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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, etwa eine Synchronmaschine. Insbesondere betrifft die Erfindung einen Vergusskörper und ein Verfahren zur effizienten und zuverlässigen Abdichtung der Rotornuten eines Rotors einer elektrischen Maschine, um Vergussmasse in die Rotornuten des Rotors einbringen zu können.
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Ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug umfasst eine elektrische Maschine zum Antrieb des Fahrzeugs. Die elektrische Maschine umfasst einen Stator, der einen Rotor der elektrischen Maschine umschließt.
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Die Rotornuten des (stromerregten) Rotors einer elektrischen Maschine werden typischerweise jeweils mit einem Nutverschlusskeil abgedeckt, um in den einzelnen Rotornuten jeweils einen abgeschlossenen Hohlraum zu bilden, der jeweils mit einer Vergussmasse aufgefüllt wird, um die Rotorwicklungen innerhalb der Hohlräume der einzelnen Rotornuten örtlich zu fixieren und/oder elektrisch von dem Rotorkörper zu isolieren.
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Das Aufbringen der einzelnen Nutverschlusskeile auf die einzelnen Rotornuten eines Rotorkörpers kann mit einem relativ hohen Fertigungsaufwand verbunden sein. Des Weiteren kann es aufgrund von Fertigungstoleranzen zu Leckagen (in radialer und/oder axialer Richtung) kommen.
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Während des Betriebs des Rotors wirken Fliehkräfte auf die einzelnen Nutverschlusskeile des Rotors. Dies kann bei relativ hohen Drehzahlen dazu führen, dass ein Nutverschlusskeil aus einer Rotornut geschleudert wird, was zu einem Defekt der elektrischen Maschine führt.
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Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, eine besonders effiziente und zuverlässige Abdichtung der Rotornuten des Rotorkörpers des Rotors einer elektrischen Maschine bereitzustellen, insbesondere um die Effizienz und die Zuverlässigkeit der elektrischen Maschine zu erhöhen.
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Die Aufgabe wird jeweils durch die unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u.a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass zusätzliche Merkmale eines von einem unabhängigen Patentanspruch abhängigen Patentanspruchs ohne die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs oder nur in Kombination mit einer Teilmenge der Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs eine eigene und von der Kombination sämtlicher Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs unabhängige Erfindung bilden können, die zum Gegenstand eines unabhängigen Anspruchs, einer Teilungsanmeldung oder einer Nachanmeldung gemacht werden kann. Dies gilt in gleicher Weise für in der Beschreibung beschriebene technische Lehren, die eine von den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche unabhängige Erfindung bilden können.
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Gemäß einem Aspekt wird ein Vergusskörper zum Abdecken einer Vielzahl von Rotornuten eines Rotorkörpers eines Rotors einer elektrischen Maschine beschrieben. Der Rotorkörper kann z.B. 4 oder mehr oder 6 oder mehr Rotornuten aufweisen.
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Eine Rotornut kann jeweils durch einen ersten Schenkelpol und durch einen zweiten Schenkelpol des Rotorkörpers gebildet und/oder begrenzt werden. Die einzelnen Schenkelpole können jeweils einen Polschuh mit Schenkeln aufweisen, wobei die Schenkel sich jeweils in Umfangsrichtung des Rotorkörpers erstrecken. Zwischen den Schenkelpolen, insbesondere zwischen einander zugewandten Schenkeln der Polschuhe der Schenkelpole, wird typischerweise eine Öffnung der Rotornut gebildet. Die Öffnung kann sich entlang der Längsachse des Rotorkörpers von der ersten Stirnfläche bis zu der gegenüberliegenden zweiten Stirnfläche des Rotorkörpers erstrecken. Ferner kann sich die Öffnung in Umfangsrichtung der Mantelfläche des Rotorkörpers von dem ersten Schenkelpol (insbesondere von dem ersten Schenkel des Polschuhs des ersten Schenkelpols) bis zu dem zweiten Schenkelpol (insbesondere bis zu dem zweiten Schenkel des Polschuhs des zweiten Schenkelpols) erstrecken. Die Öffnung kann die Form eines (fehlenden) Segments der Mantelfläche des Rotorkörpers aufweisen.
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Der Vergusskörper umfasst eine Vielzahl von Nutverschlusselementen für die entsprechende Vielzahl von Rotornuten. Dabei können sich die einzelnen Nutverschlusselemente jeweils entlang der Längsachse der entsprechenden Rotornut erstrecken. Ferner können die einzelnen Nutverschlusselemente jeweils ausgebildet sein, die entsprechende Rotornut zumindest für einen Teil der Gesamtlänge der Rotornut (in radialer Richtung) abzudecken (und abzudichten). Ein Nutverschlusselement für eine Rotornut kann z.B. ausgebildet sein, die Rotornut über 30% bis 70% (insbesondere über genau 50%) der Gesamtlänge (der Rotornut abzudecken.
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Der Vergusskörper umfasst ferner einen Stirnflächen-Ring, an dem die Vielzahl von Nutverschlusselementen befestigt ist. Der Stirnflächen-Ring kann ausgebildet sein, an der ersten oder zweiten Stirnfläche des Rotorkörpers angeordnet zu werden, um die Vielzahl von Rotornuten an der (ersten oder zweiten) Stirnfläche des Rotorkörpers in axialer Richtung abzudecken (und abzudichten).
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Der Vergusskörper kann ausgebildet sein, zusammen mit der Vielzahl von Rotornuten in effizienter und zuverlässiger Weise einen abgedichteten Hohlraum zu bilden, der mit Vergussmasse ausgefüllt werden kann, um die in den Rotornuten angeordneten Rotorspulen bzw. Rotorwicklungen zu fixieren.
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Das Nutverschlusselement für eine Rotornut kann einen Abdeckbereich aufweisen, der ausgebildet ist, die Öffnung zwischen den beiden Schenkelpolen des Rotorkörpers (durch die die Rotornut gebildet wird) zumindest für einen Teil (z.B. für 30% bis 70%) der Gesamtlänge der Rotornut zu bedecken.
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Der Abdeckbereich kann ein entlang der Längsachse verlaufendes erstes Profil aufweisen, das komplementär zu einem entsprechenden ersten Gegenprofil des ersten Schenkels ausgebildet ist. Des Weiteren kann der Abdeckbereich (auf der gegenüberliegenden Längsseite) ein entlang der Längsachse verlaufendes zweites Profil aufweisen, das komplementär zu einem entsprechenden zweiten Gegenprofil des zweiten Schenkels ausgebildet ist. Ein Profil des Abdeckbereichs kann z.B. als Einkerbung oder Vertiefung oder Nut (und somit als Führungsschiene) ausgebildet sein, in die eine komplementäre Feder des jeweiligen Schenkels als Gegenprofil angeordnet werden kann. Alternativ oder ergänzend kann ein Profil des Abdeckbereichs als Feder ausgebildet sein, die in einer Einkerbung oder Vertiefung oder Nut (und somit in einer Führungsschiene) des jeweiligen Schenkels als Gegenprofil angeordnet werden kann.
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Der Abdeckbereich und die einander zugewandten Schenkel der Polschuhe der Schenkelpole können somit derart ausgebildet sein, dass das Nutverschlusselement ausgehend von der (ersten oder zweiten) Stirnfläche des Rotorkörpers, geführt durch das ineinandergreifende erste Profil und erste Gegenprofil und geführt durch das ineinandergreifende zweite Profil und zweite Gegenprofil, über die Öffnung der Rotornut geschoben werden kann (um die Öffnung über einem Teil der Gesamtlänge abzudecken). So kann eine zuverlässige Fixierung des Verschlusselements über der Öffnung einer Rotornut ermöglicht werden.
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Der Abdeckbereich kann somit die Form eines Segments der Mantelfläche des Rotorkörpers aufweisen. Insbesondere kann der Abdeckbereich des Nutverschlusselements derart ausgebildet sein, dass der Abdeckbereich die Mantelfläche des Rotorkörpers an der Stelle der Öffnung vervollständigt, wenn das Nutverschlusselement die Öffnung der Rotornut bedeckt.
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Die Länge des Segments entlang der Längsachse kann einem Bruchteil (z.B. 30% bis 70%) der Gesamtlänge des Rotorkörpers (von der ersten bis zu der zweiten Stirnfläche) entsprechen. Die Ausbreitung des Segments in Umfangsrichtung kann dem Abstand zwischen den beiden, einander zugewandten, Schenkeln der Polschuhe entsprechen, durch die die Öffnung der Rotornut begrenzt wird. Der Abdeckbereich kann ein Aufschieben des Nutverschlusselements über die Öffnung der Rotornut ermöglichen, sodass das Nutverschlusselement durch die einander zugewandten Schenkel der Polschuhe örtlich fixiert wird, und sodass das Nutverschlusselement durch die Schenkel der Polschuhe auch bei Vorliegen von Fliehkräften (bis zum Erreichen einer bestimmten Grenz-Fliehkraft) in der Rotornut gehalten wird.
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Alternativ kann der Abdeckbereich des Nutverschlusselements für eine Rotornut ausgebildet sein, an der der Rotornut zugewandten Innenseite des ersten Schenkels und des zweiten Schenkels anzuliegen. So kann eine besonders effiziente Abdichtung der Öffnung der Rotornut bewirkt werden.
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Die einzelnen Nutverschlusselemente können jeweils entsprechend ausgebildet sein, um die Öffnungen der einzelnen Rotornuten (in radialer Richtung) abzudecken und insbesondere abzudichten.
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Die einzelnen Nutverschlusselemente können jeweils einen Eintauchbereich aufweisen, der derart ausgebildet ist, dass sich der Eintauchbereich ausgehend von dem jeweiligen Abdeckbereich in die Rotornut erstreckt, wenn der Abdeckbereich die Öffnung der Rotornut bedeckt.
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Der Eintauchbereich eines Nutverschlusselements für eine Rotornut kann Seitenwände aufweisen, die jeweils im Wesentlichen in einer Ebene angeordnet sind, die durch die Längsachse und durch eine in radialer Richtung verlaufenden Radialachse aufgespannt wird (wobei die Radialachse durch die Rotornut verläuft, in oder an der das Nutverschlusselement angeordnet ist).
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Der Eintauchbereich kann sich entlang der Längsachse über die Länge des Abdeckbereichs erstrecken. Fener kann der Eintauchbereich entlang der radialen Richtung (von dem Abdeckbereich zu der Rotationsachse des Rotorkörpers hin) eine bestimmte Eintauchtiefe aufweisen (z.B. zwischen 20% und 50% der Gesamttiefe der Rotornut).
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Das Nutverschlusselement, insbesondere der Eintauchbereich des Nutverschlusselements, kann im Wesentlichen die Form eines (geraden) Prismas mit einer bestimmten Grundfläche aufweisen. Die Grundfläche kann z.B. eine Dreiecksform oder eine T-Form aufweisen.
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Der Eintauchbereich des Nutverschlusselements kann ausgebildet sein, die Rotornut, in bzw. an der das Nutverschlusselement angeordnet ist, entlang einer Trennebene, die durch die Längsachse und durch die Radialachse aufgespannt wird, in eine erste Hälfte und in eine zweite Hälfte zu unterteilen, wobei die erste Hälfte dem ersten Schenkelpol und die zweite Hälfte dem zweiten Schenkelpol zugewandt ist. In der ersten Hälfe der Rotornut können erste Wicklungen um den ersten Schenkelpol und in der zweiten Hälfte der Rotornut können zweite Wicklungen um den zweiten Schenkelpol angeordnet werden oder angeordnet sein.
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Der Eintauchbereich kann derart ausgebildet sein, dass von ausgehärteter Vergussmasse (z.B. von einem ausgehärteten Harz), mit der die mit dem Nutverschlusselement abgedeckte Rotornut (im Wesentlichen vollständig) aufgefüllt ist, über den Eintauchbereich eine Rückhaltekraft gegen eine auf das Nutverschlusselement wirkende Fliehkraft bewirkt wird (zusätzlich zu der Rückhaltekraft, die von den Schenkeln der Polschuhe der angrenzenden Schenkelpole bewirkt wird).
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Insbesondere kann der Eintauchbereich ein oder mehrere Durchbrüche und/oder Aussparungen aufweisen, die ausgebildet sind, von der Vergussmasse durchdrungen zu werden, mit der die mit dem Nutverschlusselement abgedeckte Rotornut aufgefüllt ist. Wie bereits weiter oben dargelegt, kann der Eintauchbereich eine erste Seitenwand aufweisen, die dem ersten Schenkelpol zugewandt ist, und eine zweite Seitenwand aufweisen, die dem zweiten Schenkelpol zugewandt ist, wenn der Abdeckbereich die Öffnung der Rotornut bedeckt. Die ein oder mehreren Durchbrüche können dann jeweils zwischen der ersten und der zweiten Seitenwand des Eintauchbereichs verlaufen.
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Durch die Bereitstellung von ein oder mehreren Durchbrüchen in dem Eintauchbereich der einzelnen Nutverschlusselemente kann eine besonders zuverlässige Fixierung der Nutverschlusselemente in den einzelnen Rotornuten ermöglicht werden. Ferner kann das Gewicht des Vergusskörpers reduziert werden. Des Weiteren kann im Rahmen des Verguss-Prozesses die Verteilung von Vergussmasse innerhalb der einzelnen Rotornuten verbessert werden.
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Zum vollständigen Abdecken der Vielzahl von Rotornuten kann an der ersten Stirnfläche des Rotorkörpers ein erster Vergusskörper und an der zweiten Stirnfläche des Rotorkörpers ein zweiter Vergusskörper angeordnet werden. Die einzelnen Rotornuten können jeweils durch zwei Nutverschlusselemente (jeweils durch ein Nutverschlusselement der beiden Vergusskörper) abgedeckt werden.
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Das Nutverschlusselement für eine Rotornut kann an der von dem Stirnflächen-Ring abgewandten Stirnfläche ein Profil aufweisen, das ausgebildet ist, mit einem komplementären Profil eines Nutverschlusselements des zweiten Vergusskörpers, der an der zweiten Stirnfläche des Rotorkörpers angeordnet ist, zu interagieren, um die Rotornut abzudichten. So kann eine besonders zuverlässige Abdichtung der Rotornuten bewirkt werden.
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Ein Vergusskörper, insbesondere der Stirnflächen-Ring des Vergusskörpers, kann an der äußeren Mantelfläche mehrere Auflageflächen für einen Stützring aufweisen. Dabei können die Auflageflächen an unterschiedlichen Winkelpositionen, insbesondere gleichverteilt, um die Rotorachse des Rotors angeordnet sein. Durch die Bereitstellung von Auflageflächen für einen Stützring kann eine besonders zuverlässige Fixierung des Vergusskörpers an dem Rotorkörper bewirkt werden.
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Der Stirnflächen-Ring kann mehrere stirnseitige Kanäle aufweisen, die jeweils derart ausgebildet sind, dass über die stirnseitigen Kanäle Vergussmasse in die Vielzahl von Rotornuten eingeleitet werden kann. Der Stirnflächen-Ring kann z.B. eine Vielzahl von Ring-Segmenten für die entsprechende Vielzahl von Rotornuten aufweist, wobei sich ein Ring-Segment jeweils in Umfangsrichtung des Rotorkörpers von einer ersten Rotornut bis zu einer direkt benachbarten zweiten Rotornut erstreckt. Die Ring-Segmente können jeweils einen stirnseitigen Kanal zur Einleitung von Vergussmasse in die Vielzahl von Rotornuten aufweisen. Durch die Bereitstellung von stirnseitigen Kanälen kann ein besonders zuverlässiges Einbringen von Vergussmasse bewirkt werden.
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Der Stirnflächen-Ring, insbesondere die einzelnen Ring-Segmente des Stirnflächen-Rings, weist eine Ausbreitung in radialer Richtung auf, die zumindest der Gesamttiefe der einzelnen Rotornuten entspricht. So kann eine zuverlässige Abdeckung der Rotornuten in axialer Richtung bewirkt werden.
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Der Stirnflächen-Ring des Vergusskörpers kann Dichtflächen aufweisen, die ausgebildet sind, einen abgedichteten Hohlraum zur Aufnahme von Vergussmasse an der Stirnfläche des Rotorkörpers zu bilden. So kann in besonders zuverlässiger Weise ein abgedichteter Hohlraum für Vergussmasse gebildet werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Rotor für eine elektrische Maschine beschrieben. Der Rotor umfasst einen Rotorkörper mit einer Vielzahl von Rotornuten, die sich jeweils entlang der Längsachse von der ersten Stirnfläche bis zu der gegenüberliegenden zweiten Stirnfläche des Rotorkörpers erstrecken. Der Rotor umfasst ferner einen ersten Vergusskörper (der wie in diesem Dokument beschrieben ausgebildet ist), der an der ersten Stirnfläche des Rotorkörpers angeordnet ist. Des Weiteren umfasst der Rotor einen zweiten Vergusskörper (der wie in diesem Dokument beschrieben ausgebildet ist), der an der zwei Stirnfläche des Rotorkörpers angeordnet ist. Durch die Verwendung von zwei Vergusskörpern kann in effizienter und zuverlässiger Weise ein (abgedichteter) Hohlraum zur Aufnahme von Vergussmasse bereitgestellt werden.
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Der Rotor kann einen ersten Stützring umfassen, der den ersten Vergusskörper zumindest teilweise umschließt, und der ausgebildet ist, den ersten Vergusskörper an dem Rotorkörper zu fixieren. Des Weiteren kann der Rotor einen zweiten Stützring umfassen, der den zweiten Vergusskörper zumindest teilweise umschließt, und der ausgebildet ist, den zweiten Vergusskörper an dem Rotorkörper zu fixieren. So kann die Stabilität des Rotors weiter erhöht werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine elektrische Maschine, insbesondere eine (stromerregte) Synchronmaschine, beschrieben, die den in diesem Dokument beschriebenen Rotor umfasst.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein (Straßen-) Kraftfahrzeug (insbesondere ein Personenkraftwagen oder ein Lastkraftwagen oder ein Bus oder ein Motorrad) beschrieben, das die in diesem Dokument beschriebene elektrische Maschine zum Antrieb des Fahrzeugs umfasst.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors für eine elektrische Maschine beschrieben, wobei der Rotor einen Rotorkörper mit einer Vielzahl von Rotornuten umfasst, die sich jeweils entlang der Längsachse von der ersten Stirnfläche bis zu der gegenüberliegenden zweiten Stirnfläche des Rotorkörpers erstrecken.
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Das Verfahren umfasst das Aufschieben eines ersten Vergusskörpers von der ersten Stirnfläche her in und/oder auf die Vielzahl von Rotornuten des Rotorkörpers, sowie das Aufschieben eines zweiten Vergusskörpers von der zweiten Stirnfläche her in und/oder auf die Vielzahl von Rotornuten des Rotorkörpers. Dabei können jeweils die einzelnen Nutverschlusselemente in und/oder auf die entsprechenden Rotornuten geschoben werden. Ferner kann der jeweilige Stirnflächen-Ring auf die jeweilige Stirnfläche zu geschoben und dort angeordnet werden.
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Das Verfahren umfasst ferner das Einbringen von Vergussmasse in den durch die Vielzahl von Rotornuten, durch den ersten Vergusskörper und durch den zweiten Vergusskörper gebildeten Hohlraum. Der Weiteren können Stützringe um die beiden Vergusskörper angeordnet werden.
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Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Vorrichtungen, Verfahren und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Vorrichtungen, Verfahren und Systemen verwendet werden können. Des Weiteren können j egliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Vorrichtungen, Verfahren und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Ferner sind in Klammern aufgeführte Merkmale als optionale Merkmale zu verstehen.
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Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen
- 1a eine beispielhafte elektrische Maschine;
- 1b eine perspektivische Ansicht eines beispielhaften Rotorkörpers;
- 1c eine perspektivische Ansicht eines beispielhaften Nutverschlusskeils;
- 2a eine perspektivische Ansicht eines beispielhaften Rotors mit Rotorspulen;
- 2b einen beispielhaften ersten Vergusskörper;
- 2c einen beispielhaften zweiten Vergusskörper;
- 2d einen beispielhaften Stützring;
- 2e einen beispielhaften Polschuh eines Rotorkörpers;
- 3a einen beispielhaften Rotor mit Vergusskörpern;
- 3b einen beispielhaften Rotor mit Vergusskörpern und Stützringen;
- 4a ein beispielhaftes Vergussvolumen aus Vergussmasse;
- 4b einen Ausschnitt des Vergussvolumens aus 4a; und
- 5 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Einbringen von Vergussmasse in die Rotornuten eines Rotors einer elektrischen Maschine.
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Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der effizienten und zuverlässigen Abdichtung der Rotornuten des Rotors einer elektrischen Maschine, insbesondere um die Effizienz und/oder die Zuverlässigkeit der elektrischen Maschine zu erhöhen. In diesem Zusammenhang zeigt 1a eine beispielhafte elektrische Maschine 100 in einer Ansicht senkrecht auf die Welle 101 der elektrischen Maschine 100. Die Welle 101 der elektrischen Maschine 100 kann der Längsachse des Stators 110 und/oder der Rotationsachse des Rotors 120 der elektrischen Maschine 100 entsprechen. Ferner kann die Welle 101 entlang der z-Achse des dargestellten kartesischen Koordinatensystems verlaufen.
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Die elektrische Maschine 100 umfasst einen Stator 110 mit mehreren Statorwicklungen 111, die an unterschiedlichen Winkelpositionen um die Rotationsachse des Rotors 120 herum angeordnet sind, und die eingerichtet sind, ein elektromagnetisches Drehfeld zu erzeugen. Der Stator 110 ist von einem Gehäuse 135 der elektrischen Maschine 100 umgeben.
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Des Weiteren umfasst die elektrische Maschine 100 den Rotor 120, der durch das von dem Stator 110 bewirkte Drehfeld angetrieben wird. Der Rotor 120 ist fest mit der von der elektrischen Maschine 100 angetriebenen Welle 101 verbunden (die mit der Rotorwelle des Rotors 120 verbunden sein kann oder die der Rotorwelle des Rotors 120 entspricht). Der Rotor 120 umfasst einen Rotorkörper 122.
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Der Rotor 120 einer elektrischen Maschine 100 kann als Rotorkörper 122 ein Eisenblechpaket (z.B. zusammengesetzt aus gegenseitig isolierten Blechen) aufweisen. 1b zeigt einen beispielhaften Rotorkörper 122 eines Rotors 120 in einer perspektivischen Ansicht. Der Rotorkörper 122 erstreckt sich entlang der Rotationsachse bzw. der Längsachse des Rotors 120 von einer ersten Stirnfläche 128 bis zu einer gegenüberliegenden zweiten Stirnfläche 129. Dabei weist der Rotorkörper 122 in dem dargestellten Beispiel unterschiedliche magnetische Schenkelpole 124 auf, die an unterschiedlichen Winkelpositionen um die Rotationsachse des Rotors 120 angeordnet sind. Die Schenkelpole 124 können gleichmäßig um die Rotationsachse herum verteilt angeordnet sein. Um die einzelnen Schenkelpole 124 kann jeweils eine Rotorspule (d.h. jeweils Wicklungen) angeordnet sein, durch die ein Magnetfeld erzeugt wird. Die einzelnen Schenkelpole 124 können somit magnetische Pole des Rotors 120 bilden.
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Der Rotorkörper 122 weist eine zentrale Öffnung 123, insbesondere eine Bohrung, auf, in die die Rotorwelle des Rotors 120 eingeführt werden kann. Die Rotorwelle kann an den Stirnflächen des Rotorkörpers 122 über jeweilige Lagerflächen drehbar gelagert werden, um eine Rotation des Rotors 120 zu ermöglichen.
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Zwischen zwei direkt benachbarten Schenkelpolen 124 der Rotorkörpers 122 wird jeweils eine Rotornut 125 gebildet, in der jeweils die Rotorspulen der angrenzenden Schenkpole 124 angeordnet werden. Eine Rotornut 125 erstreckt sich dabei entlang der Längs- und/oder Rotationsachse von der ersten Stirnfläche 128 bis zu der gegenüberliegenden zweiten Stirnfläche 129 des Rotorkörpers 122. Der Rotorkörper 122 sowie die einzelnen Rotornuten 125 können von der ersten Stirnfläche 128 bis zu der zweiten Stirnfläche 129 jeweils eine bestimmte Gesamtlänge 127 aufweisen.
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Die Rotornut 125 zwischen zwei (in Umfangsrichtung) direkt benachbarten Schenkelpolen 124 weist an der von der Rotorwelle abgewandten Mantelfläche des Rotorkörpers 122 jeweils eine Öffnung 126 auf, wobei sich die Öffnung 126 entlang der Längsachse von der ersten Stirnfläche 128 bis zu der zweite Stirnfläche 129 des Rotorkörpers 122 erstreckt. In Querrichtung zu der Längsachse wird die Öffnung 126 durch (einander zugewandte) Schenkel 131 der Polschuhe 130 der beiden direkt benachbarten Schenkelpole 124 begrenzt.
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Zur Herstellung eines Rotors 120 können jeweils elektrisch leitende Wicklungen bzw. Spulen um die Schenkelpole 124 gewickelt werden, sodass in einer Rotornut 125 jeweils Rotorspulen der zwei direkt benachbarten Schenkelpole 124 angeordnet sind. Nach Anordnen der Spulen können die Öffnungen 126 der einzelnen Rotornuten 125 jeweils mit einem Nutverschlusskeil bedeckt werden.
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Dabei kann ein Nutverschlusskeil von einer Stirnfläche 128 her zwischen die Schenkel 131 der Polschuhe 130 der zwei direkt benachbarten Schenkelpole 124 geschoben werden, um die Öffnung 126 abzudecken.
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1c zeigt einen beispielhaften Nutverschlusskeil 180, der einen Abdeckbereich 186 aufweist, durch den die Abdeckung der Öffnung 126 einer Rotornut 125 bewirkt wird. Der Abdeckbereich 186 kann eine Außenfläche aufweisen, die ausgebildet ist, die Mantelfläche des Rotorkörpers 122 an der zu bedeckenden Öffnung 126 zu vervollständigen. Der Abdeckbereich 186 kann sich (entlang der Längsachse) von einer ersten Stirnseite 181 bis zu einer gegenüberliegenden zweiten Stirnseite 182 erstrecken. Dabei kann die erste Stirnseite 181 des Abdeckbereichs 186 dafür vorgesehen sein, an der ersten Stirnfläche 128 des Rotorkörpers 122 angeordnet zu werden. Die zweite Stirnseite 182 des Abdeckbereichs 186 kann dafür vorgesehen sein, an der zweiten Stirnfläche 129 des Rotorkörpers 122 angeordnet zu werden. Die Länge 184 des Abdeckbereichs 186 des Nutverschlusskeils 180 kann der Gesamtlänge 127 des Rotorkörpers 122 entsprechen.
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Der Abdeckbereich 186 kann seitliche Profile 183 aufweisen, die sich jeweils entlang der Längsachse von der ersten Stirnseite 181 bis zu der zweiten Stirnseite 182 des Abdeckbereichs 186 erstrecken. Dabei kann zum Einschieben des Nutverschlusskeils 180 zwischen zwei Schenkeln 131 der Polschuhe 130 von zwei direkt benachbarten Schenkelpolen 124 ein erstes Profile 183 einem entsprechenden (komplementären) Gegenprofil 283 des ersten Schenkels 131 und das gegenüberliegende zweite Profil 183 einem entsprechenden (komplementären) Gegenprofil 283 des zweiten Schenkels 131 zugewandt sein (siehe 2e). Die Gegenprofile 283 der Schenkel 131 und die entsprechenden Profile 183 des Nutverschlusskeils 180 können dann ineinandergeschoben werden, sodass der aufgeschobene Nutverschlusskeil 180 zwischen den beiden Schenkeln 131 gehalten wird. Ein Profil 183 kann z.B. eine Feder aufweisen, die von der ersten Stirnseite 181 bis zu der zweiten Stirnseite 182 verläuft. Das komplementäre Gegenprofil 283 kann eine komplementäre Nut für diese Feder aufweisen. Alternativ kann das Gegenprofil 283 eine Feder und das Profil 183 kann die komplementäre Nut aufweisen.
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Der Nutverschlusskeil 180 kann ferner einen Eintauchbereich 185 aufweisen, der ausgehend von dem Abdeckbereich 186 in die Rotornut 125 eintaucht, wenn der Nutverschlusskeil 180 die Öffnung 126 der Rotornut 125 bedeckt. Der Eintauchbereich 185 kann sich entlang der Längsachse von der ersten Stirnseite 181 bis zu der zweiten Stirnseite 182 des Abdeckbereichs 186 erstrecken. Darüber hinaus kann der Eintauchbereich 185 an der ersten Stirnseite 181 und/oder an der zweiten Stirnseite 182 jeweils weiter entlang der Längsachse ausgedehnt sein (sodass der Eintauchbereich 185 in dem aufgeschobenen Zustand des Nutverschlusskeils 180 über der ersten Stirnfläche 128 und/oder über der zweiten Stirnfläche 129 des Rotorkörpers 120 übersteht). Der überstehende Teil des Eintauchbereichs 185 kann dann z.B. zum Führen der Wicklungen an der jeweiligen Stirnfläche 128, 129 des Rotorkörpers 122 (d.h. an dem jeweiligen Wickelkopf) verwendet werden.
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Der Eintauchbereich 185 kann sich ausgehend von dem Abdeckbereich 186 in radialer Richtung (d.h. im Wesentlichen senkrecht zu der Abdeckfläche des Abdeckbereichs 186) zu der Rotationsachse des Rotorkörpers 122 hin erstrecken. Der Eintauchbereich 185 kann somit in radialer Richtung in die jeweilige Rotornut 125 eintauchen, wenn der Nutverschlusskeil 180 die Rotornut 125 bedeckt. Dabei kann der Eintauchbereich 185 eine bestimmte Eintauchtiefe in radialer Richtung aufweisen. Die Rotornut 125 kann z.B. ausgehend von der Mantelfläche des Rotorkörpers 122 (d.h. ausgehend von dem Außendurchmesser des Rotorkörpers 122) eine Gesamttiefe aufweisen. Die Eintauchtiefe des Eintauchbereichs 185 kann z.B. 20% oder mehr der Gesamttiefe sein. Andererseits kann die Eintauchtiefe ggf. auf 50% oder weniger der Gesamttiefe begrenzt sein.
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Wie bereits oben dargelegt, können in einer Rotornut 125, die durch einen ersten Schenkelpol 124 und durch einen direkt benachbarten zweiten Schenkelpol 124 begrenzt wird, erste Wicklungen um den ersten Schenkelpol 124 und zweite Wicklungen um den zweiten Schenkelpol 124 angeordnet sein. Der Eintauchbereich 185 des Nutverschlusskeils 180 kann ausgebildet sein, zumindest bereichsweise eine Trennwand zwischen den ersten und den zweiten Wicklungen zu bilden.
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Der Eintauchbereich 185 kann z.B. eine prismatische Form aufweisen, mit einer dreiecksförmigen Grundfläche. Die Grundfläche kann insbesondere die Form eines gleichschenkligen Dreiecks aufweisen. Dabei kann die (relativ schmale) Basis des Dreiecks an der Innenseite des Abdeckbereichs 186 angeordnet sein. Die (relative langen) Schenkel des Dreiecks können von dem Abdeckbereich 186 weg in die Rotornut 125 hineinragen. Durch einen derart geformten Eintauchbereich 185 kann eine besonders effiziente und zuverlässige Trennung zwischen den beiden Windungen in der Rotornut 125 bewirkt werden.
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Der Eintauchbereich 185 kann eine erste Seitenfläche aufweisen, die im eingeschobenen Zustand des Nutverschlusskeils 180 dem ersten Schenkelpol 124 der Rotornut 125 zugewandt ist, und kann eine gegenüberliegende zweite Seitenfläche aufweisen, die im eingeschobenen Zustand des Nutverschlusskeils 180 dem gegenüberliegenden zweiten Schenkelpol 124 der Rotornut 125 zugewandt ist. Die beiden Seitenflächen können sich jeweils von der Innenseite des Abdeckbereichs 186 weg in die Rotornut 125 hinein erstrecken. Ferner können sich die beiden Seitenflächen jeweils entlang der Längsachse erstrecken.
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Im Anschluss an die Anordnung des Nutverschlusskeils 180 an den Öffnungen 126 der entsprechenden Rotornuten 125 des Rotorkörpers 122 können die Hohlräume der abgedeckten Rotornuten 125 jeweils mit einer Vergussmasse aufgefüllt werden, um die Wicklungen in den einzelnen Rotornuten 125 örtlich zu fixieren.
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Bei Betrieb des Rotors 120 stützt sich der Nutverschlusskeil 180 einer Rotornut 125 unter Fliehkraftbelastung an den angrenzenden Schenkpolen 124 ab. Dabei kann es ggf. bei relativ hohen Drehzahlen vorkommen, dass ein einzelner Nutverschlusskeil 180 aus dem Rotor 120 geschleudert wird. Ferner ist das Aufbringen von einzelnen Nutverschlusskeilen 180 auf und/oder in die einzelnen Rotornuten 125 mit einem relativ hohen Herstellungsaufwand verbunden (zumal es während des Fügevorgangs zum Bruch von einzelnen Nutverschlusskeilen 180 kommen kann). Des Weiteren kann es insbesondere an den Stirnflächen 128, 129 der Rotornuten 125 zu Leckagen kommen, durch die Vergussmasse austreten kann.
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In diesem Dokument werden Maßnahmen beschrieben, die ein besonders effizientes und zuverlässiges Abdichten der Rotornuten 125 des Rotorkörpers 122 eines Rotors 120 ermöglichen. In diesem Zusammenhang zeigt 2a eine perspektivische Ansicht eines Rotors 120 mit einem Rotorkörper 122, wobei in der zentralen Öffnung 123 des Rotorkörpers 122 eine Rotorachse 202 angeordnet ist. Ferner sind um die einzelnen Schenkelpole 124 jeweils Rotorspulen 201 angeordnet (die auch als Rotorwicklungen bezeichnet werden). Zwischen den Polschuhen 130 der einzelnen Schenkelpole 124 sind die zu bedeckenden Öffnungen 126 der einzelnen Rotornuten 125 zu sehen.
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2b zeigt einen ersten Vergusskörper 210, der von der ersten Stirnfläche 128 des Rotorkörpers 122 her an dem Rotor 120 angeordnet werden kann. Der erste Vergusskörper 210 umfasst eine Vielzahl von Nutverschlusselementen 211 für die entsprechende Vielzahl von Rotornuten 125 des Rotorkörpers 122. Dabei kann ein Nutverschlusselement 211 jeweils wie ein Nutverschlusskeil 180 ausgebildet sein. Insbesondere kann ein Nutverschlusselement 211 jeweils einen Abdeckbereich 186 zum Abdecken der Öffnung 126 einer Rotornut 125 und einen Eintauchbereich 185 als Trennwand zwischen den beiden Rotorspulen 201 in der Rotornut 125 aufweisen. Ein Nutverschlusselement 211 kann ein oder mehrere der in Zusammenhang mit 1c beschriebenen Merkmale eines Nutverschlusskeils 180 aufweisen.
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In dem in 2b dargestellten Beispiel weisen die einzelnen Nutverschlusselemente 211 jeweils ein oder mehrere Durchbrüche bzw. Aussparungen 214 zwischen der ersten Seitenfläche und der gegenüberliegenden zweiten Seitenfläche des Eintauchbereichs 185 des jeweiligen Nutverschlusselements 211 auf. Die ein oder mehreren Durchbrüche 214 können jeweils Fenster innerhalb der Seitenflächen bilden, sodass die ein oder mehreren Durchbrüche 214 jeweils eine vollständige Umrahmung aufweisen. Ein Nutverschlusselement 211 kann jeweils ein oder mehrere Durchbrüche 214 aufweisen, die entlang der Längsachse hintereinander angeordnet sind. Dabei können die Durchbrüche 214 entlang der Längsachse gleichmäßig verteilt angeordnet sein.
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Die einzelnen (ein oder mehreren) Durchbrüche 214 weisen bevorzugt jeweils einen derart großen Querschnitt (senkrecht zu der Durchbruchsrichtung von der ersten zu der zweiten Seitenfläche) auf, dass sich in den einzelnen Durchbrüchen 214 Vergussmasse anordnen kann, wenn die Rotornut 125, in dem der Eintauchbereich 185 des Nutverschlusselements 211 angeordnet ist, mit Vergussmasse aufgefüllt wird. Als Folge daraus wird durch die ausgehärtete Vergussmasse bei Einwirken von Fliehkräften auf das Nutverschlusselement 211 in den einzelnen Durchbrüchen 214 jeweils eine Rückhaltekraft bewirkt, durch die das Nutverschlusselement 211 in der Rotornut 125 zurückgehalten wird. So kann in effizienter Weise ein Herausschleudern des Nutverschlusselements 211 aus der Rotornut 125 verhindert werden.
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Die Vielzahl von Nutverschlusselementen 211 des ersten Vergusskörpers 210 ist an einer ersten Stirnseite über einen Stirnseiten-Ring 212 miteinander verbunden. Mit anderen Worten, die Nutverschlusselemente 211 sind jeweils an einem Stirnseiten-Ring 211 befestigt. Der Stirnseiten-Ring 212 kann ausgebildet sein, die einzelnen Rotornuten 125 an der ersten Stirnseite 128 des Rotorkörpers 122 in axialer Richtung abzudichten. Zu diesem Zweck kann der Stirnseiten-Ring 212 eine Ausbreitung in radialer Richtung aufweisen, die zumindest der Gesamttiefe der einzelnen Rotornuten 125 entspricht. Ferner kann der Stirnseiten-Ring 212 Funktions- und/oder Abdichtflächen 213 aufweisen, die an entsprechende Funktions- und/oder Abdichtflächen 206 des Rotorkörpers 122 angrenzen, um die einzelnen Rotornuten 125 abzudichten.
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Der Stirnseiten-Ring 212 kann an einer Außenseite (die von der Rotorachse 202 abgewandt ist) ein oder mehrere Auflageflächen 216 für einen Stützring 230 (siehe 2d) zur örtlichen Fixierung des Vergusskörpers 210 an dem Rotorkörper 122 aufweisen. Die Auflageflächen 216 des Stirnflächen-Rings 212 können zusammen mit entsprechenden Auflageflächen 205 des Rotorkörpers 122 eine kreisförmige Auflagefläche für den Stützring 230 bilden.
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Der Stirnflächen-Ring 210 kann ferner ein oder mehrere axiale Kanäle 215 aufweisen, über die Vergussmasse in die einzelnen abgedichteten Rotornuten 125 eingebracht, insbesondere eingespritzt, werden kann. Der Stirnflächen-Ring 210 kann eine Vielzahl von Ring-Segmenten für die entsprechende Vielzahl von Rotornuten 125 aufweisen. Dabei kann sich ein Ring-Segment jeweils von einer erste Rotornut 125 bis zu einer direkt benachbarten zweiten Rotornut 125 erstrecken. Die einzelnen Ring-Segmente können jeweils einen axialen Kanal 215 aufweisen.
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2c zeigt einen zweiten Vergusskörper 220, der an der zweiten Stirnfläche 219 des Rotorkörpers 122 angeordnet werden kann und der entsprechend zu dem ersten Vergusskörper 210 ausgebildet sein kann. Die Nutverschlusselemente 211 der beiden Vergusskörper 210, 220 können derart ausgebildet sein, dass jeweils entsprechende Nutverschlusselemente 211 der beiden Vergusskörper 210, 220 zusammen eine Rotornut 125 entlang der gesamten Länge abdecken. Die Gesamtlänge der beiden entsprechenden Nutverschlusselemente 211 kann somit der Gesamtlänge 127 der Rotornut 125 entsprechen. Beispielsweise können die beiden Nutverschlusselemente 211 jeweils die halbe Gesamtlänge 127 der Rotornut 125 aufweisen.
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Das erste Nutverschlusselement 211 des ersten Vergusskörpers 210 und das entsprechende zweite Nutverschlusselement 211 des zweiten Vergusskörpers 220 können an den einander zugewandten Stirnseiten zueinander komplementäre Profile 221 aufweisen, durch die die Schnittstelle zwischen den beiden Nutverschlusselementen 211 abgedichtet wird. Beispielweise können die komplementären Profile 221 ein Ineinanderschieben der beiden Nutverschlusselemente 211 ermöglichen.
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2d zeigt einen beispielhaften Stützring 230, der eine Innenfläche 236 aufweist, die auf den Auflageflächen 205 eines Vergusskörpers 210, 220 und auf den Auflageflächen 216 des Rotorkörpers 122 angeordnet werden kann, um den Vergusskörper 210, 220 (mittels eines Übermaßpassung) an dem Rotorkörper 122 zu fixieren.
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Zur Abdichtung der Rotornuten 125 eines Rotors 120 kann (wie beispielhaft in 3a dargestellt) der erste Vergusskörper 210 von der ersten Stirnfläche 128 des Rotorkörpers 122 her in die Rotornuten 125 des Rotors 120 geschoben werden. Dabei können die einzelnen Nutverschlusselemente 211 in die entsprechenden Rotornuten 125 geschoben werden, bis der Stirnflächen-Ring 212 an der ersten Stirnfläche 128 anliegt. Ferner kann der zweite Vergusskörper 220 in entsprechender Weise von der zweiten Stirnfläche 129 des Rotorkörpers 122 her in die Rotornuten 125 des Rotors 120 geschoben werden. Die Rotornuten 125 werden dann in radialer Richtung (durch die einzelnen Nutverschlusselemente 211 der beiden Vergusskörper 210, 220) und in axialer Richtung (durch die Stirnflächen-Ringe 212 der beiden Vergusskörper 210, 220) abgedichtet.
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Zur Fixierung der Vergusskörper 210, 220 kann jeweils ein Stützring 230 auf den jeweiligen Vergusskörper 210, 220 (in axialer Richtung) aufgeschoben werden (siehe 3b). Ferner kann durch die einzelnen axialen Kanäle 215 des ersten Vergusskörpers 210 Vergussmasse 300 in die einzelnen Rotornuten 125 eingebracht werden (siehe 3a). Dabei dienen die axialen Kanäle 215 des gegenüberliegenden zweiten Vergusskörpers 220 zur Entlüftung der Rotornuten 125. Zum Einbringen der Vergussmasse 300 kann der erste Vergusskörper 210 unten und der zweite Vergusskörper 220 oben angeordnet werden (z.B. sodass die Rotorachse 202 vertikal angeordnet ist), um in effizienter und zuverlässiger Weise ein vollständiges Auffüllen der Rotornuten 125 mit Vergussmasse 300 (ohne Lufteinschluss) zu bewirken.
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4a veranschaulicht das (nach Aushärtung) durch Vergussmasse 300 gebildete Vergussvolumen 400 innerhalb des Hohlraums, der durch die beiden Vergusskörper 210, 220 gebildet wird. 4b veranschaulicht einen Ausschnitt des Vergussvolumens 400 aus 4a.
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Es können somit zwei Vergusskörper 210, 220 und zwei Stützringe 230 verwendet werden, um einen abgedichteten Hohlraum für Vergussmasse 300 zu bilden. So können die Kupferwicklungen bzw. -spulen 201 eines SSM-Rotors 120 in effizienter und zuverlässiger Weise mit Vergussmasse 300 fixiert und elektrisch isoliert werden.
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Nach dem Bewickeln des Rotorkörpers 122 (d.h. nach dem Anordnen der Rotorspulen 201) können zwei schalenförmige Vergusskörper 210, 220 (zunächst der erste Vergusskörper 210 von der ersten Seite 128 her, und anschließend der zweite Vergusskörper 220 von der zweiten Seite 129 her) axial aufgeschoben werden. Die Abdichtung der Vergusskörper 210, 220 zu den einzelnen Rotor-Komponenten und zueinander erfolgt über Funktions- und/oder Dichtflächen. Zusätzlich können z.B. über gummi-elastische Dichtelemente (z.B. angespritzte Dichtungen an den Vergusskörpern 210, 220) die Dichtwirkung beim Verguss-Prozess verbessert und gewisse Fertigungs- und Montagetoleranzen der Rotor-Komponenten und der Vergusskörper 210, 220 zueinander ausgeglichen werden.
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In dem in diesem Dokument beschriebenen Beispiel weisen die Vergusskörper 210, 220 je Pol einen stirnseitigen Anguss-Kanal 215 und Querverbindungen und/oder Durchbrüche 214 zwischen den Polen auf, welche für eine homogene Verteilung der Vergussmasse 300 während des Anguss-Prozesses sorgen. Die Vergusskörper 210, 220 können im Bereich der Pollücken einen Zentrierdurchmesser 216 an ihrem Außendurchmesser aufweisen. Des Weiteren können die Sternscheiben 205 denselben Zentrierdurchmesser an ihren Außendurchmessern aufweisen. In einem Montageschritt werden die Stützringe 230, welche an ihrem Innendurchmesser 236 einen Zentrierdurchmesser mit Übermaßpassung zu den Außendurchmessern der Vergusskörper 210, 220 und der Sternscheiben 205 aufweisen, axial gefügt. Somit sind die Vergusskörper 210, 220 und die Sternscheiben 205 gegen Fliehkräfte abgestützt.
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Durch die in diesem Dokument beschriebenen Maßnahmen kann auf Nutverschlusskeile 180 mit der Funktion der radialen Abdichtung und auf topfartige Stützringe mit der Funktion der axialen Abdichtung verzichtet werden. Durch die Reduktion des benötigten Vergussvolumens 400 und durch den Wegfall der o.g. Bauteile können das Gewicht und die Kosten einer elektrischen Maschine 100 reduziert werden. Ferner kann die Kühlung der Kupferwicklungen 201 durch Luftverwirbelungen axial entlang der Pollücken und/oder stirnseitig verbessert werden.
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5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 500 zur Herstellung eines Rotors 120 für eine elektrische Maschine 100. Das Verfahren 500 kann insbesondere darauf ausgelegt sein, Vergussmasse 300 in den Rotor 120 einzubringen. Der Rotor 120 umfasst einen Rotorkörper 122 mit einer Vielzahl von Rotornuten 125, die sich jeweils entlang der Längsachse von der ersten Stirnfläche 128 bis zu der gegenüberliegenden zweiten Stirnfläche 129 des Rotorkörpers 122 erstrecken.
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Das Verfahren 500 umfasst das Aufschieben 501 eines ersten Vergusskörpers 210, der wie in diesem Dokument beschrieben ausgebildet ist, von der ersten Stirnfläche 128 her in die Vielzahl von Rotornuten 125 (bzw. über die Öffnungen 126 der Vielzahl von Rotornuten 125) des Rotorkörpers 122. Des Weiteren umfasst das Verfahren 500 das Aufschieben 502 eines zweiten Vergusskörpers 220, der wie in diesem Dokument beschrieben ausgebildet ist, von der zweiten Stirnfläche 129 her in die Vielzahl von Rotornuten 125 (bzw. über die Öffnungen 126 der Vielzahl von Rotornuten 125) des Rotorkörpers 122.
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Das Verfahren 500 umfasst ferner das Einbringen 503 von Vergussmasse 300 in den durch die Vielzahl von Rotornuten 125, durch den ersten Vergusskörper 210 und durch den zweiten Vergusskörper 220 gebildeten (abgedichteten) Hohlraum.
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Durch die in diesem Dokument beschriebenen Maßnahmen kann eine besonders effiziente und zuverlässige Abdichtung der Nuten 125 des Rotors 120 einer elektrischen Maschine 100 bewirkt werden, wodurch die Kosten und das Gewicht der elektrischen Maschine 100 reduziert und die Zuverlässigkeit der elektrischen Maschine 100 erhöht werden können.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur beispielhaft das Prinzip der vorgeschlagenen Vorrichtungen, Verfahren und Systeme veranschaulichen sollen.