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Title:
IMPROVED STAR DISK FOR AN ELECTRIC MACHINE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2015/150109
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention discloses a rotor element or a star disk which is designed to be arranged on an electrically excited rotor of an electric machine, comprising a base which is designed to be arranged in the insert between the axial end of a laminate stack of the rotor and at least one end winding of the rotor, characterized by at least one fin, which is fastened on the base and is designed to protrude in the insert through at least one end winding axially out of the at least one end winding. The invention also discloses a motor comprising such a rotor element.

Inventors:
BARTI ENDRE (DE)
BRITTEN GERD (DE)
DURICIC DRAGOLJUB (DE)
HUBER ANDREAS (DE)
MAIER ALEXANDER (DE)
MINTZLAFF JOHANNES (DE)
SCHINNERL BERTHOLD (DE)
SOUSEK JAN (DE)
MAYR ANDREAS (DE)
Application Number:
PCT/EP2015/055866
Publication Date:
October 08, 2015
Filing Date:
March 20, 2015
Export Citation:
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Assignee:
BAYERISCHE MOTOREN WERKE AG (DE)
International Classes:
H02K3/50; H02K1/28; H02K5/18
Domestic Patent References:
WO1985000937A11985-02-28
Foreign References:
DE20102590U12002-06-20
US5848461A1998-12-15
US5264748A1993-11-23
KR101364028B12014-02-19
US0935397A1909-09-28
DE102010001354A12011-03-03
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Claims:
Patentansprüche

1. Rotorelement (40), das dazu ausgebildet ist, an einem stromerregten Rotor (5) einer elektrischen Maschine (2) angeordnet zu werden, mit

- einer Basis (48), die dazu ausgebildet ist, im Einsatz zwischen dem axialen Ende eines Blechpaketes (22, 24) des Rotors und zumindest einen Wickelkopf (26, 28, 30), des Rotors angeordnet zu werden,

- gekennzeichnet durch zumindest eine Finne (44, 46), die an der Basis (48) befestigt ist und die dazu ausgebildet ist, im Einsatz durch zumindest einen Wickelkopf (26, 28, 30) axial aus dem zumindest einen Wickelkopf (26, 28, 30) herauszuragen.

2. Rotorelement (40) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass an einem radial äußeren Bereich des Rotorelementes ein Endelement (42) angeordnet ist, das sich im Einsatz axial erstreckt, und das dazu ausgebildet ist, dass es im Einsatz radial auswärts der Wickelköpfe (26, 28, 30) angeordnet ist.

3. Rotorelement (40) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Finne (44, 46) zumindest 50 %, vorzugsweise 100 %, mehr bevorzugt 150 %, höchst vorzugsweise zumindest 200 %, der Dicke des Wickelkopfes (26, 28, 30) aus dem Wickelkopf (26, 28, 30) herausragt.

4. Rotorelement (40) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotorelement (40) an der den Wickelköpfen (26, 28, 30) zugewandten Seite konvex ausgebildet sind.

5. Rotorelement (40) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotorelement (40) an seine dem Blechpacket (22, 24) zugewandten Seite elektrisch isolierend ausgebildet ist.

6. Rotorelement (40) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotorelement (40) aus einem Metall, Aluminium und/oder einem Kunststoff hergestellt ist.

7. Elektrische Maschine (2), mit

- einem Stator (3);

- einem Rotor (5), der innerhalb des Stators (3) angeordnet ist;

- zumindest einem Rotorelement (40) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, das an einem axialen Ende des Rotors (5) angeordnet ist; und

- einer Rotorwicklung (20), wobei zumindest ein Wickelkopf (26, 28, 30) der Rotorwicklung (20) über der Basis des Rotorelementes (40) angeordnet ist.

8. Elektrische Maschine (2) nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine Statorfinne (62, 64, 66), die starr gegenüber dem Stator (3) angeordnet ist und die der Finne (44, 46) des Rotorelementes (40) benachbart ist.

9. Elektrische Maschine (2) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Statorfinne (62, 64, 66) zwischen zwei Finnen (44, 46) des Rotorelementes und/oder zwischen einer Finne (44, 46) des Rotorelementes (40) und dem Endelement (42) des Rotorelementes (40) ragt.

10. Elektrische Maschine (2), gekennzeichnet durch eine Statorfinnenanordnung (62, 64, 66) mit zumindest zwei Statorfinnen (62, 64, 66), wobei eine Finne (44, 46) des Rotorelementes (40) zwischen zwei Statorfinnen (62, 64, 66) ragt.

Description:
Verbesserte Sternscheibe für eine elektrische Maschine

Die Erfindung betrifft eine verbesserte Sternscheibe für eine stromerregte elektrische Maschine.

Sternscheiben werden bei stromerregten elektrischen Maschinen dazu verwendet, die Wickelköpfe des Rotors gegen hohe Fliehkräfte bei einer schnellen Rotation des Rotors mechanisch abzustützen. Sternscheiben können einen Defekt der elektrischen Maschine aufgrund eines Bruch einer Wicklung im Bereich der Wickelköpfe vermeiden. Sternscheiben werden an den axialen Enden des Rotors angeordnet. Eine Seite der Sternscheibe befindet sich an Blechpaketen des Rotors und kann von diesen elektrisch isoliert sein. Über die andere Seite der Sternscheibe verlaufen die Rotorwicklungen. Sternscheiben des Standes der Technik weisen an ihrem radialen Ende üblicherweise eine Auskragung auf und nehmen dort die Fliehkräfte der Wickelköpfe im Rotor auf. Es versteht sich, dass dadurch die Auskragung mechanisch stark belastet wird.

Ferner besteht bei stromerregten elektrischen Maschinen das Problem, dass die in dem Rotor entstehende Verlustwärme abgeführt werden muss. Im Stand der Technik werden teilweise Kühlkanäle im Rotor vorgeschlagen, die von einem Kühlfluid durchströmt werden. Einerseits sind diese Maßnahmen aufwändig und andererseits können sie nicht in einem wünschenswerten Maß die Kühlung der Wickelköpfe sicherstellen.

Die Erfindung stellt sich somit zur Aufgabe, eine verbesserte Sternscheibe zu schaffen, die die Wickelköpfe besser mechanisch stützt und/oder die Wickelköpfe besser kühlt. Die Aufgabe der Erfindung wird durch ein Rotorelement nach Anspruch 1 und eine elektrische Maschine nach Anspruch 7 gelöst. Die abhängigen Ansprüche beanspruchen bevorzugte Ausführungsformen.

Ein erfindungsgemäßes Rotorelement ist dazu ausgebildet, an einem stromerregten Rotor einer elektrischen Maschine angeordnet zu werden. Das Rotorelement umfasst eine Basis, die dazu ausgebildet ist, im Einsatz zwischen dem axialen Ende des Blechpaketes des Rotors und zumindest einem Wickelkopf angeordnet zu werden. Erfindungsgemäß umfasst das Rotorelement zumindest eine Finne, die an der Basis befestigt ist und die dazu ausgebildet ist, im Einsatz durch zumindest einen Wickelkopf axial aus zumindest einem Wickelkopf herauszuragen.

Das Rotorelement kann eine so genannte Sternscheibe sein. Da zumindest eine Finne von der Basis des Rotorelementes durch den Wickelkopf verläuft, wird einerseits die mechanische Stabilität des Rotors und insbesondere die mechanische Stabilität der Wicklung verbessert, da die Wicklung an mehreren Punkten mechanisch abgestützt wird. Ferner kann die Finne Wärme aus dem Inneren des Wickelkopfes nach außen leiten, wodurch der Wickelkopf besser gekühlt wird.

An einem radial äußeren Bereich des Rotorelementes kann ein Endelement angeordnet sein, das sich im Einsatz axial erstreckt, und das dazu ausgebildet ist, dass es im Einsatz radial auswärts der Wickelköpfe angeordnet ist. Das Endelement stützt das radial äußere Ende der Wickelköpfe mechanisch ab.

Die zumindest eine Finne kann bereits innerhalb des Wickelkopfes oder am äußeren Rand des Wickelkopfes enden und somit zunächst die Funktion einer mechanischen Abstützung erfüllen. Vorzugsweise ragt die Finne aber aus dem Wickelkopf heraus, um zusätzlich auch die Funktion der Kühlung zu erfüllen. Die zumindest eine Finne ragt dabei vorzugsweise 100 %, mehr bevorzugt 150 %, höchst bevorzugt zumindest 200 % der Dicke des Wickelkopfs aus dem Wickelkopf heraus. Durch die Finnen wird die Wärme des Wickelkopfs abgeleitet und an den Motorinnenraum abgegeben. Je weiter die Finne aus der Rotorwicklung herausragt, desto mehr Wärme kann abgegeben werden. Jedoch wird durch eine größere Länge der Finne der Platzbedarf in axialer Richtung erhöht.

Das Rotorelement kann an der den Wickelköpfen zugewandten Seite konvex ausgebildet sein. Dadurch werden die Wickelköpfe vor einer Beschädigung durch das Rotorelement beschützt.

Das Rotorelement kann an der dem Blechpaket zugewandten Seite elektrisch isoliert ausgebildet sein. Durch diese Ausgestaltung wird ein elektrischer Kurzschluss an den Blechpaketen verhindert. Es versteht sich, dass das Rotorelement das Blechpaket nicht notwendigerweise berühren muss und dass beliebige Elemente zwischen dem Blechpaket und dem Rotorelement angeordnet sein können.

Das Rotorelement kann aus einem Metall, Aluminium und/oder einem Kunststoff hergestellt sein. Beispielsweise kann die Finne des Rotorelementes aus einem Metall hergestellt sein, um eine möglichst gute Wärmeleitung sicherzustellen. Die dem Blechpaket zugewandte Seite des Rotorelementes kann aus einem Kunststoff hergestellt sein, um gute Isolationseigenschaften sicherzustellen.

Die Aufgabe der Erfindung wird auch durch eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor gelöst, der innerhalb des Stators angeordnet ist. Der Stator und der Rotor können Wicklungen aufweisen, die ein Magnetfeld erzeugen, wenn sie von Strom durchflössen werden. Das zuvor beschriebene Rotorelement kann an einem axialen Ende des Rotors angeordnet sein, wobei das Rotorelement nicht notwendigerweise den Rotor berühren muss und zwischen dem Rotorelement und dem Rotor beliebige Elemente angeordnet sein dürfen. Beispielsweise kann das Rotorelement das Blechpaket des Rotors berühren. Zumindest ein Wickelkopf der Rotorwicklung kann über der Basis des Rotorelementes angeordnet sein. Die elektrische Maschine kann ein Motor und/oder ein Generator sein. Das Rotorelement schützt die Rotorwicklung vor einer mechanischen Beschädigung durch Fliehkräfte und leitet Verlustwärme vom Wickelkopf ab.

Die elektrische Maschine kann eine Statorfinne aufweisen, die der Finne des Rotorelementes benachbart ist. Die Statorfinne kann fest gegenüber dem Stator der elektrischen Maschine angeordnet sein. Die Statorfinne kann Wärmestrahlung und/oder Konvektionswärme, die von der Finne abgestrahlt wird, aufnehmen. Die Statorfinne kann die aufgenommene Wärme beispielsweise an ein Lagerschild der elektrischen Maschine abgeben. Von dort wird die Wärme in dem Fahrzeugkühlkreislauf abgegeben.

Die Statorfinne kann zwischen zwei Finnen des Rotorelementes und/oder zwischen einer Finne und dem Endelement des Rotorelementes ragen. Die elektrische Maschine kann eine Statorfinnenanordnung mit zumindest zwei Statorfinnen aufweisen, wobei eine Finne des Rotorelementes zwischen zwei Statorfinnen ragt. Durch diese Ausgestaltungen wird die Übertragung der Wärme von den Wickelköpfen in die Statorfinnen verbessert.

Die Finnen des Rotorelementes können zur Rotationsachse konzentrisch angeordnet sein. Die Finnen können auch zum Wuchten des Rotors verwendet werden. Durch die erfindungsgemäße Sternscheibe werden die Wickelköpfe im Rotor durch eine Sternscheibe mit integrierten Finnen aufgefächert. Dadurch werden die mechanischen Lasten der Wickelköpfe des Rotors an mehreren Stellen aufgefächert. Folglich ergibt sich eine verbesserte Kühlung der Wickelköpfe wegen kürzerer Wärmeleitpfade. Im Lagerschild des Rotors können Statorfinnen angeordnet sein, um den Wärmeübergang zu verbessern.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Figuren detaillierter erläutert, die eine nicht einschränkende Ausführungsformen der Erfindung zeigen, wobei

Figur 1 einen Längsschnitt durch eine elektrische Maschine mit dem erfindungsgemäßen Rotorelement zeigt: und

Figur 2 einen Querschnitt durch eine elektrische Maschine mit dem erfindungsgemäßen Rotorelement zeigt.

Es wird auf Figuren 1 und 2 Bezug genommen, wobei Figur 1 einen Längsschnitt durch eine elektrische Maschine 2 und Figur 2 einen Querschnitt durch eine elektrische Maschine 2 zeigt. Die elektrische Maschine 2 kann ein Generator und/oder ein Motor sein. Im Folgenden wird die elektrische Maschine 2 als Motor beschrieben. Es versteht sich, dass die Beschreibung gleichermaßen für einen Generator gilt.

Die elektrische Maschine umfasst ein Gehäuse 10 mit einem Stator 3 an dem Statorblechpakete 8 angeordnet sind. Auf den Statorblechpaketen ist die Statorwicklung 6 angeordnet. Das Gehäuse 10 umfasst ein Lagerschild 16, an dem das Lager 14 angeordnet ist. Vom Lager 14 wird eine Achse 4 gelagert.

An der Achse 4 sind die Eisenpakete 22, 24 des Rotors 5 angeordnet. Zwischen den Eisenpaketen 22, 24 des Rotors 5 rund dem Eisenpaket 8 des Stators befindet sich ein Luftspalt 12. Eine übliche elektrische Maschine weist zumindest drei Statorwicklungen 6 und zumindest eine Rotorwicklung 20 auf. Die Statorwicklungen 6 wird üblicherweise mit Wechselstrom und die Rotorwicklung 20 üblicherweise mit Gleichstrom erregt. Eine derartige Ansteuerung ist dem Fachmann bekannt und wird hierin nicht weiter beschrieben. Die Statorwicklungen 6 und die Rotorwicklungen erzeugen Magnetfelder, die zu einem Anziehen oder Abstoßen des Rotors und des Stators führen können. Dadurch wird die Drehung des Rotors bewirkt. Die Funktionsweise eines Elektromotors ist einem Fachmann bekannt und muss daher nicht weiter erläutert werden.

An den axialen Enden des Rotors 5 ist das erfindungsgemäße Rotorelement 40 angeordnet. Das Rotorelement 40 kann eine Sternscheibe sein. Das Rotorelement 40 umfasst eine Basis 48, die sich am axialen Ende des Rotors befindet. Ferner umfasst das Rotorelement 40 ein Endelement 42, das sich von der Basis axial erstreckt und radial auswärts des Wickelkopfes 20 des Rotors angeordnet ist. Das Endelement 42 stützt den Wickelkopf 20 gegen die Fliehkräfte ab. Das Rotorelement 40 umfasst Finnen 44, 46, die aus dem Wickelkopf ragen. Die Finnen teilen den Wickelkopf der Wicklungen 20 des Rotors in einen inneren Teil 26, einen mittleren Teil 28 und einen äußeren Teil 30. Der innere Teil 26 wird während der Rotation durch die innere Finne 46 gestützt, der mittlere Teil 28 wird durch die äußere Finne 44 gestützt und der äußere Teil wird durch den Endabschnitt 42 gestützt. Somit bewirken die Finnen 44, 46, dass der Wickelkopf der Wicklung 20 des Rotors an mehreren Stellen abgestützt wird. Dadurch wird die Lebensdauer und die Zuverlässigkeit der elektrischen Maschine 2 erhöht.

Der Motor weist einen induktiven Drehübertrager 18 auf, der Strom zum Rotor 5 überträgt. Am Lagerschild 16 ist eine Wärmeaufnahmeeinrichtung 16 angeordnet, die eine Mehrzahl Statorfinnen 62, 64, 66 auf- weist. Die Statorfinnen 62, 64, 66 sind den Finnen 44, 46 des Rotorelementes 40 benachbart. Vorzugsweise können die Statorfinnen 62, 64, 66 innerhalb und/oder zwischen den Finnen 44, 46 sowie dem Endelement 42 des Rotorelementes 44 angeordnet sein.

Die in der Wicklung 20 des Rotors entstehende Abwärme wird von den Finnen 44, 46 des Rotorelementes 40 mittels Infrarotstrahlung und/oder Konvektion zu den Statorfinnen 62, 64, 66 geleitet, wo sie von der Wärmeaufnahmeeinrichtung 60 in das Lagerschild 16 geleitet wird. Von dort wird die Wärme durch eine Fahrzeugkühlung 19 vom Lagerschild abtransportiert. Die Fahrzeugkühlung kann eine flüssigkeitsbasierte Kühlung oder eine gasbasierte Kühlung sein und kann sich auch auf die Lagerschilde erstrecken.

Das erfindungsgemäße Rotorelement bewirkt, dass die Wickelköpfe einer elektrisch erregten elektrischen Maschine zuverlässiger und materialschonender mechanisch abgestützt werden und/oder die in den Wickelköpfen entstehende Abwärme effizienter abgeleitet wird. Dadurch entsteht eine elektrische Maschine, die zuverlässiger und leistungsfähiger ist.