WO2022189478A1 - Rotorhohlwelle - Google Patents

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WO2022189478A1
WO2022189478A1 PCT/EP2022/055977 EP2022055977W WO2022189478A1 WO 2022189478 A1 WO2022189478 A1 WO 2022189478A1 EP 2022055977 W EP2022055977 W EP 2022055977W WO 2022189478 A1 WO2022189478 A1 WO 2022189478A1
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shaft
shaft journal
rotor
power supply
hollow
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PCT/EP2022/055977
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Inventor
DR. Thomas RAIDT
Bernd RUDERT
Original Assignee
Winkelmann Powertrain Components Gmbh & Co. Kg
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K13/00—Structural associations of current collectors with motors or generators, e.g. brush mounting plates or connections to windings; Disposition of current collectors in motors or generators; Arrangements for improving commutation
    • H02K13/003—Structural associations of slip-rings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01R—ELECTRICALLY-CONDUCTIVE CONNECTIONS; STRUCTURAL ASSOCIATIONS OF A PLURALITY OF MUTUALLY-INSULATED ELECTRICAL CONNECTING ELEMENTS; COUPLING DEVICES; CURRENT COLLECTORS
    • H01R39/00—Rotary current collectors, distributors or interrupters
    • H01R39/02—Details for dynamo electric machines
    • H01R39/14—Fastenings of commutators or slip-rings to shafts
    • H01R39/16—Fastenings of commutators or slip-rings to shafts by means of moulded or cast material applied during or after assembly

Definitions

  • the invention relates to a hollow rotor shaft for a rotor of an electrical machine that rotates about a longitudinal axis, with a cylinder jacket that surrounds a shaft cavity and end flanges arranged on both sides of the cylinder jacket, with at least one end flange merging into a hollow shaft journal, with the outer peripheral surface of the Shaft journal is partially formed as a bearing seat, with lines connected to the rotor windings are arranged on the outer circumference of the cylinder jacket with Stromzulei, the Stromzuleitun conditions at the end facing away from the rotor windings open into sliding contacts, which are arranged at the free end of the shaft journal.
  • the object of the invention is to create a lightweight rotor shaft that can be produced inexpensively and in which the region of the bearing seat is not impaired by the power supply lines.
  • this object is achieved according to the invention in that it is formed in one piece by forming by means of stretching from a tubular or blank-shaped starting body, with the power supply lines being arranged at least in the region of the bearing seat in the hollow space of the shaft journal and in a tubular Coating made of plastic are embedded, which is molded in one piece onto the inner peripheral surface of the shaft journal, the tubular jacket made of plastic with the embedded power supply lines extending axially outwards over the free end of the shaft journal into a free end area and the sliding contacts embedded in the tubular jacket and are arranged on the outer periphery of the free end portion.
  • a hybrid rotor hollow shaft which can be produced simply and inexpensively by stretch forming and subsequent injection molding of the plastic casing in one piece. Since the power supply lines run embedded in the jacket inside the shaft journal, at least in the area of the bearing seat, no material-weakening longitudinal grooves are required on the outer surface in the area of the bearing seat, so that the wall thickness of the shaft journal can be smaller and thus more weight-saving. In addition, the bearing ring is in full contact. By embedding the sliding contacts, it is not necessary to provide additional insulation Provide sliding contacts opposite the shaft journal. In addition, the power supply lines in the area of the sliding contacts do not have to be routed through radial openings in the shaft journal.
  • radial passage openings are preferably provided between the end flange and the bearing seat of the shaft journal, through which the power supply lines are guided radially outwards, embedded in projections of the plastic jacket that extend outwards through the passage openings.
  • the power supply lines are guided in spacers arranged within the cavity of the shaft journal. This facilitates the positioning of the power supply lines before the man is molded from plastic. After molding, the spacers are embedded in the jacket.
  • a stop ring is provided adjacent to the end flange in the cavity of the shaft journal as a molding edge for the tubular jacket made of plastic.
  • This stop ring can preferably be molded in one piece during stretch forming.
  • the stop ring can also be a single part that is inserted into the rotor hollow shaft.
  • the tubular shell can be formed by injection molding or transfer molding.
  • a thermoset is preferably used as the plastic.
  • a hollow rotor shaft for a rotor rotating about a longitudinal axis L of an electrical machine, in particular a separately excited synchronous machine, is generally denoted by 1 and is only partially shown with the components essential to the invention.
  • the hollow rotor shaft 1 has a cylinder jacket 2, shown only partially, on which rotor windings, not shown, are arranged in the finished rotor.
  • the cylinder jacket 2 surrounds a partially shown waves cavity 3 and is bounded on both sides by an end flange 4, of which only one end flange 4 is shown.
  • the front flange 4 transitions into a hollow shaft journal 5, the cavity of which is denoted by 6.
  • the hollow rotor shaft 1 described so far is produced according to the invention in one piece by forming by means of stretching from a tubular or round starting body, not shown.
  • the outer peripheral surface of the shaft journal 5 is designed as a bearing seat 7 in some areas.
  • a bearing seat 7 On this bearing seat 7 an inner bearing ring, not shown, of a ball bearing or the like is arranged, both sides of the bearing seat 7 having circumferential grooves 8, 9 for snap rings or the like.
  • Stromzulei lines 10 are provided, which open at the end facing away from the rotor windings in each case in circumferential annular sliding contacts 11. These sliding contacts 11 cooperate with fixed brushes (not shown) of the electrical machine to transmit current.
  • the power supply lines 10 are arranged at least in the region of the bearing seat 7 in the cavity 6 of the shaft journal 5 and embedded in a jacket 12 made of plastic rohrförmi gene.
  • This tubular jacket 12 is integrally formed on the inner peripheral surface of the shaft journal 5 (by injection molding ate or injection molding).
  • radial passage openings 13 are provided, through which the power supply lines 10 embedded in gene 13 outwardly stretching lugs 14 of the jacket 12 are guided radially outwards through the füreriesöffnun. From there, the power supply lines 10 extend further to the rotor windings, not shown.
  • the power supply lines 10 are also not shown in detail in the area outside the radial passage through the passage openings 13 .
  • the tubular jacket 12 made of plastic with the embedded Stromzuleitun gene 10 extends over the free end of the shaft journal 5 axially outwards in a free end portion 12a.
  • the annular sliding contacts 11 are embedded in the tubular jacket 12 or the end area 12a and arranged on the outer circumference of the free end area 12a.
  • spacers arranged within the cavity 6 can be arranged, which are not shown and in which the power supply lines 10 are guided. From these spacers are then embedded in the casing 12 during injection molding or transfer molding.
  • a stop ring 15 is provided as a molding edge adjacent to the front flange 4 in the cavity 6 of the shaft journal.
  • This stop ring 15 can be molded in one piece into the hollow rotor shaft 1, ie it can be made by stretch-forming. In the illustrated embodiment, only an annular stop edge 16 is formed by stretch pressing, on which a separate stop ring 15 rests.

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Abstract

: Die Erfindung betrifft eine Rotorhohlwelle für einen um eine Längsachse rotierenden Rotor einer elektrischen Maschine mit einem Zylindermantel (2), der einen Wellenhohlraum (3) umgibt, sowie beidseitig an dem Zylindermantel (2) angeordneten Stirnflanschen (4), wobei wenigstens ein Stirnflansch (4) in einen hohlen Wellenzapfen (5) übergeht, wobei die Außenumfangsfläche des Wellenzapfens (5) bereichsweise als Lagersitz (7) ausgebildet ist, wobei am Außenumfang des Zylindermantels (2) mit Stromzuleitungen (10) verbundene Rotorwicklungen angeordnet sind, wobei die Stromzuleitungen (10) am den Rotorwicklungen abgewandten Ende in Schleifkontakten (11) münden, die am freien Ende des Wellenzapfens (5) angeordnet sind. Dabei ist vorgesehen, dass die Rotorwelle einstückig durch Umformen mittels Streckdrücken aus einem rohr- oder rondenförmigen Ausgangskörper gebildet ist, wobei die Stromzuleitungen (10) wenigstens im Bereich des Lagersitzes (7) im Hohlraum (6) des Wellenzapfens (5) angeordnet und in einen rohrförmigen Mantel (12) aus Kunststoff eingebettet sind, der einstückig an die Innenumfangsfläche des Wellenzapfens (5) angespritzt ist, wobei der rohrförmige Mantel (12) aus Kunststoff mit den eingebetteten Stromzuleitungen (10) sich über das freie Ende des Wellenzapfens (5) axial nach außen in einen freien Endbereich (12a) erstreckt und die Schleifkontakte (11) in den rohrförmigen Mantel (12) eingebettet und am Außenumfang des freien Endbereiches (12a) angeordnet sind.

Description

Rotorhohlwelle
Die Erfindung betrifft eine Rotorhohlwelle für einen um eine Längsachse rotieren den Rotor einer elektrischen Maschine mit einem Zylindermantel, der einen Wel lenhohlraum umgibt, sowie beidseitig an dem Zylindermantel angeordneten Stirn flanschen, wobei wenigstens ein Stirnflansch in einen hohlen Wellenzapfen über geht, wobei die Außenumfangsfläche des Wellenzapfens bereichsweise als Lager sitz ausgebildet ist, wobei am Außenumfang des Zylindermantels mit Stromzulei tungen verbundene Rotorwicklungen angeordnet sind, wobei die Stromzuleitun gen am den Rotorwicklungen abgewandten Ende in Schleifkontakten münden, die am freien Ende des Wellenzapfens angeordnet sind.
Bei fremderregten Synchronmaschinen sind sowohl auf dem Stator als auch auf der Rotorwelle Magnetspulen verbaut, durch welche während des Betriebes Strom fließt. Während die Stromzuleitung zu den Wicklungen des ortsfesten Sta tors unproblematisch ist, erfolgt die Stromzuleitung zu den Rotorwicklungen über Schleifringe an der Rotorwelle und feststehende Bürsten. Von den Schleifringen zu den Rotorwicklungen sind somit an der Rotorwelle verlaufende Stromzuleitun gen erforderlich.
Bei einer bekannten Rotorhohlwelle mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Pa tentanspruches 1, die z.B. in der fremderregten Synchronmaschine des Fahr zeugtyps "Renault Zoe" eingesetzt wird, sind die Schleifkontakte am freien Ende eines Wellenzapfens der Rotorhohlwelle angeordnet und die Stromzuleitungen verlaufen an der Außenumfangsfläche des Wellenzapfens. Im Bereich des Lager sitzes sind Längsnuten in den Außenumfang des Wellenzapfens eingebracht, durch welche die Stromzuleitungen geführt sind, welche im Einbauzustand im Be reich des Lagersitzes radial außenseitig vom zugeordneten Lagerring umgeben sind. Der Lagerring liegt somit aufgrund dieser Längsnuten nicht umlaufend voll flächig am Wellenzapfen an. Dies erschwert einerseits die Montage des Lagers und führt anderseits zu einer Materialschwächung der Rotorhohlwelle in diesem Bereich, so dass die Wandstärke des Wellenzapfens erhöht werden muss.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine kostengünstig herstellbare, gewichtsreduzierte Rotorhohlwelle zu schaffen, bei welcher der Bereich des Lagersitzes nicht durch die Stromzuleitungen beeinträchtigt wird.
Diese Aufgabe wird bei einer Rotorhohlwelle der eingangs bezeichneten Art erfin dungsgemäß dadurch gelöst, dass diese einstückig durch Umformen mittels Streckdrücken aus einem rohr- oder rondenförmigen Ausgangskörper gebildet ist, wobei die Stromzuleitungen wenigstens im Bereich des Lagersitzes im Hohl raum des Wellenzapfens angeordnet und in einen rohrförmigen Mantel aus Kunststoff eingebettet sind, der einstückig an die Innenumfangsfläche des Wel lenzapfens angespritzt ist, wobei der rohrförmige Mantel aus Kunststoff mit den eingebetteten Stromzuleitungen sich über das freie Ende des Wellenzapfens axial nach außen in einen freien Endbereich erstreckt und die Schleifkontakte in den rohrförmigen Mantel eingebettet und am Außenumfang des freien Endbereiches angeordnet sind.
Erfindungsgemäß wird somit eine Hybridrotorhohlwelle bereitgestellt, die durch Streckdrücken und anschließendes einstückiges Anspritzen des Mantels aus Kunststoff einfach und kostengünstig hergestellt werden kann. Da die Stromzu leitungen zumindest im Bereich des Lagersitzes eingebettet in den Mantel im In neren des Wellenzapfens verlaufen, sind an der Außenfläche im Bereich des La gersitzes keine materialschwächenden Längsnuten erforderlich, so dass die Wandstärke des Wellenzapfens geringer und damit gewichtssparender dimensio niert werden kann. Außerdem liegt der Lagerring vollflächig an. Durch die Einbet tung der Schleifkontakte ist es nicht erforderlich, eine zusätzliche Isolierung der Schleifkontakte gegenüber dem Wellenzapfen vorzusehen. Außerdem müssen die Stromzuleitungen im Bereich der Schleifkontakte nicht durch radiale Durchtritts öffnungen des Wellenzapfens geführt werden.
Bevorzugt sind in Ausgestaltung zwischen dem Stirnflansch und dem Lagersitz des Wellenzapfens radiale Durchtrittsöffnungen vorgesehen, durch welche die Stromzuleitungen eingebettet in sich durch die Durchtrittsöffnungen nach außen erstreckende Ansätze des Mantels aus Kunststoff radial nach außen geführt sind.
Ferner ist vorteilhaft vorgesehen, dass die Stromzuleitungen in innerhalb des Hohlraumes des Wellenzapfens angeordneten Abstandhaltern geführt sind. Dies erleichtert die Positionierung der Stromzuleitungen vor dem Anformen des Man tels aus Kunststoff. Die Abstandhalter sind nach dem Anformen in den Mantel eingebettet.
Des Weiteren ist angrenzend an den Stirnflansch im Hohlraum des Wellenzapfens ein Anschlagring als Anspritzkante für den rohrförmigen Mantel aus Kunststoff vorgesehen.
Dieser Anschlagring kann beim Streckdrücken bevorzugt einstückig eingeformt werden. Alternativ kann der Anschlagring auch ein Einzelteil sein, das in die Ro torhohlwelle eingesetzt wird.
Der rohrförmige Mantel kann durch Spritzgießen oder Spritzpressen (transfer moulding) angeformt sein. Als Kunststoff wird bevorzugt ein Duroplast einge setzt.
Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung beispielhaft näher erläutert. Diese zeigt in
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine teilweise dargestellte Rotorhohlwelle. Eine Rotorhohlwelle für einen um eine Längsachse L rotierenden Rotor einer elektrischen Maschine, insbesondere einer fremderregten Synchronmaschine, ist allgemein mit 1 bezeichnet und nur teilweise mit den für die Erfindung wesentli chen Bestandteilen dargestellt.
Die Rotorhohlwelle 1 weist einen nur bereichsweise dargestellten Zylindermantel 2 auf, auf dem beim fertigen Rotor nicht dargestellte Rotorwicklungen angeord net sind. Der Zylindermantel 2 umgibt einen bereichsweise dargestellten Wellen hohlraum 3 und ist beidseitig jeweils durch einen Stirnflansch 4 begrenzt, von dem nur ein Stirnflansch 4 dargestellt ist. Der Stirnflansch 4 geht in einen hohlen Wellenzapfen 5 über, dessen Hohlraum mit 6 bezeichnet ist.
Die insoweit beschriebene Rotorhohlwelle 1 wird erfindungsgemäß einstückig durch Umformen mittels Streckdrücken aus einem nicht dargestellten rohrförmi gen oder rondenförmigen Ausgangskörper hergestellt.
Die Außenumfangsfläche des Wellenzapfens 5 ist bereichsweise als Lagersitz 7 ausgebildet. Auf diesem Lagersitz 7 wird ein innerer, nicht dargestellter Lagerring eines Kugellagers od. dgl. angeordnet, wobei beidseitig des Lagersitzes 7 umlau fende Nuten 8, 9 für Sprengringe od. dgl. vorgesehen sind.
Zur Stromversorgung der nicht dargestellten Rotorwicklungen sind Stromzulei tungen 10 vorgesehen, die am den Rotorwicklungen abgewandten Ende jeweils in umlaufenden ringförmigen Schleifkontakten 11 münden. Diese Schleifkontakte 11 wirken zur Stromübertragung mit nicht dargestellten feststehenden Bürsten der elektrischen Maschine zusammen.
Erfindungsgemäß sind die Stromzuleitungen 10 wenigstens im Bereich des Lager sitzes 7 im Hohlraum 6 des Wellenzapfens 5 angeordnet und in einen rohrförmi gen Mantel 12 aus Kunststoff eingebettet. Dieser rohrförmige Mantel 12 ist an die Innenumfangsfläche des Wellenzapfens 5 einstückig angeformt (durch Spritzgie- ßen oder Spritzpressen). Dabei sind zwischen dem Stirnflansch 4 und dem Lager sitz 7 des Wellenzapfens 5 radiale Durchtrittsöffnungen 13 vorgesehen, durch welche die Stromzuleitungen 10 eingebettet in sich durch die Durchtrittsöffnun gen 13 nach außen streckende Ansätze 14 des Mantels 12 aus Kunststoff radial nach außen geführt sind. Von dort erstrecken sich die Stromzuleitungen 10 wei ter bis zu den nicht dargestellten Rotorwicklungen. Auch die Stromzuleitungen 10 sind im Bereich außerhalb des radialen Durchtritts durch die Durchtrittsöffnungen 13 nicht weiter dargestellt.
Der rohrförmige Mantel 12 aus Kunststoff mit den eingebetteten Stromzuleitun gen 10 erstreckt sich über das freie Ende des Wellenzapfens 5 axial nach außen in einen freien Endbereich 12a. In diesem sich über den Wellenzapfen 5 hinaus erstreckenden freien Endbereich 12a sind die ringförmigen Schleifkontakte 11 in den rohrförmigen Mantel 12 bzw. den Endbereich 12a eingebettet und am Außen umfang des freien Endbereiches 12a angeordnet.
Zur Positionierung der Stromzuleitungen 10 innerhalb des Hohlraumes 6 des Wel lenzapfens 5 vor dem Anspritzen oder Spritzpressen des Mantels 12 können in nerhalb des Hohlraumes 6 angeordnete Abstandhalter angeordnet sein, die nicht dargestellt sind und in denen die Stromzuleitungen 10 geführt sind. Diese Ab standhalter werden dann beim Anspritzen oder Spritzpressen des Mantels 12 in diesen eingebettet.
Um ein einwandfreies Anspritzen oder Spritzpressen des Mantels 12 zu ermögli chen, ist angrenzend an den Stirnflansch 4 im Hohlraum 6 des Wellenzapfens 5 ein Anschlagring 15 als Anspritzkante vorgesehen. Dieser Anschlagring 15 kann einstückig in die Rotorhohlwelle 1 eingeformt sein, d.h. durch Streckdrücken her gestellt sein. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist lediglich eine ringförmige Anschlagkante 16 durch Streckdrücken eingeformt, an der ein separater An schlagring 15 anliegt. Bezuaszeichenliste:
1 Rotorhohlwelle
2 Zylindermantel
3 Wellenhohlraum
4 Stirnflansch
5 hohler Wellenzapfen
6 Hohlraum
7 Lagersitz
8 Nuten
9 Nuten
10 Stromzuleitung
11 Schleifkontakt
12 rohrförmiger Mantel
12a freier Endbereich
13 Durchtrittsöffnung
14 Ansatz
15 Anschlagring
16 Anschlagkante
L Längsachse

Claims

Patentansprüche:
1. Rotorhohlwelle für einen um eine Längsachse rotierenden Rotor einer elektri schen Maschine mit einem Zylindermantel (2), der einen Wellenhohlraum (3) umgibt, sowie beidseitig an dem Zylindermantel (2) angeordneten Stirnflanschen (4), wobei wenigstens ein Stirnflansch (4) in einen hohlen Wellenzapfen (5) über geht, wobei die Außenumfangsfläche des Wellenzapfens (5) bereichsweise als La gersitz (7) ausgebildet ist, wobei am Außenumfang des Zylindermantels (2) mit Stromzuleitungen (10) verbundene Rotorwicklungen angeordnet sind, wobei die Stromzuleitungen (10) am den Rotorwicklungen abgewandten Ende in Schleif kontakten (11) münden, die am freien Ende des Wellenzapfens (5) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass diese einstückig durch Umformen mittels Streckdrücken aus einem rohr- oder rondenförmigen Ausgangskörper gebildet ist, wobei die Stromzuleitungen
(10) wenigstens im Bereich des Lagersitzes (7) im Hohlraum (6) des Wellenzap fens (5) angeordnet und in einen rohrförmigen Mantel (12) aus Kunststoff einge bettet sind, der einstückig an die Innenumfangsfläche des Wellenzapfens (5) an gespritzt ist, wobei der rohrförmige Mantel (12) aus Kunststoff mit den eingebet teten Stromzuleitungen (10) sich über das freie Ende des Wellenzapfens (5) axial nach außen in einen freien Endbereich (12a) erstreckt und die Schleifkontakte
(11) in den rohrförmigen Mantel (12) eingebettet und am Außenumfang des freien Endbereiches (12a) angeordnet sind.
2. Rotorhohlwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Stirnflansch (4) und dem Lagersitz (7) des Wellenzapfens (5) radiale Durchtrittsöffnungen (13) vorgesehen sind, durch welche die Stromzulei tungen (10) eingebettet in sich durch die Durchtrittsöffnungen (13) nach außen erstreckende Ansätze (14) des Mantels (12) aus Kunststoff radial nach außen ge führt sind. 3. Rotorhohlwelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stromzuleitungen (10) in innerhalb des Hohlraumes (6) des Wellenzap fens (5) angeordneten Abstandhaltern geführt sind.
4. Rotorhohlwelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass angrenzend an den Stirnflansch (4) im Hohlraum (6) des Wellenzapfens (5) ein Anschlagring (15) als Anspritzkante für den rohrförmigen Mantel (12) aus Kunststoff vorgesehen ist.
5. Rotorhohlwelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlagring (15) einstückig eingeformt ist.
6. Rotorhohlwelle nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der rohrförmige Mantel (12) durch Spritzgießen oder Spritzpressen ange formt ist.
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