Maschine sowie Kraftfahrzeug

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum zumindest teilumfänglichen Herstellen eines Rotors für eine stromerregte elektrische Maschine, bei welchem ein Rotorjoch und separat zu dem Rotorjoch ausgebildete Rotorpole bereitgestellt werden, welche mechanisch mit dem Rotorjoch verbindbar sind. Die Erfindung betrifft außerdem eine stromerregte elektrische Maschine sowie ein Kraftfahrzeug.

Vorliegend richtet sich das Interesse auf stromerregte elektrische Maschinen für elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge, beispielsweise Elektro- oder Hybridfahrzeuge. Die elektrischen Maschinen weisen einen ortsfesten Stator mit bestrombaren Statorwicklungen sowie einen bezüglich des Stators drehbar gelagerten Rotor mit einer Rotorwicklung auf. Der Rotor weist einen Rotorkern auf, welcher die Rotorwicklungen trägt. Der Rotorkern besteht üblicherweise aus einem ringförmigen Rotorjoch und mehreren Rotorpolen, welche entlang eines Rotorumfangs an dem Rotorjoch angeordnet sind. Die Rotorpole bestehen üblicherweise aus jeweils einem radial von dem Rotorjoch abstehenden Rotorzahn bzw. Rotorschaft sowie einem kreissegmentförmigen, tangential an dem Rotorzahn überstehenden Polschuh. Die Polschuhe bilden dabei einen im Wesentlichen zylinderförmigen Rotorumfang des Rotorkerns. Zwischen den Rotorzähnen sind Pollücken gebildet, in welche Wicklungsabschnitte der Rotorwicklung zum Ausbilden von Polspulen eingebracht werden.

Um die Polspulen in die Pollücken bzw. Polnuten einzubringen, sind die Polschuhe zweier benachbarter Rotorpole beabstandet zueinander angeordnet, sodass sie an dem Rotorumfang eine Zugangsöffnung in die Pollücken freigeben. Zum Ausbilden der Polspulen wird mit einem Werkzeug ein drahtförmiger Wicklungsleiter über die Zugangsöffnungen in die Pollücken eingebracht. Dann werden die Rotorzähne mit dem Wicklungsdraht umwickelt, wobei ein hoher Füllfaktor erreicht werden soll. Durch die tangential abstehenden Polschuhe sind die Zugangsöffnungen in die Pollücken kleiner als ein Pollückendurchmesser, sodass die Pollücken nur sehr schwierig mit dem Wicklungsdraht aufgefüllt werden können. Dadurch ergeben sich oftmals eine nicht optimale Wicklungsqualität und damit ein nicht optimaler Füllfaktor.

Dazu offenbart die DE 102018213567 A1 einen Rotor für eine fremderregte Innenläufer-Synchronmaschine, bei welchem die Rotorpole mehrteilig ausgebildet sind. Die Rotorpole weisen jeweils einen Rotorzahn und zwei separate Polschuhelemente auf, wobei die Rotorzähne einteilig mit dem Rotorjoch ausgebildet sind und die Polschuhelemente mit den Rotorzähnen nach Anordnen der Rotorspulen an den Rotorzähnen mechanisch verbindbar sind. Zwei Polschuhelemente sind an zwei in tangentialer Richtung gegenüberliegenden Seiten des Rotorzahns angeordnet und mit dem Rotorzahn, beispielsweise über eine schwalbenschwanzartige Verbindung, formschlüssig verbunden. Ein solcher Rotor ist sehr aufwändig in der Herstellung.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen einfach zu fertigenden Rotor für eine stromerregte elektrische Maschine bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors, eine stromerregte elektrische Maschine sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren dient zum zumindest teilumfänglichen Herstellen eines Rotors für eine stromerregte elektrische Maschine. Dabei werden ein Rotorjoch und separat zu dem Rotorjoch ausgebildete Rotorpole bereitgestellt, welche mechanisch mit dem Rotorjoch verbindbar sind. Außerdem wird ein Spulenträger bereitgestellt, welcher mehrere Spulenkörper sowie zwischen den Spulenkörpern angeordnete, flexible Verbindungsabschnitte aufweist, über welche eine relative Lage der Spulenkörper zueinander änderbar ist. Der Spulenträger wird mittels der flexiblen Verbindungsabschnitte in eine Fertigungslage gebracht und mit einer bestrombaren Wicklung durch Bewickeln der Spulenkörper mit Wicklungsabschnitten bestückt. Dann werden die Rotorpole und der Spulenkörper zusammengefügt, sodass die Rotorpole unter Ausbildung von Polspulen von dem jeweiligen Wicklungsabschnitt umwickelt sind. Der Spulenträger wird mittels der flexiblen Verbindungsabschnitte von der Fertigungslage in eine Einbaulage überführt und die mit den Spulenkörpern des Spulenträgers verbundenen Rotorpole werden mechanisch mit dem Rotorjoch verbunden. Zur Erfindung gehören außerdem ein mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellter Rotor sowie eine stromerregte elektrische Maschine mit einem Stator und einem bezüglich des Stators drehbar gelagerten erfindungsgemäßen Rotor. Die stromerregte bzw. fremderregte elektrische Maschine ist insbesondere eine Innenläufer- Maschine, bei welcher der Rotor innerhalb des hohlzylinderförmigen Stators um eine Rotationsachse drehbar gelagert ist. Der Rotor weist einen Rotorkern sowie eine magnetfelderzeugende Komponenten mit einer (Rotor-)Wicklung zur Erzeugung eines Rotormagnetfelds auf. Der Rotorkern kann mit einer Antriebswelle des Kraftfahrzeugs zur Drehmomentübertragung mechanisch verbunden sein. Der Rotorkern kann in Vollmaterialbauweise, beispielsweise aus Eisen, oder als ein Blechpaket aus axial gestapelten Blechlamellen gebildet sein. Der Rotorkern ist mehrteilig ausgebildet und weist das ringförmige Rotorjoch sowie die Rotorpole auf. Das Rotorjoch und die Rotorpole werden bei der Herstellung des Rotors mechanisch verbunden.

Die Rotorpole weisen jeweils einen Rotorzahn bzw. Rotorschaft sowie einen Polschuh auf. Die Rotorpole dienen zum Halten der Polspulen der Rotorwicklung, wobei die Polschuhe unter anderem dazu ausgelegt sind, zu verhindern, dass sich die Polspulen während der Drehung des Rotors aufgrund der radial nach außen wirkenden Fliehkraft von dem jeweiligen Rotorpol lösen. Die Polschuhe weisen beispielsweise einen kreissegmentförmigen Querschnitt auf, und stehen dabei bereichsweise seitlich am Rotorzahn über, sodass die Rotorpole im Wesentlichen pilzförmig ausgebildet sind.

Die Polspulen werden dabei nicht um den jeweiligen Rotorzahn gewickelt, sondern werden zuerst an dem einstückigen, flexiblen Spulenträger angeordnet. Der Spulenträger weist eine mit der Anzahl an Rotorpolen korrespondierende Anzahl an Spulenkörper auf, welche über die flexiblen, reversibel biegbaren Verbindungsabschnitte mechanisch miteinander verbunden sind. Der Spulenträger kann beispielsweise ein Kunststoff- Spritzgussteil sein. Zum Bestücken des Spulenkörpers mit der Wicklung wird der Spulenträger in die Fertigungslage bzw. Bestückungslage gebracht. Dabei bilden die über die flexiblen Verbindungsabschnitte verbundenen Spulenkörper in der Fertigungslage insbesondere eine Spulenkörperkette. Anders ausgedrückt, sind die Spulenkörper linienförmig, in einer Reihe nebeneinander angeordnet. In dieser Fertigungslage können Abschnitte des Wicklungsdrahtes der Rotorwicklung besonders einfach um die Spulenkörper gewickelt werden. Jeder um einen Spulenkörper gewickelter Wicklungsabschnitt bildet eine Polspule aus. Der Wicklungsdraht wird zum Ausbilden der Polspulen dabei insbesondere unterbrechungsfrei um alle Spulenkörper gewickelt. Nun werden die Rotorpole an dem Spulenträger angeordnet. Die Spulenkörper sind dabei Hohlkörper, in welche die Rotorpole eingeschoben werden können. Dabei weisen die Hohlkörper insbesondere eine mit den Rotorzähnen korrespondierende Form, beispielsweise quaderförmig, auf, sodass die Rotorzähne in den Hohlkörper angeordnet werden können. Dann wird der mit den Rotorspulen bestückte Spulenträger in die Einbaulage bzw. Einbaugeometrie gebracht. Alternativ dazu kann der Spulenträger auch zuerst in die Einbaulage gebracht werden und dann mit den Rotorpolen bestückt werden. In der Einbaulage bilden die Spulenkörper insbesondere einen Spulenkörperring. Der Spulenträger ist also ringförmig ausgebildet und kann somit axial mit dem ringförmigen Rotorjoch zusammengeschoben werden, sodass der Spulenkörper das Rotorjoch radial umgibt.

Beim Zusammenschieben werden dabei die Rotorpole mechanisch mit dem Rotorjoch verbunden. Vorzugsweise wird dabei eine formschlüssige Nut-Feder-Verbindung zwischen dem Rotorjoch und den Rotorpolen hergestellt. Beispielsweise kann als die Nut- Feder-Verbindung eine schwalbenschwanzartige Verbindung hergestellt werden. Dazu können die Rotorpole beispielsweise jeweils eine schwalbenschwanzförmige oder kreisförmige Feder aufweisen, welche in eine schwalbenschwanzförmige oder kreisförmige Nut des Rotorjochs axial eingeschoben wird.

Ein solches Herstellungsverfahren, bei welchem ein flexibler Spulenträger bereitgestellt wird, erleichtert die Fertigung des Rotors hinsichtlich der Bestückung mit der Rotorwicklung. Zudem kann ein hoher Füllfaktor erreicht werden.

Besonders bevorzugt wird vor dem Verbinden des Spulenträgers mit den Rotorpolen eine flexible Isolationsabdeckung an dem mit der Wicklung bestückten Spulenträger angeordnet, welche gemeinsam mit dem Spulenträger von der Fertigungslage in die Einbaulage überführt wird. Die Isolationsabdeckung ist somit ebenfalls flexibel ausgebildet. Dazu wird die Isolationsabdeckung mit ersten, flexiblen Polisolationsbereiche ausgebildet, welche in Pollücken zwischen zwei Polspulen angeordnet werden, und mit zweiten Polisolationsbereichen ausgebildet, welche jeweils eine Durchgangsöffnung für den Rotorpol ausweisen und im bei Zusammenfügen von Rotorjoch und Spulenträger zwischen dem Rotorjoch und den Polspulen angeordnet werden. Die ersten Polisolationsbereiche können als, insbesondere dreieckförmige und/oder trapezförmige, Falze ausgebildet werden. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Isolationsabdeckung hergestellt wird, indem in ein elektrisch isolierendes Material die Durchgangsöffnungen ausgestanzt werden und das elektrisch isolierende Material unter Ausbildung der ersten Polisolationsbereiche aufgefaltet wird. Alternativ dazu kann die Isolationsabdeckung unter Ausbildung der ersten Polisolationsbereiche und der Durchgangsöffnungen spritzgegossen werden.

Ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug umfasst eine erfindungsgemäße stromerregte elektrische Maschine. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere als ein Elektro- oder Hybridfahrzeug ausgebildet und weist die elektrische Maschine als Antriebsmaschine auf.

Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße stromerregte elektrische Maschine sowie für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Figuren und der Figurenbeschreibung. 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.

Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Rotors;

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Rotors während einer Herstellung des Rotors;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Isolationsabdeckung des Rotors;

Fig. 4 ein Wicklungsschema der Wicklung;

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Spulenträgers des Rotors in einer Fertigungslage; und Fig. 6 eine schematische Darstellung des Spulenträgers in einer Einbaulage.

In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt einen Rotor 1 für eine stromerregte elektrische Maschine, welche beispielsweise als Traktionsmaschine für ein elektrifiziertes Kraftfahrzeug eingesetzt werden kann. Der Rotor 1 weist Rotorpole 2 mit Rotorzähnen 3a und Polschuhen 3b auf. Die Rotorzähne 3a und die Polschuhe 3b sind insbesondere einteilig ausgebildet. An den Rotorzähnen 3a sind hier Federn 4 angeordnet. Die Rotorpole 2 halten eine magnetfelderzeugende Komponente 5 zur Erzeugung eines Rotormagnetfeldes. Ein aus der magnetfelderzeugenden Komponente 5 und den Rotorpolen 2 gebildeter Komplex 6 ist mit einem separat zu den Rotorpolen 2 ausgebildeten Rotorjoch 7 durch Eingreifen der Federn 4 in Nuten 8 des Rotorjochs 7 verbunden. In einer vorteilhaften Anordnung sind Federn 4 und Nuten 8 in Form eines Schwalbenschwanzes ausgeführt.

Die magnetfelderzeugende Komponente 5 weist, wie in der Darstellung der Fertigung des Komplexes 6 gemäß Fig. 2 gezeigt, einen Spulenträger 9, eine Wicklung 10 sowie eine elektrisch isolierende Isolationsabdeckung 11 auf. Der Spulenträger 9 weist den Rotorpolen 2 zugeordnete Spulenkörper 12 sowie zwischen den Spulenkörpern 12 angeordnete Verbindungabschnitte 13 auf. Die Verbindungabschnitte 13 sind derart ausgestaltet, dass sie einen dauerhaften Verbund der Spulenkörper 12 sowie die Übernahme der Funktion der Nutabdeckung gewährleisten. Ebenfalls sind die Verbindungabschnitte 13 ausreichend flexibel, um eine Veränderung der relativen Lage der einzelnen Spulenkörper 12 zueinander für das Aufbringen der Wicklung 10, das Einbringen der Rotorpole 2 und der Isolationsabdeckung 11 sowie das Fertigstellen des Rotors 1 zu ermöglichen. Beispielsweise ist der Spulenträger 9 als Spritzgussteil ausgeführt und enthält Klemmstege für den Ausgleich von Toleranzen gegenüber den Rotorpolen 2.

Die Wicklung 10 beinhaltet Polspulen 14, welche aus Abschnitten der Wicklung 10 gewickelt sind und welche den einzelnen Rotorpolen 2 zugeordnete sind, sowie externe Anschlüsse 15. In einer vorteilhaften Ausführung ist die Wicklung 10 mit einem rechteckigen Leiterquerschnitt orthozyklisch ausgeführt und, wie anhand des Wicklungsschemas gemäß Fig. 4 gezeigt ist, einteilig ausgebildet. Die Isolationsabdeckung 11 weist die elektrische Isolation gegenüber dem Rotorjoch 7, zwischen benachbarten Polspulen 14 liegende Polisolationsbereiche 16 sowie die Isolation gegenüber äußeren elektrisch leitenden Bauteilen auf. Dabei sind die Polisolationsbereich 16 analog zum Spulenträger 9 hinreichend flexibel ausgeführt. Durch die flexiblen Verbindungsabschnitte 13 und die flexiblen Polisolationsbereiche 16 können der Spulenträger 9 und die Isolationsabdeckung 11 zwischen einer Fertigungslage 17 (siehe Fig. 5) bzw. Fertigungsgeometrie und einer Einbaulage 18 (siehe Fig. 6) bzw. Einbaugeometrie überführt werden. Die Flexibilität gewährleistet bei dem Übergang von der Fertigungsgeometrie 17 in die von der Rotorkonstruktion vorgegebene Einbaugeometrie 18 eine Geometrieänderbarkeit der magnetfelderzeugenden Komponente 5. Die Fertigungsgeometrie 17 gewährleistet eine optimale Zugänglichkeit der Spulenkörper 12, welche für das Aufbringen der Wicklung 10 eine invertierte Kreisform des Spulenträgers 9 mit nach innen gerichteten Polschuhen ist. In der Fertigungslage 17 sind die Spulenträger 12 insbesondere in einer Reihe nebeneinander angeordnet. In der Einbaugeometrie 18 sind die Spulenträger 12 unter Ausbildung eines Kreises angeordnet.

In einer ersten Ausführung besteht die Isolationsabdeckung 11, wie in Fig. 3 gezeigt, aus einem flächigen Material, welches konturiert gestanzt und im Zusammenhang mit der Montage aufgefaltet wird. Im aufgefalteten Zustand überlappen sich die aufgefalteten Bereiche zur Sicherstellung ausreichender Kriechstrecken. In einer zweiten, hier nicht gezeigten Ausführung besteht die Isolationsabdeckung 11 aus einem entsprechend der Spulengeometrie vorgeformten elektrisch isolierenden Material, z.B. einem Spritzgussteil. In einer besonders vorteilhaften Ausführung unterstützt die Isolationsabdeckung 11 eine Imprägnierung 19 magnetfelderzeugenden Komponente 5 mittels durchlässiger, beispielsweise perforierter Teilbereiche. Die Imprägnierung 19 vervollständigt die elektrische Isolation und verfestigt den Verbund zwischen den Rotorpolen 2, dem Spulenträger 9, der Wicklung 10 und der Isolationsabdeckung 11.