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Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine aufweisend eine magnetfelderzeugende Komponente zur Erregung eines magnetischen Flusses, ein Blechpaket zum Leiten des magnetischen Flusses sowie zur Gewährleistung mechanischer Belastungen und zumindest eine Sensorspule zum Ermitteln einer Rotorlage aus einer bei Rotation des Rotors gegenüber einem Stator der elektrischen Maschine in der zumindest einen Sensorspule induzierten Spannung. Die Erfindung betrifft außerdem eine elektrische Maschine mit einem solchen Rotor.
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Vorliegend richtet sich das Interesse auf elektrische Maschinen, welche beispielsweise als Antriebsmaschinen elektrifizierter Kraftfahrzeuge verwendet werden können. Die elektrischen Maschinen weisen üblicherweise einen ortsfesten Stator sowie einen bezüglich des Stators drehbar gelagerten Rotor auf. Sowohl der Rotor als auch der Stator weisen magnetfelderzeugenden Komponenten auf. Der Rotor weist ein Blechpaket zum Leiten eines magnetischen Flusses der rotorseitigen magnetfelderzeugenden Komponente auf. Zum Bestimmen einer Rotorlage bzw. eines Rotorwinkels im Betrieb der elektrischen Maschine ist es aus dem Stand der Technik bekannt, einen Rotorlagesensor, beispielsweise einen Resolver oder einen XMR-Sensor, zu verwenden. Rotorlagesensoren können beispielsweise einen Targetträger mit einem abtastbaren Target aufweisen. Der Targetträger mit dem Target wird üblicherweise stirnseitig am Blechpaket des Rotors angeordnet und benötigt somit zusätzlichen axialen Bauraum.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfache und bauraumsparende Lösung zum Bestimmen einer Rotorlage eines Rotors einer elektrischen Antriebsmaschine bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Rotor sowie eine elektrische Maschine mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figur.
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Ein erfindungsgemäßer Rotor für eine elektrische Maschine weist eine magnetfelderzeugende Komponente zur Erregung eines magnetischen Flusses, ein Blechpaket zum Leiten des magnetischen Flusses und zumindest eine Sensorspule zum Ermitteln einer Rotorlage aus einer bei Rotation des Rotors gegenüber einem Stator der elektrischen Maschine in der zumindest einen Sensorspule induzierten Spannung auf. Dabei ist die zumindest eine Sensorspule in das Blechpaket integriert und weist einen Spulenkörper und einen elektrischen Leiter auf. Der Spulenkörper ist durch einen stegförmigen Abschnitt des Blechpakets ausgebildet, um welchen der elektrische Leiter unter Ausbildung der zumindest einen Sensorspule gewickelt ist.
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Zur Erfindung gehört außerdem eine elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug aufweisend einen ortsfesten Stator und einen bezüglich des Stators drehbar gelagerten erfindungsgemäßen Rotor. Die elektrische Maschine kann beispielsweise als Antriebsmaschine für ein elektrifiziertes Kraftfahrzeug verwendet werden. Der Stator weist ein Statorblechpaket mit statorseitigen magnetfelderzeugenden Komponenten in Form von bestrombaren Statorspulen auf. Im Falle einer Innenläufer-Maschine ist der Rotor innerhalb des hohlzylindrischen Statorblechpakets drehbar gelagert. Die elektrische Maschine kann beispielsweise eine elektrisch erregte und/oder permanenterregte Synchronmaschine sein. Dazu weist die magnetfelderzeugende Komponente des Rotors bestrombare Rotorspulen und/oder Permanentmagnete auf, welche von dem Blechpaket gehalten werden. Alternativ oder zusätzlich kann die elektrische Maschine eine Reluktanzmaschine sein, bei der mit Hilfe von Kavitäten im Rotor unterschiedliche ausgeprägte magnetische Kreise erzeugt werden. Auch kann die elektrische Maschine als eine Asynchronmaschine mit einer magnetfelderzeugenden Komponente in Form von einem Kurzschlusskäfig ausgebildet sein. Das Blechpaket des Rotors ist insbesondere aus gestanzten, axial gestapelten und mechanisch verbundenen Elektroblechlamellen ausgebildet.
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Zum Erfassen der Rotorlage bzw. des Rotorwinkels des Rotors bezüglich des Stators im Betrieb der elektrischen Maschine weist die elektrische Maschine einen Rotorlagesensor auf. Der Rotorlagesensor umfasst die zumindest eine Sensorspule, in welcher bei Rotation des Rotors eine Spannung durch das Magnetfeld der Statorspulen induziert wird. Anhand der induzierten Spannung kann die Rotorlage des Rotors bestimmt werden. Die induzierte Spannung kann beispielsweise mit einer Sensorik des Rotorlagesensor, welche beispielsweise in ein Gehäuse oder ein Lagerschild der elektrischen Maschine integriert ist, erfasst werden. Der Rotorlagesensor kann auch mehrere miteinander verschaltete Sensorspulen aufweisen. Die zumindest eine Sensorspule ist dabei in das Blechpaket des Rotors integriert, sodass die Sensorspulen gemeinsam mit dem Rotor rotieren und somit relativ zu den Statorspulen bewegt werden.
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Zum Ausbilden der zumindest einen Sensorspule weist das Blechpaket den zumindest einen stegförmigen Abschnitt auf, an welchen Kavitäten im Blechpaket angrenzen und welcher den Spulenkörper bzw. Spulenkern ausbildet. Der stegförmige Abschnitt ist also durch die geometrische Gestaltung bzw. Formgebung des Blechpakets als ein Blechpaketabschnitt aus Blechpaketmaterial ausgebildet. Der stegförmige Abschnitt ist somit kein separates Bauteil, sondern im Blechschnitt einteilig mit den restlichen Blechpaketabschnitten des Blechpakets ausgebildet. Beispielsweise wird der stegförmige Abschnitt ausgebildet, indem die Elektroblechlamellen, beispielsweise beim Stanzen zumindest teilweise mit streifenförmigen Bereichen ausgebildet werden. Angrenzend an die streifenförmigen Bereiche sind Aussparungen in den Elektroblechlamellen ausgebildet. Beim axialen Stapel der Elektroblechlamellen werden die streifenförmigen Bereiche und die Aussparungen übereinandergestapelt und bilden somit den stegförmigen Abschnitt und die Kavitäten des Blechpakets aus.
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Um diesen zumindest einen stegförmigen Abschnitt ist dabei der elektrische Leiter, beispielsweise ein Draht, gewickelt, welcher von dem stegförmigen Abschnitt gehalten und in den angrenzenden Kavitäten des Blechpakets angeordnet ist. Der zumindest eine stegförmige Abschnitt ist insbesondere als ein sich tangential erstreckender Quersteg gebildet. Somit ist eine durch axiale Leiterabschnitte gebildete, radial innenliegende Innenseite der Sensorspule einer Rotorwelle des Rotors, welche drehfest mit dem Blechpaket verbunden ist und sich entlang axial entlang der Rotationsachse erstreckt, zugewandt und eine durch axiale Leiterabschnitte gebildete, radial außenliegende Außenseite der Sensorspule ist einer Außenkontur des Blechpakets und damit einem Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator zugewandt. Die Außenseite der Sensorspule liegt dabei radial weiter innen als die Außenkontur des Blechpakets. Die zumindest eine Sensorspule steht also in radialer Richtung nicht an der Außenkontur des Blechpakets über. Stirnseitige Leiterabschnitte, welche oberseitige und unterseitige Wickelköpfe der Sensorspule ausbilden, erstrecken sich parallel zu axial gegenüberliegenden Stirnseiten des Blechpakets.
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Durch die Integration der zumindest einen Sensorspule in das Blechpaket kann in vorteilhafter Weise der Rotorlagesensor auf einfache und bauraumsparende Weise ausgebildet werden.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass sich der zumindest eine stegförmige Abschnitt in axialer Richtung über eine gesamte Höhe des Blechpakets erstreckt, sodass die stirnseitigen Leiterabschnitte, welche die Wickelköpfe der zumindest einen Sensorspule ausbilden, an den axial gegenüberliegenden Stirnseiten des Blechpakets angeordnet sind. Die axialen Leiterabschnitte erstrecken sich somit über eine gesamte Höhe des Blechpakets. In diesem Fall weisen also sämtliche Elektroblechlamellen streifenförmige Bereiche auf, sodass die axial übereinander angeordneten streifenförmigen Bereiche den sich über die gesamte Höhe erstreckenden Spulenkörper ausbilden.
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Alternativ dazu kann sich der zumindest eine stegförmige Abschnitt in axialer Richtung nur über einen Teil der Höhe des Blechpakets erstrecken, sodass zumindest einer der Wickelköpfe in axialer Richtung innerhalb des Blechpakets angeordnet ist. In diesem Fall weist nur ein Teil der Elektroblechlamellen den streifenförmigen Bereich auf, sodass der Spulenkörper nur in einem ersten axialen Teilblechpaket ausgebildet ist und zumindest einer der Wickelköpfe in axialer Richtung von einem zweiten Teilblechpaket bedeckt ist. Das zweite Teilblechpaket weist dazu eine Ausnehmung zum Aufnehmen des Wickelkopfes auf.
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Vorzugsweise liegt die der Außenkontur des Blechpakets zugewandte Außenseite der Sensorspule zumindest bereichsweise frei. Anders ausgedrückt ist diese Außenseite nicht in radialer Richtung nicht von Blechpaketmaterial des Rotors überdeckt, sodass eine Abschirmung der Sensorspule gegenüber dem magnetischen Fluss der Statorspulen verhindert wird. Die Sensorspulen werden also möglichst nah an den Statorspulen vorbeigeführt, um eine zuverlässige Rotorlageerfassung bereitzustellen. Besonders bevorzugt weist das Blechpaket zum Abstützen der zumindest einen Sensorspule gegenüber Fliehkräften sich entlang der Umfangsrichtung erstreckende Abstützabschnitte auf, welche die Außenseite der zumindest einen Sensorspule bereichsweise überdecken. Die Abstützabschnitte ragen also bereichsweise über die Außenseite der Sensorspule und sind somit radial mit der Sensorspule überlappend angeordnet. Somit weist der mit den Sensorspulen bestückte Rotor eine hohe Robustheit auf.
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Dabei kann vorgesehen sein, dass die zumindest eine Sensorspule in einer Pollücke zwischen zwei benachbarten Rotorpolen angeordnet ist. Die Pollücken können durch gestanzte Kavitäten im Blechschnitt ausgebildet sein, durch welche sich stegförmige Abschnitte hindurch erstrecken können. In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Rotorpole als Schenkelpole ausgebildet, wobei der den Spulenkörper ausbildende stegförmige Abschnitt mit zwei benachbarten Schenkelpolen mechanisch verbunden ist. Die Schenkelpole weisen jeweils einen Polschaft auf, wobei die Polschäfte in Umfangsrichtung beabstandet zueinander angeordnet sind und radial von einem Poljoch des Blechpakets abstehen. An den Polschäften sind Polschuhe angeordnet, deren gekrümmte Außenflächen die Außenkontur des Blechpakets ausbilden. Insbesondere ist der zumindest eine stegförmige Abschnitt mit Polschuhen der benachbarten Schenkelpole mechanisch verbunden, wobei an den jeweiligen Polschuhen die Abstützabschnitte zum Abstützen der zumindest einen Sensorspule gegenüber Fliehkräften der elektrischen Maschine angeordnet sind. Die Abstützabschnitt stehen ausgehend von dem jeweiligen Polschuh entlang der Umfangsrichtung in Richtung der Pollücke ab und verschließen die angrenzende Pollücke bereichsweise. Ein sich zwischen den zwei Abstützabschnitten befindlicher Teil der Außenseite der Sensorspule liegt frei und ist nicht von Blechpaketmaterial überdeckt.
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Die mit Bezug auf den erfindungsgemäßen Rotor vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße elektrische Maschine.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Figur und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
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Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
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Es zeigt die einzige Figur 1 eine Schnittdarstellung einer elektrischen Maschine 1, welche hier als eine elektrisch erregte Innenläufer-Maschine ausgebildet ist. Die elektrische Maschine 1 weist einen Stator 2 und einen bezüglich des Stators 2 um eine Rotationsachse R drehbar gelagerten Rotor 3 auf. Magnetfelderzeugende Komponenten des Stators 2 und des Rotors 3 sind hier nicht dargestellt. Der Rotor 3 weist ein Blechpaket 4 auf, von welchem hier der in Schenkelpolbauweise gefertigte Blechschnitt dargestellt ist. Dazu weist das Blechpaket 4 Schenkelpole 5 auf, welche radial abstehend an einem Poljoch 6 des Blechpakets 4 angeordnet sind und welche sich entlang der d-Achse des Blechschnitts erstrecken. Die Schenkelpole 5 sind beispielsweise zum Halten von Rotorspulen der rotorseitigen magnetfelderzeugenden Komponente ausgebildet, welche um Polschäfte 7 der Schenkelpole 5 gewickelt sind und welche in an die Schenkelpole 5 angrenzenden Pollücken 8 angeordnet sind. Polschuhe 9 der Schenkelpole 5 stützen die Rotorspulen gegenüber der Fliehkraft beim Rotieren des Rotors 3 ab.
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Die elektrische Maschine 1 weist außerdem einen Rotorlagesensor zum Bestimmen einer Rotorlage des Rotors 3 auf. Der Rotorlagesensor weist hier mehrere Sensorspulen 10 auf, welche in das Blechpaket 4 integriert sind und hier auf der q- Achse in den Pollücken 8 angeordnet sind. Die Sensorspulen 10 weisen einen Spulenkörper 11 bzw. Spulenkern und einen um den Spulenkörper 11 gewickelten elektrische Leiter 12 auf. Beim Rotieren des Rotors 3 werden die Sensorspulen 10 an den statorseitigen magnetfelderzeugenden Komponenten vorbeigeführt und es wird eine mit der Rotorlage korrespondierende Spannung in den Sensorspulen 10 induziert. Die induzierte Spannung der Sensorspulen 10 kann beispielsweise im Bereich einer Stirnseite des Blechpakets 4 berührungslos bzw. kontaktlos erfasst werden.
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Der Spulenkörper 11 wird durch stegförmige Abschnitte 13 des Blechpakets 4 ausgebildet, welche hier zwei benachbarte Polschuhe 9 mechanisch verbinden. Um diese stegförmigen Abschnitte 13 sind die elektrische Leiter 12 gewickelt. Die stegförmigen Abschnitte 13 sind hier derart positioniert, dass die Sensorspulen 10 in radialer Richtung innerhalb des Blechpakets 4 angeordnet sind. Die Sensorspulen 10 stehen also radial nicht über eine Außenkontur 14 des Blechpakets 2 über. Außerdem liegen die Sensorspulen 10 in radialer Richtung bereichsweise frei, sind also nicht von Blechpaketabschnitten bedeckt. Dadurch grenzen die Sensorspulen 10 unmittelbar an einen Luftspalt 15 zwischen dem Rotor 3 und dem Stator 2 an.
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Die stegförmigen Abschnitte 13 sind hier über Y-förmige Ankerstrukturen 16, welche in dem Poljoch 6 des Blechpakets 4 verankert sind, mit dem Poljoch 6 mechanisch verbunden und somit gegenüber der Fliehkraft beim Rotieren des Rotors 3 abgestützt. Zusätzlich weist das Blechpaket 4 Abstützabschnitte 17 auf, welche die Sensorspulen 10 bereichsweise in radialer Richtung überdecken. Diese Abstützabschnitte 17 stützen die Sensorspulen 10 ebenfalls gegenüber der Fliehkraft ab. Die Abstützabschnitte 17 sind hier an den Polschuhen 9 angeordnet, wobei jeweils zwei Abstützabschnitte 17 eine Sensorspule 10 in radialer Richtung bereichsweise überdecken. Die zwei Abstützabschnitte 17 pro Sensorspule 10 berühren sich hierbei nicht, um eine Abschirmung der Sensorspulen 10 von dem Magnetfeld der Statorspulen zu vermeiden, jedoch schirmen die Abstützabschnitte 13 die Sensorspulen 8 ausreichend gegen Stator-Pulsationen ab. Außerdem soll über die Abstützabschnitte 17 kein Streuflusspfad geschlossen werden, weswegen eine Lücke zwischen den zwei Abstützabschnitten 17 ausreichend dimensioniert sein muss. Das Poljoch 6, die Schenkelpole 5, die stegförmigen Abschnitte 13, die Ankerstrukturen 16 und die Abstützabschnitte 17 sind im Blechschnitt einstückig ausgebildet.
