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Die Erfindung betrifft einen Rotor für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug. Der Rotor weist einen Polzahn auf, der auf einer Außenseite eines Jochs angeordnet ist. Der Polzahn umfasst einen Polschaft und einen an den Polschaft angrenzenden Polschuh. Der Polschaft weist wenigstens eine Seitenfläche auf, die sich ausgehend von einem distalen Ende des Polschuhs bis wenigstens zur Mitte, bezogen auf die radiale Richtung des Rotors, erstreckt. In diesem Bereich weist die Seitenfläche eine durchgehend gekrümmte und/oder konkave Ausgestaltung auf. Weiterhin ist in diesem Bereich eine Rotorwicklung aufgewickelt. Die Erfindung betrifft zudem eine elektrische Maschine mit dem erfindungsgemäßen Rotor. Zudem ist Gegenstand der Erfindung ein Kraftfahrzeug mit der elektrischen Maschine.
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Rotoren für eine fremderregte elektrische Maschine sind grundsätzlich bekannt. Bei den bekannten Rotoren ist vorgesehen, dass ein Polzahn auf einer Außenseite eines Jochs angeordnet ist. Der Polzahn weist einen Polschaft und einen an den Polschaft angrenzenden Polschuh auf. Durch den Polschaft verläuft eine Polzahnachse, die sich mittig durch den Polzahn in radialer Richtung des Rotors erstreckt. Der Polschaft weist eine erste Seitenfläche und eine zur ersten Seitenfläche beabstandet angeordnete zweite Seitenfläche auf. Die Seitenflächen verlaufen parallel zur Polzahnachse. Auf den Seitenflächen ist eine Rotorwicklung aufgewickelt. In Folge eine Rotation des Rotors um dessen Drehachse wirkt die Rotorwicklung auf den Polschuh bzw. auf eine Polschuhinnenseite und stützt sich an diesem ab. Die Anbindung des Polschuhs an den Polschaft muss dementsprechend konstruktiv ausgelegt sein, um die Fliehkräfte der Rotorwicklung aufzunehmen. Dies führt dazu, dass der Abstand zwischen der Rotorwicklung und einem den Rotor umgebenden Stator erhöht sein kann. Der vergrößerte Abstand zwischen der Rotorwicklung und dem Stator kann die Leistungsfähigkeit, insbesondere die Performance der elektrischen Maschine, reduzieren.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Rotor für eine fremderregte elektrische Maschine bereitzustellen, bei dem die elektrische Maschine eine erhöhte Leistungsfähigkeit aufweisen kann.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen und/oder Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei kann jedes Merkmal sowohl einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen, sofern sich nicht explizit etwas Gegenteiliges aus der Beschreibung ergibt.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist ein Rotor für eine fremderregte elektrische Maschine eines zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs vorgesehen, 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, wobei der Polschaft zwischen dem Polschuh und dem Joch ausgebildet ist, der Polschaft eine in Längsrichtung des Rotors verlaufende erste Seitenfläche und eine zur ersten Seitenfläche beabstandete und in Längsrichtung des Rotors verlaufende zweite Seitenfläche aufweist, wobei die erste Seitenfläche und/oder die zweite Seitenfläche ausgehend von einem jeweiligen in Umfangsrichtung des Rotors ausgebildeten distalen Ende des Polschuhs wenigstens bis zur Mitte des Polschafts, bezogen auf die radiale Richtung des Rotors, durchgehend gekrümmt und/oder konkave ausgebildet ist, eine einen Draht aufweisende Rotorwicklung, die auf dem Polschaft aufgewickelt ist, wobei der Draht zumindest teilweise und/oder abschnittsweise auf der ersten Seitenfläche und/oder der zweiten Seitenfläche im gekrümmten und/oder konkave ausgebildeten Bereich angeordnet ist.
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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 angegeben wird. Der Rotor weist ein Blechpaket auf. Für gewöhnlich umfasst das Blechpaket eine Mehrzahl von einzelnen Blechen, die in Längsrichtung des Rotors hintereinander angeordnet und miteinander verbunden sind. Die Verbindung der einzelnen Bleche zueinander kann vorzugsweise eine stoffschlüssige, ein kraftschlüssige und/oder eine formschlüssige Verbindung sein. Eine stoffschlüssige Verbindung ist beispielsweise eine Klebeverbindung. Eine formschlüssige Verbindung ist vorzugsweise eine Prägeverbindung und eine kraftschlüssige Verbindung kann vorzugsweise eine Schraubverbindung sein.
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Das Blechpaket weist ein ringförmig ausgebildetes Joch auf. Auf einer Außenseite des Jochs, die in radialer Richtung des Rotors nach außen gerichtet ist, ist ein Polzahn angeordnet und/oder ausgebildet. Der Polzahn weist einen Polschaft und einen an den Polschaft angrenzenden Polschuh auf. Der Polschaft ist folglich zwischen dem Joch und dem Polschuh angeordnet.
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Der Polschaft weist eine in Längsrichtung des Rotor verlaufende erste Seitenfläche und eine zur ersten Seitenfläche des Polschafts beabstandet angeordnete zweite Seitenfläche auf, die sich ebenfalls in Längsrichtung des Rotors erstreckt. Die erste Seitenfläche bzw. die zweite Seitenfläche erstrecken sich von einem jeweiligen distalen Ende des Polschuhs bis wenigstens zur Mitte des Polschafts, bezogen auf die radiale Richtung des Rotors. Das jeweilige distale Ende des Polschuhs ist in tangentialer Richtung zu einer Polzahnachse angeordnet, die mittig durch den Polzahn in radialer Richtung des Rotors verläuft.
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Die erste Seitenfläche und/oder die zweite Seitenfläche weisen eine durchgehend gekrümmte und/oder eine konvexe Ausgestaltung bzw. Formgebung auf. Die Wölbung der gekrümmten und/oder konvexen Formgebung der ersten Stirnseite und/oder zweiten Stirnseite ist nach innen, also in Richtung Polzahn, gerichtet. Mit anderen Worten sind die Seitenflächen nach innen gewölbt und nicht nach außen gewölbt.
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Der Rotor umfasst zudem eine Rotorwicklung, die zumindest abschnittsweise und/oder teilweise in einem Bereich des Polschafts angeordnet ist, die die gekrümmte und/oder konvexe Ausgestaltung der ersten Seitenfläche und/oder zweiten Seitenfläche aufweist. Vorzugsweise ist die Rotorwicklung derart aufgewickelt, dass sich diese von dem distalen Ende des Polschuhs bis hin zur Mitte des Polschafts, bezogen auf die radialer Richtung des Rotors, erstreckt. Durch die Anordnung der Rotorwicklung in dem Bereich, in dem die Seitenflächen eine nach innen gerichtete Wölbung aufweisen, kann infolge einer Rotation des Rotors um dessen Drehachse ein Teil der aus der Rotorwicklung resultierenden Fliehkräfte über den Polschaft abgetragen werden. Somit kann der Lasteintrag auf den Polschuh reduziert werden. Durch den reduzierten Lasteintrag auf dem Polschuh, kann die Höhe des Polschuhs in radialer Richtung des Rotors reduziert werden. Auf diese Weise kann die Rotorwicklung zumindest teilweise in radialer Richtung weiter nach außen angeordnet werden. Der Abstand zwischen einem den Rotor umgebenden Stator und der Rotorwicklung kann somit verkleinert werden, sodass die Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine erhöht werden kann. Weiterhin können durch die durchgehend gekrümmte Ausgestaltung der ersten Seitenfläche und/oder der zweiten Seitenfläche etwaige Spannungen, insbesondere Kerbspannungen im Polschaft bzw. Polschuh reduziert werden, sodass die Langlebigkeit der elektrischen Maschine erhöht werden kann.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung liegt darin, dass sich die erste Seitenfläche und/oder die zweite Seitenfläche ausgehend von dem jeweiligen distalen Ende des Polschuhs bis zur Anbindung an das Joch erstreckt. Mit anderen Worten sind die erste Seitenfläche und/oder die zweite Seitenfläche über dessen gesamte Länge gekrümmt bzw. konkav ausgestaltet. Die Rotorwicklung ist dabei vorzugsweise zumindest teilweise und/oder abschnittsweise auf der ersten Seitenfläche und/oder zweiten Seitenfläche angeordnet. Der Bereich, auf dem die Rotorwicklung angeordnet ist, ist dem Polschuh zugewandt. Durch die vollständige Krümmung der ersten Seitenfläche bzw. zweiten Seitenfläche, die sich vom distalen Ende des Polschuhs bis zum Übergang des Polschafts an das Joch erstreckt, können mechanische Spannungen innerhalb des Polzahns reduziert werden.
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Grundsätzlich ist denkbar, dass der Polzahn formschlüssig, stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig mit dem Polschaft verbunden ist. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung liegt darin, dass der Polzahn einstückig mit dem Joch ausgebildet ist. Die einzelnen Bleche eines Blechpakets werden dann vorzugsweise durch einen Stanzvorgang hergestellt, wobei in dem Stanzvorgang das kreisringförmige Joch mit dem wenigstens einen Polzahn ausgestanzt wird. Die einzelnen Bleche des Blechpakets werden dann in Längsrichtung des Rotors hintereinander angeordnet und miteinander stoffschlüssig, kraftschlüssig und/oder formschlüssig verbunden. Ein derart ausgebildetes Blechpaket ist preiswert herstellbar.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Rotor eine Mehrzahl von Polzähnen aufweist. Die Mehrzahl der Polzähne wird in regelmäßigen Abständen in Umfangsrichtung des Rotors auf der Außenseite des Jochs angeordnet. Besonders bevorzugt weist der Rotor vier Polzähne auf. Ein derartiger Rotor kann auch als Rotorstern bezeichnet werden. Bei einem Rotorstern kann die Rotorwicklung in einfacher Weise auf die Polzähne aufgewickelt werden, da diese einen ausreichenden Abstand in Umfangsrichtung zueinander aufweisen. Somit ist der Rotor preiswert herstellbar.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung liegt darin, dass der Draht der Rotorwicklung eine Isolierung, Beschichtung und/oder Ummantelung aufweist. Auf diese Weise kann der Draht der Rotorwicklung unmittelbar auf dem Polschaft aufgewickelt werden. Eine zusätzliche Isolationsschicht zwischen dem Draht und der ersten Seitenfläche bzw. dem Draht und der zweiten Seitenfläche ist nicht erforderlich, sodass Materialkosten reduziert werden können. Zudem kann sich dies vorteilhaft auf den Herstellungsvorgang des Rotors auswirken.
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In einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug, aufweisend den erfindungsgemäßen Rotor.
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Der Rotor ist als Innenläufer ausgebildet. Mit anderen Worten ist in radialer Richtung des Rotors ein Stator angeordnet, wobei zwischen dem Rotor und dem Stator ein Luftspalt ausgebildet ist. Durch die Ausbildung der ersten Seitenfläche und/oder der zweiten Seitenfläche mit einer vollständig gekrümmten Formgebung und/oder einer konvexen Ausgestaltung, können die mechanischen Spannungen innerhalb des Polzahns reduziert werden. Überdies kann die auf dem Polzahn aufgewickelte Rotorwicklung einen reduzierten Abstand zum Stator aufweisen, sodass die Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine erhöht ist.
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Ein dritter Aspekt der Erfindung liegt in einem Kraftfahrzeug, das die erfindungsgemäße elektrische Maschine aufweist, wobei die elektrische Maschine im Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs angeordnet ist, und dazu eingerichtet und ausgebildet ist, das Kraftfahrzeug anzutreiben.
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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.
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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 Polzahn eines Rotors gemäß dem Stand der Technik,
- 2 einen Querschnitt durch den Polzahn des Rotors für eine elektrische Maschine gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung,
- 3 ein Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Maschine.
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In 1 ist ein Querschnitt durch einen Polzahn PZ eines Rotor RO gezeigt, wie er aus dem Stand der Technik bekannt ist. Der Rotor RO weist ein ringförmig ausgebildetes Joch JO auf, wobei auf einer Außenseite AS des Jochs JO der Polzahn PZ ausgebildet ist. Der Polzahn PZ weist einen Polschaft PST und einen an den Polschaft PST angrenzenden Polschuh PSH auf. Der Polschaft PST ist zwischen dem Joch JO und dem Polschuh PSH angeordnet. Mittig durch den Polzahn PZ verläuft eine Polzahnachse PZA, die sich in radialer Richtung des Rotors RO erstreckt. Parallel zur Polzahnachse PZA weist der Polschaft PST eine erste Seitenfläche ESF und eine zur ersten Seitenfläche ESF beabstandet angeordnete zweite Seitenfläche ZSF auf. Auf dem Polschaft PST ist eine einen Draht DR aufweisende Rotorwicklung RW aufgewickelt, sodass diese zumindest teilweise und/oder abschnittsweise an der ersten Seitenfläche ESF und/oder der zweiten Seitenfläche ZSF anliegt. Im Zuge einer Rotation des Rotors RO um dessen Drehachse wirkt auf die Rotorwicklung RW eine Fliehkraft, sodass sich die Rotorwicklung RW gegen eine Polschuhinnenseite PIS des Polschuhs PSH abstützt. Die Polschuhinnenseite PIS des Polschuhs PSH ist auf einer dem Joch JO zugewandten Seite des Polschuhs PSH ausgebildet. Durch die Einwirkung der Rotorwicklung RW auf den Polschuh PSH, muss dieser entsprechend konstruktiv ausgelegt sein. Erweist somit eine entsprechende Höhe h in radialer Richtung des Rotors RO bzw. des Polzahns PZ auf.
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In 2 ist ein Querschnitt durch den Polzahn PZ des Rotor RO für eine fremderregte elektrische Maschine EM eines zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs KFZ gezeigt, wie er gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung vorgesehen ist.
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Angrenzend an das ringförmig ausgebildete Joch JO ist der Polzahn PZ angeordnet. Besonders bevorzugt ist der Polzahn PZ einstückig mit dem Joch JO ausgebildet. Auf diese Weise kann das Blechpaket des Rotors RO in einfacher Weise hergestellt werden.
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Der Polzahn PZ weist den Polschaft PST auf. Angrenzend an den Polschaft PST ist der Polschuh PSH ausgebildet. Der Polschaft PST ist zwischen dem Joch JO und dem Polschuh PSH angeordnet. Der Polschaft PST weist ebenfalls die erste Seitenfläche ESF und die zweite Seitenfläche ZSF auf. Die Ausgestaltung der Seitenflächen ESF, ZSF gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung unterscheiden sich jedoch in der Ausgestaltung der Seitenflächen ESF, ZSF des Polzahns PZ, wie sie aus dem Stand der Technik (1) bekannt sind.
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In 2 ist vorgesehen, dass sich die erste Seitenfläche ESF und die zweite Seitenfläche ZSF von einem jeweiligen distalen Ende DE des Polschuhs PSH bis wenigstens zur Mitte bzw. mittigen Höhe des Polzahn PZ, bezogen auf die radialer Richtung des Rotors RO, erstreckt. In diesem Bereich weisen die erste Seitenfläche ESF und die zweite Seitenfläche ZSF eine gekrümmte Ausgestaltung und/oder Formgebung auf, wobei die Wölbung der Seitenflächen ESF / ZSF nach innen, also in Richtung des Inneren des Polzahns PZ, gerichtet ist.
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Ausgehend von der Polzahnachse PZA des Polzahns PZ ist das jeweilige distale Ende DE des Polschuhs PSH in tangentialer Richtung des Rotors RO angeordnet. Die beiden distalen Enden DE des Polschuhs PSH liegen sich somit gegenüber. Auf dem Polzahn PZ ist die Rotorwicklung RW angeordnet bzw. aufgewickelt. Die Rotorwicklung RW ist zumindest abschnittsweise und/oder teilweise in dem Bereich des Polschafts PST angeordnet, die die gekrümmte und/oder konvexe Ausgestaltung der ersten Seitenfläche ESF und der zweiten Seitenfläche ZSF aufweist. Vorliegend ist die Rotorwicklung RW derart aufgewickelt, dass sich diese von dem distalen Ende DE des Polschuhs PSH bis über die Mitte des Polschafts PST, bezogen auf die radiale Richtung des Rotors RO, erstreckt. Durch die Anordnung der Rotorwicklung RW in dem Bereich, in dem die Seitenflächen ESF, ZSF eine nach innen gerichtete Wölbung aufweisen, kann infolge einer Rotation des Rotors RO um dessen Drehachse DA ein Teil der aus der Rotorwicklung RW resultierenden Fliehkräfte über den Polschaft PST abgetragen werden. Somit kann der Lasteintrag auf den Polschuh PSH reduziert werden. Durch den geringeren Lasteintrag auf dem Polschuh PSH kann die Höhe h* des Polschuhs PSH in radialer Richtung des Rotors RO reduziert werden. Auf diese Weise kann die Rotorwicklung RW zumindest teilweise in radialer Richtung des Rotors RO weiter nach außen angeordnet werden, wie dies durch die Höhendifferenz Δh zwischen den 1 und 2 dargestellt ist. Der Abstand zwischen einer den Rotor RO umgebenden Statorinnenseite SIS eines Stators (nicht dargestellt) und der Rotorwicklung RW kann somit reduziert werden, sodass die Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine EM erhöht werden kann. Weiterhin können durch die durchgehend gekrümmte Ausgestaltung der ersten Seitenfläche ESF und/oder der zweiten Seitenfläche ZSF etwaige Spannungen, insbesondere Kerbspannungen im Polschaft PST bzw. Polschuh PSH, reduziert werden, sodass die Langlebigkeit der elektrischen Maschine EM erhöht werden kann.
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In 3 ist ein Kraftfahrzeug KFZ mit der elektrischen Maschine EM gezeigt. Die elektrische Maschine EM sitzt im Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs KFZ. Sie ist dazu eingerichtet und ausgebildet, das Kraftfahrzeug KFZ zumindest teilweise elektrisch anzutreiben.
