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Die Erfindung bezieht sich auf einen Rotor für eine elektrische Maschine, sowie auf eine elektrische Maschine und auf ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Rotors nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
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Stand der Technik
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Mit der
DE 10 2013 225 842 A1 ist ein Rotor einer elektrischen Maschine bekannt geworden, bei dem am Kommutator Auflageflächen für das radiale Aufliegen der Wicklungsdrähte angeformt sind. An der Bohrung des hohlzylindrischen Kommutators sind auch mehrere Taschen in Form einer Krone ausgebildet, in die hinein sich eine Klebemasse erstreckt, die im ausgehärteten Zustand einen Formschluss mit dem Kommutator bildet. Bei dieser Ausführung werden die Wickeldrähte zwischen der Auflagefläche des Kommutators und dem Rotorkörper freischwebend geführt, wodurch die Gefahr besteht, dass diese bei einer hohen Schwingungsbelastung brechen können. Außerdem ist die gezeigte Isolation des Rotors mittels der Epoxid-Klebemasse fertigungstechnisch sehr aufwändig. Diese Nachteile sollen durch die erfindungsgemäße Lösung behoben werden.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben demgegenüber den Vorteil, dass durch die Kombination des isolierenden Kragens des Kommutators mit dem hülsenartigen Fortsatz der Isolierlamelle alle Wickeldrähte im Bereich zwischen dem Kommutator und dem Rotorkörper zuverlässig gegenüber der Rotorwelle aus Metall elektrisch isoliert sind. Dabei erfordert die Ausbildung der Rotorwellenisolation keinen zusätzlichen Prozess-Schritt, da der hülsenartige Fortsatz einstückig an der Isolierlamelle befestigt ist, und mit dieser axial auf den Rotorkörper gefügt wird. Eine solch vollständige Isolierung der Rotorwelle zwischen dem Rotorkörper und dem Kommutator ermöglicht es auch, dass die Wicklungsdrähte beim Wickeln radial gegen die Rotorwelle gepresst werden, damit diese im Betrieb nicht mehr frei schwingen können. Dadurch kann sehr kostengünstig ein sehr robuster Elektromotor für große Temperaturschwankungen und hohe Schüttelbelastungen gefertigt werden.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den unabhängigen Ansprüchen vorgegebenen Ausführungen möglich. Bei der Fertigung des Kommutators werden die einzelnen Kommutatorlamellen an der radialen Außenseite eines hohlzylindrischen Isolationskörpers angeordnet. Dabei kann einstückig an den Isolationskörper in axialer Verlängerung der Kommutatorhaken ein Kragen ausgeformt werden, an dessen radialer Außenseite sich die Wickeldrähte abstützen können. Bevorzugt ist der Kragen als Konus ausgebildet, der sich zum Rotorkörper hin verjüngt. Dadurch können die Wickeldrähte radial sehr eng an der Rotorwelle geführt werden, wodurch eine Einschnürung der Wickeldrähte zwischen dem Kommutator und dem Rotorköper ermöglicht wird. Dadurch können die Wickeldrähte am radialen Innenbereich der Rotornuten axial in diese eingeführt werden. Bei einer solchen Ausführung wirken geringere Fliehkräfte auf die Verbindungsdrähte zwischen dem Kommtutator und dem Rotorkörper, wodurch die Schwingungsbelastung der elektrischen Maschine erhöht wird.
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In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist radial innerhalb des Kragens eine Ringnut ausgebildet, die einen größeren Außendurchmesser aufweist, als die Bohrung des Isolationskörpers für die Rotorwelle. Dadurch kann der hülsenartige axiale Fortsatz der Isoliermaske axial in die Ringnut eingreifen, und somit axial mit dem Kragen überlappen. Dadurch ist die Rotorwelle sehr zuverlässig vollständig gegenüber aller Wicklungsdrähte isoliert, wodurch auch bei hohen radialen Anpresskräften der Wicklungsdrähte gegen die Rotorwelle ein elektrischer Kontakt zwischen diesen wirksam verhindert wird.
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Die zuverlässige Isolierung der Rotorwelle ermöglichte es, dass die Wicklungsdrähte zwischen dem Kommutator und dem Rotorkörper auch über einen größeren Umfangbereich von 80° bis 160° und darüber hinaus um die Rotorwelle gewunden werden können, ohne direkt an der Rotorwelle anzuliegen. Dadurch können verschiedene Wickelschemata für den Rotor realisiert werden, insbesondere auch für einen 4-poligen Stator.
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Besonders günstig ist es, wenn der gesamte isolierte Bereich der Rotorwelle zwischen dem Rotorkörper und den Lamellenhaken zur radialen Abstützung der Wickeldrähte gegenüber der Rotorwelle genutzt wird. Dabei stützen sich die Wickeldrähte bevorzugt radial einerseits an der äußeren Mantelfläche des Kragens und andererseits an dem hülsenartigen Fortsatz der Isoliermaske ab. Dadurch wird verhindert, dass die später gewickelten Wickeldrähte eine Zugbeanspruchung auf die früher, darunter gewickelten Wickeldrähte verursachen, wodurch der Rotor unempfindlicher wird gegenüber äußerer Erschütterungen.
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In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung weist der Rotorkörper genau zehn Rotornuten, und entsprechend der Kommutator genau zehn Kommutatorlamellen auf. Die elektrische Wicklung ist dabei als Sehnenwicklung ausgebildet, so dass jede Spule beispielsweise zwei oder drei Rotorzähne umschließt.
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Ist die Isoliermaske sternförmig mit einem zentralen Loch für die Rotorwelle ausgebildet, kann eine solch einstückig ausgebildete Isolierlamelle gleichzeitig die Stirnflächen aller Rotorzähne abdecken, und auch mit axialen Wänden in die Rotornuten eingreifen. Um die elektrische Wicklung zur Rotorwelle hin zu konzentrieren, sind die axialen Anlageflächen an den Statorzähnen nach innen schräg ausgebildet, so dass die Wicklungsdrähte beim Wickeln tendenziell radial nach innen rutschen. Dadurch wird der Wickelkopf kompakter ausgebildet, wodurch auf diesen geringere Fliehkräfte wirken und die Wicklungsdrähte weniger anfällig für Schwingungsanregungen sind.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn die erste und die zweite Isoliermaske identisch ausgebildet sind. Da der Kragen des Kommutators recht lang in Axialrichtung ausgebildet ist, kann der hülsenförmige Fortsatz der ersten, dem Kommutator zugewandte Isoliermaske relativ kurz ausgebildet werden. Ein solcher, relativ kurzer hülsenförmiger Fortsatz hat bei der zweiten, dem Kommutator abgewandten Isoliermaske den Vorteil, dass dann ein Rotorwellenlager relativ nah am Rotorkörper angeordnet werden kann. Eine solche baugleiche Ausbildung der ersten und zweiten Isoliermaske ist fertigungstechnisch viel kostengünstiger, und es können auch Fehler durch eine unbeabsichtigte Verwechslung der beiden Isoliermasken vermieden werden.
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Der Rotor ist vorteilhaft als Innenläufer einer elektrischen Maschine ausgebildet, die bevorzugt als DC-Motor ausgebildet ist. Dabei ist der Rotor innerhalb einer Stators angeordnet, der als Magnetpole - insbesondere zwei oder vier - Permanentmagnete aufweist. Diese versetzen die bestromten Spulen des Rotors über den Luftspalt in Drehung.
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Nach dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren werden die beiden Isoliermasken auf den Rotorkörper aufgesetzt, wobei der Rotorkörper und der Kommutator derart auf der Rotorwelle befestigt werden, dass der Kragen des Kommutators axial bis zum hülsenartigen Fortsatz der ersten Isoliermaske heran reicht. Danach werden auf den Rotorkörper mit den Isoliermasken mittels des Wickeldrahts Spulen gewickelt. Dabei wird der Wicklungsdraht zwischen den Spulen zu den Kommutatorhaken geführt. Beim Wickeln wird der Wicklungsdraht radial gegen den Kragen oder gegen den hülsenförmigen Fortsatz gedrückt, wodurch ein freies Schwingen des Wicklungsdrahts im Betrieb unterbunden wird.
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In Abhängigkeit des Wickelschemas - und insbesondere bei einem 4-plogem Stator - wird der Wicklungsdraht zwischen einem Kommutatorhaken und der darauffolgenden Rotornut über einen Winkelbereich von 80° bis mindestens 150° in Umfangsrichtung gewickelt. Dadurch entsteht eine Einschnürung zwischen den Kommutatorlamellen und dem Rotorköper, die der Konus-Kontur des Kragens folgt. Die Wicklungsdrähte überkreuzen sich dabei im axialen Bereich zwischen den Kommutatorhaken und dem Rotorköper, wodurch die darunterliegenden Wicklungsdrähte durch die darüber liegenden Wicklungsdrähte gegen den Kragen und/oder gegen den hülsenförmigen Fortsatz gepresst werden.
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Der erfindungsgemäße Rotor eignet sich insbesondere für die Ausbildung einer elektrischen Maschine, bei der radial innerhalb des Stators der Rotor aufgenommen ist. Der Stator ist dabei in einem Motorgehäuse angeordnet, an dem auch die Lagerschilde für die Lagerung des Rotors angeordnet sind. Der Elektromotor eignet sich in besonderer Weise für den Drehantrieb von Komponenten oder als Stellantrieb für bewegliche Teile im Kraftfahrzeug, wie beispielsweise Fensterscheiben, Schiebedächer oder Sitzkomponenten, ist jedoch nicht auf diese Anwendung beschränkt.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Maschine,
- 2 eine weitere Ausführung eines unbewickelten Rotors, und
- 3 einen fertig bewickelten Rotor gemäß 2.
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In 1 ist eine elektrischen Maschine 100 dargestellt, bei der ein Rotor 10 innerhalb eines Stators 50 angeordnet ist. Der Stator 50 weist Permanentmagnete 52 auf, die mit elektrischen Spulen 40 einer elektrischen Wicklung 41 des Rotors 10 zusammenwirken, um den Rotor 10 in Drehung zu versetzen. Dabei sind beispielsweise genau zwei oder genau vier Permanentmagnete 52 innerhalb eines Statorgehäuses 54 angeordnet. Der Rotor 10 weist eine Rotorwelle 12 auf, auf der ein Rotorkörper 14 angeordnet ist, an dessen äußerem Umfang abwechselnd Rotornuten 16 und Rotorzähne 17 ausgebildet sind. Beispielsweise sind genau zehn Rotornuten 16 ausgebildet, die insbesondere in Umfangsrichtung 9 verschränkt gegenüber der Axialrichtung 8 ausgerichtet sein können. Der Rotorkörper 14 ist vorzugsweise aus einzelnen Blechlamellen 15 zusammengesetzt, die auf der Rotorwelle 12 aufgepresst sind. Auf den Rotorkörper 14 sind jeweils eine erste und eine zweite Isoliermaske 30, 31 axial aufgesetzt, so dass diese die erste und die zweite Stirnseite 11, 13 des Rotorkörpers 14 überdecken und beidseitig axial in die Rotornuten 16 eingreifen. Zumindest die erste Isoliermaske 30 weist einen hülsenförmigen Fortsatz 32 auf, der die Rotorwelle 12 umschließt und sich in Axialrichtung 8 entlang der Rotorwelle 12 zu einem Kommutator 20 erstreckt, der benachbart zum Rotorkörper 14 auf der Rotorwelle 12 befestigt ist. Der Kommutator 20 weist einen zylindrischen Isolationskörper 28 auf, der mit einer Bohrung 29 auf die Rotorwelle 12 gefügt ist. An der radialen Außenseite des Isolationskörpers 29 sind mehrere voneinander getrennte Kommutatorlamellen 22 befestigt, an denen zur Kontaktierung der elektrischen Spulen 40 Kommutatorhaken 23 angeformt sind. Der Isolationskörper 28 ist aus einer Pressmasse hergestellt, die von den Kommutatorlamellen 22 abstehende Ankerelemente 21 formschlüssig umschließt. Der Isolationskörper 28 weist einen Kragen 24 auf, der sich über die Kommutatorhaken 23 hinaus in Axialrichtung 8 zur ersten Isoliermaske 30 hin erstreckt. Der Kragen 24 weist an seinem radial äußeren Umfang einen Konus 27 auf, der sich zum Rotorkörper 14 hin verjüngt. Innerhalb des Kragens 24 ist eine Aussparung als Ringnut 26ausgeschnitten, deren Durchmesser 69 größer ist, als die Bohrung 29. Somit ist radial zwischen der Rotorwelle 12 und dem Kragen 24 die Ringnut 26 ausgebildet, in die hinein der hülsenförmige Fortsatz 32 einfügbar ist. In 1 ist der Außendurchmesser 33 des hülsenförmigen Fortsatzes 32 kleiner ausgebildet, als der Innendurchmesser 69 des Kragens 24. In 1 ist der Kommutator 20 insbesondere derart auf der Rotorwelle 12 befestigt, dass der Kragen 24 axial mit dem hülsenförmigen Fortsatz 32 der ersten Isolationsmaske 30 überlappt. Die auf den Rotorkörper 14 gewickelten Spulen 40 sind in 1 mit ihren Wickelköpfen 46 nur schematisch eingezeichnet, ohne dass eine konkrete Verbindung einzelner Wicklungsdrähte 42 zu den Kommutatorhaken 23 dargestellt ist. Es ist jedoch erkennbar, dass die Rotorwelle 12 über den gesamten Abstand 44 zwischen dem Rotorkörper 14 und den Kommutatorhaken 23 mittels dem hülsenförmigen Fortsatz 32 und dem Kragen 24 elektrisch vollständig gegenüber den elektrischen Wicklung 41 isoliert ist. Dabei weist der Konus 27 an seiner radialen Außenseite eine konische Mantelfläche 25 auf, an der sich die Wicklungsdrähte 42 der elektrischen Wicklung 41 radial abstützen können. Die erste und die zweite Isolationsmaske 30, 31 sind bei dieser Ausführung als identische Kunststoff-Bauteile ausgebildet, deren hülsenförmiger Fortsatz 32 jeweils in die entgegengesetzte Axialrichtung 8 gleich lang ist. Dabei ragen die hülsenförmigen Fortsätze 32 insbesondere nicht über die maximalen axialen Abmessungen der beiden Wicklungsköpfe 46 hinaus.
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In 2 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Rotors 10 dargestellt, bei dem beidseitig jeweils eine Isoliermaske 30, 31 axial auf den Rotorkörper 14 aufgesetzt ist. Der hülsenförmige Fortsatz 32 der ersten Isoliermaske 30 erstreckt sich in Axialrichtung 8 zu dem nicht dargestellten Kommutator 20 hin deutlich über axiale Anlageflächen 34 der Isoliermaske 30 für den Wicklungsdraht 42 hinaus. Die Anlageflächen 34 weisen hier einen Winkel zu einer Ebene senkrecht zur Axialrichtung 8 auf, so dass die Anlageflächen 34 in Radialrichtung 7 eine Neigung zur Rotorwelle 12 hin aufweisen. Dies führt beim Wickeln der Spulen 40 dazu, dass der Wicklungsdraht 42 radial nach innen gezogen wird, so dass der Schwerpunkt der Wicklungsköpfe 46 zur Rotorwelle 12 hin verlagert wird. Dadurch kann ein höherer Nutfüllfaktor erzielt werden, und die Wicklungsdrähte 42 werden bei hohen Drehzahlen automatisch nachgespannt.
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In 3 ist der Rotor 10 aus 2 nach dem Bewickeln dargestellt. Die elektrische Wicklung 41 besteht aus mehreren Spulen 40, die jeweils durch zwei Rotornuten 16 verlaufen und zu deren Bestromung mit den Kommutatorhaken 23 verbunden sind. Der Kragen 24 des Kommutators 20 überlappt in Axialrichtung 8 mit dem Wicklungskopf 46 der elektrischen Wicklung 41. Der nicht sichtbare hülsenförmige Fortsatz 32 reicht axial bis zum Kragen 24, oder greift axial in die Ringnut 26 des Kommutators 20 ein. Die Wicklungsdrähte 42 zwischen dem Rotorkörper 24 und den Kommutatorhaken 23 stützen sich radial an der konischen Mantelfläche 25 des Kragens 24 ab. Da die Wicklungsdrähte 42 zwischen den Spulen 40 und den Kommutatorhaken 23 über einen bestimmten Umfangswinkel gewickelt werden, schnüren sich die Wicklungsdrähte 42 radial nach innen ein, und liegen dadurch radial am Konus 27 an. Dadurch werden lose Wicklungsdrähte 42 zwischen dem Kommutator 20 und dem Rotorkörper 14 vermieden, die bei einer äußeren Schwingungsbelastung brechen könnten. Beim Wickeln der Spulen 40 wird der ununterbrochene Wicklungsdraht 42 zwischen den einzelnen Spulen 40 durch die Kommutatorhaken 23 hindurchgeführt und später thermisch mit diesen elektrisch kontaktiert. Durch das Wickelschema der elektrischen Wicklung 41 werden Verbindungsdrähte 43 zwischen den einzelnen Spulen 40 und den Kommutatorhaken 23 über einen Umfangswinkel von mindestens 120° geführt. Dadurch überkreuzen sich die einzelnen Verbindungsdrähte 43 und drücken sich gegenseitig radial nach innen zum Kragen 24 und/oder zum hülsenförmigen Fortsatz 32, so dass die Verbindungsdrähte 43 schwingungsfest zuverlässig gegenüber der Rotorwelle 12 elektrisch isoliert sind.
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Es sei angemerkt, dass hinsichtlich der in den Figuren und in der Beschreibung gezeigten Ausführungsbeispiele vielfältige Kombinationsmöglichkeiten der einzelnen Merkmale untereinander möglich sind. So kann beispielsweise die Anzahl, die konkrete Ausbildung und Anordnung der Rotornuten 16 und der Kommutatorlamellen 22 variiert werden. Ebenso kann die konkrete Ausbildung der Isoliermaske 30 und dem Kragen 24, sowie das Maß für den axialen Überlapp zwischen dem hülsenförmigen Fortsatz 32 und dem Kragen 24 den Anforderungen der elektrischen Maschine 100 und deren Fertigungsmöglichkeiten angepasst werden. Die Erfindung eignet sich in besonderer Weise für den Drehantrieb von Komponenten oder als Stellantrieb für bewegliche Teile im Kraftfahrzeug, wie beispielsweise Fensterscheiben, Schiebedächer oder Sitzkomponenten, ist jedoch nicht auf diese Anwendung beschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013225842 A1 [0002]
