-
Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine fremderregte elektrische Synchronmaschine sowie eine fremderregte elektrische Synchronmaschine mit einem solchen Rotor.
-
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, bei der Entwicklung von Rotoren für fremderregte elektrische Maschinen neue Wege aufzuzeigen.
-
Fremderregte elektrische Synchronmaschinen kommen beispielsweise als elektrische Antriebssysteme in modernen Hybrid-oder Elektrofahrzeugen zum Einsatz. Eine fremderregte elektrische Synchronmaschine umfasst einen Stator und einen gegenüber dem Stator drehverstellbaren Rotor, in welchem das magnetische Rotorfeld mittels Fremderregung erzeugt wird.
-
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei der Entwicklung von Rotoren für fremderregte elektrische Synchronmaschine neue Wege aufzuzeigen. Insbesondere soll ein Rotor geschaffen werden, bei welchem die drehfest mit der Rotorwelle verbundenen Rotorspulen, insbesondere bei hohen Drehgeschwindigkeiten des Rotors, stabil an der Rotorwelle gehalten werden.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
-
Ein erfindungsgemäßer Rotor für eine fremderregte elektrische Synchronmaschine, insbesondere für einen Traktionsmotor eines Fahrzeugs, umfasst eine sich entlang einer axialen Richtung erstreckende Rotorwelle. Ferner umfasst der Rotor wenigstens zwei, vorzugsweise vier, Wicklungsträger, die entlang einer Umfangsrichtung der Rotorwelle aneinander anliegend angeordnet und drehfest mit der Rotorwelle verbunden sind. Auf jedem Wicklungsträger ist eine elektrisch bestrombare Rotorwicklung des Rotors zum Erzeugen eines magnetischen Rotorfeldes angeordnet. Jeder Wicklungsträger bildet mit der auf ihm angeordneten Rotorwicklung eine Rotorspule aus. Die Rotorwicklung kann durch einen Wicklungsdraht gebildet sein, der auf dem Wicklungsträger unter Ausbildung einer Mehrzahl von Wicklungswindungen aufgewickelt ist. Die wenigstens zwei Rotorwicklungen können elektrisch miteinander verbunden sein, wobei bevorzugt für alle Rotorwicklungen einschließlich der elektrischen Verbindungen der einzelnen Rotorwicklungen miteinander derselbe Wicklungsdraht verwendet werden kann. Wenigstens ein Wicklungsträger, vorzugsweise jeder der Wicklungsträger, ist durch ein Blechpaket mit mehreren entlang der axialen Richtung aufeinandergestapelten Blechteilen aus einem ferromagnetischen Material gebildet. Mittels des Blechpakets kann der Feldlinienverlauf des von den Rotorspulen erzeugte magnetische Rotorfeldes beeinflusst und somit optimiert werden. Der voranstehend erläuterte, erfindungsgemäße Rotor zeichnet sich durch einen einfachen technischen Aufbau aus, besitzt aber dennoch - vor allem aufgrund der in Umfangsrichtung aneinander anliegenden Wicklungsträger - auch bei hohen Drehgeschwindigkeiten eine hohe mechanische Stabilität.
-
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Wicklungsträger jeweils formschlüssig mit der Rotorwelle verbunden. Auf diese Weise können die Wicklungsträger auch bei hohen Drehzahlen des Rotors und den damit einhergehenden, vergleichsweise hohen auf die Wicklungsträger wirkenden Zentrifugalkräften stabil an der Rotorwelle gehalten werden.
-
Besonders zweckmäßig weist zur Ausbildung der formschlüssigen Verbindung die Rotorwelle in einem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung für jeden Wicklungsträger zwei Hinterschnitte auf, in welchen der betreffende Wicklungsträger teilweise aufgenommen ist. Solche Hinterschnitte sind im Zuge der Herstellung der Rotorwelle technisch einfach zu realisieren. Darüber hinaus können die Wicklungsträger auf einfache Weise durch axiales Einschieben in den zwischen zwei benachbarten Hinterschnitten gebildeten Zwischenraum im Zuge des Zusammenbaus des Rotors an der Rotorwelle montiert werden.
-
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann die Rotorwelle in dem Querschnitt zur Ausbildung des jeweiligen Hinterschnitts einen, vorzugsweise runden, besonders bevorzugt kreisrunden, Grundkörper aufweisen. Von dem Grundkörper stehen entlang der Umfangsrichtung im Abstand zueinander angeordnet radial nach außen Fortsätze ab. Zweckmäßig ist zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten Spulenträgern jeweils ein solcher Fortsatz vorgesehen. Zur Ausbildung besagter Hinterschnitte nimmt ein in Umfangsrichtung gemessener Fortsatz-Durchmesser eines jeweiligen Fortsatzes radial nach außen, also vom Grundkörper weg, zu.
-
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform weist in dem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung wenigstens ein Wicklungsträger, vorzugsweise jeder der Wicklungsträger einen ersten und einen Begrenzungsabschnitt sowie einen zwischen den beiden Begrenzungsabschnitten angeordneten Trägerabschnitt auf. Auf dem Trägerabschnitt ist bei dieser Ausführungsform welchem die betreffende Rotorwicklung angeordnet, insbesondere gewickelt. Zum Tragen der Rotorwicklung ist der Trägerabschnitt radial im Abstand zu dieser Rotorwicklung angeordnet. Außerdem weist der Trägerabschnitt eine geringere radiale Erstreckung auf als die beiden Begrenzungsabschnitte. Auf diese Weise wird zwischen den beiden Begrenzungsabschnitten radial innerhalb und radial außerhalb des Trägerabschnitts eine radial innere bzw. eine radial äußere Ausnehmung zur Aufnahme der jeweiligen Rotorwicklung gebildet. Diese Ausführungsform ermöglicht eine stabile Fixierung der jeweiligen Rotorwicklung am Wicklungsträger sowohl in radialer Richtung als auch entlang der Umfangsrichtung. Auf diese Weise kann verhindert werden, dass sich bei Drehung des Rotors die Rotorwicklungen sowohl radial als auch in Umfangsrichtung von der vorgegebenen Soll-Position in unerwünschter Weise wegbewegen können.
-
Besonders bevorzugt kann die radial äußere Ausnehmung radial außen durch eine Abdeckung verschlossen sein. Auf diese Weise wird die Rotorwicklung auch in radialer Richtung stabil am Wicklungsträger bzw. am Trägerabschnitt fixiert. Dies gilt insbesondere bei hohen Drehgeschwindigkeit im Betrieb des Rotors und damit einhergehenden hohen auf die Rotorwicklung wirkenden Zentrifugalkräften.
-
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Abdeckung durch eine sich entlang der axialen Richtung erstreckende Abdeckplatte aus einem, bevorzugt nicht-ferromagnetischen, besonders bevorzugt paramagnetischen, Material, gebildet. Die Abdeckplatte kann bei dieser Weiterbildung an den beiden die radial äußere Ausnehmung begrenzenden Begrenzungsabschnitten befestigt sein.
-
Zweckmäßig ist für eine solche Befestigung der Abdeckplatte an den beiden Begrenzungsabschnitten eine sich in axialer Richtung erstreckende Aufnahmenut vorhanden, in welcher die Abdeckplatte mit einem jeweiligen Randabschnitt aufgenommen ist. Auf diese Weise wird zum einen eine stabile Fixierung der Abdeckplatte am Wicklungsträger sichergestellt. Zum anderen kann bei einer derartigen Konfiguration die Abdeckplatte auch durch ein einfaches axiales Einschieben der Abdeckplatte in die Aufnahmenuten am Rotor montiert werden.
-
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung weist jede Rotorwicklung eine Mehrzahl von Wicklungswindungen auf. Bei dieser Weiterbildung können zwischen den Wicklungswindungen ausgebildete Zwischenräume zumindest teilweise, bevorzugt vollständig, mit einer, bevorzugt als Klebstoff oder/und als elektrischer Isolation wirkenden, Kunststoffmasse, vorzugsweise mit einem Kunststoffharz, ausgefüllt sein. Auf diese Weise können die Wicklungswindungen stabil auf dem jeweiligen Wicklungsträger fixiert werden. Gleichzeitig kann der Ausbildung eines unerwünschten elektrischen Kurzschlusses zwischen verschiedenen Wicklungswindungen entgegengewirkt werden.
-
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Rotorwelle, insbesondere deren Grundkörper, als entlang der axialen Richtung mit einem Kühlmedium durchströmbare Hohlwelle ausgebildet. Somit kann von den Rotorspulen im Betrieb, also bei elektrischer Bestromung erzeugte Abwärme durch Wärmeübertragung auf das Kühlmittel effektiv abgeführt werden, wodurch der gesamte Rotor wirksam gekühlt wird. Einer Überhitzung des Rotors, insbesondere der Rotorspulen, und einer damit einhergehenden Beschädigung oder gar Zerstörung des Rotors kann auf diese Weise wirksam entgegengewirkt werden.
-
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform besteht die Rotorwelle aus einem nicht-ferromagnetischen, vorzugsweise paramagnetischen, Material. Auf diese Weise wird eine unerwünschte Beeinflussung des von den Rotorspulen bei elektrischer Bestromung erzeugten magnetischen Rotorfeldes geringgehalten oder sogar vollständig unterbunden.
-
Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform liegen in Umfangsrichtung benachbarte Begrenzungsabschnitte zweier Wicklungsträger aneinander an und sind bevorzugt stoffschlüssig, besonders bevorzugt mittels einer Schweißverbindung, miteinander verbunden. Diese Maßnahme führt zu einer verbesserten Festigkeit der Wicklungsträger und somit zu einer erhöhten mechanischen Stabilität des Rotors auch bei hohen Drehgeschwindigkeiten.
-
Die Erfindung betrifft ferner eine fremderregte elektrische Synchronmaschine. Die Synchronmaschine umfasst einen Stator, der wenigstens eine elektrisch bestrombare Statorspule zum Erzeugen eines magnetischen Statorfeldes aufweist. Ferner umfasst die Synchronmaschine einen relativ zum Stator um eine Drehachse seiner Rotorwelle drehbaren und voranstehend vorgestellten erfindungsgemäßen Rotor, der durch Wechselwirkung des von den Rotorspulen erzeugten magnetischen Rotorfeldes mit dem magnetischen Statorfeld antreibbar oder angetrieben ist. Die voranstehend vorgestellten Vorteile des erfindungsgemäßen Rotors übertragen sich daher auf die erfindungsgemäße Synchronmaschine.
-
Die Synchronmaschine kann insbesondere in einem Kraftfahrzeug zum Einsatz kommen, welches als Energiequelle eine Batterie umfassen kann. Dabei dient die Synchronmaschine insbesondere dem Antrieb des Kraftfahrzeugs, ist also insbesondere als ein Traktionsmotor ausgebildet.
-
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
-
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
-
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
-
Es zeigen, jeweils schematisch:
- 1 ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Rotors in einem Querschnitt senkrecht zu einer Mittellängsachse seiner Rotorwelle,
- 2 den Rotor der 1 in einem Längsschnitt entlang der Mittellängsachse.
-
1 zeigt ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Rotors 1 für eine fremderregte elektrische Synchronmaschine, insbesondere für einen Traktionsmotor eines Fahrzeugs, in einem Querschnitt. Der Rotor 1 umfasst eine sich entlang einer axialen Richtung A erstreckende Rotorwelle 2. Die Rotorwelle 2 besitzt eine Mittellängsachse M, die eine Drehachse D der Rotorwelle 2 sein kann. Die axiale Richtung A erstreckt sich entlang dieser Mittellängsachse M. Die Rotorwelle 2 kann als entlang der axialen Richtung A mit einem Kühlmedium K durchströmbare Hohlwelle 18 ausgebildet sein. Eine Umfangsrichtung U läuft orthogonal zur axialen Richtung A um die Mittellängsachse M um. Eine radiale Richtung R erstreckt sich senkrecht sowohl zur axialen Richtung A als auch zur Umfangsrichtung U von der Mittellängsachse M weg. Der in 1 gezeigte Querschnitt ist ein Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung A.
-
Der Rotor 1 umfasst vier Wicklungsträger 3a-3d, die entlang der Umfangsrichtung U der Rotorwelle 2 nebeneinander angeordnet und drehfest mit der Rotorwelle 2 verbunden sind. In Umfangsrichtung U benachbarte Wicklungsträger 3a-3d liegen aneinander an, stützen sich also mechanisch aneinander ab. Der Rotor 1 weist also im Beispielszenario entlang der Umfangsrichtung U eine 90°-Drehsymmetrie auf.
-
Auf jedem der Wicklungsträger 3a-3d ist eine elektrisch bestrombare Rotorwicklung 4a-4d zum Erzeugen eines magnetischen Rotorfeldes angeordnet. Die Feldlinien des Rotorfeldes sind in 1 dargestellt und mit „B“ bezeichnet. Das erzeugte Rotorfeld weist somit zwei magnetische Nordpole „N“ und zwei magnetische Südpole „S“ auf, die sich entlang der Umfangsrichtung U abwechseln. Jede der Rotorwicklungen 4a-4d kann eine Mehrzahl von Wicklungswindungen (nicht gezeigt) aufweisen. Zwischen den Wicklungswindungen ausgebildete Zwischenräume können mit einer sowohl als Klebstoff als auch als elektrische Isolation wirkenden Kunststoffmasse, beispielsweise einem Kunststoffharz, ausgefüllt sein.
-
Jeder der Wicklungsträger 3a-3d ist durch ein Blechpaket 5a-5d mit mehreren entlang der axialen Richtung A aufeinandergestapelten Blechteilen aus einem ferromagnetischen Material gebildet. Jeder der Wicklungsträger 3a-3d bildet außerdem mit der auf ihm angeordneten Rotorwicklung 4a-4d eine jeweilige Rotorspule 35a-35d aus. Die Rotorwicklungen 4a-4d können durch einen Wicklungsdraht (nicht näher dargestellt) gebildet sein, der auf dem Wicklungsträger 3a-3d unter Ausbildung der Mehrzahl von Wicklungswindungen (nicht dargestellt) aufgewickelt ist. Die vier Rotorwicklungen 4a-4d können elektrisch miteinander verbunden sein. Dabei kann für alle vier Rotorwicklungen 4a-4d derselbe Wicklungsdraht verwendet werden.
-
Wie 1 veranschaulicht, sind die Wicklungsträger 3a-3d jeweils formschlüssig mit der Rotorwelle 2 verbunden. Zur Ausbildung der formschlüssigen Verbindung weist die Rotorwelle 2 in dem gezeigten Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung A für jeden Wicklungsträger 3a-3d zwei Hinterschnitte 6 auf, in welchen der betreffende Wicklungsträger 3a-3d teilweise aufgenommen ist. Zur Ausbildung des jeweiligen Hinterschnitts 6 weist die Rotorwelle 2 im gezeigten Querschnitt einen kreisrunden Grundkörper 7 auf, von welchem entlang der Umfangsrichtung U im Abstand zueinander angeordnet jeweils in radialer Richtung R nach außen ein Fortsatz 8a-8d absteht. Dabei nimmt zur Ausbildung besagter Hinterschnitte 6 ein in Umfangsrichtung U gemessener Fortsatz-Durchmesser eines jeweiligen Fortsatzes 8a-8d in der radialen Richtung R radial nach außen, also vom Grundkörper 8a-8d weg, zu.
-
Der Grundkörper 7 der Rotorwelle 2 kann aus einem nicht-ferromagnetischen, insbesondere paramagnetischen, Material bestehen.
-
In dem in 1 gezeigten Querschnitt umfasst jeder der Wicklungsträger 3a-3d einen ersten und einen Begrenzungsabschnitt 9a, 9b sowie einen in Umfangsrichtung U zwischen den beiden Begrenzungsabschnitten 9a, 9b angeordneten Trägerabschnitt 10. Auf dem Trägerabschnitt 10 ist eine jeweilige Rotorwicklung 4a-4d angeordnet. Zum Tragen der Rotorwicklung 4a-4d ist der Trägerabschnitt 10 radial im Abstand zu dieser Rotorwicklung 4a-4d angeordnet und weist außerdem eine geringere radiale Erstreckung auf als die beiden Begrenzungsabschnitte 9a, 9b. Somit ist zwischen den beiden Begrenzungsabschnitten 9a, 9b radial innerhalb und radial außerhalb des Trägerabschnitts 10 eine radial innere und eine radial äußere Ausnehmung 11, 12 zur Aufnahme der jeweiligen Rotorwicklung 4a-4d gebildet. In Umfangsrichtung U benachbarte Begrenzungsabschnitte 9a, 9b zweier Wicklungsträger 3a-3d liegen im Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung A aneinander an und können mittels einer Schweißverbindung 19 stoffschlüssig miteinander verbunden sein.
-
Gemäß den 1 und 2 kann die radial äußere Ausnehmung 12 radial au-ßen durch eine Abdeckung 13 verschlossen sein. Die 2 ist dabei ein Längsschnitt des Rotors 1 der 1 entlang der axialen Richtung A. Die Abdeckung 13 kann demnach durch eine sich entlang der axialen Richtung A erstreckende Abdeckplatte 14 aus einem, nicht-ferromagnetischen, bevorzugt paramagnetischen Material, gebildet sein. Die Abdeckung 13 ist an den beiden die radial äu-ßere Ausnehmung 12 begrenzenden Begrenzungsabschnitten 9a, 9b befestigt. Zur Befestigung der Abdeckplatte 14 kann an den beiden Begrenzungsabschnitten 9a, 9b eine sich in axialer Richtung A erstreckende Aufnahmenut 16a, 16b vorgesehen sein, in welcher die Abdeckplatte 14 mit einem jeweiligen Randabschnitt 17a, 17b aufgenommen ist.
