DE102024121889A1

DE102024121889A1 - Rotor with star disks axially immersed in rotor grooves

Info

Publication number: DE102024121889A1
Application number: DE102024121889.4A
Authority: DE
Inventors: Philipp Jacob
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2024-08-01
Filing date: 2024-08-01
Publication date: 2026-02-05
Also published as: WO2026027015A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rotor (1) für eine fremderregte elektrische Maschine aufweisend:
- einen Rotorkörper (2) mit einem Rotorjoch (3) und in Umfangsrichtung verteilt an dem Rotorjoch (3) angeordneten Schenkelpolen (4) zum Halten von Rotorwicklungen des Rotors (1), wobei jeder Schenkelpol (4) einen radial vom Rotorjoch (3) abstehenden Polzahn (5) und einen radial außen am Polzahn (5) angeordneten Polschuh (6) aufweist und wobei zwischen zwei benachbarten Schenkelpolen (4) jeweils eine Nut (7) zum Aufnehmen axialer Wicklungsabschnitte zweier benachbarter Rotorwicklungen gebildet ist,
- zwei Sternscheiben (10) zum Anordnen an axial gegenüberliegenden Stirnseiten (8) des Rotorkörpers (2) und zum Abstützen von durch stirnseitige Wicklungsabschnitte der Rotorwicklungen gebildeten Wickelköpfen, mit jeweils einem Sternscheibenjoch (11) zum Anordnen am Rotorjoch (3), Sternscheibenarmen (12) zum Anordnen an den Polzähnen (6) und axial an den Sternscheibenarmen (12) abstehenden Sternscheibendächern zum Anordnen an den Polschuhen (6), wobei jede Sternscheibe (10) Nutauskleideelemente (16) aufweist, welche durch in die Nuten (7) eingetauchte axiale Seitenwandabschnitte (17a, 17b) der Sternscheibe (10) ausgebildet sind und welche Nutwände (9a, 9b, 9c) in jeweiligen Nutendabschnitten (7a) der Nuten (7) überdecken, wobei Außenflächen der Nutauskleideelemente (16) ein elektrisch isolierendes Material (14, 15) aufweisen und somit im Bereich der Nutendabschnitte (7a) eine Nutisolation zum Isolieren von Wicklungsleitern der Rotorwicklungen gegenüber dem Rotorkörper (2) ausbilden. The invention relates to a rotor (1) for a separately excited electrical machine comprising:
- a rotor body (2) with a rotor yoke (3) and salient poles (4) arranged circumferentially on the rotor yoke (3) for holding rotor windings of the rotor (1), wherein each salient pole (4) has a pole tooth (5) projecting radially from the rotor yoke (3) and a pole shoe (6) arranged radially outside the pole tooth (5), and wherein a groove (7) for receiving axial winding sections of two adjacent rotor windings is formed between two adjacent salient poles (4),
- two star disks (10) for arrangement on axially opposite end faces (8) of the rotor body (2) and for supporting winding heads formed by end-face winding sections of the rotor windings, each with a star disk yoke (11) for arrangement on the rotor yoke (3), star disk arms (12) for arrangement on the pole teeth (6) and star disk roofs projecting axially from the star disk arms (12) for arrangement on the pole shoes (6), wherein each star disk (10) has groove lining elements (16) which are formed by axial side wall sections (17a, 17b) of the star disk (10) immersed in the grooves (7) and which cover groove walls (9a, 9b, 9c) in respective groove end sections (7a) of the grooves (7), wherein outer surfaces of the groove lining elements (16) have an electrically insulating material (14, 15) and thus in the area of the Slot end sections (7a) form a slot insulation for insulating winding conductors of the rotor windings from the rotor body (2).

Description

Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine fremderregte elektrische Maschine. Der Rotor umfasst einen Rotorkörper mit einem Rotorjoch und in Umfangsrichtung verteilt an dem Rotorjoch angeordneten Schenkelpolen zum Halten von Rotorwicklungen des Rotors, wobei jeder Schenkelpol einen radial vom Rotorjoch abstehenden Polzahn und einen radial am Polzahn angeordneten Polschuh aufweist und wobei zwischen zwei benachbarten Schenkelpolen jeweils eine Nut zum Aufnehmen axialer Wicklungsabschnitte zweier benachbarter Rotorwicklungen gebildet ist. Der Rotor umfasst außerdem zwei Sternscheiben zum Anordnen an axial gegenüberliegenden Stirnseiten des Rotorkörpers und zum Abstützen von durch stirnseitige Wicklungsabschnitte der Rotorwicklungen gebildeten Wickelköpfen. Die Sternscheiben weisen jeweils ein Sternscheibenjoch zum Anordnen am Rotorjoch, Sternscheibenarme zum Anordnen an den Polzähnen und axial an den Sternscheibenarme abstehende Sternscheibendächer zum Anordnen an den Polschuhen auf. Die Erfindung betrifft außerdem eine elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug.The invention relates to a rotor for a separately excited electric machine. The rotor comprises a rotor body with a rotor yoke and salient poles arranged circumferentially on the rotor yoke for holding rotor windings of the rotor, each salient pole having a pole tooth projecting radially from the rotor yoke and a pole shoe arranged radially on the pole tooth, and a groove being formed between two adjacent salient poles for receiving axial winding sections of two adjacent rotor windings. The rotor also comprises two star disks for arrangement on axially opposite end faces of the rotor body and for supporting winding heads formed by end-face winding sections of the rotor windings. The star disks each have a star disk yoke for arrangement on the rotor yoke, star disk arms for arrangement on the pole teeth, and star disk roofs projecting axially from the star disk arms for arrangement on the pole shoes. The invention also relates to an electric machine for a motor vehicle.

Vorliegend richtet sich das Interesse auf fremderregte bzw. stromerregte elektrische Maschinen für elektrifizierte Kraftfahrzeuge, beispielsweise Elektro- oder Hybridfahrzeuge. Solche Maschinen weisen üblicherweise einen ortsfesten Stator sowie einen bezüglich des Stators drehbar gelagerten Rotor auf. Der Rotor weist bestrombare Rotorwicklungen auf, welche von einem Rotorkörper, beispielsweise einem Rotorblechpaket, gehalten werden. Bei einem Rotorkörper in Schenkelpolbauweise werden Wicklungsleiter der Rotorwicklungen um die Schenkelpole gewickelt und hierdurch abschnittsweise in axialen Nuten des Rotorkörpers angeordnet. Zwischen Stirnseiten des Rotorköpers und stirnseitigen Wicklungsabschnitten der Rotorwicklungen, welche Wickelköpfe der Rotorwicklungen ausbilden, ist üblicherweise jeweils zumindest eine Sternscheibe zur Abstützung der Wickelköpfe angeordnet. Die Sternscheiben weisen in der Regel einen metallischen Grundkörper auf, welcher mit einem Isolationsmaterial umspritzt ist und hierdurch eine Isolationsschicht aufweist. Zur korrekten Positionierung der Sternscheiben auf dem Rotorkörper können die Sternscheiben an ihrer jeweiligen Unterseite einen Pin aufweisen, welcher in den Sternscheibengrundkörper eingesteckt ist und welcher in eine sacklochartige Öffnung in der jeweiligen Stirnseite des Rotorkörpers eingepresst wird. Hierdurch wird in unerwünschter Weise ein Span an dem Pin gezogen.The focus here is on externally excited or current-excited electric machines for electrified motor vehicles, such as electric or hybrid vehicles. Such machines typically have a stationary stator and a rotor rotatably mounted relative to the stator. The rotor has current-carrying rotor windings, which are held by a rotor body, for example, a lamination stack. In a salient-pole rotor body, the winding conductors of the rotor windings are wound around the salient poles and thus arranged section by section in axial slots of the rotor body. Between the end faces of the rotor body and the end-face winding sections of the rotor windings, which form the winding heads of the rotor windings, at least one star disk is typically arranged to support the winding heads. The star disks generally have a metallic base body which is overmolded with an insulating material, thus providing an insulating layer. To correctly position the star disks on the rotor body, each star disk can have a pin on its underside, which is inserted into the star disk base and pressed into a blind-hole-like opening in the respective end face of the rotor body. This undesirably pulls a chip from the pin.

Die Isolationsschichten der Sternscheiben weisen geometriebedingt teilweise eine größere Wandstärke auf als notwendig. Insbesondere in einem eckseitigen Übergangsbereich zwischen den nutinternen Wicklungsabschnitte und den stirnseitigen Wicklungsabschnitten weisen die Sternscheiben, aufgrund von einer vorgeschriebenen Mindestlänge der durch die Sternscheibe bereitgestellten Nutisolation zwischen den Wicklungsleitern und dem Rotorkörper, große Wandstärken in der Isolationsschicht auf, wodurch ein Wärmeübergang zwischen den Wicklungsleitern und dem Grundkörper der Sternscheiben negativ beeinflusst ist. Zudem sind für einen vergussfreien Rotor erhöhte Isolationslängen vorgeschrieben, um Kriechströme zwischen den Wicklungsleitern und dem Rotorkörper entlang von Oberflächen der Sternscheiben zu vermeiden.Due to their geometry, the insulation layers of the star disks sometimes have a greater wall thickness than necessary. Particularly in a corner-side transition area between the slot-internal winding sections and the end-face winding sections, the star disks exhibit large wall thicknesses in the insulation layer due to a prescribed minimum length of the slot insulation provided by the star disk between the winding conductors and the rotor body. This negatively impacts heat transfer between the winding conductors and the base body of the star disks. Furthermore, increased insulation lengths are required for a potting-free rotor to prevent leakage currents between the winding conductors and the rotor body along the surfaces of the star disks.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Rotor mit einfach zu positionierenden Sternscheiben bereitzustellen, bei welchem zudem die Nutisolation und das Kühlpotential des Rotors verbessert sind.The object of the present invention is to provide a rotor with easily positioned star disks, in which the slot insulation and the cooling potential of the rotor are also improved.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Rotor sowie eine elektrische Maschine mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.This problem is solved according to the invention by a rotor and an electric machine with the features according to the respective independent claims. Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims, the description, and the figures.

Ein erfindungsgemäßer Rotor für eine fremderregte elektrische Maschine umfasst einen Rotorkörper mit einem Rotorjoch und in Umfangsrichtung verteilt an dem Rotorjoch angeordneten Schenkelpolen zum Halten von Rotorwicklungen des Rotors, wobei jeder Schenkelpol einen radial vom Rotorjoch abstehenden Polzahn und einen radial am Polzahn angeordneten Polschuh aufweist und wobei zwischen zwei benachbarten Schenkelpolen jeweils eine Nut zum Aufnehmen zweier axialer Wicklungsabschnitte zweier benachbarter Rotorwicklungen gebildet ist. Außerdem umfasst der Rotor zwei Sternscheiben zum Anordnen an axial gegenüberliegenden Stirnseiten des Rotorkörpers und zum Abstützen von durch stirnseitige Wicklungsabschnitte der Rotorwicklungen gebildeten Wickelköpfen. Jede Sternscheibe weist ein Sternscheibenjoch zum Anordnen am Rotorjoch, Sternscheibenarme zum Anordnen an den Polzähnen und axial an den Sternscheibenarme abstehende Sternscheibendächer zum Anordnen an den Polschuhen auf. Außerdem weist jede Sternscheibe eine mit der Anzahl an Nuten korrespondierende Anzahl an Nutauskleideelementen auf, welche durch in die Nuten eintauchende axiale Seitenwandabschnitte der Sternscheibe ausgebildet sind und welche Nutwände in jeweiligen Nutendabschnitten der Nuten überdecken. Außenflächen der Nutauskleideelemente weisen ein elektrisch isolierendes Material auf und bilden somit im Bereich der Nutendabschnitte eine Nutisolation zum Isolieren von Wicklungsleitern der Rotorwicklungen gegenüber dem Rotorkörper aus.A rotor according to the invention for a separately excited electric machine comprises a rotor body with a rotor yoke and salient poles arranged circumferentially on the rotor yoke for holding rotor windings of the rotor, wherein each salient pole has a pole tooth projecting radially from the rotor yoke and a pole shoe arranged radially on the pole tooth, and wherein a groove is formed between two adjacent salient poles for receiving two axial winding sections of two adjacent rotor windings. The rotor also comprises two star disks for arrangement on axially opposite end faces of the rotor body and for supporting winding heads formed by end-face winding sections of the rotor windings. Each star disk has a star disk yoke for arrangement on the rotor yoke, star disk arms for arrangement on the pole teeth, and star disk roofs projecting axially from the star disk arms for arrangement on the pole shoes. Furthermore, each star disk has a number of slot lining elements corresponding to the number of slots. These elements are formed by axial side wall sections of the star disk that extend into the slots and cover the slot walls in the respective slot end sections. The outer surfaces of the slot lining elements are made of an electrically insulating material and thus form slot insulation in the area of the slot end sections to insulate the winding conductors of the rotor windings from the rotor body.

Die Erfindung betrifft außerdem eine fremderregte elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug mit einem Stator sowie einem bezüglich des Stators drehbar gelagerten, erfindungsgemäßen Rotor. Die elektrische Maschine ist insbesondere eine Antriebsmaschine bzw. Traktionsmaschine für ein als elektrifiziertes Kraftfahrzeug ausgebildetes Kraftfahrzeug. Die elektrische Maschine kann beispielsweise eine stromerregte Synchronmaschine (SSM) sein. Die elektrische Maschine ist vorzugsweise eine Innenläufermaschine, bei welcher der Stator den Rotor umgibt und der Rotor innerhalb eines hohlzylindrischen Statorkörpers des Stators drehbar gelagert ist.The invention further relates to a separately excited electric machine for a motor vehicle, comprising a stator and a rotor according to the invention, rotatably mounted relative to the stator. The electric machine is, in particular, a drive machine or traction machine for a motor vehicle designed as an electrified vehicle. The electric machine can, for example, be a current-excited synchronous machine (SSM). The electric machine is preferably an internal rotor machine in which the stator surrounds the rotor and the rotor is rotatably mounted within a hollow cylindrical stator body.

Der Rotor weist den Rotorkörper auf, welcher insbesondere als ein Blechpaket aus axial gestapelten Elektroblechlamellen ausgebildet ist. Der Rotorkörper ist in Schenkelpolbauweise gefertigt und weist ein ringartiges Rotorjoch auf, durch welches eine Rotorwelle hindurchgeführt ist. Die Rotorwelle ist drehfest mit dem Rotorkörper verbunden. In Umfangsrichtung am Rotorjoch verteilt sind die Schenkelpole angeordnet, welche jeweils einen radial vom Rotorjoch abstehenden und insbesondere parallelflankigen Polzahn und einen radial an den Polzahn angrenzenden und tangential bzw. seitlich an dem Polzahn überstehenden Polschuh aufweisen. Zwischen zwei benachbarten Polzähnen ist eine Nut gebildet, welche sich zwischen den zwei Stirnseiten axial durch den Rotorkörper hindurch erstreckt. Zwischen zwei benachbarten Polschuhen ist eine Pollücke gebildet, deren tangentiale Breite kleiner ist als eine tangentiale Breite der jeweiligen Nut und welche eine Zugangsöffnung zu der jeweiligen Nut ausbildet. Jede Nut weist Nutwände in Form von einem Nutgrund, welcher durch einen Außenseitenbereich des Rotorjochs gebildet ist, zwei Nutflanken, welche durch die Zahnflanken der an die Nut angrenzenden Polzähne gebildet sind, und eine durch die Pollücke unterbrochene Nutfrontseite, welche dem Nutgrund radial gegenüberliegt und welche durch Innenflächen der von den Polzähnen tangential abstehenden Polschuhbereiche gebildet ist, auf.The rotor comprises the rotor body, which is designed in particular as a laminated core of axially stacked electrical steel laminations. The rotor body is manufactured in a salient-pole configuration and features an annular rotor yoke through which a rotor shaft passes. The rotor shaft is rotationally fixed to the rotor body. The salient poles are arranged circumferentially around the rotor yoke, each having a pole tooth projecting radially from the rotor yoke and having parallel flanks, and a pole shoe radially adjacent to the pole tooth and projecting tangentially or laterally beyond it. A groove is formed between two adjacent pole teeth, extending axially through the rotor body between the two end faces. A pole gap is formed between two adjacent pole shoes, the tangential width of which is smaller than the tangential width of the respective groove and which forms an access opening to the respective groove. Each groove has groove walls in the form of a groove base, which is formed by an outer surface area of the rotor yoke, two groove flanks, which are formed by the tooth flanks of the pole teeth adjacent to the groove, and a groove front side interrupted by the pole gap, which is radially opposite the groove base and which is formed by inner surfaces of the pole shoe areas projecting tangentially from the pole teeth.

Außerdem kann der Rotor Rotorwicklungen zur Erregung eines Rotormagnetfeldes umfassen, deren Wicklungsleiter unter Ausbildung von axialen und stirnseitigen Wicklungsabschnitten um die Schenkelpole gewickelt sind, wobei in jeder Nut jeweils ein Wicklungsabschnitt zweier benachbarter Rotorwicklungen angeordnet ist und wobei die stirnseitigen Wicklungsabschnitte an den Stirnseiten des Rotorkörpers überstehen und Wickelköpfe ausbilden. Die Wicklungsleiter sind insbesondere als Drähte ausgebildet.Furthermore, the rotor can comprise rotor windings for exciting a rotor magnetic field, the winding conductors of which are wound around the salient poles, forming axial and end-face winding sections, with one winding section of two adjacent rotor windings arranged in each slot, and the end-face winding sections projecting from the end faces of the rotor body and forming winding heads. The winding conductors are particularly well-designed as wires.

Vor dem Bewickeln des Rotorkörpers mit den Wicklungsleitern wird an jeder Stirnseite eine Sternscheibe angeordnet, welche einen Auflagebereich für die Wicklungsleiter am Übergang zwischen den Nuten und den Stirnseiten und an den Stirnseiten ausbildet und welche die Wickelköpfe gegenüber dem Blechpaket isoliert und gegenüber rotationsbedingten Fliehkräften abstützt. Eine Unterseite der Sternscheibe bildet einen Anlagebereich bzw. eine Anlagefläche zum Anlegen an die Stirnseite des Rotorkörpers. Die Sternscheiben weisen vorzugsweise einen metallischen Grundkörper, beispielsweise einen Stahlgrundkörper, auf, dessen Unterseite die Anlagefläche zum Anlegen an die jeweilige Stirnseite des Rotorkörpers ausbildet, wobei Seiten des Grundkörpers abseits der Unterseite zumindest teilweise mit einer Isolationsschicht bedeckt sind. Dabei sind zumindest diejenigen Bereiche einer Oberseite und eines Seitenbereiches des Grundkörpers von dem Isolationsmaterial bedeckt, welche die Auflageflächen für die Wicklungsleiter ausbilden. Beispielsweise kann der Grundkörper der Sternscheibe, welcher eine mechanische Festigkeit der Sternscheibe erhöht und zur Aufnahme von Abwärme der Wicklungsleiter ausgebildet ist, teilweise mit einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise Kunststoff, umspritzt sein, welcher die Isolationsschicht ausbildet.Before the rotor body is wound with the winding conductors, a star disk is arranged on each end face. This disk forms a bearing area for the winding conductors at the transition between the slots and the end faces, and on the end faces themselves. It also insulates the winding heads from the laminated core and supports them against rotational centrifugal forces. The underside of the star disk forms a contact area or surface for resting against the end face of the rotor body. The star disks preferably have a metallic base, for example, a steel base, the underside of which forms the contact surface for resting against the respective end face of the rotor body. Sides of the base, apart from the underside, are at least partially covered with an insulating layer. At least those areas of a top and a side of the base that form the bearing surfaces for the winding conductors are covered by the insulating material. For example, the base body of the star disk, which increases the mechanical strength of the star disk and is designed to absorb waste heat from the winding conductors, can be partially overmolded with an electrically insulating material, such as plastic, which forms the insulating layer.

Eine Form der Sternscheiben korrespondiert dabei mit einer Form der Stirnseite des Rotorkörpers. Jede Sternscheibe weist ein Sternscheibenjoch auf, welches ebenfalls eine Durchgangsöffnung zum Durchführen der Rotorwelle aufweist. Radial vom Sternscheibenjoch abstehend und in Umfangsrichtung am Sternscheibenjoch verteilt angeordnet, sind die Sternscheibenarme angeordnet. Radial außen an den Sternscheibenarme sind die Sternscheibendächer angeordnet, welche axial an einer Oberseite der Sternscheibenarme und tangential an einer Flanke der Sternscheibenarme überstehen. Eine Außenseite des Sternscheibenjochs, eine Innenseite der Sternscheibendächer und die Oberseite der Sternscheibenarme begrenzen jeweils einen Wickelraum für die stirnseitigen Wicklungsabschnitte der Rotorwicklungen, wobei die Oberseite eines Sternscheibenarmes einen Wicklungsgrund des Wickelraumes, die Innenseite eines Sternscheibendaches und der radial fluchtend dazu angeordnete Außenseitenbereich des Sternscheibenjoches Wicklungsflansche des Wickelraumes ausbilden.One shape of the star disks corresponds to a shape of the rotor body's end face. Each star disk has a star disk yoke, which also has a through-opening for the rotor shaft. The star disk arms are arranged radially extending from the star disk yoke and distributed circumferentially around it. The star disk roofs are arranged radially on the outside of the star disk arms, projecting axially from an upper surface of the star disk arms and tangentially from a flank of the star disk arms. An outer surface of the star disk yoke, an inner surface of the star disk roofs, and the upper surface of the star disk arms each define a winding space for the end-face winding sections of the rotor windings. The upper surface of a star disk arm forms the winding base of the winding space, while the inner surface of a star disk roof and the radially aligned outer surface of the star disk yoke form the winding flanges of the winding space.

Die Sternscheiben sind dabei nicht nur anliegend an den Stirnseiten des Rotorkörpers, und damit außerhalb der Nuten, angeordnet, sondern tauchen in die Nuten ein. Die in die Nuten eintauchenden Bereiche der Sternscheiben bilden die Nutauskleideelemente aus. Innerhalb der Nut werden die Nutwände also in den an die Stirnseiten angrenzenden Nutendabschnitten von einem Nutauskleideelement überdeckt. Dabei weisen die Nutendabschnitte eine deutlich geringere axiale Abmessung auf als ein sich zwischen den Nutendabschnitte erstreckender Nutmittelabschnitt der Nut. Die ein Nutauskleideelement ausbildenden Seitenwandabschnitte der Sternscheiben sind durch einander zugewandte Armflanken zweier benachbarter Sternscheibenarme, einen Außenseitenbereich des Sternscheibenjochs zwischen den Armflanken und tangential an den Armflanken überstehenden Innenseitenbereiche zweier benachbarter Sternscheibendächer gebildet. Dadurch, dass die Seitenwandabschnitte, insbesondere die Armflanken der Sternscheibenarme, in axialer Richtung verlängert sind, werden die Sternscheibenarme auf die Polzähne aufgesteckt, sodass eine entlang der Umfangsrichtung formschlüssige Verbindung zwischen der Sternscheibe und dem Rotorkörper bereitgestellt wird und ein Verdrehen der Sternscheibe entlang der Umfangsrichtung in vorteilhafter Weise verhindert wird.The star disks are not only positioned against the end faces of the rotor body, and thus outside the slots, but also extend into the slots. The areas of the star disks that extend into the slots form the slot lining elements. Within the slot, the slot walls are covered by a slot lining element in the slot end sections adjacent to the end faces. The slot end sections have a significantly smaller axial dimension than the central section of the slot extending between them. The side wall sections of the star disks are formed by mutually facing arm flanks of two adjacent star disk arms, an outer surface area of the star disk yoke between the arm flanks, and inner surface areas of two adjacent star disk roofs projecting tangentially onto the arm flanks. Because the side wall sections, particularly the arm flanks of the star disk arms, are extended in the axial direction, the star disk arms are fitted onto the pole teeth, thus providing a positive-locking connection along the circumferential direction between the star disk and the rotor body and advantageously preventing rotation of the star disk along the circumferential direction.

Zumindest Außenflächen der Nutauskleideelemente bestehen dabei aus einem elektrisch isolierenden Material, um die Wicklungsleiter im Übergangsbereich zwischen den nutinternen, axialen Wicklungsabschnitten und den stirnseitigen, die Wickelköpfe ausbildenden Wicklungsabschnitten von dem Rotorkörper zu isolieren. Insbesondere bestehen die Nutauskleideelemente aus dem elektrisch isolierenden Material. Beispielsweise kann das Isolationsmaterial, welches den Grundkörper der Sternscheibe abseits der Unterseite zumindest bereichsweise bedeckt, im Bereich der betreffenden Seitenwandabschnitte axial an der Unterseite des Grundkörpers überstehen. Durch die nuteintauchenden Seitenwandbereiche kann die Isolationslänge erhöht werden. Hierdurch können eckseitigen Auflageflächen im Übergangsbereich der Sternscheibe besser an den Grundkörper angepasst werden, da diese weiter in Richtung des Rotorkörpers geschoben werden können. Dies verbessert die Wärmeabfuhr im Rotor und somit eine Effizienz und ein Dauerdrehmoment der elektrischen Maschine.At least the outer surfaces of the slot lining elements consist of an electrically insulating material to insulate the winding conductors in the transition area between the axial winding sections within the slot and the end-face winding sections forming the winding heads from the rotor body. In particular, the slot lining elements themselves consist of this electrically insulating material. For example, the insulating material, which covers at least part of the base of the star disk (apart from the underside), can project axially from the underside of the base in the area of the relevant side wall sections. The insulation length can be increased by the side wall sections extending into the slot. This allows the corner contact surfaces in the transition area of the star disk to be better adapted to the base, as they can be pushed further towards the rotor body. This improves heat dissipation in the rotor and thus the efficiency and continuous torque of the electric machine.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weisen die Nutwände jeder Nut zwei Stufen zwischen dem Nutmittelabschnitt und den axial gegenüberliegenden, an die Stirnseiten angrenzenden Nutendabschnitten auf, durch welche ein jeweiliger Nutquerschnitt in den Nutendabschnitten vergrößert ist und welche einen jeweiligen axialen Anschlag für die, den vergrößerten Nutquerschnitt kompensierenden Nutauskleideelemente der Sternscheiben ausbilden. Es ist also eine erste Stufe zwischen einem an die erste Stirnseite angrenzenden ersten Nutendabschnitt und dem Nutmittelabschnitt und eine zweite Stufe zwischen einem an die axial gegenüberliegende zweite Stirnseite angrenzenden Nutendabschnitt und dem Mittelabschnitt gebildet. Die Stufen sind dabei in sämtlichen Nutwänden der Nut, also im Nutgrund, den Nutflanken und der Nutfrontseite gebildet und verlaufen somit entlang des Nutquerschnitts. Durch die Stufen sind eine Nutbreite und eine Nuttiefe im Nutmittelabschnitt geringer als in den Nutendabschnitten. Hierdurch ergibt sich ein erster Nutquerschnitt im Nutmittelbereich und ein im Vergleich zum ersten Nutquerschnitt größerer zweiter Nutquerschnitt in den Nutendabschnitten. Diese größeren zweiten Nutquerschnitte werden durch das jeweilige Nutauskleideelement kompensiert, sodass die mit den Nutauskleideelementen bestückte Nut in axialer Richtung einen im Wesentlichen konstanten Querschnitt aufweist. Hierzu entspricht eine Stufenbreite in etwa einer Wandstärke der Nutauskleideelemente. Die Stufen dienen außerdem der Positionierung der Sternscheiben und bilden einen axialen Anschlag für die Sternscheiben aus.In an advantageous embodiment of the invention, the groove walls of each groove have two steps between the central groove section and the axially opposite end sections adjacent to the end faces. These steps increase the respective groove cross-section in the end sections and form an axial stop for the groove lining elements of the star disks, which compensate for the increased groove cross-section. Thus, a first step is formed between a first end section adjacent to the first end face and the central groove section, and a second step is formed between a second end section adjacent to the axially opposite end face and the central section. The steps are formed in all groove walls of the groove, i.e., in the groove base, the groove flanks, and the groove face, and therefore extend along the groove cross-section. Due to the steps, the groove width and depth in the central groove section are smaller than in the end sections. This results in a first groove cross-section in the central groove region and a second groove cross-section in the end sections that is larger compared to the first groove cross-section. These larger secondary groove cross-sections are compensated for by the respective groove lining element, so that the groove fitted with the groove lining elements has a substantially constant cross-section in the axial direction. For this purpose, one step width corresponds approximately to one wall thickness of the groove lining element. The steps also serve to position the star discs and form an axial stop for them.

Es erweist sich als vorteilhaft, wenn in den Nuten Nutisolationselemente, insbesondere Nutisolationspapiere, angeordnet sind, welche in den Nutendabschnitten überlappend mit den Nutauskleideelementen angeordnet sind, sodass im Bereich der Nutendabschnitte eine doppelte Nutisolation ausgebildet ist. Die Nutisolationspapiere kleiden dabei die Nuten vollständig, entlang ihrer gesamten axialen Länge aus, und überdecken somit die Nutwände im Nutmittelabschnitt sowie die Nutauskleideelemente in den Nutendabschnitten. In den Nutmittelabschnitten sind die Nuten nur durch das Nutisolationspapier und damit einfach isoliert. In den Nutendabschnitten sind die Nuten durch die Nutauskleideelemente und die Nutisolationspapiere doppelt isoliert. So können Kriechströme im Übergangsbereich zwischen den nutinternen und stirnseitigen Wicklungsabschnitten zwischen den Rotorwicklungen und dem Rotorkörper, insbesondere bei einem vergusslosen bzw. unvergossenen, Rotor, zuverlässig vermieden werden.It is advantageous to arrange slot insulation elements, particularly slot insulation papers, in the slots, overlapping the slot lining elements in the slot end sections, thus creating double slot insulation in the slot end section. The slot insulation papers completely line the slots along their entire axial length, covering the slot walls in the slot center section and the slot lining elements in the slot end sections. In the slot center sections, the slots are insulated only by the slot insulation paper, resulting in single insulation. In the slot end sections, the slots are doubly insulated by the slot lining elements and the slot insulation papers. This reliably prevents leakage currents in the transition area between the slot-internal and end-face winding sections between the rotor windings and the rotor body, particularly in the case of an unencapsulated rotor.

Dabei kann vorgesehen sein, dass eine Länge der Nutisolationselemente größer ist als eine Länge der Nuten, sodass die Nutisolationselemente axial beidseitig aus den Nuten herausragen, wobei an aus den Nuten herausragenden Bereichen der Nutauskleideelemente Ausbuchtungen angeordnet sind, welche L-Nuten zum Aufnehmen der aus den Nuten herausragenden Nutisolationselemente ausbilden. Die Ausbuchtungen sind insbesondere an den Außenflächen der Nutauskleideelemente im Bereich eines Übergangs zwischen den Seitenwandabschnitten und einer Oberseite der Sternscheiben ausgebildet. Die Nutisolationspapiere stoßen axial somit an die L-Nuten an, sodass ein axiales Verrutschen der Nutisolationspapiere in den Nuten verhindert werden kann.It can be provided that the length of the slot insulation elements is greater than the length of the slots, so that the slot insulation elements project axially from the slots on both sides. Bulges are arranged on the areas of the slot lining elements that project from the slots, forming L-grooves for receiving the slot insulation elements protruding from the slots. These bulges are formed, in particular, on the outer surfaces of the slot lining elements in the area of a transition between the side wall sections and the upper surface of the star disks. The slot insulation papers thus abut axially against the L-grooves, preventing axial slippage of the slot insulation papers within the slots.

In einer Ausgestaltung der Erfindung bilden bei jeder Sternscheibe zumindest ein Nutauskleideelement und zumindest eine Nutwand der zugehörigen Nut eine Schnappverbindung zum formschlüssigen Verbinden der jeweiligen Sternscheibe und des Rotorkörpers aus. Beispielsweise kann das zumindest eine Nutauskleideelement an seiner der Nutwand zugewandten Innenfläche zumindest bereichsweise ein Schnapphakenprofil aufweisen und die Nutwand kann eine Hinterschneidung, beispielsweise eine Aufnahmeöffnung, für das Schnapphakenprofil aufweisen. Beispielsweise können die Seitenwandabschnitte der Sternscheibenarme an ihrer Innenfläche das Schnapphakenprofil aufweisen und in der Nutflanke kann die, beispielsweise rillenartige, Öffnung angeordnet sein. Beim axialen Aufschieben der Sternscheibe auf den Rotorkörper gleitet das Schnapphakenprofil über die Nutflanke, bis es an der Hinterschneidung des Rotorkörpers einschnappt und hierdurch die Sternscheibe auch in axialer Richtung formschlüssig mit dem Rotorkörper verbindet. Somit kann in vorteilhafter Weise auf zusätzliche Positionierelemente am Rotorkörper und an den Sternschieben, beispielsweise Pins an den Sternscheiben, an welchen beim Einpressen in eine Öffnung in der Stirnseite des Rotorkörpers ein Span gezogen würde, verzichtet werden.In one embodiment of the invention, at least one groove lining element and at least one groove wall of the associated groove form a snap connection for positively locking the respective star disk and the rotor body in each star disk. For example, this can at least The groove lining element must have a snap-hook profile on its inner surface facing the groove wall, at least in some areas, and the groove wall may have an undercut, for example, a receiving opening, for the snap-hook profile. For example, the side wall sections of the star disk arms may have the snap-hook profile on their inner surface, and the opening, for example, a groove-like opening, may be arranged in the groove flank. When the star disk is axially pushed onto the rotor body, the snap-hook profile slides over the groove flank until it snaps into the undercut of the rotor body, thereby positively connecting the star disk to the rotor body in the axial direction as well. This advantageously eliminates the need for additional positioning elements on the rotor body and on the star disks, such as pins on the star disks, which would draw a chip when pressed into an opening in the end face of the rotor body.

Die mit Bezug auf den erfindungsgemäßen Rotor vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße elektrische Maschine.The embodiments and advantages presented with reference to the rotor according to the invention apply accordingly to the electrical machine according to the invention.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den 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 allein 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.Further features of the invention will become apparent from the claims, the figures, and the description of the figures. The features and combinations of features mentioned above in the description, as well as those subsequently mentioned in the description of the figures and/or shown in the figures alone, are usable not only in the combinations specified, but also in other combinations or individually. The invention will now be explained in more detail with reference to a preferred embodiment and the drawings.

Es zeigen:

1 eine Perspektivdarstellung eines Ausschnitts aus einer ersten Ausgestaltung eines Rotors;
2 eine Perspektivdarstellung eines Ausschnitts aus einer zweiten Ausgestaltung eines Rotors; und
3 eine Perspektivdarstellung eines Ausschnitts aus einer dritten Ausgestaltung eines Rotors.

They show:

1 a perspective view of a section of a first design of a rotor;
2 a perspective view of a section of a second embodiment of a rotor; and
3 a perspective view of a section of a third design of a rotor.

In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.In the figures, identical and functionally equivalent elements are provided with the same reference symbols.

1, 2 und 3 zeigen Perspektivdarstellungen eines Ausschnitts eines Rotors 1 für eine fremderregte elektrische Maschine. Der Rotor 1 weist einen Rotorkörper 2 auf, welcher zum Halten von hier nicht gezeigten Rotorwicklungen des Rotors 1 dient und von welchem hier ausschnittsweise ein Rotorjoch 3 und einer von mehreren vom Rotorjoch 3 abstehenden Schenkelpole 4 gezeigt ist. Jeder Schenkelpol 4 weist einen, insbesondere parallelflankigen, Polzahn 5 und einen Polschuh 6 auf. Zwischen zwei Schenkelpolen 4 ist jeweils eine Nut 7 gebildet, welche sich axial durchgängig zwischen zwei Stirnseiten 8 des Rotorkörpers 2 erstreckt. Die Nuten 7 sind zum Aufnehmen von axialen Wicklungsabschnitten der Rotorwicklungen ausgebildet. Jede Rotorwicklung weist zwei axiale, an Nutwänden in Form von Zahnflanken 9a des zugehörigen Polzahns 5 angeordnete Wicklungsabschnitte und zwei stirnseitige, an den Stirnseiten 8 des Rotorkörpers 2 angeordnete Wicklungsabschnitte auf. Pro Nut 7 sind jeweils axiale Wicklungsabschnitte zweier benachbarter Rotorwicklungen angeordnet. 1 , 2 and 3 The figures show perspective views of a section of a rotor 1 for a separately excited electric machine. The rotor 1 has a rotor body 2, which serves to hold rotor windings of the rotor 1 (not shown here). A section of the rotor yoke 3 and one of several salient poles 4 projecting from the rotor yoke 3 are shown. Each salient pole 4 has a pole tooth 5, in particular with parallel flanks, and a pole shoe 6. A slot 7 is formed between each pair of salient poles 4, extending axially through the two end faces 8 of the rotor body 2. The slots 7 are designed to receive axial winding sections of the rotor windings. Each rotor winding has two axial winding sections arranged on slot walls in the form of tooth flanks 9a of the associated pole tooth 5, and two end-face winding sections arranged on the end faces 8 of the rotor body 2. Each of the 7 slots contains axial winding sections of two adjacent rotor windings.

An jeder Stirnseite 8 des Rotorkörpers 2 ist außerdem eine Sternscheibe 10 bzw. ein Wickelkopfträger angeordnet, welche hier im Bereich eines Schenkelpols 4 geschnitten dargestellt ist. Jede Sternscheibe 10 weist ein an dem Rotorjoch 3 angeordnetes Sternscheibenjoch 11 und je Polzahn 5 einen Sternscheibenarm 12 auf. Radial angrenzend an den jeweiligen Sternscheibenarm 12 ist ein aufgrund des Schnittes hier nicht gezeigtes Sternscheibendach angeordnet, welches an dem jeweiligen Polschuh 6 angeordnet ist. Die Sternscheibe 10 weist an ihrer Unterseite eine Anlagefläche zum Anlegen an die Stirnseite 8 des Rotorkörpers 2 auf. Bei den Ausgestaltungen gemäß 1 und 2 weist die Sternscheibe 10 einen Grundkörper 13, beispielsweise einen Stahlgrundkörper, auf, dessen Unterseite die Anlagefläche ausbildet. Seiten des Grundkörpers 13 abseits der Unterseite sind zumindest bereichsweise von einer Isolationsschicht 14 bedeckt. Bei der Ausgestaltung gemäß 3 ist die Sternscheibe 10 vollständig aus einem Isolationsmaterial 15, beispielsweise einem Hochleistungskunststoff, gebildet.A star disk 10 or a winding head carrier is also arranged on each end face 8 of the rotor body 2, which is shown here in section in the area of a salient pole 4. Each star disk 10 has a star disk yoke 11 arranged on the rotor yoke 3 and a star disk arm 12 for each pole tooth 5. Radially adjacent to the respective star disk arm 12 is a star disk roof, not shown here due to the section, which is arranged on the respective pole shoe 6. The star disk 10 has a contact surface on its underside for bearing against the end face 8 of the rotor body 2. In the embodiments according to 1 and 2 The star disk 10 has a base body 13, for example a steel base body, the underside of which forms the contact surface. Sides of the base body 13 other than the underside are at least partially covered by an insulating layer 14. In the embodiment according to 3 The star disk 10 is made entirely of an insulating material 15, for example a high-performance plastic.

Die Sternscheibe 10 weist außerdem Nutauskleideelemente 16 auf, welche durch axial verlängerte, an der Auflagefläche der Sternscheibe 10 axial abstehende Seitenwandabschnitte 17a, 17b der Sternscheibe 10 gebildet ist. Die Seitenwandabschnitte 17a, 17b sind hier Armflanken 17a der Sternscheibenarme 12, Außenseitenbereiche 17b des Sternscheibenjochs 11 sowie nicht gezeigte Innenseitenbereiche der Sternscheibendächer. Die Nutauskleideelemente 16 sind dabei an den Nutwänden 9a, 9b, 9c, hier an den Zahnflanken 9a, einem durch das Rotorjoch 3 gebildeten Nutgrund 9b sowie einer Innenfläche 9c der Polschuhe 6, in einem Nutendabschnitt 7a der Nut 7 angeordnet. Der Nutendabschnitt 7a erstreckt sich von der Stirnseite 8 bis zu einem Nutmittelabschnitt 7b. Zwischen dem Nutendabschnitt 7a und dem Nutmittelabschnitt 7b ist außerdem eine Stufe 18 in den Nutwänden 9a, 9b, 9c gebildet, welche einen axialen Anschlag für die Nutauskleideelemente 16 und damit für die Sternscheibe 11 ausbildet. Die Nutauskleideelemente 16 sind aus einem elektrisch isolierenden Material, beispielsweise dem Material der Isolationsschicht 14 oder dem Isolationsmaterial 15 ,ausgebildet und isolieren die Wicklungsleiter der Rotorwicklung im Nutendabschnitt 7a und darüber hinaus im Bereich der Stirnseite 8 von dem Rotorkörper 2.The star disk 10 also has groove lining elements 16, which are formed by axially extended side wall sections 17a, 17b of the star disk 10 that project axially from the bearing surface of the star disk 10. The side wall sections 17a, 17b are here arm flanks 17a of the star disk arms 12, outer surface areas 17b of the star disk yoke 11, and inner surface areas of the star disk roofs (not shown). The groove lining elements 16 are arranged on the groove walls 9a, 9b, 9c, here on the tooth flanks 9a, a groove base 9b formed by the rotor yoke 3, and an inner surface 9c of the pole shoes 6, in a groove end section 7a of the groove 7. The groove end section 7a extends from the end face 8 to a groove center section 7b. Between In addition to the slot end section 7a and the slot middle section 7b, a step 18 is formed in the slot walls 9a, 9b, 9c, which forms an axial stop for the slot lining elements 16 and thus for the star disk 11. The slot lining elements 16 are made of an electrically insulating material, for example the material of the insulating layer 14 or the insulating material 15, and insulate the winding conductors of the rotor winding in the slot end section 7a and also in the area of the end face 8 from the rotor body 2.

Außerdem weisen die Seitenwandabschnitte 17a, 17b eine Ausbuchtung 19 in Form von einer L-Nut auf, welche einen Anschlag für ein hier nicht gezeigtes, in der Nut 8 anordenbares Nutisolationspapier ausbildet. Das Nutisolationspapier ragt aus den Nuten 7 heraus, steht an der Ausbuchtung 19 an sorgt gemeinsam mit dem zugehörigen Nutauskleideelement 16 für eine doppelte Isolation im Nutendabschnitt 7a, wodurch der Rotor 1 vergussfrei ausgebildet werden kann.Furthermore, the side wall sections 17a and 17b have a projection 19 in the form of an L-groove, which forms a stop for a groove insulation paper (not shown) that can be arranged in the groove 8. The groove insulation paper protrudes from the grooves 7, abuts the projection 19, and together with the associated groove lining element 16 provides double insulation in the groove end section 7a, thus enabling the rotor 1 to be manufactured without potting.

Bei der Ausgestaltung des Rotors 1 gemäß 1 und 2 bildet das Nutauskleideelement 16 mit dem Rotorkörper 2 zudem eine Schnappverbindung 20 aus und verbindet somit die Sternscheibe 10 formschlüssig mit dem Rotorkörper 2. Hierzu weist hier die Armflanke 17a an ihrer Innenfläche ein Schnapphakenprofil 21 auf, welches mit einer Hinterschneidung 22 in der zugehörigen Nutwand 9a die Schnappverbindung 20 ausbildet. Durch die Schnappverbindung 20 kann auf anderweitige Positionierelemente verzichtet werden.In the design of rotor 1 according to 1 and 2 The groove lining element 16 forms a snap connection 20 with the rotor body 2, thus positively connecting the star disk 10 to the rotor body 2. For this purpose, the arm flank 17a has a snap-hook profile 21 on its inner surface, which, with an undercut 22 in the associated groove wall 9a, forms the snap connection 20. The snap connection 20 eliminates the need for other positioning elements.

Claims

A rotor (1) for a separately excited electric machine comprising: - a rotor body (2) with a rotor yoke (3) and salient poles (4) arranged circumferentially on the rotor yoke (3) for holding rotor windings of the rotor (1), wherein each salient pole (4) has a pole tooth (5) projecting radially from the rotor yoke (3) and a pole shoe (6) arranged radially outside the pole tooth (5), and wherein a groove (7) is formed between each of two adjacent salient poles (4) for receiving axial winding sections of two adjacent rotor windings, - two star disks (10) for arranging on axially opposite end faces (8) of the rotor body (2) and for supporting winding heads formed by end-face winding sections of the rotor windings, each with a star disk yoke (11) for arranging on the rotor yoke (3), star disk arms (12) for arranging on the pole teeth (6) and axially on the Star disk arms (12) projecting star disk roofs for arrangement on the pole shoes (6), characterized in that each star disk (10) has groove lining elements (16) which are formed by axial side wall sections (17a, 17b) of the star disk (10) immersed in the grooves (7) and which cover groove walls (9a, 9b, 9c) in respective groove end sections (7a) of the grooves (7), wherein outer surfaces of the groove lining elements (16) have an electrically insulating material (14, 15) and thus form a groove insulation in the area of the groove end sections (7a) for insulating winding conductors of the rotor windings from the rotor body (2).

Rotor (1) after Claim 1 , characterized in that the side wall sections (17a, 17b) of the star disks (10) forming a groove lining element (16) are formed by arm flanks (17a) of two adjacent star disk arms (12), an outer surface area (17b) of the star disk yoke (11) between the arm flanks (12) and inner surfaces of two adjacent star disk roofs.

Rotor (1) after Claim 1 or 2 , characterized in that the star disks (10) each have a metallic base body (13) whose underside forms a contact surface for contacting the respective end face (8) of the rotor body (2), wherein sides of the base body (13) apart from the underside are at least partially covered by an insulating layer (14) and wherein the insulating layer (14) projects axially on the underside of the respective base body (13) to form the side wall sections (17a, 17b) forming the groove lining elements (16).

Rotor (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the groove wall of each groove (7) has two steps (18) between a groove center section (7b) and the axially opposite groove end sections (7a) adjacent to the end faces (8), by which a respective groove cross-section in the groove end sections (7a) is enlarged and which form a respective axial stop for the groove lining elements (16) of the star disks (10) that at least partially compensate for the enlarged groove cross-section.

Rotor (1) according to one of the preceding claims, characterized in that slot insulation elements, in particular slot insulation papers, are arranged in the slots (7) which are arranged overlapping with the slot lining elements (16) in the slot end sections (7a), so that a double slot insulation is formed in the area of the slot end sections (7a).

Rotor (1) after Claim 5 , characterized in that a length of the nut insulation element The length of the grooves (7) is greater than the length of the grooves (7), so that the groove insulation elements protrude axially on both sides from the grooves (7), wherein bulges (19) are arranged on areas of the groove lining elements (16) protruding from the grooves (7), which form L-slots for receiving the groove insulation elements protruding from the grooves (7).

Rotor (1) after Claim 6 , characterized in that the bulges (19) on the outer surfaces of the groove lining elements (16) are formed in the area of a transition between the side wall sections (17a, 17b) and a top surface of the star disks (10).

Rotor (1) according to one of the preceding claims, characterized in that at least one groove lining element (16) and the groove wall (9a, 9b, 9c) of the associated groove (7) form a snap connection (20) for positive locking connection of the respective star disk (10) and the rotor body (2) in each star disk (10).

Rotor (1) after Claim 8 , characterized in that the at least one groove lining element (16) has at least partially a snap hook profile (17) on its inner surface facing the groove wall (9a) and the groove wall (9a) has an undercut (22) for the snap hook profile (17).

Electric machine with a stator and a rotor (1) rotatably mounted with respect to the stator according to one of the preceding claims.