WO2023117717A1 - Rotorpaket für einen rotor einer elektrischen maschine, rotor, elektrische maschine und verfahren zum herstellen eines rotors - Google Patents

Rotorpaket für einen rotor einer elektrischen maschine, rotor, elektrische maschine und verfahren zum herstellen eines rotors Download PDF

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WO2023117717A1
WO2023117717A1 PCT/EP2022/086242 EP2022086242W WO2023117717A1 WO 2023117717 A1 WO2023117717 A1 WO 2023117717A1 EP 2022086242 W EP2022086242 W EP 2022086242W WO 2023117717 A1 WO2023117717 A1 WO 2023117717A1
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WO
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rotor
axial direction
coil
rotor core
face
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PCT/EP2022/086242
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English (en)
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Christian FINGER-ALBERT
Carsten Siepker
Christoph Wieczorek
Regina Bach
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Valeo Eautomotive Germany Gmbh
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • 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
    • H02K15/00—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines
    • H02K15/12—Impregnating, heating or drying of windings, stators, rotors or machines
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/32—Windings characterised by the shape, form or construction of the insulation
    • H02K3/38—Windings characterised by the shape, form or construction of the insulation around winding heads, equalising connectors, or connections thereto

Definitions

  • the present invention relates to a rotor core for a rotor of an electrical machine, a rotor, an electrical machine and a method for producing a rotor for an electrical machine.
  • Permanently excited rotors have permanent magnets that generate a magnetic field.
  • the self-starting of rotors with permanent magnets is complex, freewheeling is usually not possible with permanently excited rotors and they often contain rare earth materials (e.g. neodymium), which are subject to strong price fluctuations and are expensive.
  • rare earth materials e.g. neodymium
  • the degradation of rare earth materials is often associated with environmental damage and, in general, such materials can worsen the carbon footprint of the rotor compared to alternative concepts.
  • the gaps can only be insufficiently filled.
  • the turns of the coil are either insufficiently encapsulated with the encapsulation material, or there are constraints on the number of turns or the positioning of the turns, so that an excessively large coil width is avoided.
  • a rotor stack for a rotor of an electrical machine, in particular for a rotor of a separately excited electrically excited synchronous machine (EESM).
  • the rotor core comprises at least a longitudinal axis, a first end face along a first axial direction and a second end face opposite the first end face along a second axial direction opposite the first axial direction, a rotor core, a plurality of circumferentially arranged, extending from the rotor core in the radial direction Rotor poles and two end plates.
  • the end plates are at least partially arranged adjacent to the rotor poles.
  • Each end disk includes bearing surfaces for at least one coil of the rotor.
  • Each end disk has at least one indentation that approaches the respective other end disk opposite the bearing surfaces in the axial direction.
  • the bearing surfaces form an abutment surface for turns of a coil as part of the winding of the rotor.
  • the respective indentation is set back in relation to these bearing surfaces.
  • the rotor stack set up in this way enables the casting material to be fed in opposite surfaces of a coil. Therefore, the gaps between the turns of the coil can be cast with the potting material from different directions. As a result, with constant pressure, an increased depth of penetration of the potting material into the coil can be achieved. Consequently, the coil can have a significantly increased coil cross section along the direction in which the encapsulation material is applied. This significantly increases the variability of the coil geometries, the gaps between which are sufficiently filled with the potting material, which means that the rotor design can be adapted to meet requirements.
  • the end disks are regarded as part of the rotor stack. Alternatively, these can also be separate.
  • the end faces are arranged on the end disks in opposite axial directions and in this respect delimit the rotor stack or the system of rotor stack and end disks.
  • the rotor core and the rotor poles preferably have laminated electrical laminations.
  • the individual layers of the electrical sheet are electrically insulated from one another. This essentially avoids the occurrence of eddy currents.
  • eddy currents can be induced, for example, by the winding, the windings of which are usually wound around the individual rotor poles.
  • a surface normal of the recess is preferably oriented essentially in the axial direction.
  • the potting material is applied along the axial direction.
  • pressure is typically also exerted on the rotor along the axial direction as long as the potting material has not yet solidified, for example the potting material can be provided under pressure.
  • each end disk includes an associated indentation for each rotor pole.
  • each rotor pole has turns of the winding wrapped, which are then referred to as a coil.
  • So-called winding overhangs of the coils are then formed along the axial direction next to the end disks of the rotor stack. Consequently, it is advantageous if a respective indentation is provided for each end coil of a coil on a respective rotor pole from the opposite axial directions on the respective end disks. It is thus possible to ensure that all the intermediate spaces between the turns of the respective end coils of the coils on both sides of the rotor core along the axial direction are essentially completely filled.
  • the bearing surfaces of each end disk have two interacting surface sections.
  • the surface sections are designed in such a way that the coil can be deflected from an axial direction of longitudinal extent into a direction of extent perpendicular thereto.
  • the depression is formed between the cooperating surface sections.
  • the bearing surfaces ensure correct positioning of the windings of the coil through the interacting surface sections.
  • the windings of the coil are deflected from the axial direction into a direction perpendicular thereto by means of a first surface section. From this vertical direction, they are in turn deflected by the second surface section into the opposite axial direction.
  • the coil heads therefore have a U-shape at the respective end disks.
  • the contact surfaces ensure the most compact possible positioning in order to optimize the space available for the rotor.
  • the recess can therefore be formed particularly advantageously between the interacting surface sections that ensure the respective deflection.
  • the correct positioning of the windings is thus ensured and at the same time the depression can advantageously span a rectilinearly oriented section of the windings.
  • the windings can be loaded in a defined manner with the potting material from the direction of the depression and, on the other hand, the concept of positioning the windings does not have to be adapted.
  • Each end disk preferably has a base area pointing away from the rotor core and the rotor poles in the axial direction.
  • each end disk comprises between the respective base area and the respective depression at least one inflow channel.
  • the inflow channel can optionally be formed essentially along the axial direction.
  • the inflow channel can also extend in a direction that deviates from the axial direction by no more than 20 degrees.
  • the inflow channel can connect the recess to an outer space of the end disk.
  • the potting material can then reach the depression via the inflow channel.
  • the inflow channel is advantageously formed essentially along the axial direction, that is to say precisely the direction along which pressure is usually exerted on the outer surfaces or the casting material or both during the manufacture of the rotor. The inflow of the potting material into the depressions is thus promoted by the positioning of the inflow channel.
  • a rotor with a rotor stack as previously described is also provided.
  • it can be a rotor for a separately excited synchronous machine.
  • the rotor includes at least one coil.
  • the coil is arranged on the bearing surfaces of the end plates.
  • a reservoir is formed between the end plate and the coil by the depression.
  • a defined volume for the encapsulation material is thus ensured, so that the coil or the coil end of the coil can be acted upon by the encapsulation material from opposite directions.
  • a cross-sectional area of the depression in the radial direction can essentially match a cross-sectional area of the inflow channel in the axial direction along the shaft.
  • the cross-sectional area of a flow channel influences the flow properties of the medium flowing through it.
  • the potting material flows through the inflow channel and the depression before it has solidified. Since the cross-sectional areas of the two sections are substantially the same, the flow characteristics can advantageously be improved, particularly over the configuration in which the inflow channel has a smaller cross-sectional area than the depression.
  • the inflow channel can also have a cross-sectional area that deviates from the cross-sectional area of the depression, in particular that is larger or smaller.
  • the rotor preferably comprises a casting compound.
  • the potting compound is arranged at least partially adjacent to the coil, at least in the area of the depression in axially opposite directions.
  • the potting compound can in particular comprise a potting material.
  • the potting compound may comprise a composite having a matrix provided by the potting material and a reinforcement component at least partially embedded therein.
  • the composite may include a particulate composite.
  • the composite material comprises a fiber composite material.
  • the composite material can also comprise a combination of the types of material mentioned.
  • Such composites provide improved mechanical stability over conventional potting materials by means of the included particles or fibers. In addition, they are relatively inexpensive and easy to process.
  • the encapsulation material of the composite material can in particular comprise an encapsulation resin, for example an epoxy resin.
  • the material of the matrix and the material of the reinforcement component can in particular comprise similar coefficients of thermal expansion. Then temperature fluctuations do not lead to mechanical stresses between the matrix and the reinforcement component.
  • At least the material of the casting compound or at least one of the materials of the matrix and the reinforcement component, preferably both, can also have a high thermal conductivity. Then amounts of heat generated in the rotor core or the rotor poles can be effectively conducted through the matrix or the reinforcement component or both to an outer surface of the rotor where a cooling mechanism can be provided. For example, cooling liquid can be applied to the front side of the rotor. Such amounts of heat are caused, for example, by energizing the coil surrounding the rotor poles.
  • the potting material, the potting compound or the composite material can also comprise additives in order to adjust the properties in the desired way, for example additives which increase the thermal conductivity.
  • the rotor includes two end caps that close the rotor face-on along opposite axial directions.
  • the end covers can be cup-shaped.
  • the end covers at least partially define the outer surface of the rotor, in particular frontal parts of the outer surface.
  • the rotor includes locking bars (also called pole separators) arranged between the rotor poles along the circumferential direction of the rotor.
  • the closure strips at least partially form the outer surface of the rotor.
  • the sealing strips close gaps that arise between the rotor poles and in which the coil is at least partially arranged.
  • An inner volume of the rotor, which is filled with the casting material or the casting compound, can be determined by the end covers and the closure strips.
  • an electrical machine is also provided, in particular a separately excited synchronous machine.
  • the electric machine has a rotor as previously described.
  • an at least partially electrically powered vehicle comprising an electric machine as previously described.
  • At least partially electrically powered vehicles can include, in particular, land vehicles, namely electric scooters, e-scooters, two-wheelers, motorcycles, three-wheelers, trikes, quads, off-road and road vehicles such as passenger cars, buses, trucks, tractors and other commercial vehicles, Rail vehicles (trains), but also watercraft (boats) and aircraft such as helicopters, multicopters, propeller aircraft and jet aircraft, which have at least one electric motor serving to propel the vehicle and at least one energy storage device.
  • Vehicles can be manned or unmanned.
  • BEV pure electric vehicles
  • PHEV plug-in hybrids
  • FCEV fuel cell vehicles
  • a method for producing a rotor for an electrical machine is also provided, in particular for a separately excited electrically excited synchronous machine (EESM).
  • EESM electrically excited synchronous machine
  • the rotor can be designed as previously described. The procedure is at least as described below:
  • a rotor pack is provided.
  • the rotor core includes a longitudinal axis, a first face along a first axial direction, and a second face opposite the first face along a second axial direction opposite the first axial direction, a rotor core, a plurality of circumferentially arranged rotor poles extending radially from the rotor core and two end plates.
  • the end plates are at least partially arranged adjacent to the rotor poles.
  • Each end disk includes bearing surfaces for at least one coil of the rotor.
  • Each end disk has at least one indentation that approaches the respective other end disk opposite the bearing surfaces in the axial direction.
  • An encapsulation material is then applied, so that the coil is encapsulated with the encapsulation material at least in the region of the depression, starting from axially opposite surfaces of the coil.
  • the effective depth of penetration into the intermediate spaces of the coil can be significantly increased and essentially doubled. Therefore, the variability in relation to the coil geometries that can be implemented, the gaps in which are completely filled with the potting material, is significantly increased.
  • the potting material that has been introduced then only has to solidify, for example by means of a heating process.
  • the method can be carried out with the aid of a potting plant. Parts of the potting system can be heated.
  • the potting system can have a cavity in which the rotor stack is positioned.
  • the cavity can preferably be closed before the casting material is applied.
  • the cavity can have a wall that can be complementary to a desired shape of the outer surface of the rotor.
  • a residual gas atmosphere is preferably pumped out of the cavity before the casting material is applied. As a result, the purity of the process can be increased. In addition, the potting material can be sucked into all the cavities of the cavity.
  • the method can also be modified by the rotor comprising structural components in such a way that a defined inner volume of the rotor is formed.
  • end covers can be provided, which are arranged in opposite axial directions adjacent to the rotor core or the end plates.
  • the gaps between the rotor poles can also be closed by sealing strips (pole separators).
  • a defined internal volume of the rotor is then provided overall.
  • a potting machine does not necessarily have to provide a cavity itself, since the shape of the outer surface of the rotor is determined by the rotor poles, the sealing strips, the end covers and, optionally, the rotor core and the shaft. Consequently, the method then does not have to include the step of sealing the cavity.
  • FIG. 1 shows a simplified schematic representation of parts of the rotor
  • Fig. 2 is a simplified schematic representation of the end cover of the rotor
  • FIG. 6 shows a simplified schematic representation of a method for manufacturing a rotor
  • FIG. 7 shows a simplified schematic representation of an at least partially electrically powered vehicle with an electric machine.
  • the phrase "at least one of A, B, and C” means, for example, (A), (B), (C), (A and B), (A and C), (B and C), or (A, B and C), including all other possible combinations if more than three items are listed.
  • the term “at least one of A and B” generally means “A and/or B", namely "A” alone, “B” alone or "A and B”.
  • FIG. 1 shows a simplified schematic representation of parts of the rotor 10.
  • the rotor 10 is shown here from an axial direction without the end cover.
  • the rotor core 12 includes a rotor core 14 and rotor poles 16 extending radially from the rotor core 14.
  • the rotor core 12 includes six rotor poles 16.
  • the rotor core 14 and the rotor poles 16 are formed from layered electrical laminations that are electrically insulated from one another.
  • the rotor poles 16 have hat-shaped pole sections 18 that provide the radially outer surfaces of the rotor poles 16 . Between the pole sections 18 of adjacent rotor poles 16 , sealing strips 20 are arranged, which close off intermediate spaces 22 extending in the axial direction in the radial direction. The pole sections 18 and the closure strips 20 form parts of the outer surface 24 of the rotor 10 .
  • the rotor core 14 includes a through hole in which a shaft 26 is disposed and mechanically connected to the rotor core 14 . Press connections or shrink connections are typically used here.
  • the shaft 26 defines the axial direction, the radial direction starting from the shaft 26 and the circumferential direction.
  • the rotor core 10 comprises an end disk 28 which is arranged on the face side in the axial direction next to the rotor core 14 and the rotor poles 16 .
  • the end plates 28 can be mechanically connected to the rotor core 14 or the rotor poles 16 or both.
  • the end disk 28 has bearing surfaces 30 for a coil.
  • the winding is typically wound around each rotor pole 16 and includes multiple turns per rotor pole 16 arranged as a coil.
  • the coil is then additionally arranged at least partially in the gaps 22 in order to be guided to the opposite end face of the rotor 10 .
  • the bearing surfaces 30 of the end disk 28 comprise two separate surface sections 32, 34 for each rotor pole 16, which interact.
  • the end plate 28 comprises one end disk section 36 per rotor pole 16, which covers the respective rotor pole 16 in the axial direction.
  • the surface sections 32, 34 are arranged at opposite ends of the end disk section 36 at a distance from one another.
  • the surface sections 32, 34 form the aligned bearing surfaces 30 for the windings of the coil.
  • the surface sections 32, 34 allow the windings of the coil to be deflected from an axial direction of longitudinal extent into a direction of extent perpendicular thereto.
  • the surface sections 32, 34 provide a double deflection for the windings. This creates coil ends in the area of the end plate 28, which have a U-shape. This means that the windings of the coil in adjacent gaps 22 around a respective rotor pole 16 are led to and from an end plate 28 in the axial direction.
  • Each end disk section 36 includes a recess 40 formed between the surface sections 32,34.
  • the depression 40 is set back in the axial direction in relation to the bearing surface 30, which is provided by the surface sections 32, 34.
  • a surface normal of the depression 40 is oriented along the axial direction.
  • the recess 40 is also set back from a base area 42 of the end disk 28 .
  • An inflow channel 44 is formed between the base area 42 and the depression 40 .
  • the inflow channel 44 extends essentially along the axial direction of the rotor 10. A slight angular deviation of up to 20 degrees can remain irrelevant in this context. Potting material can reach the recess 40 from a region of the base area 42 along the axial direction through the inflow channel 44 .
  • An effective height H1 of the recess 40 is determined by the distance between the bottom of the recess 40 and the support surface 30 for the windings of the coil (see FIG. 3).
  • the depression 40 has a width B1. Due to the height of the depression 40 and the width B1, the depression 40 has a first effective cross-sectional area A1 perpendicular to the radial direction of the rotor 10.
  • the inflow channel 44 has a height H2 and a width B2 such that the inflow channel 44 has a second effective cross-sectional area A2 oriented substantially along the axial direction of the rotor 10 .
  • the first and the second effective cross-sectional area A1, A2 are advantageously essentially the same size.
  • the second effective Cross-sectional area A2 of the inflow channel 44 may also be larger or smaller than the first effective cross-sectional area A1 of the depression 40 .
  • the flow properties of the potting material can be influenced when it flows through the inflow channel 44 into the depression 40 .
  • the windings can be loaded with the potting material from opposite axial directions. Pressure is typically exerted along the axial direction when the potting material is applied when the rotor 10 is manufactured.
  • the depression 40 is oriented in such a way that this pressure can be used on both sides of the windings of the coil in order to press the potting material into spaces between the windings.
  • FIG. 2 shows a simplified schematic representation of the end cover 46 of the rotor 10.
  • the end cover 46 closes off the rotor 10 in the axial direction. Therefore, the rotor 10 has two end covers 46 which are frontally arranged on the rotor 10 in opposite axial directions.
  • An internal volume of the rotor 10 is defined by the end caps 46 and the closure strips 20 .
  • the end caps 46 have openings 48 through which a potting material may be introduced into the interior volume of the rotor 10 to fill voids, optionally under pressure, during manufacture of the rotor 10 .
  • the end caps 46 form outer faces 50 of the outer surface 24 of the rotor 10 .
  • FIG. 3 shows a simplified schematic sectional view of portions of rotor 10. The sectional view is taken along section line X-X as indicated in FIGS.
  • the rotor 10 can be seen with the rotor core 14, the rotor poles 16 and the pole sections 18.
  • the end disks 28 are arranged laterally next to the rotor core 14 and the rotor poles 16 including the pole sections 18 in opposite axial directions.
  • the end disks 28 are regarded as part of the rotor stack 12 .
  • the rotor core 12 has a first end face 51 A, and in opposite axial directions a second end face 51 B, which are defined by the axial outer sides of the end plates 28.
  • the respective end disk 28 provides the bearing surfaces 30 for a coil 52 in the respective axial direction. This results in respective end coils 54 on each rotor pole 16.
  • the rotor 10 is closed off by a respective end cover 46 along the respective axial direction.
  • FIG. 3 shows a coil head 54 with more details.
  • the coil 52 includes individual windings 56. Spaces 58 are created between the windings 56. In order to protect the windings 56 from damage in the best possible way, the spaces 58 are filled with a material, in particular a potting material.
  • a bottom of the depression 40 is set back along the axial direction compared to the bearing surface 30 which is defined by the bearing surfaces 30 .
  • the recess 40 therefore has a height H1.
  • the enlarged section also shows the inflow channel 44 which is formed between the base 42 of the end plate 28 and the depression 40 .
  • a filling material for the gaps 58 can thus also reach the back of the coil head 54 .
  • the coil head 54 can be loaded with the filling material, in particular a potting material, from opposite axial directions.
  • the filling material can also be pressed into the inner volume 60 of the rotor 10 under pressure.
  • the gaps 58 between the windings 56 of the coil 52 can therefore be filled at greater depths relative to the respective surfaces (since it is acted upon on both sides). As a result, the variability with regard to the guidance of the windings 56 of the coil 52 is increased.
  • Figure 4 shows a simplified schematic sectional view of the rotor 10 in a casting system 62.
  • the rotor 10 is shown only partially in accordance with the cross-sectional view XX from FIG.
  • the rotor poles 16 and the end plates 28 are with the coil 52 wrapped.
  • the hat-shaped pole sections 18 of the rotor poles 16 are located radially on the outside of the coil 52.
  • the casting compound 64 is arranged around the rotor stack 12 with the end disks 28 and the coil 52 , in particular in cavities of the inner volume 60 of the rotor, which are filled with the casting compound 64 .
  • the potting compound 64 can in particular include a potting material 66 .
  • the potting compound 64 generally fills the gaps 22 between the rotor poles 16 and the remaining voids between the end disks 28 and the end caps 46 .
  • the potting compound 64 can comprise a composite material with a matrix and a reinforcing insert.
  • the matrix can be formed by the potting material 66 .
  • the potting system 62 optionally includes a cavity 68 that generally conforms to the shape of the outer surface 24 of the rotor 10 .
  • the potting material 66 can be introduced into the cavities of the rotor 10 through the openings 48 in the end covers 46 and can then fill out any cavities that remain.
  • the cavity to be filled can also be defined by components of the rotor 10 itself, for example the rotor core 14, the rotor poles 16, the end covers 46 and sealing strips 20, optionally with the shaft 26.
  • gaps 58 between the turns 56 of the coil 52 can be filled.
  • the windings 56 are then mechanically stabilized and can no longer move relative to one another even at high speeds of the rotor 10 .
  • FIG. 5 shows a simplified schematic representation of an electric machine 70.
  • the rotor 10 is arranged around the shaft 26 and is surrounded by the stator 72.
  • the rotor 10 can in particular be a separately excited rotor.
  • the electrical machine 70 can be an externally excited electrical machine.
  • a voltage can then be applied to the coil 52 via sliding contacts in the area of the shaft 26 .
  • magnetic fields can be generated which provide a drive for the shaft 26 .
  • FIG. 6 shows a simplified schematic illustration of a method 74 for manufacturing a rotor 10.
  • a rotor assembly 12 (essentially a preassembled rotor 10) is first provided.
  • the rotor stack 12 comprises a longitudinal axis, a first end face 51 A along a first axial direction and a second end face 51 B opposite the first end face 51 A along a second axial direction opposite the first axial direction, a rotor core 14, a plurality of circumferentially arranged ones Rotor poles 16 extending radially from the rotor core 14 and two end disks 28.
  • the end disks 28 are arranged at least partially adjacent to the rotor poles 16.
  • Each end disk 28 includes bearing surfaces 30 for at least one coil 52 of the rotor 10.
  • Each end disk 28 has at least one depression 40 that approaches the other end disk 28 in the axial direction opposite the bearing surfaces 30.
  • a potting material 66 is then applied in step 78 so that the coil 52 is potted with the potting material 66 at least in the area of the recess 40 starting from axially opposite surfaces of the coil 52 .
  • the method 74 can optionally take place in a casting plant 62 .
  • the potting system 62 can then have a wall with a cavity 68 which is complementary to a desired shape of an outer surface 24 of the rotor 10 .
  • the method 74 can include the step 80 of sealing the cavity 68 before the potting material 66 is applied.
  • the method 74 preferably includes the optional step 82 in which a residual gas atmosphere is pumped out of the cavity 68 before the encapsulation material 66 is introduced.
  • the potting material 66 can then optionally be cured, for example by heating the potting system 62. In this way, individual components of the potting system 62 can exert pressure on the potting material 66, for example along the axial direction, so that it is pressed into all cavities of the cavity 68 or of the rotor 10 .
  • FIG. 7 shows a simplified schematic representation of an at least partially electrically driven vehicle 84 with an electric machine 70.
  • electric machine 70 is coupled to drive wheels 86 of vehicle 84.
  • Other uses of the electric machine 70 are also conceivable, for example in servo drives of the vehicle 84.
  • Amounts and numbers may be referred to in the present application. Unless expressly stated, such amounts and numbers are not to be considered as limiting, but as examples of the possible amounts or numbers within the context of the present application.
  • the term “plurality” can also be used in the present application to refer to a quantity or number. In this context, the term “plurality” means any number greater than one, e.g. e.g., two, three, four, five, etc.
  • the terms "about”, “about”, “near”, etc. mean plus or minus 5% of the stated value.

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Abstract

Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Rotorpaket für einen Rotor einer elektrischen Maschine, einen Rotor, eine elektrische Maschine und ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors für eine elektrische Maschine. Das Rotorpaket umfasst eine Längsachse, eine erste Stirnseite entlang einer ersten axialen Richtung und eine der ersten Stirnseite gegenüberliegende zweite Stirnseite entlang einer der ersten axialen Richtung gegenüberliegenden zweiten axialen Richtung, einen Rotorkern, mehrere in Umfangsrichtung angeordnete, sich von dem Rotorkern in radialer Richtung erstreckende Rotorpole und zwei Endscheiben, zumindest teilweise an die Rotorpole angrenzend angeordnet. Jede Endscheibe umfasst Auflageflächen für zumindest eine Spule des Rotors und zumindest eine gegenüber den Auflageflächen in axialer Richtung sich zu der jeweils anderen Endscheibe annähernde Vertiefung.

Description

Rotorpaket fur einen Rotor einer elektrischen Maschine, Rotor, elektrische Maschine und Verfahren zum Herstellen eines Rotors
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Rotorpaket für einen Rotor einer elektrischen Maschine, einen Rotor, eine elektrische Maschine und ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors für eine elektrische Maschine.
Elektrische Maschinen sind allgemein bekannt und umfassen unter anderem einen Rotor. Der Rotor kann beispielsweise permanenterregt sein. Permanenterregte Rotoren weisen Permanentmagnete auf, durch die ein Magnetfeld erzeugt wird. Der Selbstanlauf von Rotoren mit Permanentmagneten ist allerdings aufwendig, ein Freilauf ist bei permanenterregten Rotoren in der Regel nicht realisierbar und sie enthalten oft Seltenerdmaterialien (z.B. Neodym), die starken Preisschwankungen unterliegen und kostenintensiv sind. Zusätzlich ist der Abbau der Seltenerdmaterialien oftmals mit Umweltschäden verbunden und generell können derartige Materialien den CO2-Fussabdruck des Rotors gegenüber alternativen Konzepten verschlechtern.
Diese Nachteile können durch fremderregte Rotoren zumindest teilweise gemindert werden. Diese weisen zumindest eine stromdurchflossene Induktivität auf, mittels der das entsprechende Magnetfeld erzeugt wird. Die Induktivität wird durch zumindest eine Wicklung mit mehreren Windungen realisiert. Bei hohen Drehzahlen (bis zu 30.000 Umdrehungen pro Minute) muss eine Bewegung der Windungen durch auftretende Zentrifugalkräfte verhindert werden, damit die elektrische Isolierung der Windungen nicht beschädigt wird. Typischerweise kommen Vergussmaterialien zum Einsatz, mit denen die Windungen vergossen werden. Oftmals sind mehrere Windungen als Spule übereinander und nebeneinander positioniert. Dadurch entstehen Zwischenräume zwischen den Windungen. Um eine Relativbewegung der Windungen gänzlich ausschließen, müssen diese Zwischenräume ebenfalls mit dem Vergussmaterial ausgefüllt werden. In Abhängigkeit der Beaufschlagungsrichtung des Vergussmaterials und des Spulenquerschnitts entlang dieser Richtung, können die Zwischenräume allerdings nur ungenügend ausgefüllt werden. Mit zunehmender Tiefe der Spule relativ zu einer Spulenoberfläche, ist es problematisch das Vergussmaterial in ausreichender Weise in die Zwischenräume zu pressen, damit diese gänzlich ausgefüllt werden. Der Druck mit dem das Vergussmaterial in die Zwischenräume gepresst wird, kann auch nicht beliebig erhöht werden, da ansonsten das Risiko einer Beschädigung von Komponenten des Rotors besteht. Dadurch sind bei bestehenden Ansätzen die Windungen der Spule entweder unzureichend mit dem Vergussmaterial vergossen, oder es bestehen Randbedingungen an die Anzahl der Windungen oder die Positionierung der Windungen, damit eine zu große Spulenbreite vermieden wird.
Es besteht daher ein Bedürfnis ein Rotorpaket für einen Rotor einer elektrischen Maschine, einen Rotor, eine elektrische Maschine und ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors bereitzustellen, mittels denen die Nachteile bekannter Ansätze ausgeräumt oder zumindest verringert werden können.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Patentansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, von denen jeder für sich oder in (Sub-)Kombination Aspekte der Offenbarung darstellen kann. Einige Aspekte werden im Hinblick auf Vorrichtungen und andere im Hinblick auf Verfahren erläutert. Die Merkmale sind aber wechselseitig zu übertragen.
Gemäß einem Aspekt wird ein Rotorpaket für einen Rotor einer elektrischen Maschine bereitgestellt, insbesondere für einen Rotor einer fremderregten elektrisch angeregten Synchronmaschine (EESM). Das Rotorpaket umfasst zumindest eine Längsachse, eine erste Stirnseite entlang einer ersten axialen Richtung und eine der ersten Stirnseite gegenüberliegende zweite Stirnseite entlang einer der ersten axialen Richtung gegenüberliegenden zweiten axialen Richtung, einen Rotorkern, mehrere in Umfangsrichtung angeordnete, sich von dem Rotorkern in radialer Richtung erstreckende Rotorpole und zwei Endscheiben. Die Endscheiben sind zumindest teilweise an die Rotorpole angrenzend angeordnet. Jede Endscheibe umfasst Auflageflächen für zumindest eine Spule des Rotors. Jede Endscheibe weist zumindest eine gegenüber den Auflageflächen in axialer Richtung sich zu der jeweils anderen Endscheibe annähernde Vertiefung auf.
In anderen Worten bilden die Auflageflächen eine Anstoßfläche für Windungen einer Spule als Teil der Wicklung des Rotors aus. Gegenüber diesen Auflageflächen ist die jeweilige Vertiefung zurückgesetzt. Das so eingerichtete Rotorpaket ermöglicht die Zuführung des Vergussmaterials auf gegenüberliegende Oberflächen einer Spule. Deshalb können die Zwischenräume zwischen den Windungen der Spule aus unterschiedlichen Richtungen mit dem Vergussmaterial vergossen werden. Dadurch kann bei gleichbleibenden Druck, eine erhöhte Eindringungstiefe des Vergussmaterials in die Spule erzielt werden. Folglich kann die Spule entlang der Beaufschlagungsrichtung des Vergussmaterials einen deutlich erhöhten Spulenquerschnitt aufweisen. Somit wird die Variabilität der Spulengeometrien, deren Zwischenräume ausreichend mit dem Vergussmaterial ausgefüllt werden, deutlich erhöht, wodurch das Rotordesign bedarfsgerechter angepasst werden kann.
Vorliegend werden die Endscheiben als Teil des Rotorpakets angesehen. Alternativ können diese auch separat sein. Die Stirnseiten sind in gegenüberliegenden axialen Richtungen an den Endscheiben angeordnet und begrenzen insofern das Rotorpaket oder das System aus Rotorpaket und Endscheiben.
Bevorzugt weisen der Rotorkern und die Rotorpole geschichtete Elektrobleche auf. Die einzelnen Lagen des Elektroblechs sind dabei gegeneinander elektrisch isoliert. Dadurch wird das Auftreten von Wirbelströmen im Wesentlichen vermieden. Derartige Wirbelströme können bei einem einstückig hergestellten Rotorkern und einstückig hergestellten Rotorpolen beispielsweise durch die Wicklung induziert werden, mit deren Windungen üblicherweise die einzelnen Rotorpole umwickelt sind.
Bevorzugt ist eine Flächennormale der Vertiefung im Wesentlichen in axialer Richtung orientiert. Typischerweise wird das Vergussmaterial entlang der axialen Richtung aufgebracht. Zudem wird entlang der axialen Richtung typischerweise auch Druck auf den Rotor ausgeübt, solange das Vergussmaterial noch nicht erstarrt ist, beispielsweise kann das Vergussmaterial unter Druck bereitgestellt werden. Durch die Positionierung der Vertiefung derart, dass die Flächennormale entlang der axialen Richtung orientiert ist, kann der ohnehin aufgewendete Druck vorteilhaft ausgenutzt werden, um die Zwischenräume zwischen den Windungen der Spule aus entgegengesetzten axialen Richtungen mit dem Vergussmaterial auszufüllen.
Optional umfasst jede Endscheibe für jeden Rotorpol eine zugeordnete Vertiefung. Üblicherweise ist jeder Rotorpol mit Windungen der Wicklung umwickelt, die dann als Spule bezeichnet werden. Entlang der axialen Richtung bilden sich dann sogenannte Wicklungsköpfe der Spulen (im Folgenden Spulenköpfe) neben den Endscheiben des Rotorpakets aus. Folglich ist es vorteilhaft, wenn für jeden Spulenkopf einer Spule an einem jeweiligen Rotorpol aus den entgegengesetzten axialen Richtungen an den jeweiligen Endscheiben eine jeweilige Vertiefung bereitgestellt wird. Somit kann die im Wesentlichen vollständige Verfüllung sämtlicher Zwischenräume zwischen den Windungen der jeweiligen Spulenköpfe der Spulen beidseitig des Rotorpakets entlang der axialen Richtung gewährleistet werden.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung weisen die Auflageflächen jeder Endscheibe zwei zusammenwirkende Flächenabschnitte auf. Die Flächenabschnitte sind derart ausgebildet, dass die Spule jeweils aus einer axialen Längserstreckungsrichtung in eine dazu senkrechte Erstreckungsrichtung umlenkbar ist. Die Vertiefung ist zwischen den zusammenwirkenden Flächenabschnitten ausgebildet. Die Auflageflächen gewährleisten durch die zusammenwirkenden Flächenabschnitte eine korrekte Positionierung der Windungen der Spule. Dabei werden die Windungen der Spule mittels eines ersten Flächenabschnitts von der axialen Richtung in eine dazu senkrechte Richtung umgelenkt. Aus dieser senkrechten Richtung werden sie durch den zweiten Flächenabschnitt wiederum in die entgegengesetzte axiale Richtung umgelenkt. Die Spulenköpfe weisen deshalb an den jeweiligen Endscheiben eine U-Form auf. Die Auflageflächen gewährleisten dabei eine möglichst kompakte Positionierung, um dem Bauraum des Rotors zu optimieren. Die Vertiefung kann deshalb besonders vorteilhaft zwischen den zusammenwirkenden Flächenabschnitten ausgebildet sein, die die jeweilige Umlenkung gewährleisten. Somit wird die korrekte Positionierung der Windungen gewährleistet und gleichzeitig kann vorteilhaft die Vertiefung ein geradlinig orientiertes Teilstück der Windungen Überspannen. Dadurch können die Windungen einerseits in definierter Weise mit dem Vergussmaterial aus Richtung der Vertiefung beaufschlagt werden und andererseits muss das Konzept der Positionierung der Windungen nicht angepasst werden.
Bevorzugt weist jede Endscheibe eine in axialer Richtung von dem Rotorkern und den Rotorpolen wegweisende Grundfläche auf. Zudem umfasst jede Endscheibe zwischen der jeweiligen Grundfläche und der jeweiligen Vertiefung zumindest einen Zuflusskanal. Der Zuflusskanal kann optional im Wesentlichen entlang der axialen Richtung ausgebildet sein. Der Zuflusskanal kann sich auch in einer Richtung erstrecken, die nicht mehr als 20 Grad von der axialen Richtung abweicht. Der Zuflusskanal kann insbesondere die Vertiefung mit einem Außenraum der Endscheibe verbinden. Dann kann das Vergussmaterial über den Zuflusskanal in die Vertiefung gelangen. Vorteilhaft ist dabei der Zuflusskanal im Wesentlichen entlang der axialen Richtung ausgebildet, also genau der Richtung, entlang der beim Herstellen des Rotors üblicherweise Druck auf die Außenflächen oder das Vergussmaterial oder beide ausgeübt wird. Somit wird der Zufluss des Vergussmaterials in die Vertiefungen durch die Positionierung des Zuflusskanal gefördert.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird auch ein Rotor mit einem Rotorpaket wie zuvor beschrieben bereitgestellt. Insbesondere kann es ein Rotor für eine fremderregte Synchronmaschine sein. Der Rotor umfasst zumindest eine Spule. Die Spule ist auf den Auflageflächen der Endscheiben angeordnet. Durch die Vertiefung wird zwischen der Endscheibe und der Spule ein Reservoir ausgebildet. Somit wird ein definiertes Volumen für das Vergussmaterial gewährleistet, sodass die Spule bzw. der Spulenkopf der Spule aus gegenüberliegenden Richtungen mit dem Vergussmaterial beaufschlagt werden kann.
In einer besonderen Ausgestaltung kann eine Querschnittsfläche der Vertiefung in radialer Richtung ausgehend von der Welle des Rotors im Wesentlichen mit einer Querschnittsfläche des Zuflusskanals in axialer Richtung entlang der Welle übereinstimmen. Die Querschnittsfläche eines Durchflusskanals beeinflusst die Flusseigenschaften des hindurchfließenden Mediums. Hier fließt das Vergussmaterial, bevor es erstarrt ist, durch den Zuflusskanal und die Vertiefung. Da die Querschnittsflächen der beiden Abschnitte im Wesentlichen gleich sind, können die Strömungseigenschaften vorteilhaft verbessert werden, insbesondere gegenüber der Konfiguration, in der der Zuflusskanal eine kleinere Querschnittsfläche aufweist als die Vertiefung.
Optional kann der Zuflusskanal aber auch eine Querschnittsfläche aufweisen, die von der Querschnittsfläche der Vertiefung abweicht, insbesondere die größer oder kleiner ist. Bevorzugt umfasst der Rotor eine Vergussmasse. Die Vergussmasse ist zumindest im Bereich der Vertiefung in axial gegenüberliegenden Richtungen zumindest teilweise angrenzend an die Spule angeordnet. Die Vergussmasse kann insbesondere ein Vergussmaterial umfassen. Somit wird die Spule, zumindest im Bereich der Spulenköpfe aus den Richtungen mit der Vergussmasse vergossen aus denen auch Druck auf den Rotor oder die Vergussmasse während des Vergussprozesses ausgeübt wird.
Optional kann die Vergussmasse einen Verbundwerkstoff mit einer Matrix, die durch das Vergussmaterial bereitgestellt wird, und einer darin zumindest teilweise eingebetteten Verstärkungskomponente umfassen.
Der Verbundwerkstoff kann einen Teilchenverbundwerkstoff aufweisen.
Alternativ umfasst der Verbundwerkstoff einen Faserverbundwerkstoff.
Zudem kann der Verbundwerkstoff auch eine Kombination der genannten Werkstoffarten umfassen. Solche Verbundwerkstoffe stellen mittels der umfassten Teilchen oder Fasern eine verbesserte mechanische Stabilität gegenüber herkömmlichen Vergussmaterialien bereit. Zudem sind sie verhältnismäßig kostengünstig und einfach zu verarbeiten.
Das Vergussmaterial des Verbundwerkstoffs kann insbesondere ein Vergussharz umfassen, beispielsweise ein Epoxidharz.
Ferner können das Material der Matrix und das Material der Verstärkungskomponente insbesondere ähnliche Wärmeausdehnungskoeffizienten umfassen. Dann führen Temperaturschwankungen nicht zu mechanischen Spannungen zwischen der Matrix und der Verstärkungskomponente.
Auch kann zumindest das Material der Vergussmasse oder zumindest eines der Materialien der Matrix und der Verstärkungskomponente, bevorzugt beide, eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Dann können in dem Rotorkern oder den Rotorpolen erzeugte Wärmemengen effektiv durch die Matrix oder die Verstärkungskomponente oder beide an eine Außenoberfläche des Rotors geleitet werden, wo ein Kühlmechanismus vorgesehen sein kann. Beispielsweise kann der Rotor stirnseitig mit Kühlflüssigkeit beaufschlagt werden. Derartige Wärmemengen entstehen beispielsweise durch die Bestromung der Spule, die die Rotorpole umgibt.
Das Vergussmaterial, die Vergussmasse oder der Verbundwerkstoff können auch Additive umfassen, um die Eigenschaften in gewünschterWeise einzustellen, beispielsweise Additive, die die Wärmeleitfähigkeit erhöhen.
Bevorzugt umfasst der Rotor zwei Endabdeckungen, die den Rotor stirnseitig entlang gegenüberliegenden axialen Richtungen abschließen. Die Endabdeckungen können topfartig ausgebildet sein. Die Endabdeckungen definieren zumindest teilweise die Außenoberfläche des Rotors, insbesondere stirnseitige Teile der Außenoberfläche.
Optional umfasst der Rotor Verschlussleisten (auch Poltrenner genannt), die zwischen den Rotorpolen entlang der Umfangsrichtung des Rotors angeordnet sind. Die Verschlussleisten bilden zumindest teilweise die Außenoberfläche des Rotors aus. Die Verschlussleisten verschließen Zwischenräume, die zwischen den Rotorpolen entstehen und in denen zumindest teilweise die Spule angeordnet ist.
Durch die Endabdeckungen und die Verschlussleisten kann ein Innenvolumen des Rotors bestimmt sein, das mit dem Vergussmaterial oder der Vergussmasse ausgefüllt wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird auch eine elektrische Maschine bereitgestellt, insbesondere eine fremderregte Synchronmaschine. Die elektrische Maschine weist einen Rotor wie zuvor beschrieben auf.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird auch ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug bereitgestellt, das eine elektrische Maschine wie zuvor beschrieben umfasst.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung können zumindest teilweise elektrisch angetriebene Fahrzeuge insbesondere Landfahrzeuge umfassen, nämlich unter anderem Elektroroller, E-Scooter, Zweiräder, Motorräder, Dreiräder, Trikes, Quads, Gelände- und Straßenfahrzeuge wie Personenkraftwagen, Busse, Lastkraftwagen, Traktoren und andere Nutzfahrzeuge, Schienenfahrzeuge (Bahnen), aber auch Wasserfahrzeuge (Boote) und Luftfahrzeuge wie Hubschrauber, Multicopter, Propellerflugzeuge und Strahlflugzeuge, welche zumindest einen dem Vortrieb des Fahrzeugs dienenden Elektromotor und zumindest eine Energiespeichervorrichtung aufweisen. Fahrzeuge können bemannt oder unbemannt sein. Neben reinen Elektrofahrzeugen (BEV) können auch Plug-In-Hybride (PHEV) und Brennstoffzellenfahrzeuge (FCEV) umfasst sein.
Gemäß einem zusätzlichen Aspekt wird auch ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors für eine elektrische Maschine bereitgestellt, insbesondere für eine fremderregte elektrisch angeregte Synchronmaschine (EESM). Der Rotor kann wie zuvor beschrieben ausgebildet sein. Das Verfahren erfolgt zumindest wie nachfolgend beschrieben:
Es wird ein Rotorpaket bereitgestellt. Das Rotorpaket umfasst eine Längsachse, eine erste Stirnseite entlang einer ersten axialen Richtung und eine der ersten Stirnseite gegenüberliegende zweite Stirnseite entlang einer der ersten axialen Richtung gegenüberliegenden zweiten axialen Richtung, einen Rotorkern, mehrere in Umfangsrichtung angeordnete, sich von dem Rotorkern in radialer Richtung erstreckende Rotorpole und zwei Endscheiben. Die Endscheiben sind zumindest teilweise an die Rotorpole angrenzend angeordnet. Jede Endscheibe umfasst Auflageflächen für zumindest eine Spule des Rotors. Jede Endscheibe weist zumindest eine gegenüber den Auflageflächen in axialer Richtung sich zu der jeweils anderen Endscheibe annähernde Vertiefung auf. Nun wird ein Vergussmaterial aufgebracht, sodass die Spule zumindest im Bereich der Vertiefung ausgehend von axial gegenüberliegenden Oberflächen der Spule mit dem Vergussmaterial vergossen wird.
Da die Spule aus gegenüberliegenden axialen Richtungen mit dem Vergussmaterial beaufschlagt wird, kann die effektive Eindringtiefe in die Zwischenräume der Spule deutlich erhöht und im Wesentlichen verdoppelt werden. Daher ist die Variabilität in Bezug auf realisierbare Spulengeometrien, deren Zwischenräume vollständig mit dem Vergussmaterial ausgefüllt werden, deutlich vergrößert.
Anschließend muss das eingebrachte Vergussmaterial nur noch erstarren, beispielsweise durch einen Heizprozess. Das Verfahren kann unter Zuhilfenahme einer Vergussanlage ausgeführt werden. Teile der Vergussanlage können heizbar sein.
Optional kann die Vergussanlage eine Kavität aufweisen, in der das Rotorpaket positioniert wird.
Bevorzugt kann die Kavität verschlossen werden, bevor das Vergussmaterial aufgebracht wird.
Optional kann die Kavität eine Wandung aufweisen, die komplementär zu einer gewünschten Form der Außenoberfläche des Rotors sein kann.
Bevorzugt wird eine Restgasatmosphäre aus der Kavität abgepumpt bevor das Vergussmaterial aufgebracht wird. Dadurch kann die Reinheit des Prozesses erhöht werden. Zudem kann das Vergussmaterial in sämtliche Hohlräume der Kavität hineingesogen werden.
Das Verfahren kann auch abgewandelt werden, indem der Rotor Baukomponenten derart umfasst, dass ein definiertes Innenvolumen des Rotors ausgebildet wird. Beispielsweise können Endabdeckungen vorgesehen sein, die in gegenüberliegenden axialen Richtungen an das Rotorpaket oder die Endscheiben angrenzend angeordnet werden. Die Zwischenräume zwischen den Rotorpolen können zudem durch Verschlussleisten (Poltrenner) verschlossen sein. Dann wird insgesamt ein definiertes Innenvolumen des Rotors bereitgestellt. In diesem Fall muss eine Vergussanlage selbst nicht zwingend eine Kavität bereitstellen, da die Form der Außenoberfläche des Rotors durch die Rotorpole, die Verschlussleisten, die Endabdeckungen und optional, den Rotorkern und die Welle bestimmt ist. Folglich braucht das Verfahren dann nicht den Schritt des Verschließens der Kavität zu umfassen.
Sämtliche im Hinblick auf die verschiedenen Aspekte erläuterten Merkmale sind einzeln oder in (Sub-)Kombination mit anderen Aspekten kombinierbar.
Die Offenbarung sowie weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen derselben werden im Folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Beispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine vereinfachte schematische Darstellung von Teilen des Rotors, Fig. 2 eine vereinfachte schematische Darstellung der Endabdeckung des Rotors,
Fig. 3 eine vereinfachte schematische Schnittansicht von Teilen des Rotors,
Fig. 4 eine vereinfachte schematische Schnittansicht des Rotors in einer Vergussanlage,
Fig. 5 eine vereinfachte schematische Darstellung einer elektrischen Maschine,
Fig. 6 eine vereinfachte schematische Darstellung eines Verfahrens zum Herstellen eines Rotors, und
Fig. 7 eine vereinfachte schematische Darstellung eines zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugs mit einer elektrischen Maschine.
Alle nachstehend in Bezug auf die Ausführungsbeispiele und/oder die begleitenden Figuren offengelegten Merkmale können allein oder in einer beliebigen Unterkombination mit Merkmalen der Aspekte der vorliegenden Offenbarung, einschließlich Merkmalen bevorzugter Ausführungsformen, kombiniert werden, vorausgesetzt, die sich ergebende Merkmalskombination ist für einen Fachmann auf dem Gebiet der Technik sinnvoll.
Für die Zwecke der vorliegenden Offenbarung bedeutet die Formulierung "mindestens eines von A, B und C" beispielsweise (A), (B), (C), (A und B), (A und C), (B und C) oder (A, B und C), einschließlich aller weiteren möglichen Kombinationen, wenn mehr als drei Elemente aufgeführt sind. Mit anderen Worten, der Begriff "mindestens eines von A und B" bedeutet im Allgemeinen "A und/oder B", nämlich "A" allein, "B" allein oder "A und B".
Figur. 1 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung von Teilen des Rotors 10. Der Rotor 10 ist hier aus einer axialen Richtung ohne die Endabdeckung gezeigt. Das Rotorpaket 12 umfasst einen Rotorkern 14 und sich radial sich von dem Rotorkern 14 erstreckende Rotorpole 16. Vorliegend umfasst das Rotorpaket 12 sechs Rotorpole 16. Andere Geometrien sind aber ebenso denkbar. Der Rotorkern 14 und die Rotorpole 16 sind aus geschichteten, gegeneinander elektrisch isolierten Elektroblechen gebildet.
Die Rotorpole 16 weisen hutförmige Polabschnitte 18 auf, die die radialen Außenflächen der Rotorpole 16 bereitstellen. Zwischen den Polabschnitten 18 benachbarter Rotorpole 16 sind Verschlussleisten 20 angeordnet, die sich in axialer Richtung erstreckende Zwischenräume 22 in radialer Richtung abschließen. Die Polabschnitte 18 und die Verschlussleisten 20 bilden Teile der Außenoberfläche 24 des Rotors 10 aus.
Der Rotorkern 14 umfasst ein Durchgangsloch in dem eine Welle 26 angeordnet und mechanisch mit dem Rotorkern 14 verbunden ist. Typischerweise werden hier Pressverbindungen oder Schrumpfverbindungen eingesetzt. Durch die Welle 26 werden die axiale Richtung, die radiale Richtung ausgehend von der Welle 26 und die Umfangsrichtung definiert.
Vorliegend umfasst das Rotorpaket 10 eine Endscheibe 28, die in axialer Richtung stirnseitig neben dem Rotorkern 14 und den Rotorpolen 16 angeordnet ist. Optional können die Endscheiben 28 mit dem Rotorkern 14 oder den Rotorpolen 16 oder beiden mechanisch verbunden sein. Die Endscheibe 28 weist Auflageflächen 30 für eine Spule auf. Die Wicklung ist typischerweise um jeden Rotorpol 16 gewickelt und umfasst pro Rotorpol 16 mehrere Windungen, die als Spule angeordnet sind. Die Spule wird dann zusätzlich zumindest teilweise in den Zwischenräumen 22 angeordnet, um zur gegenüberliegenden Stirnseite des Rotors 10 geführt zu werden.
Bei einer Drehung des Rotors 10 wirken im Betrieb Zentrifugalkräfte auf die Spule. Ohne mechanische Stabilisierung kann das generell dazu führen, dass die Windungen der Spule relativ zueinander, insbesondere in radialer Richtung, bewegt werden. Dadurch kann die elektrische Isolation der Windungen beschädigt werden, wodurch die vorgesehenen Strompfade verkürzt werden können. Deshalb müssen die Windungen der Spule ausreichend mechanisch stabilisiert werden. Vorliegend erfolgt dies über ein Vergussmaterial, wie mit Bezug auf die nachfolgenden Figuren noch näher erläutert wird.
Die Auflageflächen 30 der Endscheibe 28 umfassen pro Rotorpol 16 zwei separate Flächenabschnitte 32, 34, die Zusammenwirken. Die Endscheibe 28 umfasst pro Rotorpol 16 jeweils einen Endscheibenabschnitt 36, der den jeweiligen Rotorpol 16 in axialer Richtung überdeckt. Die Flächenabschnitte 32, 34 sind an gegenüberliegenden Enden des Endscheibenabschnitts 36 beabstandet zueinander angeordnet. Die Flächenabschnitte 32, 34 bilden die fluchtenden Auflageflächen 30 für die Windungen der Spule. Die Flächenabschnitte 32, 34 ermöglichen eine Umlenkung der Windungen der Spule aus einer axialen Längserstreckungsrichtung in eine dazu senkrechte Erstreckungsrichtung. Durch die Flächenabschnitte 32, 34 wird insofern eine doppelte Umlenkung für die Windungen bereitgestellt. Dadurch entstehen Spulenköpfe im Bereich der Endscheibe 28, die eine U-Form aufweisen. Das bedeutet, dass die Windungen der Spule in benachbarten Zwischenräumen 22 um einen jeweiligen Rotorpol 16 in axialer Richtung zu einer Endscheibe 28 hingeführt und weggeführt werden.
Jeder Endscheibenabschnitt 36 umfasst jeweils eine Vertiefung 40, die zwischen den Flächenabschnitten 32, 34 ausgebildet ist. Die Vertiefung 40 ist dabei gegenüber der Auflagefläche 30, die durch die Flächenabschnitte 32, 34 bereitgestellt wird, in axialer Richtung zurückgesetzt. Eine Flächennormale der Vertiefung 40 ist entlang der axialen Richtung orientiert. Die Vertiefung 40 ist ebenfalls gegenüber einer Grundfläche 42 der Endscheibe 28 zurückgesetzt. Zwischen der Grundfläche 42 und der Vertiefung 40 ist ein Zuflusskanal 44 ausgebildet. Der Zuflusskanal 44 erstreckt sich im Wesentlichen entlang der axialen Richtung des Rotors 10. Eine leichte Winkelabweichung von bis zu 20 Grad kann in diesem Zusammenhang unbeachtlich bleiben. Durch den Zuflusskanal 44 kann Vergussmaterial entlang der axialen Richtung aus einem Bereich der Grundfläche 42 zur Vertiefung 40 gelangen.
Durch die Distanz zwischen dem Boden der Vertiefung 40 und der Auflagefläche 30 für die Windungen der Spule ist eine effektive Höhe H1 der Vertiefung 40 festgelegt (siehe Figur 3). Gleichzeitig weist die Vertiefung 40 eine Breite B1 auf. Durch die Höhe der Vertiefung 40 und die Breite B1 weist die Vertiefung 40 eine erste effektive Querschnittsfläche A1 senkrecht zur radialen Richtung des Rotors 10 auf. Der Zuflusskanal 44 weist eine Höhe H2 und eine Breite B2 auf, sodass der Zuflusskanal 44 eine zweite effektive Querschnittsfläche A2 aufweist, die im Wesentlichen entlang der axialen Richtung des Rotors 10 orientiert ist. Vorteilhaft sind die erste und die zweite effektive Querschnittsfläche A1 , A2 im Wesentlichen gleich groß. Alternativ kann die zweite effektive Querschnittsfläche A2 des Zuflusskanals 44 auch größer oder kleiner als die erste effektive Querschnittsfläche A1 der Vertiefung 40 sein. Dadurch können die Strömungseigenschaften des Vergussmaterials beeinflusst werden, wenn es durch den Zuflusskanal 44 in die Vertiefung 40 fließt.
Ist die Spule mit den Windungen auf den Auflageflächen 30 angeordnet, so können dann die Windungen aus gegenüberliegenden axialen Richtungen mit dem Vergussmaterial beaufschlagt werden. Typischerweise wird bei der Beaufschlagung mit dem Vergussmaterial beim Herstellen des Rotors 10 Druck entlang der axialen Richtung ausgeübt. Vorteilhaft ist die Vertiefung 40 derart orientiert, dass dieser Druck beidseitig der Windungen der Spule genutzt werden kann, um das Vergussmaterial in Zwischenräume zwischen den Windungen zu pressen.
Figur 2 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung der Endabdeckung 46 des Rotors 10. Die Endabdeckung 46 schließt den Rotor 10 in axialer Richtung ab. Daher weist der Rotor 10 zwei Endabdeckungen 46 auf, die in gegenüberliegenden axialen Richtungen stirnseitig am Rotor 10 angeordnet sind. Durch die Endabdeckungen 46 und die Verschlussleisten 20 wird ein Innenvolumen des Rotors 10 definiert.
Die Endabdeckungen 46 weisen Öffnungen 48 auf, durch die beim Herstellen des Rotors 10 ein Vergussmaterial in das Innenvolumen des Rotors 10 eingebracht werden kann, um Hohlräume auszufüllen, optional unter Druck.
Die Endabdeckungen 46 bilden Außenstirnflächen 50 der Außenoberfläche 24 des Rotors 10 aus.
Figur 3 zeigt eine vereinfachte schematische Schnittansicht von Teilen des Rotors 10. Die Schnittansicht ist entlang der Schnittlinie X-X dargestellt, wie sie in den Figuren 1 und 2 angegeben ist.
Zu erkennen ist der Rotor 10 mit dem Rotorkern 14, den Rotorpolen 16 und den Polabschnitten 18. In gegenüberliegenden axialen Richtungen sind die Endscheiben 28 seitlich neben dem Rotorkern 14 und den Rotorpolen 16 einschließlich der Polabschnitte 18 angrenzend angeordnet. Vorliegend werden die Endscheiben 28 als Teil des Rotorpakets 12 angesehen. Das Rotorpaket 12 weist in gegenüberliegenden axialen Richtungen eine erste Stirnseite 51 A, und eine zweite Stirnseite 51 B auf, die durch die axialen Außenseiten der Endscheiben 28 definiert sind. In der jeweiligen axialen Richtung stellt die jeweilige Endscheibe 28 die Auflageflächen 30 für eine Spule 52 bereit. Dadurch entstehen an jedem Rotorpol 16 jeweilige Spulenköpfe 54. Entlang der jeweiligen axialen Richtung wird der Rotor 10 durch eine jeweilige Endabdeckung 46 abgeschlossen.
Der vergrößerte Ausschnitt Figur 3 zeigt einen Spulenkopf 54 mit mehr Details. Die Spule 52 umfasst einzelne Windungen 56. Zwischen den Windungen 56 entstehen Zwischenräume 58. Um die Windungen 56 bestmöglich vor Beschädigungen zu schützen, werden die Zwischenräume 58 mit einem Material gefüllt, insbesondere einem Vergussmaterial.
In der Vergrößerung wird erkennbar, dass ein Boden der Vertiefung 40 gegenüber der Auflagefläche 30, die durch die Auflageflächen 30 definiert wird, entlang der axialen Richtung zurückgesetzt ist. Die Vertiefung 40 weist deshalb eine Höhe H1 auf.
Der vergrößerte Ausschnitt zeigt auch den Zuflusskanal 44, der zwischen der Grundfläche 42 der Endscheibe 28 und der Vertiefung 40 ausgebildet ist. Somit kann ein Füllmaterial für die Zwischenräume 58 auch auf die Rückseite des Spulenkopfes 54 gelangen. Dadurch kann der Spulenkopf 54 mit dem Füllmaterial, insbesondere einem Vergussmaterial, aus entgegengesetzten axialen Richtungen beaufschlagt werden. Beim Herstellen des Rotors 10 wird entlang der axialen Richtung zudem ausgehend von den Außenstirnflächen 50 der Endabdeckungen 46 Druck auf den Rotor 10 ausgeübt. Alternativ kann das Füllmaterial auch unter Druck in das Innenvolumen 60 des Rotors 10 gepresst werden. Die Zwischenräume 58 zwischen den Windungen 56 der Spule 52 können deshalb relativ zu den jeweiligen Oberflächen in größeren Tiefen (da beidseitig beaufschlagt wird) ausgefüllt werden. Dadurch ist die Variabilität in Hinblick auf die Führung der Windungen 56 der Spule 52 erhöht.
Figur 4 zeigt eine vereinfachte schematische Schnittansicht des Rotors 10 in einer Vergussanlage 62.
Der Rotor 10 ist entsprechend der Querschnittsansicht X-X aus Figur 1 nur teilweise dargestellt. Die Rotorpole 16 und die Endscheiben 28 sind mit der Spule 52 umwickelt. Radial außenhegend zur Spule 52 sind die hutförmigen Polabschnitte 18 der Rotorpole 16.
Um das Rotorpaket 12 mit den Endscheiben 28 und der Spule 52 ist die Vergussmasse 64 angeordnet, insbesondere in Hohlräumen des Innenvolumen 60 des Rotors, die mit der Vergussmasse 64 ausgefüllt werden. Die Vergussmasse 64 kann insbesondere ein Vergussmaterial 66 umfassen. Die Vergussmasse 64 füllt generell die Zwischenräume 22 zwischen den Rotorpolen 16 und die verbleibenden Hohlräume zwischen den Endscheiben 28 und den Endabdeckungen 46 aus.
Die Vergussmasse 64 kann einen Verbundwerkstoff mit einer Matrix und einer Verstärkungseinlage umfassen. Insbesondere die Matrix kann durch das Vergussmaterial 66 ausgebildet sein.
Die Vergussanlage 62 weist optional eine Kavität 68 auf, die generell der Form der Außenoberfläche 24 des Rotors 10 entspricht. Durch die Öffnungen 48 der Endabdeckungen 46 kann das Vergussmaterial 66 in Hohlräume des Rotors 10 eingebracht werden und dann verbliebene Hohlräume ausfüllen. Der auszufüllende Hohlraum kann alternativ auch durch Komponenten des Rotors 10 selbst definiert sein, beispielsweise den Rotorkern 14, die Rotorpole 16, die Endabdeckungen 46 und Verschlussleisten 20, optional mit der Welle 26.
Insbesondere können Zwischenräume 58 zwischen den Windungen 56 der Spule 52 ausgefüllt werden. Dann sind die Windungen 56 mechanisch stabilisiert und können sich auch bei hohen Drehzahlen des Rotors 10 nicht mehr relativ zueinander bewegen.
Figur 5 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung einer elektrischen Maschine 70. Der Rotor 10 ist um die Welle 26 angeordnet und von dem Stator 72 umgeben. Der Rotor 10 kann insbesondere ein fremderregter Rotor sein. Insofern kann es sich bei der elektrischen Maschine 70 um eine fremderregte elektrische Maschine handeln. Die Spule 52 kann dann über Schleifkontakte im Bereich der Welle 26 mit einer Spannung beaufschlagt werden. Dadurch können Magnetfelder erzeugt werden, die einen Antrieb der Welle 26 bereitstellen.
Figur 6 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines Verfahrens 74 zum Herstellen eines Rotors 10. Optionale Schritte sind gestrichelt dargestellt. Im Schritt 76 wird zunächst ein Rotorpaket 12 (im Wesentlichen em vormontierter Rotor 10) bereitgestellt. Das Rotorpaket 12 umfasst eine Längsachse, eine erste Stirnseite 51 A entlang einer ersten axialen Richtung und eine der ersten Stirnseite 51 A gegenüberliegende zweite Stirnseite 51 B entlang einer der ersten axialen Richtung gegenüberliegenden zweiten axialen Richtung, einen Rotorkern 14, mehrere in Umfangsrichtung angeordnete, sich von dem Rotorkern 14 in radialer Richtung erstreckende Rotorpole 16 und zwei Endscheiben 28. Die Endscheiben 28 sind an zumindest teilweise an die Rotorpole 16 angrenzend angeordnet. Jede Endscheibe 28 umfasst Auflageflächen 30 für zumindest eine Spule 52 des Rotors 10. Jede Endscheibe 28 weist zumindest eine gegenüber den Auflageflächen 30 in axialer Richtung sich zu der jeweils anderen Endscheibe 28 annähernde Vertiefung 40 auf.
Im Schritt 78 wird dann ein Vergussmaterial 66 aufgebracht, sodass die Spule 52 zumindest im Bereich der Vertiefung 40 ausgehend von axial gegenüberliegenden Oberflächen der Spule 52 mit dem Vergussmaterial 66 vergossen wird.
Optional kann das Verfahren 74 in einer Vergussanlage 62 erfolgen. Dann kann die Vergussanlage 62 eine Wandung mit einer Kavität 68 aufweisen, die komplementär zu einer gewünschten Form einer Außenoberfläche 24 des Rotors 10 ist.
Optional kann das Verfahren 74 den Schritt 80 des Verschließens der Kavität 68 umfassen, bevor das Vergussmaterial 66 aufgebracht wird.
Bevorzugt umfasst das Verfahren 74 den optionalen Schritt 82, in dem eine Restgasatmosphäre aus der Kavität 68 abgepumpt wird, bevor das Vergussmaterial 66 eingebracht wird.
Optional kann das Vergussmaterial 66 anschließend ausgehärtet werden, beispielsweise durch das Heizen der Vergussanlage 62. Dabei können Einzelkomponenten der Vergussanlage 62 beispielsweise entlang der axialen Richtung Druck auf das Vergussmaterial 66 ausüben, so dass dieses in sämtliche Hohlräume der Kavität 68 oder des Rotors 10 gepresst wird. Nach dem Aushärten oder Erstarren des Vergussmaterials 66 sind die Einzelkomponenten des Rotors 10, insbesondere der Rotorkern 12, die Rotorpole 14, die Endscheiben 28 und die Spule 52 sowie die einzelnen Windungen 56 mit dem Vergussmatenal 66 zumindest teilweise umgossen und mechanisch fest miteinander gekoppelt.
Figur 7 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugs 84 mit einer elektrischen Maschine 70. Die elektrische Maschine 70 ist vorliegend mit Antriebsrädern 86 des Fahrzeugs 84 gekoppelt. Andere Verwendungen der elektrischen Maschine 70 sind ebenfalls denkbar, beispielsweise in Servoantrieben des Fahrzeugs 84.
In der vorliegenden Anmeldung kann auf Mengen und Zahlen Bezug genommen werden. Sofern nicht ausdrücklich angegeben, sind solche Mengen und Zahlen nicht als einschränkend zu betrachten, sondern als Beispiele für die möglichen Mengen oder Zahlen im Zusammenhang mit der vorliegenden Anmeldung. In diesem Zusammenhang kann in der vorliegenden Anmeldung auch der Begriff "Mehrzahl" verwendet werden, um auf eine Menge oder Zahl zu verweisen. In diesem Zusammenhang ist mit dem Begriff "Mehrzahl" jede Zahl gemeint, die größer als eins ist, z. B. zwei, drei, vier, fünf, usw. Die Begriffe "etwa", "ungefähr", "nahe" usw. bedeuten plus oder minus 5 % des angegebenen Wertes.
Obwohl die Offenbarung in Bezug auf eine oder mehrere Ausführungsformen dargestellt und beschrieben wurde, wird der Fachmann nach dem Lesen und Verstehen dieser Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen gleichwertige Änderungen und Modifikationen vornehmen können.

Claims

Patentansprüche
1. Rotorpaket (12) für einen Rotor (10) einer elektrischen Maschine (70) umfassend eine Längsachse, eine erste Stirnseite (51 A) entlang einer ersten axialen Richtung und eine der ersten Stirnseite (51 A) gegenüberliegende zweite Stirnseite (51 B) entlang einer der ersten axialen Richtung gegenüberliegenden zweiten axialen Richtung, einen Rotorkern (14), mehrere in Umfangsrichtung angeordnete, sich von dem Rotorkern (14) in radialer Richtung erstreckende Rotorpole (16) und zwei Endscheiben (28), zumindest teilweise an die Rotorpole (16) angrenzend angeordnet, wobei jede Endscheibe (28) Auflageflächen (30) für zumindest eine Spule (52) des Rotors (10) umfasst, und wobei jede Endscheibe (28) zumindest eine gegenüber den Auflageflächen (30) in axialer Richtung sich zu der jeweils anderen Endscheibe (28) annähernde Vertiefung (40) aufweist.
2. Rotorpaket (12) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass eine Flächennormale der Vertiefung (40) im Wesentlichen in axialer Richtung orientiert ist.
3. Rotorpaket (12) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jede Endscheibe (28) für jeden Rotorpol (16) eine zugeordnete Vertiefung (40) umfasst.
4. Rotorpaket (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflageflächen (30) jeder Endscheibe (28) zwei zusammenwirkende Flächenabschnitte (32, 34) aufweisen, die derart ausgebildet sind, dass die Spule (52) jeweils aus einer axialen Längserstreckungsrichtung in eine dazu senkrechte Erstreckungsrichtung umlenkbar ist, und wobei die Vertiefung (40) zwischen den zusammenwirkenden Flächenabschnitte (32, 34) ausgebildet ist.
5. Rotorpaket (12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Endscheibe (28) eine in axialer Richtung von dem Rotorkern (14) und den Rotorpolen (16) wegweisende Grundfläche (42) aufweist und jede Endscheibe (28) zwischen der jeweiligen Grundfläche (42) und der jeweiligen Vertiefung (40) zumindest einen Zuflusskanal (44) umfasst.
6. Rotor (10) mit einem Rotorpaket (12) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (10) zumindest eine Spule (52) umfasst, die auf den Auflageflächen (30) der Endscheiben (28) angeordnet ist, und wobei durch die Vertiefung (40) zwischen der Endscheibe (28) und der Spule (52) ein Reservoir ausgebildet wird.
7. Rotor (10) nach Anspruch 6 soweit umfassend ein Rotorpaket (12) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Querschnittsfläche (A1 ) der Vertiefung (40) in radialer Richtung im Wesentlichen mit einer Querschnittsfläche (A2) des Zuflusskanals (44) in axialer Richtung übereinstimmt.
8. Rotor (10) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (10) eine Vergussmasse (64) umfasst, die zumindest im Bereich der Vertiefung (40) in axial gegenüberliegenden Richtungen zumindest teilweise angrenzend an die Spule (52) angeordnet ist.
9. Elektrische Maschine (70) mit einem Rotor (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 8.
10. Verfahren (74) zum Herstellen eines Rotors (10) für eine elektrische Maschine (70) mittels der folgenden Schritte:
- Bereitstellen eines Rotorpakets (12) welcher eine Längsachse, eine erste Stirnseite (51 A) entlang einer ersten axialen Richtung und eine der ersten Stirnseite (51 A) gegenüberliegende zweite Stirnseite (51 B) entlang einer der ersten axialen Richtung gegenüberliegenden zweiten axialen Richtung, einen Rotorkern (14), mehrere in Umfangsrichtung angeordnete, sich von dem Rotorkern (14) in radialer Richtung erstreckende Rotorpole (16) und zwei Endscheiben (28), zumindest teilweise an die Rotorpole (16) angrenzend angeordnet umfasst, wobei jede Endscheibe (28) Auflageflächen (30) für zumindest eine Spule (52) des Rotors (10) umfasst, und wobei jede Endscheibe (28) zumindest eine gegenüber den Auflageflächen (30) in axialer Richtung sich zu der jeweils anderen Endscheibe (28) annähernde Vertiefung (40) aufweist,
- Aufbringen eines Vergussmaterials (66), wobei die Spule (52) zumindest im Bereich der Vertiefung (40) ausgehend von axial gegenüberliegenden Oberflächen der Spule (52) mit dem Vergussmaterial (66) vergossen wird.
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