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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor, insbesondere für eine stromerregte oder fremderregte Synchronmaschine, sowie ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors.
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Rotoren der in Rede stehenden Art sind mit Leitermaterial, beispielsweise Kupferdraht, umwickelt. Die Leiterenden der so erzeugten Wicklungen müssen untereinander verschaltet werden. Ebenso müssen die Wicklungen zur Stromversorgung beispielsweise mit einem sogenannten Stromsammler elektrisch verbunden werden. Es hat sich herausgestellt, dass das Kontaktieren der Leiterenden nicht unproblematisch ist. So wirken auf den Rotor im Betrieb aufgrund der hohen Drehzahlen sehr hohe Kräfte. Crimpverbindungen in diesen Bereichen halten der Belastung oftmals nicht stand. Hinzu kommt, dass die Wicklungen zur mechanischen Stabilisierung üblicherweise mit einer Vergussmasse umgeben sind. Es kommt vor, dass in dieser beim Abkühlen oder auch erst später im Betrieb Risse entstehen. Breiten sich diese Risse zu den Leiterenden bzw. Anschlussdrähten hin aus, kann dies dazu führen, dass die Drähte an diesen Stellen reißen.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors sowie einen Rotor anzugeben, wobei insbesondere die elektrische Kontaktierung der Wicklung(en) optimiert werden soll.
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Diese Aufgabe wird durch einen Rotor gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren gemäß Anspruch 10 gelöst. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
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Erfindungsgemäß umfasst ein Rotor, insbesondere für eine stromerregte oder fremderregte elektrische Maschine, insbesondere eine Synchronmaschine, einen Rotorgrundkörper, welcher eine Vielzahl von Rotorzähnen aufweist oder ausbildet, wobei die Rotorzähne mit Leitermaterial zum Formen einer Wicklung umwickelt sind, wobei das Leitermaterial Leiterenden aufweist, auch Anschlussdrähte genannt, welche zur Herstellung einer elektrisch leitenden Verbindung über ein Kontaktelement axial gegen einen Anschlag verpresst sind, und wobei das Kontaktelement und der Anschlag ausgelegt sind, in Umfangsrichtung zumindest zwei Leiterenden elektrisch leitend zu verbinden. Mit Vorteil erlaubt das Verpressen der Leiterenden gegen einen Anschlag oder gegen ein Anschlagelement eine sichere und vor allem schonende elektrische Kontaktierung der Leiterenden. Insbesondere ist das Verpressen als ein formschlüssiges oder form- und kraftschlüssiges Anordnen des Kontaktelements an den Leiterenden zu verstehen, wobei über den Anschlag eine Abstützung und beispielsweise Lagefixierung der Leiterenden erfolgt.
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Bei dem Leitermaterial handelt es sich gemäß einer bevorzugten Ausführungsform um Kupferdraht, beispielsweise mit einem runden, insbesondere kreisrunden, Querschnitt. Die Leiterenden weisen beispielsweise eine Länge von einigen Millimetern bis wenigen Zentimetern auf, beispielsweise 5 mm bis 30 mm. Zweckmäßigerweise erfolgt das Verpressen der Leiterenden über diese ganze Länge, wobei durch die großflächige Krafteinleitung eine sehr schonende Kontaktierung ermöglicht wird. Die Krafteinleitung beim Verpressen erfolgt dabei zweckmäßigerweise entlang der Rotorachse, also in axialer Richtung des Rotors. Der Anschlag oder das Anschlagelement steht senkrecht oder im Wesentlichen senkrecht dazu. Das Kontaktelement ist ausgelegt, die Leiterenden bzw. Anschlussdrähte gegen den Anschlag zu drücken, insbesondere zu verpressen. Hierzu wird beispielsweise das Kontaktelement über die Rotorwelle in Richtung des Rotorgrundkörpers bewegt. Bei dem Rotorgrundkörper handelt es sich gemäß einer bevorzugten Ausführungsform um ein Rotorblechpaket, welches aus einer Vielzahl von Blechlamellen zu dem Rotorblechpaket paketiert ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Rotorgrundkörper bzw. das Rotorblechpaket zum Formen einer Ummantelung mit einer Vergussmasse umgeben. Die Vergussmasse formt hierbei zweckmäßigerweise eine Schicht oder Lage um das Rotorblechpakt herum, auf welcher das Leitermaterial angeordnet ist. Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, den Anschlag unmittelbar über die Vergussmasse, welche gemäß einer bevorzugten Ausführungsform im Spritzguss aufgebracht wird, auszubilden. Der Anschlag wird gemäß einer Ausführungsform durch eine ebene oder im Wesentlichen ebene Anschlagfläche gebildet, welche bevorzugt senkrecht zur Rotorachse orientiert ist. An dieser Stelle sei erwähnt, dass auch die vorgenannten Leiterenden oder Anschlussdrähte zweckmäßigerweise derart orientiert sind, dass sie im Wesentlichen senkrecht oder senkrecht zur Rotorachse stehen. Insbesondere stehen sie zusätzlich auch radial zur Rotorachse. Mit anderen Worten kann die Orientierung der Leiterenden auch als strahlförmig bezeichnet werden.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Kontaktelement oder der Anschlag zumindest ein Leiterelement, wodurch in Umfangsrichtung die elektrisch leitende Verbindung zwischen den zumindest zwei Leiterenden bereitgestellt werden kann. Bei dem zumindest einen Leiterelement kann es sich um eine Stromschiene oder ebenfalls um zumindest einen (Kupfer-)Draht handeln. Gemäß einer Ausführungsform ist das Leiterelement in die Ummantelung eingegossen. Alternativ ist das zumindest eine Leiterelement in das Kontaktelement eingegossen. Beim Verpressen erfolgt mit Vorteil eine formschlüssige oder form- und kraftschlüssige Kontaktierung des zumindest einen Leiterelements.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Kontaktelement aus einem Kunststoff hergestellt. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Kontaktelement eine ringförmige Ausgestaltung auf. Gemäß einer Ausführungsform weist das Kontaktelement einen Anordnungsbereich, beispielsweise in Form einer Nut auf, in welcher ein Leiterelement, ggf. auch mehrere, angeordnet werden kann oder können.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Kontaktelement durch ein Sicherungselement axial lagefixiert. Zusätzlich kann über das Sicherungselement auch eine Krafteinleitung zum Verpressen der Anschlussdrähte erfolgen. Zweckmäßigerweise ist zur Anordnung des Sicherungselements auf der Rotorwelle beispielsweise ein Eingriffsbereich, wie beispielsweise ein Gewinde, vorgesehen, welches zum Zusammenwirken mit dem Sicherungselement ausgelegt ist. Der Eingriffsbereich ist insbesondere vorgesehen und ausgelegt, über das Sicherungselement eine Krafteinleitung auf das Kontaktelement zu erzeugen. Zusätzlich oder alternativ ist es zweckmäßigerweise ausgelegt, eine Fixierung des Sicherungselements entlang der Rotorachse zu ermöglichen, wodurch in der Folge auch das Kontaktelement axial lagefixiert ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist auch das Sicherungselement aus einem Kunststoffmaterial gefertigt. Auch das Sicherungselement weist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eine ringförmige Ausgestaltung auf.
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Gemäß einer Ausführungsform weist das Kontaktelement oder der Anschlag eine Vielzahl von, insbesondere strahlförmig angeordneten, Taschen zur Anordnung und Positionierung der Leiterenden auf. Wie bereits erwähnt, sind auch die Leiterenden bzw. Anschlussdrähte zweckmäßigerweise entsprechend strahlförmig angeordnet. Die vorgenannten Taschen sind zweckmäßigerweise an die vorgenannte Orientierung der Leiterenden angepasst. Weisen die Leiterenden eine davon abweichende Orientierung auf, sind zweckmäßigerweise auch die Taschen anders ausgebildet/orientiert. Zweckmäßigerweise ermöglichen die Taschen eine sichere und spannungsfreie Positionierung bzw. Vorpositionierung der Leiterenden, insbesondere auch eine Fixierung. Die Leiterenden sind vorliegend mit Vorteil pressfixiert. Das Kontaktelement ermöglicht mit Vorteil nicht nur ein bloßes Kontaktieren, sondern auch eine Positionierung bzw. Fixierung der Leiterenden. Mit Vorteil erfolgt beim Anordnen des Kontaktelements ein Verpressen der Leiterenden in den Taschen.
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Gemäß einer Ausführungsform können die Taschen am Anschlag vorgesehen sein. Alternativ können die Taschen auch am Kontaktelement ausgebildet sein. Auch eine Kombination ist vorliegend denkbar.
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Mit Vorteil sind jeweils zumindest zwei der Taschen über ein Leiterelement verbunden. Somit kann in Umfangsrichtung die elektrisch leitende Verbindung zwischen zwei Taschen bzw. zwischen den darin angeordneten Leiterenden bereitgestellt werden. Die Kontaktierung der Leiterenden mit den Leiterelementen zur Stromleitung in Umfangsrichtung erfolgt bei der Anordnung des Kontaktelements bzw. beim Verpressen.
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Das Verpressen ist vorliegend dahingehend zu verstehen, dass die Leiterenden über eine axiale Krafteinleitung über das Kontaktelement gegen den Anschlag gedrückt werden. Hierbei erfolgt eine Kontaktierung der entweder in dem Anschlag oder in dem Kontaktelement vorhandenen Leiterelemente. Das Verpressen ist dahingehend zu verstehen, dass die Kontaktierung derart erfolgt, dass ein ausreichend großer Reibschluss erzeugt ist, welcher die Leiterenden und das zumindest eine Leiterelement zuverlässig zueinander fixiert. Um den Reibschluss noch zu erhöhen können das Kontaktelement und/oder der Anschlag und/oder die Taschen und/oder auch die Leiterenden beim Verpressen zumindest geringfügig plastisch verformt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform ist in zumindest einer Tasche bzw. sind in den Taschen, ein Zwischenelement bzw. Zwischenelemente angeordnet, welche ausgelegt sind, sich beim Verpressen zum Verbinden mit dem Leiterelement zu verformen. Bei den Zwischenelementen handelt es sich gemäß einer bevorzugten Ausführungsform um metallische Einlegeelemente, welche in den Taschen angeordnet werden können. Zweckmäßigerweise formen wiederum die Zwischenelemente Nuten oder dergleichen, um die Leiterelemente dort einlegen zu können. Beim Verpressen verformen sich die Zwischenelemente, wodurch eine sichere Fixierung der Leiterenden erreicht ist.
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Über das Zwischenelement ist zweckmäßigerweise die elektrisch leitende Verbindung zu dem zumindest einen Leiterelement bereitgestellt. Mit anderen Worten liegen zweckmäßigerweise das Zwischenelement und das Leiterelement aneinander an.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Kontaktelement und/oder die Ummantelung ausgelegt, eine elektrisch leitende Verbindung entlang einer Rotorachse zu einem Stromsammelelement oder Schleifringmodul bereitzustellen. Zweckmäßigerweise sind hierzu in dem Kontaktelement und/oder in der Ummantelung entsprechende elektrische Leiterelemente, beispielsweise in Form von Stromschienen und/oder Leitermaterial, wie (Kupfer-)Drähten, angeordnet.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Kontaktelement als Stromsammelelement ausgebildet bzw. umfasst ein solches. Bei dem Stromsammelelement handelt es sich um ein Bauteil, welches gemäß einer Ausführungsform auf einer Rotorwelle des Rotors angeordnet ist und an welchem die Leiterenden/Anschlussdrähte der Wicklungen zusammengeführt und verschaltet sind. Das Stromsammelelement ist zweckmäßigerweise in geeigneter Weise mit den Schleifringen des Rotors elektrisch verbunden. Zweckmäßigerweise kann das Stromsammelelement vorliegend selbst als Kontaktelement ausgebildet sein bzw. werden. Weiter alternativ kann auch das Schleifringmodul das Kontaktelement umfassen oder eine solches ausbilden.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors, umfassend die Schritte:
- - Bereitstellen eines Rotorkörpers und Umwickeln mit Leitermaterial zum Formen einer Wicklung, wobei die Wicklung Leiterenden aufweist;
- - Verpressen der Leiterenden gegen einen Anschlag über ein Kontaktelement;
- - Erzeugen einer elektrisch leitenden Verbindung zwischen zumindest zwei Leiterenden über das Kontaktelement oder den Anschlag.
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Mit Vorteil werden durch eine axiale Krafteinleitung die Leiterelemente gegen einen Anschlag gedrückt. Zweckmäßigerweise wird hierzu ein entsprechendes Kontaktelement verwendet. In dem Kontaktelement oder auch in dem Anschlag sind zweckmäßigerweise Leiterelemente angeordnet, welche eine Stromleitung in Umfangsrichtung ermöglichen. Somit können die Leiterenden sicher und zuverlässig verschaltet werden. Hierbei ist es besonders vorteilhaft, dass die Leiterenden durch das Kontaktelement großflächig abgestützt sind. Dies bedingt nicht nur eine schonende Krafteinleitung, sondern insbesondere auch eine großflächige Abschirmung dieser empfindlichen Bereiche der Wicklung. So erfolgt üblicherweise zur mechanischen Stabilisierung der Wicklung im Anschluss an das Umwickeln ein Umspritzen oder Umgießen mit Vergussmasse, wobei es sich hier beispielsweise um einen Duroplast oder um einen Thermoplast handelt. Es ist nicht unüblich, dass in dieser Vergussmasse, bereits beim Abkühlen oder erst später im Betrieb, Risse auftreten. Breiten sich diese Risse zu den Anschlussdrähten oder Leiterenden hin aus, kann dies problematisch sein, da die Gefahr besteht, dass die Kontaktierung im Bereich der Leiterenden ausfällt. Über die Verwendung des Kontaktelements sind diese Bereiche mit Vorteil geschützt und das vorgenannte Problem kann nicht auftreten.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsformen von Rotoren mit Bezug auf die beigefügten Figuren.
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Es zeigen:
- 1: eine stirnseitige Ansicht eines Rotors mit Leiterenden, welche verschaltet werden müssen;
- 2: die im Wesentlichen aus der 1 bekannte Ansicht eines Rotors, wobei hier ein Kontaktelement angeordnet ist;
- 3: eine schematische Detailansicht einer Ausführungsform eines Rotors;
- 4: einen Schnitt, wie in der 3 skizziert.
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1 zeigt eine stirnseitige Ansicht eines Rotors 10, entlang einer Rotorachse R gesehen, welcher eine Vielzahl von, vorliegend sechs, Rotorzähnen 12 mit dazwischen ausgebildeten Rotornuten 14 aufweist. Die Rotorzähne 12 sind mit Leitermaterial 20 umgeben, beispielsweise Kupferdraht. Das Leitermaterial 20 formt Leiterenden oder Anschlussdrähte 22, welche in etwa radial bzw. strahlförmig zur Rotorachse R angeordnet sind. Bezugszeichen 24 zeigt, schematisch dargestellt, ein Stromsammelelement 24, umfassend zwei Anschlussfahnen 25. Die Herausforderung, die sich vorliegend stellt, besteht darin, entsprechende Leiterenden 22 bzw. auch Leiterenden 22 mit den Anschlussfahnen 25 des Stromsammelelements 24 elektrisch zu verbinden. Gemäß der Erfindung erfolgt dies über ein Kontaktelement 40, wie es in der 2 skizziert ist.
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2 zeigt die im Wesentlichen aus der 1 bekannte Ansicht des Rotors 10, wobei hier entlang der Rotorachse R ein Kontaktelement 40 angeordnet ist, welches vorliegend drei Leiterelemente 42 aufweist. Über diese können entsprechende Leiterenden untereinander bzw. mit den Anschlussfahnen, vgl. die 1, kontaktiert werden. Zum besseren Verständnis dieser Kontaktierung sind die 3 und 4 vorgesehen.
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3 zeigt in einer schematischen Detailansicht einen Schnitt durch einen Rotor entlang einer Rotorachse R. Zu erkennen ist eine Wicklung bzw. Leitermaterial 20, von welchem sich ein Leiterende 22 weg erstreckt. In den 1 und 2 ist dieser Bereich von vorne, sozusagen entlang der Rotorachse R gesehen, dargestellt. Zu erkennen ist, dass das Leiterende 22 an einem Anschlag 50 anliegt. Gegen diesen Anschlag 50 wird das Leiterende 22 über ein Kontaktelement 40 verpresst. Das Kontaktelement 40 weist eine Tasche oder Nut 46 auf, in welcher das Leiterende 22 angeordnet ist. In der hier skizzierten Ausführungsform ist in der Tasche oder Nut 46 ein Zwischenelement 44 angeordnet. Das Kontaktelement 40 weist ein Leiterelement 42 auf, welches ausgelegt und vorgesehen ist, in Umfangsrichtung, vgl. auch die 2, eine elektrisch leitende Verbindung herzustellen. Um das Kontaktelement 40 sicher in dieser Position zu halten, ist vorliegend ein Sicherungselement 48 vorgesehen. Mit dem Bezugszeichen 60 ist eine schematisch dargestellte Rotorwelle 60 bezeichnet. Vorliegend ist angedeutet, dass der Anschlag 50 unmittelbar über eine Ummantelung eines hier nicht weiter dargestellten Rotorgrundkörpers erfolgt. Der Rotorgrundkörper besteht gemäß einer bevorzugten Ausführungsform aus einer Vielzahl von Blechlamellen, welche zu einem Rotorpaket paketiert sind. Typischerweise ist dieses Rotorpaket mit einer Ummantelung aus einem Kunststoffmaterial umgeben. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, unmittelbar über diese Ummantelung den Anschlag 50 auszubilden. Mit der Strichpunktlinie ist ein Schnitt angedeutet, welcher in der 4 skizziert ist.
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Die 4 zeigt den Schnitt, wie in der 3 skizziert. Zu erkennen sind das Anschlagelement 50 sowie eine Nut oder Tasche 46, in welcher das Zwischenelement 44 angeordnet ist. Gestrichelt dargestellt ist das Leiterelement 42, welches der Stromleitung in Umfangsrichtung dient. Das Leiterende weist das Bezugszeichen 22 auf. Bei dem Zwischenelement 44 handelt es sich beispielsweise um ein metallisches Bauteil, beispielsweise aus Kupfer, welches beim Anordnen des Kontaktelements gegen den Anschlag 50 plastisch verformt werden kann, wodurch eine sichere mechanische wie auch elektrische Kontaktierung bereitgestellt werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Rotor
- 12
- Rotorzahn
- 14
- Rotornut
- 20
- Leitermaterial
- 22
- Leiterende
- 24
- Stromsammelelement
- 25
- Anschlussfahne
- 40
- Kontaktelement
- 42
- Leiterelement
- 44
- Zwischenelement
- 46
- Tasche, Nut
- 48
- Sicherungselement
- 50
- Anschlag
- 60
- Rotorwelle
- R
- Rotorachse
