die Distanz zwischen dem Boden der Vertiefung 40 und der Auflagefläche 30 für die Windungen der Spule ist eine effektive Höhe H1 der Vertiefung 40 festgelegt (siehe 3). Gleichzeitig weist die Vertiefung 40 eine Breite B1 auf. Durch die Höhe der Vertiefung 40 und die Breite B1 weist die Vertiefung 40 eine erste effektive Querschnittsfläche A1 senkrecht zur radialen Richtung des Rotors 10 auf. Der Zuflusskanal 44 weist eine Höhe H2 und eine Breite B2 auf, sodass der Zuflusskanal 44 eine zweite effektive Querschnittsfläche A2 aufweist, die im Wesentlichen entlang der axialen Richtung des Rotors 10 orientiert ist. Vorteilhaft sind die erste und die zweite effektive Querschnittsfläche A1, A2 im Wesentlichen gleich groß. Alternativ kann die zweite effektive Querschnittsfläche A2 des Zuflusskanals 44 auch größer oder kleiner als die erste effektive Querschnittsfläche A1 der Vertiefung 40 sein. Dadurch können die Strömungseigenschaften des Vergussmaterials beeinflusst werden, wenn es durch den Zuflusskanal 44 in die Vertiefung 40 fließt.
Ist die Spule mit den Windungen auf den Auflageflächen 30 angeordnet, so können dann die Windungen aus gegenüberliegenden axialen Richtungen mit dem Vergussmaterial beaufschlagt werden. Typischerweise wird bei der Beaufschlagung mit dem Vergussmaterial beim Herstellen des Rotors 10 Druck entlang der axialen Richtung ausgeübt. Vorteilhaft ist die Vertiefung 40 derart orientiert, dass dieser Druck beidseitig der Windungen der Spule genutzt werden kann, um das Vergussmaterial in Zwischenräume zwischen den Windungen zu pressen.
2 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung der Endabdeckung 46 des Rotors 10. Die Endabdeckung 46 schließt den Rotor 10 in axialer Richtung ab. Daher weist der Rotor 10 zwei Endabdeckungen 46 auf, die in gegenüberliegenden axialen Richtungen stirnseitig am Rotor 10 angeordnet sind. Durch die Endabdeckungen 46 und die Verschlussleisten 20 wird ein Innenvolumen des Rotors 10 definiert.
Die Endabdeckungen 46 weisen Öffnungen 48 auf, durch die beim Herstellen des Rotors 10 ein Vergussmaterial in das Innenvolumen des Rotors 10 eingebracht werden kann, um Hohlräume auszufüllen, optional unter Druck.
Die Endabdeckungen 46 bilden Außenstirnflächen 50 der Außenoberfläche 24 des Rotors 10 aus.
3 zeigt eine vereinfachte schematische Schnittansicht von Teilen des Rotors 10. Die Schnittansicht ist entlang der Schnittlinie X-X dargestellt, wie sie in den 1 und 2 angegeben ist.
Zu erkennen ist der Rotor 10 mit dem Rotorkern 14, den Rotorpolen 16 und den Polabschnitten 18. In gegenüberliegenden axialen Richtungen sind die Endscheiben 28 seitlich neben dem Rotorkern 14 und den Rotorpolen 16 einschließlich der Polabschnitte 18 angrenzend angeordnet. Vorliegend werden die Endscheiben 28 als Teil des Rotorpakets 12 angesehen. Das Rotorpaket 12 weist in gegenüberliegenden axialen Richtungen eine erste Stirnseite 51A, und eine zweite Stirnseite 51 B auf, die durch die axialen Außenseiten der Endscheiben 28 definiert sind. In der jeweiligen axialen Richtung stellt die jeweilige Endscheibe 28 die Auflageflächen 30 für eine Spule 52 bereit. Dadurch entstehen an jedem Rotorpol 16 jeweilige Spulenköpfe 54. Entlang der jeweiligen axialen Richtung wird der Rotor 10 durch eine jeweilige Endabdeckung 46 abgeschlossen.
Der vergrößerte Ausschnitt 3 zeigt einen Spulenkopf 54 mit mehr Details. Die Spule 52 umfasst einzelne Windungen 56. Zwischen den Windungen 56 entstehen Zwischenräume 58. Um die Windungen 56 bestmöglich vor Beschädigungen zu schützen, werden die Zwischenräume 58 mit einem Material gefüllt, insbesondere einem Vergussmaterial.
In der Vergrößerung wird erkennbar, dass ein Boden der Vertiefung 40 gegenüber der Auflagefläche 30, die durch die Auflageflächen 30 definiert wird, entlang der axialen Richtung zurückgesetzt ist. Die Vertiefung 40 weist deshalb eine Höhe H1 auf.
Der vergrößerte Ausschnitt zeigt auch den Zuflusskanal 44, der zwischen der Grundfläche 42 der Endscheibe 28 und der Vertiefung 40 ausgebildet ist. Somit kann ein Füllmaterial für die Zwischenräume 58 auch auf die Rückseite des Spulenkopfes 54 gelangen. Dadurch kann der Spulenkopf 54 mit dem Füllmaterial, insbesondere einem Vergussmaterial, aus entgegengesetzten axialen Richtungen beaufschlagt werden. Beim Herstellen des Rotors 10 wird entlang der axialen Richtung zudem ausgehend von den Außenstirnflächen 50 der Endabdeckungen 46 Druck auf den Rotor 10 ausgeübt. Alternativ kann das Füllmaterial auch unter Druck in das Innenvolumen 60 des Rotors 10 gepresst werden. Die Zwischenräume 58 zwischen den Windungen 56 der Spule 52 können deshalb relativ zu den jeweiligen Oberflächen in größeren Tiefen (da beidseitig beaufschlagt wird) ausgefüllt werden. Dadurch ist die Variabilität in Hinblick auf die Führung der Windungen 56 der Spule 52 erhöht.
4 zeigt eine vereinfachte schematische Schnittansicht des Rotors 10 in einer Vergussanlage 62.
Der Rotor 10 ist entsprechend der Querschnittsansicht X-X aus 1 nur teilweise dargestellt. Die Rotorpole 16 und die Endscheiben 28 sind mit der Spule 52 umwickelt. Radial außenliegend zur Spule 52 sind die hutförmigen Polabschnitte 18 der Rotorpole 16.
Um das Rotorpaket 12 mit den Endscheiben 28 und der Spule 52 ist die Vergussmasse 64 angeordnet, insbesondere in Hohlräumen des Innenvolumen 60 des Rotors, die mit der Vergussmasse 64 ausgefüllt werden. Die Vergussmasse 64 kann insbesondere ein Vergussmaterial 66 umfassen. Die Vergussmasse 64 füllt generell die Zwischenräume 22 zwischen den Rotorpolen 16 und die verbleibenden Hohlräume zwischen den Endscheiben 28 und den Endabdeckungen 46 aus.
Die Vergussmasse 64 kann einen Verbundwerkstoff mit einer Matrix und einer Verstärkungseinlage umfassen. Insbesondere die Matrix kann durch das Vergussmaterial 66 ausgebildet sein.
Die Vergussanlage 62 weist optional eine Kavität 68 auf, die generell der Form der Außenoberfläche 24 des Rotors 10 entspricht. Durch die Öffnungen 48 der Endabdeckungen 46 kann das Vergussmaterial 66 in Hohlräume des Rotors 10 eingebracht werden und dann verbliebene Hohlräume ausfüllen. Der auszufüllende Hohlraum kann alternativ auch durch Komponenten des Rotors 10 selbst definiert sein, beispielsweise den Rotorkern 14, die Rotorpole 16, die Endabdeckungen 46 und Verschlussleisten 20, optional mit der Welle 26.
Insbesondere können Zwischenräume 58 zwischen den Windungen 56 der Spule 52 ausgefüllt werden. Dann sind die Windungen 56 mechanisch stabilisiert und können sich auch bei hohen Drehzahlen des Rotors 10 nicht mehr relativ zueinander bewegen.
5 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung einer elektrischen Maschine 70. Der Rotor 10 ist um die Welle 26 angeordnet und von dem Stator 72 umgeben. Der Rotor 10 kann insbesondere ein fremderregter Rotor sein. Insofern kann es sich bei der elektrischen Maschine 70 um eine fremderregte elektrische Maschine handeln. Die Spule 52 kann dann über Schleifkontakte im Bereich der Welle 26 mit einer Spannung beaufschlagt werden. Dadurch können Magnetfelder erzeugt werden, die einen Antrieb der Welle 26 bereitstellen.
6 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines Verfahrens 74 zum Herstellen eines Rotors 10. Optionale Schritte sind gestrichelt dargestellt.
Im Schritt 76 wird zunächst ein Rotorpaket 12 (im Wesentlichen ein vormontierter Rotor 10) bereitgestellt. Das Rotorpaket 12 umfasst eine Längsachse, eine erste Stirnseite 51A entlang einer ersten axialen Richtung und eine der ersten Stirnseite 51A gegenüberliegende zweite Stirnseite 51 B entlang einer der ersten axialen Richtung gegenüberliegenden zweiten axialen Richtung, einen Rotorkern 14, mehrere in Umfangsrichtung angeordnete, sich von dem Rotorkern 14 in radialer Richtung erstreckende Rotorpole 16 und zwei Endscheiben 28. Die Endscheiben 28 sind an zumindest teilweise an die Rotorpole 16 angrenzend angeordnet. Jede Endscheibe 28 umfasst Auflageflächen 30 für zumindest eine Spule 52 des Rotors 10. Jede Endscheibe 28 weist zumindest eine gegenüber den Auflageflächen 30 in axialer Richtung sich zu der jeweils anderen Endscheibe 28 annähernde Vertiefung 40 auf.
Im Schritt 78 wird dann ein Vergussmaterial 66 aufgebracht, sodass die Spule 52 zumindest im Bereich der Vertiefung 40 ausgehend von axial gegenüberliegenden Oberflächen der Spule 52 mit dem Vergussmaterial 66 vergossen wird.
Optional kann das Verfahren 74 in einer Vergussanlage 62 erfolgen. Dann kann die Vergussanlage 62 eine Wandung mit einer Kavität 68 aufweisen, die komplementär zu einer gewünschten Form einer Außenoberfläche 24 des Rotors 10 ist.
Optional kann das Verfahren 74 den Schritt 80 des Verschließens der Kavität 68 umfassen, bevor das Vergussmaterial 66 aufgebracht wird.
Bevorzugt umfasst das Verfahren 74 den optionalen Schritt 82, in dem eine Restgasatmosphäre aus der Kavität 68 abgepumpt wird, bevor das Vergussmaterial 66 eingebracht wird.
Optional kann das Vergussmaterial 66 anschließend ausgehärtet werden, beispielsweise durch das Heizen der Vergussanlage 62. Dabei können Einzelkomponenten der Vergussanlage 62 beispielsweise entlang der axialen Richtung Druck auf das Vergussmaterial 66 ausüben, so dass dieses in sämtliche Hohlräume der Kavität 68 oder des Rotors 10 gepresst wird. Nach dem Aushärten oder Erstarren des Vergussmaterials 66 sind die Einzelkomponenten des Rotors 10, insbesondere der Rotorkern 12, die Rotorpole 14, die Endscheiben 28 und die Spule 52 sowie die einzelnen Windungen 56 mit dem Vergussmaterial 66 zumindest teilweise umgossen und mechanisch fest miteinander gekoppelt.
7 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugs 84 mit einer elektrischen Maschine 70. Die elektrische Maschine 70 ist vorliegend mit Antriebsrädern 86 des Fahrzeugs 84 gekoppelt. Andere Verwendungen der elektrischen Maschine 70 sind ebenfalls denkbar, beispielsweise in Servoantrieben des Fahrzeugs 84.
In der vorliegenden Anmeldung kann auf Mengen und Zahlen Bezug genommen werden. Sofern nicht ausdrücklich angegeben, sind solche Mengen und Zahlen nicht als einschränkend zu betrachten, sondern als Beispiele für die möglichen Mengen oder Zahlen im Zusammenhang mit der vorliegenden Anmeldung. In diesem Zusammenhang kann in der vorliegenden Anmeldung auch der Begriff „Mehrzahl“ verwendet werden, um auf eine Menge oder Zahl zu verweisen. In diesem Zusammenhang ist mit dem Begriff „Mehrzahl“ jede Zahl gemeint, die größer als eins ist, z. B. zwei, drei, vier, fünf, usw. Die Begriffe „etwa“, „ungefähr“, „nahe“ usw. bedeuten plus oder minus 5 % des angegebenen Wertes.
Obwohl die Offenbarung in Bezug auf eine oder mehrere Ausführungsformen dargestellt und beschrieben wurde, wird der Fachmann nach dem Lesen und Verstehen dieser Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen gleichwertige Änderungen und Modifikationen vornehmen können.

Claims

Rotorpaket (12) für einen Rotor (10) einer elektrischen Maschine (70) umfassend eine Längsachse, eine erste Stirnseite (51A) entlang einer ersten axialen Richtung und eine der ersten Stirnseite (51A) gegenüberliegende zweite Stirnseite (51B) entlang einer der ersten axialen Richtung gegenüberliegenden zweiten axialen Richtung, einen Rotorkern (14), mehrere in Umfangsrichtung angeordnete, sich von dem Rotorkern (14) in radialer Richtung erstreckende Rotorpole (16) und zwei Endscheiben (28), zumindest teilweise an die Rotorpole (16) angrenzend angeordnet, wobei jede Endscheibe (28) Auflageflächen (30) für zumindest eine Spule (52) des Rotors (10) umfasst, und wobei jede Endscheibe (28) zumindest eine gegenüber den Auflageflächen (30) in axialer Richtung sich zu der jeweils anderen Endscheibe (28) annähernde Vertiefung (40) aufweist.
Rotorpaket (12) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Flächennormale der Vertiefung (40) im Wesentlichen in axialer Richtung orientiert ist.
Rotorpaket (12) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Endscheibe (28) für jeden Rotorpol (16) eine zugeordnete Vertiefung (40) umfasst.
Rotorpaket (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflageflächen (30) jeder Endscheibe (28) zwei zusammenwirkende Flächenabschnitte (32, 34) aufweisen, die derart ausgebildet sind, dass die Spule (52) jeweils aus einer axialen Längserstreckungsrichtung in eine dazu senkrechte Erstreckungsrichtung umlenkbar ist, und wobei die Vertiefung (40) zwischen den zusammenwirkenden Flächenabschnitte (32, 34) ausgebildet ist.
Rotorpaket (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Endscheibe (28) eine in axialer Richtung von dem Rotorkern (14) und den Rotorpolen (16) wegweisende Grundfläche (42) aufweist und jede Endscheibe (28) zwischen der jeweiligen Grundfläche (42) und der jeweiligen Vertiefung (40) zumindest einen Zuflusskanal (44) umfasst.
Rotor (10) mit einem Rotorpaket (12) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (10) zumindest eine Spule (52) umfasst, die auf den Auflageflächen (30) der Endscheiben (28) angeordnet ist, und wobei durch die Vertiefung (40) zwischen der Endscheibe (28) und der Spule (52) ein Reservoir ausgebildet wird.
Rotor (10) nach Anspruch 6 soweit umfassend ein Rotorpaket (12) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Querschnittsfläche (A1) der Vertiefung (40) in radialer Richtung im Wesentlichen mit einer Querschnittsfläche (A2) des Zuflusskanals (44) in axialer Richtung übereinstimmt.
Rotor (10) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (10) eine Vergussmasse (64) umfasst, die zumindest im Bereich der Vertiefung (40) in axial gegenüberliegenden Richtungen zumindest teilweise angrenzend an die Spule (52) angeordnet ist.
Elektrische Maschine (70) mit einem Rotor (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 8.
Verfahren (74) zum Herstellen eines Rotors (10) für eine elektrische Maschine (70) mittels der folgenden Schritte: - Bereitstellen eines Rotorpakets (12) welcher eine Längsachse, eine erste Stirnseite (51A) entlang einer ersten axialen Richtung und eine der ersten Stirnseite (51A) gegenüberliegende zweite Stirnseite (51 B) entlang einer der ersten axialen Richtung gegenüberliegenden zweiten axialen Richtung, einen Rotorkern (14), mehrere in Umfangsrichtung angeordnete, sich von dem Rotorkern (14) in radialer Richtung erstreckende Rotorpole (16) und zwei Endscheiben (28), zumindest teilweise an die Rotorpole (16) angrenzend angeordnet umfasst, wobei jede Endscheibe (28) Auflageflächen (30) für zumindest eine Spule (52) des Rotors (10) umfasst, und wobei jede Endscheibe (28) zumindest eine gegenüber den Auflageflächen (30) in axialer Richtung sich zu der jeweils anderen Endscheibe (28) annähernde Vertiefung (40) aufweist, - Aufbringen eines Vergussmaterials (66), wobei die Spule (52) zumindest im Bereich der Vertiefung (40) ausgehend von axial gegenüberliegenden Oberflächen der Spule (52) mit dem Vergussmaterial (66) vergossen wird.