-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor für eine fremderregte Synchronmaschine.
-
Im Stand der Technik sind Rotoren für fremderregte Synchronmaschinen bekannt.
-
Aus dem Dokument
DE 10 2005 113 840 A1 ist eine teilweise segmentierte Rotoranordnung für einen Elektromotor sowie ein Verfahren dafür bekannt. Die Rotoranordnung umfasst ein erstes Rotorsegment und eine Vielzahl zweiter Rotorsegmente. Das erste Rotorsegment weist eine Vielzahl erster Pole auf, die mit einem Draht gewickelt sind und das zweite Rotorsegment weist eine Vielzahl zweiter Pole auf. Die teilweise segmentierte Rotoranordnung kann ein Befestigungselement enthalten, das zumindest an den jeweiligen Löchern, die in den Befestigungsmerkmalen der ersten und zweiten Rotorsegmente ausgebildet sind, derart angeordnet ist, dass das erste Rotorsegment und das zweite Rotorsegment aneinander starr und dauerhaft befestigt sind.
-
Aus dem Dokument
EP 2 973 945 B1 sind ein Einzelsegmentläufer sowie ein Verfahren zum Herstellen desselben bekannt. Der Einzelsegmentläufer umfasst mehrere Blechpaketsegmente, die jeweils an einem separaten Biegeträger radial befestigt sind, wobei die Blechpaketsegmente formschlüssig in radialer Richtung von einer Hülse gehalten werden.
-
Aus dem Dokument
EP 1 439 626 B1 ist eine kreisförmige Anordnung von Permanentmagneten für einen Läufer bekannt, wobei die Permanentmagnete zwischen zwei Hülsen positioniert sind, wobei eine äußere Hülse aus einem amagnetische bzw. nicht magnetischen Material ausgebildet ist.
-
Im Stand der Technik ist es bekannt, Einzelzähne zu stanzen und diese im Nachhinein zu einem Blechpaket durch eine geeignete Fügetechnik zusammenzuführen. Bei Rotoren wird hierfür häufig eine Schwalbenschwanzverbindung oder eine Tannenbaumverbindung gewählt.
-
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Rotor mit Rotorzähnen bereitzustellen, der einfacher und kostengünstiger herstellbar ist und zudem eine verbesserte Wickelqualität einer auf dem Rotor gewickelten Drahtwicklung ermöglicht.
-
Diese Aufgabe wird durch einen Rotor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausführungen sind Gegenstand der Beschreibung und Beschreibung der Figuren.
-
Gegenstand der vorliegende Erfindung ist ein Rotor für eine fremderregte Synchronmaschine.
-
Erfindungsgemäß umfasst der Rotor einen zylindrischen Grundkörper mit zumindest einer axial verlaufenen Verbindungsnut und zumindest einen radial am Grundkörper angeordneten und in die zumindest eine Verbindungsnut eingesetzten Rotorzahn aus einem magnetischen Material, wobei um den zumindest einen Rotorzahn eine elektrische Wicklung und eine in radialer Richtung um den zumindest einen Rotorzahn ausgebildete Hülse aus einem amagnetischen bzw. nicht magnetischen Material angeordnet ist. Der Rotor zeichnet sich durch günstige Herstellungskosten für die Rotorzähne und den Grundkörper aus. Insbesondere ist der Rotor dadurch kostengünstig in der Herstellung bei gleichzeitig sehr guten Produkteigenschaften, wie beispielsweise hohe Drehzahlfestigkeiten, hoher Kupferfüllfaktor und damit einhergehender gesteigerter Effizienz.
-
Der Grundkörper ist optional als Joch ausgebildet. Dabei ist der Grundkörper in der Regel aus gestapelten Blechen ausgebildet, die in einer vorbestimmten Form gestanzt sind. Der Grundkörper ist in der Regel hohlzylindrisch ausgebildet. Somit weist der Grundkörper zumindest eine Innenbohrung auf. Die Innenbohrung ist eingerichtet, eine Welle des Elektromotors aufzunehmen. Beispielsweise ist die Welle über einen Querpressverband , eine Nut-Feder-Verbindung, eine Verzahnung oder eine ähnliche Kraftübertragung in die Innenbohrung einbringbar.
-
Optional ist das Joch einteilig ausbildbar, wobei das Joch ein Drehelement ist, welches aus Stahl gefertigt ist und wobei in das Drehelement zumindest eine Verbindungsnut einfräsbar, einräumbar oder durch ein anderes Verfahren einbringbar ist. Dies ist insbesondere möglich, da das Joch verhältnismäßig weit vom elektromagnetischen Drehfeld des Elektromotors entfernt ist.
-
Die zumindest eine axial entlang einer Außenfläche des Grundkörpers verlaufende Verbindungsnut ist in der Regel rechteckig ausgebildet. Alternativ ist die zumindest eine Verbindungsnut rund, oval oder eckig ausgebildet. Typischerweise weist ein Grundkörper sechs Verbindungsnuten auf, wobei jeweils zwei Verbindungsnuten einander gegenüberliegend in dem Grundkörper ausgebildet sind. Optional umfasst der Grundkörper vier Verbindungsnuten, acht Verbindungsnuten oder 10 Verbindungsnuten.
-
Der zumindest eine Rotorzahn weist in der Regel einen Wickelbereich auf, der eingerichtet ist, eine elektrische Wicklung, insbesondere Kupferdrahtwicklung, aufzunehmen. Die Rotorzähne tragen in einer fremderregten Synchronmaschine somit die Kupferwicklung. Die Rotorzähne werden dabei extern und einzeln gewickelt und in gewickeltem Zustand mit dem Grundkörper gefügt. Dadurch lassen sich sehr hohe Wickelgeschwindigkeiten realisieren. Das externe Wickeln trägt zur Senkung der Rotorproduktionskosten bei. Zudem können geringere Fertigungszeiten für das Herstellen des Rotors durch die Möglichkeit, schnelle Wickelverfahren einzusetzen, erzielt werden. Zudem kann ein höherer Kupferfüllfaktor erzielt werden, wodurch eine Steigerung der Effizienz der Maschine erzielt wird. Der Wickelbereich des Rotorzahns kann komplett vollgewickelt werden, weil kein Vorhalt für eine Nadel oder Werkzeug vorgesehen werden muss. Ferner wird eine gute Wickelqualität erzielt, da die Drähte gezielt abgelegt werden können. Beispielsweise ist ein orthozyklischer Lageaufbau möglich.
-
An einem jeweiligen Ende des Wickelbereichs eines Rotorzahns weist ein jeweiliger Rotorzahn jeweils ein T-förmiges Ende auf. Dabei sind die T-förmigen Enden in radialer Richtung gebogen ausgebildet. Ein erstes T-förmiges Ende ist in radialer Richtung von dem Grundkörper fortweisend ausgebildet, während ein zweites T-förmiges Ende in radialer Richtung um den Grundkörper in Richtung des Grundkörpers weisend ausgebildet ist. Dies bietet den Vorteil, dass sich die Rotorzähne optimal an den Grundkörper anbringen lassen. Das zweite T-förmige Ende weist in der Regel eine Feder auf, die eingerichtet ist, in eine Verbindungsnut einzugreifen. Die Geometrie des Grundkörpers, welcher als Joch oder als Welle ausgebildet sein kann, ist sehr günstig in der Herstellung. Auch die Geometrie der Rotorzähne ist sehr günstig in der Herstellung. Somit weisen die Rotorzähne eine günstige Zahngeometrie auf.
-
Zwei zueinander benachbarte Verbindungsnuten des Grundkörpers sind dabei derart voneinander beabstandet ausgebildet, dass bei einem eingesetzten Zustand zweiter Rotorzähne in die benachbarten Verbindungsnuten jeweils die zwei T-förmigen Enden der Rotorzähne aneinander liegen.
-
Die Hülse ist in radialer Richtung um den Grundkörper, der den zumindest einen Rotorzahn aufnimmt, angeordnet. Die Hülse ist in der Regel aus einem amagnetischen Material ausgebildet. Bei einer Ausgestaltung des Rotors mit sechs Verbindungsnuten, wobei in jeder der Verbindungsnuten ein Rotorzahn angeordnet ist, sind die jeweiligen ersten T-förmigen Enden der Rotorzähne aneinander anschließend ausgebildet, sodass diese in radialer Richtung eine ringförmig abschließende Form ausbilden. Die Hülse ist eingerichtet, auf die ringförmig abschließende Form aufbringbar zu sein und diese zu halten. Die Hülse ist einfach und kostengünstig herstellbar.
-
Die Hülse wird in der Regel axial über den Grundkörper mit den Rotorzähnen gefügt, sobald alle Rotorzähne angeordnet sind. Die Hülse ist stramm an den zumindest einen Rotorzahn anliegend angeordnet. Dies ist beispielsweise dadurch erzielbar, dass der Rotor vor dem Fügen der Hülse abgekühlt wird. Die Hülse ist eingerichtet, bei hohen Drehzahlen die Fliehkräfte des Grundkörpers mit dem zumindest einen Rotorzahn aufzunehmen.
-
In Ausgestaltung sind der Grundkörper und/oder der zumindest eine Rotorzahn geblecht ausgeführt. In der Regel ist der zumindest eine Rotorzahn somit aus gestapelten Blechen ausgebildet, die in einer entsprechenden Form gestanzt wurden. Da die Rotorzähne in der Nähe des Stators angeordnet sind, erfahren diese ein großes Wechselfeld. Daher sind die Rotorzähne in der Regel geblecht ausgebildet. Beim Stanzen der Rotorzähne kann ein höherer Ausnutzungsgrad des Blechs gegenüber dem Stanzen eines gesamten Rotorblechschnitts erzielt werden. Zudem sind die Bleche sehr leicht zu fertigen, da keine filigranen Schwalbenschwanzverbindungen oder Tannenbaumverbindungen gestanzt werden müssen.
-
Der Grundkörper kann optional geblecht ausgebildet sein oder einteilig, beispielsweise aus Stahl, ausgebildet sein. Dabei ist der Grundkörper als Drehelement ausgebildet, wobei Verbindungsnuten in das Drehelement beispielsweise fräsbar oder räumbar sind.
-
In einer Weiterbildung ist der Grundkörper hohlzylindrisch ausgebildet. In die Innenbohrung des Jochs ist die Rotorwelle fügbar. Dabei kann die Rotorwelle über einen Querpressverband, eine Nut-Feder-Verbindung, eine Verzahnung oder eine ähnliche Kraftübertragung in die Innenbohrung gefügt sein bzw. werden.
-
In einer Weiterbildung sind zumindest zwei zueinander benachbarte Rotorzähne mittels eines Backlacks miteinander verbunden. Dabei handelt es sich um eine vollflächige Verklebung.
-
In einer Ausgestaltung ist der Grundkörper als massive zylindrische Welle ausgeführt. Dies bietet wirtschaftliche Vorteile, da gegebenenfalls, wenn notwendig, auf eine Ausbildung eines Grundkörpers als Joch verzichtet werden kann. Der Grundkörper ist als Welle und damit derart ausformbar, dass die Rotorzähne direkt in die Welle einbringbar sind. Der als Welle ausgebildete Grundkörper weist in der Regel zumindest eine Verbindungsnut auf. Dadurch kann der Zusammenbau des Rotors um ein Teil reduziert werden.
-
In einer weiteren Ausgestaltung ist die Hülse aus einem carbonfaserverstärktem Kunststoff (CFK) und/oder einem glasfaserverstärktem Kunststoff (GFK)gefertigt. Optional sind die Fasern der Kunststoffe in eine Umfangsrichtung ausrichtbar, sodass sehr hohe Festigkeitswerte erzielbar sind. Aus CFK gefertigte Hülsen weisen in einer Längsrichtung sehr hohe Zugfestigkeiten auf. Die Fasern der CFK lassen sich beim Wickeln der Hülse gezielt ausrichten. Dadurch können diese dem Umfang entgegenlaufen und werden genau in der Richtung belastet, in der diese die höchste Festigkeit aufweisen.
-
Des Weiteren betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines voranstehend beschriebenen Rotors.
-
Erfindungsgemäß wird in einem ersten Schritt ein zylindrischer Grundkörper mit zumindest einer axial verlaufenden Verbindungsnut bereitgestellt. Der zylindrische Grundkörper ist dabei in der Regel ein hohlzylindrischer Grundkörper. Alternativ ist der Grundkörper als massive zylindrische Welle ausgeführt.
-
In einem weiteren Schritt wird zumindest ein Rotorzahn in die zumindest eine Verbindungsnut eingesetzt bzw. gefügt. Dabei wird eine Feder des zumindest einen Rotorzahns in eine der axial verlaufenden Verbindungsnuten eingebracht bzw. gefügt.
-
In einer vorteilhaften Ausführung umfasst der Grundkörper sechs axial verlaufende Verbindungsnuten, wobei in eine jeweilige Verbindungsnut eine Feder eines Rotorzahns eingebracht ist. Zwei benachbarte Rotorzähne sind dabei jeweils derart in die jeweiligen Verbindungsnuten eingesetzt, dass die Rotorzähne aneinander anschließend angeordnet sind. Die Rotorzähne werden in der Regel mithilfe eines Backlacks miteinander verbunden. Die Zähne werden in der Regel mit Hilfe der Feder in die Verbindungsnut des Grundkörpers, der als Joch oder als Welle ausgebildet ist, gefügt. Beispielsweise ist eine Fügung durch eine Presspassung erzielbar. Dies bietet den Vorteil, dass die Rotorzähne bereits so gefügt sind, dass diese nicht mehr durch die Schwerkraft oder beim Transport von einer Anlage zu einer anderen Anlage herausfallen.
-
In einem weiteren Schritt wird eine Hülse aus amagnetischem bzw. nicht magnetischem Material um den Grundkörper mit dem zumindest einen eingesetzten Rotorzahn angeordnet. Die Hülse ist einteilig oder mehrteilig ausgebildet und kann optional in einem Schritt oder in mehreren Schritten um den Grundkörper mit dem zumindest einen Rotorzahn angebracht werden.
-
In Ausgestaltung wird die Hülse vorgefertigt und über den Grundkörper mit dem zumindest einen eingesetzten Rotorzahn geschoben. In einer alternativen Ausgestaltung wird die Hülse um den Rotor mit dem zumindest einen eingesetzten Rotorzahn aus einem Bandmaterial gewickelt.
-
In Ausgestaltung wird um einen jeweiligen Rotorzahn eine elektrische Wicklung bereits vor einem Einsetzen in eine jeweilige Verbindungsnut gefertigt.
-
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in der Zeichnung schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnung weiter beschrieben, wobei die gleichen Komponenten mit gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet sind. Es zeigt:
- 1a einen als Joch ausgebildeten Grundkörper einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rotors mit Verbindungsnuten,
- 1b den - in 1a gezeigten - Grundkörper mit einem in eine Verbindungsnut eingesetzten Rotorzahn,
- 1c den - in 1a gezeigten - Grundkörper mit zwei in zwei zueinander benachbarten Verbindungsnuten eingesetzten Rotorzähnen,
- 1d den - in 1a gezeigten - Grundkörper mit Verbindungsnuten, wobei in jede Verbindungsnut ein Rotorzahn eingesetzt ist,
- 1e einen erfindungsgemäßen Rotor mit Grundkörper mit Rotorzähnen und einer den Grundkörper und die Rotorzähne umrahmenden Hülse,
- 2 eine Ansicht durch den - in der 1e gezeigten - Rotor.
-
1a zeigt einen als Joch ausgebildeten Grundkörper 11 einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rotors mit Verbindungsnuten 12. Der Grundkörper 11 weist dabei in der vorliegenden Ausführungsform sechs Verbindungsnuten 12 auf.
-
Jeweils zwei Verbindungsnuten 12 sind dabei einander gegenüberliegend in dem Grundkörper 11 ausgebildet. Dabei sind die Verbindungsnuten 12 in einer Außenfläche 15 des Grundkörpers 11 ausgebildet. Die Verbindungsnuten 12 sind in der vorliegenden Ausführungsform rechteckig, d. h. mit einem rechteckigen Querschnitt, ausgebildet.
-
1b zeigt den - in 1a gezeigten - Grundkörper 11 mit einem in eine Verbindungsnut 12 eingesetzten Rotorzahn 13. Der Rotorzahn 13 ist in der vorliegenden Ausführungsform derart ausgebildet, dass der Rotorzahn 13 einen Wickelbereich 16 aufweist, der eingerichtet ist, eine - nicht gezeigte - elektrische Wicklung, insbesondere eine Kupferdrahtwicklung, aufzunehmen. An einem jeweiligen radialen Ende des Wickelbereichs 16 weist der Rotorzahn 13 T-förmige Enden 17a, 17b auf. Dabei sind die T-förmigen Enden 17a, 17b in relativ zum Grundkörper 11 radialer Richtung gebogen ausgebildet.
-
Ein erstes T-förmiges Ende 17a ist in radialer Richtung von dem Grundkörper 11 wegweisend ausgebildet, während ein zweites T-förmiges Ende 17b in radialer Richtung um den Grundkörper 11 in Richtung des Grundkörpers 11 weisend ausgebildet ist. Das zweite T-förmige Ende 17b weist dabei eine Feder 18 auf. Der Rotorzahn 13 ist eingerichtet, mit Hilfe der Feder 18 in die Verbindungsnut 12 einsetzbar zu sein.
-
1c zeigt den - in 1a gezeigten - Grundkörper 11 mit zwei in zwei zueinander benachbarten Verbindungsnuten 12 eingesetzten Rotorzähnen 13, die mit Hilfe einer an einem jeweiligen Rotorzahn 13 ausgebildeten Feder 18 in die jeweilige Verbindungsnut 12 eingesetzt sind. Die Verbindungsnuten 12 sind an der Außenfläche 15 des Grundkörpers 11 ausgebildet. Der Grundkörper 11 weist eine Innenbohrung 19 auf. Die Rotorzähne 13 tragen in der fremderregten Synchronmaschine die Kupferwicklung. Die Rotorzähne 13 sind in der Regel geblecht ausgebildet und weisen den Wickelbereich 16 sowie die T-förmigen Enden 17a, 17b auf.
-
Die Rotorzähne 13 werden aus einem Elektroblech ausgestanzt und anschließend gestapelt und durch ein Verbindungsverfahren zusammengefasst. Ein derartiges Verbindungsverfahren bzw. eine derartige Verbindung kann beispielsweise stanzpaketieren sein oder mit Hilfe von Backlacks 20 umgesetzt werden. Die Rotorzähne 13 sind in der Regel zu einer jeweiligen Mittelebene eines jeweiligen Rotorzahns 13 symmetrisch ausgebildet. Dies bietet den Vorteil, dass ein Wenden der Rotorzähne 13, um beispielsweise Blecheigenschaften sowohl geometrisch als auch elektromagnetisch zu mitteln, problemlos möglich ist. Zudem ist eine Stanzmatrize für eine voranstehend beschriebene Geometrie der Rotorzähne 13 kostengünstig.
-
1d zeigt den - in 1a gezeigten - Grundkörper 11 mit Verbindungsnuten 12, wobei in jede Verbindungsnut 12 ein Rotorzahn 13 eingesetzt ist. Die Verbindungsnuten 12 sind an der Außenfläche 15 des Grundkörpers 11 ausgebildet. Der Grundkörper 11 weist eine Innenbohrung 19 auf. Die Rotorzähne 13 sind jeweils einzeln separat mit einer elektrischen Wicklung bewickelbar. Die gewickelten Rotorzähne13 sind anschließend in eine jeweilige Verbindungsnut 12 des Grundkörpers 11 einsetzbar. Die Rotorzähne 13 weisen für die Wicklung einen Wickelbereich 16 auf. Die Rotorzähne 13 werden einzeln und komplett vollgewickelt. Dadurch lassen sich sehr hohe Wickelgeschwindigkeiten realisieren. Anschließend werden die gewickelten Rotorzähne 13 über die jeweilige Feder 18 in die entsprechende Verbindungsnut 12 gefügt. Beispielsweise werden die Rotorzähne 13 über eine Presspassung in die jeweilige Verbindungsnut 12 gefügt. Wenn alle Rotorzähne 13 gefügt sind, wird axial die Hülse 14 über den Grundkörper 11 mit den Rotorzähnen 13 geschoben. Die Rotorzähne 13 sind durch einen Backlack 20 an ihren jeweiligen zum Grundkörper 11 weisenden Enden 17b miteinander verbunden. Die Rotorzähne 13 weisen den Wickelbereich 16 sowie die T-förmigen Enden 17a, 17b auf.
-
1e zeigt einen Rotor 10 mit dem Grundkörper 11 mit Verbindungsnuten 12 und mit Rotorzähnen 13 und einer den Grundkörper 11 und die Rotorzähne 13 umrandenden Hülse 14. Die Hülse 14 dient zur Fixierung der Rotorzähne 13 in der Welle bzw. an dem Grundkörper 11. Die Hülse 14 ist aus carbonfaserverstärktem Kunststoff und/oder aus einem glasfaserverstärktem Kunststoff ausgebildet. Die Rotorzähne 13 sind durch einen Backlack 20 miteinander verbunden. Die Verbindungsnuten 12 sind an der Außenfläche 15 des Grundkörpers 11 ausgebildet. Der Grundkörper 11 weist eine Innenbohrung 19 auf. Die Rotorzähne 13 sind über Federn 18 in die entsprechenden Verbindungsnuten 12 gefügt. Die Rotorzähne 13 weisen den Wickelbereich 16 sowie die T-förmigen Enden 17a, 17b auf. Zwei benachbarte Rotorzähne 13 sind jeweils durch einen Backlack 20 miteinander verbunden.
-
2 zeigt eine Ansicht durch den - in der 1e gezeigten - Rotor 10. Der Rotor 10 umfasst dabei einen in der vorliegenden Ausführungsform hohlzylindrisch ausgebildeten Grundkörper 11, der in der vorliegenden Ausführungsform sechs Verbindungsnuten 12 aufweist. In die Verbindungsnuten 12 ist jeweils in radialer Richtung ein Rotorzahn 13 über eine Feder 18 eingefügt. In der vorliegenden Ausführungsform sind die Rotorzähne 13 ungewickelt dargestellt.
-
Die Verbindungsnuten 12 sind an der Außenfläche 15 des Grundkörpers 11 ausgebildet. Der Grundkörper 11 weist eine Innenbohrung 19 auf. Die Rotorzähne 13 sind über Federn 18 in die entsprechenden Verbindungsnuten 12 gefügt. Die Rotorzähne 13 weisen den Wickelbereich 16 sowie die T-förmigen Enden 17a, 17b auf. Zwei benachbarte Rotorzähne 13 sind jeweils durch einen Backlack 20 miteinander verbunden.
-
In der Regel sind die Rotorzähne 13 vor dem Einsetzen in den Grundkörper 11 einzeln extern mit einer Drahtwicklung versehen worden. Die Rotorzähne 13 sind derart in die Verbindungsnuten 12 eingefügt, dass zueinander benachbarte Rotorzähne 13 an ihren jeweiligen zum Grundkörper 11 weisenden T-förmigen Enden 17b aneinander anschließend ausgebildet sind. Dadurch sind zwei benachbarte Rotorzähne 13 durch eine Verbindungstechnik, beispielsweise durch ein Backlack 20, miteinander verbindbar. Um die Rotorzähne 13 ist axial die Hülse 14 angeordnet.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- Rotor
- 11
- Grundkörper
- 12
- Verbindungsnut
- 13
- Rotorzahn
- 14
- Hülse
- 15
- Außenfläche des Grundkörpers
- 16
- Wickelbereich
- 17a, 17b
- T-förmiges Ende
- 18
- Feder
- 19
- Innenbohrung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102005113840 A1 [0003]
- EP 2973945 B1 [0004]
- EP 1439626 B1 [0005]