DE102021134587A1 - Rotor for an electrical machine, electrical machine and method for manufacturing a rotor - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine, eine elektrische Maschine mit einem Rotor und ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors für eine elektrische Maschine. Der Rotor umfasst einen Rotorkern, mehrere sich von dem Rotorkern in radialer Richtung erstreckende Rotorpole, zwischen den Rotorpolen angeordnete Verschlussleisten und eine Vergussmasse. Der Rotorkern, die Rotorpole und die Verschlussleisten sind mit der Vergussmasse zumindest teilweise umgossen. Die Vergussmasse umfasst zumindest einen Verbundwerkstoff.The present disclosure relates to a rotor for an electric machine, an electric machine with a rotor and a method for manufacturing a rotor for an electric machine. The rotor includes a rotor core, a plurality of rotor poles extending radially from the rotor core, sealing strips arranged between the rotor poles, and a potting compound. The rotor core, the rotor poles and the closure strips are at least partially encapsulated with the casting compound. The potting compound comprises at least one composite material.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine, eine elektrische Maschine mit einem Rotor und ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors für eine elektrische Maschine.The present invention relates to a rotor for an electrical machine, an electrical machine with a rotor, and a method for producing a rotor for an electrical machine.
Elektrische Maschinen sind allgemein bekannt und umfassen unter anderem einen Rotor. Der Rotor kann permanenterregt oder fremderregt sein. Permanenterregte Rotoren weisen Permanentmagnete auf, durch die ein Magnetfeld erzeugt wird. Der Selbstanlauf von permanenterregten Rotoren ist allerdings aufwendig. Auch ist ein Freilauf bei permanenterregten Rotoren in der Regel nicht realisierbar. Zudem weisen die Permanentmagnete oftmals Seltenerdmaterialien auf, beispielsweise Neodym. Solche Seltenerdmaterialien unterliegen starken Preisschwankungen, weshalb die Herstellung durch die massiven Magnetkomponenten kostenintensiv ist. Zusätzlich ist der Abbau der Seltenerdmaterialien oftmals mit Umweltschäden verbunden und generell können derartige Materialien den CO2-Fussabdruck des Rotors gegenüber alternativen Konzepten verschlechtern.Electrical machines are well known and include, among other things, a rotor. The rotor can be permanently excited or separately excited. Permanently excited rotors have permanent magnets that generate a magnetic field. However, self-starting of permanently excited rotors is complex. Freewheeling with permanently excited rotors is also usually not feasible. In addition, the permanent magnets often have rare earth materials, such as neodymium. Such rare earth materials are subject to strong price fluctuations, which is why the production is expensive due to the massive magnetic components. In addition, the degradation of rare earth materials is often associated with environmental damage and, in general, such materials can worsen the carbon footprint of the rotor compared to alternative concepts.
Diese Nachteile können durch fremderregte Rotoren zumindest teilweise gemindert werden. Diese weisen im Gegensatz zu permanenterregten Rotoren zumindest eine stromdurchflossene Induktivität auf, durch die 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 deshalb verhindert werden, dass die auftretenden Zentrifugalkräfte eine Bewegung der einzelnen Windungen relativ zueinander verursachen können. Dies wird üblicherweise dadurch erreicht, dass Endabdeckungen mit dem zentralen Rotorkörper mechanisch verbunden werden und die verbliebenen Hohlräume mit einem Vergussmaterial ausgefüllt werden, wodurch die Windungen mechanisch stabilisiert sind. Ein solcher Rotor weist allerdings verhältnismäßig viele Einzelkomponenten auf, die zudem präzise maßgeschneidert sein müssen, um die gewünschten Fertigungstoleranzen einzuhalten. Dadurch ist die Herstellung des Rotors aufwendig.These disadvantages can be at least partially reduced by externally excited rotors. In contrast to permanently excited rotors, these have at least one current-carrying inductance that generates the corresponding magnetic field. The inductance is realized by at least one winding with multiple turns. At high speeds (up to 30,000 revolutions per minute), it must therefore be prevented that the centrifugal forces that occur can cause the individual windings to move relative to one another. This is usually achieved by mechanically connecting end caps to the central rotor body and filling the remaining cavities with a potting material, thereby mechanically stabilizing the windings. However, such a rotor has a relatively large number of individual components, which must also be precisely tailored in order to comply with the desired manufacturing tolerances. As a result, the manufacture of the rotor is expensive.
Es besteht daher ein Bedürfnis einen Rotor für eine elektrische Maschine, eine elektrische Maschine und ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors bereitzustellen, mittels denen die Nachteile bekannter Ansätze ausgeräumt oder zumindest verringert werden können.There is therefore a need to provide a rotor for an electrical machine, an electrical machine and a method for producing a rotor, by means of which the disadvantages of known approaches can be eliminated or at least reduced.
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.The object is solved by the subject matter of the independent patent claims. Advantageous configurations are specified in the dependent patent claims and the following description, each of which can represent aspects of the disclosure individually or in (sub)combination. Some aspects are explained in terms of devices and others in terms of methods. However, the characteristics are mutually transferable.
Gemäß einem Aspekt wird ein Rotor für eine elektrische Maschine bereitgestellt, insbesondere für eine fremderregte elektrisch angeregte Synchronmaschine (EESM). Der Rotor umfasst einen Rotorkern, mehrere sich von dem Rotorkern in radialer Richtung erstreckende Rotorpole, zwischen den Rotorpolen angeordnete Verschlussleisten (auch Poltrenner genannt) und eine Vergussmasse. Der Rotorkern, die Rotorpole und die Verschlussleisten sind mit der Vergussmasse zumindest teilweise umgossen. Die Vergussmasse umfasst zumindest einen Verbundwerkstoff.According to one aspect, a rotor for an electrical machine is provided, in particular for a separately excited electrically excited synchronous machine (EESM). The rotor comprises a rotor core, a plurality of rotor poles extending from the rotor core in the radial direction, sealing strips (also called pole separators) arranged between the rotor poles and a casting compound. The rotor core, the rotor poles and the closure strips are at least partially encapsulated with the casting compound. The potting compound comprises at least one composite material.
Der Rotorkern, die Rotorpole und die Verschlussleisten brauchen lediglich durch die Vergussmasse vergossen werden. Da die Vergussmasse einen Verbundwerkstoff umfasst, ist die Stabilität der Vergussmasse und damit des Rotors gegenüber bekannten Materialien vorteilhaft erhöht. Die Vergussmasse allein, in Verbindung mit dem Verbundwerkstoff, stellt deshalb die notwendige mechanische Stabilität bereit, um Zentrifugalkräfte bei hohen Drehzahlen abzufangen. Dadurch können die Betriebseigenschaften des Rotors vorteilhaft verbessert werden.The rotor core, the rotor poles and the sealing strips only need to be encapsulated with the potting compound. Since the casting compound includes a composite material, the stability of the casting compound and thus of the rotor is advantageously increased compared to known materials. The potting compound alone, in conjunction with the composite material, therefore provides the necessary mechanical stability to absorb centrifugal forces at high speeds. As a result, the operational properties of the rotor can be advantageously improved.
Unter den Verschlussleisten können vorliegend von den Rotorpolen separate Bauteilkomponenten verstanden werden, die die Rotorpole gegeneinander mechanisch stabilisieren, insbesondere im Wesentlichen entlang der Umfangsrichtung des Rotors.In the present case, the closure strips can be understood as meaning components that are separate from the rotor poles and mechanically stabilize the rotor poles relative to one another, in particular essentially along the circumferential direction of the rotor.
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.The rotor core and the rotor poles preferably have laminated electrical laminations. The individual layers of the electrical sheet are electrically insulated from one another. This essentially avoids the occurrence of eddy currents. In the case of a rotor core produced in one piece and rotor poles produced in one piece, such eddy currents can be induced, for example, by the winding, the windings of which are usually wound around the individual rotor poles.
Optional umfasst der Verbundwerkstoff einen Teilchenverbundwerkstoff.Optionally, the composite includes a particulate composite.
Alternativ umfasst der Verbundwerkstoff einen Faserverbundwerkstoff.Alternatively, the composite material comprises a fiber composite material.
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.In addition, the composite material can also comprise a combination of the types of material mentioned senior Such composites provide improved mechanical stability over conventional potting materials by means of the included particles or fibers. In addition, they are relatively inexpensive and easy to process.
Bevorzugt ist eine Außenoberfläche des Rotors zumindest teilweise durch die Vergussmasse gebildet. Insbesondere kann zumindest ein Teil einer stirnseitigen Außenoberfläche des Rotors zumindest teilweise durch die Vergussmasse gebildet sein. Insofern kann der Rotor insbesondere ohne Endabdeckungen ausgebildet sein, die bei anderen Ansätzen den Rotor in axialer Richtung abschließen. Dadurch weist der Rotor weniger Einzelkomponenten auf, sodass die Komplexität vorteilhaft reduziert ist. Folglich müssen auch nicht derart viele Einzelkomponenten aufeinander abgestimmt sein, um die Fertigungstoleranzen einzuhalten. Deshalb ist das Verfahren zum Herstellen des Rotors vorteilhaft weniger aufwendig.An outer surface of the rotor is preferably formed at least partially by the casting compound. In particular, at least part of an end-side outer surface of the rotor can be formed at least partially by the casting compound. In this respect, the rotor can in particular be designed without end covers, which close off the rotor in the axial direction in other approaches. As a result, the rotor has fewer individual components, so that the complexity is advantageously reduced. As a result, not so many individual components have to be matched to one another in order to comply with the manufacturing tolerances. Therefore, the method for manufacturing the rotor is advantageously less complex.
Zudem ermöglicht die Einsparung der Endabdeckungen eine Bauraumoptimierung. Insbesondere entlang der axialen Richtung des Rotors kann somit Bauraum eingespart werden. Dadurch wird der Rotor kompakter.In addition, saving on the end covers enables installation space to be optimized. Installation space can thus be saved, in particular along the axial direction of the rotor. This makes the rotor more compact.
Alternativ oder kumulativ weist der Verbundwerkstoff eine Matrix aus einem Vergussmaterial und zumindest eine in die Matrix zumindest teilweise eingebettete Verstärkungseinlage auf. Gegenüber herkömmlichen Ansätzen kann durch die Verstärkungseinlage eine verbesserte mechanische Stabilität der Vergussmasse gewährleistet werden.Alternatively or cumulatively, the composite material has a matrix made of a casting material and at least one reinforcement insert that is at least partially embedded in the matrix. Compared to conventional approaches, the reinforcement insert can ensure improved mechanical stability of the casting compound.
Das Vergussmaterial des Verbundwerkstoffs kann insbesondere ein Vergussharz umfassen, beispielsweise ein Epoxidharz.The encapsulation material of the composite material can in particular comprise an encapsulation resin, for example an epoxy resin.
Bevorzugt ist die Verstärkungseinlage mit dem Rotorkern mechanisch verbunden.The reinforcement insert is preferably mechanically connected to the rotor core.
Alternativ oder kumulativ kann die Verstärkungseinlage auch mit den Rotorpolen mechanisch verbunden sein.Alternatively or cumulatively, the reinforcement insert can also be mechanically connected to the rotor poles.
Zudem kann die Verstärkungseinlage mit den Verschlussleisten mechanisch verbunden sein. Auch die kombinierte mechanische Verbindung der Verstärkungseinlage mit mehreren der vorgenannten Komponententypen ist möglich. Beispielsweise können Aufnahmen vorgesehen sein, in denen die Verstärkungseinlage zumindest teilweise positioniert ist. Dadurch kann die korrekte Positionierung der Verstärkungseinlage gewährleistet werden.In addition, the reinforcement insert can be mechanically connected to the closure strips. The combined mechanical connection of the reinforcement insert with several of the aforementioned types of components is also possible. For example, receptacles can be provided in which the reinforcing insert is at least partially positioned. This can ensure the correct positioning of the reinforcement insert.
Alternativ oder kumulativ kann die Verstärkungseinlage auch ohne mechanische Verbindung positioniert werden, beispielsweise anhand von geeigneten Auflageflächen.Alternatively or cumulatively, the reinforcement insert can also be positioned without a mechanical connection, for example using suitable bearing surfaces.
Optional weist der Verbundwerkstoff mehrere Verstärkungseinlagen auf. Die Verstärkungseinlagen können optional zumindest teilweise aneinander befestigt sein. Dadurch können die Verstärkungseinlagen grundsätzlich zunächst individuell positioniert werden und anschließend aneinander befestigt werden, so dass sie eine mechanisch verbundene Einheit ausbilden. Generell kann die Positionierung der Verstärkungseinlagen aber auch unabhängig voneinander erfolgen, beispielsweise durch geeignete Auflageflächen. Die Positionierung der Verstärkungseinlagen kann auch mit Hilfe von Vergusswerkzeugen erfolgen.Optionally, the composite material has several reinforcement inserts. The reinforcing inserts can optionally be at least partially attached to one another. As a result, the reinforcement inserts can in principle first be positioned individually and then attached to one another so that they form a mechanically connected unit. In general, however, the reinforcement inserts can also be positioned independently of one another, for example by means of suitable bearing surfaces. The reinforcement inserts can also be positioned with the aid of casting tools.
Bevorzugt ist in die Matrix des Verbundwerkstoffs ein Gewebe oder Geflecht eingebettet. Durch das Gewebe oder das Geflecht kann die Verstärkungseinlage ausgebildet sein. Ein Geflecht oder ein Gewebe stellt vorteilhaft die Möglichkeit bereit, multiple Ebenen zu schaffen, entlang denen die mechanische Stabilität erhöht werden kann.A fabric or mesh is preferably embedded in the matrix of the composite material. The reinforcement insert can be formed by the fabric or the mesh. A braid or fabric advantageously provides the ability to create multiple planes along which mechanical stability can be increased.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Matrix ein erstes Material und die eingebettete Verstärkungseinlage ein von dem ersten Material verschiedenes zweites Material. Dann können die verschiedenen Materialien spezifisch ausgewählt werden, um den jeweiligen Anforderungen bestmöglich gerecht zu werden. Beispielsweise kann das Material der Verstärkungseinlage insbesondere eine hohe Steifigkeit aufweisen. Alternativ kann das Material der Verstärkungseinlage auch eine hohe Zugfestigkeit aufweisen. Auch kann das Material beides aufweisen, also sowohl eine hohe Steifigkeit als auch eine hohe Zugfestigkeit. Das Material der Matrix kann insbesondere gute Fließeigenschaften aufweisen, beispielsweise eine gewünschte Viskosität, damit die Matrix sämtliche vorgesehenen Teilvolumina des Rotors erreicht, in denen sie vorliegen soll.According to a further embodiment, the matrix comprises a first material and the embedded reinforcement insert comprises a second material that is different from the first material. The various materials can then be specifically selected in order to best meet the respective requirements. For example, the material of the reinforcement insert can have a high rigidity in particular. Alternatively, the material of the reinforcing insert can also have high tensile strength. The material can also have both, i.e. both high rigidity and high tensile strength. In particular, the material of the matrix can have good flow properties, for example a desired viscosity, so that the matrix reaches all the intended partial volumes of the rotor in which it is to be present.
Ferner können das Material der Matrix und das Material der Verstärkungseinlage insbesondere ähnliche Wärmeausdehnungskoeffizienten umfassen. Dann führen Temperaturschwankungen nicht zu relativen mechanischen Spannungen zwischen der Matrix und der Verstärkungseinlage.Furthermore, the material of the matrix and the material of the reinforcing insert can in particular have similar coefficients of thermal expansion. Then temperature fluctuations do not lead to relative mechanical stresses between the matrix and the reinforcing insert.
Auch kann zumindest eines der Materialien der Matrix und der Verstärkungseinlage, bevorzugt beide, eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Dann können in dem Rotorkern oder den Rotorpolen erzeugte Wärmemengen effektiv durch die Matrix oder die Verstärkungseinlage 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 Wicklung, die die Rotorpole umgibt.At least one of the materials of the matrix and the reinforcing insert, preferably both, can also have high thermal conductivity. Then amounts of heat generated in the rotor core or the rotor poles can be effectively conducted through the matrix or the reinforcing insert or both to an outer surface of the rotor where a cooling mechanism can be provided. For example, the front side of the rotor with coolant ness to be applied. Such quantities of heat are produced, for example, by energizing the winding that surrounds the rotor poles.
Der Verbundwerkstoff kann auch Additive umfassen, um die Eigenschaften in gewünschter Weise einzustellen, beispielsweise Additive, die die Wärmeleitfähigkeit erhöhen.The composite material can also comprise additives in order to adjust the properties in the desired way, for example additives which increase the thermal conductivity.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird auch eine elektrische Maschine bereitgestellt, insbesondere eine EESM. Die elektrische Maschine weist einen Rotor wie zuvor beschrieben auf.According to a further aspect, an electrical machine is also provided, in particular an EESM. The electric machine has a rotor as previously described.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird auch ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug bereitgestellt, das eine elektrische Maschine wie zuvor beschrieben umfasst.According to a further aspect, an at least partially electrically powered vehicle is also provided, comprising an electric machine as previously described.
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.For the purposes of the present invention, at least partially electrically powered vehicles can include, in particular, land vehicles, namely electric scooters, e-scooters, two-wheelers, motorcycles, three-wheelers, trikes, quads, off-road and road vehicles such as passenger cars, buses, trucks, tractors and other commercial vehicles, Rail vehicles (trains), but also water vehicles (boats) and aircraft such as helicopters, multicopters, propeller aircraft and jet aircraft, which have at least one electric motor used to propel the vehicle and at least one energy storage device. Vehicles can be manned or unmanned. In addition to pure electric vehicles (BEV), plug-in hybrids (PHEV) and fuel cell vehicles (FCEV) can also be included.
Gemäß einem zusätzlichen Aspekt wird auch ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors für eine elektrische Maschine bereitgestellt, insbesondere für eine EESM. Das Verfahren erfolgt zumindest wie nachfolgend beschrieben:
- Es wird ein Rotorpaket in einer Kavität einer Vergussanlage bereitgestellt. Die Wandung der Kavität ist komplementär zur gewünschten Außenkontur des gefertigten Rotors. Das Rotorpaket weist zumindest einen Rotorkern, mehrere sich von dem Rotorkern in radialer Richtung erstreckende Rotorpole und zwischen den Rotorpolen angeordnete Verschlussleisten auf. Anschließend wird die Kavität verschlossen. Zuletzt wird ein Verbundwerkstoff in die Kavität eingebracht, so dass die Hohlräume der Kavität zumindest größtenteils vom Verbundwerkstoff ausgefüllt werden.
- A rotor stack is provided in a cavity of a potting system. The wall of the cavity is complementary to the desired outer contour of the manufactured rotor. The rotor assembly has at least one rotor core, a plurality of rotor poles extending from the rotor core in the radial direction, and sealing strips arranged between the rotor poles. The cavity is then sealed. Finally, a composite material is introduced into the cavity, so that the cavities of the cavity are at least largely filled by the composite material.
Anschließend muss nur noch eine entsprechende Präparation erfolgen, damit sich der Verbundwerkstoff verfestigt, insbesondere das Vergussmaterial des Verbundwerkstoffs. Dann kann der Rotor beispielsweise ohne Endabdeckungen fertiggestellt werden, die gemäß bekannten Ansätzen den Rotor stirnseitig entlang der axialen Richtung abschließen. Solche Endabdeckungen müssen maßgeschneidert sein, damit der Rotor insgesamt die Fertigungstoleranzen einhält. Durch den Verbundwerkstoff können diese Fertigungstoleranzen sehr viel effizienter und mit weniger Herstellungsaufwand eingehalten werden. Zudem kann der erforderliche Bauraum reduziert werden, insbesondere entlang der axialen Richtung, da der Verbundwerkstoff, der die Vergussmasse ausbildet, eine außenliegende Komponente des Rotors ausbildet.Appropriate preparation then only has to be carried out so that the composite material hardens, in particular the casting material of the composite material. The rotor can then be finished, for example, without end covers which, according to known approaches, close the rotor at the front along the axial direction. Such end covers must be tailored in order for the rotor as a whole to meet manufacturing tolerances. Due to the composite material, these manufacturing tolerances can be maintained much more efficiently and with less manufacturing effort. In addition, the required installation space can be reduced, in particular along the axial direction, since the composite material that forms the potting compound forms an external component of the rotor.
Bevorzugt wird eine Restgasatmosphäre aus der Kavität abgepumpt bevor der Verbundwerkstoff eingebracht wird. Dadurch kann die Reinheit des Prozesses erhöht werden. Zudem kann das Vergussmaterial in sämtliche Hohlräume der Kavität hineingesogen werden.A residual gas atmosphere is preferably pumped out of the cavity before the composite material is introduced. As a result, the purity of the process can be increased. In addition, the potting material can be sucked into all the cavities of the cavity.
Optional kann vor dem Einbringen des Verbundwerkstoffs eine Verstärkungseinlage in die Kavität eingebracht werden, die dann in einem Vergussmaterial des Verbundwerkstoffs eingebettet ist. Dabei bildet das Vergussmaterial eine Matrix innerhalb der Kavität aus. Das hat den Vorteil, dass die Verstärkungseinlage vor dem Vergießen innerhalb der Kavität derart angeordnet werden kann, dass die mechanische Stabilität in gewünschter Weise entlang der Verstärkungseinlage bereitgestellt wird. Die Verstärkungsanlage kann beispielsweise entlang bestimmter Richtungen angeordnet sein, entlang denen der Rotor eine besonders hohe Festigkeit aufweisen soll.Optionally, before the composite material is introduced, a reinforcement insert can be introduced into the cavity, which is then embedded in a casting material of the composite material. The potting material forms a matrix within the cavity. This has the advantage that the reinforcement insert can be arranged within the cavity before the casting in such a way that the mechanical stability is provided in the desired manner along the reinforcement insert. The reinforcement system can be arranged, for example, along certain directions along which the rotor should have a particularly high strength.
Der Verbundwerkstoff kann aber auch beispielsweise ein Faserverbundwerkstoff oder ein Teilchenverbundwerkstoff sein, wodurch das die Matrix bildende Material und das die Verstärkungseinlage bildende Material gleichzeitig in die Kavität eingebracht werden können. Dann ist der Herstellungsaufwand nochmals reduziert.However, the composite material can also be, for example, a fiber composite material or a particle composite material, as a result of which the material forming the matrix and the material forming the reinforcement insert can be introduced into the cavity at the same time. Then the manufacturing effort is reduced again.
Sämtliche im Hinblick auf die verschiedenen Aspekte erläuterten Merkmale sind einzeln oder in (Sub-)Kombination mit anderen Aspekten kombinierbar.All of the features explained with regard to the various aspects can be combined individually or in (sub)combination with other aspects.
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:
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1 eine vereinfachte schematische Darstellung von Teilen eines Rotorpakets und Verschlussleisten, - -
2 eine vereinfachte schematische Darstellung von Teilen eines Rotorpakets, Verschlussleisten und einer Vergussmasse in einer Vergussanlage, - -
3 eine vereinfachte schematische Darstellung einer elektrischen Maschine und einer Welle, - -
4 eine vereinfachte schematische Darstellung eines Verfahrens zum Herstellen eines Rotors, und - -
5 eine vereinfachte schematische Darstellung eines zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugs mit einer elektrischen Maschine.
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1 a simplified schematic representation of parts of a rotor stack and sealing strips, - -
2 a simplified schematic representation of parts of a rotor stack, closure afford and a casting compound in a casting plant, - -
3 a simplified schematic representation of an electrical machine and a shaft, - -
4 a simplified schematic representation of a method for manufacturing a rotor, and - -
5 a simplified schematic representation of an at least partially electrically powered vehicle with an electric machine.
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.All features disclosed below in relation to the exemplary embodiments and/or the accompanying figures can be combined alone or in any sub-combination with features of the aspects of the present disclosure, including features of preferred embodiments, provided that the resulting combination of features is for a person skilled in the art field of technology makes sense.
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“.For purposes of this disclosure, the phrase “at least one of A, B, and C” means, for example, (A), (B), (C), (A and B), (A and C), (B and C), or (A, B and C), including all other possible combinations if more than three items are listed. In other words, the term "at least one of A and B" generally means "A and/or B", namely "A" alone, "B" alone or "A and B".
Die Rotorpole 16 weisen hutförmige Polabschnitte 18 auf, die die radialen Außenflächen der Rotorpole 16 bereitstellen. Die Verschlussleisten 12 sind zwischen benachbarten hutförmigen Polabschnitten 18 angeordnet, also im Wesentlichen entlang der Umfangsrichtung zwischen den Polabschnitten 18.The
Der Rotorkern 14 umfasst ein Durchgangsloch in dem eine Welle 20 angeordnet und mechanisch mit dem Rotorkern 14 verbunden ist. Typischerweise werden hier Pressverbindungen oder Schrumpfverbindungen eingesetzt. Durch die Welle 20 werden die axiale Richtung, die radiale Richtung ausgehend von der Welle 20 und die Umfangsrichtung definiert.The
Vorliegend umfasst das Rotorpaket 10 eine Endscheibe 22, die in axialer Richtung stirnseitig angrenzend an den Rotorkern 14 und die Rotorpole 16 angeordnet ist. Die Endscheibe 22 weist Auflageflächen 24 für eine Wicklung auf. Die Wicklung ist typischerweise um jeden Rotorpol 16 gewickelt und umfasst pro Rotorpol 16 mehrere Windungen.In the present case, the
Zwischen den Rotorpolen 16 entstehen Zwischenräume 28, in denen die Wicklung zumindest teilweise angeordnet ist. Diese Zwischenräume 28 werden durch die Verschlussleisten 12 in radialer Richtung verschlossen.Between the
Bei einer Drehung des Rotorpakets 10 wirken im Betrieb Zentrifugalkräfte auf die Wicklung. Ohne mechanische Stabilisierung kann das generell dazu führen, dass die Windungen der Wicklung relativ zueinander, insbesondere in radialer Richtung, bewegt werden. Deshalb müssen die Windungen der Wicklung ausreichend mechanisch stabilisiert werden. Vorliegend erfolgt dies über eine Vergussmasse, die die Zwischenräume 28 ausfüllt und die Wicklung auch im Bereich der Auflageflächen 24 stabilisiert.When the
Um das Rotorpaket 10 mit den Endscheiben 22 und der Wicklung 34 ist die Vergussmasse 30 angeordnet, insbesondere in gegenüberliegenden axialen Richtungen stirnseitig von den Endscheiben 22 und der Wicklung 34. Mit Bezug auf
Die Vergussmasse 30 umfasst einen Verbundwerkstoff 35 mit einer Matrix 36 und zumindest einer Verstärkungseinlage 38. Zu erkennen ist, dass die Verstärkungseinlage 38 in Hohlräumen einer Kavität 40 der Vergussanlage 32 angeordnet ist, die nicht von dem Rotorpaket 10, den Verschlussleisten 12, den Endscheiben 22 und der Wicklung 34 eingenommen werden. Die Kavität 40 ist dabei komplementär zur gewünschten Außenkontur des aus dem Rotorpaket 10 gebildeten Rotors 42. Die Vergussmasse 30 bildet insofern zumindest Teile, insbesondere in gegenüberliegenden axialen Richtungen, stirnseitige Teile der Außenoberfläche 43 des Rotors 42 aus, sobald dieser fertiggestellt ist.The casting
Die Matrix 36 umfasst ein Vergussmaterial. Die Verstärkungseinlage 38 umfasst ein von dem Vergussmaterial verschiedenes anderes Material, beispielsweise Polyamid oder Aluminium. Die Verstärkungseinlage 38 umfasst insbesondere ein Material, das eine hohe mechanische Festigkeit, insbesondere Steifigkeit oder Zugfestigkeit des Verbundwerkstoffs 35 oder beides gewährleistet. Durch die Verstärkungseinlage 38 wird deshalb die mechanische Stabilität der Vergussmasse derart verbessert, dass die Vergussmasse 30 selbst außenliegende Strukturen des Rotors 42 ausbilden kann. Auf eine zusätzliche mechanische Stabilisierung, beispielsweise durch Endabdeckungen, kann verzichtet werden.The
Die Verstärkungseinlage 38 kann mehrere, generell separate Einzelteile umfassen. Optional können die Einzelteile der Verstärkungseinlage 38 miteinander mechanisch verbunden sein. Beispielsweise können verschiedene Einzelteile eines Geflechts oder eines Gewebes entsprechend den gewünschten Richtungen orientiert werden, entlang denen eine besonders hohe mechanische Belastbarkeit erzielt werden soll. Die Einzelteile können dann optional noch miteinander gekoppelt werden. Die Positionierung der Einzelteile der Verstärkungseinlage 38 kann aber auch unabhängig voneinander erfolgen. Sobald die Vergussmasse des Verbundwerkstoffs 35 erstarrt ist, können die Einzelteile dann dennoch ortsfest positioniert sein.The
Der Verbundwerkstoff 35 kann auch einen Teilchenverbindwerkstoff oder einen Faserverbundwerkstoff oder einen Hybridverbundwerkstoff umfassen. Die einzelnen Fasern können dann beispielsweise derart zahlreich sein, dass sie sich in der Matrix 36 des Verbundwerkstoffs 35 filzartig miteinander verkreuzen, wodurch die mechanische Stabilität im Wesentlichen richtungsunabhängig erzielt wird.The
Im Schritt 50 wird zunächst ein Rotorpaket 10 in einer Kavität 40 einer Vergussanlage 32 bereitgestellt. Die Wandung der Kavität 40 ist komplementär zur gewünschten Außenkontur des gefertigten Rotors 42. Das Rotorpaket 10 weist zumindest einen Rotorkern 14, mehrere sich von dem Rotorkern 14 in radialer Richtung erstreckende Rotorpole 16 und zwischen den Rotorpolen 16 angeordnete Verschlussleisten 12 auf.In step 50 a
Im Schritt 52 wird die Kavität 40 verschlossen.In
Im Schritt 54 wird dann ein Verbundwerkstoff 35 in die Kavität 40 eingebracht, sodass die Hohlräume der Kavität 40 zumindest größtenteils vom Verbundwerkstoff 35 ausgefüllt werden.In step 54 a
Optional kann der Verbundwerkstoff 35 anschließend ausgehärtet werden, beispielsweise durch das Heizen der Vergussanlage 32. Dabei können Einzelkomponenten der Vergussanlage 32 beispielsweise entlang der axialen Richtung Druck auf den Verbundwerkstoff, insbesondere auf das Vergussmaterial davon, ausüben, so dass dieser in sämtliche Hohlräume der Kavität 40 gepresst wird. Nach dem Aushärten des Verbundwerkstoffs 35 sind die Einzelkomponenten des Rotors 42, insbesondere der Rotorkern 14, die Rotorpole 16 und die Verschlussleisten 12 mit der Vergussmasse 30 zumindest teilweise umgossen und mechanisch fest miteinander gekoppelt.Optionally, the
Das Verfahren 48 kann ferner den optionalen Schritt 56 umfassen. Dann wird die Verstärkungseinlage 38 in die Kavität 40 eingebracht, bevor diese verschlossen wird. Im Schritt 54 braucht dann nur noch ein Vergussmaterial in die Kavität 40 eingebracht werden. Das Vergussmaterial bildet dann die Matrix 36 und zusammen mit der Verstärkungseinlage 38 den Verbundwerkstoff 35 der Vergussmasse 30 aus. Dadurch kann zunächst die Verstärkungseinlage von 38 in der Kavität 40 in entsprechenden Hohlräumen um das Rotorpaket 10, die Verschlussleisten 12, die Endscheiben 22 und die Wicklung 34 positioniert werden. Insbesondere kann die Positionierung so erfolgen, dass die Verstärkungseinlage 38 eine verbesserte Festigkeit entlang vorbestimmten Richtungen bereitstellt sobald der Verbundwerkstoff 35 erstarrt ist.Method 48 may further include optional step 56 . Then the reinforcing
Bevorzugt umfasst das Verfahren 48 den optionalen Schritt 58, in dem eine Restgasatmosphäre aus der Kavität 40 abgepumpt wird, bevor der Verbundwerkstoff 35 eingebracht wird.The method 48 preferably includes the
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.Amounts and numbers may be referred to in the present application. Unless expressly stated, such amounts and numbers are not to be considered as limiting, but as examples of the possible amounts or numbers within the context of the present application. In this context, the term "plurality" can also be used in the present application to refer to a quantity or number. In this context, the term "plurality" means any number greater than one, e.g. B. two, three, four, five, etc. The terms "about", "approximately", "near" etc. mean plus or minus 5% of the stated value.
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.Although the disclosure has been shown and described with respect to one or more embodiments, equivalent changes and modifications will occur to those skilled in the art upon reading and understanding this specification and the accompanying drawings.
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