DE102021211992B4

DE102021211992B4 - Rotor für eine fremderregte Synchronmaschine

Info

Publication number: DE102021211992B4
Application number: DE102021211992.1A
Authority: DE
Inventors: Florian Osdoba; Penyo Topalov; Philipp Zimmerschied
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2021-10-25
Filing date: 2021-10-25
Publication date: 2023-06-22
Anticipated expiration: 2041-10-26
Also published as: DE102021211992A1; WO2023072462A1

Abstract

Rotor (1) für eine fremderregte Synchronmaschine (2),- mit auf einer zumindest einen Hohlraum (15) aufweisenden Rotorwelle (4) angeordneten Rotorwicklungen (3),- mit einem mit den Rotorwicklungen (3) elektrisch verbundenen Gleichrichter (6),- wobei der Gleichrichter (6) zumindest bereichsweise in dem Hohlraum (15) der Rotorwelle (4) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass- ein zumindest bereichsweise hohler Wellenstumpf (19) mit einem Innenraum (20) vorgesehen ist, wobei der Gleichrichter (6) im Innenraum (20) des Wellenstumpfes (19) und der Wellenstumpf (19) zumindest teilweise im Hohlraum (15) der Rotorwelle (4) angeordnet, insbesondere in diesen eingepresst, sind, oder eine Hülse (23) vorgesehen ist, wobei der Gleichrichter (6) in der Hülse (23) und die Hülse (23) zumindest teilweise im Hohlraum (15) der Rotorwelle (4) angeordnet, insbesondere in diesen eingepresst, sind und- der Gleichrichter (6) als Einschubplatine (18) mit einseitig oder beidseitig angeordneten Dioden ausgebildet ist, und- in einer Wandung des Hohlraums (15), des Innenraums (20) oder der Hülse (23) in Axialrichtung (21) verlaufende Längsschlitze (24) vorgesehen sind, in welche die Einschubplatine (18) eingeschoben und fixiert ist, oder- der Gleichrichter (6) als Einschubplatine (18) mit einseitig oder beidseitig angeordneten Dioden ausgebildet ist, und- in einer Wandung des Hohlraums (15) oder des Innenraums (20) in Axialrichtung (21) verlaufende und mit Kunststoff (25) ausgespritzte Längsöffnungen (26) vorgesehen sind, wobei in dem Kunststoff (25) in Axialrichtung (21) verlaufende Längsschlitze (24) vorgesehen sind, in welche die Einschubplatine (18) eingeschoben und fixiert ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine fremderregte Synchronmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine fremderregte Synchronmaschine mit einem solchen Rotor.
Aus der AT 226 802 B und der DE 10 54 590 B sind ein Rotor mit auf einer zumindest einen Hohlraum aufweisenden Rotorwelle angeordneten Rotorwicklungen und mit einem mit den Rotorwicklungen elektrisch verbundenen Gleichrichter bekannt, wobei der Gleichrichter in dem Hohlraum der Rotorwelle angeordnet ist.
Aus der DE 25 16 505 B2 und der DE 40 17 208 A1 sind weitere Rotoren bekannt.
In einer induktiv elektrisch erregten Synchronmaschine wird die Energie für eine Rotorwicklung mittels eines induktiven Übertragers (Drehtransformator) von einem Stator auf einen Rotor übertragen. Für die induktive Übertragung nach dem transformatorischen Prinzip wird eine Wechselspannung benötigt. Diese Wechselspannung muss anschließend in einem Gleichrichter gleichgerichtet werden, damit am Rotor eine Gleichspannung anliegt, wozu elektronische Komponenten, wie beispielsweise eine Leiterplatte, bestückt mit unterschiedlichen elektronischen Bauteilen auf dem sich drehenden Teil der Maschine (Rotor) angeordnet werden, was auch als rotierender Gleichrichter bezeichnet wird. Neben dem Gleichrichter können auch noch weitere Schaltungen und Bauteile (z.B. Schutzschaltungen) mit auf der Leiterplatte angeordnet sein. Dieser rotierende Gleichrichter kann als separates Bauteil auf der Rotorwelle angebracht sein.
Die auf der Leiterplatte des Gleichrichters angeordneten elektronischen Bauteile erfahren während dem Betrieb große Fliehkräfte, welche mit zunehmender Drehzahl des Rotors und einer Anordnung auf einem größeren Durchmesser der Leiterplatte stark zunehmen, was dazu führen kann, dass die elektronischen Bauteile oder deren Lötstellen während des Betriebs durch die angreifenden Fliehkräfte beschädigt werden, was zu einem Fehler im Betrieb oder dem Ausfall der Synchronmaschine führen kann. Durch ein Gehäuse und die Anordnung des Gleichrichters auf der Rotorwelle ist der Durchmesser auf dem die elektronischen Bauteile angeordnet werden können, jedoch nach unten hin begrenzt. So können in einem Ziel-Design, mit einer entsprechend hohen Maximal-Drehzahl, bestimmte elektronische Bauteile auf Grund ihrer Eigenschaften (Gehäusetyp, Gewicht, Fläche und Art der Lötverbindung) nicht mehr für den Aufbau des Gleichrichters verwendet werden.
Zusätzlich treten während des Betriebs im Rotor unterschiedliche Verluste (u.a. Kupfer- und Eisenverluste) auf, wodurch sich der Rotor aufheizt. Die Temperatur wird dabei in der Regel durch eine Temperaturobergrenze der Isolationswerkstoffe (z.B. Isolationspapier, Kupferlackdraht, etc.) begrenzt, welche im Bereich von 140 - 180°C liegt. Durch die Positionierung des Gleichrichters nahe der Rotorwicklung werden die Umgebungstemperaturen des Gleichrichters also maßgeblich durch die Temperaturobergrenze des Rotors bestimmt. Zusätzlich muss die im Gleichrichter anfallenden Verlustleistung abgeführt werden. Da die Temperaturobergrenze üblicher elektronischer Bauteile und Leiterplatten-Werkstoffe unter der Temperaturgrenze des Rotors liegt, muss also die Temperaturobergrenze des Rotors auf die Temperaturobergrenze der elektronischen Bauteile herabgesetzt werden, wodurch die Dauer- und Spitzenleistung des Motors reduziert werden muss und/oder es müssen teure elektronischen Bauteile und Leiterplatten-Materialen eingesetzt werden, welche eine entsprechend hohe Temperaturgrenze besitzen.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für einen Rotor der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die insbesondere die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwindet.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, auf einen Gleichrichter eines Rotors für eine elektrisch fremderregte Synchronmaschine einwirkende Fliehkräfte dadurch zu reduzieren, dass der Gleichrichter innerhalb einer Rotorwelle des Rotors angeordnet wird. Durch diese kompakte Bauweise radial relativ dicht zu einer Drehachse des Rotors können die im Betrieb, das heißt bei einem Drehen des Rotors, auftretenden Fliehkräfte reduziert werden. Der erfindungsgemäße Rotor für die fremderregte Synchronmaschine besitzt dabei die zuvor genannte zumindest einen Hohlraum aufweisende Rotorwelle, auf deren Außenmantelfläche Rotorwicklungen angeordnet sind. Ebenfalls vorgesehen ist ein mit den Rotorwicklungen elektrisch verbundener Gleichrichter. Erfindungsgemäß ist nun der Gleichrichter innerhalb der hohlen Rotorwelle bzw. eines Hohlraums der Rotorwelle angeordnet. Hierdurch ist eine Verbesserung der mechanischen Stabilität durch Anordnung des Gleichrichters auf sehr kleinen Durchmessern erreichbar. Darüber hinaus ist es möglich, einen bislang innerhalb der hohlen Rotorwelle ungenutzten Bauraum zu nutzen, wodurch die Synchronmaschine insgesamt kompakter gebaut werden kann. Auch kann durch diese Anordnung eine einfache Montage durch ein einfaches Einschieben des Gleichrichters in den Hohlraum erreicht werden.
Bei einer ersten erfindungsgemäßen Alternative des Rotors ist ein zumindest bereichsweise hohler Wellenstumpf mit einem Innenraum vorgesehen, wobei in diesem Fall der Gleichrichter im Innenraum des Wellenstumpfs und der Wellenstumpf wiederum im Hohlraum der Rotorwelle angeordnet, insbesondere in diesen eingepresst, sind. Diese Ausführungsform ermöglicht es, den Wellenstumpf mit dem darin in dem Innenraum angeordneten Gleichrichter in einem separaten Montageprozess vorzufertigen und als vorgefertigte Baugruppe an der hohlen Rotorwelle zu fixieren. Dabei ist selbstverständlich auch denkbar, dass an dem Wellenstumpf zusätzlich noch ein Lager zur Lagerung der Rotorwelle bzw. des Rotors angeordnet wird. Eine Verbindung zwischen dem Wellenstumpf und der hohlen Rotorwelle kann dabei durch ein einfaches Einpressen des hohlen Wellenstumpfes in die hohle Rotorwelle erfolgen, wobei die hohle Rotorwelle radiale Öffnungen aufweist, die mit ebenfalls radialen Öffnungen des Wellenstumpfes im Einbauzustand fluchten und worüber eine elektrische Verbindung zwischen dem Gleichrichter und den Rotorwicklungen geschaffen werden kann. Alternativ zu einem Einpressen kann der Wellenstumpf rein theoretisch auch durch ein Verkleben, Verschweißen oder Verlöten in dem Hohlraum der Rotorwelle fixiert werden.
Wird ein derartiger Wellenstumpf nicht vorgesehen, so kann der Gleichrichter direkt im Hohlraum der Rotorwelle angeordnet werden, wobei in diesem Fall eine Lagerung der Rotorwelle und damit des Rotors über beispielsweise ein auf der Rotorwelle angeordnetes Lager erfolgt.
Alternativ kann auch eine Hülse vorgesehen sein, wobei der Gleichrichter in der Hülse und die Hülse wiederum zumindest teilweise im Hohlraum der Rotorwelle angeordnet, insbesondere in diesen eingepresst, sind. Auch eine derartige Ausführungsform, bei welcher der Gleichrichter in der Hülse angeordnet ist, ermöglicht eine Vorfertigung der Hülse mit dem darin eingebauten Gleichrichter und dadurch das Herstellen einer vorgefertigten Baugruppe, welche anschließend in der Rotorwelle montiert werden kann. Hierdurch lässt sich insbesondere eine kürzere Montagezeit des Rotors erreichen.
Erfindungsgemäß ist der Gleichrichter als Einschubplatine mit einseitig oder beidseitig angeordneten Dioden ausgebildet. Insbesondere durch eine beidseitige Anordnung der für die Gleichrichterschaltung erforderlichen Dioden bzw. weiterer elektronischer Bauteile ist es möglich, eine die Fliehkraft ausgleichende Anordnung der elektronischen Bauteile auf der Einschubplatine zu erreichen, sofern eine Drehachse der Rotorwelle identisch mit einer in der Einschubplatine liegenden Drehachse ist. Durch insbesondere die beidseitige Anordnung der elektrischen Bauteile auf der Einschubplatine gleichen sich diese hinsichtlich ihrer bei der Rotation auftretenden Fliehkräfte vorzugsweise aus.
Bei der ersten erfindungsgemäßen Alternative des Rotors sind in einer Wandung des Hohlraums der Rotorwelle oder sofern vorhanden in einer Wandung des Innenraums des hohlen Wellenstumpfes, oder sofern vorhanden in einer Wandung der Hülse in Axialrichtung verlaufende Längsschlitze vorgesehen, in welche die Einschubplatine, das heißt der Gleichrichter, eingeschoben und darin fixiert werden kann. Dies ermöglicht eine vergleichsweise einfache Montage des Gleichrichters in der Hülse, dem Wellenstumpf oder der Rotorwelle durch ein einfaches Einschieben. Die Längsschlitze können dabei derart ausgebildet sein, dass die Einschubplatine darin eingepresst und deshalb über einen Presssitz darin gehalten ist. Zusätzlich oder alternativ kann die Einschubplatine des Gleichrichters selbstverständlich auch über einen Klebstoff in den jeweiligen Längsschlitzen bzw. Längsnuten gehalten werden. Bei einer zweiten erfindungsgemäßen Alternative ist in einer Wandung des Hohlraums der Rotorwelle oder in einer Wandung des Innenraums des Wellenstumpfes in Axialrichtung verlaufende und mit Kunststoff ausgespritzte Längsöffnungen vorgesehen sind, wobei in dem Kunststoff in Axialrichtung verlaufende Längsschlitze vorgesehen sind, in welche die Einschubplatine des Gleichrichters eingeschoben und fixiert ist. Hierdurch ist es beispielsweise möglich, die Längsöffnungen bzw. Längsnuten größer auszubilden und die anschließend in die Kunststofffüllung eingebrachten Längsschlitze an entsprechende Maße des jeweils verwendeten Gleichrichters bzw. dessen Einschubplatine anzupassen. Hierbei kann auch ein elastischer Kunststoff verwendet werden, so dass die Einschubplatine mit Übermaß zum Längsschlitz ausgebildet und in diesen eingepresst werden kann, woraufhin dann die elastische Federkraft des Kunststoffs die Einschubplatine und darüber den Gleichrichter hält. Allen beschriebenen Ausführungsformen ist dabei gemein, dass über die Längsschlitze eine vergleichsweise einfache und schnelle Montage des Gleichrichters in der Hülse, den Innenraum oder dem Hohlraum möglich ist.

Claims

Rotor (1) für eine fremderregte Synchronmaschine (2), - mit auf einer zumindest einen Hohlraum (15) aufweisenden Rotorwelle (4) angeordneten Rotorwicklungen (3), - mit einem mit den Rotorwicklungen (3) elektrisch verbundenen Gleichrichter (6), - wobei der Gleichrichter (6) zumindest bereichsweise in dem Hohlraum (15) der Rotorwelle (4) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass - ein zumindest bereichsweise hohler Wellenstumpf (19) mit einem Innenraum (20) vorgesehen ist, wobei der Gleichrichter (6) im Innenraum (20) des Wellenstumpfes (19) und der Wellenstumpf (19) zumindest teilweise im Hohlraum (15) der Rotorwelle (4) angeordnet, insbesondere in diesen eingepresst, sind, oder eine Hülse (23) vorgesehen ist, wobei der Gleichrichter (6) in der Hülse (23) und die Hülse (23) zumindest teilweise im Hohlraum (15) der Rotorwelle (4) angeordnet, insbesondere in diesen eingepresst, sind und - der Gleichrichter (6) als Einschubplatine (18) mit einseitig oder beidseitig angeordneten Dioden ausgebildet ist, und - in einer Wandung des Hohlraums (15), des Innenraums (20) oder der Hülse (23) in Axialrichtung (21) verlaufende Längsschlitze (24) vorgesehen sind, in welche die Einschubplatine (18) eingeschoben und fixiert ist, oder - der Gleichrichter (6) als Einschubplatine (18) mit einseitig oder beidseitig angeordneten Dioden ausgebildet ist, und - in einer Wandung des Hohlraums (15) oder des Innenraums (20) in Axialrichtung (21) verlaufende und mit Kunststoff (25) ausgespritzte Längsöffnungen (26) vorgesehen sind, wobei in dem Kunststoff (25) in Axialrichtung (21) verlaufende Längsschlitze (24) vorgesehen sind, in welche die Einschubplatine (18) eingeschoben und fixiert ist.
Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichter (6) längsendseitig angeordnete elektrische Kontakte (28) zur Kontaktierung mit einem Kontaktierungsgegenstück (29) aufweist.
Rotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass - die elektrischen Kontakte (28) als Kontaktpins, als Steckkontakte oder als Federkontakte ausgebildet sind, und/oder - an dem Gleichrichter (6) Rastelemente (30) und an dem Kontaktierungsgegenstück (29) Gegenrastelemente (31) zur Verriegelung vorgesehen sind, oder umgekehrt.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Endstück oder ein Deckel (32) vorgesehen ist, der den Gleichrichter (6) fixiert.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Gleichrichter (6) und der Rotorwelle (4) ein thermisch leitfähiges und elektrisch isolierendes Material angeordnet ist.
Rotor nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Rotorwelle (4) oder dem Wellenstumpf (19) Kühlkanäle (27) für ein Kühlmittel vorgesehen sind.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichter (6) direkt mit einem Fluid als Kühlmittel, insbesondere einemdielektrischen Kühlmittel, beaufschlagt ist.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichrichter (6) benachbart zu einer Rotationsachse (17) der Rotorwelle (4) angeordnet ist.
Fremderregte Synchronmaschine (2), mit einem elektrisch bestrombaren Rotor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit einem Drehtransformator-Rotor (9) eines Drehtransformators (8) mit einer Sekundärspule (7) und einem Drehtransformator-Stator (10).
Fremderregte Synchronmaschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Drehtransformator-Stator (10) eine Primärspule (12) und einen Transformatorkern aus einem magnetischen Kernmaterial, vorzugsweise aus einem Ferrit, aufweist.
Verwendung einer Synchronmaschine (2) nach Anspruch 9 oder 10 als Traktionsmotor in einem Kraftfahrzeug.