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Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine fremderregte elektrische Synchronmaschine sowie eine fremderregte elektrische Synchronmaschine mit einem solchen Rotor.
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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.
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Besonders bei Elektromotoren mit hohen Drehzahlen, beispielsweise in Automobilanwendungen mit mehr als 20.000 U/min, ist eine zuverlässige Fixierung der Rotorwicklungen an dem Rotor unabdingbar, da selbst geringe Verschiebungen der Pole zu hohen Spannungen in einem Wicklungsträger, beispielsweise Rotorpaketen, führen, oder mechanische Beschädigungen an der Wicklung auftreten können. Problematisch ist dabei zugleich, dass für die Wicklungsträger üblicherweise Blechpakete mit mehreren entlang einer axialen Richtung aufeinander gestapelten Blechteilen aus einem ferromagnetischen Material verwendet werden, die beispielsweise eine Streckgrenze von lediglich 420 MPa bei Raumtemperatur und nur noch 350 MPa bei 150°C aufweisen.
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Aus der
EP 3 337 012 A1 ist ein Rotor für eine fremderregte elektrische Synchronmaschine bekannt, mit einem ersten Kernkörper, welcher eine Außenfläche und eine Innenfläche aufweist und aus einzelnen Rotorschuhen gebildet ist, die in einem vorbestimmten Raum entlang einer Umfangsrichtung ganzheitlich miteinander verbunden sind. Des Weiteren vorgesehen ist ein zweiter Kernkörper, welcher Rotorzähne bildet, die eine Innenseite der Rotorschuhe in einer radialen Richtung kontaktieren. Der innere Kernkörper und der äußere Kernkörper bilden dabei eine offene Rotorstruktur, die jedoch insbesondere bei hohen Drehzahlen keine ausreichende Steifigkeit für die Wicklungsträger bildet.
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Aus der
KR 2017/0060501 A ist ein Rotor mit einem inneren Kern mit einer Vielzahl von Zahnabschnitten sowie einen um eine Spule gewickelten und in den Zahnabschnitt eingesetzten Spulenkörper und einem äußeren Kern bekannt, der mit einem Zahnabschnitt verbunden ist, in dem der Spulenkörper eingesetzt ist. Hierdurch wird eine geschlossene Rotorstruktur geschaffen, die jedoch einen vergleichsweise hohen Montageaufwand und dadurch höhere Kosten verursacht.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, einen Rotor anzugeben, der insbesondere die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwindet.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen Wicklungsträger, der die Rotorwicklungen eines Rotors für eine fremderregte elektrische Synchronmaschine, insbesondere für einen Traktionsmotor eines Fahrzeugs, trägt, so zu modifizieren, dass dieser selbst eine geschlossene Rotorstruktur bildet und dadurch sowohl die für hohe Drehzahlen erforderliche hohe Steifigkeit als auch ein zuverlässiges Fixieren der Rotorwicklungen gewährleistet und ein Bersten des Rotors verhindert. Der erfindungsgemäße Rotor besitzt dabei eine Rotorwelle, die sich entlang einer axialen Richtung erstreckt. Ebenfalls weist der erfindungsgemäße Rotor den zuvor genannten Wicklungsträger auf, der drehfest mit der Rotorwelle verbunden ist und der zumindest zwei, vorzugsweise vier oder mehr elektrisch bestrombare Rotorwicklungen zum Erzeugen eines magnetischen Rotorfeldes aufweist bzw. trägt. Der Wicklungsträger selbst ist dabei durch ein Blechpaket mit mehreren entlang der axialen Richtung aufeinander gestapelten Blechteilen aus einem ferromagnetischen Material gebildet und zudem an seinem äußeren Umfang die Rotorwicklungen überbrückend geschlossen ausgebildete. Hierdurch ist es erstmals möglich, den Wicklungsträger selbst derart zu modifizieren, dass dieser eine geschlossene Rotorstruktur und dadurch eine vergleichsweise hohe Steifigkeit ermöglicht.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Rotors ist der Wicklungsträger als Blechpaket aus einzelnen in Axialrichtung übereinander gestapelten Blechstanzteilen ausgebildet. Dies bietet eine besonders einfache Herstellungsmöglichkeit des Wicklungsträgers, wobei die Ausnehmungen für die Rotorwicklungen einfach mit ausgestanzt werden. Der derart hergestellte Wicklungsträger weist an seinem äußeren Umfangsrand einen durchgehend geschlossenen Ring auf, der Bestandteil des Wicklungsträgers ist und dazu beiträgt, sowohl die einzelnen Rotorwicklungen auch bei hohen Drehzahlen zu fixieren, als auch ein Bersten des Rotors zu verhindern.
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In den Ausnehmungen des Wicklungsträgers werden dabei die Rotorwicklungen aufgenommen, wobei zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten Ausnehmungen ein Steg angeordnet ist, welcher durch den Wicklungsträger gebildet ist und welcher die jeweilige darum gewundene Rotorwicklung trägt. In jeder Ausnehmung sind so jeweils ein Teil zweier benachbarter Rotorwicklungen angeordnet. Zwischen den beiden benachbarten Rotorwicklungen ist in der Ausnehmung noch ein Abstand bzw. Raum vorgesehen, der beispielsweise mit Luft oder einer Vergussmasse, insbesondere Harz, verfüllt ist. Insbesondere das Verfüllen mit einer Vergussmasse ermöglicht sowohl eine elektrische Isolierung als auch eine zusätzliche Fixierung der einzelnen Rotorwicklungen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotors sind die einzelnen Rotorwicklungen mittels Hair-Pin-Technologie hergestellt. Die sogenannte Hair-Pin-Technologie ist eine Wickeltechnologie für Steckspulen, welche in Statornuten eines Wicklungsträgers eingefügt werden. Die Steckspulen, sogenannte Hair-Pins, bestehen üblicherweise aus U-förmig gebogenen und lackierten Kupferflachdrähten und ähneln in ihrer Geometrie Haarnadeln, woraus sich der Begriff Hair-Pins ableitet. Üblicherweise werden dabei die Steckspulen separat vormontiert und als sogenannter Hair-Pin-Korb mit Hilfe eines entsprechenden Greifsystems axial in den jeweiligen Wicklungsträger eingeführt. Hierdurch ist eine einerseits prozesssichere und andererseits automatisierte Herstellung derartiger Rotorwicklungen möglich.
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Alternativ ist auch denkbar, dass die Rotorwicklungen mittels einer sogenannten Nähtechnik hergestellt werden, bei welchem Runddrähte der Rotorwicklungen ähnlich wie bei einem Nähvorgang gewickelt werden. Auch eine derartige Nähtechnik ist eine bereits langjährig erprobte, zuverlässige und zugleich automatisiert durchführbare Wickeltechnik.
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Bei einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotors weist der Wicklungsträger zumindest zwei Teilsegmente, vorzugsweise acht Teilsegmente auf. Eine derartige Aufteilung des Wicklungsträgers in einzelne Teilsegmente bietet den großen Vorteil, dass die einzelnen Rotorwicklungen separat an jedem noch separaten Teilsegment durch Umwickeln desselben einfach hergestellt werden können.
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Zweckmäßig sind die Teilsegmente als Gleichteile ausgebildet. Hierdurch bietet sich der große Vorteil, dass eine vergleichsweise einfache Montage der Teilsegmente zum Wicklungsträger möglich ist und zur Herstellung einer Rotorwicklung an jedem Teilsegment dieselbe Wickelmaschine nutzbar ist. Hierdurch lässt sich der Wicklungsträger und damit indirekt auch der Rotor sowie die damit ausgestattete Synchronmaschine kostengünstig herstellen.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung weist jedes Teilsegment zwei äußere in Umfangsrichtung voneinander abgewandte erste Arme und einen inneren sich in Umfangsrichtung erstreckenden zweiten Arm sowie einen dazwischen angeordneten Steg auf. Dies ermöglicht eine vergleichsweise einfache Montage der einzelnen Teilsegmente über ihre jeweils äußeren ersten Arme mit einem Stift, insbesondere Gelenke, aneinander, wobei jedes Teilsegment über seinen inneren zweiten Arm zusätzlich mit einem weiteren Stift, ebenfalls insbesondere gelenkig, mit einem benachbarten Teilsegment verbunden ist. Dies bietet den großen Vorteil, jedes Teilsegment mit einer zugehörigen Rotorwicklung separat vorfertigen zu können, insbesondere zu wickeln, und erst anschließend die einzelnen Teilsegmente miteinander zu verstiften und dadurch die geschlossene Rotorstruktur herzustellen.
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Zweckmäßig ist die Rotorwicklung um einen jeweiligen Steg eines Teilsegments gewickelt. Durch die beiden äußeren sich jeweils in entgegengesetzter Umfangsrichtung erstreckenden ersten Arme ergibt sich eine Art Ausnehmung in jedem Teilsegment, in welcher die jeweiligen Rotorwicklungen aufgenommen werden kann. Die beiden äußeren ersten Arme fixieren dabei die Rotorwicklungen auch bei vergleichsweise hohen Drehzahlen von 20.000 U/min zuverlässig.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotors weist ein jeweiliger Steg eines Teilsegments in Radialrichtung eine gleichbleibende Breite auf. Hierdurch ist ein vergleichsweise einfaches Herstellen der Rotorwicklungen, insbesondere auch automatisiert, möglich.
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Zweckmäßig bilden die einzelnen Teilsegmente mit der jeweils darauf angeordneten Rotorwicklung ein vorgefertigtes Bauteil. Dies ermöglicht eine kostengünstige und qualitativ hochwertige Vorfertigung der einzelnen Teilsegmente samt Rotorwicklungen und vermeidet darüber hinaus das vergleichsweise komplizierte Herstellen von Rotorwicklungen bei in Umfangsrichtung bereits geschlossenen Wicklungsträgern.
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Zweckmäßig besteht die Rotorwelle aus einem nicht-ferromagnetischen, vorzugsweise paramagnetischen, Material. Auf diese Weise wird eine unerwünschte Beeinflussung des von den Rotorwicklungen bei elektrischer Bestromung erzeugten magnetischen Rotorfeldes geringgehalten oder sogar vollständig unterbunden.
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Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, eine fremderregte elektrische Synchronmaschine, insbesondere einen Traktionsmotor für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, anzugeben, mit einem Stator, der wenigstens eine elektrisch bestrombare Statorspule zum Erzeugen eines magnetischen Statorfeldes aufweist sowie einen relativ zum Stator um eine Rotorachse drehbaren Rotor entsprechend den vorherigen Absätzen. Mit der fremderregten elektrischen Synchronmaschine lassen sich die bezüglich des Rotors erzielbaren Vorteile einer einfachen Herstellbarkeit sowie einer hohen Belastungsfähigkeit, insbesondere gegenüber Fliehkräften bei hohen Drehzahlen des in den vorherigen Absätzen beschriebenen erfindungsgemäßen Rotors auch auf die fremderregte elektrische Synchronmaschine übertragen.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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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. Vorstehend genannte und nachfolgend noch zu nennende Bestandteile einer übergeordneten Einheit, wie z.B. einer Einrichtung, einer Vorrichtung oder einer Anordnung, die separat bezeichnet sind, können separate Bauteile bzw. Komponenten dieser Einheit bilden oder integrale Bereiche bzw. Abschnitte dieser Einheit sein, auch wenn dies in der Zeichnung anders dargestellt ist.
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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.
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Es zeigen, jeweils schematisch:
- 1 eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Rotor einer erfindungsgemäßen fremderregten elektrischen Synchronmaschine,
- 2 eine Darstellung wie in 1, jedoch mit einem anderen Rotor.
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Entsprechend den 1 und 2 weist ein erfindungsgemäßer Rotor 1 für eine fremderregte elektrische Synchronmaschine 2, insbesondere für einen Traktionsmotor eines Fahrzeugs, beispielsweise eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs, eine Rotorwelle 3 auf, die sich entlang einer axialen Richtung, die gemäß den 1 und 2 senkrecht zur Blattebene verläuft, erstreckt. Ebenfalls vorgesehen ist ein Wicklungsträger 4, welcher drehfest mit der Rotorwelle 3 verbunden ist und der zumindest zwei, vorzugsweise vier oder mehr elektrisch bestrombare Rotorwicklungen 5 zum Erzeugen eines magnetischen Rotorfeldes aufweist. Gemäß der 1 weist der Rotor 1 dabei insgesamt vier Rotorwicklungen 5 auf, während er gemäß der 2 insgesamt acht Rotorwicklungen 5 besitzt. Andere Polpaarzahlen sind bei beiden Varianten denkbar.
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Der Wicklungsträger 4 selbst ist durch ein Blechpaket mit mehreren entlang der axialen Richtung aufeinander gestapelten Blechteilen aus einem ferromagnetischen Material gebildete. Zusätzlich ist der Wicklungsträger 4 an seinem äußeren Umfang die einzelnen Rotorwicklungen 5 überbrückend, das heißt mit einer Brücke 6, ausgebildet. Dies bietet den großen Vorteil, dass die einzelnen Rotorwicklungen 5 nach radial außen durch die geschlossene Rotorstruktur des Wicklungsträgers 4, das heißt die jeweilige Brücke 6, fixiert sind, so dass es auch bei hohen Drehzahlen nicht zu einem Verschieben der Rotorwicklungen 5 und damit zu einem Verschieben der Pole sowie zu hohen Spannungen und Verformungen kommen kann.
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Der Wicklungsträger 4 ist dabei aus einzelnen jeweils als Blechstanzteilen ausgebildeten Blechteilen hergestellt, welche in dem zusammengebauten Wicklungsträger 4 zueinander fluchtende Ausnehmungen 7 aufweist, die beispielsweise zusammen mit dem jeweiligen Blechteil einfach ausgestanzt werden können. Zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten Ausnehmungen 7 ist dabei ein Steg 8 angeordnet, der einen inneren Bereich mit einem äußeren Bereich verbindet und um welchen die jeweiligen Rotorwicklungen 5 gewickelt sind. In Umfangsrichtung zwischen zwei benachbarten Rotorwicklungen 5 kann zudem noch ein Raum 9 vorgesehen sein, welcher beispielsweise mit Luft oder einer Vergussmasse gefüllt ist. Insbesondere das Verfüllen mit einer Vergussmasse trägt dazu bei, die einzelnen Rotorwicklungen 5 zusätzlich zu stabilisieren und zu fixieren.
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Jede der Ausnehmungen 7 besitzt an einer Innenseite 10 einen radial nach außen ragenden Kamm 11, welcher linienartig ausgebildet ist und welcher die einzelnen Rotorwicklungen 5 formschlüssig fixiert.
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Die einzelnen Rotorwicklungen 5 können dabei beispielsweise mittels Hair-Pin-Technologie hergestellt werden, bei welchem einzelne U-förmig, das heißt haarnadelförmig, gebogene Drähte zunächst separat vorgefertigt und in der Art eines Nests bzw. eines Korbs angeordnet werden, um anschließend in Axialrichtung, das heißt im vorliegenden Fall senkrecht zur Blattebene, in den Wicklungsträger 4 bzw. dessen Ausnehmungen 7 eingeschoben werden zu können. Alternativ ist selbstverständlich auch denkbar, dass die einzelnen Rotorwicklungen 5 mittels Nähtechnik ausgebildet sind, bei welcher ein Runddraht durch die einzelnen Ausnehmungen 7 gewoben bzw. ähnlich einem Nähen geführt wird.
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Betrachtet man den erfindungsgemäßen Rotor 1 entsprechend der 2, so weicht dieser von dem erfindungsgemäßen Rotor 1 gemäß der 1 dadurch von diesem ab, dass der Wicklungsträger 4 nicht aus einzelnen parallel zur Blattebene einstückigen Blech(stanz)teilen gebildet ist, sondern aus zumindest zwei Teilsegmenten 12, gemäß der 2 aus insgesamt acht Teilsegmenten 12, die über Stifte 13 miteinander verbunden, insbesondere gelenkig miteinander verbunden, sind. Ein derartiges Teilsegment 12 kann dabei ebenfalls als Blechstanzteil kostengünstig ausgebildet werden, wobei mehrere derartiger Blechstanzteile in Axialrichtung aufeinandergestapelt das jeweilige Teilsegment 12 ergeben. Der große Vorteil derartiger Teilsegmente 12 ist, dass die das jeweilige Teilsegment 12 umwickelnde Rotorwicklung 5 an einem separaten Teilsegment 12 hergestellt werden kann, wodurch insbesondere auf ein Nähen bzw. ein Herstellen der Rotorwicklungen 5 mit Hair-Pin-Technologie, wie dies gemäß der 1 erforderlich ist, verzichtet werden kann. Die jeweilige Rotorwicklung 5 wird dabei um einen Steg 8' des jeweiligen Teilsegments 12 gewickelt.
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Vorzugsweise sind dabei die einzelnen Blechteile der Teilsegmente 12 bzw. die Teilsegmente 12 als Gleichteile ausgebildet, wodurch zu deren Herstellung dieselbe Blechstanzmaschine sowie dieselbe Wickelvorrichtung zum Herstellen der jeweiligen Rotorwicklung 5 verwendet werden können.
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Gemäß der 2 weist jedes der Teilsegmente 12 zwei äußere und in Umfangsrichtung voneinander abgewandte erste Arme 14 sowie einen inneren sich in Umfangsrichtung erstreckenden zweiten Arm 15 und den dazwischen angeordneten Steg 8' auf. Zwei benachbarte Teilsegmente 12 sind dabei über ihre jeweiligen äußeren ersten Arme 14 mit dem Stift 13, insbesondere gelenkig, miteinander verbunden und zusätzlich über den jeweiligen inneren zweiten Arm 15. Beim Herstellen der einzelnen Blechstanzteile des jeweiligen Teilsegments 12 können dabei für die Pins 13 bereits Durchgangsöffnungen 16 vorgesehen werden, welche in montiertem Zustand in Axialrichtung fluchtend zueinander angeordnet sind und dadurch das Einführen des Stiftes 13 vergleichsweise einfach ermöglichen.
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Im Unterschied zu den Stegen 8 des Rotors 1 entsprechend der 1, weisen die Stege 8' des Rotors 1 entsprechend der 2 in Radialrichtung eine gleichbleibende Breite B auf, wodurch die Rotorwicklungen 5 vergleichsweise einfach um den jeweiligen Steg 8' gewickelt werden können. Die Rotorwicklungen 5 zweier benachbarter Teilsegmente 12 können dabei auch miteinander in Kontakt kommen, so dass der zwischen zwei benachbarten Stegen 8' und zwei über einen Stift 13 miteinander verbundenen äußeren ersten Armen 14 begrenzte Ausnehmung 7 vollständig mit Rotorwicklungen 5 gefüllt sein kann, wobei selbstverständlich klar ist, dass zwei benachbarte Rotorwicklungen 5 elektrisch nichtleitend voneinander getrennt sind. Hierdurch lässt sich ein hoher Füllfaktor und damit eine hohe Leistungsfähigkeit des mit dem erfindungsgemäßen Rotors 1 ausgestatteten Elektromotors beispielsweise der Synchronmaschine 2, erreichen.
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Die Rotorwelle 3 kann aus einem nicht-ferromagnetischen, vorzugsweise paramagnetischen, Material bestehen, wodurch eine unerwünschte Beeinflussung des von den Rotorwicklungen 5 bei elektrischer Bestromung erzeugen magnetischen Rotorfeldes geringgehalten oder sogar vollständig unterbunden werden kann.
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Mit den erfindungsgemäß geschlossenen Rotorstrukturen der einzelnen Wicklungsträger 4 können auch die bei hohen Umdrehungszahlen von bis zu 20.000 U/min. auftretenden hohen Zentrifugalkräfte problemlos aufgenommen werden, da durch die in Umfangsrichtung außen geschlossene Rotorstruktur dazu beiträgt, die Rotorwicklungen 5 zu stützen und dem gesamten Rotor 1 eine ausreichend hohe Steifigkeit zu verleihen.
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Eingesetzt werden kann der erfindungsgemäße Rotor 1 in einer fremderregten elektrischen Synchronmaschine 2, welche beispielsweise als Traktionsmotor für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug ausgebildet ist. Diese fremderregte elektrische Synchronmaschine 2 besitzt einen Stator 17, welcher wenigstens eine elektrisch bestrombare und nicht gezeigte Statorspule zum Erzeugen eines magnetischen Statorfeldes besitzt. Innerhalb des Stators 17 ist der um eine Rotorachse, die entsprechend den 1 und 2 ebenfalls senkrecht zur Blattebene verläuft, drehbare Rotor 1 angeordnet.
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Hierdurch lässt sich eine fremderregte elektrische Synchronmaschine 2 erreichen, welche selbst bei hohen Drehzahlen eine ausreichende Steifigkeit aufweist und ein Berstrisiko minimiert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 3337012 A1 [0004]
- KR 20170060501 A [0005]
