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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor für eine rotierende elektrische Maschine, insbesondere für einen Elektromotor oder einen Generator. Zudem wird ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Rotors offenbart.
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In modernen Kraftfahrzeugen werden zunehmend Elektromotoren verbaut. Sie werden dabei insbesondere als im Antriebsstrang vollintegrierte Antriebsmotoren oder in Hybridanwendungen beispielsweise als Startergeneratoren oder Achsmotoren eingesetzt. Dabei kommen zum Teil fremderregte Synchronmaschinen zum Einsatz, die einen Rotor aus einem mit einer Erregerwicklung versehenen Blechpaket aufweisen. Bei derartigen Rotoren sind zwischen den bewickelten Polzähnen Nuten gebildet.
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Im Betrieb treten sowohl bei Innen- als auch bei Außenläufern hohe Fliehkräfte auf, die die Erregerwicklung aus den Nuten ziehen können. Die Fliehkräfte sind von der Drehzahl und von dem Gewicht der Nutinnenkomponenten abhängig. Insbesondere bei hochdrehenden Maschinen wird die Wicklung daher nach der Montage zusätzlich gesichert. Dazu sind verschiedene Bindemittel bekannt, die als Tränkharze oder Vergussmassen eingesetzt werden.
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Zusätzlich können Nutstopper oder Nutkeile eingesetzt werden, um ein Herausziehen der Wicklung aus der Nut zu verhindern. Derartige Nutkeile sind beispielsweise aus der Druckschrift
DE 28 17 951 A1 bekannt. Bei für Elektromotoren mit hoher Drehzahl (10 000 Umdrehungen pro Minute und mehr) ausgelegten Rotoren wäre es sinnvoll, die Nutinnenkomponenten, insbesondere die Erregerwicklung, noch wirksamer gegen im Betrieb auftretende Fliehkräfte zu sichern.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Rotor für eine rotierende elektrische Maschine anzugeben, dessen Erregerwicklung derart gegen Fliehkräfte fixiert ist, dass der Rotor auch für hohe Drehzahlen einsetzbar ist.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Rotor für eine rotierende elektrische Maschine angegeben, der eine Anzahl von eine Erregerwicklung tragenden Polzähnen aufweist. Zwischen den Polzähnen sind jeweils Nuten gebildet und in den Nuten sind Nutkeile vorgesehen. Die Nutkeile weisen eine konkave Form mit einer zum Innern des Rotors gerichteten Aufwölbung auf.
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Ein derartiger Rotor ist auch für hohe Drehzahlen von 10 000 Umdrehungen pro Minute und mehr geeignet. Ein derartig geformter Nutkeil sichert die Nutinnenkomponenten besonders gut, da bei einem konkav gewölbten Nutkeil die Fliehkräfte besser abgeleitet werden können.
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In einer Ausführungsform weisen die Nutkeile einen konstanten Krümmungsradius auf. Sie bilden somit im Querschnitt einen Kreisbogen aus.
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In einer Ausführungsform sind die Nutkeile in den Polzähnen formstabil festgeklemmt. Dazu sind in den Polzähnen Ausnehmungen als Halterungen vorgesehen, die entsprechend der Form der Nut keile geformt sein können und die Randabschnitte der Nut keile aufnehmen. Derartig geformte Ausnehmungen folgen der Form der Nut keile und unterstützen die Wirkung der konkaven Nutkeilform.
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Zum Abdichten während des Vergießens kann die Grenzfläche zwischen den Nutkeilen und den Polzähnen eine Dichtung zum Beispiel in Form einer Silikon- oder Kleberaupe aufweisen. Eine derartige Dichtraupe kann vor oder während der Montage der Nutkeile entweder auf die Nutkeile oder in die Ausnehmungen in den Polzähnen aufgetragen werden. Diese dichtet die Nut keile über ihre gesamten Längsseiten ab.
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Auch zwischen zumindest einem Ende der Nut keile und angrenzenden Rotorkomponenten kann eine Dichtung in Form eines Dichtstopfens vorgesehen sein. Dabei kann der Dichtstopfen flexible Lamellen aufweisen.
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In einer Ausführungsform ist die Erregerwicklung mit einer Vergussmasse umgeben. Dazu wird nach der Montage des Rotors, nach Aufbringen der Wicklungen und Montieren der Nutkeile die elektrisch isolierende Vergussmasse, beispielsweise ein Vergussharz bzw. Epoxidharz wie Araldit oder ein Kunststoff, in die Hohlräume innerhalb der Nuten des Rotors eingebracht und härtet aus. In einer Ausführungsform sind die Hohlräume innerhalb der Nuten im Wesentlichen vollständig mit einer Vergussmasse vergossen.
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Bei derartigen Rotoren sind die Nutinnenkomponenten, insbesondere die Erregerwicklung, besonders gut gegen im Betrieb auftretende Fliehkräfte gesichert.
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Alternativ kann die Erregerwicklung auch mit einer Tränkmasse, beispielsweise ein Tränkharz, umgeben sein. Beim Tränken wird der Rotor in die Tränkmasse getaucht und anschließend getrocknet. Dabei werden alle Nutkomponenten zusammengeklebt, der Rest der Tränkmasse tropft ab. Die Rotornuten werden dabei typischerweise nicht vollständig aufgefüllt.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Elektromotor mit dem beschriebenen Rotor angegeben. Der Elektromotor kann insbesondere als fremderregte Synchronmaschine ausgebildet sein. Er kann sowohl als Innen- als auch als Außenläufer ausgebildet sein.
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Da die Nutinnenkomponenten wirksam gegen auftretende Fliehkräfte gesichert sind, kann der Elektromotor für Drehzahlen von 10 000 Umdrehungen pro Minute und mehr ausgelegt sein.
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Derartige Elektromotoren eignen sich für die Verwendung in einem Kraftfahrzeug. Sie können sowohl als im Antriebsstrang vollintegrierte Antriebsmotoren als auch beispielsweise als Startergeneratoren, Radnaben- oder Achsmotoren eingesetzt werden. Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird deshalb ein Kraftfahrzeug mit einem Antrieb angegeben, der den beschriebenen Elektromotor aufweist. Das Kraftfahrzeug kann dabei als Elektro- oder Hybridfahrzeug ausgebildet sein.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung des Rotors angegeben, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist:
- – Bereitstellen eines Rotorblechpakets mit Erregerwicklungen und die Nuten abdeckenden Nutkeilen;
- – Aufsetzen von Dichtkissen auf die Außenseiten der Nutkeile, wobei die Dichtkissen die Außenseiten der Nutkeile vollständig abdecken;
- – Einbringen des Rotors in ein Vergusswerkzeug;
- – Vergießen des Rotors;
- – Entnehmen des Rotors aus dem Vergusswerkzeug und Entfernen der Dichtkissen.
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Die Verwendung der Dichtkissen ermöglicht es, das Austreten von Vergussmasse aus der Schnittstelle zwischen Polzähnen und Nutkeil sicher zu verhindern. So wird auch verhindert, dass Vergussmasse auf die Oberfläche der Nutkeile gelangt. Für eine besonders gute Dichtwirkung können Dichtkissen aus einem elastischen Material, beispielsweise aus temperaturbeständigem Silikon, verwendet werden, die beim Einbringen in das Vergusswerkzeug zusammengedrückt werden.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen des oben dargestellten Rotors sind, soweit im Übrigen auf den Elektromotor beziehungsweise das Kraftfahrzeug übertragbar, auch als vorteilhafte Ausgestaltungen des Elektromotors beziehungsweise des Kraftfahrzeugs anzusehen.
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1 zeigt schematisch einen Querschnitt durch einen Elektromotor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
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2 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht des Elektromotors gemäß 1;
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3 zeigt schematisch die Verwendung eines Dichtkissens beim Vergießen des Rotors;
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4 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht und einen Querschnitt durch den Rotor;
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5 zeigt schematisch einen Querschnitt des Nutkeils und
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6 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch den Rotor.
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Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt schematisch einen Querschnitt durch einen Elektromotor 1 mit einem als Blechpaket ausgebildeten Rotor 2 und einem den Rotor 2 umgebenden Stator 3.
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Der Rotor 2 weist eine Anzahl von Polzähnen 4 auf, die durch Nuten 7 voneinander getrennt sind. Die Polzähne 4 tragen Erregerwicklungen 5, die gegen die Polzähne 4 beispielsweise durch ein Nutisolierpapier 6 elektrisch isoliert sind. Es kann auch eine andere Art der Isolierung verwendet werden, beispielsweise eine Umspritzung mit einem Kunststoff.
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Die Nut 7 wird nach außen hin abgeschlossen durch einen Nutkeil 8. Der Nutkeil 8 ist aus einem nicht magnetisierbaren Material ausgebildet.
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Der Nutkeil 8 weist in dieser Ausführungsform ein Material auf, das im Wesentlichen die Legierungszusammensetzung FeRestCraNibMncCdSiePfSgNh auf, worin a, b, c, d, e, f, g und h in Gewichtsprozent angegeben sind und 18 ≤ a ≤ 19; 12 ≤ b ≤ 13; 0 ≤ c ≤ 1,4; 0 ≤ d ≤ 0,055; 0 ≤ e ≤ 0,6; 0 ≤ f ≤ 0,04; 0 ≤ g ≤ 0,008 und 0 ≤ h ≤ 0,1 gilt.
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Gegenüber bekannten ”Nirosta”-Stählen weist dieses Material einen besonders hohen Anteil an Chrom und Nickel auf. Wie sich herausgestellt hat, bleiben werkstücke aus diesem Stahl auch nach dem Umformen, Stanzen oder Schneiden unmagnetisierbar. Wirbelstromverluste in dem Nutkeil 8 werden somit vermieden.
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Der Nutkeil 8 weist eine konkave Form auf mit einer Aufwölbung 11 zum Innern des Rotors 2 hin. Der Krümmungsradius des Nutkeils 8 ist über seinen gesamten Querschnitt konstant. Mit seinen Randbereichen ist der Nutkeil 8 in Ausnehmungen 10 in den Polzähnen 4 aufgenommen und gehaltert.
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Die konkave Form des Nutkeils 8 leitet im Betrieb auftretende Fliehkräfte ab. Der Nutkeil 8 sichert damit die Nutinnenkomponenten, insbesondere die Erregerwicklungen 5, auch bei hohen Drehzahlen des Elektromotors 1 zusätzlich in der Nut 7.
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2 zeigt eine perspektivische Ansicht des Rotors 2. In dieser Ansicht sind die zwischen den Polzähnen 4 sich erstreckenden Nutkeile 8 erkennbar. Die Nutkeile 8 erstrecken sich axial, das heißt in Richtung des Pfeils 14 parallel zur Drehachse des Rotors 2, über die ganze Länge der Nut 7. Im Falle einer Nutschrägung, die häufig eingesetzt wird, um das Rastmoment von Elektromotoren zu vermindern, folgen die Nutkeile dem schrägen Verlauf der Nut 7 entsprechend.
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Die Nutkeile 8 werden nach Aufbringen der Erregerwicklungen 5 montiert. Sie können sowohl axial als auch radial montiert werden. Dabei können sowohl ungebogene Bleche – beispielsweise vom Coil abgewickelt und während der Montage umgeformt – als auch bereits vor der Montage umgeformte Teile verwendet werden. Nach der Montage der Nutkeile 8 werden die verbleibenden Hohlräume der Nuten 7 mit einer nicht gezeigten Vergussmasse vergossen.
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3 illustriert das Abdichten des Rotors 2 während des Vergießens. Hochdrehende Rotoren werden häufig mit einer Vergussmasse vergossen, um die Nutinnenkomponenten zu stabilisieren. Da die Rotorteile ohne Lufteinschlüsse möglichst gleichmäßig vergossen werden sollen, wird der bereits zusammengebaute Rotor 2 im Vakuum vergossen.
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Im Bereich der Nutkeile 8 wird, um den Austritt von Vergussmasse zu verhindern, ein Dichtkissen 15 vorgesehen, das mit seiner Form die Kontur des Nutkeils 8 rotorseitig und eine runde Form vergusswerkzeugseitig abbildet. Das Dichtkissen 15 kann derartig geformt und dimensioniert sein, dass es in alle Richtungen abdichtet: An seiner Oberfläche 16 gegen den konkaven Nutkeil 8, an seiner Oberfläche 17 gegen das nicht gezeigte Vergusswerkzeug, an seinen Seitenflächen 18 gegen die Polzähne 4. Insbesondere kann das Dichtkissen 15 Hinterschnitte 9 aufweisen, mit denen es in der Ausnehmung 10 einrastet oder sich verklemmt.
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Bedingt durch die Geometrie und die Flexibilität des Dichtkissens 15 können auf diese Weise sowohl gerade als auch geschrägte Nuten 7 abgedichtet werden.
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Das Vergusswerkzeug ist in der Regel ein auf-und-zu-Werkzeug bestehend aus zwei von innen runden Dichtflächen, die nach dem Schließen des Werkzeugs einen Hohlzylinder ausbilden. Innerhalb des Hohlzylinders wird der Rotor 2 aufgenommen.
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In der gezeigten Ausführungsform sind die Dichtkissen 15 nicht mit der Außenseite des Rotors 2 bündig, sondern stehen geringfügig über. Beim Schließen des Werkzeugs dichten die Dichtkissen 15 aus flexiblem Material den Bereich des Nutkeils 8 radial ab. Durch das Verpressen beim Schließen des Werkzeugs streckt sich das Dichtkissen 15 in Richtung der Längsachse des Rotors 2. So ergibt sich auch eine Dichtwirkung in axialer Richtung im Bereich der Abdeckung des Wickelkopfes 21. Die Dichtbereiche (radial und axial) sind auch in 4 dargestellt.
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Das Dichtkissen 15 kann auch beim Tränken verwendet werden, um einen Austritt von Tränkharz aus den Nuten 7 zu verhindern.
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4 zeigt die radial abzudichtenden Bereiche Dr und den axial abzudichtenden Bereich Da dort, wo die drei Rotorkomponenten Rotorblechpaket, Nutkeil 8 und Abdeckung der Wickelköpfe 21 zusammentreffen. Das Abdichten dieser Bereiche verhindert den Austritt von Vergussmasse bzw. Tränkharz. Die Dichtkissen 15 werden nach dem Vergießen entfernt und können in weiteren Vergusszyklen verwendet werden.
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Eine alternative Möglichkeit, den Austritt von Vergussmasse zu verhindern, die auch zusätzlich zum Dichtkissen 15 verwendet werden kann, wird nun anhand der 4 bis 6 beschrieben.
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Im radialen Dichtbereich Dr kann eine Dichtung 19 in der Ausnehmung 10 vorgesehen sein. Diese Dichtung 19 kann als Flüssigdichtung oder als Dichtschiene ausgebildet sein und entweder in die Ausnehmung 10 eingebracht werden oder auch als Dichtraupe auf die Seitenflächen 20 des Nutkeils 8 appliziert werden. Hierfür kann beispielsweise Silikon verwendet werden.
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Der axial abzudichtende Bereich Da kann zusätzlich durch einen Dichtstopfen 23 abgedichtet werden, der in 6 im Schnitt gezeigt ist. Der Dichtstopfen 23 ist aus einem nicht magnetisierbaren Material hergestellt, beispielsweise aus Silikon oder einem anderen Kunststoff, und kann bereits bei der Fertigung des Nutkeils 8 auf dessen Randbereich 22 aufgesteckt oder angespritzt werden. Alternativ kann er auch beim Zusammenbau des Rotors 2 mit dem Nutkeil 8 verbunden werden, entweder, indem beide Teile vormontiert und anschließend gefügt werden, oder indem der Nutkeil 8 montiert und der Dichtstopfen 23 anschließend aufgesetzt wird.
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In der gezeigten Ausführungsform weist der Dichtstopfen 23 komprimierbare Lamellen 24 auf. Durch die Lamellen 24 werden die Montage- und Fertigungstoleranzen aller Bauteile im Dichtbereich Da ausgeglichen.
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Bei der Montage kann folgendermaßen vorgegangen werden: Zunächst werden die Nutkeile 8 mit dem Dichtstopfen 23 montiert, danach die Abdeckungen der Wickelköpfe 21 aufgesetzt. Dabei werden die Lamellen 24 der Dichtstopfen 23 verpresst und legen sich so an die Dichtkontur an. Dadurch wird der abzudichtende Bereich verschlossen. Auch wenn die Lamellen 24 nicht exakt an der Abdeckung des Wickelkopfes 21 liegen sollten, so bildet sich hier zumindest eine Labyrinthdichtung. Sollte beim Vergießen oder Tränken die Vergussmasse bzw. das Tränkharz durch die ersten Lamellen 24 dringen, so wird sie durch die Labyrinthgeometrie weitgehend zurückgehalten.
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Obwohl zumindest eine beispielhafte Ausführungsform in der vorhergehenden Beschreibung gezeigt wurde, können verschiedene Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden. Die genannten Ausführungsformen sind lediglich Beispiele und nicht dazu vorgesehen, den Gültigkeitsbereich, die Anwendbarkeit oder die Konfiguration in irgendeiner Weise zu beschränken. Vielmehr stellt die vorhergehende Beschreibung dem Fachmann einen Plan zur Umsetzung zumindest einer beispielhaften Ausführungsform zur Verfügung, wobei zahlreiche Änderungen in der Funktion und der Anordnung von in einer beispielhaften Ausführungsform beschriebenen Elementen gemacht werden können, ohne den Schutzbereich der angefügten Ansprüche und ihrer rechtlichen Äquivalente zu verlassen.
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Offenbart wird zudem ein Verfahren zur Herstellung eines in der obigen Beschreibung und in Patentansprüchen beschriebenen Rotors 2, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte aufweist:
- – Bereitstellen eines Rotorblechpakets mit Erregerwicklungen 5 und die Nuten 7 abdeckenden Nutkeilen 8;
- – Aufsetzen von Dichtkissen 15 auf die Außenseiten 27 der Nutkeile 8, wobei die Dichtkissen 15 die Außenseiten 27 der Nutkeile 8 vollständig abdecken;
- – Einbringen des Rotors 2 in ein Vergusswerkzeug;
- – Vergießen des Rotors 2;
- – Entnehmen des Rotors 2 aus dem Vergusswerkzeug und Entfernen der Dichtkissen 15.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektromotor
- 2
- Rotor
- 3
- Stator
- 4
- Polzahn
- 5
- Erregerwicklung
- 6
- Nutisolierpapier
- 7
- Nut
- 8
- Nutkeil
- 9
- Hinterschnitt
- 10
- Ausnehmung
- 11
- Aufwölbung
- 14
- Pfeil
- 15
- Dichtkissen
- 16
- Oberfläche
- 17
- Oberfläche
- 18
- Seitenfläche
- 19
- Dichtung
- 20
- Seitenfläche
- 21
- Abdeckung des Wickelkopfes
- 22
- Randbereich
- 23
- Dichtstopfen
- 24
- Lamellen
- 25
- Längsseite
- 26
- Ende
- 27
- Außenseite
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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