DE9305152U1

DE9305152U1 - Flach-Rotor für eine elektrische Maschine

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Publication number: DE9305152U1
Application number: DE9305152U
Authority: DE
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Priority date: 1993-04-03
Filing date: 1993-04-03
Publication date: 1993-06-03
Anticipated expiration: 2003-04-04

Description

Die Erfindung betrifft einen Flach-Rotor für eine elektrische Maschine, wobei im Rotor mehrere, in ihrer radialen Winkelstellung gegeneinander verdrehte und gegeneinander isolierte, stromführende Spulenelemente in einer oder in mehreren verschiedenen, zur Rotorachse senkrechten Ebenen angeordnet sind, wobei die Spulenelemente je mindestens einen radialen Abschnitt aufweisen, der einen äußeren und einen inneren Spulenelementabschnitt verbindet, wobei jeweils mindestens zwei Spulenelemente zu einer über den Umfang des Rotors verteilten Gruppe zusammengefaßt werden können und jedes Spulenelement mit den benachbarten Spulenelementen der betreffenden Gruppe jeweils radial außenliegend und gegebenenfalls radial innenliegend leitend verbunden ist, und wobei der Kommutator durch die auf einer der beiden Rotorstirnseiten liegenden Oberflächen der radial inneren Spulenelementabschnitte gebildet ist.

Ein solcher Flach-Rotor ermöglicht den Bau einen scheibenförmig ausgebildeten Elektromotors bzw. Generators, wodurch die dem Rotor zugewandten Statorinnenflächen einen kleinen Abstand zueinander aufweisen. Das macht den Einsatz von Permanentmagneten zur Erzeugung des Magnetfelds sinnvol1.

Das Prinzip einer elektrischen Maschinen mit Flach-Rotor ist seit langem bekannt, wie beispielsweise dem Fachbuch: C. Clement "Construction des Bobinages Electriques", 13. Dunod, Paris, 1942, p. 68 zu entnehmen ist.

Ein gattungsgemäßer Flach-Rotor ist aus der FR-PS 1.426.280 bekannt. Die Spulenelemente des Rotors werden dort durch entsprechend geformte und gebogene Blechbänder gebildet,

die sich jeweils über verschiedene, zur Rotorwelle senkrechten Ebenenerstrecken. Der Kommutator wird dabei durch die radial innenliegenden Teile der radialen Spulenelementabschnitte gebildet; die Bürsten schleifen auf der Flachseite der Blechbänder.

Bei einer solchen Konstruktion nach dem Stand der Technik ergibt sich durch die vergleichsweise großen und ungleichmäßig geformten Spalte zwischen den Kommutatorblechen ein hoher Verschleiß der Bürsten.

Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, einen Flach-Rotor zu schaffen, bei dem der Verschleiß der auf ihm laufenden Bürsten gegenüber dem Stand der Technik vermindert und bei dem der Wirkungsgrad einer mit ihm betriebenen elektrischen Maschine deutlich verbessert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Spulenelementabschnitte des Kommutators konisch geformte Oberflächen aufweisen, so daß die Kanten des Isolationsspalts zwischen je zwei benachbarten Spulenelementabschnitten mindestens im gesamten Kontaktbereich der Bürsten parallel verlaufen.

Mit dieser Konstruktion erhält man nicht nur eine größere Kontaktfläche zwischen Bürste und Kommutator-Spulenelementabschnitt, wodurch sich eine bessere Stromübertragung und somit ein besserer Wirkungsgrad ergibt; durch den parallelen Verlauf des Isolationsspalts im gesamten Kontaktbereich der Bürsten ist es außerdem möglich, diesen Isolationsspalt ebenfalls im gesamten Kontaktbereich möglichst dünn zu halten - so kann der Bürstenverschleiß wesentlich verringert werden.

Darüber hinaus bietet die parallele Ausformung der Isolationsspalte eine wesentliche Vereinfachung bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Rotors: Der Isolationsspalt wird normalerweise ausgefräst, um zu gewährleisten, daß die Bürste ausschließlich mit den Oberflächen der Spulenelemente Kontakt hat; dabei ist ein parallel verlaufender Isolationsspalt naturgemäß einfacher auszufräsen als ein anders geformter.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Flach-Rotors ist zwischen den radialen Abschnitten der Spulenelemente ferromagnetisches Material angeordnet. Dieses ferromagnetische Material führt aufgrund seiner hohen magnetischen Suszeptibilität die Magnetfelder zwischen den im Statorgehäuse gegenüberliegend angebrachten Magnetpolen und erhöht so den Wirkungsgrad einer elektrischen Maschine, in die der erfindungsgemäße Flach-Rotor eingebaut ist, ganz erheblich.

Als ferromagnetisches Material können dabei Dynamobleche verwendet werden.

Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Flach-Rotors besteht in der Verwendung von Profilblechen als Spulenelemente; diese Profilbleche können dabei aus Kupfer bestehen. Die Verwendung von Profilblechen ermöglicht ein einfaches Herstellungsverfahren und macht aufgrund der hohen Eigenstabilität der Bleche, und damit der Spulenelemente, ein aufwendiges Tragegerüst des Rotors überflüssig.

Die Zentrierung und Fixierung der Profilbleche mit einem oder mehren Spannringen erhöht die Stabilität des Rotors vorteilhaft, da die Profilbleche ein relativ hohes

Eigengewicht aufweisen und somit bei der Rotation des Rotors hohen Zentrifugalkräften unterliegen.

Zur Aufnahme dieser Spannringe sind in den Profilblechen zweckmäßigerweise eine oder mehrere Nuten ausgespart, so daß nach dem Zusammenanbau der Profilbleche kein weiterer Arbeitsschritt nötig ist, um die Spannringe einsetzen zu können.

Fixiert man die Profilbleche durch Vergießen mit Gießharz, erzielt man nochmals eine höhere Eigenstabilität des Rotors.

Durch eine hohe Eigenstabi1iät ergibt sich ein formtreues und schwingungsarmes Verhalten des Rotors in seiner Bewegung; infolgedessen kann der jeweilige Spalt zwischen dem Rotor und den beiden Statorhälften wirkungsgraderhöhend klein gehalten werden.

Vorteilhafterweise wird die Fixierung der Profilbleche durch Spannringe und/oder durch Gießharz dafür verwendet, den erfindungsgemäßen Flach-Rotor durch selbsttragende Profilbleche herzustellen, d.h. daß der Rotorkörper aus der Gesamtheit der in ihrer Lage zueinander fixierten Profilbleche gebildet wird, ohne zusätzliche tragende Elemente. Dies vermindert den Material- und Konstruktionsaufwand erheblich.

Befindet sich zwischen den radialen Abschnitten der Spulenelemente ferromagnetisches Material, das normalerweise eine hohes spezifisches Gewicht aufweist, ist es bei einem solchen selbsttragenden Flach-Rotor zur weiteren Erhöhung der Stabilität zweckmäßig, daß jeweils im

Spalt zwischen den verschiedenen radialen Ebenen der Spulenelemente ein Glasfaserband auf dem ferromagnetisehen Material aufliegend ein- oder mehrmals über den gesamten Rotorumfang gewickelt und mit Gießharz vergossen wird. Das Gießharz ergibt nach seinem Aushärten zusammen mit dem Glasfaserband eine hochfeste Verbindung, die den Zentrifugalkräften, die unter Rotation auf das ferromagnetische Material wirken, standhält.

Der erfindungsgemäße Flach-Rotor kann zweckmäßigerweise als Scheibenläufer eines permanent erregten Elektromotors zum Einsatz kommen, aber auch die Umkehrung, der Einsatz des erfindungsgemäßen Flach-Rotors als Scheibenläufer eines permanent erregten Generators ist vorteilhaft; insbesondere beim Einsatz des erfindungsgemäßen Flach-Rotors in einer elektrischen Maschine, die als Antriebsaggregat für ein Kraftfahrzeug dient, kann die alternierende Verwendung dieser elektrischen Maschine als Elektromotor und, je nach Bedarf, als Generator sehr vorteilhaft sein.

Zum Zweck des Gruppierens von Spulenelementen zu einzelnen, über den gesamten Umfang des Flach-Rotors verteilten Spulenelementengruppen ist es zweckmäßig, die einzelnen Spulenelemente mit den jeweils benachbarten Spulenelementen radial außenliegend zu verlöten oder zu verschweißen. Dabei ist es vorteilhaft, je ein u-förmiges Profilblech über jede Löt- bzw. Schweißstelle zu schieben und mitzuverlöten bzw. mitzuverschweißen. Daraus ergibt sich eine höhere Haltbarkeit der Verbindung, aber vor allem wird dadurch beim Verwenden von Profilblechen als Spulenelemente die Verbindung von Spulenelementen verschiedener radialer Ebenen auf konstruktiv einfache Weise hergestellt.

Die Haltbarkeit und Stabilität gegen die Fliehkräfte dieser u-förmigen Profilblechverbindungen wird vorteilhaft dadurch erhöht, daß radial außen ein Glasfaserband über den gesamten Umfang des Rotors gewickelt und mit Gießharz vergossen wird.

Eine besonders einfache, und daher besonders bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Flach-Rotors mit Profilblechen ergibt sich dadurch, daß die Profilbleche nahezu über ihre ganze Länge in der Breite gespalten sind, so daß je zwei benachbarte, zur selben Spulenelemenentengruppe gehörenden Spulenelemente durch ein- und dasselbe Profilblech gebildet sind. Insbesondere dann, wenn der erfindungsgemäßen Flach-Rotor lediglich zwei radiale Ebenen mit Spulenelementen aufweist, führt dieses Merkmal zu einer konstruktiv sehr einfachen Herstellung des Rotors: Eine Hälfte des Profilblechs gehört zur einen Ebene, die anderen Hälfte zur anderen Ebene des Rotors, wodurch sich eine separate, elektrisch leitende Verbindung im radial innenliegenden Teil des Rotors erübrigt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben und erläutert:

Es zeigen:

Figur 1 die schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Rotorsti rnseite,

Figur 2 zwei zusammengehörende Spulenelemente,

Figur 3 eine Detaildarstellung des Kommutatorbereichs zweier benachbarter Spulenelemente,

Figur 4 eine schematische Ansicht wie Figur 1,

Figur 5 eine weitere schematische Ansicht einer Rotorstirnfläche ,

Figur 6 die Ansicht zweier zusammengehörender Spulenelemente aus einer zur Rotorachse senkrechten Blickrichtung,

Figur 7 die Grundform eines Profilblechs.

Figur 1 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Flach-Rotor, insbesondere den Verlauf der Spulenelemente 2. Die Spulenelemente 2 sind hier in zwei verschiedenen, zur Rotorachse 3 senkrechten Ebenen angeordnet, wobei eine erste Ebene durch die Spulenelemente 2' und eine zweite Ebene durch gleichartige, jedoch spiegelbildlich angeordnete Spulenelemente 2¹' definiert wird. Die Spulenelemente bestehen aus einem radialen Spulenelementabschnitt 2a, einem äußeren Spulenelementabschnitt 2b und einem inneren Spulenelementabschnitt 2c. Die besonders gekennzeichneten Spulenelemente 2' und 2¹¹ bestehen aus ein- und demselben Profilblech und sind radial innenliegend leitend verbunden. Die radial inneren Spulenelementabschnitte 2c bilden in ihrer Gesamtheit den Kommutator 4. Das ferromagnetische Material 10, das sich zwischen den radialen Spulenelementabschnitten 2a befindet, ist hier beispielhaft an 5 Zwischenräumen zwischen den jeweils in verschiedenen Ebenen liegenden Spulenelementen 2', 2'¹ dargestellt.

Figur 2 zeigt zwei zusammengehörende Spulenelemente 2', 2'¹, die aus ein- und demselben Profilblech 11 hergestellt sind. Die Blickrichtung ist parallel zur Rotorachse; demgemäß ist die konisch geformte Oberfläche 6 desjenigen Spulenelementabschnitts, der im Bereich des Kommutators liegt, deutlich sichtbar.

Figur 3 verdeutlicht die erfindungsgemäße konischen Ausformung der Kommutator-Spulenelementabschnitte: Die konischen Oberflächen 6 der benachbarten Spulenelemente schließen einen Isolationsspalt 8 ein, dessen Kanten 7 im gesamten Kontaktbereich der Bürsten parallel verlaufen.

Figur 4 zeigt, wie Figur 1, eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Rotors 1 in Blickrichtung der Rotorachse 3. Die Spulenelemente 2 bestehen hier aus Profilblechen 11, die über zwei radiale Ebenen über den Umfang des Rotors 1 verteilt zu jeweils einer Gruppe 18 zusammengefaßt werden können. Die radial innenliegende leitende Verbindung zwischen den Spulenelementen 2 einer Gruppe 18 wird durch die Ausbildung jeweils zweier zusammengehörender Spulenelemente als ein- und dasselbe Profilblech hergestellt; die radial außenliegende Verbindung geschieht mittels u-förmigen Profilblechen über die beiden Ebenen hinweg. Die Stabilität dieser Verbindung auch unter Fliehkräften wird durch das Glasfaserband 17 unterstützt.

Figur 5 verdeutlicht nochmals, durch die Darstellung von drei benachbarten, jeweils zusammengehörenden Profilelementenpaaren, wie die konischen Oberflächen 6 mit ihren zwischenliegenden Isolationsspalten 8 im Bereich des Kommutators 4 zusammenwirken. Hier ist ferner verdeutlicht, wo der Spannring 12 sitzt, der die Profilbleche 11 in ihrer Lage fixieren soll.

Figur 6 ist die Darstellung zweier zusammengehörender Profilelemente 2¹ und 2¹' in einer Blickrichtung, die zur Rotorachse 3 senkrecht steht; sie korrespondiert, mit Figur 2. Deutlich dargestellt ist die Ausformung von zwei zusammengehörenden Spulenelementen 2', 2'¹ aus ein- und demselben Profilblech 11, das nahezu über seine ganze Länge in der Breite gespalten ist. Der Spalt 14 trennt die beiden Rotorebenen. Die radial innenliegende Verbindung zwischen den jeweils zusammengehörenden Spulenelementen 2', 2'¹ wird, wie erwähnt, durch die besondere Ausformung der Profilbleche 11 sichergestellt, die radial außenliegende Verbindung erfolgt über u-förmige Profilbleche 16. In dieser Figur sind ferner die Lagen des ferromagnetisehen Materials 10 und der Bürsten 9 angedeutet. Das im Spalt aufgewickelte, zur Fixierung des ferromagnetisehen Materials 10 dienende Glasfaserband 15, sowie das zur Fixierung der u-förmigen Profilbleche 16 gedachte Glasfaserband 17 sind ebenfalls dargestellt. Das Profilblech 11 weist an jeder Rotorstirnseite 5 Nuten zur Fixierung auf, jedoch nur an der dem Kommutator 4 gegenüberliegenden Rotorstirnseite 5 ist hier ein Spannring 12 darin eingebettet.

Figur 7 zeigt die Ausgangsform der Profilbleche 11, die nach einer biegenden Bearbeitung als Spulenelemente dienen sollen. Dabei ist diejenige Oberfläche sichtbar, die zur Rotorstirnseite hin angeordnet werden soll. Verdeutlicht ist hier wieder die konische Oberfläche 6 desjenigen Abschnitts, der im Bürstenschleifbereich zu liegen kommt. Ferner ist hier die Isolatorschicht 19 dargestellt, die zwischen die Profilbleche 11 zu liegen kommt und diese elektrisch voneinander trennt.

Bezugszeichenliste

1	Rotor
2	Spulenelemente
3	Rotorachse
4	Kommutator
5	Rotorstirnseite
6	Konische Oberfläche
7	Kanten zu 8
8	Isolationsspalt
9	Bürsten
10	Ferromagnetisches Material
11	Profilbleche
12	Spannring
13	Nut
14	Spalt
15	Glasfaserband
16	U-förmiges Profilblech
17	Glasfaserband
18	Gruppe
19	Isolatorschicht

Claims

Ansprüche

Flach-Rotor für eine elektrische Maschine, wobei im Rotor (1) mehrere, in ihrer radialen Winkelstellung gegeneinander verdrehte und gegeneinander isolierte, stromführende Spulenelemente (2) in einer oder in mehreren verschiedenen, zur Rotorachse (3) senkrechten Ebenen angeordnet sind, wobei die Spulenelemente (2) je mindestens einen radialen Abschnitt (2a) aufweisen, der einen äußeren (2b) und einen inneren Spulenelementabschnitt (2c) verbindet, wobei jeweils mindestens zwei Spulenelemente (2) zu einer über den Umfang des Rotors (1) verteilten Gruppe (18) zusammengefaßt werden können und jedes Spulenelement (2) mit den benachbarten Spulenelementen (2 ' ,2'') der betreffenden Gruppe (18) jeweils radial außenliegend und gegebenenfalls radial innenliegend leitend verbunden ist,

und wobei der Kommutator (4) durch die auf einer der beiden Rotorstirnseiten (5) liegenden Oberflächen der radial inneren Spulenelementabschnitte (2c) gebildet ist,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Spulenelementabschnitte (2c) des Kommutators (4) konisch geformte Oberflächen (6) aufweisen, so daß die Kanten (7) des Isolationsspalts (8) zwischen je zwei benachbarten Spulenelementabschnitten (2c) mindestens im gesamten Kontaktbereich der Bürsten (9) parallel verlaufen.
2. Flach-Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den radialen Abschnitten (2a) der Spulenelemente (2) ferromagnetisches Material angeordnet ist.
3. Flach-Rotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das ferromagnetische Material (10) aus Dynamoblechen besteht.
4. Flach-Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Spulenelemente (2) Profilbleche (11) sind.
5. Flach-Rotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilbleche (11) aus Kupfer bestehen.
6. Flach-Rotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilbleche (11) durch mindestens einen Spannring (12) zusammengehalten sind.
7. Flach-Rotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilbleche (11) im radial innenliegenden Abschnitt (2c) mindestens eine Nut (13) zur Aufnahme des oder der Spannringe (12) aufweisen.
8. Flach-Rotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilbleche (11) mit Gießharz vergossen und so in ihrer Lage zueinander fixiert sind.
9. Flach-Rotor nach den Ansprüchen 4 und 6 oder 4 und 8, dadurch gekennzeichnet,

daß der Rotorkörper (1) aus der Gesamtheit der in ihrer Lage zueinander fixierten Profilbleche (11) besteht.
10. Flach-Rotor nach den Ansprüchen 2 und 9, dadurch gekennzeichnet,

daß jeweils im Spalt (14) zwischen den verschiedenen radialen Ebenen der Spulenelemente (2) ein Glasfaserband (15) auf dem ferromagnetisehen Material (10) aufliegend ein- oder mehrmals über den gesamten Rotorumfang gewickelt und mit Gießharz vergossen ist.
11. Flach-Rotor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß der Rotor (1) der Scheibenläufer eines permanent erregten Elektromotors ist.
12. Flach-Rotor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß der Rotor (1) der Scheibenläufer eines permanent erregten Generators ist.
13. Flach-Rotor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,

daß die Spulenelemente (2) mit den jeweils benachbarten Spulenelementen (2',2'') einer Spulenelementengruppe radial außenliegend verlötet oder verschweißt sind.
14. Flach-Rotor nach den Ansprüchen 4 und 13, dadurch gekennzeichnet,

daß je ein u-förmiges Profilblech über jede Lötstelle geschoben und mitverlötet bzw. mitverschweißt ist.
15. Flach-Rotor nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet,

daß radial außen ein Glasfaserband (17) über den gesamten Umfang des Rotors (1) gewickelt und mit Gießharz vergossen ist.
16. Flach-Rotor nach mindestens einem der Ansprüche 4 bis 15,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Profilbleche (11) nahezu über ihre ganze Länge in der Breite gespalten sind, so daß je zwei benachbarte, radial innenliegend leitend verbundene, zur betreffenden Gruppe (18) gehörenden Spulenelemente (2',2'') durch ein und dasselbe Profilblech (11) gebildet sind.