DE202012003643U1 - Rotor for a rotating electric machine and rotating electric machine - Google Patents
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Abstract
Rotor (2) für eine rotierende elektrische Maschine, der ein auf einer Rotorwelle (18) angeordnetes Rotorblechpaket aufweist, wobei der Rotor (2) ferner zumindest eine metallische Funktionskomponente aufweist, wobei die zumindest eine Funktionskomponente aus einem Material ausgebildet ist, das – Eisen aufweist sowie – Chrom in einem Anteil von mindestens 18 und höchstens 19 Gewichtsprozent.Rotor (2) for a rotating electrical machine, which has a rotor laminated core arranged on a rotor shaft (18), the rotor (2) further comprising at least one metallic functional component, the at least one functional component being formed from a material which comprises - iron and - chromium in a proportion of at least 18 and at most 19 percent by weight.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor für eine rotierende elektrische Maschine, insbesondere für einen Elektromotor oder einen Generator.The present invention relates to a rotor for a rotating electrical machine, in particular for an electric motor or a generator.
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.In modern motor vehicles are increasingly installed electric motors. They are used in particular as drive trains fully integrated in the drive train or in hybrid applications, for example as starter generators. In some cases, externally excited synchronous machines are used which have a rotor made of a laminated core provided with a field winding. In such rotors, grooves are formed between the wound pole teeth.
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
Neben fremderregten Synchronmaschinen werden auch Asynchronmaschinen verbaut; insbesondere als Startergeneratoren kommen auch permanenterregte Synchronmaschinen zum Einsatz.In addition to separately excited synchronous machines and asynchronous machines are installed; In particular starter generators also permanent magnet synchronous machines are used.
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.In order to reduce eddy current losses that occur during operation, components of electrical machines are partly made of non-magnetisable materials. For example, non-magnetizable and stainless steels are used, which are also known as "stainless steel" steels (eg steel 1.4301 and 1.4303 according to material designation according to the European standard). However, their austenitic structure is changed during forming, stamping or cutting, so that the steels can be magnetized.
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.It would be conceivable for some components, the use of plastics. However, these do not usually have the necessary mechanical properties to withstand high centrifugal forces.
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.The object of the invention is therefore to provide a rotor for a rotating electrical machine, on the one hand has low eddy current losses, on the other hand is sufficiently stable, so that it can also be used for high speeds.
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.According to one aspect of the invention, there is provided a rotor for a rotary electric machine having a rotor core stacked on a rotor shaft, the rotor further comprising at least one metallic functional component, the functional component being formed of a material having iron and chromium in one Content of at least 18 and not more than 19% by weight, and nickel in a proportion of not less than 12% and not more than 13% by weight.
Unter einer Funktionskomponente wird dabei hier und im Folgenden eine Komponente verstanden wie beispielsweise ein Geberrad eines Rotorlagegebers, Gehäuseteile, Wuchtelemente, Wickelkopfabdeckungen oder Nutkeile.In this case, a functional component is understood here and below to mean a component, such as, for example, a transmitter wheel of a rotor position sensor, housing parts, balancing elements, winding head covers or slot wedges.
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.In particular, the material may substantially have the alloy composition Fe radical Cr a Ni b Mn c C d Si e P f S g N h , in which a, b, c, d, e, f, g and h are given in percent by weight, and ≤ 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 and 0 ≤ h ≤ 0.1. In addition, the material can have production-typical impurities with other substances.
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.Compared to known stainless steels, for example steels 1.4301 or 1.4303, this material has a particularly high proportion of chromium and nickel. It has been found that workpieces made of this steel, in contrast to workpieces made of known stainless steels, remain unmagnetizable even after forming, stamping or cutting due to their relatively high content of chromium and nickel.
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.This material is therefore suitable for functional components of an electric motor, which are often produced by means such as deep drawing, stamping or turning and thereby undergo considerable transformations. By maintaining the non-magnetisability even in such processes eddy current losses are reduced.
Dieser Stahl ist zudem ausreichend fest, so dass die Funktionskomponenten die für hohe Belastungen notwendige Festigkeit aufweisen.This steel is also sufficiently strong, so that the functional components have the necessary strength for high loads.
Ein derartiger Rotor ist somit auch für hohe Drehzahlen von 10 000 Umdrehungen pro Minute und mehr geeignet.Such a rotor is thus also suitable for high speeds of 10,000 revolutions per minute and more.
In einer Ausführungsform ist die zumindest eine Funktionskomponente als Wuchtelement ausgebildet.In one embodiment, the at least one functional component is designed as a balancing element.
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.A balancing element is understood to mean a component to which material is removed or added in the event of an imbalance compensation on the rotor can until the center of gravity in the balancing planes is approximately on the axis of rotation of the rotor. Such unbalance compensation is typically performed because the rotor is not fully rotationally symmetric after fabrication due to component tolerances and unavoidable nonuniformities in the manufacturing processes. It can also be provided several balancing elements on a rotor, which are often formed as concentric with the rotor shaft balancing rings.
In einer Ausführungsform ist die zumindest eine Funktionskomponente als Geberrad eines Rotorlagegebers ausgebildet.In one embodiment, the at least one functional component is designed as a transmitter wheel of a rotor position sensor.
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.The encoder wheel of the rotor position sensor has an encoder contour, also called sensor track, which together with a stationary arranged on the motor housing and therefore not rotating with the rotor sensor element together forms the sensor.
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.In one embodiment, the rotor is designed as a rotor of a separately excited synchronous machine and has a number of pole teeth carrying a field winding. Grooves are formed between the pole teeth.
In einer Ausführungsform ist die zumindest eine Funktionskomponente als Wickelkopfabdeckung der Erregerwicklung ausgebildet.In one embodiment, the at least one functional component is designed as a winding head cover of the field winding.
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.Under the winding head cover is here and in the following understood a cover of the winding heads of the field winding of the rotor, which closes the rotor core in the axial direction. Winding head covers may be provided at both ends of the rotor.
In einer Ausführungsform sind die Funktionskomponenten als in den Nuten angeordnete und die Nuten nach außen abschließende Nutkeile ausgebildet.In one embodiment, the functional components are configured as slot wedges arranged in the slots and closing the slots outwardly.
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.The slot wedges additionally secure the exciter windings during operation. They can be clamped dimensionally stable in the pole teeth. For this purpose, recesses are provided as holders in the pole teeth, receive the edge portions of the slot wedges.
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.In one embodiment, the field winding is surrounded by a potting compound. For this purpose, after mounting the rotor, after applying the windings and mounting the slot wedges, the electrically insulating potting compound, such as a potting resin or epoxy resin such as araldite or a plastic, introduced into the cavities within the grooves of the rotor and cures. In one embodiment, the cavities within the grooves are substantially completely potted with a potting compound.
Bei derartigen Rotoren sind die Nutinnenkomponenten, insbesondere die Erregerwicklung, besonders gut gegen im Betrieb auftretende Fliehkräfte gesichert.In such rotors, the Nutinnenkomponenten, in particular the field winding, are particularly well secured against centrifugal forces occurring during operation.
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.Alternatively, the exciter winding can also be surrounded by an impregnating mass, for example an impregnating resin. When soaking, the rotor is dipped in the impregnating mass and then dried. All groove components are glued together, the rest of the impregnating mass drips off. The rotor grooves are typically not completely filled.
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.Among the functional components, which is formed of the material having in addition to iron chromium in a proportion of at least 18 and at most 19 weight percent and nickel in a proportion of at least 12 and at most 13 weight percent, components of the electrical machine such. As the rotor plate pack itself, the rotor shaft, the bearing plate, the balancing ring but also the Statorblechpacket, the stator housing, etc. include.
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.According to one aspect of the invention, an electric motor is provided with the described rotor. The electric motor can be designed in particular as a separately excited synchronous machine. It can be designed both as an internal and external rotor. The electric motor can also be designed as a permanent magnet synchronous machine or as an asynchronous machine.
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.Since the Nutinnenkomponenten are effectively secured against occurring centrifugal forces and the functional components of the rotor have a high strength, the electric motor for speeds of 10,000 revolutions per minute and more can be designed.
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.Such electric motors are suitable for use in a motor vehicle. They can be used both as drive motors fully integrated in the drive train, for example as wheel hubs or axle motors, and, for example, as starter generators. According to one aspect of the invention, therefore, a motor vehicle is specified which has the described electric motor. The motor vehicle can be designed as an electric or hybrid vehicle.
Ausführungsbeispiele werden nun anhand der Zeichnungen näher erläutert.Embodiments will now be explained in more detail with reference to the drawings.
Gleiche Teile sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.Identical parts are provided with the same reference numerals in all figures.
In der gezeigten Ausführungsform ist der Elektromotor
Die Nut
In der gezeigten Ausführungsform ist der Nutkeil
Die Nutkeile
Im Bereich der Wickelköpfe
Die Wickelkopfabdeckung
Die Wickelkopfabdeckung
Zur Stabilisierung der Erregerwicklung im Betrieb ist der Rotor
Der Rotor
Der Rotor
Der Wuchtring
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.Although at least one exemplary embodiment has been shown in the foregoing description, various changes and modifications may be made. The above embodiments are merely examples and are not intended to limit the scope, applicability, or configuration in any way. Rather, the foregoing description provides those skilled in the art with a plan for practicing at least one example embodiment, and wherein numerous changes can be made in the operation and arrangement of elements described in an exemplary embodiment without departing from the scope of the appended claims and their legal equivalents ,
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Elektromotorelectric motor
- 22
- Rotorrotor
- 33
- Statorstator
- 44
- Polzahnpole tooth
- 55
- Erregerwicklungexcitation winding
- 66
- Nutisolierpapierslot insulating paper
- 77
- Nutgroove
- 88th
- Nutkeilslot wedge
- 1010
- Ausnehmungrecess
- 1111
- Aufwölbungupheaval
- 1515
- Wickelkopfwinding
- 1616
- WickelkopfabdeckungWrap head cover
- 1717
- zentrale Öffnungcentral opening
- 1818
- Rotorwellerotor shaft
- 1919
- KunststoffmassePlastic compound
- 2020
- Geberradsensor wheel
- 2121
- Geberkonturdonors contour
- 2222
- Stirnseitefront
- 2323
- Wuchtringbalancing ring
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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DE102015214818A1 (en) | 2015-08-04 | 2017-02-09 | Volkswagen Aktiengesellschaft | Balancing disk for a rotatable component |
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