WO2018015055A1

WO2018015055A1 - Elektrische synchronmaschine und verfahren zum zumindest teilumfänglichen herstellen einer elektrischen synchronmaschine

Info

Publication number: WO2018015055A1
Application number: PCT/EP2017/063005
Authority: WO
Inventors: Julian BLUM; Dragoljub Duricic; Zakaria El Khawly; Augusto Guccione; Andreas Huber; Daniel Loos; Joerg Merwerth; Jerome Ragot; Jan-Oliver Roth; Berthold Schinnerl; Jan Sousek; Sherif Zaidan; Burghard Baier
Original assignee: Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
Priority date: 2016-07-20
Filing date: 2017-05-30
Publication date: 2018-01-25
Also published as: CN109314417A; US20190157924A1; US10840751B2; DE102016213215A1; CN109314417B

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Synchronmaschine für ein schienenloses Fahrzeug. Das Fahrzeug weist Antriebsräder auf und die Synchronmaschine ist dazu eingerichtet, an den Antriebsrädern ein einen Vortrieb des Fahrzeugs bewirkendes Drehmoment zu erzeugen. Die Synchronmaschine weist einen Stator und einen um diesen rotierenden Rotor auf, wobei der Stator eine zum Ausbilden eines rotierenden Statormagnetfelds zumindest dreiphasig aufgebaute Statorwicklung aufweist, und wobei der Rotor zumindest eine zum Ausbilden eines Rotormagnetfelds ausgebildete Rotorwicklung aufweist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum zumindest teilumfänglichen Herstellen einer stromerregten Synchronmaschine, mit folgenden Schritten: Bereitstellen eines Rotorjochs, Bereitstellen einer Vielzahl von Rotorpolen, Befestigen der Rotorpole an dem Rotorjoch zum Ausbilden eines Rotors, Bereitstellen eines Stators, und Einbringen des Stators in den Rotor.

Description

Elektrische Synchronmaschine und Verfahren zum zumindest teilumfänglichen Herstellen einer elektrischen Synchronmaschine

Die Erfindung betrifft eine elektrische Synchronmaschine und ein Verfahren zum zumindest teilumfänglichen Herstellen einer elektrischen Synchronmaschine.

Heutzutage kommen zunehmend schienenlose Fahrzeuge mit einem elektrischen Antriebssystem auf den Markt. In derartigen Antriebssystemen kommt eine elektrische Maschine zum Einsatz, die aus einer Hochvoltversorgungs- einheit mit elektrischer Energie versorgt wird und die dazu eingerichtet ist, an den Antriebsrädern des Fahrzeugs ein einen Vortrieb des Fahrzeugs bewirkendes Drehmoment zu erzeugen. Besagte Hochvoltversorgungseinheit kann ein Spannungsniveau von 250 bis 420 Volt, teilweise sogar bis zu 1000 Volt aufweisen. Solch eine Hochvoltversorgungseinheit ist aus einer Vielzahl von Energiespeicherzellen aufgebaut, die vorzugsweise als Lithium-Ionen- Speicherzellen ausgebildet sind. Eine derart aufgebaute Hochvoltversorgungseinheit wird auch als Hochvoltspeicher bzw. Traktionsbatterie bezeichnet. Um das vorgenannte Spannungsniveau zu erreichen, sind die einzelnen Energiespeicherzellen mittels eines Kontaktierungssystems elektrisch miteinander verschaltet und somit zu einem Gesamtsystem verbunden. In der Regel werden die Energiespeicherzellen in Serie verschaltet. Dabei sind die Energiespeicherzellen üblicherweise zu kleineren Gruppen, den sogenannten Energiespeichermodulen zusammengefasst bzw. verschaltet, wobei die Module zum Ausbilden des Hochvoltspeichers untereinander in Serie geschaltet sind.

Besagte Fahrzeuge können als Hybridfahrzeug oder als Elektrofahrzeug ausgebildet sein. Bei einem Hybridfahrzeug wird neben der elektrischen Maschine ein weiteres Aggregat für den Antrieb eingesetzt, in der Regel ein Verbrennungsmotor. Wohingegen ein Elektrofahrzeug ausschließlich durch eine elektrische Maschine angetrieben wird. Als elektrische Maschinen können beispielsweise stromerregte Synchronmaschinen zum Einsatz kommen, die als Innenläufermaschinen aufgebaut sind, bei denen also ein drehbar gelagerter Rotor eine Erregerwicklung trägt und von einem ortsfesten Stator umschlossen ist. Aufgrund der Anordnung wird die Erregerwicklung als Rotorwicklung bezeichnet. Die Rotorwicklung kann an über eine Rotoroberfläche hinausragenden Rotorpolen angeordnet sein. Üblicherweise sind die derzeit zum Einsatz kommenden Rotoren aus einer Vielzahl von einstückig ausgebildeten Einzelblechen aufgebaut.

Im Betrieb eines mit einem elektrischen Antriebssystem ausgestatteten schienenlosen Fahrzeugs ist die elektrische Maschine aufgrund der dabei herrschenden Betriebssituationen bzw. Betriebsbedingungen zumindest zeitweise hohen Belastungen ausgesetzt. Zum einen treten an der elektrischen Maschine extreme Temperaturen auf, die je nach Umgebungssituation von - 40°C bis + 150°C reichen können. Zum anderen wirken auf den Rotor große Fliehkräfte, bedingt durch die zeitweise mit der elektrischen Maschine zu realisierenden großen Motordrehzahlen. Bei einer stromerregten, als In- nenläufermaschine ausgebildeten Synchronmaschine ist auch die an dem Rotor angeordnete Rotorwicklung diesen Belastungen ausgesetzt. Die im Betrieb auftretenden Fliehkräfte führen dazu, dass sich die Rotorwicklung tendenziell vom Rotor weg, hin zu dem Luftspalt bewegt, der zwischen dem Rotor und dem ihn umgebenden Stator ausgebildet ist. Um dieser Bewegung bzw. Bewegungstendenz entgegenzuwirken, werden konstruktive Maßnahmen ergriffen. So sind die Polschuhe, die an den dem Luftspalt zugewandten Enden der Rotorpole ausgebildet sind, entsprechend groß dimensioniert, um eine der Bewegungstendenz der Rotorwicklung entgegenwirkende ausreichende Halterung auszubilden. Dies führt dazu, dass die zwischen benachbarten Rotorpolen bzw. Polschuhen verbleibenden Zwischenräume entsprechend klein bzw. eng sind, was wiederum zu einem erhöhten Zeit- und somit Kostenaufwand bei der Rotorfertigung führt. In der Regel werden die Rotoren mit Hilfe von Nadel- oder Flyerwicklern bewickelt. Aufgrund der geringen Abstände zwischen benachbarten Rotorpolen ist es sehr aufwändig, die zur Ausbildung der Rotorwicklung benötigten Windungen einzubringen, in der Regel sind dies zwischen 80 und 180 Windungen je Rotorpol. Das Einbringen benötigt verhältnismäßig viel Zeit, da es mit einer großen Sorgfalt erfolgen muss, um beispielsweise ein Beschädigen der den elektrischen Leiter umgebenden Lackschicht zu vermeiden und/oder ein optimales Bewickeln des Rotorpolkerns zur Ausbildung eines passablen Füllgrades sicherzustellen. Um darüber hinaus einen sicheren Betrieb einer Synchronmaschine gewährleisten zu können, ist die bei ihrem Betrieb realisierbare Umlaufgeschwindigkeit des Rotors auf einen Maximalwert begrenzt, beispielsweise auf ungefähr 1 15 m/s. Bei darüber liegenden Werten sind die auf die Rotorwicklung wirkenden Fliehkräfte derart groß, dass die mechanische Stabilität der Synchronmaschine gefährdet bzw. nicht mehr gewährleistet ist.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bestehende elektrische stromerregte Synchronmaschinen derart weiterzubilden, dass mit diesen höhere als bisher mögliche Umlaufgeschwindigkeiten realisiert werden können. In einem weiteren Aspekt soll der Fertigungsaufwand geringer sein. Ferner soll es möglich sein, einen besseren Füllgrad und somit ein günstigeres Verhältnis von erzeugbarer Magnetfeldstärke bezogen auf das Bauvolumen eines Rotorpols zu erzielen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine elektrische Synchronmaschine, die dazu eingerichtet ist, an den Antriebsrädern eines schienenlosen Fahrzeugs ein einen Vortrieb des Fahrzeugs bewirkendes Drehmoment zu erzeugen, bei der um einen Stator, der eine zum Ausbilden eines rotierenden Statormagnetfelds zumindest dreiphasig aufgebaute Statorwicklung aufweist, ein Rotor um diesen rotiert, der zumindest eine zum Ausbilden eines Rotormagnetfelds ausgebildete Rotorwicklung aufweist.

Der erfindungsgemäße Ansatz zeichnet sich dadurch aus, dass bei einem schienenlosen Fahrzeug eine als Außenläufermaschine ausgebildete stromerregte Synchronmaschine zum Einsatz kommt. Dadurch dass der die Rotorwicklung tragende Rotor um den Stator rotiert, können mit einer derart ausgebildeten Synchronmaschine wesentlich höhere Umlaufgeschwindigkeiten realisiert werden, als die eingangs erwähnten 1 15 m/s. Zwar wirken auch bei dieser Synchronmaschine Fliehkräfte auf die Rotorwicklung, allerdings wird hier die Rotorwicklung gegen denjenigen Teil der Rotors gedrückt, nämlich gegen das Rotorjoch, der eine wesentlich höhere Stabilität aufweist, als es für die Polschuhe der Rotorpole der Fall ist, gegen die die Rotorwicklung bei einer als Innenläufermaschine ausgebildeten stromerregten Synchronmaschine gedrückt wird. Demzufolge kann sich beim Betrieb der erfindungsgemäßen Synchronmaschine die Rotorwicklung nicht aus den Rotornuten herausbewegen und somit ab einer bestimmten Umlaufgeschwindigkeit die Gefahr einer Beschädigung der Synchronmaschine bestehen, wie es bei einer als Innenläufer ausgebildeten stromerregten Synchronmaschine der Fall sein kann.

Die obengenannte Aufgabe ist daher vollständig gelöst.

Vorteilhafterweise weist bei der erfindungsgemäß aufgebauten Synchronmaschine der Rotor eine Vielzahl von über seinen Rotorumfang verteilt angeordneter Rotorpole auf. Vorzugsweise ist dabei der Rotor aus einem Rotorjoch und eigenständig ausgebildeten, an diesem befestigbaren Rotorpolen aufgebaut. Weiter vorzugsweise ist die Rotorwicklung aus einer Vielzahl von Rotorspulen aufgebaut, wobei jedem Rotorpol jeweils eine Rotorspule zugeordnet ist, d.h. jeder Rotorpol trägt eine Rotorspule und die Rotorspulen sind zur Ausbildung der Rotorwicklung untereinander verschaltet, vorzugsweise seriell. Insgesamt ergeben sich fertigungstechnische Vorteile. Die Rotorpole können, bevor sie an dem Rotorjoch befestigt werden, mit vorgewickelten Aufsteckspulen bestückt werden. Die so vorkonfektionierten, jeweils eine Rotorspule tragenden Rotorpole werden dann an dem Rotorjoch befestigt.

Dadurch reduziert sich im Vergleich zu einer stromerregten Synchronmaschine, die als Innenläufermaschine aufgebaut ist, die Fertigungszeit für den Rotor in einem erheblichen Maß, da es bei einer Innenläufermaschine wesentlich zeitintensiver ist, die Rotorwicklung aufzubringen. Bei dieser vorteilhaften Ausgestaltung ragen die Rotorpole über eine Rotoroberfläche hinaus bzw. sind über diese erhaben bzw. stehen von dieser ab. Ferner sind bei dieser Maßnahme die Rotorbleche, aus denen der Rotor aufgebaut ist, nicht einstückig, sondern gestückelt bzw. mehrteilig ausgeführt.

In einer weiteren Ausgestaltung der zuvor genannten Maßnahme sind die Rotorpole jeweils mittels einer formschlüssigen Verbindung an dem Rotorjoch befestigt. Vorzugsweise ist die formschlüssige Verbindung jeweils als eine Schwalbenschwanzverbindung ausgebildet, wobei weiter vorzugsweise die Rotorpole an ihren jochseitigen Enden jeweils einen trapezförmigen Zapfen, d.h. ein männliches Befestigungselement, aufweisen und das Rotorjoch an einer Vielzahl von Befestigungsstellen jeweils eine trapezförmige Nut, d.h. ein weibliches Befestigungselement, aufweisen. Durch diese Maßnahme können die einzelnen Rotorple auf einfache Art und Weise und zugleich sicher an dem Rotorjoch befestigt werden. Dies führt zu einem geringen Fertigungsaufwand und zudem zu einer hohen Betriebssicherheit der Synchronmaschine. Insbesondere eine Schwalbenschwanzverbindung ist eine in einem hohen Maße zuverlässige formschlüssige Verbindung, da bei ihr nicht nur quer zu dem trapezförmigen Zapfen, dem sogenannten Schwalbenschwanz, sondern auch in dessen Längsrichtung ein Formschluss vorliegt. Die Einbringung der trapezförmigen Nuten in das Rotorjoch hat zum einen fertigungstechnische Vorteile und zum anderen führt dies zu einer besonders zuverlässigen Verbindung von Rotorpol und Rotorjoch. Vorteilhafterweise weisen die Rotorpole an ihren freien Enden jeweils einen Polschuh auf. Durch diese Maßnahme wird das Haltern bzw. Fixieren der Rotorwicklung am Rotor weiter verbessert. Insbesondere ist die Rotorwicklung bei kleineren Umlaufgeschwindigkeiten gegen ein Hineinbewegen in den Luftspalt gesichert. Zudem tragen die Polschuhe zu einer günstigen Ausbildung des Magnetfelds innerhalb des Luftspalts bei.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Rotorwicklung aus einem elektrischen Leiter mit einem polygonalen Leiterquerschnitt aufgebaut. Der polygonale bzw. vieleckige Leiterquerschnitt kann beispielsweise viereckig, vorzugsweise rechteckig und besonders vorzugsweise quadratisch ausgebildet sein. Alternativ kann es sich auch um einen sechseckig ausgebildeten Leiterquerschnitt handeln. Insbesondere durch die Verwendung eines Leiters mit einem rechteckigen oder quadratischen Leiterquerschnitt - solche Leiter werden auch als Flachdraht bzw. Flachleiter bezeichnet - kann beim Bewickeln der Rotorpole ein sehr hoher Füllgrad erzielt werden, was im Vergleich zu einem baugleichen Rotorpol, der mit einem Leiter mit kreisförmigen Leiterquerschnitt bewickelt ist, zu einer Steigerung der erzeugbaren bzw. erzielbaren Magnetfeldstärke führt. Ein verbesserter Füllgrad bedeutet eine Erhöhung der in eine Rotornut eingebrachten Kupferfläche.

Die oben genannte Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zum zumindest teilumfänglichen Herstellen einer elektrischen Synchronmaschine, die dazu eingerichtet ist, an den Antriebsrädern eines schienenlosen Fahrzeugs ein einen Vortrieb des Fahrzeugs bewirkendes Drehmoment zu erzeugen, und die hierfür einen Stator aufweist, der wiederum eine zum Ausbilden eines rotierenden Statormagnetfelds zumindest dreiphasig aufgebaute Statorwicklung aufweist, und einen um den Stator rotierenden Rotor aufweist, der wiederum zumindest eine zum Ausbilden eines Rotormagnetfelds ausgebildete Rotorwicklung aufweist, bei dem folgende Schritte ablaufen:

- Bereitstellen eines Rotorjochs, - Bereitstellen einer Vielzahl von Rotorpolen,

- Befestigen der Rotorpole an dem Rotorjoch zum Ausbilden eines Rotors,

- Bereitstellen eines Stators, und

- Einbringen des Stators in den Rotor.

Wie bereits vorstehend ausgeführt, weisen die bereitzustellenden Rotorpole vorteilhafterweise jeweils eine aufgewickelte Rotorspule auf. D.h. es handelt sich um vorkonfektionierte Rotorpole, bei denen in einem vorgelagerten Schritt die jeweilige Rotorspule aufgebracht wird. D.h. dem Schritt Bereitstellen einer Vielzahl von Rotorpolen ist ein Schritt Aufwickeln einer Rotorspule auf einen Rotorpol bzw. auf jeden der Rotorpole vorgelagert. Dieser vorgelagerte Herstellungs- bzw. Fertigungsschritt kann entweder bei einem Zulieferer oder beim Hersteller der Synchronmaschine selbst erfolgen. Durch diese Maßnahme verringert sich der Fertigungsaufwand für den Rotor und somit die gesamte Synchronmaschine.

Konsequenterweise ist für den Fall, dass die Rotorpole vorteilhafterweise jeweils eine aufgewickelte Rotorspule aufweisen und somit die Rotorwicklung aus einer Vielzahl von Rotorspulen aufgebaut ist, dem Schritt Befestigen der Rotorpole an dem Rotorjoch ein Schritt Verschalten der einzelnen Rotorspulen zu der Rotorwicklung nachgelagert. Dieser Schritt kann unmittelbar bzw. direkt nachgelagert sein, alternativ können zwischen den beiden genannten Schritten noch andere Schritte ausgeführt werden.

An dieser Stelle sei kurz auf einen generellen Vorteil einer stromerregten Synchronmaschine eingegangen. Bei einer stromerregten Synchronmaschine wird das Rotormagnetfeld, das in Wechselwirkung mit dem Statormagnetfeld eine Rotationsbewegung des Rotors bewirkt, mittels einer an dem Rotor angeordneten Rotorwicklung erzeugt. Somit werden für den Aufbau des Rotors keine Permanentmagnete benötigt, wie dies bei einer permanenterregten Synchronmaschine der Fall ist. Dadurch ist die Herstellung des Rotors und somit der Synchronmaschine von der Preisentwicklung, insbesondere den steigenden Rohstoffpreisen bei Seltenerdmaterialien, wie beispielsweise Neodym, entkoppelt und somit langfristig besser kalkulierbar und kostengünstiger.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines mit der Erfindung ausgestatteten Elektrofahrzeugs,

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines mit der Erfindung ausgestatteten Hybridfahrzeugs,

Fig. 3 eine schematische Schnittdarstellung durch eine nicht erfindungsgemäße, als Innenläufer aufgebaute stromerregte Synchronmaschine, und

Fig. 4 eine schematische Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße, als Außenläufer aufgebaute stromerregte Synchronmaschine.

In Fig. 1 ist ein Fahrzeug 10 dargestellt, welches Antriebsräder 12 und nicht- angetriebene Räder 14 aufweist. Das Fahrzeug 10 soll ausschließlich elektrisch angetrieben sein, weshalb es als Antriebsmotor lediglich eine elektrische Maschine 1 6 aufweist, bei der es sich um eine stromerregte Synchronmaschine handeln soll, die als Außenläufermaschine aufgebaut ist. Die elektrische Maschine 1 6 ist über ein Getriebe 18 und ein Differenzial 20 wirktechnisch mit den Antriebsrädern 12 verbunden, um an diesen ein den Vortrieb des Fahrzeugs 10 bewirkendes Drehmoment zu erzeugen. Die elektrische Maschine 1 6 ist über einen von einer Ansteuereinheit 22 ansteuerbaren Wechselrichter 24 mit einem Hochvoltspeicher 26 verbindbar. Der Wechselrichter 24 weist eine Vielzahl von Wechselrichterschalter auf, die zu einer für einen Dreiphasenbetrieb ausgelegten Vollbrücke angeordnet sind. Bei den Wechselrichterschaltern kann es sich beispielsweise um MOSFET- Transistoren oder IGBTs handeln. Wie der Darstellung in Fig. 1 zu entnehmen ist, ist der Hochvoltspeicher 26 aus einer Vielzahl von Energiespeichermodulen aufgebaut, von denen eines exemplarisch mit dem Bezugszeichen 28 gekennzeichnet ist. Das Energiespeichermodul 28 wiederum ist aus einer Vielzahl von Energiespeicherzellen aufgebaut, von denen eine exemplarisch mit dem Bezugszeichen 30 gekennzeichnet ist. Mit einem Block 32 ist angedeutet, dass in dem Hochvoltspeicher 26 neben den für das Speichern der elektrischen Energie benötigten Komponenten noch weitere, für die Realisierung von Ansteuer- und/oder Überwachungsfunktionalitäten benötigte Komponenten enthalten sind. So kann es sich bei dem Block 32 um eine übergeordnete Überwachungsund/oder Steuerungseinheit handeln.

Bei dem Fahrzeug 10 soll es sich um ein schienenloses Fahrzeug handeln, vorzugsweise um ein sich auf einer Fahrbahn fortbewegendes Straßenfahrzeug. Die in Fig. 1 gewählte Darstellung, gemäß der das Fahrzeug 10 insgesamt vier Räder aufweist, soll keine einschränkende Wirkung haben. Selbstverständlich kann die Erfindung auch in einem Fahrzeug zum Einsatz kommen, das zwei, drei oder mehr Räder aufweist.

Fig. 2 zeigt ein als Hybridfahrzeug aufgebautes Fahrzeug 10', welches als Parallelhybridfahrzeug ausgebildet ist, vorzugsweise mit der Funktionalität eines Plug-In-Hybrid. In Fig. 2 dargestellte Komponenten, die Über dieselbe oder eine entsprechende Funktionalität verfügen, wie Komponenten, die in Fig. 1 dargestellt sind, sind mit demselben, allerdings mit einem Strich versehenen Bezugszeichen gekennzeichnet, wobei auf die im Zusammenhang mit Fig. 1 gemachten Ausführungen verwiesen wird. Nachfolgend sind lediglich die zusätzlichen Komponenten bzw. die geänderten Funktionalitäten beschrieben. Zusätzlich zu der elektrischen Maschine 1 6' verfügt das Fahrzeug 10' über einen Verbrennungsmotor 34, der über eine Kupplung 36 und das Getriebe 18' sowie das Differenzial 20' die Antriebsräder 12' des Fahrzeugs 10' antreiben kann. Die Antriebsräder 12' können dabei allein durch die elekt- rische Maschine oder allein durch den Verbrennungsmotor 34 oder in Kombination durch beide angetrieben werden. Auf jeden Fall soll es sich auch hier bei der elektrischen Maschine 1 6' um eine stromerregte Synchronmaschine handeln, die als Außenläufermaschine aufgebaut ist.

Fig. 3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung durch eine nicht erfindungsgemäße, als Innenläufer aufgebaute stromerregte Synchronmaschine, wobei lediglich ein Segment eines drehbar gelagerten Rotors 38 und ein Segment eines ortsfesten Stators 40 dargestellt ist.

Wie der Darstellung in Fig. 3 zu entnehmen ist, ist der Rotor 38 von dem Stator 40 umgeben. Der Stator 40 trägt eine Statorwicklung 42, die in Statornuten eingebracht sind, von denen eine exemplarisch mit dem Bezugszeichen 44 gekennzeichnet ist. Die Statorwicklung 42 ist mehrphasig ausgebildet, so dass bei entsprechender Bestromung dieser ein rotierendes Statormagnetfeld entsteht.

Der Rotor 38 weist ein Rotorjoch 46 und eine Vielzahl von Rotorpolen auf, von denen einer exemplarisch mit dem Bezugszeichen 48 gekennzeichnet ist. Jeder der Rotorpole 48 weist einen Rotorpolkern 50 und einen Rotorpolschuh 52 auf. Ferner weist der Rotor 38 eine Rotorwicklung 54 auf, die zwischen dem Rotorjoch 46 und den Rotorpolschuhen 52 gelagert ist. Durch entsprechende Bestromung der Rotorwicklung 54 wird ein Rotormagnetfeld erzeugt. Durch die Wechselwirkung zwischen Rotormagnetfeld und Statormagnetfeld wird eine Rotationsbewegung des Rotors bewirkt, was durch einen Pfeil 56 angedeutet ist. Aufgrund der Rotationsbewegung entsteht eine nach außen, d.h. vom Rotor 38 in Richtung Stator weisende Fliehkraft, was durch einen Pfeil 58 angedeutet ist. Diese Fliehkraft führt dazu, dass sich die Rotorwicklung 54 tendenziell vom Rotor 38 weg, hin zu einem Luftspalt 60 bewegt, der zwischen dem Rotor 38 und dem ihn umgebenden Stator 40 ausgebildet ist. Aufgrund der beschriebenen Bewegung der Rotorwicklung wird bei einer derart ausgebildeten stromerregten Synchronmaschine die Umlaufgeschwindigkeit des Rotors auf einen Maximalwert begrenzt, so dass deren mechanische Stabilität nicht gefährdet ist bzw. diese gewährleistet ist.

Fig. 4 zeigt eine schematische Schnittdarstellung durch ein erfindungsgemäße, als Außenläufer aufgebaute stromerregte Synchronmaschine, die bei einem schienenlosen Fahrzeug zum Einsatz kommen soll und die dazu eingerichtet ist, an dessen Antriebsrädern ein einen Vortrieb des Fahrzeugs bewirkendes Drehmoment zu erzeugen.

Wie der Darstellung in Fig. 4 zu entnehmen ist, weist die erfindungsgemäß ausgebildete stromerregte Synchronmaschine einen ortsfesten Stator 62 und einen drehbar gelagerten, um diesen rotierenden Rotor 64 auf, wobei die Rotationsbewegung des Rotors 64 durch einen Pfeil 66 angedeutet ist. In Fig. 4 ist sowohl für den Stator 62 als auch für den Rotor 64 lediglich jeweils ein Segment dargestellt. Der Stator 62 weist eine zum Ausbilden eines rotierenden Statormagnetfelds aufgebaute Statorwicklung 68 auf, die wiederum mindestens drei Phasen aufweist. Der Stator 62 weist ein Statorjoch 70 und eine Vielzahl von Statorpolen auf, von denen einer exemplarisch mit dem Bezugszeichen 72 gekennzeichnet ist. Die Statorwicklung 68 ist in jeweils zwischen benachbarten Statorpolen 72 liegende Statornuten eingebracht, wobei eine dieser Statornuten mit dem Bezugszeichen 74 gekennzeichnet ist.

Der Rotor 64 weist zumindest eine zum Ausbilden eines Rotormagnetfelds ausgebildete Rotorwicklung 76 auf. Wie der Darstellung in Fig. 4 weiter zu entnehmen ist, weist der Rotor 64 eine Vielzahl von über seinen Rotorumfang 78 verteilt angeordneter Rotorpole auf, von denen einer exemplarisch mit dem Bezugszeichen 80 gekennzeichnet ist. Wie die Darstellung in Fig. 4 zeigt, sind die Rotorpole 80 an einem Rotorjoch 82 befestigt. Demzufolge ist der Rotor 64 aus dem Rotorjoch 82 und eigenständig ausgebildeten Rotorpolen 80 aufgebaut. Die Rotorpole 80 sind jeweils mittels einer formschlüssigen Verbindung 84 an dem Rotorjoch 82 befestigt. Wie der Darstellung in Fig. 4 zu entnehmen ist, ist die formschlüssige Verbindung als Schwalbenschwanzverbindung ausgebildet. Zur Ausbildung der Schwalbenschwanzverbindung weist jeder der Rotorpole 80 an seinem jochseitigen Ende 86 einen trapezförmigen Zapfen 88 auf und das Rotorjoch 82 weist an einer Vielzahl von Befestigungsstellen jeweils eine trapezförmige Nut auf, wobei eine der Befestigungsstellen exemplarisch mit dem Bezugszeichen 90 und eine der trapezförmigen Nuten mit dem Bezugszeichen 92 gekennzeichnet ist. Wie der Darstellung in Fig. 4 weiter zu entnehmen ist, weist jeder der Rotorpole 80 einen Rotorpolkern 94 und an seinem freien Ende 96 einen Rotorpolschuh 98 auf. Das freie Ende 96 des Rotorpols 80 ist einem Luftspalt 100 zugewandt, der zwischen dem Rotor 64 und dem Stator 62 ausgebildet ist.

Wie der Darstellung in Fig. 4 ferner zu entnehmen ist, ist die Rotorwicklung 76 aus einer Vielzahl von Rotorspulen aufgebaut, von denen eine exemplarisch mit dem Bezugszeichen 102 gekennzeichnet ist. Dabei ist jedem Rotorpol 80 eine der Rotorspulen 102 zugeordnet. Die Rotorwicklung 76 und somit auch jede ihrer Rotorspulen 102 ist aus einem elektrischen Leiter 104 aufgebaut, der einen polygonalen Leiterquerschnitt aufweist, im Fall des in Fig.4 gezeigten Ausführungsbeispiels einen quadratischen Leiterquerschnitt.

Auch bei dieser stromerregten Synchronmaschine entsteht aufgrund der Rotationsbewegung des Rotors 64 eine nach außen wirkende Fliehkraft, was durch einen Pfeil 106 angedeutet ist. Auch in diesem Fall bewegt sich die Rotorwicklung 76 aufgrund der Fliehkraft nach außen, allerdings bewegt sie sich auf das Rotorjoch 82 zu, welches im Vergleich zu den Polschuhen, die bei einer als Innenläufermaschine ausgebildeten stromerregten Synchronmaschine die Fixierung der sich aufgrund der Fliehkraft bewegenden Rotorwicklung übernehmen, wesentlich massiver und somit stabiler ausgebildet ist. Aus diesem Grund können mit der erfindungsgemäß ausgebildeten stromerregten Synchronmaschine wesentlich höhere Umlaufgeschwindigkeiten realisiert werden, als mit einer stromerregten Synchronmaschine, die als Innenläufermaschine ausgebildet ist. Die in Fig.4 gewählte Darstellung soll keinerlei einschränkende Wirkung auf die konkrete Windungszahl der Statorwicklung bzw. der Rotorwicklung haben. Außerdem sollen sich daraus keinerlei geometrische oder konstruktive Einschränkungen ableiten lassen.

Bezuaszeichenliste

Fahrzeug

Antriebsräder

nicht-angetriebene Räder

elektrische Maschine

Getriebe

Differenzial

Ansteuereinheit

Wechselrichter

Hochvoltspeicher

Energiespeichermodul

Energiespeicherzelle

Block

Verbrennungsmotor

Kupplung

Rotor

Stator

Statorwicklung

Statornut

Rotorjoch

Rotorpol

Rotorpolkern

Rotorpolschuh

Rotorwicklung

Pfeil

Luftspalt

Stator

Rotor

Pfeil

Statorwicklung Statorjoch

Statorpol

Statornut

Rotorwicklung

Rotorumfang

Rotorpol

Rotorjoch

formschlüssige Verbindung jochseitiges Ende trapezförmiger Zapfen

Befestigungsstelle trapezförmige Nut

Rotorpolkern

freies Ende

Rotorpolschuh

Luftspalt

Rotorspule

Leiter

Pfeil

Claims

Patentansprüche

1 . Elektrische Synchronmaschine für ein schienenloses Fahrzeug, wobei das Fahrzeug Antriebsräder aufweist und die Synchronmaschine dazu eingerichtet ist, an den Antriebsrädern ein einen Vortrieb des Fahrzeugs bewirkendes Drehmoment zu erzeugen, wobei die Synchronmaschine einen Stator und einen um diesen rotierenden Rotor aufweist, wobei der Stator eine zum Ausbilden eines rotierenden Statormagnetfelds zumindest dreiphasig aufgebaute Statorwicklung aufweist, und wobei der Rotor zumindest eine zum Ausbilden eines Rotormagnetfelds ausgebildete Rotorwicklung aufweist.

2. Elektrische Synchronmaschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor eine Vielzahl von über seinen Rotorumfang verteilt angeordneter Rotorpole aufweist.

3. Elektrische Synchronmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor aus einem Rotorjoch und eigenständig ausgebildeten, an diesem befestigbaren Rotorpolen aufgebaut ist.

4. Elektrische Synchronmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorpole jeweils mittels einer formschlüssigen Verbindung an dem Rotorjoch befestigt sind.

5. Elektrische Synchronmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die formschlüssige Verbindung als Schwalbenschwanzverbindung ausgebildet ist.

6. Elektrische Synchronmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung der Schwalbenschwanzverbindung die Rotorpole an ihren jochseitigen Enden jeweils einen trapezförmigen Zapfen aufweisen und das Rotorjoch an einer Vielzahl von Befestigungsstellen jeweils eine trapezförmige Nut aufweisen.

7. Elektrische Synchronmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorpole an ihren freien Enden jeweils einen Polschuh aufweisen.

8. Elektrische Synchronmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, die Rotorwicklung aus einem elektrischen Leiter mit einem polygonalen Leiterquerschnitt aufgebaut ist.

9. Elektrische Synchronmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorwicklung aus einer Vielzahl von Rotorspulen aufgebaut ist, wobei jedem Rotorpol jeweils eine Rotorspule zugeordnet ist.

10. Verfahren zum zumindest teilumfänglichen Herstellen einer gemäß einem der Ansprüche 3 bis 7 ausgebildeten elektrischen Synchronmaschine, mit folgenden Schritten:

- Bereitstellen eines Rotorjochs,

- Bereitstellen einer Vielzahl von Rotorpolen,

- Befestigen der Rotorpole an dem Rotorjoch zum Ausbilden eines Rotors,

- Bereitstellen eines Stators, und

- Einbringen des Stators in den Rotor. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die bereitzustellenden Rotorpole jeweils eine aufgewickelte Rotorspule aufweisen.