DE102018118759A1

DE102018118759A1 - Rotor einer elektrischen Maschine, insbesondere einer Klauenpolmaschine

Info

Publication number: DE102018118759A1
Application number: DE102018118759.9A
Authority: DE
Inventors: Benjamin Klein; Bernd Schroeder; Andreas Hoch
Original assignee: SEG Automotive Germany GmbH
Current assignee: SEG Automotive Germany GmbH
Priority date: 2018-08-02
Filing date: 2018-08-02
Publication date: 2020-02-06
Also published as: US20200044520A1; CN110797724A

Abstract

Ein Rotor einer elektrischen Maschine, insbesondere einer Klauenpolmaschine, weist eine Schleifringanordnung mit zwei auf der Rotorwelle angeordneten Schleifringen auf, wobei die Schleifringe auf eine Isolierhülse aufgesetzt sind, die elektrisch isolierend ausgebildet ist und unmittelbar auf der Rotorwelle aufsitzt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Rotor einer elektrischen Maschine, insbesondere einer Klauenpolmaschine, mit einer Schleifringanordnung, die zwei auf der Rotorwelle des Rotors angeordnete Schleifringe umfasst, welche über jeweils eine Stromschiene mit dem Wicklungsdraht einer Rotorwicklung verbunden sind.
Stand der Technik
Aus der DE 38 38 436 A1 ist eine Klauenpolmaschine bekannt, deren Rotor eine Schleifringanordnung aufweist, über die ein Erregerstrom auf eine Erregerwicklung des Rotors übertragbar ist. Die Schleifringanordnung umfasst zwei axial benachbarte Schleifringe, die auf der Rotorwelle angeordnet sind und an denen Bürsten in Schleifkontakt stehen. Die Schleifringe sind über jeweils eine Stromschiene mit den Enden der Erregerwicklung verbunden.
Offenbarung der Erfindung
Der erfindungsgemäße Rotor kann in elektrischen Maschinen wie beispielsweise Klauenpolmaschinen eingesetzt werden, die z.B. in Fahrzeugen in Boost-Rekuperations-Systemen verwendet werden. Der Rotor der elektrischen Maschine weist eine Schleifringanordnung auf, mit der ein elektrischer Erregerstrom auf eine Erreger- bzw. Rotorwicklung im Rotor übertragen wird. Die Schleifringanordnung umfasst zwei auf der Rotorwelle des Rotors angeordnete Schleifringe, die jeweils mit einem Wicklungsdrahtende der Rotorwicklung verbunden sind. Die Stromübertragung von den Schleifringen zur Rotorwicklung erfolgt mithilfe von Stromschienen. An den Schleifringen liegen stromführende bzw. -leitende Bürsten in Kontakt, die im Gehäuse der elektrischen Maschine gelagert sind.
Die Schleifringanordnung umfasst eine Isolierhülse, auf die die beiden Schleifringe aufgesetzt sind. Die Schleifringe befinden sich axial nebeneinanderliegend auf der Isolierhülse, die elektrisch isolierend ausgebildet ist, um einen Stromfluss zwischen den Schleifringen bzw. zwischen den Schleifringen und der Rotorwelle zu verhindern. Die Isolierhülse sitzt unmittelbar auf der Rotorwelle auf.
Diese Ausführung hat den Vorteil, dass die Verlustwärme, welche im Bereich der Schleifringanordnung entsteht, effizient über die Rotorwelle abgeleitet werden kann. Die Verlustwärme wird von den Schleifringen über die Isolierhülse auf die Rotorwelle übertragen und kann, im Fall einer Ausführung der elektrischen Maschine als Klauenpolmaschine, über die Klauenpole und ggf. in der elektrischen Maschine vorhandene Lüfter abgeführt werden. Aufgrund des unmittelbaren Kontaktes zwischen der Isolierhülse und der Rotorwelle wird der Wärmeübergang von den Schleifringen zur Isolierhülse und weiter zur Rotorwelle verbessert. Die Isolierhülse besteht vorteilhafterweise aus einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, um den Wärmetransport von den Schleifringen zur Rotorwelle zu verbessern und zu unterstützen.
Im Unterschied zu Ausführungen aus dem Stand der Technik liegt zwischen den Schleifringen und der Rotorwelle kein Kunststoffbauteil, sondern lediglich die Isolierhülse, die aus einem wärmeleitenden Material gefertigt ist, um die gewünschte effiziente Wärmeableitung zu gewährleisten. Die Isolierhülse wirkt lediglich elektrisch isolierend, zugleich jedoch wärmeleitend und besitzt insbesondere eine höhere Wärmeleitfähigkeit als Kunststoffmaterial.
Vorteilhaft ist es außerdem, dass die Rotorwelle aufgrund des Wegfallens eines Kunststoffbauteils, welches bei Ausführungen im Stand der Technik die Schleifringe aufnimmt, in demjenigen Wellenabschnitt, welcher die Schleifringanordnung aufnimmt, mit einem größeren Durchmesser versehen sein kann. Die Isolierhülse kann verhältnismäßig dünnwandig ausgeführt sein, so dass bei unverändertem radialem Platzbedarf der Wellendurchmesser vergrößert werden kann. Dies verbessert einerseits die Stabilität, andererseits besteht aufgrund des größeren Wellendurchmessers eine größere Kontaktfläche zwischen Kunststoffhülse und Rotorwelle, wodurch die Wärmeableitung weiter verbessert ist.
Die Stromschienen sind mit jeweils einem Wicklungsdrahtende der Rotorwicklung verbunden. Es kann vorteilhaft sein, zwischen den Stromschienen und den Schleifringen eine Kontaktfahne anzuordnen, welche einenends mit der Stromschiene und anderenends mit einem der Schleifringe verbunden ist. Die Schleifringe liegen axial - bezogen auf die Längsachse der Rotorwelle - hintereinander, wobei die Stromschiene für den axial von der Rotorwicklung weiter entfernt liegenden Schleifring durch den davorliegenden Schleifring hindurchgeführt sein kann. Vorteilhafterweise ist hierfür in die Rotorwelle eine Längsnut eingebracht, in der die Kontaktfahne geführt ist.
Gemäß noch einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist in die Wand der Isolierhülse ein axial verlaufender Schlitz eingebracht, in den eine der Kontaktfahnen hineinragt. Der Schlitz in der Isolierhülse ermöglicht es, dass beide Schleifringe auf der Isolierhülse aufsitzen und die elektrische Kontaktierung der Schleifringe innerhalb des Schleifringdurchmessers erfolgt. Insbesondere in der Ausführung mit Kontaktfahnen kann diejenige Kontaktfahne, welche mit dem weiter von der Rotorwicklung entfernt liegenden Schleifring verbunden ist, zur Kontaktierung dieses Schleifrings durch den Schlitz hindurchgeführt werden. Der Schlitz ist vorzugsweise axial kürzer als die Isolierhülse ausgebildet und erstreckt sich bis zu einer axialen Stirnseite der Isolierhülse, wobei der Schlitz axial auf Abstand zur gegenüberliegenden Stirnseite der Isolierhülse liegt.
Gemäß noch einer weiteren vorteilhaften Ausführung ist die Isolierhülse mit einer verhältnismäßig geringen Wandstärke von maximal 1 mm ausgebildet, wobei ggf. auch eine Wandstärke von maximal 0.5 mm ausreichend sein kann. Diese geringe Wandstärke der Isolierhülse erlaubt es, bei unveränderten Außendimensionen Rotorwellen mit größeren Durchmessern im Bereich der Schleifringanordnung einzusetzen.
Gemäß noch einer weiteren vorteilhaften Ausführung weist die Isolierhülse eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 2 W/mK auf. Es kann ggf. vorteilhaft sein, Isolierhülsen aus einem Werkstoffmaterial zu fertigen, das noch eine signifikant höhere Wärmeleitfähigkeit aufweist, ggf. eine Wärmeleitfähigkeit besser als Stahl. Beispielsweise kann die Wärmeleitfähigkeit mindestens 170 W/mK betragen. Gegebenenfalls kann es vorteilhaft sein, die Wandstärke der Isolierhülse bei sehr hohen Wärmeleitfähigkeiten höher auszubilden, beispielsweise eine Wandstärke für die Isolierhülse in der Größenordnung bis 2 mm vorzusehen.
Gemäß noch einer weiteren vorteilhaften Ausführung weist das Werkstoffmaterial der Isolierhülse eine hohe thermische Belastbarkeit auf, die insbesondere höher ist als die thermische Belastbarkeit einer Kunststoffumspritzung der Schleifringanordnung, wodurch ein Schmelzen oder eine wärmebedingte Erweichung der Isolierhülse bei hoher thermischer Belastung verhindert wird.
Bei dem Werkstoff der Isolierhülse handelt es sich beispielsweise um ein Polymer oder um ein Keramikmaterial.
Gemäß noch einer weiteren vorteilhaften Ausführung weist die Rotorwelle mindestens eine sich in Achslängsrichtung erstreckende Längsnut, ggf. zwei über den Umfang der Rotorwelle verteilt angeordnete Längsnuten auf, die zur Aufnahme einer elektrischen Kontaktierung der Schleifringe dienen. In die Längsnuten kann ein Kunststoffmaterial eingebracht sein, mit dem die elektrische Kontaktierung umspritzt ist, um einen Kurzschluss zwischen der elektrischen Kontaktierung und der Rotorwelle zu verhindern. Im Fall von zwei Längsnuten befinden sich diese beispielsweise um 180° versetzt an der Rotorwelle und können, in der Ausführung der elektrischen Kontaktierung als Kontaktfahne, die Kontaktfahnen für die Schleifringe aufnehmen.
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht einer elektrischen Maschine, die beispielsweise als Boost-Rekuperations-Maschine in einem Kraftfahrzeug eingesetzt wird,
2 einen Schnitt längs durch die Maschine gemäß 1 im Bereich einer Schleifringanordnung,
3 die Schleifringanordnung im Schnitt in Einzeldarstellung,
4 eine perspektivische Ansicht der Schleifringe der Schleifringanordnung einschließlich der elektrischen Kontaktierung und einer teilweise geschlitzten Isolierhülse,
5 die Schleifringe mit montierter Isolierhülse,
6 die Schleifringanordnung einschließlich einer Kunststoffumspritzung,
7 eine Rotorwelle, die zur Aufnahme der Schleifringanordnung ausgebildet ist.

In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Die in 1 und ausschnittsweise in 2 dargestellte elektrische Maschine 1 kann beispielsweise als Boost-Rekuperations-Maschine in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden und ist als Klauenpolmaschine ausgeführt. Die elektrische Maschine 1 weist einen Maschinenteil 10 auf, welcher den Elektromotor bzw. Generator enthält und einen Stator bzw. Ständer 11 sowie einen innenliegenden Rotor 12 (2) umfasst. Des Weiteren gehört zur elektrischen Maschine 1 eine Bürstenhalterung 20 zur Stromübertragung auf eine Rotorwicklung des Elektromotors und eine Leistungselektronik 30 an der Stirnseite der elektrischen Maschine 1. Zwischen dem Maschinenteil 10 und der Leistungselektronik 30 befindet sich eine Anschlussplatte 40, welche die Phasen des Ständers 11 mit der Leistungselektronik 30 verbindet. Außerdem dient die Anschlussplatte 40 zur Aufnahme der Bürstenhalterung 20.
Der Ständer 11 des Maschinenteils 10 ist zwischen Lagerschilden 101 und 102 aufgenommen, welche ein Gehäuse bilden. Der Ständer 11 umfasst ein Lamellenpaket und eine im Lamellenpaket aufgenommene Ständerwicklung. Die Lagerschilde 101 und 102 nehmen zusätzlich Kugellager auf, in denen der Rotor 12 mit der Rotorwelle 121 drehbar gelagert ist.
Die Stromübertragung auf die Rotorwicklung des Rotors 12 erfolgt über eine Schleifringanordnung 50 und die Bürstenhalterung 20 mit Bürsten 21 und 22. Die Schleifringanordnung 50 umfasst zwei hülsenförmige Schleifringe 51 und 52, die axial nebeneinanderliegend drehfest auf der Rotorwelle 121 aufsitzen, sowie Stromschienen 53 und 54 und Kontaktfahnen 55 und 56. Der erste Schleifring 51, welcher näher an der Rotorwicklung angeordnet ist, ist über die Stromschiene 53 und die Kontaktfahne 55 mit einem Ende 57 des Wicklungsdrahts der Rotorwicklung verbunden. Hierbei kontaktiert ein Ende der Stromschiene 53 das Wicklungsdrahtende 57, wohingegen das andere Ende der Stromschiene 53 mit der Kontaktfahne 55 verbunden ist, deren gegenüberliegendes Ende mit dem Schleifring 51 verbunden ist. In entsprechender Weise ist der zweite Schleifring 52, welcher axial weiter entfernt von der Rotorwicklung angeordnet ist, über die Stromschiene 54 und die Kontaktfahne 56 mit dem zweiten Wicklungsdrahtende 58 der Rotorwicklung verbunden. An den Schleifringen 51 und 52 liegen die Bürsten 21 und 22 auf Kontakt, die in der gehäuseseitigen Bürstenhalterung 20 geführt sind.
Wie in 2 in Verbindung mit den 3 bis 5 dargestellt ist, umfasst die Schleifringanordnung 50 außerdem eine Isolierhülse 59, die aus einem elektrisch isolierenden Material besteht, jedoch eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Als Material für die Isolierhülse 59 kommt beispielsweise ein Polymer oder ein Keramikmaterial in Betracht. Die Isolierhülse 59 ist unmittelbar auf die Rotorwelle 121 aufgeschoben und drehfest mit der Rotorwelle 121 verbunden und steht in direktem Kontakt mit der Mantelfläche der Rotorwelle 121. Die beiden Schleifringe 51 und 52, die axial zueinander beabstandet sind, sitzen beide unmittelbar auf der Außenseite der Isolierhülse 59 auf und sind drehfest mit der Isolierhülse verbunden. Die Isolierhülse 59 besitzt nur eine verhältnismäßig geringe Wandstärke von beispielsweise maximal 0.5 mm oder 1 mm und eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 2 W/mK, wobei ggf. auch eine signifikant höhere Wärmeleitfähigkeit möglich ist, beispielsweise eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 50 W/mK, mindestens 100 W/mK oder noch höher. Diese hohe Wärmeleitfähigkeit ermöglicht eine effiziente Wärmeabfuhr der in der Schleifringanordnung 50 entstehenden Wärme über die Rotorwelle 121. Der Wellenabschnitt der Rotorwelle 121, der Träger der Schleifringanordnung 50 mit der Isolierhülse 59 ist, kann aufgrund der dünnwandigen Ausführung der Isolierhülse 59 einen verhältnismäßig großen Außendurchmesser aufweisen, ohne dass der Gesamtdurchmesser von Rotorwelle 121 und Schleifringanordnung 50 im Vergleich zu Ausführungen aus dem Stand der Technik zunimmt.
In die Isolierhülse 59 ist ein sich in Achslängsrichtung erstreckender Schlitz 60 eingebracht, der sich axial nur über eine Teillänge der Isolierhülse 59 erstreckt und randseitig zu einer Stirnseite der Isolierhülse hin offen ausgebildet ist. Der Schlitz 60 in der Isolierhülse 59 erlaubt es, dass die Kontaktfahne 56, welche dem Schleifring 52 zugeordnet ist, durch den Innenraum beider Schleifringe 51, 52 hindurchgeführt wird und bei eingeschobener Isolierhülse 59 durch den Schlitz 60 radial hindurchgeführt wird, um die Kontaktierung mit dem Schleifring 52 herzustellen.
Auch der weitere Schleifring 51 wird an seiner Innenseite von der zugeordneten Kontaktfahne 55 kontaktiert.
Wie 6 zu entnehmen, weist die Schleifringanordnung 50 außerdem eine Kunststoffumspritzung 61 auf, mit der insbesondere die Stromschienen 53 und 54 umspritzt sind. Im montierten Zustand liegen die Stromschienen 53 und 54 in Längsnuten 62 und 63 (2, 7), die auf gegenüberliegenden Seiten in denjenigen Abschnitt der Rotorwelle 121 eingebracht sind, der Träger der Schleifringanordnung 50 ist. Die Längsnuten 62 und 63 erstrecken sich über den die Schleifringanordnung 50 tragenden Abschnitt der Rotorwelle 121 hinaus und bis zu den Wicklungsdrahtenden der Rotorwicklung. Die Stromschienen 53 und 54 einschließlich der Kunststoffumspritzung 61 können gegebenenfalls in Radialrichtung vollständig in den Längsnuten 62 und 63 aufgenommen sein oder über die Längsnuten 62 und 63 radial hinausragen.
Die Kunststoffumspritzung 61 der Stromschienen 53 und 54 stellt die elektrische Isolierung der Stromschienen von der Rotorwelle 121 sicher.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3838436 A1 [0002]

Claims

Rotor einer elektrischen Maschine (1), insbesondere einer Klauenpolmaschine, mit einer Schleifringanordnung (50) mit zwei auf der Rotorwelle (121) des Rotors (12) angeordneten Schleifringen (51, 52), die über jeweils eine Stromschiene (53, 54) mit einem Wicklungsdraht einer Rotorwicklung verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Schleifringe (51, 52) auf eine Isolierhülse (59) aufgesetzt sind, die elektrisch isolierend ausgebildet ist und unmittelbar auf der Rotorwelle (121) aufsitzt.
Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Stromschienen (53, 54) und den Schleifringen (51, 52) jeweils eine Kontaktfahne (55, 56) liegt und die Kontaktfahnen (55, 56) mit den Schleifringen (51, 52) verbunden sind.
Rotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in die Wand der Isolierhülse (59) ein Schlitz (60) eingebracht ist, in den eine Kontaktfahne (56) hineinragt.
Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierhülse (59) eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens 2 W/mK aufweist.
Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolierhülse (59) eine Wandstärke von maximal 1 mm aufweist.
Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff der Isolierhülse (59) ein Polymer oder ein Keramikmaterial ist.
Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in die Rotorwelle (121) in dem die Schleifringe (51, 52) aufnehmenden Wellenabschnitt mindestens eine sich in Achslängsrichtung erstreckende Längsnut (62, 63) zur Aufnahme der elektrischen Kontaktierung eines Schleifrings (51, 52) eingebracht ist.
Rotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass in die Rotorwelle (121) zwei zueinander beabstandete Längsnuten (62, 63) zur Aufnahme jeweils einer elektrischen Kontaktierung der Schleifringe (51, 52) eingebracht sind.
Rotor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass in den Längsnuten (62, 63) Kunststoffmaterial aufgenommen ist, mit dem die Stromschiene (53, 54) und/oder die Kontaktfahne (55, 56) zumindest teilweise umspritzt ist.
Elektrische Maschine, insbesondere Klauenpolmaschine, mit einem Rotor (12) nach Anspruch 9.