WO2022263083A1 - Mehrteiliger rotor für eine elektrische maschine, elektrische maschine sowie kraftfahrzeug - Google Patents

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WO2022263083A1
WO2022263083A1 PCT/EP2022/063261 EP2022063261W WO2022263083A1 WO 2022263083 A1 WO2022263083 A1 WO 2022263083A1 EP 2022063261 W EP2022063261 W EP 2022063261W WO 2022263083 A1 WO2022263083 A1 WO 2022263083A1
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rotor
pole
magnetic field
tooth
yoke
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PCT/EP2022/063261
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English (en)
French (fr)
Inventor
Jerome Ragot
Yann Tremaudant
Silko Feustel
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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Publication date
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/46—Fastening of windings on the stator or rotor structure
    • H02K3/52—Fastening salient pole windings or connections thereto
    • H02K3/527—Fastening salient pole windings or connections thereto applicable to rotors only
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/24—Rotor cores with salient poles ; Variable reluctance rotors
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2201/00—Specific aspects not provided for in the other groups of this subclass relating to the magnetic circuits
    • H02K2201/15—Sectional machines

Definitions

  • Multi-part rotor for an electrical machine, electrical machine and
  • the invention relates to a rotor for an electrical machine of an electrically drivable motor vehicle.
  • the rotor has a magnetic field generating component for forming a rotor magnetic field and a rotor core for holding the magnetic field generating component.
  • the rotor core comprises an annular rotor yoke and at least two rotor poles arranged on the rotor yoke, which are designed in multiple parts and each have a rotor tooth designed in one piece with the rotor yoke and a separate pole shoe for arranging the magnetic field-generating component on the associated rotor tooth.
  • the invention also relates to an electrical machine and a motor vehicle.
  • the electrical machines have a stationary stator with stator windings that can be energized and a rotor that is rotatably mounted with respect to the stator and has a component that generates a magnetic field.
  • the magnetic field-generating component has rotor windings or rotor coils that can be energized.
  • the rotor has a rotor core that supports the rotor windings.
  • the rotor core is usually a one-piece iron core consisting of an annular rotor yoke and a plurality of rotor poles which are arranged along a rotor circumference on the rotor yoke.
  • the rotor poles usually consist of a rotor tooth or rotor shaft protruding radially from the rotor yoke and a pole shoe in the shape of a segment of a circle and protruding tangentially on the rotor tooth.
  • the pole shoes form an essentially cylindrical rotor circumference of the rotor core. Pole gaps are formed between the rotor teeth, into which the rotor windings are inserted.
  • the pole shoes of two adjacent rotor poles are arranged at a distance from one another, so that they are attached to the Rotor circumference free an access opening in the pole gaps.
  • a tool is used to insert a wire-like winding conductor into the pole gaps via the access openings. Then the rotor teeth are wrapped with the winding wire, with a high fill factor to be achieved. Due to the tangentially protruding pole shoes, the access openings into the pole gaps are smaller than a pole gap diameter, so that the pole gaps can only be filled with the winding wire with great difficulty. This often results in a non-optimal winding quality and thus a non-optimal fill factor.
  • DE 102018213567 A1 discloses a rotor for a separately excited internal rotor synchronous machine, in which the rotor poles are designed in multiple parts.
  • the rotor poles each have a rotor tooth and two separate pole shoe elements, the rotor teeth being formed in one piece with the rotor yoke and the pole shoe elements being mechanically connectable to the rotor teeth after the rotor windings have been arranged on the rotor teeth.
  • Two pole shoe elements are arranged on two opposite sides of the rotor tooth in the tangential direction and are positively connected to the rotor tooth, for example via a dovetail-like connection.
  • Such a rotor is complex to manufacture.
  • a rotor according to the invention for an electrical machine of an electrically drivable motor vehicle has a magnetic field-generating component for forming a rotor magnetic field and a rotor core for holding the magnetic field-generating component.
  • the rotor core comprises an annular rotor yoke and at least two rotor poles arranged on the rotor yoke, which are designed in multiple parts and each have a rotor tooth designed in one piece with the rotor yoke and a separate pole shoe for arranging the magnetic field-generating component on the associated rotor tooth.
  • the pole shoes are pressed radially onto the respective rotor tooth and the rotor has auxiliary joining parts for this purpose, which at least are partially arranged in respective pole gaps between two rotor poles and are fastened to the rotor yoke by means of at least one connecting element.
  • the auxiliary joining parts are designed to fix at least one pole shoe to the associated rotor tooth by means of a force fit.
  • the invention also relates to an electric machine for a motor vehicle.
  • the electrical machine can be a synchronous machine, for example, and has a stator and the rotor, which is rotatably mounted with respect to the stator.
  • the electrical machine can be an internal rotor or an external rotor machine.
  • the rotor In the case of an internal rotor machine, the rotor is located within the cylindrical stator and is adapted to rotate about an axis of rotation within the stator.
  • the rotor has the rotor core and the magnetic field generating component.
  • the magnetic field-generating component can have rotor coils, for example.
  • the rotor core can be mechanically connected to a drive shaft of the motor vehicle for torque transmission.
  • the rotor core is preferably made of solid material, for example iron.
  • the rotor core In the axial direction along the axis of rotation, the rotor core consists in particular of a solid material, not of axially stacked laminations.
  • the rotor core is designed in multiple parts, with the rotor poles being designed in multiple parts here.
  • the rotor poles each have the rotor tooth or rotor shaft and the pole shoe separate therefrom. The rotor teeth and the pole shoes are mechanically connected when the rotor is manufactured.
  • the rotor teeth of the rotor poles are formed monolithically with the annular, for example circular, rotor yoke.
  • the rotor teeth are spaced apart from one another along the circumference of the rotor, forming the pole gaps or rotor slots, and protrude radially outward, for example.
  • the rotor yoke and the rotor teeth thus form an externally toothed ring gear, the rotor teeth in particular having a substantially rectangular cross section.
  • the rotor yoke and the rotor teeth are designed without pole shoes. Due to the lack of pole shoes, the pole gaps are completely open. Due to the open pole gaps, for example, a pre-wound rotor coil or a pre-assembled rotor winding of the magnetic-field-generating component can be pushed or plugged onto the rotor teeth in a particularly simple manner.
  • the pole shoes are designed, among other things, to prevent the magnetic field-generating component during the Release the rotation of the rotor from the rotor poles due to the centrifugal force acting radially outwards.
  • the pole shoes are cap-like and are applied to the rotor teeth.
  • the pole shoes preferably have a cross section in the shape of a segment of a circle, which is delimited by a chord and an arc of a circle. Sides or outer surfaces of the pole shoes assigned to the chords of a circle are arranged on sides or outer surfaces of the rotor teeth which are radially opposite to the rotor yoke.
  • no positive connection is formed between the corresponding joining partners of the pole shoes and the rotor teeth in the radial and tangential direction, as is the case, for example, with a dovetail-like connection.
  • the mechanical connection between a pole shoe and the associated rotor tooth is, in particular exclusively, non-positive in that the pole shoe is pressed against the rotor tooth by means of a normal force directed radially in the direction of the rotor yoke.
  • the auxiliary joining parts which are at least partially arranged in the pole gaps, are provided for pressing or pressing the pole shoes against the rotor teeth.
  • the auxiliary joining parts exert the normal force on the pole shoes and are each fastened to the rotor yoke by means of at least one connecting element.
  • the connecting elements are in particular screws, rivets or bolts.
  • the rotor core Due to the multi-part design of the rotor core, it can be fitted particularly easily with the magnetic-field-generating component during the manufacture of the rotor. Because the pole shoes are only placed against the rotor teeth and are attached to the rotor teeth by means of the auxiliary joining parts, the manufacture of the rotor is particularly simple.
  • the rotor has a plurality of auxiliary joining parts for each pole gap, which are distributed over an axial length of the rotor.
  • the pole gaps are therefore not completely closed by the auxiliary joining parts over the axial length of the rotor.
  • the auxiliary joining parts of a pole gap can be mechanically connected to one another, for example via a rail, so that assembly of the auxiliary joining parts on the rotor core is facilitated.
  • each pole shoe can have a receiving area, for example a groove, into which the associated auxiliary joining part can engage. This form-fitting connection makes it easier to assemble the rotor and increases the stability of the rotor.
  • each pole shoe is frictionally connected to the associated rotor tooth by means of at least two auxiliary joining parts arranged in the two adjacent pole gaps, with each auxiliary joining part frictionally connecting the pole shoes of two adjacent rotor poles to the respective rotor tooth.
  • Each auxiliary joining part thus presses two adjacent pole shoes against the respective rotor tooth and acts in particular on the region of the respective pole shoe adjacent to the pole gap and protruding laterally on the rotor tooth.
  • each pole shoe is pressed on by at least two auxiliary joining parts, which act on the areas of the pole shoe that are laterally opposite one another and protrude on the rotor tooth.
  • the auxiliary joining parts are preferably designed in the manner of a V-clamp and each have two limbs connected via an apex region, the limb ends of the limbs being arranged on two adjacent pole shoes.
  • the apex area is arranged on the rotor yoke and has at least one through opening for at least one connecting element.
  • the limbs extend in the pole gap starting from the rotor yoke in the direction of the pole shoes and act in particular on the pole shoe areas of the pole shoes that protrude laterally on the rotor tooth.
  • the apex area can be applied to the rotor yoke, for example.
  • the annular rotor yoke can have flat, unbent areas, against which the apex areas are arranged.
  • the pole shoes each have a fold on two laterally opposite sides, and the ends of the limbs are designed as laterally angled limb sections which engage in one another with the respective fold.
  • a fold can be formed in the side of the protruding pole shoe area associated with the circular arc.
  • the respective leg end can engage in this fold.
  • a form-fitting connection between the pole shoe and the auxiliary joining part can be produced at least along the circumferential direction by the fold and the leg section.
  • the magnetic field generating component has a rotor winding with pre-wound winding conductors which are slipped onto the rotor teeth.
  • the electrical machine is thus designed as an externally excited machine, for example a current-excited synchronous machine (SSM), and has the rotor winding that can be energized to generate the rotor magnetic field.
  • the winding conductors are pre-wound and can simply be pushed onto the exposed rotor teeth without pole shoes during manufacture of the rotor.
  • the winding conductors of the rotor windings are in the form of strips.
  • the winding conductors can be in the form of aluminum or copper strips which are embedded in an insulating film. Such tapes are easily wound and provide a high fill factor.
  • the magnetic field-generating component has permanent magnets, which are arranged on the rotor teeth.
  • the electrical machine is designed as a hybrid-excited machine.
  • Such an electrical machine for example, combines the advantages of the SSM and the PSM (permanently excited synchronous machine), since the rotor magnetic field is generated by a combination of electromagnets and permanent magnets. In this way, the efficiency in certain load ranges and the maximum continuous torque of the electrical machine can be increased.
  • the rotor teeth each have at least one depression on a side facing the pole shoes, in which at least one permanent magnet is arranged and which is closed by the respective pole shoe, forming a respective receiving space for the permanent magnet.
  • the permanent magnets are thus placed in the depressions which are exposed due to the absence of the pole shoes. If necessary, the pre-wound rotor coils are also pushed onto the rotor teeth. Then the pole shoes are placed on the rotor teeth and connected to them in a non-positive manner. This closes the indentations and the pole gaps so that the permanent magnets and, if applicable, the rotor coils can no longer become detached from the rotor teeth.
  • a motor vehicle according to the invention comprises an electric machine according to the invention.
  • the motor vehicle is designed in particular as an electric or hybrid vehicle and has the electric machine as the drive machine.
  • the embodiments presented with reference to the rotor according to the invention and their advantages apply correspondingly to the electric machine according to the invention and to the motor vehicle according to the invention.
  • FIG. 1a to 1c show a schematic representation of a first embodiment of a rotor according to the invention during manufacture of the rotor
  • FIGS. 2a to 2c show a schematic representation of a second embodiment of a rotor according to the invention during manufacture of the rotor.
  • FIGS. 1a, 1b and FIGS. 2a, 2b show manufacturing steps of the associated rotor 1.
  • the electric machine is in particular a drive machine of the motor vehicle and is designed as a synchronous machine.
  • the rotor 1 has a rotor core 2 which is designed to hold a magnetic field generating component 3 and to conduct a rotor magnetic field generated by the magnetic field generating component 3 .
  • the rotor core 2 is made of solid steel, for example, and has a rotor yoke 4 and a plurality of rotor poles 5 made in two parts.
  • Each rotor pole 5 has a rotor tooth 6 which is formed in one piece with the rotor yoke 4 .
  • each rotor pole 5 has a pole shoe 7 which is formed separately from the respective rotor tooth 6, can be mechanically connected to the respective rotor tooth 6 and can be detached again from the respective rotor tooth 6 without being destroyed.
  • the rotor teeth 6 here have a rectangular cross section and have two parallel, laterally opposite side flanks 8a and an outer side 8b facing the pole shoe 7 .
  • the pole shoes 7 have a cross section in the shape of a segment of a circle and thus have a first side 9a delimited by a chord of a circle and a second side 9b delimited by an arc of a circle.
  • the rotor 1 can be manufactured in a simple manner, as shown in FIGS. 1a, 1b and 2a, 2b.
  • the pole shoes 7 are detached from the rotor teeth 6 .
  • the component 3 generating the magnetic field can be arranged on the rotor teeth 6 in a simple manner.
  • the magnetic field generating component 3 has a rotor winding 10 which has pre-wound winding conductors. These pre-wound winding conductors can be slid onto the rotor teeth 6 and thus arranged in the pole gaps 11 adjacent to the rotor poles 5 .
  • the magnetic field-generating component 3 of the rotor 1 according to FIG. 1c has only rotor windings 10, so that the electrical machine comprising the rotor 1 is designed as an externally excited or current-excited electrical machine.
  • the magnetic field-generating component 3 of the rotor 1 according to FIG. 2c also has permanent magnets 12, so that the electrical machine comprising the rotor 1 is designed as a hybrid-excited electrical machine.
  • the permanent magnets 12 On the rotor teeth 6, the outer sides 8b of the rotor teeth
  • the pole shoes 7 are placed on the rotor teeth 6. According to FIG. 1b, FIG. 1c, the pole shoe 7 rests with the first side 9a over the entire surface on the outer side 8b of the rotor tooth 6. According to Fig. 2b, Fig. 2c, the pole shoe 7 rests with the first side 9a on the outside 8b of the rotor tooth 6 and the permanent magnet 12 and thereby closes the recess 13 so that the permanent magnet 12 from the pole shoe
  • auxiliary joining parts 14 are used.
  • at least one auxiliary joining part 14 is introduced into each pole gap 11, as shown in FIGS .
  • the auxiliary joining parts 14 are each attached to the rotor yoke 4 by means of a connecting element 15 .
  • the auxiliary joining part 14 is designed in the manner of a V-clamp and has two legs 16 and an apex region 17 .
  • the apex area 17 is web-shaped here and is arranged adjacent to the rotor yoke 4, with the rotor yoke 4 having flattened, planar areas 18 for this purpose.
  • the apex area 17 has a through opening 19 for the connecting element 15, which is designed as a screw 20 here.
  • the rotor yoke 4 has a thread 21 here for fastening the screw 20 passed through the through-opening 19 to the rotor yoke 4 .
  • the legs 16 have a first leg section 22a extending here parallel to the side flanks 8a of the rotor tooth 6 and a second leg section 22b bent laterally or laterally therefrom.
  • the first leg sections 22a bear against the rotor windings 10 here and thus also fix them in the circumferential direction.
  • the second leg portions 22b are engaged with respective folds 23 formed in the respective second side 9b of the pole pieces 7.
  • the auxiliary joining parts 14 and the pole shoes 7 are positively connected.
  • the legs 16 pull the pole shoes 7 radially in the direction of the rotor yoke 4 and thus press the pole shoes 7 onto the rotor teeth 6 .

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rotor (1) für eine elektrische Maschine eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs, - mit einer magnetfelderzeugenden Komponente (3) zum Ausbilden eines Rotormagnetfelds und - einem Rotorkern (2) zum Halten der magnetfelderzeugenden Komponente (3) aufweisend ein ringförmiges Rotorjoch (4) und zumindest zwei an dem Rotorjoch (4) angeordnete Rotorpole (5), welche mehrteilig ausgebildet sind und dazu jeweils einen, einteilig mit dem Rotorjoch (4) ausgebildeten Rotorzahn (6) und einen dazu separaten Polschuh (7) zum Anordnen der magnetfelderzeugenden Komponente (3) an dem zugehörigen Rotorzahn (6) aufweisen, wobei die Polschuhe (7) radial an den jeweiligen Rotorzahn (6) angepresst sind und der Rotor (1) dazu Hilfsfügeteile (14) aufweist, welche dazu ausgelegt sind, jeweils zumindest einen Polschuh (7) an dem zugehörigen Rotorzahn (6) mittels Kraftschluss zu fixieren, welche zumindest teilweise in jeweiligen Pollücken (11) zwischen zwei Rotorpolen (5) angeordnet sind und welche mittels jeweils zumindest eines Verbindungselementes (15) an dem Rotorjoch (4) befestigt sind.

Description

Mehrteiliger Rotor für eine elektrische Maschine, elektrische Maschine sowie
Kraftfahrzeug
Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs. Der Rotor weist eine magnetfelderzeugende Komponente zum Ausbilden eines Rotormagnetfelds und einen Rotorkern zum Halten der magnetfelderzeugenden Komponente auf. Der Rotorkern umfasst ein ringförmiges Rotorjoch und zumindest zwei an dem Rotorjoch angeordnete Rotorpole, welche mehrteilig ausgebildet sind und dazu jeweils einen, einteilig mit dem Rotorjoch ausgebildeten Rotorzahn und einen dazu separaten Polschuh zum Anordnen der magnetfelderzeugenden Komponente an dem zugehörigen Rotorzahn aufweisen. Die Erfindung betrifft außerdem eine elektrische Maschine sowie ein Kraftfahrzeug.
Vorliegend richtet sich das Interesse auf elektrische Maschinen für elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge, beispielsweise Elektro- oder Hybridfahrzeuge. Die elektrischen Maschinen weisen einen ortsfesten Stator mit bestrombaren Statorwicklungen sowie einen bezüglich des Stators drehbar gelagerten Rotor mit einer magnetfelderzeugenden Komponente auf. Im Falle einer fremderregten bzw. stromerregten elektrischen Maschine weist die magnetfelderzeugende Komponente bestrombare Rotorwicklungen bzw. Rotorspulen auf. Der Rotor weist einen Rotorkern auf, welcher die Rotorwicklungen trägt. Der Rotorkern ist üblicherweise ein einstückiger Eisenkern bestehend aus einem ringförmigen Rotorjoch und mehreren Rotorpolen, welche entlang eines Rotorumfangs an dem Rotorjoch angeordnet sind. Die Rotorpole bestehen üblicherweise aus einem radial von dem Rotorjoch abstehenden Rotorzahn bzw. Rotorschaft sowie einem kreissegmentförmigen, tangential an dem Rotorzahn überstehenden Polschuh. Die Polschuhe bilden dabei einen im Wesentlichen zylinderförmigen Rotorumfang des Rotorkerns. Zwischen den Rotorzähnen sind Pollücken gebildet, in welche die Rotorwicklungen eingebracht werden.
Um die Rotorwicklungen in die Pollücken einzubringen, sind die Polschuhe zweier benachbarter Rotorpole beabstandet zueinander angeordnet, sodass sie an dem Rotorumfang eine Zugangsöffnung in die Pollücken freigeben. Zum Anordnen der Rotorwicklungen an den Rotorzähnen wird mit einem Werkzeug ein drahtförmiger Wicklungsleiter über die Zugangsöffnungen in die Pollücken eingebracht. Dann werden die Rotorzähne mit dem Wicklungsdraht umwickelt, wobei ein hoher Füllfaktor erreicht werden soll. Durch die tangential abstehenden Polschuhe sind die Zugangsöffnungen in die Pollücken kleiner als ein Pollückendurchmesser, sodass die Pollücken nur sehr schwierig mit dem Wicklungsdraht aufgefüllt werden können. Dadurch ergeben sich oftmals eine nicht optimale Wicklungsqualität und damit ein nicht optimaler Füllfaktor.
Dazu offenbart die DE 102018213567 A1 einen Rotor für eine fremderregte Innenläufer-Synchronmaschine, bei welchem die Rotorpole mehrteilig ausgebildet sind. Die Rotorpole weisen jeweils einen Rotorzahn und zwei separate Polschuhelemente auf, wobei die Rotorzähne einteilig mit dem Rotorjoch ausgebildet sind und die Polschuhelemente mit den Rotorzähnen nach Anordnen der Rotorwicklungen an den Rotorzähnen mechanisch verbindbar sind. Zwei Polschuhelemente sind an zwei in tangentialer Richtung gegenüberliegenden Seiten des Rotorzahns angeordnet und mit dem Rotorzahn, beispielsweise über eine schwalbenschwanzartige Verbindung, formschlüssig verbunden. Ein solcher Rotor ist aufwändig in der Herstellung.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen einfach zu fertigenden Rotor mit einem mehrteiligen Rotorkern für eine elektrische Maschine eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Rotor, eine elektrische Maschine sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
Ein erfindungsgemäßer Rotor für eine elektrische Maschine eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs weist eine magnetfelderzeugende Komponente zum Ausbilden eines Rotormagnetfelds und einen Rotorkern zum Halten der magnetfelderzeugenden Komponente auf. Der Rotorkern umfasst ein ringförmiges Rotorjoch und zumindest zwei an dem Rotorjoch angeordnete Rotorpole, welche mehrteilig ausgebildet sind und dazu jeweils einen, einteilig mit dem Rotorjoch ausgebildeten Rotorzahn und einen dazu separaten Polschuh zum Anordnen der magnetfelderzeugenden Komponente an dem zugehörigen Rotorzahn aufweisen. Die Polschuhe sind radial an den jeweiligen Rotorzahn angepresst und der Rotor weist dazu Hilfsfügeteile auf, welche zumindest teilweise in jeweiligen Pollücken zwischen zwei Rotorpolen angeordnet sind und mittels jeweils zumindest eines Verbindungselementes an dem Rotorjoch befestigt sind. Außerdem sind die Hilfsfügeteile dazu ausgelegt, jeweils zumindest einen Polschuh an dem zugehörigen Rotorzahn mittels Kraftschluss zu fixieren.
Die Erfindung betrifft außerdem eine elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug. Die elektrische Maschine kann beispielsweise eine Synchronmaschine sein und weist einen Stator sowie den bezüglich des Stators drehbar gelagerten Rotor auf. Die elektrische Maschine kann eine Innenläufer- oder eine Außenläufer-Maschine sein. Im Falle einer Innenläufer-Maschine ist der Rotor innerhalb des zylinderförmigen Stators angeordnet und dazu ausgelegt, um eine Rotationsachse innerhalb des Stators zu rotieren. Der Rotor weist den Rotorkern sowie die magnetfelderzeugende Komponente auf. Die magnetfelderzeugende Komponente kann beispielsweise Rotorspulen aufweisen. Der Rotorkern kann mit einer Antriebswelle des Kraftfahrzeugs zur Drehmomentübertragung mechanisch verbunden sein. Der Rotorkern ist vorzugsweise in Vollmaterialbauweise, beispielsweise aus Eisen, gebildet. In axialer Richtung entlang der Rotationsachse besteht der Rotorkern insbesondere also aus einem Vollmaterial, nicht aus axial gestapelten Blechlamellen. Der Rotorkern ist mehrteilig ausgebildet, wobei hier die Rotorpole mehrteilig ausgebildet sind. Die Rotorpole weisen jeweils den Rotorzahn bzw. Rotorschaft sowie den dazu separaten Polschuh auf. Die Rotorzähnen und die Polschuhe werden bei der Herstellung des Rotors mechanisch verbunden.
Die Rotorzähne der Rotorpole sind monolithisch mit dem ringförmigen, beispielsweise kreisringförmigen, Rotorjoch ausgebildet. Die Rotorzähne sind entlang des Rotorumfangs unter Ausbildung der Pollücken bzw. Rotornuten beabstandet zueinander angeordnet und stehen beispielsweise radial nach außen hin ab. Das Rotorjoch und die Rotorzähne bilden somit einen außenverzahnten Zahnradring, wobei die Rotorzähne insbesondere einen im Wesentlichen rechteckförmigen Querschnitt aufweisen. Das Rotorjoch und die Rotorzähne sind polschuhlos ausgebildet. Durch das Fehlen der Polschuhe sind die Pollücken vollständig offen. Aufgrund der offenen Pollücken kann auf die Rotorzähne beispielsweise eine vorgewickelte Rotorspule bzw. eine vorkonfektionierte Rotorwicklung der magnetfelderzeugenden Komponente besonders einfach aufgeschoben bzw. aufgesteckt werden.
Nach Anordnen der magnetfelderzeugenden Komponente an den Rotorzähnen werden die Polschuhe an den Rotorzähnen befestigt. Die Polschuhe sind unter anderem dazu ausgelegt, zu verhindern, dass sich die magnetfelderzeugende Komponente während der Drehung des Rotors aufgrund der radial nach außen wirkenden Fliehkraft von den Rotorpolen lösen. Die Polschuhe sind dabei kappenartig ausgebildet und werden an die Rotorzähne angelegt. Vorzugsweise weisen die Polschuhe einen kreissegmentförmigen Querschnitt, welcher durch eine Kreissehne und einen Kreisbogen begrenzt ist, auf. Den Kreissehnen zugeordnete Seiten bzw. Außenflächen der Polschuhe sind an Seiten bzw. Außenflächen der Rotorzähne angeordnet, welche dem Rotorjoch radial gegenüberliegen. Den Kreisbögen zugeordnete Seiten der Polschuhe bilden einen Umfang, insbesondere Außenumfang des Rotors, aus. Dieser Außenumfang ist im zusammengefügten Zustand des Rotors und des Stators einem Luftspalt zwischen Rotor und Stator zugewandt. Die Polschuhe stehen dabei bereichsweise seitlich am Rotorzahn über, sodass die Rotorpole im Wesentlichen pilzförmig ausgebildet sind. Diese seitlich überstehenden Polschuhbereiche liegen sich in Umfangsrichtung gegenüber.
Dabei wird insbesondere keine formschlüssige Verbindung zwischen korrespondierenden Fügepartnern der Polschuhe und der Rotorzähne in radialer und tangentialer Richtung gebildet, wie es beispielsweise bei einer schwalbenschwanzartigen Verbindung der Fall ist. Vielmehr ist die mechanische Verbindung zwischen einem Polschuh und dem zugehörigen Rotorzahn, insbesondere ausschließlich, kraftschlüssig, indem der Polschuh mittels einer radial in Richtung des Rotorjochs gerichteten Normalkraft an den Rotorzahn angepresst wird. Zum Anpressen bzw. Andrücken der Polschuhe an die Rotorzähne sind die Hilfsfügeteile vorgesehen, welche zumindest teilweise in den Pollücken angeordnet sind. Die Hilfsfügeteile üben dabei die Normalkraft auf die Polschuhe aus und sind mittels jeweils zumindest eines Verbindungselementes an dem Rotorjoch befestigt. Die Verbindungselemente sind insbesondere Schrauben, Nieten oder Bolzen.
Durch das mehrteilige Ausbilden des Rotorkerns kann dieser während der Herstellung des Rotors besonders einfach mit der magnetfelderzeugenden Komponente bestückt werden. Dadurch, dass die Polschuhe nur an die Rotorzähne angelegt werden und mittels der Hilfsfügeteile an den Rotorzähnen befestigt werden, ist die Herstellung des Rotors besonders einfach ausgebildet.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Rotor pro Pollücke mehrere, über eine axiale Länge des Rotors verteilt angeordnete Hilfsfügeteile auf. Die Pollücken sind also über die axiale Rotorlänge nicht komplett durch die Hilfsfügeteile verschlossen. Die Hilfsfügeteile einer Pollücke können aber untereinander mechanisch verbunden sein, beispielsweise über eine Schiene, sodass eine Montage der Hilfsfügeteile am Rotorkern erleichtert wird. Es kann vorgesehen sein, dass jeder Polschuh mit zumindest einem Hilfsfügeteil formschlüssig verbunden ist. Beispielsweise kann jeder Polschuh einen Aufnahmebereich, beispielsweise eine Nut aufweisen, in welche das zugehörige Hilfsfügeteil eingreifen kann. Durch diese formschlüssige Verbindung kann die Montage des Rotors erleichtert und die Stabilität des Rotors erhöht werden.
Es erweist sich als vorteilhaft, wenn jeder Polschuh mittels zumindest zwei, in den zwei angrenzenden Pollücken angeordneten Hilfsfügeteilen kraftschlüssig mit dem zugehörigen Rotorzahn verbunden ist, wobei jedes Hilfsfügeteil die Polschuhe zweier benachbarter Rotorpole mit dem jeweiligen Rotorzahn kraftschlüssig verbindet. Jedes Hilfsfügeteil presst also zwei benachbarte Polschuhe an den jeweiligen Rotorzahn an und wirkt insbesondere auf den an die Pollücke angrenzenden, an dem Rotorzahn seitlich überstehenden Bereich des jeweiligen Polschuhs. Um jeden Polschuh sicher fixieren zu können, wird jeder Polschuh von zumindest zwei Hilfsfügeteilen angepresst, welche auf die lateral einander gegenüberliegenden, an dem Rotorzahn überstehenden Bereiche des Polschuhs wirken.
Vorzugsweise sind die Hilfsfügeteile V-Klammer-artig ausgebildet und weisen jeweils zwei, über einen Scheitelbereich verbundene Schenkel auf, wobei Schenkelenden der Schenkel an zwei benachbarten Polschuhen angeordnet sind. Der Scheitelbereich ist an dem Rotorjoch angeordnet und weist zumindest eine Durchgangsöffnung für zumindest ein Verbindungselement auf. Die Schenkel erstrecken sich dabei in der Pollücke ausgehend von dem Rotorjoch in Richtung der Polschuhe und wirken dabei insbesondere auf die am Rotorzahn seitlich überstehenden Polschuhbereiche der Polschuhe. Der Scheitelbereich kann beispielsweise an das Rotorjoch angelegt sein. Das ringförmige Rotorjoch kann dazu ebene, ungebogene Bereiche aufweisen, anliegend an welchen die Scheitelbereiche angeordnet sind.
Besonders bevorzugt weisen die Polschuhe an zwei lateral gegenüberliegenden Seiten jeweils einen Falz auf und die Schenkelenden sind als lateral abgewinkelte Schenkelabschnitte ausgebildet, welche mit dem jeweiligen Falz ineinander greifen. Beispielsweise kann jeweils ein Falz in der dem Kreisbogen zugeordneten Seite des überstehenden Polschuhbereiches ausgebildet sein. In diesen Falz kann das jeweilige Schenkelende eingreifen. Durch den Falz und den Schenkelabschnitt kann zumindest entlang der Umfangsrichtung eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Polschuh und dem Hilfsfügeteil hergestellt werden. In einer Ausführungsform der Erfindung weist die magnetfelderzeugende Komponente eine Rotorwicklung mit vorgewickelten Wicklungsleitern auf, welche auf die Rotorzähne aufgeschoben sind. Die elektrische Maschine ist somit als eine fremderregte Maschine, beispielsweise eine stromerregte Synchronmaschine (SSM), ausgebildet und weist die bestrombare Rotorwicklung zur Erzeugung des Rotormagnetfeldes auf. Die Wicklungsleiter sind dabei vorgewickelt und können bei der Herstellung der Rotor einfach auf die freiliegenden, polschuhlosen Rotorzähne geschoben werden. Insbesondere sind die Wicklungsleiter der Rotorwicklungen bandförmig ausgebildet. Bei einer solchen bandförmigen Wicklung bzw. Bandspule können die Wicklungsleiter als Alu- oder Kupferbänder ausgebildet sein, welche in eine Isolationsfolie eingebettet sind. Solche Bänder können auf einfache Weise gewickelt werden und stellen einen hohen Füllfaktor bereit.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist die magnetfelderzeugende Komponente Permanentmagnete auf, welche an den Rotorzähnen angeordnet sind. Im Falle, dass die magnetfelderzeugende Komponente Permanentmagnete und Rotorwicklungen aufweist, ist die elektrische Maschine als eine hybriderregte Maschine ausgebildet. Eine solche elektrische Maschine kombiniert beispielsweise die Vorteile der SSM und der PSM (permanenterregte Synchronmaschine), da das Rotormagnetfeld durch eine Kombination von Elektromagneten und permanenten Magneten erzeugt wird. So können die Effizienz in bestimmten Lastbereichen und das maximale Dauer-Drehmoment der elektrischen Maschine erhöht werden. Insbesondere weisen die Rotorzähne an einer den Polschuhen zugewandten Seite jeweils zumindest eine Vertiefung auf, in welcher jeweils zumindest ein Permanentmagnet angeordnet ist und welche durch den jeweiligen Polschuh unter Ausbildung eines jeweiligen Aufnahmeraumes für den Permanentmagneten verschlossen ist. Zum Herstellen des Rotors werden also die Permanentmagnete in den Vertiefungen platziert, welche durch das Nichtvorhandensein der Polschuhe freiliegen. Gegebenenfalls werden außerdem die vorgewickelten Rotorspulen auf die Rotorzähne geschoben. Dann werden die Polschuhe an die Rotorzähne angelegt und mit diesen kraftschlüssig verbunden. Dadurch werden die Vertiefungen und die Pollücken verschlossen, sodass sich die Permanentmagnete und ggf. die Rotorspulen nicht mehr von den Rotorzähnen lösen können.
Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug umfasst eine erfindungsgemäße elektrische Maschine. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere als ein Elektro- oder Hybridfahrzeug ausgebildet und weist die elektrische Maschine als Antriebsmaschine auf. Die mit Bezug auf den erfindungsgemäßen Rotor vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße elektrische Maschine sowie für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1a bis 1c eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rotors während einer Herstellung des Rotors; und
Fig. 2a bis 2c eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rotors während einer Herstellung des Rotors.
In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Fig. 1c und Fig. 2c zeigen zwei unterschiedliche Ausführungsformen eines Ausschnitts eines Rotors 1 für eine hier nicht gezeigte elektrische Maschine eines Kraftfahrzeugs. Die Figuren 1a, 1b und Fig. 2a, 2b zeigen Fertigungsschritte des zugehörigen Rotors 1. Die elektrische Maschine ist insbesondere eine Antriebsmaschine des Kraftfahrzeugs und als eine Synchronmaschine ausgebildet. Der Rotor 1 weist einen Rotorkern 2 auf, welcher zum Halten einer magnetfelderzeugenden Komponente 3 sowie zum Leiten eines von der magnetfelderzeugenden Komponente 3 erzeugten Rotormagnetfeldes ausgebildet ist.
Der Rotorkern 2 ist beispielsweise aus massivem Stahl ausgebildet und weist ein Rotorjoch 4 sowie mehrere, zweiteilig ausgebildete Rotorpole 5 auf. Jeder Rotorpol 5 weist einen Rotorzahn 6 auf, welcher einstückig mit dem Rotorjoch 4 ausgebildet ist. Außerdem weist jeder Rotorpol 5 einen Polschuh 7 auf, welcher separat zu dem jeweiligen Rotorzahn 6 ausgebildet ist, mit dem jeweiligen Rotorzahn 6 mechanisch verbunden werden kann und zerstörungsfrei wieder von dem jeweiligen Rotorzahn 6 gelöst werden kann. Die Rotorzähne 6 weisen hier einen rechteckförmigen Querschnitt auf und weisen zwei parallele, sich lateral gegenüberliegende Seitenflanken 8a sowie eine dem Polschuh 7 zugewandte Außenseite 8b auf. Die Polschuhe 7 weisen einen kreissegmentförmigen Querschnitt auf und weisen somit eine, durch eine Kreissehne begrenzte erste Seite 9a und eine, durch einen Kreisbogen begrenzte zweite Seite 9b auf.
Dadurch, dass die Polschuhe 7 zerstörungsfrei von den Rotorzähnen 6 lösbar sind, kann der Rotor 1 auf einfache Weise, wie in Fig. 1a, Fig. 1b und Fig. 2a, Fig. 2b gezeigt, gefertigt werden. Zunächst sind, wie in Fig. 1a und Fig. 2a gezeigt, die Polschuhe 7 von den Rotorzähnen 6 gelöst. So kann die magnetfelderzeugende Komponente 3 auf einfache Weise an den Rotorzähnen 6 angeordnet werden. Die magnetfelderzeugende Komponente 3 weist eine Rotorwicklung 10 auf, welche vorgewickelte Wicklungsleiter aufweist. Diese vorgewickelten Wicklungsleiter können auf die Rotorzähne 6 aufgeschoben werden und somit in den, zu den Rotorpolen 5 benachbarten Pollücken 11 angeordnet werden. Die magnetfelderzeugende Komponente 3 des Rotors 1 Gemäß Fig. Ic weist nur Rotorwicklungen 10 auf, sodass die den Rotor 1 umfassende elektrische Maschine als eine fremderregte bzw. stromerregte elektrische Maschine ausgebildet ist. Die magnetfelderzeugende Komponente 3 des Rotors 1 Gemäß Fig. 2c weist außerdem Permanentmagnete 12 auf, sodass die den Rotor 1 umfassende elektrische Maschine als eine hybriderregte elektrische Maschine ausgebildet ist. Zum Anordnen der Permanentmagnete 12 an den Rotorzähnen 6 weisen die Außenseiten 8b der Rotorzähne
6 jeweils eine Vertiefung 13 auf, in welche ein jeweiliger Permanentmagnet 12 passgenau eingefügt werden kann.
Nach Anordnen der magnetfelderzeugenden Komponente 3 an den Rotorzähnen 6 werden die Polschuhe 7 an die Rotorzähne 6 angelegt. Gemäß Fig. 1b, Fig. 1c liegt der Polschuh 7 dabei mit der ersten Seite 9a vollflächig an der Außenseite 8b des Rotorzahnes 6 an. Gemäß Fig. 2b, Fig. 2c liegt der Polschuh 7 mit der ersten Seite 9a an der Außenseite 8b des Rotorzahnes 6 sowie dem Permanentmagneten 12 an und verschließt dabei die Vertiefung 13, sodass der Permanentmagnet 12 von dem Polschuh
7 und dem Rotorzahn 6 umgeben bzw. umschlossen ist und in den Rotorkern 2 eingebettet bzw. vergraben ist. Um die Polschuhe 7 nun an den Rotorzähnen 6 zu fixieren, werden Hilfsfügeteile 14 verwendet. Hier wird in jede Pollücke 11 , wie in Fig. 1 b und Fig. 2b gezeigt, zumindest ein Hilfsfügeteil 14 eingeführt, welches mit weiteren Hilfsfügeteilgen 14 dazu ausgelegt ist, die Polschuhe 7 der zwei angrenzenden Rotorpole 5 kraftschlüssig an dem zugehörigen Rotorzahn 6 zu fixieren. Die Hilfsfügeteile 14 werden dabei mittels jeweils eines Verbindungselementes 15 an dem Rotorjoch 4 befestigt. Das Hilfsfügeteil 14 ist V- Klammer-artig ausgebildet und weist zwei Schenkel 16 und einen Scheitelbereich 17 auf. Der Scheitelbereich 17 ist hier stegförmig ausgebildet und anliegend an dem Rotorjoch 4 angeordnet, wobei das Rotorjoch 4 hierfür abgeflachte, ebene Bereiche 18 aufweist. Der Scheitelbereich 17 weist eine Durchgangsöffnung 19 für das Verbindungselement 15 auf, welches hier als Schraube 20 ausgebildet ist. Zum Befestigen der durch die Durchgangsöffnung 19 durchgeführten Schraube 20 an dem Rotorjoch 4 weist das Rotorjoch 4 hier eine Gewinde 21 auf.
Die Schenkel 16 weisen einen sich hier parallel zu den Seitenflanken 8a des Rotorzahns 6 erstreckenden ersten Schenkelabschnitt 22a und davon einen seitlich bzw. lateral abgewinkelten zweiten Schenkelabschnitt 22b auf. Die ersten Schenkelabschnitte 22a liegen hier an den Rotorwicklungen 10 an und fixieren diese somit auch in Umfangsrichtung. Die zweiten Schenkelabschnitte 22b sind in Eingriff gebracht mit jeweiligen Falzen 23, welche in der jeweiligen zweiten Seite 9b der Polschuhe 7 ausgebildet sind. Somit sind die Hilfsfügeteile 14 und die Polschuhe 7 formschlüssig verbunden. Die Schenkel 16 ziehen die Polschuhe 7 radial in Richtung des Rotorjochs 4 und pressen die Polschuhe 7 somit an die Rotorzähne 6 an.

Claims

Patentansprüche
1. Rotor (1) für eine elektrische Maschine eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs,
- mit einer magnetfelderzeugenden Komponente (3) zum Ausbilden eines Rotormagnetfelds und
- einem Rotorkern (2) zum Halten der magnetfelderzeugenden Komponente (3) aufweisend ein ringförmiges Rotorjoch (4) und zumindest zwei an dem Rotorjoch (4) angeordnete Rotorpole (5), welche mehrteilig ausgebildet sind und dazu jeweils einen, einteilig mit dem Rotorjoch (4) ausgebildeten Rotorzahn (6) und einen dazu separaten Polschuh (7) zum Anordnen der magnetfelderzeugenden Komponente (3) an dem zugehörigen Rotorzahn (6) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Polschuhe (7) radial an den jeweiligen Rotorzahn (6) angepresst sind und der Rotor (1) dazu Hilfsfügeteile (14) aufweist, welche dazu ausgelegt sind, jeweils zumindest einen Polschuh (7) an dem zugehörigen Rotorzahn (6) mittels Kraftschluss zu fixieren, welche zumindest teilweise in jeweiligen Pollücken (11) zwischen zwei Rotorpolen (5) angeordnet sind und welche mittels jeweils zumindest eines Verbindungselementes (15) an dem Rotorjoch (4) befestigt sind.
2. Rotor (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (15) als Schrauben (20), Nieten und/oder Bolzen ausgebildet sind.
3. Rotor (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Polschuhe (7) jeweils einen kreissegmentförmigen Querschnitt aufweisen, welcher durch eine Kreissehne und einen Kreisbogen begrenzt ist, wobei den Kreissehnen zugeordnete Seiten (9a) der Polschuhe (7) an Seiten (8b) der Rotorzähne (6) angeordnet sind, welche dem Rotorjoch (4) radial gegenüberliegen.
4. Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (1) pro Pollücke (11) mehrere, über eine axiale Länge der Rotors (1) verteilt angeordnete Hilfsfügeteile (14) aufweist.
5. Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Polschuh (7) mit zumindest einem Hilfsfügeteil (14) formschlüssig verbunden ist.
6. Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Polschuh (7) mittels zumindest zwei, in den zwei angrenzenden Pollücken (11) angeordneten Hilfsfügeteilen (14) kraftschlüssig mit dem zugehörigen Rotorzahn (6) verbunden ist, wobei jedes Hilfsfügeteil (14) die Polschuhe (7) zweier benachbarter Rotorpole (5) mit dem jeweiligen Rotorzahn (6) kraftschlüssig verbindet.
7. Rotor (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Hilfsfügeteile (14) V-Klammer-artig ausgebildet sind und jeweils zwei, über einen Scheitelbereich (17) verbundene Schenkel (16) aufweisen, wobei Schenkelenden der Schenkel (16) an zwei benachbarten Polschuhen (7) angeordnet sind und wobei der Scheitelbereich (17) an dem Rotorjoch (4) angeordnet ist und zumindest eine Durchgangsöffnung (19) für jeweils zumindest ein Verbindungselement (15) aufweist.
8. Rotor (1) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Polschuhe (7) an zwei lateral gegenüberliegenden Seiten jeweils einen Falz (23) aufweisen und die Schenkelenden als lateral abgewinkelte Schenkelabschnitte (22b) ausgebildet sind, welche mit dem jeweiligen Falz (23) ineinander greifen.
9. Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetfelderzeugende Komponente (3) Rotorwicklungen (10) mit vorgewickelten Wicklungsleitern aufweist, welche auf die Rotorzähne (6) aufgeschoben sind.
10. Rotor (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungsleiter der Rotorwicklungen (10) bandförmig ausgebildet sind.
11. Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetfelderzeugende Komponente (3) Permanentmagnete (12) aufweist, welche an den Rotorzähnen (6) angeordnet sind.
12. Rotor (1) nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorzähne (6) an einer den Polschuhen (7) zugewandten Seite (8b) jeweils zumindest eine Vertiefung (13) aufweisen, in welcher jeweils zumindest ein Permanentmagnet (12) angeordnet ist und welche durch den jeweiligen Polschuh (7) unter Ausbildung eines jeweiligen Aufnahmeraumes für die Permanentmagneten (12) verschlossen ist.
13. Elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug mit einem Stator und einem bezüglich des Stators drehbar gelagerten Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
14. Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Maschine nach Anspruch 13.
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