EP4388639A1 - Rotor mit einer haltevorrichtung für eine spulenvorrichtung, elektrische maschine mit einem rotor und kraftfahrzeug mit einer elektrischen maschine - Google Patents

Rotor mit einer haltevorrichtung für eine spulenvorrichtung, elektrische maschine mit einem rotor und kraftfahrzeug mit einer elektrischen maschine

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Publication number
EP4388639A1
EP4388639A1 EP22757542.0A EP22757542A EP4388639A1 EP 4388639 A1 EP4388639 A1 EP 4388639A1 EP 22757542 A EP22757542 A EP 22757542A EP 4388639 A1 EP4388639 A1 EP 4388639A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rotor
holding element
coil
holding
receiving opening
Prior art date
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Pending
Application number
EP22757542.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Robert Schmidt
Jerome Ragot
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bayerische Motoren Werke AG
Original Assignee
Bayerische Motoren Werke AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Bayerische Motoren Werke AG filed Critical Bayerische Motoren Werke AG
Publication of EP4388639A1 publication Critical patent/EP4388639A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K3/00—Details of windings
    • H02K3/46—Fastening of windings on the stator or rotor structure
    • H02K3/48—Fastening of windings on the stator or rotor structure in slots
    • H02K3/487—Slot-closing devices
    • 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
    • H02K1/26—Rotor cores with slots for windings

Definitions

  • the invention relates to a rotor for an electrical machine according to the preamble of patent claim 1. Further aspects of the invention relate to an electrical machine with such a rotor and a motor vehicle with an electrical machine.
  • PSM machines In order to improve the maximum power and the continuous performance of electric motors, various approaches are known from the prior art.
  • the continuous output of so-called PSM machines can be increased, for example, by cooling their rotors using a fluid, in particular a coolant.
  • the fluid flows through a rotor shaft of the respective rotor, by means of which heat generated during operation of the PSM machine is dissipated along a heat path from the respective magnets of the rotor and via the respective laminated cores of the rotor and via the rotor shaft out of the rotor.
  • the object of the present invention is to provide a rotor, an electric machine and a motor vehicle which can be operated in a particularly fail-safe manner at high rotor speeds.
  • a first aspect of the invention relates to a rotor for an electrical machine, with at least one laminated rotor core, which has at least one coil receiving opening, with at least one coil device, which is arranged in the at least one coil receiving opening, and with at least one holding device, which is joined to the laminated rotor core and prevents a movement of the at least one coil device caused by centrifugal force when the electric machine is used as intended in the radial direction of extension of the rotor outwards and out of the at least one coil receiving opening.
  • the at least one holding device comprises a first holding element joined to the laminated rotor core, which at least partially closes the at least one coil receiving opening outwards in the direction of radial extension and thereby prevents the movement, as well as at least one second holding element joined to the laminated rotor core comprises, which is arranged in the radial direction of extension between the first holding element and an axis of rotation of the rotor and supports at least one coil device part of the at least one coil device against the movement caused by centrifugal force.
  • the rotor can be designed in particular as a multi-pole non-salient pole rotor, that is to say it can have a number of pole pairs greater than or equal to two.
  • the first holding element can be designed in particular as a multi-pole non-salient pole rotor, that is to say it can have a number of pole pairs greater than or equal to two.
  • the first holding element can be designed in particular as a multi-pole non-salient pole rotor, that is to say
  • the retaining device can act at different points of the coil device and can be supported on the laminated rotor core.
  • the first holding element can be used, for example, on the one hand to close the coil receiving opening outwards in the radial direction of extension and to counteract the movement caused by centrifugal force by supporting the coil device on the first holding element
  • the second holding element which is located further inward in the radial direction of extension, serves to support the coil device part, ie a part of the coil device.
  • the slot sealing wedge effectively holds the windings back, with sufficient heat dissipation of the coils (current-carrying components) being ensured during operation and an air gap between the rotor and stator not being reduced in an impermissible manner.
  • the invention comes into play here, since the holding elements secure the coil device against movement at points spaced apart from one another in the radial direction of extent, so that the coil device is supported not only at the outermost end of the coil receiving opening in the radial direction of extent, but also further inwards in the radial direction of extent, i.e. between the extreme end and the axis of rotation. As a result, an improved distribution of holding forces caused by centrifugal force can be effected via the holding elements on the laminated rotor core.
  • the at least one coil device comprises at least two coils, of which a first coil is supported by the first holding element and a second coil by the second holding element against the movement caused by centrifugal force.
  • the coil device has at least the two coils, which are separate from one another and are each supported by one of the holding elements on the laminated rotor core.
  • the second holding element holds the at least two coils at a distance from one another or the second holding element is connected to a coil connection region connecting the at least two coils to one another at least one coil device engaged, in particular positively engaged. If the second holding element holds the at least two coils at a distance from one another, a respective load distribution of centrifugal forces can take place in a particularly targeted manner on the individual holding elements, so that one of the holding elements holds one of the coils and prevents the movement.
  • the coils coupled to one another via the coil connection area can advantageously be inserted simultaneously into the coil receiving opening, and both holding elements can move together of the entire coil device.
  • the second holding element can have a U-shaped cross section and, in its arrangement on the laminated rotor core, partially encompasses the coil device at the coil connection area.
  • the first holding element and/or the second holding element is/are connected to the laminated rotor core in a form-fitting manner. This is advantageous because a particularly durable and reversible, ie non-destructive, detachable connection can thereby be created between the first holding element and/or the second holding element and the laminated rotor core.
  • the at least one coil receiving opening is designed as a groove and the first holding element and/or the second holding element is designed as a wedge, in particular a slot sealing wedge. This is advantageous since the groove and the groove sealing wedge can be produced with little effort.
  • the first holding element is in contact with a larger contact surface of the laminated rotor core than the second holding element.
  • the holding elements are formed from different materials. This advantageously enables a particularly flexible design of the rotor and distribution of rotating masses, so that a small mass moment of inertia of the rotor can be realized with sufficient durability.
  • the first holding element is made of a metallic material and the second holding element is made of a plastic. In an advantageous manner, this enables a configuration and choice of material that is particularly suitable for the load of the respective holding elements.
  • the metallic material can in particular be steel, for example stainless steel.
  • a second aspect of the invention relates to an electrical machine with a rotor according to the first aspect of the invention.
  • Such an electrical machine can be operated in a particularly fail-safe manner.
  • a third aspect of the invention relates to a motor vehicle with an electrical machine according to the second aspect of the invention, the electrical machine being designed as a traction machine of the motor vehicle.
  • a motor vehicle can be operated in a particularly fail-safe manner.
  • Fig. 1 shows a schematic sectional view of a partial area of a rotor of an electrical machine, which has a laminated rotor core with a coil receiving opening, in which a coil device with two coils is arranged, which is held by respective holding elements of a holding device of the rotor against a movement caused by centrifugal force in the radial direction of extension are supported, a second holding member of the holding members holding the two coils at a distance from each other; and
  • FIG. 2 shows a schematic sectional view of a partial area of a variant of the rotor, in which the second holding element engages with a coil connection area of the at least one coil device that connects the at least two coils to one another.
  • FIG. 1 and 2 each show schematic sectional illustrations of a partial area of a rotor 20 according to a sectional plane that runs perpendicularly to an axis of rotation RA of the rotor 20 .
  • the rotor 20 is assigned to an electrical machine 10, shown only schematically and in a highly abstract manner, which is configured as a traction machine of a motor vehicle K, also shown schematically and in a highly abstracted manner.
  • a stator 12 of the electrical machine 10 is also shown in a highly abstracted manner, with the rotor 20 being mounted such that it can rotate relative to the stator 12 .
  • the rotor 20 comprises a rotor laminated core 30 which has a plurality of coil receiving openings 40 designed as respective slots.
  • the coil receiving openings 40 are distributed regularly in the circumferential direction of the rotor 20, which cannot be seen on the basis of the detail representation in FIGS. 1 and 2.
  • the rotor 20 comprises a plurality of coil devices 50, one of which is arranged in one of the coil receiving openings 40 in each case.
  • the rotor 20 comprises a plurality of holding devices 70, which are joined to the rotor lamination stack 30 and a respective movement B of the coil devices 50, indicated by an arrow, caused by centrifugal force during intended use of the electric machine 10 in the direction of radial extension R of the rotor 20 outwards and from the respective spool receiving openings 40 out.
  • Intended use is to be understood as meaning use of the electric machine 10 in which the rotor 20 rotates relative to the stator 12 to generate drive power driving the motor vehicle K (motor operation) or to recover energy (recuperation; generator operation). .
  • Each of the holding devices 70 comprises a first holding element 72 which is joined to the rotor laminated core 30 and which closes the respective coil receiving opening 40 outwards in the direction of radial extension R and thereby prevents the movement B.
  • each of the holding devices 70 includes a with the Rotor laminated core 30 joined, second holding element 76, which is arranged in the radial extension direction R between the first holding element 72 and the axis of rotation RA of the rotor 10 and a respective coil device part 56 of the respective coil device 50 against the movement B caused by centrifugal force.
  • the first holding element 72 and the second holding element 76 are each connected in a form-fitting manner to the laminated rotor core 30 and can each be designed as a wedge, in particular a slot sealing wedge.
  • Each of the coil devices 50 comprises two coils 52, 54, of which a first coil 52 is supported by means of the respective first holding element 72 and a second coil 54 by means of the respective second holding element 76 with respect to the movement B caused by centrifugal force.
  • the second holding element 76 holds the two coils 52, 54 at a distance A from one another.
  • the second holding element 76 is in engagement with a coil connection region 58 of the respective coil device 50, which connects the two coils 52, 54 to one another.
  • the second holding element 76 has, for example, a U-shaped cross section and can thereby encompass the coil connection region 58, at which the coil device 50 is tapered and the coils 52, 54 are connected to one another.
  • the respective first holding elements 72 are in contact with a larger contact surface of the laminated rotor core 30 than the respective second holding elements 76.
  • the holding elements 72, 76 are made of different materials, the first holding elements 72 being made of a metallic material and the second holding elements 76 being made of a plastic.
  • the concept presented here is based on the principle of the combination of the optimal geometric design of the holding elements 72, 76 (slot sealing wedges) and their optimal choice of material.
  • the centrifugal forces can be distributed to the respective holding elements 72, 76 by separating the coils 52, 54 and thus the individual load on the respective holding element 72, 76 can be significantly reduced, whereby the holding elements 72, 76 (slot sealing wedges) can be made smaller overall.
  • a further step towards the stability of the rotor 20 is the selection of different materials for the slot sealing wedges 72, 76.
  • the radially outer slot sealing wedges (first holding element 72), which are closest to the pole core, can preferably be made of a metallic material, e.g.
  • the slot sealing wedges (second holding element 76) located further inwards can be made of plastic, since the mechanical loads are significantly lower here.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Insulation, Fastening Of Motor, Generator Windings (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rotor (20) für eine elektrische Maschine (10), mit wenigstens einem Rotorblechpaket (30), welches wenigstens eine Spulenaufnahmeöffnung (40) aufweist, mit zumindest einer Spulenvorrichtung (50), welche in der wenigstens einen Spulenaufnahmeöffnung (40) angeordnet ist und mit zumindest einer Haltevorrichtung (70), welche mit dem Rotorblechpaket (30) gefügt ist und eine fliehkraftbedingte Bewegung (B) der zumindest einen Spulenvorrichtung (50) beim bestimmungsgemäßen Gebrauch der elektrischen Maschine (10) in Radialerstreckungsrichtung (R) des Rotors (20) nach außen und aus der wenigstens einen Spulenaufnahmeöffnung (40) heraus unterbindet. Die zumindest eine Haltevorrichtung (70) umfasst ein mit dem Rotorblechpaket (30) gefügtes, erstes Halteelement (72), welches die wenigstens eine Spulenaufnahmeöffnung (40) in Radialerstreckungsrichtung (R) nach außen hin zumindest bereichsweise verschließt und dadurch die Bewegung (B) unterbindet sowie wenigstens ein, mit dem Rotorblechpaket (30) gefügtes, zweites Halteelement (76) umfasst, welches in Radialerstreckungsrichtung (R) zwischen dem ersten Haltelement (72) und einer Rotationsachse (RA) des Rotors (10) angeordnet ist und zumindest einen Spulenvorrichtungsteil (56) der zumindest einen Spulenvorrichtung (50) gegen die fliehkraftbedingte Bewegung (B) abstützt.

Description

Rotor mit einer Haltevorrichtung für eine Spulenvorrichtung, elektrische Maschine mit einem Rotor und Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Maschine
Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Weitere Aspekte der Erfindung betreffen eine elektrische Maschine mit einem derartigen Rotor sowie ein Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Maschine.
Um die Maximalleistung sowie die Dauerleistungsfähigkeit von Elektromotoren zu verbessern, sind dem Stand der Technik verschiedene Ansätze als bekannt zu entnehmen. Die Dauerleistung von sogenannten PSM-Maschinen kann beispielsweise erhöht werden, indem deren Rotoren mittels eines Fluids, insbesondere Kühlmittels, gekühlt werden. Üblicherweise erfolgt hierbei eine Durchströmung einer Rotorwelle des jeweiligen Rotors mit dem Fluid, mittels welchem beim Betrieb der PSM-Maschine entstehende Wärme entlang eines Wärmepfades von jeweiligen Magneten des Rotors sowie über jeweilige Blechpakete des Rotors und über die Rotorwelle aus dem Rotor abgeführt wird.
Ein anderer Ansatz besteht darin, je nach Ausgestaltung des Elektromotors, sogenannte Seltenerdmagnete als Permanentmagnete einzusetzen, welche eine hohe Energiedichte aufweisen. Allerdings kommt es beispielsweise zu einer starken Umweltbelastung bei der Gewinnung von seltenen Erden.
Um steigenden Anforderungen an die Maximalleistung gerecht zu werden, gilt es auch die sogenannte Dauerhaltbarkeit von elektrischen Maschinen und vor allem deren Rotoren zu erhöhen. Hierzu zählen beispielsweise Maßnahmen, welche die Ausfallsicherheit von Rotoren bei hohen Rotordrehzahlen erhöhen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Rotor, eine elektrische Maschine sowie ein Kraftfahrzeug bereitzustellen, welche bei hohen Rotordrehzahlen besonders ausfallsicher betrieben werden können.
Diese Aufgabe wird durch einen Rotor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 9, sowie durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine, mit wenigstens einem Rotorblechpaket, welches wenigstens eine Spulenaufnahmeöffnung aufweist, mit zumindest einer Spulenvorrichtung, welche in der wenigstens einen Spulenaufnahmeöffnung angeordnet ist und mit zumindest einer Haltevorrichtung, welche mit dem Rotorblechpaket gefügt ist und eine fliehkraftbedingte Bewegung der zumindest einen Spulenvorrichtung beim bestimmungsgemäßen Gebrauch der elektrischen Maschine in Radialerstreckungsrichtung des Rotors nach außen und aus der wenigstens einen Spulenaufnahmeöffnung heraus unterbindet.
Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass die zumindest eine Haltevorrichtung ein mit dem Rotorblechpaket gefügtes, erstes Halteelement umfasst, welches die wenigstens eine Spulenaufnahmeöffnung in Radialerstreckungsrichtung nach außen hin zumindest bereichsweise verschließt und dadurch die Bewegung unterbindet sowie wenigstens ein, mit dem Rotorblechpaket gefügtes, zweites Halteelement umfasst, welches in Radialerstreckungsrichtung zwischen dem ersten Haltelement und einer Rotationsachse des Rotors angeordnet ist und zumindest einen Spulenvorrichtungsteil der zumindest einen Spulenvorrichtung gegen die fliehkraftbedingte Bewegung abstützt. Der Rotor kann insbesondere als mehrpoliger Vollpolläufer ausgebildet sein, also eine Polpaaranzahl von größer oder gleich zwei aufweisen. Das erste Halteelement kann die
Spulenaufnahmeöffnung bevorzugt vollständig in Radialerstreckungsrichtung nach außen hin verschließen oder bereichsweise verschließen, d.h. zumindest verengen. Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch die Haltevorrichtung jeweilige, die Bewegung unterbindende Rückhaltekräfte an voneinander verschiedenen Stellen der Spulenvorrichtung angreifen und an dem Rotorblechpaket abgestützt werden können. Während das erste Halteelement beispielsweise einerseits dazu genutzt werden kann, die Spulenaufnahmeöffnung in Radialerstreckungsrichtung nach außen hin zu verschließen und der fliehkraftbedingten Bewegung entgegenwirkt, indem die Spulenvorrichtung am ersten Halteelement abgestützt wird, dient das in Radialerstreckungsrichtung weiter innen liegende, zweite Halteelement zur Abstützung des Spulenvorrichtungsteils, also eines Teils der Spulenvorrichtung. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass Spulen, von Rotoren, die insbesondere als mehrpolige Vollpolläufer (Polpaarzahl >=2) ausgestaltet sind, in Radialerstreckungsrichtung von außen in das Rotorblechpaket und dabei in die Spulenaufnahmeöffnung eingeführt werden, wobei anschließend ein Verschließen der Spulenaufnahmeöffnung mit einem Nutverschlusskeil erfolgt, um einen sicheren Betrieb der elektrischen Maschine zu gewährleisten. Da eine Fügerichtung der Spulen beispielsweise bei mehrpoligen Vollpolläufern nicht in die gleiche Richtung wie die Fliehkraft zeigt, wird das Rotorblechpaket unter Drehzahlbelastung auseinandergezogen und fächert dadurch auf. Der Nutverschlusskeil hält trotz des entstehenden Spalts zwischen den Wicklungen und einer die Spulenaufnahmeöffnung begrenzenden Wandung des Rotorblechpakets die Wicklungen effektiv zurück, wobei eine hinreichende Entwärmung der Spulen (stromtragende Bauteile) bei Betrieb sichergestellt und ein Luftspalt zwischen Rotor und Stator nicht in unzulässiger Weise verkleinert wird.
Die Erfindung setzt hier an, da die Halteelemente die Spulenvorrichtung an in Radialerstreckungsrichtung voneinander beabstandeten Stellen gegen die Bewegung sichern, sodass eine Abstützung der Spulenvorrichtung nicht nur am in Radialerstreckungsrichtung äußersten Ende der Spulenaufnahmeöffnung erfolgt, sondern auch in Radialerstreckungsrichtung weiter innen liegend, also beispielsweise zwischen dem äußersten Ende und der Rotationsachse. Dadurch kann eine verbesserte Verteilung von fliehkraftbedingten Haltekräften über die Halteelemente auf das Rotorblechpaket bewirkt werden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst die zumindest eine Spulenvorrichtung zumindest zwei Spulen, von welchen eine erste Spule mittels des ersten Halteelements und eine zweite Spule mittels des zweiten Haltelements gegenüber der fliehkraftbedingten Bewegung abgestützt ist. Dies ist von Vorteil, da hierdurch eine besonders haltbare Fixierung der in der Spulenaufnahmeöffnung angeordneten Spulen erfolgen kann. Die Spulenvorrichtung weist dabei wenigstens die zwei Spulen auf, welche voneinander getrennt und jeweils durch eines der Haltelemente am Rotorblechpaket abgestützt sind. Dadurch können jeweilige Werkstoffe der Halteelemente ebenso flexibel ausgewählt werden, wie eine jeweilige geometrische Gestalt und insbesondere Größe der Halteelemente.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung hält das zweite Halteelement die zumindest zwei Spulen in einem Abstand zueinander oder das zweite Halteelement ist mit einem die zumindest zwei Spulen miteinander verbindenden Spulenverbindungsbereich der zumindest einen Spulenvorrichtung in Eingriff, insbesondere formschlüssig in Eingriff. Sofern das zweite Halteelement die zumindest zwei Spulen in einem Abstand zueinander hält, kann eine jeweilige Lastverteilung von fliehkraftbedingen Kräften besonders gezielt auf die einzelnen Halteelemente erfolgen, sodass jeweils eines der Halteelemente jeweils eine der Spulen hält und die Bewegung unterbindet. Für den alternativen Fall, wonach das zweite Halteelement mit einem die zumindest zwei Spulen miteinander verbindenden Spulenverbindungsbereich der zumindest einen Spulenvorrichtung in Eingriff ist, können die über den Spulenverbindungsbereich miteinander gekoppelten Spulen in vorteilhafter weise gleichzeitig in die Spulenaufnahmeöffnung eingeführt werden, und beide Halteelemente gemeinsam das Bewegen der gesamten Spulenvorrichtung unterbinden. Denkbar ist beispielsweise, dass das zweite Halteelement einen U-förmigen Querschnitt aufweisen kann und in dessen Anordnung an dem Rotorblechpaket die Spulenvorrichtung an dem Spulenverbindungsbereich bereichsweise umgreift.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das erste Halteelement und/oder das zweite Halteelement formschlüssig mit dem Rotorblechpaket verbunden. Dies ist von Vorteil, da hierdurch eine besonders haltbare und reversibel, also zerstörungsfrei, lösbare Verbindung zwischen dem ersten Halteelement und/oder dem zweiten Halteelement und dem Rotorblechpaket geschaffen werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die wenigstens eine Spulenaufnahmeöffnung als Nut ausgestaltet und das erste Halteelement und/oder das zweite Halteelement als Keil, insbesondere Nutverschlusskeil, ausgebildet. Dies ist von Vorteil, da die Nut sowie der Nutverschlusskeil aufwandsarm hergestellt werden können.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das erste Halteelement an einer größeren Anlagefläche des Rotorblechpaketes in Anlage als das zweite Halteelement. Dadurch kann in vorteilhafter Weise eine besonders bauteilschonende Verteilung von fliehkraftbedingten Drücken bzw. Spannungen auf das Rotorblechpaket erzielt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die Halteelemente aus voneinander verschiedenen Werkstoffen gebildet. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise eine besonders flexible Ausgestaltung des Rotors und Verteilung von rotierenden Massen, sodass ein kleines Massenträgheitsmoment des Rotors bei ausreichender Dauerhaltbarkeit realisiert werden kann. In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das erste Halteelement aus einem metallischen Werkstoff und das zweite Halteelement aus einem Kunststoff gebildet. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise eine besonders belastungsgerechte Ausgestaltung und Werkstoffwahl der jeweiligen Halteelemente. Der metallische Werkstoff kann insbesondere Stahl, beispielsweise Edelstahl, sein.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Rotor gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung. Eine derartige elektrische Maschine kann besonders ausfallsicher betrieben werden.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Maschine gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung, wobei die elektrische Maschine als Traktionsmaschine des Kraftfahrzeugs ausgebildet ist. Ein derartiges Kraftfahrzeug kann besonders ausfallsicher betrieben werden.
Die in Bezug auf einen der Aspekte vorgestellten, bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für die jeweils anderen Aspekte der Erfindung und umgekehrt.
Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen.
Im Folgenden ist die Erfindung noch einmal anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels erläutert. Hierzu zeigt:
Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Teilbereichs eines Rotors einer elektrischen Maschine, welcher ein Rotorblechpaket mit einer Spulenaufnahmeöffnung aufweist, in welchen eine Spulenvorrichtung mit zwei Spulen angeordnet ist, welche durch jeweilige Halteelemente einer Haltevorrichtung des Rotors gegenüber einer fliehkraftbedingten Bewegung in Radialerstreckungsrichtung abgestützt sind, wobei ein zweites Halteelement der Halteelemente die zwei Spulen in einem Abstand zueinander hält; und
Fig. 2 eine schematische Schnittdarstellung eines Teilbereichs einer Variante des Rotors, bei welcher das zweite Halteelement mit einem die zumindest zwei Spulen miteinander verbindenden Spulenverbindungsbereich der zumindest einen Spulenvorrichtung in Eingriff ist.
Fig. 1 und Fig. 2 zeigen jeweils schematische Schnittdarstellungen eines Teilbereichs eines Rotors 20 gemäß einer Schnittebene, die senkrecht zu einer Rotationsachse RA des Rotors 20 verläuft. Der Rotor 20 ist einer lediglich schematisch und stark abstrahiert dargestellten, elektrischen Maschine 10 zugeordnet, welche als Traktionsmaschine eines ebenfalls schematisch und stark abstrahiert dargestellten Kraftfahrzeug K ausgestaltet ist. Ebenfalls stark abstrahiert dargestellt ist ein Stator 12 der elektrischen Maschine 10, wobei der Rotor 20 relativ zu dem Stator 12 drehbar gelagert ist.
Der Rotor 20 umfasst ein Rotorblechpaket 30, welches eine Mehrzahl an als jeweilige Nuten ausgebildete Spulenaufnahmeöffnungen 40 aufweist. Die Spulenaufnahmeöffnungen 40 sind in Umfangsrichtung des Rotors 20 regelmäßig verteilt, was aufgrund der ausschnittsweisen Darstellung in Fig. 1 und Fig. 2 nicht erkennbar ist. Ebenso umfasst der Rotor 20 eine Mehrzahl an Spulenvorrichtungen 50, von welchen jeweils eine in einer der Spulenaufnahmeöffnungen 40 angeordnet ist.
Des Weiteren umfasst der Rotor 20 eine Mehrzahl an Haltevorrichtungen 70, welche mit dem Rotorblechpaket 30 gefügt sind und eine jeweilige, durch einen Pfeil verdeutlichte, fliehkraftbedingte Bewegung B der Spulenvorrichtungen 50 beim bestimmungsgemäßen Gebrauch der elektrischen Maschine 10 in Radialerstreckungsrichtung R des Rotors 20 nach außen und aus den jeweiligen Spulenaufnahmeöffnungen 40 heraus unterbinden. Unter dem bestimmungsgemäßen Gebrauch ist eine Nutzung der elektrischen Maschine 10 zu verstehen, bei welcher es zu einer Rotation des Rotors 20 relativ zu dem Stator 12 zur Erzeugung von das Kraftfahrzeug K antreibender Antriebsleistung (Motorbetrieb) oder zur Rückgewinnung von Energie (Rekuperation; Generatorbetrieb) kommt.
Jede der Haltevorrichtungen 70 umfasst ein mit dem Rotorblechpaket 30 gefügtes, erstes Halteelement 72, welches die jeweilige Spulenaufnahmeöffnung 40 in Radialerstreckungsrichtung R nach außen hin verschließt und dadurch die Bewegung B unterbindet. Darüber hinaus umfasst jede der Haltevorrichtungen 70 ein mit dem Rotorblechpaket 30 gefügtes, zweites Halteelement 76, welches in Radialerstreckungsrichtung R zwischen dem ersten Haltelement 72 und der Rotationsachse RA des Rotors 10 angeordnet ist und einen jeweiligen Spulenvorrichtungsteil 56 der jeweiligen Spulenvorrichtung 50 gegen die fliehkraftbedingte Bewegung B abstützt.
Das erste Halteelement 72 und das zweite Halteelement 76 sind jeweils formschlüssig mit dem Rotorblechpaket 30 verbunden und können jeweils als Keil, insbesondere Nutverschlusskeil, ausgebildet sein.
Jede der Spulenvorrichtungen 50 umfasst zwei Spulen 52, 54, von welchen eine erste Spule 52 mittels des jeweiligen ersten Halteelements 72 und eine zweite Spule 54 mittels des jeweiligen zweiten Haltelements 76 gegenüber der fliehkraftbedingten Bewegung B abgestützt ist.
Das zweite Halteelement 76 hält in der in Fig. 1 gezeigten Variante die zwei Spulen 52, 54 in einem Abstand A zueinander.
In der in Fig. 2 gezeigten Variante ist das zweite Halteelement 76 mit einem die zwei Spulen 52, 54 miteinander verbindenden Spulenverbindungsbereich 58 der jeweiligen Spulenvorrichtung 50 in Eingriff. In der in Fig. 2 gezeigten Variante weist das zweite Halteelement 76 beispielhaft einen U-förmigen Querschnitt auf und kann dadurch den Spulenverbindungsbereich 58, an welchem die Spulenvorrichtung 50 verjüngt ist und die Spulen 52, 54 miteinander verbunden sind, bereichsweise umgreifen.
Die jeweiligen ersten Halteelemente 72 sind an einer größeren Anlagefläche des Rotorblechpaketes 30 in Anlage als die jeweiligen zweiten Halteelemente 76.
Die Halteelemente 72, 76 sind aus voneinander verschiedenen Werkstoffen gebildet, wobei die ersten Halteelemente 72 aus einem metallischen Werkstoff und die zweiten Halteelemente 76 aus einem Kunststoff gebildet sind.
Das hier dargestellte Konzept basiert auf dem Prinzip der Kombination aus geometrischer optimaler Gestaltung der Halteelemente 72, 76 (Nutverschlusskeile) sowie deren optimale Materialauswahl.
Zur Verringerung der Fliehkräfte ist es sinnvoll, in die Spulenaufnahmeöffnung 40 (Nut) mehrere einzelne Spulen 52, 54, statt einer großen Spule einzusetzen. Die Fliehkräfte können durch die T rennung der Spulen 52, 54 auf die jeweiligen Halteelemente 72, 76 aufgeteilt und damit die Einzelbelastung des jeweiligen Halteelements 72, 76 deutlich reduziert werden, wodurch die Halteelemente 72, 76 (Nutverschlusskeile) insgesamt kleiner ausgeführt werden können. Ein weiterer Schritt zur Stabilität des Rotors 20 bildet die Auswahl an unterschiedlichen Werkstoffen für die Nutverschlusskeile 72, 76. Die radial äußeren Nutverschlusskeile (erstes Halteelement 72), die dem Polkern am nächsten sind, können bevorzugt aus einem metallischen Werkstoff, z.B. Edelstahl, ausgeführt werden, um die radialen Deformationen der Spulen 52, 54 bei Betrieb am geringsten (ca. -25%) zu halten. Die weiter innenliegenden Nutverschlusskeile (zweites Halteelement 76) können aus Kunststoff ausgeführt werden, da hier die mechanischen Belastungen deutlich geringer sind.
Bezugszeichenliste
10 Elektrische Maschine
12 Stator
20 Rotor
30 Rotorblechpaket
40 Spulenaufnahmeöffnung
50 Spulenvorrichtung
52 erste Spule
54 zweite Spule
56 Spulenvorrichtungsteil
58 Spulenverbindungsbereich
70 Haltevorrichtung
72 erstes Halteelement
76 zweites Halteelement
A Abstand
B Bewegung
K Kraftfahrzeug
R Radialerstreckungsrichtung
RA Rotationsachse

Claims
Ansprüche Rotor (20) für eine elektrische Maschine (10), mit wenigstens einem Rotorblechpaket (30), welches wenigstens eine Spulenaufnahmeöffnung (40) aufweist, mit zumindest einer Spulenvorrichtung (50), welche in der wenigstens einen Spulenaufnahmeöffnung (40) angeordnet ist und mit zumindest einer Haltevorrichtung (70), welche mit dem Rotorblechpaket (30) gefügt ist und eine fliehkraftbedingte Bewegung (B) der zumindest einen Spulenvorrichtung (50) beim bestimmungsgemäßen Gebrauch der elektrischen Maschine (10) in Radialerstreckungsrichtung (R) des Rotors (20) nach außen und aus der wenigstens einen Spulenaufnahmeöffnung (40) heraus unterbindet, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Haltevorrichtung (70) ein mit dem Rotorblechpaket (30) gefügtes, erstes Halteelement (72) umfasst, welches die wenigstens eine Spulenaufnahmeöffnung (40) in Radialerstreckungsrichtung (R) nach außen hin zumindest bereichsweise verschließt und dadurch die Bewegung (B) unterbindet sowie wenigstens ein, mit dem Rotorblechpaket (30) gefügtes, zweites Halteelement (76) umfasst, welches in Radialerstreckungsrichtung (R) zwischen dem ersten Haltelement (72) und einer Rotationsachse (RA) des Rotors (10) angeordnet ist und zumindest einen Spulenvorrichtungsteil (56) der zumindest einen Spulenvorrichtung (50) gegen die fliehkraftbedingte Bewegung (B) abstützt. Rotor (20) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Spulenvorrichtung (50) zumindest zwei Spulen (52, 54) umfasst, von welchen eine erste Spule (52) mittels des ersten Halteelements (72) und eine zweite Spule (54) mittels des zweiten Haltelements (76) gegenüber der fliehkraftbedingten Bewegung (B) abgestützt ist. Rotor (20) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Halteelement (76) die zumindest zwei Spulen (52, 54) in einem Abstand (A) zueinander hält oder das zweite Halteelement (76) mit einem die zumindest zwei
Spulen (52, 54) miteinander verbindenden Spulenverbindungsbereich (58) der zumindest einen Spulenvorrichtung (50) in Eingriff ist.
4. Rotor (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Halteelement (72) und/oder das zweite Halteelement (76) formschlüssig mit dem Rotorblechpaket (30) verbunden ist.
5. Rotor (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Spulenaufnahmeöffnung (40) als Nut ausgestaltet und das erste Halteelement (72) und/oder das zweite Halteelement (76) als Keil, insbesondere Nutverschlusskeil, ausgebildet ist.
6. Rotor (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Halteelement (72) an einer größeren Anlagefläche des Rotorblechpaketes (30) in Anlage ist als das zweite Halteelement (76).
7. Rotor (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteelemente (72, 76) aus voneinander verschiedenen Werkstoffen gebildet sind.
8. Rotor (20) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Halteelement (72) aus einem metallischen Werkstoff und das zweite Halteelement (76) aus einem Kunststoff gebildet ist.
9. Elektrische Maschine (10) mit einem Rotor (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
10. Kraftfahrzeug (K) mit einer elektrischen Maschine (10) nach Anspruch 9, wobei die elektrische Maschine (10) als Traktionsmaschine des Kraftfahrzeugs (K) ausgebildet ist.
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