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Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine, eine elektrische Maschine mit solch einem Rotor sowie ein Fahrzeug mit solch einem Rotor oder solch einer elektrischen Maschine.
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1 zeigt eine Schnittdarstellung durch ein Blechpaket 1 bzw. ein Blech einer elektrischen Maschine vom Stand der Technik. Wie zu erkennen ist, ist jeweils zwischen zwei benachbarten pilzförmigen Polen 2 eine Wickelnut 3 ausgebildet. Angrenzend zu den jeweiligen Polen 2 ist die Wickelnut rechteckförmig (durch ein Strichlinien-Rechteck angedeutet), was dazu führt, dass in der Mitte der Wickelnut 3 ein Joch 4 eine Materialstärke d1 aufweist, die größer ist, als eine Materialstärke d2 des Jochs 4 benachbart zu den Polen 2. Durch diese geringere Materialstärke d2 unterliegt diese Stelle des Jochs 4 einer besonders hohen Belastung. In diesem Bereich wirken auf das Blech 1 radiale Zugkräfte aufgrund von auf den Pol 2 wirkender Fliehkräfte 5 (durch die Masse des Bleches 1 des Poles 2 sowie der darauf gewickelten Wicklung) sowie von im Umfangsrichtung wirkender Zugkräfte eines Presssitzes, mit dem das Blechpaket auf eine Rotorwelle aufgeschrumpft ist. Darunter könnte eine Dauerfestigkeit leiden. Außerdem wird durch die geringere Materialstärke d2 ein magnetischer Fluss eingeschränkt, wodurch das Blechpaket eher eine magnetische Sättigung erreicht und ein elektrischer Wirkungsgrad der Maschine reduziert werden könnte.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung die vorstehend genannten Nachteile zumindest teilweise zu beseitigen. Diese Aufgabe wird durch einen Rotor gemäß Anspruch 1, eine elektrische Maschine gemäß Anspruch 7 sowie ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Rotor für eine elektrische Maschine bereitgestellt, mit mehreren sich entlang von Radialen eines Querschnitts normal bzw. senkrecht zu einer Rotationsachse (x) des Rotors erstreckenden Polen, die jeweils einen Polkern und einen radial daran befindlichen Polschuh aufweisen; mehreren Wickelnuten, die jeweils zwischen benachbarten Polen ausgebildet sind, wobei die Wickelnuten jeweils durch zwei Polkernflächen begrenzt werden, die sich in dem Querschnitt jeweils parallel zu den Radialen der beiden Pole erstrecken, zwischen denen die Wickelnut ausgebildet wird, und wobei die Wickelnuten ferner von einer nach außen weisenden Innenfläche sowie von nach innen weisenden Flächen der Polschuhe begrenzt werden, die in dem Querschnitt jeweils zumindest einen geradlinigen Flankenabschnitt aufweisen, der im dem Querschnitt innerhalb der Wickelnut einen Winkel zwischen 115 und 125° zur nächstliegenden Polkernfläche aufspannt. Dabei beziehen sich die Polkernflächen, die nach außen weisende Innenfläche und die nach innen weisenden Flächen der Polschuhe jeweils auf die metallischen Flächen, d.h. ohne eine eventuell in der Wickelnut vorhandene Isolationsschicht. Das heißt, der Winkel ist für den Fall, dass der Rotor mittels Rotorblechen ausgebildet wird, in dem metallischen Blechzuschnitt der Blechpakete (wenn noch keine Nutisolation vorhanden ist) vorhanden. Durch dieses Ausführungsbeispiel wird der Übergang von Polkern zu Joch verstärkt, was die Dauerfestigkeit des Rotors erhöht. Durch einen Winkel im vorstehend angegebenen Bereich wird die eingangs beschriebene Verringerung der Materialstärke d2 vermieden und stattdessen eine im Wesentlichen gleichbleibende Materialstärke des Jochs erreicht - siehe Materialstärken d4 und ds in 2. Außerdem wird im Bereich des Übergangs von Polkern zu Polschuh ebenfalls eine Materialstärkung erreicht - vergleiche hierzu die Materialstärke d3 in 1 mit der Materialstärke d6 in 2. Darüber hinaus ist der Querschnitt von Wickeldrähten zweier aufeinanderfolgender Reihen zueinander um einen halben Drahtdurchmesser versetzt. Die dabei durch die Außenumfänge der Durchmesser erzeugte Tangente bildet in dem Querschnitt einen Winkel von 120° mit der Polkernfläche, so dass die Wicklung gut wickelbar ist und die einzelnen Wickelreihen gut an die Innenseite der Wickelnut anliegen.
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Insbesondere beträgt der der Winkel zwischen 118 und 122°.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der Rotor zumindest ein Blechpaket auf, welches aus mehreren aneinander gestapelten Rotorblechen gebildet wird.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weisen die nach innen weisenden Flächen der Polschuhe in dem Querschnitt ferner einen Polschuhabschnitt auf, der im Wesentlichen senkrecht zu der Radialen des Polschuhs ist.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung befindet sich in dem Querschnitt zwischen dem Polschuhabschnitt und der Polkernfläche der Flankenabschnitt.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weisen in dem Querschnitt die Innenflächen jeweils zwei Flankenabschnitte auf, zwischen denen sich die Innenfläche nach außen hin ausbaucht.
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Darüber hinaus stellt die vorliegende Erfindung eine elektrische Maschine mit solch einem Rotor bereit.
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Außerdem stellt die vorliegende Erfindung ein Kraftfahrzeug mit solch einem Rotor oder solch einer elektrischen Maschine bereit.
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Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In diesen Zeichnungen ist Folgendes dargestellt:
- 1 zeigt eine Schnittdarstellung durch ein Blechpaket eines Rotors vom Stand der Technik;
- 2 zeigt ein Blech eines Rotors bzw. eine Schnittdarstellung eines Blechpakets, geschnitten senkrecht zu einer Rotationsachse des Rotors, gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 3 zeigt das Blech bzw. die Schnittdarstellung des Blechpakets aus 2 ergänzt um eine Wicklung;
- 4 zeigt ein Blech eines Rotors bzw. eine Schnittdarstellung eines Blechpakets, geschnitten senkrecht zu einer Rotationsachse des Rotors, gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 5 zeigt ein Blech eines Rotors bzw. eine Schnittdarstellung eines Blechpakets, geschnitten senkrecht zu einer Rotationsachse des Rotors, gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
- 6 zeigt ein Blech eines Rotors bzw. eine Schnittdarstellung eines Blechpakets, geschnitten senkrecht zu einer Rotationsachse des Rotors, gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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2 zeigt ein Blech 10 eines Rotors bzw. eine Schnittdarstellung eines Blechpakets, geschnitten senkrecht zu einer Rotationsachse x des Rotors, gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Bei dem Rotor handelt es sich um den Rotor einer elektrischen Maschine, d.h. eines Elektromotors und/oder eines Generators, welcher in bekannter Weise mit einem Stator zusammenwirkt. Der Rotor der elektrischen Maschine weist ein Blechpaket auf, welches durch Aufeinanderstapeln von Blechen 10 ausgebildet wird. Die Erfindung ist jedoch nicht auf diesen Aufbau beschränkt.
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Der Rotor weist ein ringartiges Joch 11 auf, dessen Innenfläche 9 direkt auf einer Rotorwelle aufgebracht wird, deren Längsachse der Rotationsachse x entspricht. Von dem ringartigen Joch 11 erstrecken sich mehrere Pole 12 entlang von Radialen R nach radial nach außen. Die Radialen sind senkrecht zur Rotationsachse x. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind sechs Pole 12 vorgesehen. Jeder der Pole 12 weist einen Polkern 13 und einen radial daran befindlichen Polschuh 14 auf. Wie bereits erwähnt werden das Joch 11 und die Pole 12 durch Aufeinanderstapeln mehrerer Bleche 10 ausgebildet, wobei die Mitte der Bleche 10 auf der Rotationsachse x liegen. Bei jedem der Bleche 10 sind der das Joch 11 bildende Abschnitt, der den Polkern 13 bildende Abschnitt und der den Polschuh 14 bildende Abschnitt einstückig, insbesondere monolithisch, aus Metall ausgebildet. Zwischen jeweils zwei benachbarten Polen 12 ist eine Wickelnut 15 ausgebildet, in welche Wickeldraht so eingewickelt wird, dass Polwicklungen um die Polkerne 13 herum ausgebildet werden.
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Die Wickelnuten 15 werden jeweils durch zwei Polkernflächen 16 begrenzt, bei denen es sich um zueinander weisende Flächen der beiden Polkerne 13 handelt, zwischen denen die jeweilige Wickelnut 15 ausgebildet wird. In dem in 2 dargestellten Querschnitt verlaufen die Polkernflächen 16 parallel zu den ihrem Polkern 13 zugeordneten Radialen R. Außerdem werden die Wickelnuten 15 von nach außen weisenden Innenflächen 17 und von nach innen weisenden Flächen 18 der Polschuhe 14 begrenzt. Darüber hinaus sind die Wickelnuten 15 bezogen auf Radiallinien durch ihr Zentrum spiegelsymmetrisch.
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Erfindungsgemäß weisen die nach innen weisenden Flächen 18 der Polschuhe 14 im dargestellten Querschnitt jeweils einen geradlinigen Flankenabschnitt 19 auf. Ebenso weisen die Innenflächen 17 im dargestellten Querschnitt jeweils zumindest einen, insbesondere einen oder zwei, geradlinigen Flankenabschnitt 19 auf. Die Flankenabschnitte 19 spannen im dargestellten Querschnitt jeweils innerhalb der Wickelnuten 15 einen Winkel α von 115 bis 125° mit der nächstliegenden Polkernfläche 16 auf. Insbesondere beträgt der Winkel α 118 bis 122° und insbesondere 120°. Bei sechs Polen 12 und einem Winkel α von 120°, wie im vorliegenden ersten Ausführungsbeispiel, kann die Innenfläche 17 durchgängig geradlinig sein, weshalb die Innenfläche 17 nur einen einzigen (durchgängigen) Flankenabschnitt 19 aufweist. Bei anderen, nachfolgenden Ausführungsbeispielen kann die Innenfläche 17 auch zwei Flankenabschnitte 19 aufweisen.
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Zwischen der Polkernfläche 16 und den Flankenabschnitten 19 ist zwar ein winkliger Übergang denkbar, jedoch ist der Übergang insbesondere abgerundet ausgeführt. Abgesehen von diesem Übergang sind die Flankenabschnitte 19 angrenzend zu den Polkernflächen 16 angeordnet.
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Die nach innen weisenden Flächen 18 der Polschuhe 14 weisen im dargestellten Querschnitt neben den Flankenabschnitten 19 auch jeweils einen Polschuhabschnitt 20 auf. Dieser verläuft im dargestellten Querschnitt geradlinig und jeweils senkrecht zu der Radialen R des Pols 12. Auf der nach innen weisenden Fläche 18 der Polschuhe 14 ist der Flankenabschnitt 19 zwischen der Polkernfläche 16 und dem Polschuhabschnitt 20 angeordnet.
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Wie in 2 zu erkennen ist, wird durch den Winkel α von 120° zwischen den Flankenabschnitten 19 und den Polkernflächen 16 der Vorteil erreicht, dass das ringartige Joch 11 keine ausgeprägten Materialeinschnürungen aufweist, da eine Materialstärke d4 im Wesentlichen einer Materialstärke ds entspricht, wodurch eine Dauerfestigkeit erhöht und eine Einschränkung des magnetischen Flusses verringert wird. Außerdem wird ebenfalls eine Materialstärke d3 im Vergleich zu einer Materialstärke d3 aus 1 erhöht, wodurch auch eine Dauerfestigkeit am Übergang vom Polkern 13 zum Polschuh 14 erhöht wird.
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Die hier beschriebenen geometrischen Verhältnisse, d.h. der Winkel α zwischen den Polkernflächen 16 und den Flankenabschnitten 19, beziehen sich auf die jeweiligen metallischen Flächen, d.h. ohne eine eventuell in den Winkelnuten 15 vorhandene elektrische Isolationsschicht. Wie bereits erwähnt, wird bei dem Rotor insbesondere durch Aufeinanderstapeln von Blechen 10 ein Blechpaket ausgebildet. Bei diesem Blechpaket können anschließend die Wickelnuten 15 mit einer elektrischen Isolationsschicht versehen werden, die beispielsweise durch Einbringen einer Folie oder durch Einschieben eines aus Kunststoff hergestellten Isolationsbauteils, das im Wesentlichen der Form der Wickelnut 15 angepasst ist, ausgebildet. Üblicherweise wird durch die Isolationsschicht die Geometrie der Wickelnut 15 nicht entscheidend verändert.
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3 zeigt das Blech 10 bzw. die Schnittdarstellung des Blechpakets aus 2, wobei in 3 eine um einen Pol 12 gewickelte Wicklung 21, genauer ein Querschnitt davon, eingezeichnet ist. Der Übersichtlichkeit halber ist nur eine Wicklung 21 dargestellt, jedoch sind alle Pole 12 mit solchen Wicklungen 21 versehen. Die Wicklungen 21 werden hergestellt, indem ein durchgängiger Wickeldraht je Pol 12 um den jeweiligen Polkern 13 gewickelt wird. Der Wickeldraht ist beispielsweise aus Kupfer.
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Beim Wickeln der Wicklung 21 ist, im dargestellten Querschnitt der 3, der Querschnitt der Wickeldrähte zweier aufeinanderfolgender Reihen (eine Reihe verläuft in 3 parallel zu der zugeordneten Radialen R) zueinander um einen halben Drahtdurchmesser versetzt. Die dabei durch die Außenumfänge der Wickeldrahtquerschnitte erzeugte Tangente entspricht 120° und liegt somit innerhalb des erfindungsgemäßen Winkelbereichs zwischen der Polkernfläche 16 und dem Flankenabschnitt 19, so dass die Wicklung 21 gut wickelbar ist und die einzelnen Wickeldrahtreihen gut an die Innenseite der Wickelnut 15 anliegen.
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4 zeigt ein Blech 110 eines Rotors bzw. eine Schnittdarstellung eines Blechpakets, geschnitten senkrecht zu einer Rotationsachse x des Rotors, gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen nur dadurch, dass die nach außen weisende Innenfläche 117 im dargestellten Querschnitt zwei Flankenabschnitte 19 aufweist, zwischen denen eine nach außen ausgebauchte Ausbauchung 122 angeordnet ist. Im Übrigen wird auf die Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels verwiesen, um Wiederholungen zu vermeiden.
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5 zeigt ein Blech 210 eines Rotors bzw. eine Schnittdarstellung eines Blechpakets, geschnitten senkrecht zu einer Rotationsachse x des Rotors, gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Rotor dieses Ausführungsbeispiels hat acht Pole 12. Die nach außen weisende Innenfläche 217 weist im dargestellten Querschnitt zwei Flankenabschnitte 19 auf, zwischen denen eine nach außen ausgebauchte Ausbauchung 222 angeordnet ist. Im Übrigen wird auf die Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels verwiesen, um Wiederholungen zu vermeiden.
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6 zeigt ein Blech 310 eines Rotors bzw. eine Schnittdarstellung eines Blechpakets, geschnitten senkrecht zu einer Rotationsachse x des Rotors, gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Rotor dieses Ausführungsbeispiels hat vier Pole 12. Die nach außen weisende Innenfläche 317 weist im dargestellten Querschnitt zwei Flankenabschnitte 19 auf, zwischen denen eine in die Wickelnut 15 ausgebauchte Ausbauchung 322 angeordnet ist. Im Übrigen wird auf die Beschreibung des ersten Ausführungsbeispiels verwiesen, um Wiederholungen zu vermeiden.
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Während die Erfindung detailliert in den Zeichnungen und der vorangehenden Beschreibung veranschaulicht und beschrieben wurde, ist diese Veranschaulichung und Beschreibung als beispielhaft und nicht als beschränkend zu verstehen und es ist nicht beabsichtigt die Erfindung auf die offenbarten Ausführungsbeispiele zu beschränken. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Merkmale in verschiedenen abhängigen Ansprüchen genannt sind, soll nicht andeuten, dass eine Kombination dieser Merkmale nicht auch vorteilhaft genutzt werden könnte.
