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Die Erfindung betrifft eine Baugruppe für einen Rotor einer elektrischen Maschine aufweisend eine mit einem Rotorkern des Rotors drehfest verbindbare Rotorwelle, ein Schleifringmodul aufweisend zumindest einen Schleifring zum Bestromen von Rotorwicklungen des Rotors und zwei, an axialen Enden der Rotorwelle angeordnete Lagerstellen mit jeweils einem ringförmigen Lagersitz für jeweils ein Lager des Rotors. Die Erfindung betrifft außerdem einen Rotor mit einer solchen Baugruppe.
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Vorliegend richtet sich das Interesse auf elektrische Maschinen, welche beispielsweise als Antriebsmaschinen elektrifizierter Kraftfahrzeuge verwendet werden können. Die elektrischen Maschinen weisen üblicherweise einen ortsfesten Stator sowie einen mittels zwei Lagern bezüglich des Stators drehbar gelagerten Rotor auf. Sowohl der Rotor als auch der Stator weisen magnetfelderzeugende Komponenten auf, welche von einem Rotorkern bzw. Statorkern gehalten werden. Der Rotor weist eine mit dem Rotorkern drehfest verbundene Rotorwelle zur Drehmomentübertragung auf eine Antriebsachse des Kraftfahrzeugs auf. Die Lager sind dabei üblicherweise an Lagerstellen befestigt, welche an axial gegenüberliegenden Enden der Rotorwelle angeordnet sind. Im Falle einer elektrisch erregten Maschine weist der Rotor als die magnetfelderzeugende Komponente Rotorwicklungen auf. Zum Bestromen der Rotorwicklungen weist der Rotor ein Schleifringmodul mit zumindest einem Schleifring auf.
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Die Schleifringe sind dabei üblicherweise räumlich von dem Rotorkern und dem Statorkern getrennt. Dadurch muss der Strom von den Schleifringen über eine stromführende Leitung unter einer der Lagerstellen hindurch zu den Rotorwicklungen geleitet werden. Daraus ergibt es sich, dass die Rotorwelle zweiteilig ausgebildet ist. Durch diese Zweiteiligkeit der Rotorwelle gibt es Steifigkeitssprünge auf der Antriebsachse, die beim dynamischen Betreiben der elektrischen Maschine zu erhöhten Schwingungen führen können. Dies führt zu einer Erhöhung der Lagerkräfte und damit zu einer Lebensdauerproblematik sowie zu akustisch ungewünschten Anregungen im Gesamtantriebs.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine im Vergleich zum Stand der Technik verbesserte Rotorgestaltung bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Baugruppe sowie einen Rotor mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
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Eine erfindungsgemäße Baugruppe für einen Rotor einer elektrisch erregten elektrischen Maschine weist eine mit einem Rotorkern des Rotors drehfest verbindbare Rotorwelle, ein Schleifringmodul aufweisend zumindest einen Schleifring zum Bestromen von Rotorwicklungen des Rotors und zwei, an axialen Enden der Rotorwelle angeordnete Lagerstellen mit jeweils einem ringförmigen Lagersitz für jeweils ein Lager des Rotors auf. Eine der Lagerstellen ist zweiteilig ausgebildet, wobei eine erste Teillagerstelle einen Teillagersitz aufweist und einteilig mit der Rotorwelle ausgebildet ist und eine zweite Teillagerstelle einen zweiten Teillagersitz aufweist und einteilig mit dem Schleifringmodul ausgebildet ist. Die zwei Teillagerstellen mit den Teillagersitzen sind unter Ausbildung der Lagerstelle mit dem Lagersitz formschlüssig und kraftschlüssig verbunden.
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Zur Erfindung gehört außerdem ein Rotor für eine elektrische Maschine mit einem Rotorkern, Rotorwicklungen, zwei Lagern und einer erfindungsgemäßen Baugruppe. Die Rotorwelle ist dabei drehfest mit dem Rotorkern verbunden, welcher beispielsweise als ein Blechpaket aus axial gestapelten und mechanisch verbundenen Elektroblechlamellen ausgebildet sein kann. An den zwei axial gegenüberliegenden Enden der Rotorwelle sind die Lagerstellen für die Lager zum Ermöglichen der Drehbewegung des Rotors gegenüber dem Stator angeordnet. Außerdem ist das Schleifringmodul drehfest mit der Rotorwelle verbunden. Diejenige Lagerstelle, welche dem Schleifringmodul zugewandt ist, ist dabei zweiteilig ausgebildet, wobei die erste Teillagerstelle einteilig bzw. einstückig mit der Rotorwelle ausgebildet ist. Insbesondere ist die erste Teillagerstelle durch ein ausgeformtes, axiales Ende der Rotorwelle ausgebildet. Anders ausgedrückt, ist eines der axialen Enden so bearbeitet und geformt, dass sich die erste Teillagerstelle ergibt. Die erste Teillagerstelle weist dabei einen ersten Teil bzw. Abschnitt des Lagersitzes, also den ersten Teillagersitz, auf.
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Das Schleifringmodul weist insbesondere zwei Schleifringe auf, welche zum Zuleiten und Ableiten eines Erregerstroms für die Rotorwicklungen über Anschlussdrähte mit den Rotorwicklungen verbunden sind, wobei die Schleifringe über ein ortsfestes Bürstenmodul bestrombar sind. Das Schleifringmodul ist einteilig mit der zweiten Teillagerstelle ausgebildet. Dazu kann der zumindest eine Schleifring mit einem Grundkörper, welcher die zweite Teillagerstelle bereichsweise ausbildet, zerstörungsfrei unlösbar verbunden, beispielsweise vergossen, sein. Die zweite Teillagerstelle weist den zweiten Teil bzw. Abschnitt des Lagersitzes, also den zweiten Teillagersitz, auf. Die zwei Teillagerstellen sind unter Ausbildung der Lagerstelle mechanisch verbunden und so zusammengefügt, dass sich der ringförmige Lagersitz für das Lager ergibt. Durch die Verbindung der Teillagerstellen sind auch das Schleifringmodul und die Rotorwelle mechanisch verbunden.
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Vorzugsweise sind die Anschlussdrähte des Schleifringmoduls zum Bestromen der Rotorwicklungen in die zweite Teillagerstelle integriert, wobei die Anschlussdrähte im verbundenen Zustand der zwei Teillagerstellen durch die Lagerstelle hindurchgeführt sind. Die mechanische Verbindung ist dabei eine formschlüssige Verbindung, vorzugsweise eine axial steckbare Steckverbindung, und eine kraftschlüssige Verbindung, vorzugsweise eine Presspassung.
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Die Erfindung bietet den Vorteil, dass auf eine zweiteilige Rotorwelle mit den vorher beschriebenen Nachteilen verzichtet werden kann.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass die beiden Teillagerstellen zum Bereitstellen der formschlüssigen Verbindung klauenartig ineinandergreifen. Insbesondere ist der ringförmige Lagersitz entlang der Umfangsrichtung segmentiert, wobei jede Teillagerstelle Segmente des Lagersitzes aufweist. Diese Segmente werden durch Zusammenfügen der Teillagerstellen zu dem ringförmigen Lagersitz zusammengesetzt. Dazu weist die erste Teillagerstelle insbesondere zwei, durch Längsschlitze getrennte kreissegmentförmige Teile auf. Die zweite Teillagerstelle ist durch zwei axial in die Längsschlitze eingeschobene Gabelschenkel eines gabelförmigen Grundkörpers ausgebildet. Zumindest in Bereich des zweiten Teillagersitzes entspricht eine Außenform der Gabelschenkel einer Außenform der kreissegmentförmigen Teile im Bereich des ersten Teillagersitzes, wobei die Außenformen zum Ausbilden des in Umfangsrichtung stufenlosen ringförmigen Lagersitzes bündig angeordnet sind.
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Die erste Teillagerstelle ist also in Umfangsrichtung nicht durchgängig ausgebildet, sondern weist die Längsschlitze auf, welche die erste Teillagerstelle in die zwei kreissegmentförmigen Teile unterteilen. Diese zwei kreissegmentförmigen Teile können beispielsweise gefertigt werden, indem ein axiales Ende der Rotorwelle in axialer Richtung teilweise geschlitzt wird. Zum Vervollständigen einer kreisförmigen Außenkontur des ringförmigen Lagersitzes sind die zwei Gabelschenkel des zweiten Teillagersitzes vorgesehen, welche axial in die Längsschlitze eingeschoben werden können. Dabei werden die Außenformen der kreissegmentförmigen Teile und der Gabelschenkel bündig angeordnet.
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In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Grundkörper eine die Gabelschenkel verbindende Gabelbrücke sowie einen Gabelschaft auf, auf welchem der zumindest eine Schleifring angeordnet ist und mit welchem der zumindest eine Schleifring mechanisch verbunden ist. Der Grundkörper kann beispielsweise aus Stahl gebildet sein. Insbesondere weisen die Gabelschenkel zum Integrieren der Anschlussdrähte in die zweite Teillagerstelle Durchgangsöffnungen bzw. Bohrungen auf, durch welche jeweils ein Anschlussdraht für einen der Schleifringe innerhalb eines Gabelschenkels geführt ist und somit innerhalb des jeweiligen Gabelschenkels angeordnet ist. Enden der Anschlussdrähte zum Verbinden mit den Rotorwicklungen können gegenüber den Gabelschenkeln angewinkelt ausgebildet sein.
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Die Anschlussdrähte können beispielsweise mit dem Grundkörper und den Schleifringen in ein Gusswerkzeug eingelegt werden und dann mit einer Vergussmasse vergossen werden. Die Vergussmasse bildet dabei eine Isolierung der Anschlussdrähte sowie einen Träger für die Schleifringe. Außerdem werden die Bauteile mittels der Vergussmasse mechanisch verbunden. Im zusammengesteckten Zustand der Teillagerstellen werden die in den Gabelschenkeln angeordneten Anschlussdrähte in axialer Richtung durch die Längsschlitze hindurchgeführt und unterhalb des Lagesitzes mit Anschlüssen der Rotorwicklungen mechanisch und elektrisch verbunden.
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Besonders bevorzugt sind die zwei kreissegmentförmigen Teile über einen Steg mechanisch verbunden, welcher zum Ausbilden einer kraftschlüssigen, pressgepassten Verbindung nach Zusammenstecken der Teillagerstellen zwischen den Gabelschenkeln eingepresst ist. Eine axiale Höhe des Stegs ist dabei niedriger als eine axiale Höhe der kreissegmentförmigen Teile. Beim Zusammenstecken der Teillagerstellen wird der Steg zwischen den Gabelschenkeln eingepresst. Dazu ist eine Breite des Stegs größer als ein Abstand der Gabelschenkel zueinander.
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Die mit Bezug auf die erfindungsgemäße Baugruppe vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für den erfindungsgemäßen Rotor.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
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Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Perspektivdarstellung eines Rotors für eine elektrische Maschine;
- 2 eine perspektivische Darstellung einer Baugruppe für den Rotor;
- 3 eine perspektivische Darstellung der Baugruppe im ungesteckten Zustand;
- 4 eine perspektivische Darstellung eines Schleifringmoduls der Baugruppe;
- 5 eine perspektivische Darstellung eines Grundkörpers des Schleifringmoduls;
- 6 eine Perspektivdarstellung von miteinander vergossenen Schleifringen und Anschlussdrähten des Schleifringmoduls;
- 7 ein Ausschnitt einer Seitenschnittansicht der Baugruppe; und
- 8 eine Draufsicht auf den Rotor.
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In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt einen Rotor 1 für eine elektrisch erregte Maschine, beispielsweise eine stromerregte Synchronmaschine (SSM), welche beispielsweise als Traktionsmaschine eines elektrifizierten Kraftfahrzeugs dienen kann. Der Rotor 1 weist einen Rotorkern 2 in Form von einem Blechpaket zum Halten und Leiten eines magnetischen Flusses von hier nicht sichtbaren Rotorwicklungen auf. Der Rotor 1 ist hier in Schenkelpolbauweise gefertigt und weist Schenkelpole 3 auf, um welche die Rotorwicklungen gewickelt. Nuten zwischen den Schenkelpolen 3 sind durch Deckschieber 4 bzw. Nutverschlusskeile verschlossen.
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Außerdem weist der Rotor 1 eine Baugruppe 5 auf, welche in 2 gezeigt ist und welche drehfest mit dem Blechpaket 2 verbunden ist. Die Baugruppe 5 weist eine axial durch das Blechpaket 2 hindurchgeführte und mit dem Blechpaket 2 verbundene Rotorwelle 6 zur Drehmomentübertragung an eine Antriebsachse des Kraftfahrzeugs und ein Schleifringmodul 7 zum Bestromen der Rotorwicklungen auf. Außerdem weist die Baugruppe 5 zwei Lagerstellen 8 mit jeweils einem Lagersitz 9 für zwei hier nicht gezeigte Lager des Rotors 1 auf, mittels welchem der Rotor 1 drehbar gegenüber einem Stator der elektrischen Maschine gelagert ist. Die Lager können beispielsweise Wälzlager sein; deren Innenringe mit dem jeweiligen Lagersitz 8 und deren Außenringe mit einem Gehäuse der elektrischen Maschine verbunden sind.
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Die dem Schleifringmodul 7 zugewandte Lagerstelle 8 ist hier mehrteilig ausgebildet und weist eine erste Teillagerstelle 8a mit einem ersten ringförmigen Teillagersitz 9a und eine zweite Teillagerstelle 8b mit einem zweiten ringförmigen Teillagersitz 9b auf. Die erste Teillagerstelle 8a ist, wie in 3 gezeigt, einteilig mit der Rotorwelle 6 ausgebildet und die zweite Teillagerstelle 8b ist, wie in 4 gezeigt, einteilig mit dem Schleifringmodul 7 ausgebildet. Die erste Teillagerstelle 8a ist dabei insbesondere als durch ein entsprechend geformtes, axiales Ende 10 der Rotorwelle 6 ausgebildet. Die zweite Teillagerstelle 8b ist mittels eines gabelförmigen Grundkörpers 11, beispielsweise eines Stahlgrundkörpers, welcher in 5 gezeigt ist, ausgebildet, dessen Gabelschaft 12 mit zwei Schleifringen 13 bestückt ist. Zum mechanischen, dauerhaften und zerstörungsfrei unlösbaren Verbinden des Grundkörpers 11 mit den Schleifringen 13 zu dem einteiligen Schleifringmodul 7 weist das Schleifringmodul 7 zusätzlich eine Vergussmasse 14 auf, mit welcher die Schleifringe 13 und der Grundkörper 11 vergossen sind und welche einen Kunststoffträger 14a für die Schleifringe 13 ausbildet.
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Der Grundkörper 11 weist außerdem eine Gabelbrücke 15 und zwei Gabelschenkel 16 auf. Die Gabelschenkel 16 weisen axiale Durchgangsöffnungen 17 auf. Durch diese Durchgangsöffnungen 17 sind Anschlussdrähte 18 geführt, welche mit jeweils einem der auf dem Gabelschaft 12 angeordneten Schleifringe 13 elektrisch verbunden sind und mit Anschlüssen der Rotorwicklungen elektrisch verbindbar sind. Enden der Anschlussdrähte 18 sind gegenüber den Gabelschenkeln 16 abgewinkelt und erstrecken sich in radialer Richtung. Die Anschlussdrähte 18 sind bereichsweise von der Vergussmasse 14 ummantelt, sodass diese einen elektrisch isolierenden Kabelmantel 14b ausbildet. 6 zeigt das Schleifringmodul 7 ohne den Grundkörper 11, also nur die Schleifringe 13, die Vergussmasse 14 sowie die Anschlussdrähte 18.
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Zum Herstellen des Schleifringmoduls 7 können der Grundkörper 11, die Anschlussdrähte 18 und die Schleifringe 13 derart in einem Gusswerkzeug angeordnet werden, dass die Anschlussdrähte 18 mit den abgewinkelten Enden von unten in die Durchgangsöffnungen 17 eingesteckt sind, die Schleifringe 13 auf dem Gabelschaft 12 angeordnet sind und dabei die Anschlussdrähte 18 mit den Schleifringen 13 elektrisch kontaktiert sind. In dieser Anordnung werden der Grundkörper 11, die Anschlussdrähte 18 und die Schleifringe 13 mit der Vergussmasse 14 vergossen. Dadurch bilden sich der Kunststoffträger 14a und der Kabelmantel 14b. Es kann aber auch sein, dass die bereits ummantelten, ungebogenen und mit den Schleifringen 13 kontaktierten Anschlussdrähte 18 von oben durch die Durchgangsöffnungen 17 gesteckt und deren Enden danach gebogen werden. Anschließend werden die Schleifringe 13 mechanisch mit dem Grundkörper 11 verbunden.
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Die Gabelschenkel 16 bilden die zweite Teillagerstelle 8b aus, welche axial mit der ersten Teillagerstelle 8a zusammensteckbar ist und somit formschlüssig verbindbar ist. 3 zeigt die Teillagerstellen 8a, 8b im ungesteckten Zustand. Die erste Teillagerstelle 8a weist zwei kreissegmentförmige Teile 19 auf, welche durch zwei axiale Längsschlitze 20 voneinander separiert sind. Diese Längsschlitze 20 bilden Nuten für die Anschlussdrähte 18, welche unter der Lagerstelle 8 von den Schleifringen 13 zu den Rotorwicklungen geführt werden müssen. Durch die Nut wird die Lagerstelle 8 in Umfangsrichtung unterbrochen und führt zu erhöhter mechanischer Belastung des Lagers und zu erhöhten Reibungsverlusten im Lager.
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Um diesen Effekt auf ein verschwindendes Maß zu reduzieren, besitzt das Schleifringmodul 7 den (Stahl-)Grundkörper 11, welcher zudem über eine Passung mit der Rotorwelle 6 verbunden wird. Dazu werden in die Längsschlitze 20, deren Breite einer Breite der Gabelschenkel 16 entspricht, die Gabelschenkel 16 axial eingesteckt, sodass sich die in 2 gezeigte Lagerstelle 8 mit dem ringförmigen Lagersitz 9 ergibt. Somit werden die Teillagerstellen 8a, 8b nicht nur formschlüssig, sondern auch kraftschlüssig verbunden. Die kraftschlüssige Verbindung ist hier eine Presspassung, welche sich dadurch ergibt, dass ein Steg 21, welcher zwischen den kreissegmentförmigen Teilen 19 in dem Ende 10 der Rotorwelle 6 ausgebildet ist, beim Zusammenstecken zwischen die Gabelschenkel 16 gepresst wird.
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In 7 ist eine Seitenschnittansicht der Baugruppe 5 im Bereich der Lagerstelle 8 gezeigt. Der Gabelschaft 12 kann ebenfalls eine Durchgangsöffnung 22 aufweisen, in welcher ein Befestigungselement 23 zum Halten der Schleifringe 13 auf dem Gabelschaft 12 angeordnet ist.
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Um eine in Umfangsrichtung stufenlose, möglichst glatte, kreisförmige Außenkontur des Lagersitzes 9 bereitzustellen und um damit den Steifigkeitssprung durch die Nut in der Rotorwelle 6 zu kompensieren, weisen die kreissegmentförmigen Teile 19 und die Gabelschenkel 16 zumindest im Bereich der Teillagersitze 9a, 9b die gleichen Außenformen auf. In axialer Richtung weist die Lagerstelle 8 hier Stufen auf, welche beispielsweise Anschlag- und Zentrierflächen für das Lager, eine Dichtung und einen Sicherungsring ausbilden.
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Im zusammengefügten Zustand der Baugruppe 5 mit dem Blechpaket 2 werden, wie auch in der Draufsicht in 8 gezeigt, außerdem Stützringe 24 auf den axial gegenüberliegenden Stirnseiten des Blechpakets 2 angeordnet. Diese Stützringe 24 ummanteln Wickelköpfe 25, welche die Rotorwicklungen an den axial gegenüberliegenden Stirnseiten des Blechpakets 2 ausbilden. Über Befüllöffnungen 26 in den Stützringen 24 wird eine Vergussmasse zum Befestigen der Stützringe 24 an den Wickelköpfen 25 eingefüllt.
