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Die Erfindung betrifft eine Rotorwelle für einen Rotor einer elektrischen Maschine sowie einen Rotor mit einer solchen Rotorwelle. Die Erfindung betrifft ferner eine elektrische Maschine mit einem solchen Rotor.
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Auf Rotorwellen für elektrische Maschinen, insbesondere für fremderregte elektrische Maschinen, sind in der Regel elektrisch bestrombare Spulen zum Erzeugen eines magnetischen Rotorfeldes angeordnet.
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Als problematisch daran erweist sich dabei oftmals die elektrische Stromversorgung der sich im Betrieb mit der Rotorwelle mitdrehenden Spulen.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei der Entwicklung von Rotorwellen neue Wege aufzuzeigen. Insbesondere soll eine verbesserte Rotorwelle geschaffen werden, in welcher auf einfache und somit kostengünstige Art und Weise eine zuverlässige elektrische Stromführung zum Versorgen von auf der Rotorwelle angeordneten, elektrisch bestrombaren Spulen mit elektrischem Strom enthalten ist.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Grundidee der Erfindung ist demnach, eine als Hohlwelle ausgeführte elektrische Rotorwelle axial endseitig mit einem Stopfen aus einem elektrisch isolierenden Material zu verschließen. In dem Stopfen sind zwei elektrische Leitungspfade vorgesehen, über welchen elektrischer Strom von außerhalb der Rotorwelle zu einer drehfest auf der Rotorwelle angeordneten Spule transportiert werden kann. Die beiden elektrischen Leitungspfade erstrecken sich im Stopfen jeweils von einem innerhalb der Hohlwelle - in dem von der Hohlwelle umfangsseitig begrenzten Innenraum angeordneten inneren axialen Stopfenabschnitt zu einem axial bzw. stirnseitig aus der Hohlwelle herausragenden äußeren axialen Stopfenabschnitt. Hierbei sind beide Leitungspfade jeweils sowohl im inneren als auch im äußeren axialen Stopfenabschnitt zur Ausbildung eines jeweiligen elektrischen Anschlusselements aus dem Inneren des Stopfenkörpers nach außen an die Oberfläche des Stopfenkörpers geführt. Somit kann im inneren axialen Stopfenabschnitt eine elektrisch bestrombare Spule elektrisch mit den beiden elektrischen Leitungspfaden verbunden bzw. an diese angeschlossen werden. Entsprechend kann eine externe elektrische Stromversorgung bzw. Stromquelle im äußeren Stopfenabschnitt mit den beiden elektrischen Leitungspfaden verbunden bzw. an diese angeschlossen werden. Auf diese Weise wird die gewünschte elektrische Verbindung zwischen der sich mit der Rotorwelle drehenden Spule und der ortsfesten elektrischen Stromversorgung realisiert. Da die elektrische Verbindung ausschließlich im Wellenstopfen und nicht in der eigentlichen Hohlwelle angeordnet ist, kann eine Bearbeitung der Hohlwelle zum Erzeugen der elektrischen Leitungspfade unterbleiben. Insbesondere ist es nicht erforderlich, im Material der Hohlwelle eine Vielzahl von Ausnehmungen oder Nuten oder dergleichen zur Aufnahme der elektrischen Leitungspfade bereitzustellen, womit eine unerwünschte Schwächung der mechanischen Festigkeit der Hohlwelle einhergehen könnte. Schließlich könne die ausschließlich im Wellenstopfen vorgesehenen Leitungspfade unabhängig von der Fertigung der Hohlwelle im Zuge der Herstellung des Stopfens erzeugt werden, womit weitere Kostenvorteile einhergehen.
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Im Einzelnen umfasst die erfindungsgemäße Rotorwelle einen sich entlang einer axialen Richtung erstreckenden, hohlförmigen Wellenkörper, der einen Körperinnenraum begrenzt. Der Wellenkörper ist an wenigstens einer seiner beiden axialen Stirnseite offen ausgebildet. Weiterhin umfasst die Rotorwelle einen drehfest mit dem Wellenkörper verbundenen Wellenstopfen, der mit einem inneren axialen Stopfenabschnitt im Körperinnenraum angeordnet ist und mit einem äußeren axialen Stopfenabschnitt durch die offen ausgebildete Stirnseite axial aus dem Körperinnenraum herausragt. Der Wellenstopfen umfasst außerdem einen Stopfenkörper aus einem elektrisch isolierenden Material, in welchem ein erster und ein zweiter elektrischer Leitungspfad angeordnet sind. Zur Aufnahme des ersten bzw. zweiten Leitungspfads kann im Stopfenkörper ein entsprechender, vorzugsweise kanalartig ausgebildeter, Hohlraum ausgebildet sein. Der erste und der zweite elektrische Leitungspfad erstrecken sich im Stopfenkörper jeweils vom inneren zum äußeren Stopfenabschnitt und sind beide sowohl im inneren als auch im äußeren Stopfenabschnitt zur Ausbildung eines jeweiligen elektrischen Anschlusselements aus dem Inneren des Stopfenkörpers nach außen an die Oberfläche des Stopfenkörpers geführt.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfassen der erste oder/und der zweite elektrische Leitungspfad jeweils ein im äußeren axialen Stopfenabschnitt auf einem Außenumfang des Stopfenkörpers angeordnetes erstes elektrisches Anschlusselement. Über die beiden ersten Anschlusselemente kann somit auch bei sich drehender Rotorwelle die gewünschte elektrische Verbindung mit einer elektrischen Stromversorgung erfolgen. Hierzu können etwa mit der Stromversorgung verbundene Schleifkontakte vorgesehen sein, die der Drehung der Rotorwelle nicht folgen. Ferner umfassen der erste oder/und der zweite elektrische Leitungspfad bei dieser Ausführungsform jeweils ein im inneren Stopfenabschnitt auf dem Außenumfang des Stopfenkörpers angeordnetes zweites elektrisches Anschlusselement. An diese beiden zweiten Anschlusselemente kann die sich mitdrehende Rotorspule elektrisch angeschlossen werden. Weiterhin umfassen der erste oder/und der zweite elektrische Leitungspfad jeweils ein sich im Inneren des Stopfenkörpers erstreckendes erstes bzw. zweites elektrisches Verbindungselement, welches das erste elektrische Anschlusselement des ersten bzw. zweiten elektrischen Leitungspfads elektrisch mit dem zweiten elektrischen Anschlusselement verbindet. Dadurch kann die gewünschte elektrische Verbindung der externen elektrischen Stromversorgung mit der Rotorspule realisiert werden.
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Besonders bevorzugt ist das erste elektrische Anschlusselement des ersten elektrischen Leitungspfads axial im Abstand zum ersten elektrischen Anschlusselement des zweiten elektrischen Leitungspfads angeordnet. Auf diese Weise kann der Ausbildung eines unerwünschten elektrischen Kurzschlusses zwischen dem ersten und dem zweiten elektrischen Leitungspfad verhindert werden.
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Besonders zweckmäßig ist das erste elektrische Anschlusselement des ersten oder/und zweiten elektrischen Leitungspfads ringförmig, insbesondere als Gleitring, ausgebildet und erstreckt sich entlang einer Umfangsrichtung der Rotorwelle auf dem Außenumfang des Stopfenkörpers. Somit kann an dem Gleitring zur Herstellung einer elektrischen Verbindung ein Schleifkontakt oder dergleichen zur Anlage gebracht werden.
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Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform läuft das erste elektrische Anschlusselement des ersten oder/und zweiten elektrischen Leitungspfads entlang der Umfangsrichtung vollständig um eine sich entlang der axialen Richtung erstreckende Drehachse des Wellenkörpers um. Somit ist besagte Verbindung mit dem Schleifkontakt unabhängig von der momentanen Drehposition der Rotorwelle gewährleistet.
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Besonders bevorzugt können das erste und zweite elektrische Anschlusselement sowie das Verbindungselement des ersten elektrischen Leitungspfads integral aneinander ausgeformt sind. Alternativ oder zusätzlich können bei dieser Variante das erste und zweite elektrische Anschlusselement sowie das Verbindungselement des zweiten elektrischen Leitungspfads integral aneinander ausgeformt sein. Diese Variante ist besonders einfach und somit kostengünstig herstellbar und zeichnet sich außerdem durch eine hohe Betriebssicherheit aus.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung sind im inneren axialen Stopfenabschnitt auf dem Außenumfang des Stopfenkörpers eine erste und eine Ausnehmung ausgebildet, in welchen das zweite Anschlusselement des ersten bzw. zweiten elektrischen Leitungspfad freiliegt. Dies erlaubt auf einfache und somit kostengünstige Weise die mechanische Anbringung einer elektrischen Verbindungsleitung, über welche eine elektrische Verbindung mit der Rotorspule realisiert ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist in der ersten oder/und zweiten Ausnehmung ein erster bzw. zweiter elektrischer Leitungsanschluss einer ersten bzw. zweiten elektrischen Verbindungsleitung zum elektrischen Verbindung des ersten bzw. zweiten Leitungspfads mit wenigstens einer elektrisch bestrombaren Rotorspule angeordnet. Hierbei ist der jeweilige elektrische Leitungsanschluss unter Ausbildung einer elektrischen Verbindung mit dem jeweiligen zweiten elektrischen Anschlusselement verbunden und liegt besonders bevorzugt an diesem an.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sind im Wellenkörper ein erster und zweiter Durchbruch ausgebildet, welche jeweils die erste bzw. zweite Ausnehmung radial nach außen und verlängern und welchen die erste bzw. zweite Verbindungsleitung durchgreift. Bei dieser Weiterbildung sind am Wellenkörper eine jeweils radial nach außen abstehende und drehfest mit dem Wellenkörper verbundene erste und zweite Befestigungshülse vorgesehen, die jeweils einen ersten bzw. zweiten Hülseninnenraum umgeben. Dabei verlängern der erste bzw. zweite Hülseninnenraum die erste bzw. zweite Ausnehmung und den ersten bzw. zweiten Durchbruch radial nach außen. Außerdem umfassen bei dieser Weiterbildung der erste und zweite Leitungsanschluss einen ersten bzw. zweiten Leitungsanschlusskörper aus einem elektrisch isolierenden Material, der jeweils teilweise in der ersten bzw. zweiten Ausnehmung aufgenommen ist.
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Gemäß einer anderen vorteilhaften Weiterbildung ist der jeweilige Leitungsanschlusskörper mittels eines Vorspannelements zum jeweiligen zweiten Anschlusselement hin vorgespannt.
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Besonders zweckmäßig kann der erste oder/und zweite elektrische Leitungspfad durch eine Litze oder einen Draht, vorzugsweise aus Kupfer, gebildet sein. Besagte Komponenten sind kommerziell verfügbar und somit kostengünstig
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Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform geht der innere axiale Stopfenabschnitt mittels einer als Axialanschlag wirkenden radialen Stufe in den äußeren axialen Stopfenabschnitt über. Bei dieser Ausführungsform liegt die radiale Stufe an einer axialen Stirnseite des Wellenkörpers an. Die radiale Stufe stellt eine präzise axiale Positionierung des Wellenstopfens relativ zum Wellenkörper sicher.ü
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Stopfenkörper als axial beidseitig offener Hohlkörper ausgebildet, der einen von einem Kühlmedium durchströmbaren Stopfenkörperinnenraum begrenzt. Besonders bevorzugt kommuniziert der Stopfenkörperinnenraum des Stopfenkörpers dabei fluidisch mit dem vom Wellenkörper begrenzten Körperinnenraum. Somit kann über den Stopfenkörper das Kühlmedium in den Wellenkörper eingebracht werden und dort Abwärme, die von außen auf der Rotorwelle angeordneten Komponenten erzeugt wird, aufnehmen und aus dem Körperinnenraum abtransportieren.
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Besonders bevorzugt kann der Stopfenkörperinnenraum umfangsseitig außen durch einen Einsatz, insbesondere durch einen Rohrkörper, begrenzt sein, auf welchem sich der Stopfenkörper mit den beiden elektrischen Leitungspfaden abstützt. Dadurch kann der Stopfenkörper mechanisch stabilisiert werden.
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Die Erfindung betrifft ferner einen Rotor für eine elektrische Maschine. Der erfindungsgemäße Rotor umfasst eine voranstehend vorgestellte, erfindungsgemäße Rotorwelle, so dass sich die vorangehend erläuterten Vorteile der erfindungsgemäßen Rotorwelle auf den erfindungsgemäßen Rotor übertragen. Der Rotor umfasst ferner wenigstens eine drehfest mit der Rotorwelle verbundene, elektrisch bestrombare Rotorspule zum Erzeugen eines magnetischen Rotorfeldes. Hierbei ist die Rotorspule elektrisch mit dem ersten und zweiten elektrischen Leitungspfad verbunden.
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Die Erfindung betrifft auch eine elektrische Maschine, insbesondere eine fremderregte elektrische Synchronmaschine. Die Maschine umfasst einen Stator und einen gegenüber dem Stator drehbaren und magnetisch mit diesem koppelbaren oder gekoppelten, erfindungsgemäßen Rotor. Die vorangehend erläuterten Vorteile der erfindungsgemäßen Rotorwelle übertragen sich daher auch auf die erfindungsgemäße elektrische Maschine.
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Es zeigen, jeweils schematisch:
- 1 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Rotorwelle in einem Längsschnitt entlang einer axialen Richtung der Rotorwelle,
- 2 den Wellenstopfen der Rotorwelle der 1 in separater Darstellung,
- 3a einen Querschnitt der Rotorwelle senkrecht zur axialen Richtung und entlang der Schnittlinie Illa der 1,
- 3b einen Querschnitt der Rotorwelle senkrecht zur axialen Richtung und entlang der Schnittlinie IIIb der 1,
- 3c einen Querschnitt der Rotorwelle senkrecht zur axialen Richtung und entlang der Schnittlinie IIIc der 1,
- 4 eine Variante des Beispiels der 1 bis 3, bei welcher der Wellenstopfen als von einem Kühlmedium durchströmbarer Hohlkörper ausgebildet ist.
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Die 1 zeigt ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Rotorwelle 1. Die Rotorwelle 1 umfasst einen hohlförmigen Wellenkörper 2, der eine Mittellängsachse M aufweist. Die Mittellängsachse M des Wellenkörpers erstreckt sich dabei entlang der axialen Richtung A. Der hohlförmige Wellenkörper 2 ist an seinen beiden axialen Stirnseiten 23a, 23b offen ausgebildet und begrenzt umfangsseitig einen Körperinnenraum 3. Die Rotorwelle 1 ist also als Hohlwelle ausgebildet.
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Weiterhin umfasst die Rotorwelle 1 einen drehfest mit dem Wellenkörper 2 verbundenen Wellenstopfen 4, der mit einem inneren axialen Stopfenabschnitt 5i im Körperinnenraum 3 angeordnet ist und mit einem äußeren axialen Stopfenabschnitt 5a axial aus dem Körperinnenraum 3 herausragt.
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Der Wellenstopfen 4 der 1 ist in 2 in separater Darstellung gezeigt. Gemäß 2 geht der innere axiale Stopfenabschnitt 5i mittels einer als Axialanschlag wirkenden radialen Stufe 22 in den äußeren axialen Stopfenabschnitt 5a über. Dabei liegt die radiale Stufe 22 an einer axialen Stirnseite 23a des Wellenkörpers 2 an. Der Wellenstopfen 4 umfasst außerdem einen Stopfenkörper 6 aus einem elektrisch isolierenden Material, in welchem ein erster und ein zweiter elektrischer Leitungspfad 7.1, 7.2 angeordnet sind. Zur Aufnahme des ersten bzw. zweiten Leitungspfads 7.1, 7.2 kann im Stopfenkörper 4 ein entsprechender, vorzugsweise kanalartig ausgebildeter, Hohlraum 24a, 24b ausgebildet sein. Der erste elektrische Leitungspfad 7.1 und auch der zweite elektrische Leitungspfad 7.2 können jeweils durch eine Litze oder durch ein Kabel oder durch einen Draht, vorzugsweise jeweils aus Kupfer, gebildet sein.
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Der erste elektrische Leitungspfad 7.1 und der zweite elektrische Leitungspfad 7.2 erstrecken sich im Abstand zueinander innerhalb des Stopfenkörpers 6 jeweils vom inneren axialen Stopfenabschnitt 5i zum äußeren axialen Stopfenabschnitt 5a. Beide Leitungspfade 7.1, 7.2 sind jeweils sowohl im inneren als auch im äußeren axialen Stopfenabschnitt 5i, 5a zur Ausbildung eines jeweiligen elektrischen Anschlusselements 8.1 a, 8.2a, 8.1 b, 8.2b aus dem Inneren 9 des Stopfenkörpers 6 nach außen an die Oberfläche 10 des Stopfenkörpers 6 geführt.
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Gemäß 1 weisen der erste elektrische Leitungspfad 7.1 und auch der zweite elektrische Leitungspfad 7.2 jeweils ein im äußeren axialen Stopfenabschnitt 5a auf einem Außenumfang 11 des Stopfenkörpers 6 angeordnetes erstes elektrisches Anschlusselement 8.1 a bzw. 8.2a auf. Ebenso weisen der erste elektrische Leitungspfad 7.1 und auch der zweite elektrische Leitungspfad 7.2 jeweils ein im inneren axialen Stopfenabschnitt 5a auf dem Außenumfang 11 des Stopfenkörpers 6 angeordnetes zweites elektrisches Anschlusselement 8.1b bzw. 8.2b auf. Ferner umfassen der erste elektrische Leitungspfad 7.1 und der zweite elektrische Leitungspfad 7.2 jeweils ein sich im Inneren des Stopfenkörpers 6 erstreckendes erstes bzw. zweites elektrisches Verbindungselement 12.1, 12.2. Das erste elektrische Verbindungselement 12.1 verbindet das erste elektrische Anschlusselement 8.1a des ersten elektrischen Leitungspfads 7.1 elektrisch mit dem zweiten elektrischen Anschlusselement 8.1b des ersten elektrischen Leitungspfads 7.1. Das zweite elektrische Verbindungselement 12.2 verbindet das zweite elektrische Anschlusselement 8.2a des zweiten elektrischen Leitungspfads 7.2 elektrisch mit dem zweiten elektrischen Anschlusselement 8.2b des zweiten elektrischen Leitungspfads 7.2.
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Die 3a und 3b zeigen die Rotorwelle 1 in einem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung A entlang der Schnittlinie IIIa bzw. IIIb der 1.
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Wie die 3a veranschaulicht, ist erste elektrische Anschlusselement 8.1a des ersten elektrischen Leitungspfads 7.1 ringförmig, im Beispielszenario als Gleitring 13.1 ausgebildet und erstreckt sich jeweils entlang einer Umfangsrichtung U der Rotorwelle 1 auf dem Außenumfang 11 des Stopfenkörpers 4. Das erste elektrische Anschlusselement 8.1a des ersten elektrischen Leitungspfads 7.1 läuft entlang der Umfangsrichtung U vollständig um eine sich entlang der axialen Richtung A erstreckende Drehachse D des Wellenkörpers 2 um.
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Wie in analoger Weise die 3b veranschaulicht, ist auch das erste elektrische Anschlusselement 8.2a des zweiten elektrischen Leitungspfads 7.2 ringförmig, im Beispielszenario als Gleitring 13.2, ausgebildet und erstreckt sich jeweils - axial im Abstand zum Gleitring 13.1 - entlang der Umfangsrichtung U der Rotorwelle 1 auf dem Außenumfang 11 des Stopfenkörpers 4. Das erste elektrische Anschlusselement 8.2a des zweiten elektrischen Leitungspfads 7.2 läuft entlang der Umfangsrichtung U vollständig um eine sich entlang der axialen Richtung A erstreckende und durch die Mittellängsachse M des Wellenkörpers 2 gebildete Drehachse D um. Ferner ist das erste elektrische Anschlusselement 8.1a des ersten elektrischen Leitungspfads 7.1 axial im Abstand zum ersten elektrischen Anschlusselement 8.2a des zweiten elektrischen Leitungspfads 7.2 angeordnet.
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Das erste und das zweite elektrische Anschlusselement 8.1a, 8.1b sowie das Verbindungselement 12.1 des ersten elektrischen Leitungspfads 7.1 sind im Beispiel der Figuren integral aneinander ausgeformt. Ebenso sind das erste und zweite das elektrische Anschlusselement 8.2a, 8.2b sowie das Verbindungselement 12.2 des zweiten elektrischen Leitungspfads 7.2 integral aneinander ausgeformt.
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Die 3c zeigt die Rotorwelle 1 in einem Querschnitt senkrecht zur axialen Richtung A entlang der Schnittlinie IIIc der 1. Gemäß den 1, 2 und 3c sind im inneren axialen Stopfenabschnitt 5i auf dem Außenumfang 11 des Stopfenkörpers 6 eine erste und eine zweite Ausnehmung 14.1, 14.2 ausgebildet, in welchen das zweite Anschlusselement 8.1b, 8.2b des ersten bzw. zweiten elektrischen Leitungspfad 7.1, 7.2 freiliegt.
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In der ersten und zweiten Ausnehmung 14.1, 14.2 sind gemäß 1 ein erster bzw. zweiter elektrischer Leitungsanschluss 16.1, 16.2 einer ersten bzw. zweiten elektrischen Verbindungsleitung 15.1, 15.2 zum elektrischen Verbindung des ersten bzw. zweiten Leitungspfads 7.1, 7.2 mit wenigstens einer elektrisch bestrombaren Rotorspule angeordnet. Hierbei ist der jeweilige elektrische Leitungsanschluss 16.1, 16.2 unter Ausbildung einer elektrischen Verbindung mit dem jeweiligen zweiten elektrischen Anschlusselement 8.1b, 8.2b verbunden und liegt besonders bevorzugt an diesem an.
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Gemäß 1 sind im Wellenkörper 2 ein erster und zweiter Durchbruch 17.1, 17.2 ausgebildet, welche jeweils die erste bzw. zweite Ausnehmung 14.1, 14.2 radial nach außen verlängern und welchen die erste bzw. zweite Verbindungsleitung 15.1, 1.2 durchgreift. Bei dieser Weiterbildung sind am Wellenkörper eine jeweils radial nach außen abstehende und drehfest mit dem Wellenkörper verbundene erste und zweite Befestigungshülse 18.1, 18.2 vorgesehen, die jeweils einen ersten bzw. zweiten Hülseninnenraum 19.1, 19.2 umgeben. Dabei verlängert der erste bzw. zweite Hülseninnenraum 19.1, 19.2 die erste bzw. zweite Ausnehmung und den ersten bzw. zweiten Durchbruch radial nach außen. Außerdem umfassen bei dieser Weiterbildung der erste und zweite Leitungsanschluss einen ersten bzw. zweiten Leitungsanschlusskörper 20.1, 20.2 aus einem elektrisch isolierenden Material, der jeweils teilweise in der ersten bzw. zweiten Ausnehmung 15.1, 15.2 aufgenommen ist.
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Wie in 1 angedeutet kann der jeweilige Leitungsanschlusskörper 20.1, 20.2 mittels eines Vorspannelements 21.1, 21.2 zum jeweiligen zweiten Anschlusselement 8.1b, 8.2b hin vorgespannt sein.
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Die 4 zeigt eine Variante des Beispiels der 2, bei welcher der Stopfenkörper 6 von einem Kühlmedium K durchströmt werden kann. Hierzu kann der Stopfenkörper 6 als axial beidseitig offener Hohlkörper 6a ausgebildet sein, der einen von dem Kühlmedium K durchströmbaren Stopfenkörperinnenraum 6b begrenzt. Entsprechend 4 ist der Stopfenkörperinnenraum 6b außenumfangsseitig durch einen Einsatz 6c, beispielsweise in Form durch eines Rohrkörpers 6d, begrenzt ist, auf welchem sich der Stopfenkörper 6 mit den beiden Leitungspfaden 7.1, 7.2 abstützt.
