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Die Erfindung bezieht sich auf einen elektrisch erregbaren Rotor einer elektrischen Maschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Stand der Technik
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In der
DE 103 24 619 A1 wird eine Klauenpolmaschine beschrieben, deren Rotor eine Welle mit einem Polkern, Klauenpolen und einer auf den Polkern gewickelten Spule aufweist, die axial von den Klauenpolen begrenzt ist. Die elektromagnetische Erregung des Läufers wird über einen Feldregler eingestellt, der über Bürsten Schleifringe auf der Welle kontaktiert, welche mit der Spule elektrisch verbunden sind. Der Feldregler wird üblicherweise mit einem PWM-Signal betrieben, wobei sich je nach Tastverhältnis ein entsprechender Erregerstrom einstellt.
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Aufgrund des getakteten Betriebs der Erregerwicklung mit der Pulsweitenmodulation kann sich auf der Rotorwelle eine Spannungsdifferenz zur Masse ausbilden. Hierbei besteht die Gefahr, dass die statische Aufladung des Rotors über eine Lagerstelle der Rotorwelle in Form eines Stromimpulses entladen wird. Der Stromimpuls kann bei jedem Schaltvorgang des Feldreglers auftreten und stellt eine erhöhte Belastung der Lagerung dar.
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Darüber hinaus ist es bekannt, auf einem Rotor zwei radial aufeinanderliegende, separate Wicklungen anzuordnen, beispielsweise aus der
JP 02243468 A .
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Rotor kann in einer elektrischen Maschine eingesetzt werden, bei der es sich insbesondere um eine Schenkelpolmaschine, vorzugsweise eine Klauenpolmaschine handelt. Der Rotor ist in einem Gehäuse der elektrischen Maschine drehbar gelagert aufgenommen und weist auf einer umlaufenden Rotorwelle einen Polkern auf, der entweder auf der Rotorwelle hülsenförmig aufsitzt oder von den Klauen bzw. Schenkeln gebildet ist, die drehfest auf der Rotorwelle angeordnet sind. Der Rotor umfasst außerdem mindestens zwei auf den Polkern gewickelte Spulen, die vorzugsweise über Schleifringe auf der Rotorwelle elektrisch erregt werden.
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Von den mindestens zwei Spulen füllt eine Spule den Spulenaufnahmeraum, der radial nach innen von dem Polkern begrenzt ist, in Achsrichtung vollständig aus. Im Spulenaufnahmeraum ist der Wicklungsdraht dieser Spule in der ersten Wicklungslage Windung an Windung auf den Spulenkern gewickelt, so dass der Polkern vom Wicklungsdraht der Spule vollständig in Achsrichtung bedeckt ist. Die zweite Spule und gegebenenfalls weitere Spulen sind radial auf die erste Spule gewickelt, diese Spulen weisen aber keinen unmittelbaren Kontakt zum Polkern auf. Die Begriffe „Achsrichtung“ und „Radialrichtung“ beziehen sich auf die Längsachse des Rotors bzw. radial hierzu.
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Die Spulen auf dem Polkern sind separat voneinander ausgebildet, jedoch in einer Reihenschaltung über einen Verbindungsdraht miteinander verbunden. Die Verbindung erfolgt in der Weise, dass mithilfe des Verbindungsdrahts mehrere Radialwicklungslagen und/oder axial aufeinanderfolgende Windungen einer Spule, insbesondere der an die Betriebsspannung angelegten Spule überbrückt werden.
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Auf der Rotorwelle kann sich durch den Betrieb der erregten Spulen eine Spannungsdifferenz zur Masse ausbilden. Diese Spannungsdifferenz besteht gegenüber gehäuseseitigen Kugellagern, in denen die Rotorwelle drehbar aufgenommen ist. Ursache der Spannungsdifferenz ist eine statische Aufladung des Rotors, die von der Nennspannung der elektrischen Maschine abhängt, wobei mit höherer Nennspannung auch die elektrische Aufladung der Rotormasse zunimmt.
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In den Kugellagern wird üblicherweise über ein hochohmiges Kugellagerfett ein kontinuierlicher Potenzialausgleich gehemmt. Es kann jedoch temporär zu einem Versagen der Isolationswirkung des Kugellagerfettes kommen, so dass über den dann vorliegenden, niedrigen Innenwiderstand ein Stromimpuls durch das Kugellager auftreten kann. Bei der erfindungsgemäßen Ausführung des Rotors wird die Spannung auf der Rotorwelle signifikant verringert, so dass auch etwaige Stromimpulse zum Potenzialausgleich durch das Kugellager der Rotorwelle in der Höhe verringert oder gegebenenfalls vollständig verhindert werden.
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Die geringere statische Aufladung der Rotorwelle wird über die Verwendung von mindestens zwei Spulen auf dem Polkern und die Überbrückung mehrerer Wicklungslagen und/oder axial aufeinanderfolgenden Windungen einer Spule über den Verbindungsdraht erreicht. Aufgrund der Überbrückung der Wicklungslagen und/oder axial aufeinanderfolgenden Windungen verschiebt sich der Spulenbereich mit hohem Potential ins Gesamtwicklungszentrum, wodurch sich an der Rotorwelle ein niedrigeres Spannungspotenzial einstellt. Dementsprechend ist auch die Gefahr einer Spannungsentladung und eines entsprechenden Stromimpulses durch das Kugellager der Rotorwelle signifikant herabgesetzt.
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Vorteilhafterweise werden genau zwei Spulen im Rotor für die elektrische Erregung verwendet. Der Verbindungsdraht verbindet das Wicklungsende der ersten Spule mit dem Wicklungsanfang der zweiten Spule. Es kann aber auch zweckmäßig sein, mehr als zwei Spulen, beispielsweise drei Spulen einzusetzen, wobei in diesem Fall zwei Verbindungsdrähte eingesetzt werden, um jeweils das Spulenende einer Spule mit dem Spulenanfang der nächsten Spule zu verbinden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführung werden von dem Verbindungsdraht sämtliche radialen Wicklungslagen einer Spule überbrückt. Zusätzlich oder alternativ kann es zweckmäßig sein, sämtliche axial aufeinanderfolgenden Windungen der Spule mithilfe des Verbindungsdrahtes zur Verbindung mit der nächsten Spule zu überbrücken. Auf diese Weise ist eine größtmögliche Reduzierung des statischen Spannungspotenzials gewährleistet.
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Die Erregung der Spulen erfolgt insbesondere in der Ausführung der elektrischen Maschine, in die der Rotor eingesetzt ist, als Schenkel- oder Klauenpolmaschine, über ein PWM-Signal (Pulsweitenmodulation) eines Feldreglers mit einer Nennspannung. Durch den getakteten Betrieb kann sich auf der Rotorwelle eine Spannungsdifferenz zur Masse ausbilden, die jedoch mittels der mindestens zwei Spulen auf dem Polkern und der genannten Verbindung mit dem Verbindungsdraht signifikant reduziert wird.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführung ist der Wicklungsanfang der ersten Spule, an dem die Betriebsspannung anliegt, in Radialrichtung benachbart zum Übergang zwischen zwei Spulen angeordnet. Der Wicklungsanfang der ersten Spule befindet sich somit radial auf Abstand sowohl zum Polkern als auch zur äußeren Wicklungslage der Gesamtwicklung.
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Die Einleitung der Betriebsspannung erfolgt vorteilhafterweise an der radial innen liegenden Spule, die den Spulenaufnahmeraum unmittelbar am Polkern in Achsrichtung vollständig ausfüllt. Grundsätzlich ist aber auch eine Einleitung der Betriebsspannung an der radial außen liegenden Spule möglich. In beiden Fällen wird vorteilhafterweise der Wicklungsdraht der ersten Spule, an die die Betriebsspannung angelegt wird, über sämtliche axial aufeinanderfolgenden Windungen und Radialwicklungslagen vom Strom durchflossen und das gegenüberliegende Wicklungsende dieser Spule über den Verbindungsdraht mit der zweiten Spule verbunden, wobei vorzugsweise sämtliche radiale Wicklungslagen und/oder sämtliche axial aufeinanderfolgenden Windungen der ersten Spule überbrückt werden.
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Gemäß noch einer weiteren zweckmäßigen Ausführung besitzen mindestens zwei Spulen eine unterschiedliche Anzahl an radialen Wicklungslagen. Beispielsweise kann es zweckmäßig sein, im Fall von zwei Spulen auf dem Rotor diese beiden Spulen mit der gleichen Anzahl axial aufeinanderfolgenden Windungen, jedoch mit einer unterschiedlichen radialen Wicklungslagenzahl zu versehen. Die größere Spule kann beispielsweise 30 %, 50 %, 100 % oder mehr als 100 % mehr radiale Wicklungslagen als die kleinere Spule aufweisen.
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In einer weiteren Ausführungsvariante sind insgesamt drei Spulen auf dem Polkern angeordnet. Von diesen drei Spulen bedeckt vorteilhafterweise nur eine Spule, nämlich die radial innen liegende Spule, im Spulenaufnahmeraum den Polkern in Achsrichtung vollständig, wohingegen die zwei weiteren Spulen, die auf die innen liegende Spule gewickelt sind, den Spulenaufnahmeraum in Achsrichtung jeweils nur teilweise ausfüllen. Gemäß weiterer vorteilhafter Ausführung besitzt die erste Spule, die unmittelbar auf den Polkern gewickelt ist, zwei Spulenabschnitte mit einer unterschiedlichen Anzahl radialer Wicklungslagen, wobei die beiden weiteren Spulen auf dem Abschnitt mit geringerer Anzahl radialer Wicklungslagen gewickelt sind. Somit liegen alle drei Spulen zumindest abschnittsweise in Achsrichtung nebeneinander im Spulenaufnahmeraum.
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Die Betriebsspannung wird insbesondere an eine der Spulen angelegt, die auf die erste Spule, welche sich unmittelbar auf dem Polkern befindet, aufgewickelt ist. Der Verbindungsdraht überbrückt am Wicklungsende der Spule die axial aufeinanderfolgenden Windungen dieser Spule, um die Verbindung zum Wicklungsanfang der nächsten Spule herzustellen. Ein zweiter Verbindungsdraht befindet sich am Wicklungsende der nächsten Spule zum Wicklungsanfang der darauf folgenden Spule, bei der es sich vorteilhafterweise um die unmittelbar auf den Polkern gewickelte Spule handelt.
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Die elektrische Maschine kann in Fahrzeugen eingesetzt werden, zum Beispiel als Boost-Rekuperations-Maschine (BRM) zur Umwandlung von mechanischer Energie in elektrische Energie und umgekehrt.
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Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 einen Schnitt durch einen elektrisch erregbaren Rotor einer Klauenpolmaschine, mit zwei radial aufeinander gewickelten Spulen in einem Spulenaufnahmeraum,
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2 eine vergrößerte Darstellung der Spulen im Spulenaufnahmeraum,
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3 eine schematische Darstellung der Spulen im Spulenaufnahmeraum mit eingezeichnetem Stromfluss zwischen den Spulen und einem Verbindungsdraht zwischen dem Wicklungsende der ersten Spule und dem Wicklungsanfang der zweiten Spule,
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4 eine 3 entsprechende Darstellung, jedoch in einer Ausführungsvariante der Spulen sowie der Bestromung der Spulen,
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5 eine weitere Ausführungsvariante mit insgesamt drei Spulen,
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6 ein Schaubild mit dem zeitabhängigen Verlauf des elektrischen Potenzials auf der Rotorwelle, eingetragen für den Stand der Technik (strichliert) und für die Erfindung (durchgezogene Linie).
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In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist ein elektrisch erregbarer Rotor 1 einer Klauenpolmaschine dargestellt, der auf einer Rotorwelle 2 über den Umfang verteilt mehrere, abwechselnd gegenläufig gerichtete Klauenfinger 3 aufweist. Die Klauenfinger 3 begrenzen axial und radial einen Spulenaufnahmeraum 4, in welchem sich zwei radial aufeinander gewickelte Spulen 5 und 6 befinden. An den Klauen ist ein Polkern 7 angeformt, der radial zwischen der Rotorwelle 2 und dem Spulenaufnahmeraum 4 liegt und den Spulenaufnahmeraum 4 radial nach innen begrenzt. Gegebenenfalls ist der Polkern 7 von einem separaten Bauteil gebildet, das auf der Rotorwelle 2 aufsitzt. Die Fingerabschnitte der Klauenfinger 3 übergreifen auf der radial außen liegenden Seite den Spulenaufnahmeraum 4.
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Die Spulen 5 und 6 sind in der Weise im Spulenaufnahmeraum 4 gewickelt, dass der Spulenaufnahmeraum 4 axial über seine gesamte Länge von der innen liegenden Spule 5 bedeckt ist und sich die außen liegende Spule 6 auf der radial außen liegenden Seite zumindest über die Hälfte des übergreifenden Fingerabschnittes unmittelbar entlang dieses Fingerabschnittes erstreckt. Die Spulen 5 und 6 sind gegenüber den Klauen elektrisch isoliert, indem beispielsweise als Isolator ein Papier zwischen Wicklung und Klauen bzw. Polkern gelegt ist. Die Isolationsfestigkeit kann gegebenenfalls durch eine Imprägnierung, zum Beispiel mittels Harz, weiter erhöht werden. Des Weiteren ist es möglich, zumindest an der radial außen liegenden Seite zum Fingerabschnitt der Klauenfinger einen Luftspalt zur Spule 6 vorzusehen.
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Die Rotorwelle 2 ist in zwei axial gegenüberliegenden Lagern in einem Gehäuse der Klauenpolmaschine drehbar gelagert aufgenommen, von denen in 1 das Lager 8 dargestellt ist. Benachbart zu diesem Lager 8 befinden sich zwei Schleifringe 9, 10, an denen zur Stromübertragung auf die Spulen 5 und 6 Bürsten anliegen. Die Schleifringe 9 und 10 liegen auf Masse bzw. werden mit der Betriebsspannung Ub beaufschlagt.
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Die Erregung der Spulen 5 und 6, die elektrisch in Reihe geschaltet sind, erfolgt über einen Feldregler, der vorzugsweise mit einem PWM-Signal (Pulsweitenmodulation) betrieben wird. Hierbei kann sich der Rotor elektrisch aufladen, wobei das Spannungspotenzial über die im Folgenden beschriebene Zusammenschaltung der beiden Spulen 5 und 6 signifikant verringert wird.
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In 2 ist der Spulenraum 4, der radial nach innen von dem Polkern 7 und axial sowie radial nach außen von dem Fingerabschnitt der Klauenfinger 3 begrenzt ist, mit den beiden radial aufeinander gewickelten Spulen 5 und 6 dargestellt, wobei 3 eine schematische Darstellung mit der elektrischen Zusammenschaltung der beiden Spulen 5, 6 zeigt. Die radial innen liegende Spule 5 füllt den Spulenaufnahmeraum 4 axial vollständig aus, dementsprechend ist der Spulenaufnahmeraum 4 über seine axiale Länge von unmittelbar aufeinanderfolgenden Windungen der Spulen 5 bedeckt. Auch die zweite, radial außen liegende Spule 6 erstreckt sich über die gesamte axiale Länge des Spulenaufnahmeraums 4.
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Die Spulen 5 und 6 unterscheiden sich aber im Hinblick auf die Anzahl radialer Wicklungslagen, wobei die innen liegende Spule 5 weniger Wicklungslagen aufweist als die außen liegende Spule 6. Im Ausführungsbeispiel beträgt die Anzahl radialer Wicklungslagen der innen liegenden Spule 5 nicht mehr als 50 % der Anzahl der radialen Wicklungslagen der außen liegenden Spule 6. Die außen liegende Spule 6 ist auf ihrer radial außen liegenden Seite in der Weise gewickelt, dass der übergreifende Fingerabschnitt des Klauenfingers 3 auf seiner innen liegenden Seite über mindestens die Hälfte seiner Länge unmittelbar benachbart zu dem Wicklungsdraht der Spule 6 liegt. In 2 ist eine Trennlinie 11 angedeutet, bis zu der sich die innen liegende Spule 5 radial nach außen erstreckt bzw. die außen liegende Spule 6 beginnt.
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In 3 ist die Zusammenschaltung der beiden Spulen 5 und 6 über einen Verbindungsdraht 12 und die Beaufschlagung mit der Betriebsspannung Ub dargestellt. Die Betriebsspannung Ub wird in den Wicklungsdraht der außen liegenden Spule 6 benachbart zur Trennlinie 11 eingeleitet. Hierzu wird der Wicklungsdraht der Spule 6 elektrisch mit dem auf Betriebsspannung Ub gelegten Schleifring verbunden. Vorteilhafterweise wird der Wicklungsdraht einer unmittelbar an der Trennlinie 11 – benachbart zur innen liegenden Spule 5 – liegenden Wicklungslage mit der Betriebsspannung Ub beaufschlagt. Der Stromfluss durch die beiden Spulen 5 und 6 ist in 3 mit den eingezeichneten Pfeilen dargestellt.
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Am Wicklungsende der außen liegenden Spule 6, das sich an der radial außen liegenden Seite axial etwa in der Mitte und unmittelbar benachbart zu dem übergreifenden Fingerteil des Klauenfingers 3 befindet, verbindet der Verbindungsdraht 12 die Spule 6 mit der radial innen liegenden Spule 5, und zwar mit dem Wicklungsdraht der Spule 5 in einer Wicklungslage benachbart zur Trennlinie 11, also unmittelbar benachbart zur außen liegenden Spule 6. Der Masseanschluss (0 V) über eine Verbindung mit dem auf Masse gelegten Schleifring erfolgt über eine radial innen liegende Wicklungslage der innen liegenden Spule 5 auf der gleichen axialen Seite wie der Anschluss an die Betriebsspannung Ub und axial gegenüberliegend zu dem Verbindungsdraht 12.
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In 4 ist eine Ausführungsvariante dargestellt, bei der in dem Spulenaufnahmeraum 4 ebenfalls zwei Spulen 5 und 6 radial aufeinander gewickelt angeordnet sind. Die beiden Spulen 5 und 6 sind über den Verbindungsdraht 12 in Reihe geschaltet. Die Beaufschlagung mit der Betriebsspannung Ub erfolgt benachbart zur Trennlinie 11 zwischen den beiden Spulen 5 und 6, jedoch am Wicklungsdraht der radial innen liegenden Spule 5. Am axial gegenüberliegenden Ende und unmittelbar benachbart zum Polkern 7 wird der Wicklungsdraht der innen liegenden Spule 5 über den Verbindungsdraht 12 mit dem Wicklungsdraht der außen liegenden Spule 6 mit einer Wicklungslage benachbart zur Trennlinie 11 verbunden. Der Anschluss des Wicklungsdrahtes der außen liegenden Spule 6 an die Masse (0 V) erfolgt über einen Wicklungsdraht in der radial außen liegenden Wicklungslage.
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Die innen liegende Spule 5 weist eine höhere Anzahl radialer Wicklungslagen auf als die außen liegende Spule 6.
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Im Ausführungsbeispiel gemäß 5 sind insgesamt drei Spulen 5, 6 und 13 im Spulenaufnahmeraum angeordnet, die elektrisch in Reihe geschaltet sind. Die radial innen liegende Spule 5 besitzt einen ersten Spulenabschnitt mit einer verhältnismäßig geringen Anzahl an radialen Wicklungslagen, die sich über die gesamte axiale Länge des Spulenaufnahmeraums erstrecken. Außerdem weist die Spule 5 einen zweiten Wicklungsabschnitt mit einer höheren Anzahl an Wicklungslagen auf, die sich radial bis zum außen liegenden Ende der Spulen erstrecken. Der zweite Wicklungsabschnitt erstreckt sich nur über eine axiale Teillänge des Spulenaufnahmeraums.
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Die zweite Spule 6 sowie die dritte Spule 13 fügen sich in den verbliebenen axialen Aufnahmeraum ein, der radial nach innen von dem ersten Spulenabschnitt der Spule 5 mit nur geringer Wicklungslagenanzahl und axial von dem zweiten Spulenabschnitt der innen liegenden Spule 5 mit einer größeren Wicklungslagenanzahl begrenzt ist. Die zweite Spule 6 liegt unmittelbar an dem zweiten Spulenabschnitt der innen liegenden Spule 5 an und weist im Querschnitt die Form eines Trapezes auf, dessen kürzere Seite radial innen liegend und dessen längere Seite radial außen liegend angeordnet ist. An die zweite Spule 6 grenzt axial die dritte Spule 13 an, die radial nach innen ebenfalls von dem ersten Spulenabschnitt der innen liegenden Spule 5 mit geringer Wicklungslagenanzahl und axial seitlich von der zweiten Spule 6 begrenzt wird.
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Die Betriebsspannung Ub wird an die zweite Spule 6 im Bereich des an die erste Spule 5 angrenzenden Wicklungsdrahtes angelegt. Die Verbindung zur nächsten Spule 13 erfolgt über den Verbindungsdraht 12, der an der Spule 6 an einer radial außen liegenden Wicklungslage angreift und axial die Windungen der Spule 6 übergreift und die nächste Spule 13 ebenfalls an einer radial außen liegenden Wicklungslage unmittelbar benachbart zur Spule 6 kontaktiert.
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Über einen weiteren Verbindungsdraht 14 ist die Spule 13 mit der radial innen liegenden Spule 5 elektrisch verbunden. Der Verbindungsdraht 14 verbindet den Wicklungsdraht der Spule 13 an einer radial innen liegenden Wicklungslage, jedoch axial außen liegend mit dem Wicklungsdraht der Spule 5, der unmittelbar benachbart ist.
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Die Stromführung in der Spule 5 ist mit dem Pfeil 15 dargestellt. Ausgehend von der Verbindung über den Verbindungsdraht 14 erfolgt die Stromführung in der Spule 5 entlang der radialen Wicklungslage der Spule 5, die radial außen liegt und unmittelbar benachbart zu den weiteren Spulen 6 und 13 angeordnet ist. Von der radial am weitesten außen liegenden Wicklungslage erfolgt im weiteren Verlauf die Stromführung in der Spule 5 über die verschiedenen Wicklungslagen radial nach innen bis zum Massenschluss (0 V) auf der axial gegenüberliegenden Seite des Verbindungsdrahtes 14 und unmittelbar benachbart zum Polkern.
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In 6 ist zeitabhängig das Spannungspotenzial der Rotorwelle gegenüber der Maschinenmasse dargestellt. Das Spannungspotenzial 16 (gestrichelte Linie) entspricht dem Stand der Technik, das Spannungspotenzial 17 (durchgezogene Linie) demjenigen nach der Erfindung. Indem mindestens zwei Spulen im Spulenraum angeordnet sind, die mithilfe des Verbindungsdrahtes, der mehrere radiale Wicklungslagen bzw. axial aufeinanderfolgende Windungen einer Spule überbrückt, verbunden sind, wird eine erhebliche Reduzierung des Spannungspotenzials erreicht.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10324619 A1 [0002]
- JP 02243468 A [0004]