WO2023213486A1 - Rotor für eine fremderregte elektrische synchronmaschine - Google Patents

Rotor für eine fremderregte elektrische synchronmaschine Download PDF

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WO2023213486A1
WO2023213486A1 PCT/EP2023/058817 EP2023058817W WO2023213486A1 WO 2023213486 A1 WO2023213486 A1 WO 2023213486A1 EP 2023058817 W EP2023058817 W EP 2023058817W WO 2023213486 A1 WO2023213486 A1 WO 2023213486A1
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rotor
windings
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winding
rotor windings
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PCT/EP2023/058817
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English (en)
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Inventor
Thorsten GRELLE
Michael Rehermann
Original Assignee
Mahle International Gmbh
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/24—Rotor cores with salient poles ; Variable reluctance rotors

Definitions

  • the invention relates to a rotor for a separately excited electrical synchronous machine and a separately excited electrical synchronous machine with such a rotor.
  • Externally excited electric synchronous machines are used, for example, as electric drive systems in modern hybrid or electric vehicles.
  • An externally excited electrical synchronous machine comprises a stator and a rotor which can be rotated relative to the stator and in which the magnetic rotor field is generated by means of external excitation.
  • a rotor for a separately excited electrical synchronous machine is known, with a first core body which has an outer surface and an inner surface and is formed from individual rotor shoes which are integrally connected to one another in a predetermined space along a circumferential direction.
  • a second core body is also provided, which forms rotor teeth that contact an inside of the rotor shoes in a radial direction.
  • the inner core body and the outer core body form an open rotor structure, which, however, does not provide sufficient rigidity for the winding carriers, especially at high speeds.
  • the present invention therefore deals with the problem of specifying a rotor which, in particular, overcomes the disadvantages known from the prior art.
  • the present invention is based on the general idea of modifying a winding carrier, which carries the rotor windings of a rotor for a separately excited electric synchronous machine, in particular for a traction motor of a vehicle, so that it itself forms a closed rotor structure and thereby both for high speeds the required high rigidity as well as reliable fixation of the rotor windings and prevents the rotor from bursting.
  • the rotor according to the invention has a rotor shaft which extends along an axial direction.
  • the rotor according to the invention also has the aforementioned winding carrier, which is connected in a rotationally fixed manner to the rotor shaft and which has or carries at least two, preferably four or more electrically energized rotor windings for generating a magnetic rotor field.
  • the winding carrier itself is formed by a laminated core with several sheet metal parts stacked on top of one another along the axial direction made of a ferromagnetic material and is also designed to be closed on its outer circumference to bridge the rotor windings. This makes it possible for the first time to modify the winding carrier itself in such a way that it enables a closed rotor structure and thus a comparatively high level of rigidity.
  • the winding carrier is designed as a laminated core made of individual stamped sheet metal parts stacked one above the other in the axial direction. This offers a particularly simple manufacturing option for the winding carrier, whereby the recesses for the rotor windings are simply punched out.
  • the winding carrier produced in this way has a continuously closed ring on its outer peripheral edge, which is part of the winding carrier and helps to both fix the individual rotor windings even at high speeds and to prevent the rotor from bursting.
  • the rotor windings are accommodated in the recesses of the winding carrier, with a web being arranged between two circumferentially adjacent recesses, which is formed by the winding carrier and which carries the respective rotor winding wound around it.
  • a part of two adjacent rotor windings are arranged in each recess.
  • a distance or space is provided in the recess between the two adjacent rotor windings, for example with air or a Potting compound, especially resin, has expired.
  • filling with a casting compound enables both electrical insulation and additional fixation of the individual rotor windings.
  • the individual rotor windings are manufactured using hair-pin technology.
  • the so-called hair pin technology is a winding technology for plug-in coils that are inserted into the stator slots of a winding carrier.
  • the plug-in coils, so-called hair pins usually consist of U-shaped bent and painted flat copper wires and are similar in geometry to hair pins, from which the term hair pins is derived.
  • the plug-in coils are usually pre-assembled separately and inserted axially into the respective winding carrier as a so-called hair pin basket with the help of a corresponding gripping system. This makes it possible to produce such rotor windings in a process-reliable and automated manner.
  • the rotor windings are produced using a so-called sewing technique, in which round wires of the rotor windings are wound in a similar way to a sewing process.
  • Such a sewing technology is also a reliable wrapping technology that has been tried and tested for many years and can also be carried out automatically.
  • the winding carrier has at least two partial segments, preferably eight partial segments.
  • Such a division of the winding carrier into individual sub-segments offers the great advantage that the individual rotor windings can be easily produced separately on each separate sub-segment by wrapping it around.
  • the partial segments are expediently designed as identical parts. This offers the great advantage that a comparatively simple assembly of the sub-segments to the winding carrier is possible and the same winding machine can be used to produce a rotor winding on each sub-segment. This allows the winding carrier and thus indirectly also the rotor and the synchronous machine equipped with it to be manufactured cost-effectively.
  • each sub-segment has two outer first arms facing away from one another in the circumferential direction and an inner second arm extending in the circumferential direction and a web arranged between them.
  • This enables a comparatively simple assembly of the individual sub-segments to one another via their respective outer first arms with a pin, in particular joints, with each sub-segment being additionally connected to an adjacent sub-segment via its inner second arm with a further pin, also in particular in an articulated manner.
  • This offers the great advantage of being able to prefabricate each sub-segment with an associated rotor winding separately, in particular to wind it, and only then to pin the individual sub-segments together and thereby produce the closed rotor structure.
  • the rotor winding is expediently wound around a respective web of a sub-segment.
  • the two outer first arms each of which extend in opposite circumferential directions, result in a type of recess in each sub-segment, in which the respective rotor windings can be accommodated.
  • the first two outer arms reliably fix the rotor windings even at comparatively high speeds of 20,000 rpm.
  • a respective web of a partial segment has a constant width in the radial direction. This makes it possible to produce the rotor windings in a comparatively simple manner, especially in an automated manner.
  • the individual sub-segments with the rotor winding arranged on them expediently form a prefabricated component. This enables cost-effective and high-quality prefabrication of the individual sub-segments including the rotor windings and also avoids the comparatively complicated manufacture of rotor windings with the winding supports already closed in the circumferential direction.
  • the rotor shaft expediently consists of a non-ferromagnetic, preferably paramagnetic, material. In this way, any undesirable influence on the magnetic rotor field generated by the rotor windings when electrical current is supplied is kept to a minimum or even completely prevented.
  • the present invention is further based on the general idea of specifying a separately excited electrical synchronous machine, in particular a traction motor for an electric or hybrid vehicle, with a stator which has at least one stator coil that can be energized with electricity for generating a magnetic stator field and a stator coil relative to the stator Rotor axis rotatable rotor according to the previous paragraphs.
  • a separately excited electrical synchronous machine in particular a traction motor for an electric or hybrid vehicle
  • a stator which has at least one stator coil that can be energized with electricity for generating a magnetic stator field and a stator coil relative to the stator Rotor axis rotatable rotor according to the previous paragraphs.
  • FIG. 1 shows a sectional view through a rotor according to the invention of a separately excited electrical synchronous machine according to the invention
  • Fig. 2 is a representation as in Fig. 1, but with a different rotor.
  • a rotor 1 according to the invention for a separately excited electric synchronous machine 2 in particular for a traction motor of a vehicle, for example an electric or hybrid vehicle, has a Rotor shaft 3, which extends along an axial direction which is perpendicular to the plane of the blade as shown in FIGS. 1 and 2.
  • a winding carrier 4 which is connected in a rotationally fixed manner to the rotor shaft 3 and which has at least two, preferably four or more rotor windings 5 that can be energized with electricity for generating a magnetic rotor field.
  • the rotor 1 has a total of four rotor windings 5, while according to FIG. 2 it has a total of eight rotor windings 5.
  • Other numbers of pole pairs are conceivable for both variants.
  • the winding carrier 4 itself is formed by a laminated core with several sheet metal parts made of a ferromagnetic material stacked on top of one another along the axial direction.
  • the winding carrier 4 is designed to bridge the individual rotor windings 5 on its outer circumference, that is to say with a bridge 6. This offers the great advantage that the individual rotor windings 5 are fixed radially outwards by the closed rotor structure of the winding carrier 4, that is to say the respective bridge 6, so that the rotor windings 5 do not shift and thus do not move even at high speeds Shifting of the poles as well as high tensions and deformations can occur.
  • the winding carrier 4 is made from individual sheet metal parts, each designed as stamped sheet metal parts, which have mutually aligned recesses 7 in the assembled winding carrier 4, which can be easily punched out together with the respective sheet metal part, for example.
  • a web 8 is arranged between two circumferentially adjacent recesses 7, which connects an inner region with an outer region and around which the respective rotor windings 5 are wound.
  • a space 9 may be provided, which is filled, for example, with air or a casting compound. In particular, filling with a casting compound helps to additionally stabilize and fix the individual rotor windings 5.
  • Each of the recesses 7 has on an inside 10 a radially outwardly projecting comb 11, which is designed like a line and which fixes the individual rotor windings 5 in a form-fitting manner.
  • the individual rotor windings 5 can be manufactured, for example, using hair-pin technology, in which individual U-shaped, i.e. hairpin-shaped, bent wires are first prefabricated separately and arranged in the manner of a nest or a basket, and then in the axial direction, That is, in the present case, perpendicular to the plane of the sheet, it can be inserted into the winding carrier 4 or its recesses 7.
  • hair-pin technology in which individual U-shaped, i.e. hairpin-shaped, bent wires are first prefabricated separately and arranged in the manner of a nest or a basket, and then in the axial direction, That is, in the present case, perpendicular to the plane of the sheet, it can be inserted into the winding carrier 4 or its recesses 7.
  • the individual rotor windings 5 are formed using sewing technology, in which a round wire is woven through the individual recesses 7 or guided in a similar way to sewing.
  • the rotor 1 according to the invention according to FIG. 2 differs from the rotor 1 according to the invention according to FIG from at least two partial segments 12, according to FIG. 2 from a total of eight partial segments 12, which are connected to one another via pins 13, in particular connected to one another in an articulated manner.
  • a partial segment 12 can also be designed inexpensively as a sheet metal stamping part, with several such sheet metal stamping parts stacked on top of one another in the axial direction resulting in the respective partial segment 12.
  • the big advantage of such partial segments 12 is that the rotor winding 5 wrapping around the respective partial segment 12 is produced on a separate partial segment 12 can be made, which means that sewing or producing the rotor windings 5 with hair-pin technology, as required according to FIG. 1, can be dispensed with.
  • the respective rotor winding 5 is wound around a web 8 'of the respective sub-segment 12.
  • the individual sheet metal parts of the partial segments 12 or the partial segments 12 are preferably designed as identical parts, whereby the same sheet metal punching machine and the same winding device for producing the respective rotor winding 5 can be used for their production.
  • each of the sub-segments 12 has two outer first arms 14 facing away from one another in the circumferential direction as well as an inner second arm 15 extending in the circumferential direction and the web 8 ' arranged between them.
  • Two adjacent sub-segments 12 are connected to one another, in particular in an articulated manner, via their respective outer first arms 14 with the pin 13 and additionally via the respective inner second arm 15.
  • the webs 8' of the rotor 1 corresponding to FIG can.
  • the rotor windings 5 of two adjacent sub-segments 12 can also come into contact with one another, so that the outer first arms 14 are limited between two adjacent webs 8 'and two outer first arms 14 connected to one another via a pin 13.
  • Recess 7 can be completely filled with rotor windings 5, whereby it is of course clear that two adjacent rotor windings 5 are separated from one another in an electrically non-conductive manner. This makes it possible to achieve a high filling factor and thus high performance of the electric motor, for example of the synchronous machine 2, equipped with the rotor 1 according to the invention.
  • the rotor shaft 3 can consist of a non-ferromagnetic, preferably paramagnetic, material, whereby any undesirable influence on the magnetic rotor field generated by the rotor windings 5 when electrical current is supplied can be kept to a minimum or even completely prevented.
  • the closed rotor structures of the individual winding carriers 4 can also operate at high speeds of up to 20,000 rpm.
  • the high centrifugal forces that occur can be easily absorbed, since the rotor structure, which is closed on the outside in the circumferential direction, helps to support the rotor windings 5 and gives the entire rotor 1 a sufficiently high level of rigidity.
  • the rotor 1 according to the invention can be used in a separately excited electric synchronous machine 2, which is designed, for example, as a traction motor for an electric or hybrid vehicle.
  • This externally excited electrical synchronous machine 2 has a stator 17, which has at least one electrically energized stator coil (not shown) for generating a magnetic stator field.
  • the rotor 1 is arranged within the stator 17 and can be rotated about a rotor axis, which also runs perpendicular to the plane of the blade as shown in FIGS. 1 and 2. This makes it possible to achieve an externally excited electrical synchronous machine 2, which has sufficient rigidity even at high speeds and minimizes the risk of bursting.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rotor (1) für eine fremderregte elektrische Synchron- maschine (2), insbesondere für einen Traktionsmotor eines Fahrzeugs, - mit einer Rotorwelle (3), die sich entlang einer axialen Richtung erstreckt, - mit einem Wicklungsträger (4), der drehfest mit der Rotorwelle (3) verbunden ist und der zumindest zwei, vorzugsweise vier oder mehr elektrisch bestrombare Rotorwicklungen (5) zum Erzeugen eines magnetischen Rotorfeldes aufweist, - wobei der Wicklungsträger (4) durch ein Blechpaket mit mehreren entlang der axialen Richtung aufeinandergestapelten Blechteilen aus einem erromagnetischen Material gebildet ist, - wobei der Wicklungsträger (4) an seinem äußeren Umfang die Rotorwicklungen (5) überbrückend geschlossen ausgebildet ist. Hierdurch kann eine geschlossene Rotorstruktur erreicht werden, die hohe Dreh- zahlen erlaubt.

Description

Rotor für eine fremderregte elektrische Synchronmaschine
Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine fremderregte elektrische Synchronmaschine sowie eine fremderregte elektrische Synchronmaschine mit einem solchen Rotor.
Fremderregte elektrische Synchronmaschinen kommen beispielsweise als elektrische Antriebssysteme in modernen Hybrid-oder Elektrofahrzeugen zum Einsatz. Eine fremderregte elektrische Synchronmaschine umfasst einen Stator und einen gegenüber dem Stator drehverstellbaren Rotor, in welchem das magnetische Rotorfeld mittels Fremderregung erzeugt wird.
Besonders bei Elektromotoren mit hohen Drehzahlen, beispielsweise in Automobilanwendungen mit mehr als 20.000 U/rnin, ist eine zuverlässige Fixierung der Rotorwicklungen an dem Rotor unabdingbar, da selbst geringe Verschiebungen der Pole zu hohen Spannungen in einem Wicklungsträger, beispielsweise Rotorpaketen, führen, oder mechanische Beschädigungen an der Wicklung auftreten können. Problematisch ist dabei zugleich, dass für die Wicklungsträger üblicherweise Blechpakete mit mehreren entlang einer axialen Richtung aufeinander gestapelten Blechteilen aus einem ferromagnetischen Material verwendet werden, die beispielsweise eine Streckgrenze von lediglich 420 MPa bei Raumtemperatur und nur noch 350 MPa bei 150°C aufweisen.
Aus der EP 3 337 012 A1 ist ein Rotor für eine fremderregte elektrische Synchronmaschine bekannt, mit einem ersten Kernkörper, welcher eine Außenfläche und eine Innenfläche aufweist und aus einzelnen Rotorschuhen gebildet ist, die in einem vorbestimmten Raum entlang einer Umfangsrichtung ganzheitlich miteinander verbunden sind. Des Weiteren vorgesehen ist ein zweiter Kernkörper, welcher Rotorzähne bildet, die eine Innenseite der Rotorschuhe in einer radialen Richtung kontaktieren. Der innere Kernkörper und der äußere Kernkörper bilden dabei eine offene Rotorstruktur, die jedoch insbesondere bei hohen Drehzahlen keine ausreichende Steifigkeit für die Wicklungsträger bildet.
Aus der KR 2017/0060501 A ist ein Rotor mit einem inneren Kern mit einer Vielzahl von Zahnabschnitten sowie einen um eine Spule gewickelten und in den Zahnabschnitt eingesetzten Spulenkörper und einem äußeren Kem bekannt, der mit einem Zahnabschnitt verbunden ist, in dem der Spulenkörper eingesetzt ist. Hierdurch wird eine geschlossene Rotorstruktur geschaffen, die jedoch einen vergleichsweise hohen Montageaufwand und dadurch höhere Kosten verursacht.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, einen Rotor anzugeben, der insbesondere die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwindet.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen Wicklungsträger, der die Rotorwicklungen eines Rotors für eine fremderregte elektrische Synchronmaschine, insbesondere für einen Traktionsmotor eines Fahrzeugs, trägt, so zu modifizieren, dass dieser selbst eine geschlossene Rotorstruktur bildet und dadurch sowohl die für hohe Drehzahlen erforderliche hohe Steifigkeit als auch ein zuverlässiges Fixieren der Rotorwicklungen gewährleistet und ein Bersten des Rotors verhindert. Der erfindungsgemäße Rotor besitzt dabei eine Rotorwelle, die sich entlang einer axialen Richtung erstreckt. Ebenfalls weist der erfindungsgemäße Rotor den zuvor genannten Wicklungsträger auf, der drehfest mit der Rotorwelle verbunden ist und der zumindest zwei, vorzugsweise vier oder mehr elektrisch bestrombare Rotorwicklungen zum Erzeugen eines magnetischen Rotorfeldes aufweist bzw. trägt. Der Wicklungsträger selbst ist dabei durch ein Blechpaket mit mehreren entlang der axialen Richtung aufeinander gestapelten Blechteilen aus einem ferromagnetischen Material gebildet und zudem an seinem äußeren Umfang die Rotorwicklungen überbrückend geschlossen ausgebildete. Hierdurch ist es erstmals möglich, den Wicklungsträger selbst derart zu modifizieren, dass dieser eine geschlossene Rotorstruktur und dadurch eine vergleichsweise hohe Steifigkeit ermöglicht.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Rotors ist der Wicklungsträger als Blechpaket aus einzelnen in Axialrichtung übereinander gestapelten Blechstanzteilen ausgebildet. Dies bietet eine besonders einfache Herstellungsmöglichkeit des Wicklungsträgers, wobei die Ausnehmungen für die Rotorwicklungen einfach mit ausgestanzt werden. Der derart hergestellte Wicklungsträger weist an seinem äußeren Umfangsrand einen durchgehend geschlossenen Ring auf, der Bestandteil des Wicklungsträgers ist und dazu beiträgt, sowohl die einzelnen Rotorwicklungen auch bei hohen Drehzahlen zu fixieren, als auch ein Bersten des Rotors zu verhindern.
In den Ausnehmungen des Wicklungsträgers werden dabei die Rotorwicklungen aufgenommen, wobei zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten Ausnehmungen ein Steg angeordnet ist, welcher durch den Wicklungsträger gebildet ist und welcher die jeweilige darum gewundene Rotorwicklung trägt. In jeder Ausnehmung sind so jeweils ein Teil zweier benachbarter Rotorwicklungen angeordnet. Zwischen den beiden benachbarten Rotorwicklungen ist in der Ausnehmung noch ein Abstand bzw. Raum vorgesehen, der beispielsweise mit Luft oder einer Vergussmasse, insbesondere Harz, verfällt ist. Insbesondere das Verfüllen mit einer Vergussmasse ermöglicht sowohl eine elektrische Isolierung als auch eine zusätzliche Fixierung der einzelnen Rotorwicklungen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotors sind die einzelnen Rotorwicklungen mittels Hair-Pin-Technologie hergestellt. Die sogenannte Hair-Pin-Technologie ist eine Wickeltechnologie für Steckspulen, welche in Statornuten eines Wicklungsträgers eingefügt werden. Die Steckspulen, sogenannte Hair-Pins, bestehen üblicherweise aus U-förmig gebogenen und lackierten Kupferflachdrähten und ähneln in ihrer Geometrie Haarnadeln, woraus sich der Begriff Hair-Pins ableitet. Üblicherweise werden dabei die Steckspulen separat vormontiert und als sogenannter Hair-Pin-Korb mit Hilfe eines entsprechenden Greifsystems axial in den jeweiligen Wicklungsträger eingeführt. Hierdurch ist eine einerseits prozesssichere und andererseits automatisierte Herstellung derartiger Rotorwicklungen möglich.
Alternativ ist auch denkbar, dass die Rotorwicklungen mittels einer sogenannten Nähtechnik hergestellt werden, bei welchem Runddrähte der Rotorwicklungen ähnlich wie bei einem Nähvorgang gewickelt werden. Auch eine derartige Nähtechnik ist eine bereits langjährig erprobte, zuverlässige und zugleich automatisiert durchführbare Wickeltechnik.
Bei einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotors weist der Wicklungsträger zumindest zwei Teilsegmente, vorzugsweise acht Teilsegmente auf. Eine derartige Aufteilung des Wicklungsträgers in einzelne Teilsegmente bietet den großen Vorteil, dass die einzelnen Rotorwicklungen separat an jedem noch separaten Teilsegment durch Umwickeln desselben einfach hergestellt werden können. Zweckmäßig sind die Teilsegmente als Gleichteile ausgebildet. Hierdurch bietet sich der große Vorteil, dass eine vergleichsweise einfache Montage der Teilsegmente zum Wicklungsträger möglich ist und zur Herstellung einer Rotorwicklung an jedem Teilsegment dieselbe Wickelmaschine nutzbar ist. Hierdurch lässt sich der Wicklungsträger und damit indirekt auch der Rotor sowie die damit ausgestattete Synchronmaschine kostengünstig herstellen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung weist jedes Teilsegment zwei äußere in Umfangsrichtung voneinander abgewandte erste Arme und einen inneren sich in Umfangsrichtung erstreckenden zweiten Arm sowie einen dazwischen angeordneten Steg auf. Dies ermöglicht eine vergleichsweise einfache Montage der einzelnen Teilsegmente über ihre jeweils äußeren ersten Arme mit einem Stift, insbesondere Gelenke, aneinander, wobei jedes Teilsegment über seinen inneren zweiten Arm zusätzlich mit einem weiteren Stift, ebenfalls insbesondere gelenkig, mit einem benachbarten Teilsegment verbunden ist. Dies bietet den großen Vorteil, jedes Teilsegment mit einer zugehörigen Rotorwicklung separat vorfertigen zu können, insbesondere zu wickeln, und erst anschließend die einzelnen Teilsegmente miteinander zu verstif- ten und dadurch die geschlossene Rotorstruktur herzustellen.
Zweckmäßig ist die Rotorwicklung um einen jeweiligen Steg eines Teilsegments gewickelt. Durch die beiden äußeren sich jeweils in entgegengesetzter Umfangsrichtung erstreckenden ersten Arme ergibt sich eine Art Ausnehmung in jedem Teilsegment, in welcher die jeweiligen Rotorwicklungen aufgenommen werden kann. Die beiden äußeren ersten Arme fixieren dabei die Rotorwicklungen auch bei vergleichsweise hohen Drehzahlen von 20.000 U/min zuverlässig. Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotors weist ein jeweiliger Steg eines Teilsegments in Radialrichtung eine gleichbleibende Breite auf. Hierdurch ist ein vergleichsweise einfaches Herstellen der Rotorwicklungen, insbesondere auch automatisiert, möglich.
Zweckmäßig bilden die einzelnen Teilsegmente mit der jeweils darauf angeordneten Rotorwicklung ein vorgefertigtes Bauteil. Dies ermöglicht eine kostengünstige und qualitativ hochwertige Vorfertigung der einzelnen Teilsegmente samt Rotorwicklungen und vermeidet darüber hinaus das vergleichsweise komplizierte Herstellen von Rotorwicklungen bei in Umfangsrichtung bereits geschlossenen Wicklungsträgem.
Zweckmäßig besteht die Rotorwelle aus einem nicht-ferromagnetischen, vorzugsweise paramagnetischen, Material. Auf diese Weise wird eine unerwünschte Beeinflussung des von den Rotorwicklungen bei elektrischer Bestromung erzeugten magnetischen Rotorfeldes geringgehalten oder sogar vollständig unterbunden.
Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, eine fremderregte elektrische Synchronmaschine, insbesondere einen Traktionsmotor für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, anzugeben, mit einem Stator, der wenigstens eine elektrisch bestrombare Statorspule zum Erzeugen eines magnetischen Statorfeldes aufweist sowie einen relativ zum Stator um eine Rotorachse drehbaren Rotor entsprechend den vorherigen Absätzen. Mit der fremderregten elektrischen Synchronmaschine lassen sich die bezüglich des Rotors erzielbaren Vorteile einer einfachen Herstellbarkeit sowie einer hohen Belastungsfähigkeit, insbesondere gegenüber Fliehkräften bei hohen Drehzahlen des in den vorherigen Absätzen beschriebenen erfindungsgemäßen Rotors auch auf die fremderregte elektrische Synchronmaschine übertragen. Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Vorstehend genannte und nachfolgend noch zu nennende Bestandteile einer übergeordneten Einheit, wie z.B. einer Einrichtung, einer Vorrichtung oder einer Anordnung, die separat bezeichnet sind, können separate Bauteile bzw. Komponenten dieser Einheit bilden oder integrale Bereiche bzw. Abschnitte dieser Einheit sein, auch wenn dies in der Zeichnung anders dargestellt ist.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch:
Fig. 1 eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Rotor einer erfindungsgemäßen fremderregten elektrischen Synchronmaschine,
Fig. 2 eine Darstellung wie in Fig. 1 , jedoch mit einem anderen Rotor.
Entsprechend den Fig. 1 und 2 weist ein erfindungsgemäßer Rotor 1 für eine fremderregte elektrische Synchronmaschine 2, insbesondere für einen Traktionsmotor eines Fahrzeugs, beispielsweise eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs, eine Rotorwelle 3 auf, die sich entlang einer axialen Richtung, die gemäß den Fig. 1 und 2 senkrecht zur Blattebene verläuft, erstreckt. Ebenfalls vorgesehen ist ein Wicklungsträger 4, welcher drehfest mit der Rotorwelle 3 verbunden ist und der zumindest zwei, vorzugsweise vier oder mehr elektrisch bestrombare Rotorwicklungen 5 zum Erzeugen eines magnetischen Rotorfeldes aufweist. Gemäß der Fig. 1 weist der Rotor 1 dabei insgesamt vier Rotorwicklungen 5 auf, während er gemäß der Fig. 2 insgesamt acht Rotorwicklungen 5 besitzt. Andere Polpaarzahlen sind bei beiden Varianten denkbar.
Der Wicklungsträger 4 selbst ist durch ein Blechpaket mit mehreren entlang der axialen Richtung aufeinander gestapelten Blechteilen aus einem ferromagnetischen Material gebildete. Zusätzlich ist der Wicklungsträger 4 an seinem äußeren Umfang die einzelnen Rotorwicklungen 5 überbrückend, das heißt mit einer Brücke 6, ausgebildet. Dies bietet den großen Vorteil, dass die einzelnen Rotorwicklungen 5 nach radial außen durch die geschlossene Rotorstruktur des Wicklungsträgers 4, das heißt die jeweilige Brücke 6, fixiert sind, so dass es auch bei hohen Drehzahlen nicht zu einem Verschieben der Rotorwicklungen 5 und damit zu einem Verschieben der Pole sowie zu hohen Spannungen und Verformungen kommen kann.
Der Wicklungsträger 4 ist dabei aus einzelnen jeweils als Blechstanzteilen ausgebildeten Blechteilen hergestellt, welche in dem zusammengebauten Wicklungsträger 4 zueinander fluchtende Ausnehmungen 7 aufweist, die beispielsweise zusammen mit dem jeweiligen Blechteil einfach ausgestanzt werden können. Zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten Ausnehmungen 7 ist dabei ein Steg 8 angeordnet, der einen inneren Bereich mit einem äußeren Bereich verbindet und um welchen die jeweiligen Rotorwicklungen 5 gewickelt sind. In Umfangsrichtung zwischen zwei benachbarten Rotorwicklungen 5 kann zudem noch ein Raum 9 vorgesehen sein, welcher beispielsweise mit Luft oder einer Vergussmasse gefüllt ist. Insbesondere das Verfüllen mit einer Vergussmasse trägt dazu bei, die einzelnen Rotorwicklungen 5 zusätzlich zu stabilisieren und zu fixieren.
Jede der Ausnehmungen 7 besitzt an einer Innenseite 10 einen radial nach außen ragenden Kamm 11 , welcher linienartig ausgebildet ist und welcher die einzelnen Rotorwicklungen 5 formschlüssig fixiert.
Die einzelnen Rotorwicklungen 5 können dabei beispielsweise mittels Hair-Pin- Technologie hergestellt werden, bei welchem einzelne U-förmig, das heißt haarnadelförmig, gebogene Drähte zunächst separat vorgefertigt und in der Art eines Nests bzw. eines Korbs angeordnet werden, um anschließend in Axialrichtung, das heißt im vorliegenden Fall senkrecht zur Blattebene, in den Wicklungsträger 4 bzw. dessen Ausnehmungen 7 eingeschoben werden zu können. Alternativ ist selbstverständlich auch denkbar, dass die einzelnen Rotorwicklungen 5 mittels Nähtechnik ausgebildet sind, bei welcher ein Runddraht durch die einzelnen Ausnehmungen 7 gewoben bzw. ähnlich einem Nähen geführt wird.
Betrachtet man den erfindungsgemäßen Rotor 1 entsprechend der Fig. 2, so weicht dieser von dem erfindungsgemäßen Rotor 1 gemäß der Fig. 1 dadurch von diesem ab, dass der Wicklungsträger 4 nicht aus einzelnen parallel zur Blattebene einstückigen Blech(stanz)teilen gebildet ist, sondern aus zumindest zwei Teilsegmenten 12, gemäß der Fig. 2 aus insgesamt acht Teilsegmenten 12, die über Stifte 13 miteinander verbunden, insbesondere gelenkig miteinander verbunden, sind. Ein derartiges Teilsegment 12 kann dabei ebenfalls als Blechstanzteil kostengünstig ausgebildet werden, wobei mehrere derartiger Blechstanzteile in Axialrichtung aufeinandergestapelt das jeweilige Teilsegment 12 ergeben. Der große Vorteil derartiger Teilsegmente 12 ist, dass die das jeweilige Teilsegment 12 umwickelnde Rotorwicklung 5 an einem separaten Teilsegment 12 hergestellt werden kann, wodurch insbesondere auf ein Nähen bzw. ein Herstellen der Rotorwicklungen 5 mit Hair-Pin-Technologie, wie dies gemäß der Fig. 1 erforderlich ist, verzichtet werden kann. Die jeweilige Rotorwicklung 5 wird dabei um einen Steg 8' des jeweiligen Teilsegments 12 gewickelt.
Vorzugsweise sind dabei die einzelnen Blechteile der Teilsegmente 12 bzw. die Teilsegmente 12 als Gleichteile ausgebildet, wodurch zu deren Herstellung dieselbe Blechstanzmaschine sowie dieselbe Wickelvorrichtung zum Herstellen der jeweiligen Rotorwicklung 5 verwendet werden können.
Gemäß der Fig. 2 weist jedes der Teilsegmente 12 zwei äußere und in Umfangsrichtung voneinander abgewandte erste Arme 14 sowie einen inneren sich in Umfangsrichtung erstreckenden zweiten Arm 15 und den dazwischen angeordneten Steg 8' auf. Zwei benachbarte Teilsegmente 12 sind dabei über ihre jeweiligen äußeren ersten Arme 14 mit dem Stift 13, insbesondere gelenkig, miteinander verbunden und zusätzlich über den jeweiligen inneren zweiten Arm 15. Beim Herstellen der einzelnen Blechstanzteile des jeweiligen Teilsegments 12 können dabei für die Pins 13 bereits Durchgangsöffnungen 16 vorgesehen werden, welche in montiertem Zustand in Axialrichtung fluchtend zueinander angeordnet sind und dadurch das Einführen des Stiftes 13 vergleichsweise einfach ermöglichen.
Im Unterschied zu den Stegen 8 des Rotors 1 entsprechend der Fig. 1 , weisen die Stege 8' des Rotors 1 entsprechend der Fig. 2 in Radialrichtung eine gleichbleibende Breite B auf, wodurch die Rotorwicklungen 5 vergleichsweise einfach um den jeweiligen Steg 8' gewickelt werden können. Die Rotorwicklungen 5 zweier benachbarter Teilsegmente 12 können dabei auch miteinander in Kontakt kommen, so dass der zwischen zwei benachbarten Stegen 8' und zwei über einen Stift 13 miteinander verbundenen äußeren ersten Armen 14 begrenzte Aus- nehmung 7 vollständig mit Rotorwicklungen 5 gefüllt sein kann, wobei selbstverständlich klar ist, dass zwei benachbarte Rotorwicklungen 5 elektrisch nichtleitend voneinander getrennt sind. Hierdurch lässt sich ein hoher Füllfaktor und damit eine hohe Leistungsfähigkeit des mit dem erfindungsgemäßen Rotors 1 ausgestatteten Elektromotors beispielsweise der Synchronmaschine 2, erreichen.
Die Rotorwelle 3 kann aus einem nicht-ferromagnetischen, vorzugsweise paramagnetischen, Material bestehen, wodurch eine unerwünschte Beeinflussung des von den Rotorwicklungen 5 bei elektrischer Bestromung erzeugen magnetischen Rotorfeldes geringgehalten oder sogar vollständig unterbunden werden kann.
Mit den erfindungsgemäß geschlossenen Rotorstrukturen der einzelnen Wicklungsträger 4 können auch die bei hohen Umdrehungszahlen von bis zu 20.000 U/min. auftretenden hohen Zentrifugalkräfte problemlos aufgenommen werden, da durch die in Umfangsrichtung außen geschlossene Rotorstruktur dazu beiträgt, die Rotorwicklungen 5 zu stützen und dem gesamten Rotor 1 eine ausreichend hohe Steifigkeit zu verleihen.
Eingesetzt werden kann der erfindungsgemäße Rotor 1 in einer fremderregten elektrischen Synchronmaschine 2, welche beispielsweise als Traktionsmotor für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug ausgebildet ist. Diese fremderregte elektrische Synchronmaschine 2 besitzt einen Stator 17, welcher wenigstens eine elektrisch bestrombare und nicht gezeigte Statorspule zum Erzeugen eines magnetischen Statorfeldes besitzt. Innerhalb des Stators 17 ist der um eine Rotorachse, die entsprechend den Fig. 1 und 2 ebenfalls senkrecht zur Blattebene verläuft, drehbare Rotor 1 angeordnet. Hierdurch lässt sich eine fremderregte elektrische Synchronmaschine 2 erreichen, welche selbst bei hohen Drehzahlen eine ausreichende Steifigkeit aufweist und ein Berstrisiko minimiert.
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Claims

Patentansprüche
1 . Rotor (1 ) für eine fremderregte elektrische Synchronmaschine (2), insbesondere für einen Traktionsmotor eines Fahrzeugs,
- mit einer Rotorwelle (3), die sich entlang einer axialen Richtung erstreckt,
- mit einem Wicklungsträger (4), der drehtest mit der Rotorwelle (3) verbunden ist und der zumindest zwei, vorzugsweise vier oder mehr elektrisch bestrom- bare Rotorwicklungen (5) zum Erzeugen eines magnetischen Rotorfeldes aufweist,
- wobei der Wicklungsträger (4) durch ein Blechpaket mit mehreren entlang der axialen Richtung aufeinandergestapelten Blechteilen aus einem ferromagnetischen Material gebildet ist,
- wobei der Wicklungsträger (4) an seinem äußeren Umfang die Rotorwicklungen (5) überbrückt und geschlossen ausgebildet ist.
2. Rotor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in Umfangsrichtung zwischen zwei benachbarten Rotorwicklungen (5) eine Ausnehmung (7) vorgesehen ist.
3. Rotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei benachbarten Rotorwicklungen in der Ausnehmung (7) zumindest ein Raum (9) mit Luft oder einer Vergussmasse verfallt ist.
4. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Blechteile des Wicklungsträgers (4) als Blechstanzteil ausgebildet sind. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
- dass die Rotorwicklungen (5) mittels Hair-Pin-Technologie hergestellt sind, oder
- dass die Rotorwicklungen (5) mittels Nähtechnik hergestellt sind. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wicklungsträger (4) zumindest zwei Teilsegmente (12) aufweist. Rotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilsegmente (12) als Gleichteile ausgebildet sind. Rotor nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Teilsegment (12) zwei äußere in Umfangsrichtung voneinander abgewandte erste Arme (14) und einen inneren sich in Umfangsrichtung erstreckenden zweiten Arm (15) sowie einen dazwischen angeordneten Steg (8') aufweist. Rotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
- dass zwei benachbarte Teilsegmente (12) über ihre äußeren ersten Arme (14) mit einem Stift (13), insbesondere gelenkig, miteinander verbunden sind, und/oder - dass ein Teilsegment (12) über seinen inneren zweiten Arm (15) mit einem Stift (13), insbesondere gelenkig, mit einem benachbarten Teilsegment (12) verbunden ist. . Rotor nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorwicklung (5) um den jeweiligen Steg (8') eines Teilsegments (12) gewickelt ist. . Rotor nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Steg (8') eines Teilsegments (12) in Radialrichtung eine gleichbleibende Breite (B) aufweist. . Rotor nach einem der Ansprüche 6 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Teilsegmente (12) mit den darauf angeordneten Rotorwicklungen (5) vorgefertigte Bauteile bilden. . Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorwelle (3) aus einem nicht-ferromagnetischen, vorzugsweise paramagnetischen, Material besteht. . Fremderregte elektrische Synchronmaschine (2), insbesondere Traktionsmotor für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug,
- mit einem Stator (17), der wenigstens eine elektrisch bestrombare Statorspule zum Erzeugen eines magnetischen Statorfeldes aufweist, - mit einem relativ zum Stator um eine Rotorachse drehbaren Rotor (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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