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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Rotor einer elektrischen Maschine nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Es ist schon ein Rotor einer elektrischen Maschine aus der
DE102019217464 A1 bekannt, mit mehreren entlang einer Umfangsrichtung des Rotors angeordneten Schenkelpolen, zwischen denen Polnuten gebildet sind zur Anordnung von elektrischen Leitern einer Rotorwicklung, wobei die Schenkelpole an den radial äußeren Polenden Polschuhe aufweisen, wobei zwischen benachbarten Polschuhen jeweils ein Nutschlitz ausgebildet ist, wobei die in derselben Polnut liegenden Leiter mittels eines Verbundmaterials, insbesondere eines Harzes, jeweils zu einem stabförmigen Leiterverbund verbunden sind. Die Drehzahlfestigkeit der Leiterverbund-Stäbe ist jedoch durch die Festigkeitseigenschaften des Verbundmaterials begrenzt.
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Es ist schon ein Rotor einer elektrischen Maschine aus der
DE102019212391 A1 bekannt, mit mehreren entlang einer Umfangsrichtung des Rotors angeordneten Schenkelpolen, zwischen denen Polnuten gebildet sind zur Anordnung von elektrischen Leitern einer Rotorwicklung, wobei die Schenkelpole an den radial äußeren Polenden Polschuhe aufweisen, wobei zwischen benachbarten Polschuhen jeweils ein Nutschlitz ausgebildet ist, wobei die Rotorwicklung in den Polnuten mittels von Nutverschlusselementen gegen Fliehkraft gesichert ist. Die Nutverschlusselemente verringern jedoch den Kupfer-Füllfaktor in der jeweiligen Polnut.
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Vorteile der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Rotor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass die Drehzahlfestigkeit der Rotorwicklung und damit des Rotors erhöht wird, indem die elektrischen Leiter der jeweiligen Polnut jeweils zu einer sehr steifen Einheit mit einem hohen axialen Widerstandsmoment verbunden werden. Außerdem kann erfindungsgemäß der Leiter-Füllfaktor, beispielsweise der Kupfer-Füllfaktor, in der jeweiligen Polnut weiter erhöht werden. Dies wird erfindungsgemäß erreicht, indem der jeweilige Leiterverbund eine Bandage umfasst, die die Leiter des Leiterverbundes umschließt und die durch das Verbundmaterial mit dem Leiterverbund verbunden ist, insbesondere stoffschlüssig. Insbesondere ist die Bandage vom Verbundmaterial durchtränkt und dadurch mit dem Leiterverbund stoffschlüssig verbunden. Die Bandage des Leiterverbundes ist eine polnut-integrierte Bandage, die nicht in einem zwischen dem Rotor und einem Stator der elektrischen Maschine gebildeten Luftspalt liegt und den Luftspalt vorteilhafterweise nicht vergrößert, im Gegensatz zu einer Rotorhülse, die den gesamten Rotor umschließt und im Luftspalt angeordnet ist.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Rotors möglich.
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Besonders vorteilhaft ist, wenn die Bandage eine Faserbandage oder eine Faserverbund-Bandage ist, die Fasern, insbesondere Glasfasern, Kohlefasern oder Aramidfasern, umfasst. Auf diese Weise kann die Rotorwicklung auch noch bei hohen Drehzahlen zuverlässig in den Polnuten gehalten werden. Außerdem erfordert diese Art der Bandage nur wenig Bauraum in den Polnuten.
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Die Bandage kann in vorteilhafter Weise durch ein Faserband gebildet sein, das helixförmig um die Leiter des Leiterverbundes herumgewickelt ist, insbesondere mit oder ohne axialer Überlappung. Auf diese Weise wird eine hohe Steifigkeit der Bandage und somit des Leiterverbunds erreicht. Im Bereich des Nutschlitzes wirkende Fliehkräfte können auf diese Weise in die Polschuhe abgeleitet werden.
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Alternativ kann die Bandage durch eine Faserhülse, insbesondere Fasermanschette, gebildet ist, die einmalig um die Leiter des Leiterverbundes herumgelegt ist, insbesondere querschnittsumschließend, wobei ein Stoß der umfänglichen Hülsenenden insbesondere an einem Nutgrund der jeweiligen Polnut vorgesehen ist. Auf diese Weise ist die Faserhülse im radialen Bereich des Nutschlitzes geschlossen und kann dort wirkende Fliehkräfte in die Polschuhe ableiten.
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Sehr vorteilhaft ist, wenn der Leiterverbund Leiter umfasst, die in Umfangsrichtung außerhalb der Polschuhe der beiden Schenkelpole der jeweiligen Polnut angeordnet sind, da auf diese Weise ein hoher Leiter-Füllfaktor, beispielsweise Kupfer-Füllfaktor, in der jeweiligen Polnut erreicht wird.
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Die Rotorwicklung kann mehrere Einzelspulen umfassen oder alternativ als Wellenwicklung ausgebildet sein.
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Gemäß einem vorteilhaften ersten Ausführungsbeispiel sind die elektrischen Leiter des jeweiligen Leiterverbundes einzelne Leiterstäbe, die mittels von separaten, außerhalb der Polnuten liegenden Verbindungsleitern mit Leiterstäben anderer Leiterverbünde zur Bildung der Rotorwicklung verbindbar sind und insbesondere zwei Spulenseiten zweier Einzelspulen bilden. Auf diese Weise können stabförmige Leiterverbünde kostengünstig aus einem Endlosstrang hergestellt werden.
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Gemäß einem vorteilhaften zweiten Ausführungsbeispiel bilden die elektrischen Leiter des jeweiligen Leiterverbundes zwei Spulenseiten zweier Einzelspulen, wobei die Einzelspulen jeweils durch einen Spulendraht gebildet sind, der mit einer Vielzahl von Windungen um den jeweiligen Schenkelpol herumläuft. Auf diese Weise kann ein dünnerer Leiter als im ersten Ausführungsbeispiel verwendet und somit eine Einzelspule mit höherer Windungszahl als im ersten Ausführungsbeispiel erreicht werden.
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Sehr vorteilhaft ist, wenn der jeweilige Leiterverbund einen Kühlkanal zur Kühlung der Leiter des Leiterverbundes umfasst, der von der Bandage des Leiterverbundes umschlossen ist und sich entlang der jeweiligen Polnut erstreckt. Auf diese Weise kann eine sehr wirksame Kühlung der Leiter in den Polnuten des Rotors erreicht werden.
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Desweiteren vorteilhaft ist, wenn die Schenkelpole nach einer ersten Rotorvariante Teil eines Rotorblechpaketes sind, das insbesondere auf einer Rotorwelle angeordnet ist, oder wenn die Schenkelpole nach einer zweiten Rotorvariante separate Bauteile sind, die separat an einem Polträger, insbesondere einer Rotorwelle, montierbar sind. Nach einer dritten Rotorvariante kann jeder zweite Schenkelpol Teil eines Rotorblechpaketes und jeder zweite übrige Schenkelpol ein separates Bauteil zur Befestigung am Rotorblechpaket sein. Durch diese Rotorvarianten ist gewährleistet, dass der Rotor aus seinen Einzelkomponenten zusammenfügbar ist. Die jeweilige Rotorvariante wird abhängig von der gewählten Art der Rotorwicklung ausgewählt.
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Weiterhin betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine mit einem erfindungsgemäßen Rotor.
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Zeichnung
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Zwei Ausführungsbeispiel der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
- 1 zeigt in einer Teilansicht einen Rotor einer elektrischen Maschine mit einer erfindungsgemäßen Rotorwicklung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
- 2 eine Schnittansicht eines in einer der Polnuten des Rotors nach 1 liegenden erfindungsgemäßen Leiterverbundes,
- 3 eine Ansicht des Leiterverbundes nach 2 gemäß einer ersten Ausführung,
- 4 eine Ansicht des Leiterverbundes nach 2 gemäß einer zweiten Ausführung,
- 5 einen Rotor einer elektrischen Maschine mit einer erfindungsgemäßen Rotorwicklung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
- 6 eine Anordnung der Einzelspulen gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel nach 5 vor einer Montage der Schenkelpole und der Rotorwelle und
- 7 eine Schnittansicht des fertig montierten Rotors nach 5.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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1 zeigt in einer Teilansicht einen Rotor einer elektrischen Maschine mit einer erfindungsgemäßen Rotorwicklung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
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Der erfindungsgemäße Rotor 1 einer elektrischen Maschine, insbesondere einer elektrisch erregten Synchronmaschine, umfasst mehrere Schenkelpole 3, die entlang einer Umfangsrichtung bezüglich einer Rotorachse 2 des Rotors 1 angeordnet sind und zwischen denen Polnuten 4 gebildet sind zur Anordnung von elektrischen Leitern 5 einer Rotorwicklung 6. Die Schenkelpole 3 haben an den bezüglich der Rotorachse 2 radial äußeren Polenden Polschuhe 7. Zwischen benachbarten Polschuhen 7 ist im bezüglich der Rotorachse 2 radialen Bereich der Polschuhe 7 jeweils ein Nutschlitz 8 ausgebildet.
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Die Schenkelpole 3 des Rotors 1 sind nach dem ersten Ausführungsbeispiel beispielsweise Teil eines Rotorblechpaketes, das insbesondere auf einer Rotorwelle 1.1 des Rotors 1 angeordnet ist.
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Die in derselben Polnut 4 liegenden Leiter 5 der Rotorwicklung 6 sind mittels eines aushärtbaren Verbundmaterials 9, insbesondere eines Harzes, jeweils zu einem Leiterverbund 10 verbunden, der beispielsweise stabförmig ist. Der Leiterverbund 10 kann beispielsweise durch ein Pultrusions- oder Gießverfahren hergestellt werden, das die Bandagierung als Verfahrensschritt umfasst.
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Der Leiterverbund 10 kann Leiter 5 umfassen, die in Umfangsrichtung im Bereich außerhalb der Polschuhe 7 der beiden Schenkelpole 3 der jeweiligen Polnut 4 angeordnet sind.
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Die Rotorwicklung 6 umfasst nach den beiden Ausführungsbeispielen in 1 und 5 mehrere Einzelspulen 6.1, könnte aber ausdrücklich auch als Wellenwicklung ausgebildet sein.
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2 zeigt eine Schnittansicht eines in einer der Polnuten des Rotors nach 1 liegenden erfindungsgemäßen Leiterverbundes.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der jeweilige Leiterverbund 10 eine Bandage 11 umfasst, die die Leiter 5 des Leiterverbundes 10 umschließt und die durch das Verbundmaterial 9 mit dem Leiterverbund 10 verbunden ist, insbesondere stoffschlüssig. Beispielsweise ist die Bandage 11 vom Verbundmaterial 9 durchtränkt und dadurch mit dem jeweiligen Leiterverbund 10 stoffschlüssig verbunden.
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Die Bandage 11 kann beispielsweise eine Faserverbund-Bandage sein, die Fasern, insbesondere Glasfasern, Kohlefasern oder Aramidfasern, umfasst.
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Die elektrischen Leiter 5 des jeweiligen Leiterverbundes 10 sind nach dem ersten Ausführungsbeispiel einzelne Leiterstäbe, die mittels von separaten, außerhalb der Polnuten 4 liegenden Verbindungsleitern 12 mit Leiterstäben anderer Leiterverbünde 10 zur Bildung der Rotorwicklung 6 verbindbar sind und beispielsweise zwei Spulenseiten 14 zweier Einzelspulen 6.1 bilden. Die zwei Spulenseiten 14 derselben Polnut 4 bilden jeweils zwei voneinander getrennte Wicklungsschichten und umfassen jeweils die Leiter von allen Lagen der jeweiligen Spulenseite. Die Rotorwicklung 6 ist somit eine zusammengesetzte Segmentwicklung, die beispielsweise mehrere zusammengesetzte Einzelspulen 6.1 umfasst, wobei die Einzelspulen 6.1 jeweils einen der Schenkelpole 3 umschließen. Zum Zusammenfügen der Rotorwicklung 6 werden die erfindungsgemäßen stabförmigen Leiterverbünde 10 in axialer Richtung in die Polnuten 4 gesteckt. Anschließend werden die Verbindungsleiter 12 entsprechend der gewünschten Verschaltung der Rotorwicklung 6 mit den entsprechenden Leiterstäben 5 gefügt und verbunden.
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3 zeigt eine Ansicht des Leiterverbundes nach 2 gemäß einer ersten Ausführung.
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Die Bandage 11 kann beispielsweise durch ein Faserband 11.1 gebildet sein, das helixförmig um die Leiter 5 des Leiterverbundes 10 herumgewickelt ist, insbesondere mit oder ohne axialer Überlappung.
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4 zeigt eine Ansicht des Leiterverbundes nach 2 gemäß einer zweiten Ausführung.
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Alternativ kann die Bandage 11 durch eine Faserhülse 11.2 gebildet sein, die ähnlich zu einer flächigen Nutisolation einmalig um die Leiter 5 des Leiterverbundes 10 herumgelegt ist, insbesondere querschnittsumschließend, wobei ein Stoß oder ein Überlapp der umfänglichen Hülsenenden insbesondere an einem Nutgrund 4.1 der jeweiligen Polnut 4 vorgesehen ist. Die Faserhülse 11.2 kann auch als Fasermanschette bezeichnet werden.
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5 zeigt einen Rotor einer elektrischen Maschine mit einer erfindungsgemäßen Rotorwicklung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel darin, dass die Rotorwicklung keine zusammengesetzten Einzelspulen, sondern mit einem Spulendraht gewickelte Einzelspulen umfasst.
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Die elektrischen Leiter 5 des jeweiligen Leiterverbundes 10 bilden wie in 4 zwei Spulenseiten 14 zweier Einzelspulen 6.1. Die Einzelspulen 6.1 sind jedoch im Gegensatz zu 4 jeweils durch einen Spulendraht gebildet, der im fertig zusammengebauten Rotor 1 mit einer Vielzahl von Windungen um den jeweiligen Schenkelpol 3 herumläuft.
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6 zeigt eine Anordnung der Einzelspulen gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel nach 5 vor einer Montage der Schenkelpole und der Rotorwelle.
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Zur Montage des Rotors nach 5 werden die mehreren vorgefertigten Einzelspulen 6.1 der Rotorwicklung 6 gemäß 6 kreisförmig angeordnet und die in derselben Polnut 4 anzuordnenden Spulenseiten 14 jeweils von einer Bandage 11 umwickelt oder umschlossen. Hierbei kann die Bandage 11 mit einem noch flüssigen Verbundmaterial benetzt sein zur Bildung des jeweiligen Leiterverbunds 10. Alternativ kann die Bandage 11 zunächst trocken, also ohne Verbundmaterial, um die jeweiligen Leiter 5 gewickelt oder umgeschlagen und das Verbundmaterial 9 zur Herstellung der Leiterverbünde 10 in einem nachfolgenden Schritt aufgebracht werden, beispielsweise durch Beträufeln, Imprägnieren oder Vergießen.
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7 zeigt eine Schnittansicht des fertig montierten Rotors nach 5.
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Nach der Bandagierung der Rotorwicklung 6 werden die im zweiten Ausführungsbeispiel separat ausgeführten Schenkelpole 3 in radialer Richtung derart an die Einzelspulen 6.1 montiert bzw. durch die jeweilige Einzelspule 6.1 gesteckt, dass jede Einzelspule 6.1 einen der Schenkelpole 3 umschließt. Nachfolgend wird ein Polträger 15 in axialer Richtung in die vormontierte Einheit derart eingeschoben, dass die separaten Schenkelpole 3 in dem Polträger 15 verankert werden, beispielsweise durch Formschluss. Der Polträger 15 ist beispielsweise eine Rotorwelle 1.1 des Rotors 1.
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Der jeweilige Leiterverbund 10 kann zusätzlich einen Kühlkanal 15 umfassen, der von der Bandage 11 des Leiterverbundes 10 umschlossen ist, sich entlang der jeweiligen Polnut 4 erstreckt und beispielsweise zwischen den zwei Spulenseiten 14 der jeweiligen Polnut 4 angeordnet ist.
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Bei einer Wellenwicklung als Rotorwicklung 6 könnte jeder zweite Schenkelpol 3 Teil eines Rotorblechpaketes und jeder zweite übrige Schenkelpol 3 ein separates Bauteil zur Befestigung am Rotorblechpaket sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102019217464 A1 [0001]
- DE 102019212391 A1 [0002]
