-
Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine fremderregte elektrische Maschine eines zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs. Der Rotor weist ein Joch auf, wobei auf einer Außenseite des Jochs ein Polzahn angeordnet und/oder ausgebildet ist. Auf dem Polzahn ist eine Rotorwicklung aufgewickelt, wobei die Rotorwicklung in eine auf einer Seitenfläche des Polzahns ausgebildete Kontur zumindest teilweise und/oder abschnittsweise eingreift. Zudem betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine mit dem erfindungsgemäßen Rotor. Des Weiteren ist Gegenstand der Erfindung ein Kraftfahrzeug mit der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine.
-
Elektrische Maschinen, insbesondere auch fremderregte elektrische Maschinen für ein Kraftfahrzeug, sind grundsätzlich bekannt. Bekannt ist ferner, dass die elektrischen Maschinen einen Rotor aufweisen, der einen darauf angeordneten Polzahn umfasst. Auf dem Polzahn ist eine Rotorwicklung aufgewickelt. Nachteilig bei dieser bekannten Anordnung einer Rotorwicklung auf dem Polzahn ist, dass unter Fliehkrafteinfluss des Rotors im Zuge einer Rotation des Rotors um dessen Rotorachse bzw. Drehachse, die Rotorwicklung in radialer Richtung nach außen wirkt. Entsprechend massiv muss ein Polschuh des Polzahns ausgebildet sein, um die Fliehkräfte der Rotorwicklung aufzunehmen. Dies hat den Nachteil, dass der Abstand zwischen der Rotorwicklung und der Außenseite des Polzahns entsprechend groß ist. Dies wiederum führt zu einem vergrößerten Abstand zwischen der Rotorwicklung und einem Stator, der den Rotor umgibt. Ein vergrößerter Abstand zwischen der Rotorwicklung und dem Stator kann die Leistungsfähigkeit bzw. die Performance der elektrischen Maschine negativ beeinflussen.
-
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Rotor für eine elektrische Maschine bereitzustellen, so dass die elektrische Maschine eine erhöhte Leistungsfähigkeit aufweisen kann.
-
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der nachstehenden Beschreibung sowie den Zeichnungen.
-
Dabei ist vorgesehen, dass jedes Merkmal sowohl einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen kann, sofern sich nicht explizit etwas Gegenteiliges aus der Beschreibung ergibt.
-
Gemäß einem ersten Aspekt betrifft die Erfindung einen Rotor für eine fremderregte elektrische Maschine eines zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, aufweisend ein Blechpaket, das ein ringförmig ausgebildetes Joch aufweist, wobei auf einer in radialer Richtung nach außen gerichteten Außenseite des Jochs ein Polzahn angeordnet und/oder ausgebildet ist, der Polzahn einen Polschaft und einen an den Polschaft angrenzenden Polschuh aufweist, der Polschaft zwischen dem Polschuh und dem Joch ausgebildet ist, und der Polschaft eine in Längsrichtung des Rotors verlaufende erste Seitenfläche und eine zur ersten Seitenfläche beabstandet und in Längsrichtung des Rotors verlaufende zweite Seitenfläche aufweist, in der ersten Seitenfläche und/oder der zweiten Seitenfläche wenigstens eine in Längsrichtung des Rotors verlaufende Rille ausgebildet ist, eine einen Draht aufweisende Rotorwicklung, die auf dem Polschaft aufgewickelt ist, wobei der Draht zumindest abschnittsweise und/oder teilweise in die Rille eingreift, und für eine Rillentiefe TR der Rille gilt: 0,10 × ØD ≤ TR ≤ 0,5 × ØD, wobei ØD ein Drahtdurchmesser des Drahts ist.
-
Mit anderen Worten ist gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung vorgesehen, dass ein Rotor für eine fremderregte elektrische Maschine eines zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs bereitgestellt wird. Das Blechpakt weist in der Regel eine Mehrzahl von einzelnen Blechen auf, die in Längsrichtung des Rotors hintereinander angeordnet und miteinander verbunden sind. Die Verbindung der einzelnen Bleche kann eine stoffschlüssige, formschlüssige und/oder kraftschlüssige Verbindung sein.
-
Das Blechpaket weist ein ringförmig ausgebildetes Joch auf. Auf einer in radialer Richtung nach außen gerichteten Außenseite des Jochs ist ein Polzahn angeordnet und/oder ausgebildet. Der Polzahn weist einen Polschaft und einen an den Polschaft angrenzenden Polschuh auf. Der Polschaft ist zwischen dem Polschuh und dem Joch ausgebildet. Bezogen auf einen Querschnitt des Polzahns weist der Polschaft eine geringere Breite als der Polschuh auf. Der Polschaft umfasst eine in Längsrichtung des Rotors verlaufende erste Seitenfläche und eine zur ersten Seitenfläche beabstandet und in Längsrichtung des Rotors verlaufende zweite Seitenfläche auf. In der ersten Seitenfläche und/oder der zweiten Seitenfläche ist wenigstens eine in Längsrichtung des Rotors verlaufende Rille ausgebildet.
-
Zudem umfasst der Rotor eine Rotorwicklung, die einen Draht umfasst. Die Rotorwicklung ist auf dem Polschaft des Polzahns aufgewickelt. Dabei ist vorgesehen, dass der Draht zumindest teilweise und/oder abschnittsweise in die Rille eingreift. Für eine Rillentiefe TR der Rille gilt: 0,10 × ØD ≤ TR ≤ 0,5 × ØD, wobei ØD der Drahtdurchmesser des Drahts ist. Der Drahtdurchmesser bezieht sich vorzugsweise auf den Außendurchmesser des Drahts. Besonders bevorzugt bezieht sich der Außendurchmesser auf den Außendurchmesser des Drahts inklusive einer den Draht umgebenden Isolierung.
-
Durch die Ausbildung einer Rille auf der ersten Seitenfläche und/oder der zweiten Seitenfläche des Polschafts, kann eine Verzahnung des Drahts der Rotorwicklung mit dem Polschaft hergestellt werden, so dass sich die Rotorwicklung unter Fliehkrafteinfluss im Zuge einer Rotation des Rotors um dessen Drehachse über die Rille auf dem Polschaft abstützt. Die mechanische Belastung des Polschuhs kann somit reduziert werden, so dass dieser eine reduzierte Breite in radialer Richtung des Rotors aufweisen kann. Durch die reduzierte Breite des Polschuhs in radialer Richtung, kann der Abstand zwischen der Rotorwicklung und einem den Rotor umgebenden Stator reduziert werden, so dass die Performance der elektrischen Maschine erhöht werden kann.
-
Je kleiner die Rillentiefe ist, desto geringer sind etwaige Kerbspannungen im Polschaft. Ein reduzierte Rillentiefe kann zudem auch vorteilhaft für die strukturelle Steifigkeit des Polzahn sein, was sich vorteilhaft auf das Noise-Vibration-Harshness Verhalten der elektrischen Maschine auswirken kann. Je größer die Rillentiefe ist, umso besser ist die Verzahnung zwischen dem Draht und dem Polschaft. Zudem kann die thermische Anbindung zwischen dem Draht und dem Polschaft erhöht werden, da die Kontaktfläche zwischen Draht und Polschaft vergrößert ist. Eine erhöhte thermische Anbindung des Drahts an den Polschaft kann vorteilhaft für eine verbesserte Kühlung des Rotors sein. Eine erhöhte Kühlwirkung kann vorteilhaft für die Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine sein.
-
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass für die Rillentiefe gilt: 0,20 × ØD ≤ TR ≤ 0,4 × ØD. In diesem vorstehend gewählten Bereich wird ein Kompromiss zwischen reduzierten Kerbspannungen im Polschaft, erhöhter Verzahnung von Draht und Polschaft und einer erhöhten thermischen Anbindung zwischen Draht und Polschaft bereitgestellt.
-
Denkbar ist, dass eine Lage der Rille auf der ersten Seitenfläche, bezogen auf die radiale Richtung des Rotors, gleich einer Lage der Rille auf der zweiten Seitenfläche ist. Somit können gleiche Blechquerschnitte für das Blechpaket hergestellt werden, die zum Ausgleich von Blechtoleranzdicken seitenverkehrt aufeinander aufgestapelt und im Anschluss miteinander verbunden werden.
-
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung liegt darin, dass eine Lage der Rille auf der ersten Seitenfläche, bezogen auf die radiale Richtung des Rotors, versetzt von einer Lage der Rille auf der zweiten Seitenfläche ist. Dies kann Vorteile bei dem Aufwickeln der Rotorwicklung auf dem Polzahn haben. Zum Ausgleich fertigungsbedingter Dickentoleranzen der einzelnen Bleche, können diese in Umfangsrichtung zueinander versetzt angeordnet werden.
-
In diesem Zusammenhang liegt eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung darin, dass für den Versatz av Rillen gilt: 0,2 × ØD ≤ aV ≤ 0,8 × ØD. Mit anderen Worten ist der Versatz zwischen einer Rille auf der ersten Seitenfläche und einer Rille auf der zweiten Seitenfläche bezogen auf die radiale Richtung des Rotors größer oder gleich dem 0,2-fachen des Drahtdurchmessers und kleiner oder gleich dem 0,8-fachen des Drahtdurchmessers.
-
In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Rille im Querschnitt kreissegmentförmig, dreieckförmig oder U-förmig ausgebildet ist. Im Gegensatz zur dreieckförmig ausgebildeten Rille, weisen die kreissegmentförmige und die U-förmige Rille reduzierte Kerbspannungen im Polschaft auf, so dass bei einem derartigen Querschnitt die Langlebigkeit des Rotors erhöht werden kann.
-
Zudem kann bei einem kreissegmentförmig oder U-förmig ausgebildeten Querschnitt die Kontaktfläche zwischen dem Polschuh und dem Draht erhöht sein, so dass eine erhöhte thermischer Anbindung des Drahts and den Polschaft, insbesondere auch zur Kühlung zwischen der Rotorwicklung und dem Polzahn, gegeben sein kann.
-
Vorteilhaft sind die erste Seitenfläche und die zweite Seitenfläche parallel zueinander angeordnet.
-
Alternativ ist denkbar, dass die erste Seitenfläche und die zweite Seitenfläche V-förmig zueinander angeordnet sind, wobei die Querschnittsbreite des in Richtung Polschuh zunehmend ausgebildet ist. Durch die V-förmige Ausbildung des Polschafts kann der Lastabtrag der Rotorwicklung über den Polschuh zusätzlich erhöht werden. Die Rillen geben eine zusätzliche Verzahnung vor Draht und Polschaft und eine erhöhte thermische Anbindung des Drahts an den Polschaft.
-
Grundsätzlich kann vorgesehen sein, dass lediglich eine Rille auf der ersten Seitenfläche und/oder der zweiten Seitenfläche ausgebildet ist. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung liegt darin, dass auf der ersten Seitenfläche und/oder der zweiten Seitenfläche eine Mehrzahl von in Längsrichtung des Rotors verlaufenden Rillen ausgebildet ist, die bezogen auf die radiale Richtung des Rotors zueinander beabstandet angeordnet ist. Auf diese Weise kann die Verzahnung zwischen der Rotorwicklung und dem Polschaft erhöht werden, um den Lastabtrag der Rotorwicklung unter Fliehkrafteinfluss sicher in den Polschaft einzuleiten.
-
Denkbar ist, dass die Abstände der Rillen auf der ersten Seitenfläche und/oder der zweiten Seitenfläche unterschiedliche Abstände zueinander aufweisen. Dies hat den Vorteil, dass nur in bestimmten Bereichen, in denen eine Verzahnung mit der Rotorwicklung erforderlich ist, eine Rille ausgebildet wird. Somit kann der Fertigungsaufwand reduziert werden. Zudem können die Kerbspannungen im Polschaft reduziert werden.
-
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung liegt darin, dass die Abstände der Rillen gleichmäßig ausgebildet sind.
-
Grundsätzlich kann vorgesehen sein, dass der Rotor lediglich einen Polzahn aufweist. Vorteilhaft ist vorgesehen, dass auf der Außenseite des Jochs eine Mehrzahl von Polzähnen angeordnet sind. Bevorzugt sind die Polzähne in regelmäßigen Abständen zueinander angeordnet. Besonders bevorzugt sind vier Polzähne vorgesehen. Ein derartiger Rotor mit vier Polzähnen kann auch als Rotorstern bezeichnet werden. Bei einem Rotorstern kann in einfacher Weise die Rotorwicklung aufgewickelt werden, da ein ausreichender Abstand zu den benachbarten Polzähnen gegeben ist. Somit können die Herstellungskosten reduziert werden.
-
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Draht der Rotorwicklung eine Isolierung, Beschichtung und/oder Ummantelung aufweist. Der Draht ist somit elektrisch isolierend ausgebildet und kann unmittelbar auf den Polschaft aufgewickelt werden. Eine zusätzliche Anordnung von Isolationspapier oder einer Isolationsschicht zwischen der ersten Seitenfläche und der Rotorwicklung bzw. der zweiten Seitenfläche und der Rotorwicklung ist somit nicht erforderlich. Folglich können Materialkosten reduziert werden.
-
In einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug, aufweisend den erfindungsgemäßen Rotor.
-
Der Rotor ist als Innenläufer ausgebildet und wird von einem Stator umgeben. Der Rotor ist um dessen Drehachse rotierbar gelagert. Zwischen dem Rotor und dem Stator, insbesondere einer in radialer Richtung ausgerichteten Außenseite des Polschuhs und einer inneren Mantelfläche des Stators, ist ein Luftspalt ausgebildet. Der Abstand der Rotorwicklung zum Stator kann bedingt durch die Verzahnung von Rotorwicklung und Polschaft reduziert sein, da unter Fliehkrafteinfluss die Rotorwicklung sich nicht nur ausschließlich am Polschuh abstützt, sondern größtenteils die Lasten über den Polschaft abgetragen werden.
-
In einem dritten Aspekt betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine, wobei die elektrische Maschine im Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs angeordnet ist, und dazu eingerichtet und ausgebildet ist, das Kraftfahrzeug anzutreiben.
-
Es sei bemerkt, dass sämtliche Merkmale, welche vorstehend und nachfolgend in Bezug auf einen Aspekt der vorliegenden Erfindung beschrieben sind, gleichermaßen für jeden anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung gelten. Im Speziellen können sämtliche Merkmale des Rotors auch Merkmale der elektrischen Maschine oder auch Merkmale des Kraftfahrzeugs sein. Dies gilt auch umgekehrt.
-
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie den nachfolgenden Ausführungsbeispielen. Die Ausführungsbeispiele sind nicht einschränkend, sondern vielmehr als beispielhaft zu verstehen. Sie sollen den Fachmann in die Lage versetzen, die Erfindung auszuführen. Die Anmelderin behält sich vor, einzelne und/oder mehrere der in den Ausführungsbeispielen offenbarten Merkmale zum Gegenstand von Patentansprüchen zu machen, oder solche Merkmale in bestehende Patentansprüche aufzunehmen. Die Ausführungsbeispiele werden anhand von Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:
- 1 einen Querschnitt durch einen Rotor einer fremderregten elektrischen Maschine,
- 2 einen Polzahn des Rotors in einer ersten Ausgestaltung,
- 3 einen Polzahn der elektrischen Maschine in einer zweiten Ausgestaltung,
- 4 ein Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Maschine, die einen Rotor aufweist.
-
In 1 ist ein Querschnitt durch einen Rotor RO einer fremderregten elektrischen Maschine EM gezeigt. Der Rotor RO weist ein Blechpaket BP auf, das eine Mehrzahl von in einer Längsrichtung des Rotors RO hintereinander angeordneter einzelner Bleche aufweist. Das Blechpaket BP umfasst ein ringförmig ausgebildetes Joch JO, das auf einer in radialer Richtung des Rotors RO nach außen gerichteten Außenseite AS des Jochs JO wenigstens einen Polzahn PZ aufweist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind auf der Außenseite AS des Jochs JO insgesamt vier Polzähne PZ angeordnet, die in regelmäßigen Abständen in Umfangsrichtung des Rotors RO zueinander beabstandet angeordnet und/oder ausgebildet sind. Ein derartiger Rotor RO kann auch als Rotorstern bezeichnet werden.
-
Im Folgenden wird jeweils ausschließlich auf einen Polzahn PZ des Rotors RO eingegangen. Der Polzahn PZ weist einen Polschaft PST und einen an den Polschaft PST angrenzenden Polschuh PSH auf. der Polschaft PST ist zwischen dem Polschuh PSH und der Außenseite AS des Jochs JO ausgebildet. Bezogen auf den Querschnitt des Rotors RO beziehungsweise des Polzahns PZ, weist der Polschaft PST gegenüber dem Polschuh PSH eine reduzierte Breite auf. Der Polschaft PST weist eine in Längsrichtung des Rotors RO verlaufende erste Seitenfläche ESF und eine zur ersten Seitenfläche ESF beabstandet und in Längsrichtung des Rotors RO verlaufende zweite Seitenfläche ZSF auf.
-
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind sowohl in der ersten Seitenfläche ESF als auch in der zweiten Seitenfläche ZSF wenigstens eine in Längsrichtung des Rotors RO verlaufende Rille RI ausgebildet.
-
Weiterhin weist der Rotor RO eine Rotorwicklung RW auf, die einen Draht DR umfasst. Die Rotorwicklung RW ist auf dem Polschaft PST aufgewickelt. Dabei ist vorgesehen, dass der Draht DR der Rotorwicklung RW zumindest teilweise und/oder abschnittsweise in die Rille RI eingreift. Eine Rillentiefe TR der Rille beträgt 0,5 × ØD. Dabei ist ØD ein Drahtdurchmesser des Drahts DR. Bedingt dadurch, dass der Draht DR zumindest abschnittsweise in die Rille RI der ersten Seitenfläche ESF und der zweiten ZSF eingreift, kann eine Verzahnung zwischen der Rotorwicklung RW und dem Polschaft PST bereitgestellt werden. Bei einer Rotation des Rotors RO um dessen Drehachse DA wird der auf die Rotorwicklung RW wirkende Fliehkrafteinfluss über dem Polschaft PST größtenteils aufgenommen. Die Belastung der Rotorwicklung RW unter Fliehkrafteinfluss auf dem Polschuh PSH kann somit reduziert werden. Dies führt dazu, dass die geometrische Ausgestaltung des Polschuhs PSH filigraner und somit in radialer Richtung des Rotors RO schmaler ausgeführt werden kann. Anders ausgedrückt kann die Rotorwicklung RW in radialer Richtung des Rotors RO weiter nach außen platziert werden. Somit kann die Rotorwicklung RW näher in Richtung eines den Rotor RO umgebenden Stators (nicht dargestellt) angeordnet werden, wodurch das Magnetfeld und somit auch die Performance der elektrischen Maschine EM erhöht werden kann.
-
In 2 ist ein Polzahn PZ des Rotors RO für eine fremderregte elektrische Maschine EM in einer ersten Ausgestaltung gezeigt. Der Polzahn PZ weist sowohl auf der ersten Seitenfläche ESF als auch auf der zweiten Seitenfläche ZSF eine Mehrzahl von Rillen RI auf. Die Anzahl der Rillen RI der ersten Seitenfläche ESF entspricht dabei auch der Anzahl der Rillen RI auf der zweiten Seitenfläche ZSF. Weiterhin ist vorgesehen, dass eine Lage der Rillen RI auf der ersten Seitenfläche ESF bezogen auf die radiale Richtung des Rotors RO gleich einer Lage der Rille RI auf der zweiten Seitenfläche ZSF ist. Zudem ist ersichtlich, dass die erste Seitenfläche ESF als auch die zweite Seitenfläche ZSF parallel zueinander angeordnet und/oder ausgebildet sind. Durch die gleichmäßige Ausgestaltung der Rillen RI auf der ersten Seitenfläche ESF und der zweiten Seitenfläche ZSF können vorzugsweise Toleranzen in der Blechdicke eines Blechs ausgeglichen werden, indem die Bleche des Blechpakets BP abwechselnd seitenverkehrt zueinander angeordnet werden.
-
In 3 ist ein Polzahn PZ gemäß einer zweiten Ausgestaltung gezeigt. Im Unterschied zu dem in 2 gezeigten Polzahn PZ sind vorwiegend die Rillen RI auf der ersten Seitenfläche ESF versetzt angeordnet zu den Rillen RI, die auf der zweiten Seitenfläche ZSF angeordnet sind. Eine derartige versetzte Anordnung und/oder Ausbildung der Rillen RI kann vorteilhaft bei der Anordnung der Rotorwicklung RW auf dem Polschaft PST sein. Der Versatz der Rillen RI der ersten Seitenfläche ESF zur Rille RI der zweiten Seitenfläche ZSF beträgt vorliegend 0,5 × ØD, wobei ØD dem Außendurchmesser des Drahts DR entspricht.
-
Weiterhin ist ersichtlich, dass die Rille RI im Querschnitt halbkreisförmig ausgebildet ist. Auf diese Weise kann die Kontaktfläche zwischen der Rille RI und dem Draht DR erhöht werden, so dass eine optimierte thermische Anbindung zwischen dem Draht DR und dem Polschaft PST gewährleistet werden kann.
-
Um etwaige Blechtoleranzen auszugleichen, kann vorzugsweise vorgesehen sein, dass die einzelnen Bleche in Umfangsrichtung zueinander versetzt angeordnet sind.
-
In 4 ist ein Kraftfahrzeug KFZ mit einem Elektromotor EM gezeigt, wobei im Elektromotor EM der erfindungsgemäße Rotor RO angeordnet ist. Die elektrische Maschine EM sitzt im Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs KFZ. Die elektrische Maschine EM ist somit dazu eingerichtet und ausgebildet, das Kraftfahrzeug KFZ zumindest teilweise elektrisch anzutreiben.
