DE102010038486A1

DE102010038486A1 - Wicklungen mit eckigem Querschnitt für Rotoren von elektrischen Maschinen

Info

Publication number: DE102010038486A1
Application number: DE102010038486A
Authority: DE
Inventors: Constantin C. Anaheim Stancu; Peter J. Bloomfield Hills Savagian; Erik Cypress Hatch
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2009-08-03
Filing date: 2010-07-27
Publication date: 2011-03-24
Also published as: CN101989773A; US20110025160A1

Abstract

Eine Vorrichtung ist bereitgestellt für einen elektrischen Maschinenrotor. Die Vorrichtung weist einen Zylinder und einen ersten Schlitz, benachbart zu einem Rand des Zylinders, auf. Der erste Schlitz ist zumindest teilweise geschlossen. Die Vorrichtung weist ferner eine Haarnadelwicklung auf, die in dem ersten Schlitz angeordnet ist.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht im Allgemeinen auf elektrische Maschinen und insbesondere bezieht sich die Offenbarung auf Rotoren von Wechselstrom-(AC)-Maschinen, die Wicklungen mit einem eckigen Querschnitt aufweisen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
In Hybrid-Elektro- und Elektro-Fahrzeugen, werden synchrone elektrische Hochgeschwindigkeitsmaschinen für den Antrieb genutzt. In einigen Fällen werden Permanentmagnete benutzt, um die Felderregung des Rotors zu erzielen. In anderen Fällen, wo Motorkosten oder eine höhere Rotorflussdichte ein Anliegen sind, werden gewickelte Rotoren verwendet.
Ein gewundener Rotor einer synchronen AC-(Wechselstrom)-Maschine weist eine Gleichstrom (DC)-Wicklung auf dem Rotor auf. Die DC-(Gleichstrom)-Wicklung wird als Erregerwicklung bezeichnet. Wenn mit DC-Gleichstrom)-Strom beliefert, erzeugt die Erregungswicklung ein stationäres magnetisches Feld auf der Rotorperipherie, die mit dem Stator-Magnetfeld der Maschine zusammenwirkt, um ein mechanisches Drehmoment zu erzeugen in dem Verfahren der elektromechanischen Kraftumwandlung.
Es gibt zwei Arten von Rotorkonfigurationen für gewickelte Rotor-Synchronmaschinen, welche in den 1 und 2 dargestellt sind. 1 ist eine Ansicht die veranschaulichend für einen Schenkelpol- oder Lamellenpol-Rotor (engl. salient pole rotor) ist. 2 ist eine Ansicht die veranschaulichend ist für einen Nicht-Schenkelpol oder zylindrischen Rotor (engl. nonsalient pole rotor) ist.
Bezug nehmend auf 1 dreht sich der Schenkelpol-Rotor 100 auf der Rotorwelle 110 innerhalb des Stators 130. Eine zusammengefasste bzw. gebündelte Wicklung 120 ist um jeden Pol des Rotors 100 gewunden oder gewickelt. Jeder Pol des Rotors 100 ist separat hergestellt und mechanisch an der Rotorwelle 110 angebracht. Aufgrund seiner Konstruktion setzt die Masse der zusammengefassten Wicklungen 120 verbunden mit der Masse der Pole des Rotors 100 den Rotor bei hohen Rotorgeschwindigkeiten hohen Zentrifugalkräften aus. Aus diesem Grund wird der Nicht-Schenkelpol- oder zylindrische Rotor-Aufbau für Hybrid-Elektro- und Elektrofahrzeuge verwendet, da ihre Motoren üblicherweise bei hohen Geschwindigkeiten betrieben werden.
Bezug nehmend auf 2 dreht sich der zylindrische Rotor 200 auf einer Rotorwelle 210 innerhalb eines Stators 230. Rotorschlitze 200 befinden sich dabei auf der Außenseite des Rotors 200 und stellen einen Platz bereit für die zusammengefassten bzw. gebündelten Wicklungen (nicht dargestellt).
3 ist eine Ansicht die ein konventionelles Verfahren des Befestigens einer zusammengefassten Wicklung auf einem zylindrischen Rotor zeigt, wie einem zylindrischen Rotor gemäß 2. 3 stellt einen Abschnitt eines zylindrischen Rotors 300 dar, welcher eine Anzahl an Rotorschlitzen 310 aufweist. Ein vorgefertigtes Wicklungselement 320 wird in dem geeigneten Rotorschlitz 310 positioniert durch Anordnen des Elements über dem Rotorschlitz und Bewegen des Elements nach unten in Richtung der Mitte des zylindrischen Rotors. Wenn das vorgefertigte Wicklungselement 320 in den Rotorschlitzen 310 positioniert ist, wird es mit Metallkeilen (nicht dargestellt) gesichert, welche über den Schlitzöffnungen positioniert werden.
Einige Nachteile der Herstellung eines gewickelten Rotors, in der Art wie oben beschrieben ist, sind, dass vorgefertigte Wicklungselemente 320 bereitgestellt werden müssen unter Verwendung eines arbeitsintensiven Verfahrens und auch, dass die Anforderungen zum Schließen der Rotorschlitze 310 durch Verwendung von Metallkeilen die Kosten für den Rotor erhöhen.
Dem entsprechend ist es wünschenswert eine Rotor bereitzustellen, welcher keine vorgefertigten Wicklungselemente 320 benötigt. Zusätzlich ist es wünschenswert einen Rotor bereitzustellen, der keine Metallkeile benötigt, um die Rotorschlitze zu schließen. Andere wünschenswerte Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden Erfindung werden deutlich, aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen und dem vorgenannten technischen Gebiet und dem Hintergrund.
ZUSAMMENFASSUNG
Gemäß verschiedener Ausführungsformen wird eine Vorrichtung bereitgestellt für einen Rotor einer elektrischen Maschine. Die Vorrichtung weist einen Zylinder auf und einen ersten Schlitz benachbart zu einer Kante oder einem Rand (engl. an edge) des Zylinders. Der erste Schlitz ist zumindest teilweise geschlossen. Die Vorrichtung weist ferne eine Haarnadelwicklung auf, die innerhalb des ersten Schlitzes angeordnet ist.
Gemäß anderer Ausführungsformen wird ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors für eine elektrische Maschine bereitgestellt. Das Verfahren weist das Herstellen eines ersten Schlitzes und eines zweiten Schlitzes benachbart zu einer Kante oder einem Rand des Rotors auf. Der erste und zweite Schlitz sind zumindest teilweise geschlossen. Das Verfahren weist ferner das Einführen eines ersten Endes einer ersten Haarnadelwicklung in ein erstes Ende des ersten Schlitzes auf und ein Einführen eines zweiten Endes der ersten Haarnadelwicklung in ein erstes Ende des zweiten Schlitzes. Das erste Ende des ersten Schlitzes und das erste Ende des zweiten Schlitzes sind an einem Ende des Rotors angeordnet. Das Verfahren weist ferner ein Fortbewegen des ersten und zweiten Endes der ersten Haarnadelwicklung in dieselbe Richtung durch den ersten bzw. zweiten Schlitz auf, so dass das erste und zweite Ende der ersten Haarnadelwicklung den ersten und zweiten Schlitz von einem zweiten Ende des ersten Schlitzes und einem zweiten Ende des zweiten Schlitzes verlassen. Das zweite Ende des ersten Schlitzes und das zweite Ende des zweiten Schlitzes sind an einem anderen Ende des Rotors angeordnet.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden in Verbindung mit den nachfolgenden gezeichneten Figuren beschrieben, wobei gleiche Nummern gleiche Elemente bezeichnen, und
1 eine Darstellung ist, welche einen konventionellen Schenkelpol-Rotor zeigt;
2 eine Darstellung ist, welche einen konventionellen Nicht-Schenkelpol- oder zylindrischen Rotor zeigt;
3 eine Darstellung ist, die ein konventionelles Verfahren zum Zusammenbau einer Erregerwicklung auf einem zylindrischen Rotor zeigt, wie einem zylindrischen Rotor gemäß 2;
4 eine Darstellung ist, die ein Haarnadel-Wicklungselement darstellt, welches für Ausführungsbeispiele geeignet ist;
5 eine Darstellung ist, die die Form des Haarnadel-Wicklungselements gemäß 4 zeigt, nach dem Einführen in ein Paar von Rotorschlitzen;
6 eine Darstellung ist, die ein Segment eines Rotors darstellt, welches geschlossene Rotorschlitze aufweist, das geeignet ist zur Verwendung in Ausführungsbeispielen;
7 eine Darstellung ist, die ein Segment eines Rotors darstellt, welches halb geschlossene Rotorschlitzes aufweist, das geeignet ist zur Verwendung in Ausführungsbeispielen;
8 ein Ausschnitt ist, welcher Komponenten einer elektrischen Maschine darstellt, wobei die elektrische Maschine einen zylindrischen Rotor aufweist mit einer 8-poligen Erregungswicklung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
9 eine Wicklungsdarstellung ist, die ferner die 8-poligen Erregungswicklungen gemäß 8 darstellt;
10 eine andere Wicklungsdarstellung ist, die ferner die 8-poligen Erregungswicklungen gemäß 8 darstellt; und
11 ein Flussdiagramm ist, das eine Verfahren, einschließlich einem Verfahren zum Herstellen eines Rotors für eine elektrische Maschine, gemäß einem Ausführungsbeispiel, darstellt.
BESCHREIBUNG EINES AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
Die folgende detaillierte Beschreibung ist lediglich von beispielhafter Natur und nicht dazu gedacht die Erfindung oder die Anwendung und Verwendungen der Erfindung zu beschränken. Ferner ist es nicht beabsichtigt an irgendeine genannte oder implizierte Theorie gebunden zu sein präsentiert in dem vorliegenden technischen Gebiet, Hintergrund und kurzen Zusammenfassung oder der folgenden detaillierten Beschreibung.
4 ist eine Darstellung die ein Haarnadelwicklungselement 400 zeigt, das geeignet ist in Ausführungsbeispielen verwendet zu werden. 5 ist eine Ansicht, die die Form eines Haarnadelwicklungselements 400 gemäß 4 zeigt, welches in ein Paar von Rotorschlitzen eingeführt ist und anschließend gebogen ist, um mit anderen Haarnadelwicklungselementen in anderen Rotorschlitzen gemäß Ausführungsbeispielen verbunden zu werden.
Bezug nehmend auf die 4 und 5 weist das Haarnadelwicklungselement 400 ein erstes Bein 410, ein zweites Bein 420 und einen Endbogen 430 auf, der das erste Bein und das zweite Bein miteinander verbindet. Das Haarnadelwicklungselement 400 kann als eckiger Stab aus einem oder mehreren leitfähigen Metallen hergestellt sein. Das Haarnadelwicklungselement 400 kann zum Beispiel aus einem eckigen oder rechteckigen Kupferstab gebildet sein, der in die in 4 gezeigte Form gebogen ist. Gemäß einer alternative Ausführung kann die Länge und Form des Endbogens 430 eingestellt oder angepasst werden, um die Trennung oder den Abstand zwischen dem ersten Bein 410 und dem zweiten Bein 420 zu erhöhen oder zu verringern. Auf diese Weise kann ein Haarnadelwicklungselement erhalten werden, das ausgebildet ist in nahezu jedes Paar von Rotorschlitzen zu passen.
Entgegen dem vorgefertigten Wicklungselement 320 wie in 3 dargestellt ist, erlaubt die Form des Haarnadelwicklungselements 400 von 4 das Haarnadelwicklungselement innerhalb von geschlossenen oder halb geschlossenen Rotorschlitzen anzuordnen, durch gleichzeitiges Einführen eines Endes des ersten Beins 410 in ein Ende eines ersten vorbestimmten Rotorschlitzes und ein Ende des zweiten Beins 420 in ein Ende eines zweiten vorbestimmten Rotorschlitzes. Als nächstes werden das erste Bein 410 und das zweite Bein 420 des Haarnadelwicklungselements 400 simultan weiter bewegt entlang der Länge der vorbestimmten Rotorschlitze bis die Enden des ersten Beins und des zweiten Beins aus den gegenüberliegenden Enden der vorbestimmten Rotorschlitze hervorstehen. Nachdem das Haarnadelwicklungselement 400 durch die vorbestimmten Rotorschlitze eingeführt wurde, können die Enden des ersten Beins 410 und des zweiten Beins 420 in eine vorbestimmte Form gebogen werden, wie die in 5 gezeigte Form, um die Enden des ersten Beins und des zweiten Beins mit den Enden der anderen Beine von anderen Haarnadelwicklungselementen zu verbinden, zum Bilden eines vollständigen Wicklungssatzes. Diese Arbeit kann normalerweise automatisch durch eine Maschine durchgeführt werden.
6 ist ein Ausschnitt der ein Segment eines zylindrischen Rotors zeigt, welcher geschlossene Rotorschlitze aufweist, und zur Verwendung mit Ausführungsbeispielen geeignet ist, während 7 ein Ausschnitt ist, welcher ein Segment eines zylindrischen Rotors mit halb geschlossenen Rotorschlitzen zeigt und welcher zur Verwendung mit Ausführungsbeispielen geeignet ist.
Die geschlossenen Rotorschlitze 610 des zylindrischen Rotorsegments 600 sind als geschlossen beschrieben, da die Rotorschlitze keine Öffnungen aufweisen auf der gekrümmten äußeren Fläche oder gekrümmten Außenfläche des zylindrischen Rotorsegments. Die halb geschlossenen Rotorschlitze 710 des zylindrischen Rotorsegments 700 sind als halb geschlossen beschrieben, da die Rotorschlitze Öffnungen auf der gekrümmten äußeren Fläche oder gekrümmten Außenfläche des zylindrischen Rotorsegments aufweisen, wobei eine Breite 720 der Öffnungen kleiner ist als eine Breite 730 des Haarnadelwicklungselements 400.
Das Haarnadelwicklungselement 400 ist in jede der Rotorschlitze 610 oder 710 eingeführt dargestellt und der eckige Querschnitt des Haarnadelwicklungselements ist sichtbar bzw. gezeigt. Aufgrund der geschlossenen und halb geschlossenen Schlitze sind die Haarnadelwicklungselemente 400 innerhalb der Rotorschlitze 610 und 710 angeordnet, durch Einführen der Enden des ersten und zweiten Beins 410, 420 des Haarnadelwicklungselements in ein Ende der Rotorschlitze, und dann sind die Haarnadelwicklungselemente entlang der Länge der Rotorschlitze fortbewegt, bis die ersten und zweiten Beine von dem anderen Ende der Rotorschlitze vorstehen oder herausragen. Die Länge der Rotorschlitze 610, 710 ist in einer Richtung senkrecht zu der Ebene in 6 und 7 dargestellt.
Die Form der geschlossenen Rotorschlitze 610 und die Form der halb geschlossenen Rotorschlitze 710 verhindert, dass die Haarnadelwicklungselemente 400 aus den Rotorschlitzen aufgrund von Zentrifugalkraft heraus gestoßen werden können, wenn der Rotor in Betrieb ist. Infolgedessen verhindert die Verwendung von Haarnadelwicklungselementen 400 in Verbindung mit geschlossenen Rotorschlitzen 610 oder halb geschlossenen Rotorschlitzen 710, wie in 6 und 7 gezeigt ist, konventionelle Techniken, welche Metallkeile verwenden, um offene Rotorschlitze zu schließen, wie die offenen Rotorschlitze 310 in 3, um die vorgefertigten Wicklungselemente 320 am Platz zuhalten innerhalb der offenen Rotorschlitze 310. Der offene Rotorschlitz 310 von 3 wird als offen bezeichnet, weil die Breite der Öffnung des Rotorschlitzes 310 größer als die Breite des vorgefertigten Wicklungselements 320 ist, das innerhalb des Rotorschlitzes angeordnet ist. Es soll offensichtlich sein, dass das Schließen der offenen Rotorschlitze 310 notwendig ist, um zu verhindern, dass die vorgefertigten Wicklungselemente 320 aus den offenen Rotorschlitzen aufgrund von Zentrifugalkraft heraus gestoßen werden können, wenn der Rotor betätigt wird oder in Betrieb ist.
Nachdem das Haarnadelwicklungselement 400 in den geeigneten Rotorschlitz eingeführt wurde, werden die Enden des Haarnadelwicklungselements so gebogen, dass die Ende benachbart zu den Enden von anderen Haarnadelwicklungselementen sind, die die anderen Rotorschlitze besetzen. 5 zeigt wie die Enden des ersten Beins 410 und des zweiten Beins 420 nach dem Biegen aussehen. Danach werden die Enden der Haarnadelwicklungselemente 400 zusammengeschweißt, um die gewünschte Wicklung oder Wicklungen in der gewünschten Form innerhalb der Rotorschlitze zusammenzubauen. Für weitere Details bezüglich eines beispielhaften Verfahrens zum Verbinden von Enden von Haarnadelwicklungselementen kann man Bezug nehmen auf das US Patent Nr. 7,034,428 Cai et al, welches eine Anordnung von Statorwicklungen offenbart, welche Haarnadelwicklungselemente verwenden.
8 ist ein Ausschnitt welcher einige Komponenten einer elektrischen Maschine 800 offenbart. Die elektrische Maschine 800 weist einen zylindrischen Rotor 805, eine Welle 810, die an dem zylindrischen Rotor 805 angeordnet ist, und einen Stator 830 auf, der um den Rotor und die Welle angeordnet ist. Während des Betriebs der elektrischen Maschine 800 drehen die Welle 810 und der Rotor 805 um die Drehachse 815, welche in Längsrichtung durch eine Mitte der Welle verläuft. Der Stator 830 weist einen Statorschlitz 840 und eine Statorwicklung 850 auf, die in dem Statorschlitz aufgenommen ist.
Der zylindrische Rotor 805 weist vierundzwanzig Rotorschlitze 820 auf. Die Rotorschlitze 820 sind in Schlitzgruppierungen 825 um die Außenkante oder den Außenrand (engl. outside edge) des zylindrischen Rotors 805 angeordnet, wobei jede Schlitzgruppe drei Rotorschlitze aufweist. Um zwischen individuellen oder einzelnen Rotorschlitzen 820 zu unterscheiden, werden den Rotorschlitzen nummerierte Positionen entlang der Kante oder dem Rand des zylindrischen Rotors zugewiesen, mit den Rotorschlitzen 820 in jeder Schlitzgruppe fortlaufend nummerierten zugewiesenen Positionen. Infolgedessen bilden die Rotorschlitze 820 in Positionen 2, 3 und 4 eine Schlitzgruppe 825, die Rotorschlitze in Positionen 8, 9 und 10 bilden eine Schlitzgruppe usw.. Jede der acht Schlitzgruppen 825 entspricht einem von acht Polen in der Gleichstrom-Erregerwicklung oder Gleichstrom-Wicklung.
Die mittleren Rotorschlitze 820 in jedem der Schlitzgruppen 825 sind ungefähr um 45 Grad zueinander versetzt angeordnet. Das heißt, der Rotorschlitz 820 in der Position 3 ist um ungefähr 45 Grad versetzt von dem Rotorschlitz in Positionen 45 und 9 angeordnet, der Rotorschlitz in Position 15 ist ungefähr um 45 Grad von den Rotorschlitzen in Position 9 und 21 versetzt angeordnet usw..
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der Winkelabstand zwischen jeder Schlitzgruppe 825 ungefähr derselbe Winkelabstand über jeder Schlitzgruppe. Angenommen zum Beispiel, dass die Rotorschlitze 820 im Wesentlichen eine gleiche oder einheitliche Größe aufweisen und dass der Winkelabstand zwischen benachbarten Rotorschlitzen in jeder Schlitzgruppe 825 im Wesentlichen konstant oder einheitlich ist, so ist Raum für drei zusätzliche Rotorschlitze zwischen dem Rotorschlitz in Position 4 und dem Rotorschlitz in Position 8. Entsprechend können drei mehr Rotorschlitze 820 zwischen dem Rotorschlitz in Position 10 und dem Rotorschlitz in Position 14 angeordnet werden. Diesem Muster um den Umfang des zylindrischen Rotors 805 folgend, ist es offensichtlich, dass für jede Position auf dem zylindrischen Rotor, die durch einen Rotorschlitz 820 belegt ist, eine andere Position da ist, die nicht durch einen Rotorschlitz belegt ist. Infolgedessen kann der zylindrische Rotor 805 beschrieben werden als achtundvierzig Positionen aufweisend, mit vierundzwanzig Rotorschlitzen 820, welche die Hälfte dieser Positionen belegen.
Der Winkelabstand zwischen jedem Rotorschlitz 820 in einer Schlitzgruppe 825 kann einfach berechnet werden, durch Teilen der Gradzahl eines Kreises durch die Anzahl an Positionen auf dem zylindrischen Rotor 805. In diesem Fall ist der Winkelabstand zwischen den Rotorschlitzen 820 in einer Schlitzgruppe 825 7.5 Grad (360/48 = 7.5).
Natürlich ist die in 8 dargestellte elektrische Maschine 800 nur ein Beispiel. Die Anordnung der Rotorschlitze 820 auf dem zylindrischen Rotor 805 ist üblicherweise eine Gestaltungsfrage, und andere Ausführungsbeispiele können Rotoren mit Rotorschlitzen aufweisen die in Konfigurationen angeordnet sind, welche anders sind, als die in 8 gezeigte Konfiguration.
In der elektrischen Maschine 800 sind die Rotorschlitze 820 des zylindrischen Rotors 805 teilweise geschlossen wie die Rotorschlitze 710 in 7. Mit anderen Worten, die Breite über die Öffnung des Rotorschlitzes 820 ist schmäler als die Breite über den Rest des Rotorschlitzes.
Gemäß alternativen Ausführungsformen können die Rotorschlitze vollständig geschlossen sein, wie die Rotorschlitze 610 in 6. Das heißt der Rotorschlitz 820 kann vollständig von dem zylindrischen Rotor 805 in Richtungen senkrecht zu der Drehachse 815 umschlossen sein.
Die elektrische Maschine 800 weist ferner Beine 860 von Haarnadelwicklungselementen auf, die innerhalb jedes Rotorschlitzes 820 angeordnet sind. Wie weiter unten im Detail beschrieben wird, ist jedes Bein 860 eines Haarnadelwicklungselements in einem der Rotorschlitze 820 angeordnet. Entsprechend ist ein Haarwicklungselement in einem der Rotorschlitze 820 angeordnet. Die Beine 860 der Haarnadelwicklungselemente sind zusammen verbunden, um zwei unabhängige Wicklungen zu bilden.
Wie in 8 dargestellt, weisen die Rotorschlitze 820, die die mittlere Position in jeder der Schlitzgruppen 825 belegen, zwei Beine 860 der Haarnadelwicklungselemente auf, mit einem Bein über dem anderen Bein angeordnet in einer zwei Lagenanordnung. In den anderen Rotorschlitzen 820 in den Schlitzgruppen 825 ist nur ein Bein 860 eines Haarnadelwicklungselements und diese Beine sind entweder auf einer niedrigeren Ebene oder einer höheren Ebene der zwei Lagenanordnung angeordnet.
9 ist eine Wicklungsdarstellung 900 die ferner eine 8-Pol Erregerwicklung für einen zylindrischen Rotor 805 von 8 darstellt. In der Darstellung 900 sind alle achtundvierzig Positionen des zylindrischen Rotors 805 bezeichnet. Wie oben beschrieben wurde liegen nur vierundzwanzig Schlitze 820 auf dem zylindrischen Rotor 805 vor, die die in den 8 und 9 gezeigten Positionen belegen.
Zwei unabhängige Wicklungen sind in 9 gezeigt, mit S1 und F1 bezeichnend den Anfang bzw. das Ende der ersten Wicklung. Vergleichsweise bezeichnen S2 und F2 den Anfang bzw. das Ende der zweiten Wicklung. Jede der Wicklungen ist dargestellt als eine kontinuierliche Linie, die beides durchgezogen und gestrichelt ist. Der durchgezogene Abschnitt der Linie bezeichnet den entsprechenden Abschnitt der Wicklung der die obere Lage in der zwei-Lagen-Anordnung in 8 belegt, während der gestrichelte Abschnitt der Linie den entsprechenden Abschnitt der Wicklung kennzeichnet, der die untere Lage belegt.
Die ersten und zweiten Wicklungen sind durch eine Vielzahl von Haarnadelwicklungselementen 901–916 gebildet. Jede der Haarnadelwicklungselemente 901–916 weist zwei Beine 860 auf, welche längsweise durch die Rotorschlitze 820 verlaufen, wie in 8 dargestellt ist. Die Endkurven oder Endbögen der Haarnadelwicklungselemente 901–916 sind oben in der Darstellung 900 gezeigt, während die Verbindungen 920 zwischen den Beinen 860 eines Haarnadelwicklungselements und des Beins 860 eines anderen Haarnadelwicklungselements unten in der Ansicht 900 gezeigt sind. Daher entspricht der obere Teil der Ansicht 900 einem Ende des zylindrischen Rotors 805 von 8 während der untere Teil der Ansicht 900 dem anderen Ende des zylindrischen Rotors entspricht.
Ansicht 900 stellt die 48 Positionen des zylindrischen Rotors 805 von 8 dar, sowie die Art wie die Haarnadelwicklungselemente 901–916 relativ zu diesen Positionen angeordnet sind. Natürlich, obwohl 9 sich auf die Positionen auf dem zylindrischen Rotor 805 bezieht, wo die Rotorschlitze 820 angeordnet sind, sind die Haarnadelwicklungselemente 901–916 tatsächlich physisch in den Rotorschlitzen 820 angeordnet, wie in 8 dargestellt ist. zum Beispiel stellt 8 dar, dass der Rotorschlitz 820 an der Position 3 zwei Beine 860 der Haarnadelwicklungselemente aufnimmt. Diese Information ist auch in 9 berücksichtigt, wo die Beine 860 der beiden Wicklungselemente 901 und 916 in Position 3 angeordnet gezeigt sind. In 9 entsprechen die Positionen, die nicht einer oder mehreren Haarnadelwicklungselementen zugeordnet sind, nicht einem der Rotorschlitze 820 in 8.
10 ist eine andere Wicklungsdarstellung gezeigt, die weiter 8-Polige – Erregerwicklungen eines zylindrischen Rotors 805 von 8 darstellt. 10 zeigt jede der Rotorschlitze 820 von 8 sowie seine korrespondierenden Positionen auf dem zylindrischen Rotor 805.
10 zeigt auch die Verbindungen 920 zwischen den Beinen 860 der Haarnadelwicklungselemente 901–916 von 9. Das heißt, 10 ist aus der Perspektive aufgenommen, wenn man auf das Ende des zylindrischen Rotors 805 sieht, wo die Beine 860 gebogen sind, um Verbindungen mit einem Bein 860 von einem anderen Haarnadelwicklungselement zu bilden. Obwohl die Verbindungen 920 zwischen den Beinen 860 der Haarnadelwicklungselemente mit gepunkteten Linien dargestellt sind, ist dies getan um unnötig verwirrende Aspekte des Ausführungsbeispiels zu vermeiden. Wie in 4 und 5 gezeigt ist, weisen die Haarnadelwicklungselemente normalerweise einen im Wesentlichen gleichmäßigen oder konstanten Querschnitt entlang ihrer Länge auf. Während der Herstellung, nachdem die Haarnadelwicklungselemente 901–916 durch die Rotorschlitze 820 eingeführt wurden von dem Ende des zylindrischen Rotors und aus dem anderen Ende des zylindrischen Rotors, kann der Abschnitt der Beine 860, der aus den Rotorschlitzen 820 hervorsteht, gebogen werden, so dass das Ende eines Beines 860 das Ende eines anderen Beines eines anderen Wicklungselements trifft. Als Nächstes kann die Verbindung zwischen den beiden Beinen geschweißt werden, um eine Verbindung 920 zwischen den zwei Beinen 860 zu bilden.
In 10 sind die Beine 860 eines Teils von Haarnadelwicklungselementen, die zu der ersten Wicklung gehören, quer schraffiert, während die Beine 860, die Teil der Haarnadelwicklungselemente sind, die zu der zweiten Wicklung gehören, durchsichtig (engl. clear) sind. Wie 9 zeigt auch 10 den Anfang S1 und das Ende der ersten Wicklung, sowie den Anfang S2 und das Ende F2 der zweiten Wicklung. Um die benötigte Anzahl von Kurven zu erhalten können die beiden Wicklungen entweder parallel miteinander verbunden werden (S1 verbunden mit S2, F1 verbunden mit F2) oder in Reihe miteinander verbunden werden (F1 verbunden mit S2). Natürlich können, obwohl nur zwei Wicklungen (S1–F1, S2–F2) in den 8–10 dargestellt sind, auch mehr als zwei Rotorwicklungen hergestellt werden, unter Verwendung der Haarnadelwicklungselemente abhängig von der Tiefe der Rotorschlitze 820 und der entsprechenden Dimension der Haarnadelwicklungselemente.
11 ist ein Flussdiagramm, das einige Prozesse darstellt, die in einem Verfahren 1100 zum Herstellen eines Rotors für eine elektrische Maschine gemäß einem Ausführungsbeispiel vorhanden sind. In einem ersten Prozess 1110 werden ein erster und zweiter Rotorschlitz benachbart zu der Kante oder dem Rand eines zylindrischen Rotors hergestellt. Die Rotorschlitze können halb geschlossen sein, wie die Rotorschlitze 710 in 7. Alternativ können die Rotorschlitze geschlossen sein, wie die Rotorschlitze 610 in 6. Gemäß einigen Ausführungsformen kann das Herstellen der ersten und zweiten Rotorschlitze das Zusammenbauen einer Vielzahl von zylindrischen Rotorlaminierungen umfassen, welche erste und zweite Öffnungen in der Lamination aufweisen. Die flachen Oberflächen der zylindrischen Rotorlaminierungen können zueinander ausgerichtet und angebracht sein, so dass die ersten Öffnungen den ersten Rotorschlitz durch den zylindrischen Rotor und die zweiten Öffnungen den zweiten Rotorschlitz durch den zylindrischen Rotor bilden.
Als nächstes wird in dem Prozess 1120 das erste Ende eines Haarnadelwicklungselements in ein erstes Ende des ersten Rotorschlitzes eingeführt. Danach wird in dem Prozess 1130 das zweite Ende des Haarnadelwicklungselements in ein erstes Ende des zweiten Rotorschlitzes eingeführt. Gemäß von Ausführungsbeispielen sind beide, das erste Ende des ersten Rotorschlitzes und das zweite Ende des zweiten Rotorschlitzes, an einem Ende des zylindrischen Rotors angeordnet.
In dem Prozess 1140 werden die ersten und zweiten Enden des Haarnadelwicklungselements durch die ersten und zweiten Rotorschlitze in einer Richtung bewegt, die parallel zu der Länge des ersten und zweiten Rotorschlitzes ist. Wenn die ersten und zweiten Enden der Haarnadelwicklungselemente zu dem Punkt bewegt wurden, wo sie von dem zweiten Ende des ersten Rotorschlitzes und dem zweiten Ende des zweiten Rotorschlitzes heraus stoßen, können die heraus gestoßenen Abschnitte der ersten und zweiten Enden in einer vorbestimmten Form gebogen werden, um die Enden der anderen Haarnadelwicklungselemente zu treffen. Die Verbindungen zwischen den Enden der Wicklungselemente können dann verschweißt werden, um ein oder mehrere unabhängige Rotorwicklungen zu bilden.
Gemäß anderer Ausführungsbeispiele kann die Abfolge, in welcher die Prozesse 1110–1140 durchgeführt werden, neu angeordnet werden. Zum Beispiel kann das erste Ende eines Haarnadelwicklungselements in ein erstes Ende eines ersten Rotorschlitzes eingeführt werden und weitergeführt werden durch den ersten Rotorschlitz, bevor das zweite Ende des Haarnadelwicklungselements in ein erstes Ende eines zweiten Rotorschlitzes eingeführt wird. In diesem Fall, ist das Haarnadelwicklungselement als ein gerades Stück eines eckigen Metalls vor dem Einführen in den ersten Rotorschlitz geformt. Nach dem Hindurchführen durch den ersten Rotorschlitz kann das Haarnadelwicklungselement so gebogen werden, dass das zweite Ende des Haarnadelwicklungselements eingeführt und dann durch den zweiten Rotorschlitz bewegt wird.
Gemäß anderer Ausführungsbeispiele können sowohl mehr als auch weniger Prozesse oder Verfahrensschritte als die die in 11 dargestellt sind enthalten sein. Zum Beispiel können einige Ausführungsbeispiele nicht den Prozess 1110 aufweisen, wo erste und zweite Schlitze in der Kante oder dem Rand des zylindrischen Motors ausgebildet sind.
Es gibt viel an Nutzen und Vorteilen, das durch die Ausführungsbeispiele gewonnen werden kann, wobei einige davon weiter unten beschrieben werden. Zum Beispiel stellen Ausführungsbeispiele eine Alternative mit geringen Kosten bereit für Permanentmagnet basierte Rotoren für synchrone elektrische Maschinen. Ferne können voraussichtlich Maschinenluftspalt-Flussdichten durch gewundene oder gewickelte Rotoren erhöht werden, so dass der Erregungsfluss durch steuerbare Ampere-Kurven erzeugt werden kann, statt durch einen festen Permanentmagnetfluss.
Gemäß von Ausführungsbeispielen können vorgefertigte und arbeitsintensive Wicklungen wie die Wicklungen 320 in 3 weggelassen werden. Die gesamte Form, Biegung und Einführung von Haarnadelwicklungselementen um Rotorwicklungen zu bilden kann vollständig durch automatisierte Prozesse erzielt werden, die spezialisierte Herstellungsapparaturen nutzen, was Kosten reduzieren kann.
Gemäß von Ausführungsbeispielen ist, da die Haarnadelwicklungselemente mit geschlossenen oder halb geschlossenen Rotorschlitzen gepaart werden, kein Bedarf da Metallkeile zu verwenden, um die Rotorwicklungen gegen Zentrifugalkräfte bei hohen Rotorgeschwindigkeiten zu schützen. Ausführungsbeispiele können außerdem hohe Kupfer-zu-Schlitzbereich Füllfaktoren erreichen, was die Maschineneffizienz verbessern kann. Ausführungsbeispiele sind auch mit Direktkühlungsverfahren kompatibel, welche häufig in Hybrid-Elektrofahrzeuganwendungen anzutreffen sind. Die Bereiche zwischen den Endkurven der Haarnadelwicklungselemente sind für einen Ölfluss für eine effektive Wärmeabfuhr zugänglich.
Gemäß einiger Ausführungsformen ist, insbesondere bei solchen die eine DC-(Gleichstrom)-Erregungswicklung auf einem Rotor implementieren, ein elektrischer Leitungsaustausch um Oberflächeneffekte zu minimieren nicht notwendig. Oberflächeneffekte beziehen sich auf eine nicht gleichmäßige Verteilung von Wechselstrom an der Oberfläche der Haarnadelwicklungselemente. Das Konzept der Rotor-Haarnadelwicklungen ist jedoch nicht auf DC-(Gleichstrom)-Wicklungen beschränkt. Ausführungsbeispiele können auch Rotorwicklungen für gewundene oder gewickelte Rotoren von Induktionsmaschinen umfassen, mit allen den zuvor aufgelisteten Vorteilen. Jedoch können, weil in diesem Fall die Rotorwicklung üblicherweise eine Mehrphasen-AC-(Wechselstrom)-Wicklung ist, Oberflächeneffekte ein Anliegen sein und eine Leistungsumwandlung erforderlich sein.
Während mindestens ein Ausführungsbeispiel in der vorgenannten detaillierten Beschreibung dargestellt wurde, soll davon ausgegangen werden, dass eine Vielzahl von Variationen existieren. Es soll davon ausgegangen werden, dass das Ausführungsbeispiel oder die Ausführungsbeispiele nicht dazu gedacht sind, den Schutzumfang, die Anwendbarkeit oder den Aufbau der Erfindung in irgendeiner Weise zu beschränken. Mehr noch will die vorgenannte detaillierte Beschreibung dem Fachmann einen geeigneten Fahrplan bzw. Plan zum Implementieren der erfindungsgemäßen Aspekte bereitstellen, die in mindestens einer Ausführungsform zu finden sind. Der Gegenstand der Erfindung enthält alle Kombinationen und Unterkombinationen der verschiedenen Elemente, Merkmale, Funktionen und/oder Bestandteile, offenbart in den Ausführungsbeispielen. Es soll ferner so verstanden werden, dass verschiedene Änderungen in der Funktion und Anordnung der Elemente durchgeführt werden kann ohne von dem Schutzumfang der Erfindung abzuweichen, wie in den beigefügten Ansprüchen und deren rechtlichen Äquivalenten definiert ist.
WEITERE AUSFÜHRUNGSFORMEN

1. Ein elektrischer Maschinenrotor aufweisend: einen Zylinder aufweisend eine Kante oder einen Rand; einen ersten Schlitz benachbart zu der Kante oder dem Rand des Zylinders, wobei der erste Schlitz zumindest teilweise durch die Kante oder den Rand geschlossen ist; und eine Haarnadelwicklung, die innerhalb des ersten Schlitzes angeordnet ist.
2. Der elektrische Maschinenrotor nach Ausführungsform 1, wobei der erste Schlitz vollständig geschlossen ist.
3. Der elektrische Maschinenrotor nach Ausführungsform 1, wobei der erste Schlitz eine erste Schlitzöffnung aufweist, wobei die Breite der ersten Schlitzöffnung kleiner als eine Breite des ersten Schlitzes ist.
4. Der elektrische Maschinenrotor nach Ausführungsform 1 ferner aufweisend einen zweiten Schlitz benachbart zu der Kante oder dem Rand des Zylinders und zumindest teilweise geschlossen ausgebildet.
5. Der elektrische Maschinenrotor nach Ausführungsform 4, wobei der Zylinder eine Mehrzahl von Laminierungen aufweist, wobei jede der Mehrzahl von Laminierungen eine erste Öffnung entsprechend dem ersten Schlitz und eine zweite Öffnung entsprechend dem zweiten Schlitz aufweist, wobei die Mehrzahl von Laminierungen so angeordnet ist, dass die ersten Öffnung zueinander ausgerichtet sind und die zweiten Öffnungen zueinander ausgerichtet sind.
6. Der elektrische Maschinenrotor nach Ausführungsform 4, wobei die Haarnadelwicklung innerhalb des zweiten Schlitzes angeordnet ist.
7. Der elektrische Maschinenrotor nach Ausführungsform 6, wobei die Haarnadelwicklung aufweist: ein erste Bein, das in dem ersten Schlitz angeordnet ist; ein zweites Bein, das in dem zweiten Schlitz angeordnet ist; und ein Endbogen, der das erste Bein mit dem zweiten Bein verbindet.
8. Der zylindrische Rotor nach Ausführungsform 7, wobei die Haarnadelwicklung zumindest teilweise aus Kupfer gebildet ist.
9. Ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors für eine elektrische Maschine, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Herstellen eines ersten Schlitzes und eines zweiten Schlitzes benachbart zu einer Kante oder einem Rand des Rotors, wobei die ersten und zweiten Schlitze zumindest teilweise durch die Kante oder den Rand des Rotors geschlossen sind; Einführen eines ersten Endes einer ersten Haarnadelwicklung in ein erstes Ende des ersten Schlitzes; Einführen eines zweiten Endes der ersten Haarnadelwicklung in ein erstes Ende des zweiten Schlitzes, wobei das erste Ende des ersten Schlitzes und das erste Ende des zweiten Schlitzes an einem Ende des Rotors angeordnet sind; und Bewegen der ersten und zweiten Enden der ersten Haarnadelwicklung in dieselbe Richtung durch die ersten bzw. zweiten Schlitze, so dass die ersten und zweiten Enden der ersten Haarnadelwicklung die ersten und zweiten Schlitze von einem zweiten Ende des ersten Schlitzes und einem zweiten Ende des zweiten Schlitzes verlassen, wobei das zweite Ende des ersten Schlitzes und das zweite Ende des zweiten Schlitzes an einem anderen Ende des Rotors angeordnet sind.
10. Das Verfahren nach Ausführungsform 9, ferner aufweisend Biegen einer leitfähigen Metallstange, um die erste Haarnadelwicklung zu bilden.
11. Das Verfahren nach Ausführungsform 10, wobei das Biegen der leitfähigen Metallstange das Biegen einer eckigen Kupferstange aufweist, um die erste Haarnadelwicklung zu bilden.
12. Das Verfahren nach Ausführungsform 9 ferner aufweisend: Verbinden des ersten Endes der ersten Haarnadelwicklung mit einem Ende einer zweiten Haarnadelwicklung; und Verbinden des zweiten Endes der ersten Haarnadelwicklung mit einem Ende einer dritten Haarnadelwicklung.
13. Das Verfahren nach Ausführungsform 12, wobei das Verbinden des ersten Endes der ersten Haarnadelwicklung mit dem Ende der zweiten Haarnadelwicklung aufweist das Biegen des ersten Endes der ersten Haarnadelwicklung um das Ende der zweiten Haarnadelwicklung zu treffen.
14. Eine elektrische Maschine aufweisend: einen Stator; eine Statorwicklung, die auf dem Stator angeordnet ist; eine Welle, die innerhalb des Stators angeordnet ist; einen zylindrischen Rotor, der an der Welle befestigt oder angebracht ist; einen ersten Schlitz benachbart zu einer Kante oder einem Rand des zylindrischen Rotors, wobei der erste Schlitz zumindest teilweise geschlossen ist; und eine Haarnadelwicklung, die in dem ersten Schlitz angeordnet ist.
15. Die elektrische Maschine nach Ausführungsform 14, wobei der erste Schlitz geschlossen ist.
16. Die elektrische Maschine nach Ausführungsform 14, wobei der erste Schlitz so angeordnet ist, dass ein Querschnitt des zylindrischen Rotors in einer Richtung senkrecht zu der Länge des ersten Schlitzes eine Oberfläche des zylindrischen Rotors darstellt, die kontinuierlich zu einer Oberfläche des ersten Schlitzes verläuft.
17. Die elektrische Maschine nach Ausführungsform 16, ferner aufweisend einen zweiten Schlitz benachbart zu einer Kante oder einem Rand des zylindrischen Rotors, wobei der zweite Schlitz zumindest teilweise geschlossen ist.
18. Die elektrische Maschine nach Ausführungsform 17, wobei der zylindrische Rotor eine Mehrzahl von Laminierungen aufweist, wobei jede der Mehrzahl von Laminierungen eine erste Öffnung entsprechend dem ersten Schlitz und eine zweite Öffnung entsprechend dem zweiten Schlitz aufweist, wobei die Mehrzahl von Laminierungen so ausgebildet ist, um angeordnet zu werden, so dass die ersten Öffnungen zueinander ausgerichtet sind und die zweiten Öffnungen zueinander ausgerichtet sind.
19. Die elektrische Maschine nach Ausführungsform 17, wobei die Haarnadelwicklung in dem zweiten Schlitz angeordnet ist.
20. Die elektrische Maschine nach Ausführungsform 19, wobei die Haarnadelwicklung aufweist: ein erstes Bein, das in dem ersten Schlitz angeordnet ist; ein zweites Bein, das in dem zweiten Schlitz angeordnet ist; und einen Endbogen, der das erste Bein mit dem zweiten Bein verbindet, wobei die Länge des Wicklungselements eine Länge des ersten Beines, eine Länge des zweiten Beines und eine Länge des Endbogens aufweist.

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

US 7034428 [0032]

Claims

Ein elektrischer Maschinenrotor aufweisend: einen Zylinder, aufweisend einen Rand; einen ersten Schlitz benachbart zu dem Rand des Zylinders, wobei der erste Schlitz zumindest teilweise durch den Rand geschlossen ist; und eine Haarnadelwicklung, die innerhalb des ersten Schlitzes angeordnet ist.
Der elektrische Maschinenrotor nach Anspruch 1, wobei der erste Schlitz vollständig geschlossen; und/oder wobei der erste Schlitz eine erste Schlitzöffnung aufweist, wobei die Breite der ersten Schlitzöffnung kleiner als eine Breite des ersten Schlitzes ist.
Der elektrische Maschinenrotor nach Anspruch 1 oder 2, ferner aufweisend einen zweiten Schlitz benachbart zu dem Rand des Zylinders und zumindest teilweise geschlossen ausgebildet.
Der elektrische Maschinenrotor nach Anspruch 3, wobei der Zylinder eine Mehrzahl von Laminierungen aufweist, wobei jede der Mehrzahl von Laminierungen eine erste Öffnung entsprechend dem ersten Schlitz und eine zweite Öffnung entsprechend dem zweiten Schlitz aufweist, wobei die Mehrzahl von Laminierungen so angeordnet ist, dass die ersten Öffnungen zueinander ausgerichtet sind und die zweiten Öffnungen zueinander ausgerichtet sind; und/oder wobei die Haarnadelwicklung in dem zweiten Schlitz angeordnet ist
Ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors für eine elektrische Maschine, insbesondere eines elektrischen Maschinenrotors nach einem der Ansprüche 1–4, wobei das Verfahren die Schritte aufweist: Herstellen eines ersten Schlitzes und eines zweiten Schlitzes benachbart zu einem Rand des Rotors, wobei die ersten und zweiten Schlitze zumindest teilweise durch den Rand des Rotors geschlossen sind; Einführen eines ersten Endes einer ersten Haarnadelwicklung in ein erstes Ende des ersten Schlitzes; Einführen eines zweiten Endes der ersten Haarnadelwicklung in ein erstes Ende des zweiten Schlitzes, wobei das erste Ende des ersten Schlitzes und das erste Ende des zweiten Schlitzes an einem Ende des Rotors angeordnet sind; und Bewegen der ersten und zweiten Enden der ersten Haarnadelwicklung in dieselbe Richtung durch die ersten bzw. zweiten Schlitze, so dass die ersten und zweiten Enden der ersten Haarnadelwicklung die ersten und zweiten Schlitze von einem zweiten Ende des ersten Schlitzes und einem zweiten Ende des zweiten Schlitzes verlassen, wobei das zweite Ende des ersten Schlitzes und das zweite Ende des zweiten Schlitzes an einem anderen Ende des Rotors angeordnet sind.
Das Verfahren nach Anspruch 5, ferner aufweisend Biegen einer leitfähigen Metallstange um die erste Haarnadelwicklung zu bilden, insbesondere Biegen einer eckigen Kupferstange um die erste Haarnadelwicklung zu bilden.
Das Verfahren nach Anspruch 5 oder 6 ferner aufweisend: Verbinden des ersten Endes der ersten Haarnadelwicklung mit einem Ende einer zweiten Haarnadelwicklung, insbesondere Biegen des ersten Endes der ersten Haarnadelwicklung um das Ende der zweiten Haarnadelwicklung zu treffen; und Verbinden des zweiten Endes der ersten Haarnadelwicklung mit einem Ende einer dritten Haarnadelwicklung.
Eine elektrische Maschine, insbesondere ein elektrischer Maschinenrotor nach einem der Ansprüche 1–4, aufweisend: einen Stator; eine Statorwicklung, die auf dem Stator angeordnet ist; eine Welle, die innerhalb des Stators angeordnet ist; einen zylindrischen Rotor, der an der Welle angeordnet ist; einen ersten Schlitz benachbart zu einem Rand des zylindrischen Rotors, wobei der erste Schlitz zumindest teilweise geschlossen ist; und eine Haarnadelwicklung, die in dem ersten Schlitz angeordnet ist.
Die elektrische Maschine nach Anspruch 8, wobei der erste Schlitz geschlossen ist; und/oder wobei der erste Schlitz so angeordnet ist, dass ein Querschnitt des zylindrischen Rotors in einer Richtung senkrecht zu der Länge des ersten Schlitzes eine Oberfläche des zylindrischen Rotors darstellt, die kontinuierlich mit einer Oberfläche des ersten Schlitzes verläuft.
Die elektrische Maschine nach Anspruch 9, ferner aufweisend einen zweiten Schlitz benachbart zu einem Rand des zylindrischen Rotors, wobei der zweite Schlitz zumindest teilweise geschlossen ist, wobei die Haarnadelwicklung in dem zweiten Schlitz angeordnet ist.