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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor für eine rotierende elektrische Maschine, insbesondere für einen Elektromotor oder einen Generator.
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In modernen Kraftfahrzeugen werden zunehmend Elektromotoren verbaut. Sie werden dabei insbesondere als im Antriebsstrang vollintegrierte Antriebsmotoren oder in Hybridanwendungen beispielsweise auch als Startergeneratoren 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 könnten. 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. 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.
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Neben fremderregten Synchronmaschinen werden auch Asynchronmaschinen verbaut; insbesondere als Startergeneratoren kommen auch permanenterregte Synchronmaschinen zum Einsatz.
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Damit im Betrieb auftretende Wirbelstromverluste reduziert werden, werden Komponenten von elektrischen Maschinen teilweise aus nicht magnetisierbaren Materialien gefertigt. Beispielsweise kommen nicht magnetisierbare und nicht rostende Stähle zum Einsatz, die auch als „Nirosta”-Stähle (z. B. Stahl 1.4301 und 1.4303 gemäß Werkstoffbezeichnung nach Europäischer Norm) bekannt sind. Deren austenitische Struktur wird jedoch beim Umformen, Stanzen oder Schneiden verändert, so dass die Stähle magnetisierbar werden können.
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Denkbar wäre für manche Komponenten auch der Einsatz von Kunststoffen. Diese besitzen jedoch in der Regel nicht die notwendigen mechanischen Eigenschaften, um hohen Fliehkräften zu widerstehen.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Rotor für eine rotierende elektrische Maschine anzugeben, der einerseits niedrige Wirbelstromverluste aufweist, andererseits auch ausreichend stabil ist, so dass er 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 ein auf einer Rotorwelle angeordnetes Rotorblechpaket aufweist, wobei der Rotor ferner zumindest eine metallische Funktionskomponente aufweist, wobei die Funktionskomponente aus einem Material ausgebildet ist, das Eisen aufweist sowie Chrom in einem Anteil von mindestens 18 und höchstens 19 Gewichtsprozent sowie Nickel in einem Anteil von mindestens 12 und höchstens 13 Gewichtsprozent.
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Unter einer Funktionskomponente wird dabei hier und im Folgenden eine Komponente verstanden wie beispielsweise ein Geberrad eines Rotorlagegebers, Gehäuseteile, Wuchtelemente, Wickelkopfabdeckungen oder Nutkeile.
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Insbesondere kann das Material im Wesentlichen die Legierungszusammensetzung FeRestCraNibMncCdSiePfSgNh aufweisen, 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. Daneben kann das Material fertigungstypische Verunreinigungen mit anderen Stoffen aufweisen.
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Gegenüber bekannten nicht rostenden Stählen, beispielsweise den Stählen 1.4301 oder 1.4303, weist dieses Material einen besonders hohen Anteil an Chrom und Nickel auf. Es hat sich gezeigt, dass Werkstücke aus diesem Stahl, im Gegensatz zu Werkstücken aus bekannten nicht rostenden Stählen, aufgrund ihres relativ hohen Anteils an Chrom und Nickel auch nach dem Umformen, Stanzen oder Schneiden unmagnetisierbar bleiben.
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Dieses Material eignet sich demnach für Funktionskomponenten eines Elektromotors, die häufig mittels Verfahren wie Tiefziehen, Stanzen oder Drehen hergestellt werden und dabei beträchtliche Umformungen erfahren. Durch die Erhaltung der Unmagnetisierbarkeit auch bei derartigen Prozessen werden Wirbelstromverluste reduziert.
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Dieser Stahl ist zudem ausreichend fest, so dass die Funktionskomponenten die für hohe Belastungen notwendige Festigkeit aufweisen.
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Ein derartiger Rotor ist somit auch für hohe Drehzahlen von 10 000 Umdrehungen pro Minute und mehr geeignet.
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In einer Ausführungsform ist die zumindest eine Funktionskomponente als Wuchtelement ausgebildet.
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Unter einem Wuchtelement wird ein Bauteil verstanden, dem bei einem Unwuchtausgleich am Rotor Material entfernt oder hinzugefügt werden kann, bis der Schwerpunkt in den Wuchtebenen annähernd auf der Drehachse des Rotors liegt. Ein solcher Unwuchtausgleich wird typischerweise durchgeführt, weil der Rotor nach seiner Fertigung aufgrund von Toleranzen in den Bauteilen sowie aufgrund unvermeidbarer Ungleichmäßigkeiten in den Fertigungsprozessen nicht vollständig rotationssymmetrisch ist. Es können auch mehrere Wuchtelemente an einem Rotor vorgesehen sein, die häufig als konzentrisch zur Rotorwelle angeordnete Wuchtringe ausgebildet sind.
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In einer Ausführungsform ist die zumindest eine Funktionskomponente als Geberrad eines Rotorlagegebers ausgebildet.
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Das Geberrad des Rotorlagegebers weist eine Geberkontur, auch Sensorspur genannt, auf, die zusammen mit einem ortsfest am Motorgehäuse angeordneten und sich demnach nicht mit dem Rotor drehenden Sensorelement zusammen den Sensor ausbildet.
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In einer Ausführungsform ist der Rotor als Rotor einer fremderregten Synchronmaschine ausgebildet und weist eine Anzahl von eine Erregerwicklung tragenden Polzähnen auf. Zwischen den Polzähnen sind jeweils Nuten gebildet.
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In einer Ausführungsform ist die zumindest eine Funktionskomponente als Wickelkopfabdeckung der Erregerwicklung ausgebildet.
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Unter der Wickelkopfabdeckung wird hier und im folgenden eine Abdeckung der Wickelköpfe der Erregerwicklung des Rotors verstanden, die das Rotorblechpaket in axialer Richtung abschließt. Wickelkopfabdeckungen können an beiden Enden des Rotors vorgesehen sein.
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In einer Ausführungsform sind die Funktionskomponenten als in den Nuten angeordnete und die Nuten nach außen abschließende Nutkeile ausgebildet.
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Die Nutkeile sichern im Betrieb die Erregerwicklungen zusätzlich. Sie können in den Polzähnen formstabil festgeklemmt sein. Dazu sind in den Polzähnen Ausnehmungen als Halterungen vorgesehen, die Randabschnitte der Nutkeile aufnehmen.
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In einer Ausführungsform ist die Erregerwicklung von 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 von einer Tränkmasse, beispielsweise einem 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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Unter den Funktionskomponenten, welche aus dem Material ausgebildet ist, das neben Eisen Chrom in einem Anteil von mindestens 18 und höchstens 19 Gewichtsprozent sowie Nickel in einem Anteil von mindestens 12 und höchstens 13 Gewichtsprozent aufweist, können auch Komponenten der elektrischen Maschine wie z. B. das Rotorblechpacket an sich, die Rotorwelle, der Lagerschild, der Wuchtring aber auch das Statorblechpacket, das Statorgehäuse usw. gehören.
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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. Der Elektromotor kann auch als permanenterregte Synchronmaschine oder als Asynchronmaschine ausgebildet sein.
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Da die Nutinnenkomponenten wirksam gegen auftretende Fliehkräfte gesichert sind und die Funktionskomponenten des Rotors eine hohe Festigkeit aufweisen, 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, beispielsweise als Radnaben- oder Achsmotoren, als auch beispielsweise als Startergeneratoren eingesetzt werden. Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird deshalb ein Kraftfahrzeug angegeben, das den beschriebenen Elektromotor aufweist. Das Kraftfahrzeug kann dabei als Elektro- oder Hybridfahrzeug ausgebildet sein.
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Ausführungsbeispiele werden nun anhand der Zeichnungen näher erläutert.
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1 zeigt schematisch einen Querschnitt durch einen Elektromotor mit einem Rotor gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
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2 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht des Elektromotors gemäß 1;
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3 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch einen Bereich des Rotors gemäß einer zweiten Ausführungsform;
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4 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch einen Bereich des Rotors gemäß einer dritten Ausführungsform und
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5 zeigt eine Tabelle mit einer Legierungszusammensetzung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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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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In der gezeigten Ausführungsform ist der Elektromotor 1 als fremderregte Synchronmaschine ausgebildet. Der Rotor 2 weist eine Anzahl von Polzähnen 4 auf, zwischen denen Nuten 7 gebildet sind. Die Polzähne 4 tragen Erregerwicklungen 5, die von den Polzähnen 4 durch ein Nutisolierpapier 6 elektrisch isoliert sind. Es kann auch eine andere Form der Isolierung, beispielsweise ein Umspritzen mit einem Kunststoff, gewählt werden.
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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 und weist 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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In der gezeigten Ausführungsform ist der Nutkeil 8 konkav ausgebildet mit einer Aufwölbung 11 zum Innern des Rotors 2 hin. Der Nutkeil 8 kann aber auch eine konvexe oder andere Form haben. Mit seinen Randbereichen ist der Nutkeil 8 in Ausnehmungen 10 in den Polzähnen 4 aufgenommen und gehaltert. Der Nutkeil 8 sichert die Erregerwicklung 5 zusätzlich gegen im Betrieb auftretende Fliehkräfte.
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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 13 über die ganze Länge der Nut 7. Derartige Nutkeile 8 können auch bei geschrägten Nuten 7 vorgesehen sein, die dann dem schrägen Verlauf der Nuten 7 folgen.
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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 vorgebogene 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 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch einen Bereich des Rotors 2 gemäß einer zweiten Ausführungsform.
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Im Bereich der Wickelköpfe 15 ist jeweils eine im Tiefziehverfahren hergestellte Wickelkopfabdeckung 16 vorgesehen. Diese umgibt beide Enden des Rotorblechpakets und die Erregerwicklung 5 und weist eine zentrale Öffnung 17 zur Durchführung der Rotorwelle 18 auf. Die Rotorwelle 18 ist mit dem Rotor 2 drehfest verbunden und in einem nicht gezeigten Gehäuse der elektrischen Maschine drehbar gelagert. Eine Wickelkopfabdeckung 16 kann auch nur an einem Ende des Rotors 2 vorgesehen sein.
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Die Wickelkopfabdeckung 16 schließt das Rotorblechpaket in axialer Richtung ab.
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Die Wickelkopfabdeckung 16 besteht aus einem unmagnetisierbaren Stahl mit der Legierungszusammensetzung FeRestCraNibMncCdSiePfSgNh, 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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Zur Stabilisierung der Erregerwicklung im Betrieb ist der Rotor 2 in einem Spritzgießverfahren mit einer Kunststoffmasse 19 vergossen. In der Kunststoffmasse 19 ist die nicht gezeigte Erregerwicklung eingebettet. Die Kunststoffmasse 19 weist eine Grenzfläche zu der Wickelkopfabdeckung 16 auf.
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Der Rotor 2 weist ein Geberrad 20 eines Rotorlagegebers auf, das in dieser Ausführungsform einstückig mit der Wickelkopfabdeckung 16 ausgebildet ist. Bei dieser Ausführungsform ist eine Geberkontur 21 auf der Stirnseite 22 des Geberrads 20 aufgebracht. Das Geberrad 20 und/oder die Geberkontur 21 bestehen in dieser Ausführungsform wie die Wickelkopfabdeckung 16 aus einem unmagnetisierbaren Stahl mit der Legierungszusammensetzung FeRestCraNibNncCdSiePfSgNh, 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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4 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch einen Bereich des Rotors 2 gemäß einer dritten Ausführungsform. Bei dieser Ausführungsform ist das Geberrad 20 ebenfalls einstückig mit der Wickelkopfabdeckung 16 ausgebildet. Es kann jedoch auch als separates Teil ausgebildet sein. Die Geberkontur 21 ist in dieser Ausführungsform als nach innen gezogener Bereich ausgebildet.
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Der Rotor 2 weist ferner ein Wuchtelement in Form eines Wuchtrings 23 auf. Der Wuchtring 23 ist auf der Innenseite der Wickelkopfabdeckung 16 angeordnet und aus einem unmagnetisierbaren Stahl mit der Legierungszusammensetzung FeRestCraNibMncCdSiePfSgNh ausgebildet, 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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Der Wuchtring 23 wird mit dem Tiefziehteil, das die Funktionalitäten der Wickelkopfabdeckung 16 und des Geberrads 20 in sich vereinigt, beispielsweise mittels Einrollieren, Verstemmen oder Einpressen verbunden. Als Anschlag für den Wuchtring 23 kann dabei zum Beispiel der Boden oder ein Absatz im Tiefziehteil dienen.
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5 zeigt eine Tabelle mit einer Legierungszusammensetzung, die gemäß einer Ausführungsform der Erfindung für verschiedene Funktionskomponenten des Rotors 2 verwendet werden kann. Gegenüber bekannten nichtrostenden Stählen weist diese Legierung einen besonders hohen Anteil an Nickel und Chrom auf. Es hat sich gezeigt, dass dadurch die austenitische Struktur des Stahls auch nach dem Umformen unbeschädigt bleibt. Daher ist dieser Stahl auch nach dem Umformen unmagnetisierbar und aufgrund der geringen Wirbelstromverluste besonders für den Einsatz in dem Rotor 2 geeignet.
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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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Bezugszeichenliste
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- 1
- Elektromotor
- 2
- Rotor
- 3
- Stator
- 4
- Polzahn
- 5
- Erregerwicklung
- 6
- Nutisolierpapier
- 7
- Nut
- 8
- Nutkeil
- 10
- Ausnehmung
- 11
- Aufwölbung
- 15
- Wickelkopf
- 16
- Wickelkopfabdeckung
- 17
- zentrale Öffnung
- 18
- Rotorwelle
- 19
- Kunststoffmasse
- 20
- Geberrad
- 21
- Geberkontur
- 22
- Stirnseite
- 23
- Wuchtring
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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