Titel

Elektrischer Rotor und Verfahren zur Bereitstellung eines elektrischen Kontakts zwischen einer Rotorwicklung und einer Kontaktfahne

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektrischen Rotor und ein Verfahren zur Bereitstellung eines elektrischen Kontakts zwischen einer Rotorwicklung und einer Kontaktfahne des Rotors. Die Erfindung findet somit insbesondere im Bereich von Elektromotoren und Drehstromgeneratoren, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, Anwendung.

Stand der Technik Elektrische Rotoren werden in Stromgeneratoren, wie etwa in Drehstromgeneratoren, oder auch in Elektromotoren verwendet. Sog. fremderregte Rotoren weisen dabei jeweils zumindest eine Rotorerregerwicklung auf, welche zum Bestro- men mit einer Schleifringanordnung elektrisch verbunden wird. Herkömmlicherweise sind sowohl die elektrische Wicklung des Rotors, d.h. die Rotorwicklung, als auch die Schleifringanordnung bzw. der Kommutator aus Kupfer ausgebildet.

Diese können auf effiziente Weise elektrisch miteinander kontaktiert werden, beispielsweise durch Löten, Widerstandsschweißen und/oder durch Ultraschallschweißen. Beispielsweise ist in der Druckschrift DE 38 38 436 A1 ein herkömmlicher Drehstromgenerator offenbart, bei welchem die Rotorerregerwicklung und die Verbindungsleitungen durch Punktverschweißen miteinander elektrisch kontaktiert sind. Allerdings ist es aus Kostengründen oftmals wünschenswert, als Wicklungsdrähte für die Rotorwicklung nicht Drähte aus Kupfer, sondern Drähte aus kostengünstigeren Metallen zu verwenden, beispielsweise aus Aluminium. Um diese sodann mit den anderweitigen Komponenten, wie etwa der Schleifringanordnung aus Kupfer zu verbinden, sind oftmals aufwendige Verfahren nötig, um die Kontaktstelle zwischen Kupfer und anderen Metallen, beispielsweise Aluminium, vor Korrosion zu schützen. Dies erfordert oftmals einen erheblichen Herstellungsaufwand und erhöht somit die Herstellungskosten. Im Stand der Technik sind verschiedene Lösungsansätze bekannt, um dennoch eine geeignete Verbindung zwischen Kupfer- und Aluminium-Drähten herzustellen.

Die Druckschrift US 2 806 215 A offenbart beispielsweise eine Presshülse aus Aluminium, welche dazu ausgelegt ist, an ein abisoliertes Ende eines Aluminiumdrahtes angepresst zu werden, wobei zur Verbindung des Aluminiumdrahtes bzw. der Presshülse mit einem Kupferdraht an die Presshülse ein Ringabschnitt aus Kupfer angeschweißt wird.

Die Druckschrift DE 10 2013 200 794 A1 offenbart ein Kontaktierelement zur Bereitstellung eines elektrischen Kontakts zu einer elektrischen Maschine. Dabei ist das Kontaktierelement aus einer Mehrstoffverbindung aus zwei unterschiedlichen, leitfähigen Materialien gebildet, um eine Wicklungsanordnung aus einem vom Kommutatorhaken unterschiedlichen Material stoffverträglich mit dem Kommutatorhaken zu verbinden. Das Kontaktierelement weist einen ersten Verbindungsabschnitt aus dem gleichen Material wie die Wicklungsanordnung zur Ver- bindung mit der Wicklungsanordnung und einen zweiten Verbindungsabschnitt aus dem gleichen Material wie der Kommutatorhaken zur Verbindung mit dem Kommutatorhaken auf.

Offenbarung der Erfindung

Erfindungsgemäß werden ein elektrischer Rotor und ein Verfahren zur Bereitstellung eines elektrischen Kontakts zwischen einem elektrischen Leiter einer Rotorwicklung und einer Kontaktfahne einer Schleifringanordnung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestal- tungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.

Im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, den elektrischen Leiter aus einem ersten elektrisch leitfähigen Material, insbesondere Aluminium aufweisend, mit der Kontaktfahne aus einem von dem ersten elektrischen Material verschiedenen zweiten elektrisch leitfähigen Material, insbesondere Kupfer aufweisend, mittels eines dazwischen angeordneten Kontaktierelements zu verbinden, welches zumindest an der Kontaktfläche zu dem elektrischen Leiter ein von dem ersten elektrischen Material verschiedenes drittes elektrisch leitfähiges Material, insbesondere Zinn aufweisend, aufweist, um so eine Korrosion durch einen Kontakt des ersten mit dem zweiten Material zu verhindern.

Die Erfindung bietet dabei den Vorteil, dass auf einfache Weise elektrische Leiter aus verschiedenen Metallen miteinander elektrisch kontaktiert werden können.

Dies ermöglicht insbesondere, eine Rotorwicklung eines Generators aus Aluminium mit einer Schleifringanordnung aus Kupfer korrosionsgeschützt zu verbinden. Durch die vorgeschlagene Erfindung kann die Rotorwicklung mittels eines sognannten "kalten" Kontakts mit der Kontaktfahne der Schleifringanordnung elektrisch kontaktiert werden. Dies bedeutet, dass mindestens an einer Kontaktfläche insbesondere kein Schweißen und/oder Löten unterschiedlicher Materialien bzw. Metalle zur elektrischen Kontaktierung erforderlich ist. Insbesondere ist es nicht erforderlich, einen der beiden oder beide elektrische Leiter, d.h. das Ende der Rotorwicklung und/oder die Kontaktfahne, anzuschmelzen, um sich mit dem jeweils anderen elektrischen Leiter zu verbinden. Auf diese Weise kann eine übermäßige Korrosionsanfälligkeit der Kontaktstelle vermieden werden, welche oftmals bei einer vor allem durch Schweißen und/oder Löten erzeugte Mehrstoff- Verbindung bzw. intermetallischen Phase auftritt. Auch eine signifikante Erhöhung des spezifischen Widerstands von Mehrstoffverbindungen, welche oftmals zur einer Reduktion der Leitfähigkeit einer Kontaktstelle in den Bereichen der Mehrstoffverbindungen führt, kann mit der vorliegenden Erfindung auf effiziente Weise vermieden werden. Somit eignet sich die vorliegende Erfindung in ganz besonderem Maße für die Bereitstellung eines elektrischen Kontakts zwischen einer Kontaktfahne aus Kupfer und einem elektrischen Leiter aus Aluminium.

Anstatt einer Mehrstoffverbindung im Kontaktbereich kann durch die vorliegende Erfindung ein mechanisches In-Kontakt-Bringen des elektrischen Leiters der Rotorwicklung und der Kontaktfahne erzielt werden, ohne dass dafür der elektrische Leiter und/oder die Kontaktfahne angeschmolzen werden müssen.

Auf der ersten Kontaktfläche, welche bevorzugt eine reliefartige Strukturierung aufweist, ist dabei eine weitere Metallschicht, insbesondere eine Zinnschicht, als

Zwischenschicht ausgebildet. Dies kann dazu dienen, einen direkten Kontakt zwischen dem ersten elektrisch leitfähigen Material des Kontaktierelements und der Rotorwicklung zu vermeiden und mittels der Zwischenschicht dennoch einen elektrischen Kontakt herzustellen. Beispielsweise kann dies bei der elektrischen Kontaktierung zwischen einem Kontaktierelement aus Kupfer und einem elektrischen Leiter der Rotorwicklung aus Aluminium vorteilhaft sein, um Korrosion zu unterbinden.

Ferner ermöglicht die Erfindung eine deutliche Vereinfachung der elektrischen Kontaktierung der Rotorwicklung mit der Kontaktfahne, da bei Verwendung eines erfindungsgemäßen Kontaktierelements mechanische Mittel für die Herstellung eines Kontakts zwischen unterschiedlichen Metallen, wie etwa zwischen Kupfer und Aluminium, ausreichend sein können. Insbesondere kann die Erfindung bewirken, dass elektrisch leitfähige Elemente aus unterschiedlichen Metallen, wie etwa Kupfer und Aluminium, nicht verschweißt werden müssen und somit keine besonderen Maßnahmen zum Schutz vor Korrosion erforderlich sind.

Die Erfindung bietet die Möglichkeit, Rotorwicklungen aus Aluminium auf einfache Weise an herkömmliche Schleifringanordnungen aus Kupfer zu kontaktieren. Somit können herkömmliche elektrische Maschinen mit einem Rotor ausgestattet werden, welcher eine Rotorwicklung aus Aluminium aufweist und dennoch an herkömmliche Schleifringanordnungen aus Kupfer kontaktiert werden. Vorzugsweise ist das Kontaktierelement dazu ausgelegt, den elektrischen Leiter der Rotorwicklung, insbesondere dessen Ende, zumindest teilweise aufzunehmen und zumindest teilweise zu umgeben, wobei die erste Kontaktfläche, insbesondere die Innenfläche, des Kontaktierelements eine innenliegende, dem auf- genommenen ersten elektrischen Leiter zugewandte Aufnahmefläche bildet und vorzugsweise eine reliefartige Strukturierung aufweist, welche dazu ausgelegt ist, zumindest teilweise in den elektrischen Leiter einzudringen. Mit anderen Worten ist das Kontaktierelement derart ausgelegt, dass sich die reliefartige Strukturierung in den elektrischen Leiter der Rotorwicklung hineinschneidet bzw. hinein- quetscht bzw. hineinfrisst.

Bevorzugt ist das Kontaktierelement dabei einstückig aus einem elektrisch leitfähigen Material, insbesondere aus einem Metall, gefertigt. Beispielsweise kann das Kontaktierelement aus einem Guss gefertigt sein oder aus einem Metallstück gestanzt und/oder gefräst sein. Dazu ist eine Vielzahl von elektrischen Materialien, insbesondere Metallen, geeignet. Sowohl reinelementige Metalle als auch Legierungen kommen dabei in Betracht. Insbesondere kann das Material des Kontaktierelements derart gewählt werden, dass das Kontaktierelement aus dem gleichen Material ausgebildet ist wie die Kontaktfahne bzw. die Schleifringanord- nung, die mit der zweiten Kontaktfläche des Kontaktierelements verbunden werden soll. Dies kann insbesondere ermöglichen, die elektrisch leitende Verbindung bzw. Kontaktierung der Kontaktfahne mit dem Kontaktierelement auf besonders einfache und gewohnte Weise vorzunehmen. Beispielsweise kann diese elektrische Kontaktierung sodann auch mittels Schweißen und/oder Löten erfolgen, da beim Schweißen und/oder Löten kein Auftreten einer korrosionsanfälligen Mehrstoffverbindung unterschiedlicher Metalle zu befürchten ist. Unbeschadet dessen kann jedoch das Kontaktierelement auch an der zweiten Kontaktfläche eine Be- schichtung aufweisen, welche bei der Herstellung des elektrischen Kontakts förderlich sein kann, beispielsweise aus Zinn.

Insbesondere kann die zweite Kontaktfläche zumindest teilweise mit einem weiteren Material, insbesondere mit einem Metall, versehen, insbesondere beschichtet, sein. Dabei können beispielsweise Metalle mit einem niedrigen Schmelzpunkt vorteilhaft sein, um ein Schweißen und/oder Löten an der zweiten Kontaktfläche zu vereinfachen. Beispielsweise kann die zweite Kontaktfläche des Kontaktierelements zumindest teilweise mit Zinn versehen sein. Dies hat den Vorteil, dass das Kontaktierelement mit der Kontaktfahne gut verschweißt und/oder verlötet werden kann.

Die reliefartige Strukturierung an der ersten Kontaktfläche des Kontaktierelements ist dabei vorzugsweise als Zahnung und/oder Serration ausgebildet oder weist eine solche auf. Insbesondere ist die reliefartige Strukturierung derart ausgebildet, dass sie sich beim Zusammenpressen des Kontaktierelements in einen im Kontaktierelement befindlichen Leiter zumindest teilweise hineinscheiden bzw. hineinquetschen bzw. hineinfressen kann. Die Relieftiefe, also die Länge der Erhebungen der Strukturierung von der ersten Kontaktfläche, ist dabei vorzugsweise derart ausgebildet, dass diese auch eventuell am ersten elektrischen Leiter ausgebildete Isolierungen und/oder Lackbeschichtungen zumindest stellenweise durchdringen kann und darüber hinaus zumindest stellenweise in den elektrisch leitenden Teil bzw. Kern des elektrischen Leiters der Rotorwicklung eindringen kann. Beispielsweise ist es vorteilhaft, die Relieftiefe größer als die Dicke einer Isolations- oder Lackschicht des elektrischen Leiters auszubilden. Vorzugsweise weist die Relieftiefe von zumindest 1 mm, bevorzugt zumindest 2 mm, weiter bevorzugt zumindest 3 mm, noch weiter bevorzugt zumindest 4 mm, am meisten bevorzugt zumindest 5 mm auf.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird somit ein elektrischer Rotor mit einem an zumindest einer Kontaktfläche beschichteten Kontaktierelement bereitgestellt, um eine Rotorwicklung aus Aluminium mit einer Kontaktfahne aus Kupfer zu verbinden. Dadurch kann zwischen dem Kontaktierelement und der Rotorwicklung an der ersten Kontaktfläche eine kalte Kontaktstelle ohne direkten Aluminium-Kupfer-Kontakt bereitgestellt werden, während die zweite Kontaktfläche des Kontaktierelements mit der Kontaktfahne der Schleifringanordnung wie herkömmlich verlötet oder verschweißt werden kann.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen. Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt eine schematische Längsschnittsdarstellung einer herkömmlichen Kontaktierung eines herkömmlichen Rotors mit einer Schleifringanordnung; Figur 2 zeigt eine schematische Längsschnittsdarstellung einer Kontaktierung eines erfindungsgemäßen Rotors mittels eines Kontaktierelements;

Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines offenen Kontaktierelements gemäß einer bevorzugten Ausführungsform;

Figur 4 zeigt eine schematische Darstellung eines geschlossenen Kontaktierelements gemäß einer bevorzugten Ausführungsform;

Figur 5 zeigt eine Profildarstellung der reliefartigen Strukturierung eines offenen Kontaktierelements gemäß einer bevorzugten Ausführungsform.

Ausführungsformen der Erfindung

Figur 1 zeigt eine schematische Längsschnittsdarstellung einer herkömmlichen Kontaktierung eines herkömmlichen Rotors 10 eines Generators mit einer

Schleifringanordnung 12 bzw. Schleifringbaugruppe. Der Rotor 10 weist dabei als Rotorwicklung 14 einen Kupferdraht mit einer umgebenden Lackisolierung 14a auf und ist als Kupferlackdraht ausgebildet. Gemäß dem herkömmlichen Ausführungsbeispiel ist ein Ende 14b des Kupferdrahtes bzw. der Rotorwicklung 14 ab- isoliert und erstreckt sich in einen Schweißbereich 16a einer Kontaktfahne 16.

Die Kontaktfahne 16 ist dabei ebenfalls als Kupfer ausgebildet und im Schweißbereich 16a verzinnt, um ein Verschweißen des abisolierten Endes 14b des Kupferdrahtes 14 mit der Kontaktfahne 16 im Schweißbereich 16a zu ermöglichen bzw. zu erleichtern. Beispielsweise kann dies mittels Widerstandsschweißen und/oder Ultraschallschweißen erfolgen.

Die Kontaktfahne 16 ist dabei mit einer Welle 18 verbunden und führt die elektri- sehe Verbindung der Rotorwicklung 14 unter einem Kugellager 20 und unter einer Schleuderscheibe 22 hindurch. Jenseits des Kugellagers 20 und der Schleuderscheibe 22 ist die Kontaktfahne 16 mit der Schleifringbaugruppe 12 verbunden bzw. kontaktiert. Die beiden Enden 14b der Rotorwicklung 14 sind dabei separat mittels jeweils einer Kontaktfahne 16 an jeweils einen separaten Schleifring 12a kontaktiert. Die Kontaktfahne 16 ist dabei in eine Pressmasse 28 aus isolierendem Material eingebettet.

Da gemäß dem gezeigten herkömmlichen Ausführungsbeispiel sämtliche elektrischen Leiter und leitfähigen Komponenten aus Kupfer ausgebildet sind, können diese miteinander auf herkömmliche Weise verschweißt werden, ohne dabei ein erhöhtes Maß an Korrosionsanfälligkeit zu verursachen.

Figur 2 zeigt eine schematische ausschnitthafte Längsschnittsdarstellung einer Kontaktierung eines erfindungsgemäßen Rotors 10 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform mit einer Schleifringanordnung 12 mittels eines Kontaktierelements 26. Dabei ist eine Rotorwicklung 24 aus einem Aluminiumdraht als erstes elektrisch leitfähiges Material mit umgebender Isolierung 24a als Aluminiumlackdraht ausgebildet. Die Rotorwicklung 24 ist dabei mittels eines erfindungsgemäßen Kontaktierelements 26 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform mit einer Kontaktfahne 16 aus Kupfer als zweites elektrisch leitfähiges Material verbunden.

Das Kontaktierelement 26 weist dabei einen Kontaktierelementkörper 26a aus Kupfer auf, der ein Ende der Rotorwicklung 24 umschließt. Das Kontaktierelement 26 ist an einer ersten Kontaktfläche zu dem Aluminiumlackdraht mit Zinn als drittes elektrisch leitfähiges Material beschichtet.

Dabei erfolgt die Verbindung zwischen dem Kontaktierelement 26 und dem Ende der Rotorwicklung 24 als "kalter" Kontakt durch mechanisches Pressen bzw. Quetschen an der Innenseite als erste Kontaktfläche, während eine vorzugsweise ebenfalls verzinnte Außenseite des Kontaktierelements 26 als zweite Kontakt- fläche mit einem vorzugsweise ebenfalls verzinnten Schweißbereich 16a der Kontaktfahne16 verschweißt ist.

Auf diese Weise wird zwischen Aluminium und verzinntem Kupfer eine kalte Kon- taktstelle ohne direkten Aluminium-Kupfer-Kontakt hergestellt, während zwischen

Kupfer und Kupfer auf herkömmliche Verbindungsmethoden, wie Schweißen und/oder Löten zurückgegriffen werden kann. Ein Abisolieren des Endes der Rotorwicklung 24 ist bei Verwendung des Kontaktierelements 26 nicht erforderlich, da das Kontaktierelement gemäß der gezeigten Ausführungsform die den Alumi- niumdraht umgebende Isolierschicht 24a zumindest stellenweise durchdringen kann.

Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines offenen Kontaktierelements 26 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform, welches nach Art eines Crimps aus- gebildet ist. Das Kontaktierelement 26 ist aus Kupfer ausgestaltet und mit Zinn beschichtet. Die Rotorwicklung 24 aus Aluminium kann in das Kontaktierelement 26 derart als erster elektrischer Leiter eingeführt werden, dass die erste Kontaktfläche 26b des Kontaktierelements 26 der Rotorwicklung 24 zugewandt ist. Die reliefartige Strukturierung 30 ist in der gezeigten schematischen Darstellung nicht erkennbar (siehe Figur 5).

Figur 4 zeigt das Kontaktierelement 26 aus Figur 3 in einem geschlossenen Zustand, d.h. nachdem es mittels eines geeigneten Werkzeugs zusammengepresst bzw. zusammengequetscht wurde. Sodann umschließt das Kontaktierelement 26 die Rotorwicklung 24 und stellt über die mit Zinn beschichtete erste Kontaktfläche einen elektrischen Kontakt zwischen dem elektrisch leitfähigen, aus Kupfer ausgebildeten Kontaktierelement 26 und dem innerhalb der Isolierung 24a eingebetteten Aluminiumdrahts der Rotorwicklung 24 her. Figur 5 zeigt eine beispielhafte Schnittansicht einer reliefartigen Strukturierung 30 an der ersten Kontaktfläche des Kontaktierelementkörpers 26a bzw. Kontaktie- relelements 26 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform. Dabei ist insbesondere die gezahnte Ausgestaltung zu erkennen, welche ein Durchdringen durch eine gegebenenfalls vorhandene Isolierschicht 24a um den ersten elektrischen Leiter und ein Eindringen in den ersten elektrischen Leiter ermöglicht. Beispielsweise können insbesondere für unterschiedlich ausgestaltete erste elektrische Leiter bzw. für Leiter mit unterschiedlichen Isolierungen auch andere reliefartige Strukturierungen 30, beispielsweise mit größeren oder kleineren Zähnen, ausge- bildet sein.