DE102021123305A1

DE102021123305A1 - Rotor shaft with slip ring module for a rotor of an electrical machine

Info

Publication number: DE102021123305A1
Application number: DE102021123305.4A
Authority: DE
Inventors: Robert Schmidt; Markus Lang; Jerome Ragot
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2021-09-09
Filing date: 2021-09-09
Publication date: 2023-03-09

Abstract

Es wird Rotorwelle für einen Rotor einer elektrischen Maschine beschrieben. Die Rotorwelle umfasst ein Wellenelement, das sich entlang der Rotationsachse des Rotors erstreckt und das einen Rotorkörper-Bereich zur Anordnung in dem Rotorkörper des Rotors aufweist. Das Wellenelement weist an einer ersten Seite eine Lagerfläche zur Lagerung der Rotorwelle auf. Des Weiteren umschließt das Wellenelement an der ersten Seite einen Hohlraum, der sich von der ersten Stirnfläche des Wellenelements entlang der Rotationsachse bis zu dem Rotorkörper-Bereich des Wellenelements erstreckt. Die Rotorwelle umfasst ferner ein Schleifringmodul, das in einem äußeren Bereich ein oder mehrere Schleifringe aufweist, und das einen entlang der Rotationsachse neben dem äußeren Bereich angeordneten inneren Bereich aufweist, der in dem Hohlraum des Wellenelements angeordnet ist. Des Weiteren weist das Schleifringmodul ein oder mehrere elektrisch leitende Modulleitungen auf, die sich von den entsprechenden ein oder mehreren Schleifringen durch den Hohlraum bis zu dem Rotorkörper-Bereich des Wellenelements erstrecken.

A rotor shaft for a rotor of an electrical machine is described. The rotor shaft includes a shaft member that extends along the axis of rotation of the rotor and that has a rotor body portion for placement in the rotor body of the rotor. On a first side, the shaft element has a bearing surface for bearing the rotor shaft. Furthermore, the shaft element encloses a cavity on the first side, which extends from the first end face of the shaft element along the axis of rotation to the rotor body region of the shaft element. The rotor shaft also includes a slip ring module, which has one or more slip rings in an outer area, and which has an inner area arranged along the axis of rotation next to the outer area, which inner area is arranged in the cavity of the shaft element. Furthermore, the slip ring module has one or more electrically conductive module lines, which extend from the corresponding one or more slip rings through the cavity to the rotor body region of the shaft element.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, etwa eine Synchronmaschine. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Rotorwelle für einen stromerregten Rotor einer elektrischen Maschine.The invention relates to an electrical machine, such as a synchronous machine. In particular, the invention relates to a rotor shaft for a current-excited rotor of an electrical machine.

Ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug umfasst eine elektrische Maschine zum Antrieb des Fahrzeugs. Die elektrische Maschine umfasst einen Stator, der einen Rotor der elektrischen Maschine umschließt.An at least partially electrically powered vehicle includes an electric machine for driving the vehicle. The electrical machine includes a stator that encloses a rotor of the electrical machine.

Die Rotorwelle für einen stromerregten Rotor kann mehrteilig mit getrennten Lagersitzen aufgebaut sein, wobei in einem Lagersitz die Schleifringe zur elektrischen Energieversorgung der Spulen des Rotors angeordnet sind. Alternativ kann die Stromversorgung durch eine Nut an der Lagerstelle der Rotorwelle geführt werden. Die Verwendung einer mehrteiligen Rotorwelle und/oder einer Nut zur Bereitstellung der Stromversorgung kann zu einer reduzierten Stabilität und/oder zu einer reduzierten mechanischen Belastbarkeit der Rotorwelle führen.The rotor shaft for a current-excited rotor can be constructed in several parts with separate bearing seats, with the slip rings for supplying electrical energy to the coils of the rotor being arranged in a bearing seat. Alternatively, the power supply can be routed through a groove at the bearing point of the rotor shaft. The use of a multi-part rotor shaft and/or a groove to provide the power supply can lead to reduced stability and/or reduced mechanical loading capacity of the rotor shaft.

Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, eine Rotorwelle für einen stromerregten Rotor einer elektrischen Maschine bereitzustellen, die eine erhöhte Stabilität, Lebensdauer und mechanische Belastbarkeit aufweist.The present document deals with the technical task of providing a rotor shaft for a current-excited rotor of an electrical machine that has increased stability, service life and mechanical resilience.

Die Aufgabe wird durch den unabhängigen Anspruch gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u.a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass zusätzliche Merkmale eines von einem unabhängigen Patentanspruch abhängigen Patentanspruchs ohne die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs oder nur in Kombination mit einer Teilmenge der Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs eine eigene und von der Kombination sämtlicher Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs unabhängige Erfindung bilden können, die zum Gegenstand eines unabhängigen Anspruchs, einer Teilungsanmeldung oder einer Nachanmeldung gemacht werden kann. Dies gilt in gleicher Weise für in der Beschreibung beschriebene technische Lehren, die eine von den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche unabhängige Erfindung bilden können.The object is solved by the independent claim. Advantageous embodiments are described inter alia in the dependent claims. It is pointed out that additional features of a patent claim dependent on an independent patent claim without the features of the independent patent claim or only in combination with a subset of the features of the independent patent claim can form a separate invention independent of the combination of all features of the independent patent claim, which can be made the subject of an independent claim, a divisional application or a subsequent application. This applies equally to the technical teachings described in the description, which can form an invention independent of the features of the independent patent claims.

Gemäß einem Aspekt wird eine Rotorwelle für einen Rotor einer elektrischen Maschine, insbesondere einer stromerregten, elektrischen Synchronmaschine, beschrieben. Die Rotorwelle umfasst ein Wellenelement, das z.B. im Wesentlichen eine Kreiszylinderform aufweist. Das Wellenelement erstreckt sich entlang der Rotationsachse des Rotors, und kann ggf. rotationssymmetrisch in Bezug auf die Rotationsachse ausgebildet sein.According to one aspect, a rotor shaft for a rotor of an electrical machine, in particular a current-excited electrical synchronous machine, is described. The rotor shaft includes a shaft member having a substantially circular cylindrical shape, for example. The shaft element extends along the axis of rotation of the rotor and can optionally be designed to be rotationally symmetrical with respect to the axis of rotation.

Das Wellenelement weist einen Rotorkörper-Bereich zur Anordnung in dem Rotorkörper, insbesondere zur Anordnung in einer zentralen Öffnung des Rotorkörpers, eines Rotors auf. Der Rotorkörper-Bereich kann derart ausgebildet sein, dass das Wellenelement anhand einer Presspassung im Rotorkörper-Bereich mit dem Rotorkörper gefügt werden kann.The shaft element has a rotor body area for arrangement in the rotor body, in particular for arrangement in a central opening of the rotor body, of a rotor. The rotor body area can be designed in such a way that the shaft element can be joined to the rotor body by means of a press fit in the rotor body area.

Das Wellenelement weist ferner zumindest an einer ersten Seite eine Lagerfläche zur Lagerung der Rotorwelle auf. Die Lagerfläche ist dabei neben dem Rotorkörper-Bereich und dem Rotorkörper angeordnet. Die Lagerfläche kann eine kreiszylinderförmige Außenwand aufweisen. Das Wellenelement kann insbesondere an beiden Seiten neben dem Rotorkörper-Bereich jeweils eine Lagerfläche zur Lagerung der Rotorwelle aufweisen.The shaft element also has, at least on a first side, a bearing surface for mounting the rotor shaft. The bearing surface is arranged next to the rotor body area and the rotor body. The bearing surface can have a circular-cylindrical outer wall. The shaft element can in particular have a bearing surface for mounting the rotor shaft on both sides next to the rotor body area.

Des Weiteren umschließt das Wellenelement an der ersten Seite einen Hohlraum, der sich von der ersten Stirnfläche des Wellenelements entlang der Rotationsachse (unterhalb der Lagerfläche) bis zu dem Rotorkörper-Bereich des Wellenelements erstreckt. In einem bevorzugten Beispiel erstreckt sich der Hohlraum von der ersten Stirnfläche bis zu der gegenüberliegenden zweiten Stirnfläche des Wellenelements. Das Wellenelement kann somit hohl, insbesondere als Hohlzylinder, ausgebildet sein.Furthermore, the shaft element encloses a cavity on the first side, which extends from the first end face of the shaft element along the axis of rotation (below the bearing surface) to the rotor body region of the shaft element. In a preferred example, the cavity extends from the first end face to the opposite second end face of the shaft element. The shaft element can thus be hollow, in particular as a hollow cylinder.

Die Rotorwelle umfasst ferner ein Schleifringmodul (als getrenntes Bauteil von dem Wellenelement). Das Schleifringmodul weist einen äußeren Bereich auf, der außerhalb des Wellenelements neben der ersten Stirnfläche des Wellenelements angeordnet ist. In dem äußeren Bereich des Schleifringmoduls können ein oder mehrere (elektrisch leitende) Schleifringe angeordnet sein.The rotor shaft further includes a slip ring module (as a separate component from the shaft member). The slip ring module has an outer portion that is disposed outside of the shaft member adjacent the first face of the shaft member. One or more (electrically conductive) slip rings can be arranged in the outer region of the slip ring module.

Des Weiteren weist das Schleifringmodul einen entlang der Rotationsachse neben dem äußeren Bereich angeordneten inneren Bereich auf, der in dem Hohlraum des Wellenelements angeordnet ist (und der sich bevorzugt von der ersten Stirnfläche des Wellenelements bis zu dem Rotorkörper-Bereich des Wellenelements erstreckt, und somit von der Lagerfläche des Wellenelements umschlossen wird). Furthermore, the slip ring module has an inner area arranged along the axis of rotation next to the outer area, which is arranged in the cavity of the shaft element (and which preferably extends from the first end face of the shaft element to the rotor body area of the shaft element, and thus from the bearing surface of the shaft element).

Das Schleifringmodul weist ferner ein oder mehrere elektrisch leitende Modulleitungen auf, die sich ausgehend von den entsprechenden ein oder mehreren Schleifringen durch den Hohlraum (unterhalb von der Lagerfläche) bis zu dem Rotorkörper-Bereich des Wellenelements erstrecken. Die ein oder mehreren Modulleitungen können dann in dem Rotorkörper-Bereich elektrisch leitend mit ein oder mehreren Windungen und/oder Spulen des Rotors verbunden werden.The slip ring module further includes one or more electrically conductive module leads extending from the corresponding one or more slip rings through the cavity (below the bearing surface) to the rotor body portion of the shaft member. The one or more module lines can then be electrically conductively connected to one or more windings and/or coils of the rotor in the rotor body area.

Das Schleifringmodul weist in dem äußeren Bereich und in dem inneren Bereich bevorzugt einen Träger aus einem elektrisch nicht-leitendem Material (z.B. Kunststoff) auf. Die ein oder mehreren Schleifringe und die ein oder mehreren Modulleitungen können dann an dem (elektrisch nicht-leitenden) Träger angeordnet sein.The slip ring module preferably has a carrier made of an electrically non-conductive material (eg plastic) in the outer area and in the inner area. The one or more slip rings and the one or more module lines can then be arranged on the (electrically non-conductive) carrier.

Das Schleifringmodul kann insbesondere zwei Schleifringe und zwei Modulleitungen aufweisen, um den Strom zu einer Spule des Rotors hin und von der Spule des Rotors weg leiten zu können.The slip ring module can in particular have two slip rings and two module lines in order to be able to conduct the current to a coil of the rotor and away from the coil of the rotor.

Es wird somit eine Rotorwelle mit einem Schleifringmodul beschrieben, das es ermöglicht, die elektrischen Leitungen zur Bereitstellung des Rotorstroms für die ein oder mehreren Spulen des Rotors in einem Hohlraum unterhalb der Lagerfläche zur Lagerung der Rotorwelle zu führen. So kann eine besonders stabile und robuste Rotorwelle bereitgestellt werden.A rotor shaft with a slip ring module is thus described, which makes it possible to route the electrical lines for providing the rotor current for the one or more coils of the rotor in a cavity below the bearing surface for bearing the rotor shaft. A particularly stable and robust rotor shaft can thus be provided.

Das Wellenelement kann, insbesondere in dem Rotorkörper-Bereich, ein oder mehrere Leitungs-Öffnungen (insbesondere Bohrungen) zwischen dem Hohlraum und der äußeren Umgebung des Wellenelements, insbesondere dem Rotorkörper, aufweisen. Die ein oder mehreren Leitungs-Öffnungen können auf der Mantelfläche des Wellenelements angeordnet sein.The shaft element can, in particular in the rotor body area, have one or more line openings (in particular bores) between the cavity and the outer environment of the shaft element, in particular the rotor body. The one or more line openings can be arranged on the outer surface of the shaft element.

Die ein oder mehreren Leitungs-Öffnungen können derart ausgebildet sein, dass durch die ein oder mehreren Leitungs-Öffnungen ein oder mehrere (entsprechende) Anschlussleitungen geführt werden können, die elektrisch leitend mit den entsprechenden ein oder mehreren Modulleitungen verbunden sind und/oder verbunden werden können. Die ein oder mehreren Leitungs-Öffnungen können jeweils trichterförmig ausgebildet sein, um ein besonders einfaches Einfädeln der ein oder mehrere Anschlussleitungen (von außen her) zu ermöglichen. Die ein oder mehreren Leitungs-Öffnungen können sich somit zu dem Hohlraum hin verjüngen.The one or more line openings can be designed in such a way that one or more (corresponding) connecting lines can be routed through the one or more line openings, which are and/or can be connected in an electrically conductive manner to the corresponding one or more module lines . The one or more line openings can each be designed in a funnel shape in order to enable the one or more connection lines to be threaded in particularly easily (from the outside). The one or more line openings can thus taper towards the cavity.

Durch die Bereitstellung von ein oder mehreren Leitungs-Öffnungen in dem Wellenelement kann eine besonders effiziente elektrische Kontaktierung der ein oder mehreren Spulen des Rotors ermöglicht werden.The provision of one or more line openings in the shaft element enables particularly efficient electrical contacting of the one or more coils of the rotor.

Das Schleifringmodul kann ein oder mehrere Kontaktelemente umfassen, die elektrisch leitend mit den entsprechenden ein oder mehreren Modulleitungen verbunden sind. Ein Kontaktelement kann dabei durch Aufspreizen einer entsprechenden Modulleitung gebildet werden. Beispielsweise kann eine Modulleitung entlang der Leitungsrichtung in zwei Teile aufgetrennt werden, um zwei elektrisch leitende Schenkel eines gabelförmigen Kontaktelements zu bilden.The slip ring module can include one or more contact elements that are electrically conductively connected to the corresponding one or more module lines. A contact element can be formed by spreading a corresponding module line. For example, a module line can be separated into two parts along the line direction in order to form two electrically conductive legs of a fork-shaped contact element.

Die ein oder mehreren Kontaktelemente können ausgebildet sein, elektrisch leitend mit den ein oder mehreren Anschlussleitungen verbunden zu werden, die durch die entsprechenden ein oder mehreren Leitungs-Öffnungen des Wellenelements geführt wurden. So kann eine besonders effiziente elektrische Kontaktierung der ein oder mehreren Spulen des Rotors ermöglicht werden.The one or more contact elements can be designed to be electrically conductively connected to the one or more connecting lines that have been routed through the corresponding one or more line openings of the shaft element. In this way, particularly efficient electrical contacting of the one or more coils of the rotor can be made possible.

Die ein oder mehreren Kontaktelemente können fluchtend mit den entsprechenden ein oder mehreren Leitungs-Öffnungen in dem Hohlraum des Wellenelements angeordnet sein. So kann die Kontaktierung zwischen den Modulleitungen und den entsprechenden Anschlussleitungen weiter vereinfacht werden.The one or more contact elements can be aligned with the corresponding one or more line openings in the cavity of the shaft element. In this way, the contacting between the module lines and the corresponding connecting lines can be further simplified.

Das Schleifringmodul kann eine erste Stirnfläche aufweisen, die außerhalb des Hohlraums des Wellenelements angeordnet ist. Das Schleifringmodul kann derart ausgebildet sein, dass die ein oder mehreren Anschlussleitungen durch Einwirken von der ersten Stirnfläche des Schleifringmoduls her an den entsprechenden ein oder mehreren Kontaktelementen des Schleifringmoduls befestigt werden können. So kann eine besonders komfortable und zuverlässige elektrische Kontaktierung zwischen den ein oder mehreren Modulleitungen und den ein oder mehreren entsprechenden Anschlussleitungen ermöglicht werden.The slip ring module may have a first face disposed outside of the cavity of the shaft member. The slip ring module can be designed in such a way that the one or more connection lines can be attached to the corresponding one or more contact elements of the slip ring module by acting from the first end face of the slip ring module. In this way, a particularly convenient and reliable electrical contact can be made possible between the one or more module lines and the one or more corresponding connection lines.

In einem bevorzugten Beispiel weist das Schleifringmodul ein Basisteil mit dem äußeren Bereich und dem inneren Bereich auf, an dem die ein oder mehreren Schleifringe und die ein oder mehreren Modulleitungen angeordnet sind. Das Basisteil kann eine erste Stirnfläche, die außerhalb des Hohlraums des Wellenelements angeordnet ist, und eine gegenüberliegende zweite Stirnfläche, die innerhalb des Hohlraums des Wellenelements angeordnet ist, aufweisen.In a preferred example, the slip ring module has a base part with the outer area and the inner area on which the one or more slip rings and the one or more module lines are arranged. The base may have a first face disposed outside of the cavity of the shaft member and an opposing second face disposed within the cavity of the shaft member.

Das Schleifringmodul kann ferner ein Befestigungsteil aufweisen, das an der zweiten Stirnfläche des Basisteils angeordnet ist, und das ausgebildet ist, die ein oder mehreren elektrisch leitenden Kontaktelemente der entsprechenden ein oder mehreren Modulleitungen zum Anschließen der ein oder mehreren entsprechenden Anschlussleitungen zu öffnen oder zu schließen.The slip ring module can also have a fastening part which is arranged on the second end face of the base part and which is designed to open or close the one or more electrically conductive contact elements of the corresponding one or more module lines for connecting the one or more corresponding connection lines.

Das Schleifringmodul kann insbesondere eine Schraube umfassen, die von der ersten Stirnfläche des Basisteils durch eine entlang der Rotationsachse verlaufende (zentrale) Öffnung bis zu dem Befestigungsteil, insbesondere bis zu einer Gewindebuchse des Befestigungsteils, verläuft. Die Schraube kann ausgebildet sein, das Befestigungsteil gegen die zweite Stirnfläche des Basisteils zu ziehen, um die ein oder mehreren Kontaktelemente zu schließen, und/oder von der zweiten Stirnfläche des Basisteils zu lösen, um die ein oder mehreren Kontaktelemente zu öffnen.The slip ring module can in particular comprise a screw which runs from the first end face of the base part through a (central) opening running along the axis of rotation to the fastening part, in particular to a threaded bushing of the fastening part. The Screw may be configured to pull the fastening part against the second face of the base part to close the one or more contact elements and/or to disengage it from the second face of the base part to open the one or more contact elements.

Durch die Bereitstellung eines mehrteiligen Schleifringmoduls können die ein oder mehrere Anschlussleitungen in besonders effizienter und zuverlässiger Weise mit den entsprechenden ein oder mehreren Modulleitungen verbunden werden.By providing a multi-part slip ring module, the one or more connection lines can be connected to the corresponding one or more module lines in a particularly efficient and reliable manner.

Wie bereits weiter oben dargelegt, kann ein Kontaktelement eine gabelförmige Struktur aufweisen, die zwischen zwei Schenkeln einen Bereich zur Aufnahme einer Anschlussleitung bildet. Das Befestigungsteil kann ausgebildet sein, den durch die Schenkel des Kontaktelements gebildeten Bereich zu verkleinern, um eine Anschlussleitung zwischen den Schenkeln einzuklemmen. So kann eine besonders effiziente und zuverlässige elektrische Kontaktierung ermöglicht werden.As already explained above, a contact element can have a fork-shaped structure that forms a region for receiving a connecting line between two legs. The fastening part can be designed to reduce the area formed by the legs of the contact element in order to clamp a connecting line between the legs. A particularly efficient and reliable electrical contact can thus be made possible.

Das Schleifringmodul kann über zumindest eine Nut-Feder Verbindung winkellagig und/oder axial in dem Hohlraum des Wellenelement positioniert sein. Insbesondere kann die den Hohlraum umschließende Innenwand des Wellenelements zumindest eine Nut aufweisen, die sich von der ersten Stirnfläche des Wellenelements entlang der Rotationsachse in den Hohlraum erstreckt. Ferner kann die Außenwand des inneren Bereichs des Schleifringmoduls eine entsprechende Feder aufweisen. So kann in effizienter Weise beim Einführen des Schleifringmoduls in den Hohlraum des Wellenelements eine präzise Positionierung des Schleifringmoduls bewirkt werden. Die Außenwand des inneren Bereichs des Schleifringmoduls kann ausgebildet sein, das Schleifringmodul durch Reibung mit der Innenwand des Wellenelements in dem Hohlraum des Wellenelement zu fixieren.The slip ring module can be positioned angularly and/or axially in the cavity of the shaft element via at least one tongue and groove connection. In particular, the inner wall of the shaft element enclosing the cavity can have at least one groove which extends from the first end face of the shaft element along the axis of rotation into the cavity. Furthermore, the outer wall of the inner area of the slip ring module can have a corresponding spring. Precise positioning of the slip ring module can thus be effected in an efficient manner when inserting the slip ring module into the cavity of the shaft element. The outer wall of the inner region of the slip ring module can be designed to fix the slip ring module in the hollow space of the shaft element by friction with the inner wall of the shaft element.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Rotor für eine elektrische Maschine beschrieben, der die in diesem Dokument beschriebene Rotorwelle umfasst. Der Rotor kann ferner einen Rotorkörper mit einer Mehrzahl von Schenkelpolen umfassen. Dabei kann der Rotorkörper die Rotorwelle umschließen. Des Weiteren kann der Rotor eine Mehrzahl von elektrisch leitenden Windungen um die entsprechende Mehrzahl von Schenkelpolen umfassen. Die ein oder mehreren Modulleitungen des Schleifringmoduls der Rotorwelle können elektrisch leitend mit der Mehrzahl von Windungen verbunden sein.According to a further aspect, a rotor for an electric machine is described, which comprises the rotor shaft described in this document. The rotor may further include a rotor body having a plurality of salient poles. The rotor body can enclose the rotor shaft. Furthermore, the rotor may include a plurality of electrically conductive windings around the corresponding plurality of salient poles. The one or more module lines of the slip ring module of the rotor shaft can be electrically conductively connected to the plurality of windings.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine elektrische Maschine, insbesondere eine Synchronmaschine, beschrieben, die den in diesem Dokument beschriebenen Rotor umfasst.According to a further aspect, an electrical machine, in particular a synchronous machine, is described which includes the rotor described in this document.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein (Straßen-) Kraftfahrzeug (insbesondere ein Personenkraftwagen oder ein Lastkraftwagen oder ein Bus oder ein Motorrad) beschrieben, das die in diesem Dokument beschriebene elektrische Maschine zum Antrieb des Fahrzeugs umfasst.According to a further aspect, a (road) motor vehicle (in particular a passenger car or a truck or a bus or a motorcycle) is described which comprises the electric machine described in this document for driving the vehicle.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung einer Rotorwelle für einen Rotor einer elektrischen Maschine beschrieben. Das Verfahren umfasst das Einführen des Schleifringmoduls der Rotorwelle in den Hohlraum des Wellenelements der Rotorwelle. Des Weiteren umfasst das Verfahren das (anschließende) Einführen von ein oder mehreren Anschlussleitungen von außen durch ein oder mehrere Leitungs-Öffnungen des Wellenelements in den Hohlraum des Wellenelements. Das Verfahren umfasst ferner das (anschließende) Verbinden der ein oder mehreren Anschlussleitungen mit den entsprechenden ein oder mehreren Modulleitungen des Schleifringmoduls.According to a further aspect, a method for producing a rotor shaft for a rotor of an electrical machine is described. The method includes inserting the slip ring module of the rotor shaft into the cavity of the shaft member of the rotor shaft. Furthermore, the method includes the (subsequent) insertion of one or more connection lines from the outside through one or more line openings of the shaft element into the cavity of the shaft element. The method further includes (subsequently) connecting the one or more connecting lines to the corresponding one or more module lines of the slip ring module.

Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Vorrichtungen, Verfahren und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Vorrichtungen, Verfahren und Systemen verwendet werden können. Des Weiteren können j egliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Vorrichtungen, Verfahren und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Ferner sind in Klammern aufgeführte Merkmale als optionale Merkmale zu verstehen.It should be noted that the devices, methods and systems described in this document can be used both alone and in combination with other devices, methods and systems described in this document. Furthermore, any aspects of the devices, methods and systems described in this document can be combined with one another in a variety of ways. In particular, the features of the claims can be combined with one another in many different ways. Furthermore, features listed in brackets are to be understood as optional features.

Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen

1a eine beispielhafte elektrische Maschine mit einem Kühlmantel;
1b ein beispielhaftes Statorblech (in einer Ansicht, bei der die Rotationsachse der elektrischen Maschine bzw. die Längsachse des Stators horizontal auf der Bildebene steht);
1c einen aus Statorblechen zusammengesetzten Stator (in einer Ansicht, bei der die Rotationsachse der elektrischen Maschine bzw. die Längsachse des Stators horizontal innerhalb der Bildebene verläuft);
1d eine perspektivische Ansicht eines beispielhaften Rotorkörpers;
2a eine perspektivische Ansicht eines beispielhaften Wellenelements für eine Rotorwelle;
2b eine perspektivische Ansicht eines beispielhaften Schleifringmoduls für eine Rotorwelle;
2c einen Ausschnitt des Schleifringmoduls aus 2b;
2d eine Explosionsansicht eines Schleifringmoduls;
2e eine Ansicht von innenliegenden Komponenten eines Schleifringmoduls;
3a eine perspektivische Ansicht einer Rotorwelle mit einem Schleifringmodul;
3b eine Schnittansicht einer Rotorwelle;
3c einen Ausschnitt der Schnittansicht aus 3b;
3d eine Ansicht auf die Stirnfläche der Rotorwelle, an der das Schleifringmodul angeordnet ist; und
4 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur Herstellung einer Rotorwelle.

The invention is described in more detail below using exemplary embodiments. show it

1a an example electric machine with a cooling jacket;
1b an exemplary stator lamination (in a view in which the axis of rotation of the electrical machine or the longitudinal axis of the stator is horizontal on the image plane);
1c a stator composed of stator laminations (in a view in which the axis of rotation of the electrical machine or the longitudinal axis of the stator runs horizontally within the plane of the image);
1d a perspective view of an exemplary rotor body;
2a a perspective view of an exemplary shaft element for a rotor shaft;
2 B a perspective view of an exemplary slip ring module for a rotor shaft;
2c a section of the slip ring module 2 B ;
2d an exploded view of a slip ring module;
2e a view of internal components of a slip ring module;
3a a perspective view of a rotor shaft with a slip ring module;
3b a sectional view of a rotor shaft;
3c a section of the sectional view 3b ;
3d a view of the end face of the rotor shaft on which the slip ring module is arranged; and
4 a flowchart of an exemplary method for manufacturing a rotor shaft.

Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der Bereitstellung einer besonders stabilen Rotorwelle für einen stromerregten Rotor einer elektrischen Maschine, insbesondere einer Synchronmaschine. In diesem Zusammenhang zeigt 1a eine beispielhafte elektrische Maschine 100 in einer Ansicht senkrecht auf die Welle 101 der elektrischen Maschine 100 bzw. senkrecht auf die Längsachse des Stators 110 bzw. die Rotationsachse des Rotors 120 der elektrischen Maschine 100 (die entlang der z-Achse des dargestellten kartesischen Koordinatensystems verlaufen). Die elektrische Maschine 100 umfasst einen Stator 110 mit mehreren Statorwicklungen 111, die radial um die Rotationsachse des Rotors 120 angeordnet sind, und die eingerichtet sind, ein elektromagnetisches Drehfeld zu erzeugen. Der Stator 110 ist von einem Gehäuse 135 der elektrischen Maschine 100 umgeben.As explained at the outset, the present document deals with the provision of a particularly stable rotor shaft for a current-excited rotor of an electrical machine, in particular a synchronous machine. In this context shows 1a an exemplary electrical machine 100 in a view perpendicular to the shaft 101 of the electrical machine 100 or perpendicular to the longitudinal axis of the stator 110 or the axis of rotation of the rotor 120 of the electrical machine 100 (which run along the z-axis of the Cartesian coordinate system shown) . The electrical machine 100 includes a stator 110 with a plurality of stator windings 111 which are arranged radially around the axis of rotation of the rotor 120 and which are set up to generate an electromagnetic rotating field. The stator 110 is surrounded by a housing 135 of the electrical machine 100 .

Des Weiteren umfasst die elektrische Maschine 100 den Rotor 120, der durch das von dem Stator 110 bewirkte Drehfeld angetrieben wird. Der Rotor 120 ist fest mit der von der elektrischen Maschine 100 angetriebenen Welle 101 verbunden (die mit der Rotorwelle des Rotors 120 verbunden sein kann oder die der Rotorwelle des Rotors 120 entspricht). Der Rotor 120 umfasst einen Rotorkörper 122.Furthermore, the electrical machine 100 includes the rotor 120 which is driven by the rotating field caused by the stator 110 . The rotor 120 is rigidly connected to the shaft 101 driven by the electric machine 100 (which may be connected to the rotor shaft of the rotor 120 or which may correspond to the rotor shaft of the rotor 120). The rotor 120 includes a rotor body 122.

Der Rotor 120 einer elektrischen Maschine 100 kann als Rotorkörper 122 ein Eisenblechpaket (z.B. zusammengesetzt aus gegenseitig isolierten Blechen) aufweisen. In entsprechender Weise kann auch der Stator 110 aus einzelnen (gegenseitig isolierten) Statorblechen 150 (z.B. Eisenbleche) zusammengesetzt sein (wie beispielhafte in den 1b und 1c dargestellt). Ein Statorblech 150 kann dabei die Form eines Rings aufweisen (der auch als Statorjoch bezeichnet wird), der an der der Mitte des Rings zugewandten Innenseite Stege 151 für entsprechende Statorwicklungen 111 des Stators 110 aufweist. Für jede Statorwicklung 111 kann jeweils ein Steg 151 bereitgestellt werden. Zwischen zwei direkt benachbarten Stegen 151 bzw. Statorwicklungen 111 ergibt sich typischerweise eine Statornut 113 als Freiraum.The rotor 120 of an electrical machine 100 can have an iron laminated core (eg composed of mutually insulated laminations) as the rotor body 122 . Correspondingly, the stator 110 can also be composed of individual (mutually insulated) stator laminations 150 (e.g. iron laminations) (such as examples in FIGS 1b and 1c shown). A stator lamination 150 can have the shape of a ring (which is also referred to as a stator yoke), which has webs 151 for corresponding stator windings 111 of the stator 110 on the inner side facing the center of the ring. A web 151 can be provided for each stator winding 111 . A stator slot 113 typically results as free space between two directly adjacent webs 151 or stator windings 111 .

Wie in 1c dargestellt, kann eine Vielzahl von Statorblechen 150 (z.B. 50 oder mehr, oder 100 oder mehr Statorbleche 150) entlang der Längsachse des Stators 110 übereinandergelegt werden, um den Stator 110 zu bilden. Um die einzelnen Stege 151 (bzw. um die dadurch gebildeten Polkerne) können dann die Statorwicklungen 111 angeordnet werden. Durch die aufeinander gelegten Statorbleche 150 wird mittig ein Freiraum 160 für den Rotor 120 gebildet (der in diesem Dokument auch als Rotor-Raum bezeichnet wird).As in 1c As illustrated, a plurality of stator laminations 150 (eg, 50 or more, or 100 or more stator laminations 150) may be stacked along the longitudinal axis of the stator 110 to form the stator 110. FIG. The stator windings 111 can then be arranged around the individual webs 151 (or around the pole cores formed thereby). A free space 160 for the rotor 120 is formed in the middle by the stacked stator laminations 150 (which is also referred to as the rotor space in this document).

Die elektrische Maschine 100 kann zur Kühlung einen Kühlmantel 130 mit Kühlleitungen 131 umfassen, wobei der Kühlmantel 130 zumindest teilweise oder vollständig um den Stator 110 und/oder um das Gehäuse 135 der elektrischen Maschine 100 (bzw. um das Gehäuse 135 der elektrischen Maschine 100 und ein oder mehreren weiteren Komponenten des Antriebsstrangs eines Fahrzeugs) angeordnet werden kann. Durch den Kühlmantel 130, insbesondere über die einzelnen Kühlleitungen 131, kann ein Kühlmittel (z.B. Wasser) geleitet werden, um die thermische Energie, die beim Betrieb der elektrischen Maschine 100 entsteht, insbesondere thermische Energie von den Statorwicklungen 111, abzuführen.Electrical machine 100 may include a cooling jacket 130 with cooling lines 131 for cooling, cooling jacket 130 at least partially or completely surrounding stator 110 and/or housing 135 of electrical machine 100 (or housing 135 of electrical machine 100 and one or more other components of the drive train of a vehicle) can be arranged. A coolant (e.g. water) can be conducted through the cooling jacket 130, in particular via the individual cooling lines 131, in order to dissipate the thermal energy that is produced during the operation of the electrical machine 100, in particular thermal energy from the stator windings 111.

1d zeigt einen beispielhaften Rotorkörper 122 eines Rotors 120 in einer perspektivischen Ansicht. Der Rotorkörper 122 erstreckt sich entlang der Rotationsachse des Rotors 120 von einer ersten Stirnfläche bis zu einer gegenüberliegenden zweiten Stirnfläche. Dabei weist der Rotorkörper 122 in dem dargestellten Beispiel unterschiedliche magnetische Schenkelpole 124 auf, die um die Rotationsachse des Rotors 120 angeordnet sind. Die Schenkelpole 124 können gleichmäßig um die Rotationsachse herum verteilt angeordnet sein. Um die einzelnen Schenkelpole 124 kann jeweils eine Spule angeordnet sein, durch die ein Magnetfeld erzeugt wird. Die einzelnen Schenkelpole 124 können somit magnetische Pole des Rotors 120 bilden. 1d shows an exemplary rotor body 122 of a rotor 120 in a perspective view. The rotor body 122 extends along the axis of rotation of the rotor 120 from a first face to an opposite second face. In the example shown, the rotor body 122 has different magnetic salient poles 124 which are arranged around the axis of rotation of the rotor 120 . Salient poles 124 may be evenly distributed around the axis of rotation. A coil can be arranged around each of the individual salient poles 124, by means of which a magnetic field is generated. The individual salient poles 124 can thus form magnetic poles of the rotor 120 .

Der Rotorkörper 122 weist eine zentrale Öffnung 123, insbesondere eine Bohrung, auf, in die eine Rotorwelle des Rotors 120 eingeführt werden kann. Die Rotorwelle kann an den Stirnflächen des Rotorkörpers 122 über Lagerflächen drehbar gelagert werden, um eine Rotation des Rotors 120 zu ermöglichen. Die Stromleitungen zu den Spulen an den Schenkelpolen 124 des Rotorkörpers 122 können über zumindest eines der Lager der Rotorwelle geführt werden. Zu diesem Zweck kann die Rotorwelle mehrteilig mit getrennten Lagersitzen ausgebildet sein. Alternativ oder ergänzend kann durch zumindest eine Lagerstelle eine Nut für die Stromleitungen geführt werden. Diese Maßnahmen führen typischerweise zu einer reduzierten Stabilität und/oder Belastbarkeit des Rotors 120 und insbesondere der Rotorwelle. In diesem Dokument wird eine besonders stabile und belastbare Rotorwelle für einen stromerregten Rotor 120 beschrieben.The rotor body 122 has a central opening 123, in particular a bore, into which a rotor shaft of the rotor 120 can be inserted. The rotor shaft can be rotatably mounted on the end faces of the rotor body 122 via bearing surfaces in order to enable the rotor 120 to rotate. The power lines to the coils on the salient poles 124 of the rotor body 122 can NEN are guided over at least one of the bearings of the rotor shaft. For this purpose, the rotor shaft can be designed in several parts with separate bearing seats. Alternatively or additionally, a groove for the power lines can be routed through at least one bearing point. These measures typically lead to reduced stability and/or load capacity of the rotor 120 and in particular of the rotor shaft. A particularly stable and resilient rotor shaft for a current-excited rotor 120 is described in this document.

Die in diesem Dokument beschriebene Rotorwelle umfasst ein Wellenelement 200, das in die zentrale Öffnung 123 des Rotorkörpers 122 eingebracht werden kann. Die zentrale Öffnung 123 kann kreiszylinderförmig sein. In entsprechender Weise kann der Rotorkörper-Bereich 205 des Wellenelements 200, der innerhalb der zentralen Öffnung 123 des Rotorkörpers 122 angeordnet ist, kreiszylinderförmig sein. Der Rotorkörper 122 und das Wellenelement 200 können über eine Presspassung miteinander verbunden werden.The rotor shaft described in this document comprises a shaft element 200 which can be introduced into the central opening 123 of the rotor body 122 . The central opening 123 can be in the form of a circular cylinder. Correspondingly, the rotor body area 205 of the shaft element 200, which is arranged within the central opening 123 of the rotor body 122, can be circular-cylindrical. The rotor body 122 and the shaft member 200 may be connected to each other via an interference fit.

Das Wellenelement 200 weist an einer ersten Seite, die über die erste Stirnfläche des Rotorkörpers 122 hinausgeht, eine erste Lagerfläche 201 zur Lagerung des Rotors 120 auf. In entsprechender Weise weist das Wellenelement 200 an der gegenüberliegenden zweiten Seite, die über die zweite Stirnfläche des Rotorkörpers 122 hinausgeht, eine zweite Lagerfläche 201 zur Lagerung des Rotors 120 auf.The shaft element 200 has a first bearing surface 201 for supporting the rotor 120 on a first side, which goes beyond the first end face of the rotor body 122 . Correspondingly, the shaft element 200 has a second bearing surface 201 for supporting the rotor 120 on the opposite, second side, which extends beyond the second end face of the rotor body 122 .

Des Weiteren weist das Wellenelement 200, z.B. an der ersten Seite, einen Hohlraum 203 auf, in den ein Schleifringmodul mit ein oder mehreren Schleifringen eingebracht werden kann. Der Hohlraum 203 kann kreiszylinderförmig sein. Der Hohlraum 203 kann sich über 20% oder mehr der Länge des Wellenelements 200 (entlang der Rotationsachse des Rotors 120) erstrecken. Insbesondere kann sich der Hohlraum 203 über die gesamte Länge des Wellenelements 200 erstrecken. Das Wellenelement 200 kann somit hohl ausgebildet sein, wodurch das Gewicht der Rotorwelle reduziert werden kann.Furthermore, the shaft element 200 has, e.g. on the first side, a cavity 203 into which a slip ring module with one or more slip rings can be introduced. The cavity 203 can be in the form of a circular cylinder. The cavity 203 may extend 20% or more of the length of the shaft member 200 (along the axis of rotation of the rotor 120). In particular, the cavity 203 can extend over the entire length of the shaft element 200 . The shaft element 200 can thus be of hollow design, as a result of which the weight of the rotor shaft can be reduced.

Das Wellenelement 200 kann an der den Hohlraum 203 umschließenden Innenwand ein oder mehrere Positionierungs-Nuten 204 aufweisen, die sich ausgehend von der (ersten) Stirnfläche des Wellenelements 200 entlang der Rotationsachse in den Hohlraum 203 hinein erstrecken. Die ein oder mehreren Positionierungs-Nuten 204 können dazu verwendet werden, das Schleifringmodul in definierter Weise innerhalb des Hohlraums 203 zu positionieren (in Bezug auf die Winkellage und/oder in Bezug auf eine axiale Lage entlang der Rotationsachse).The shaft element 200 can have one or more positioning grooves 204 on the inner wall enclosing the cavity 203, which, starting from the (first) end face of the shaft element 200, extend along the axis of rotation into the cavity 203. The one or more positioning grooves 204 can be used to position the slip ring module in a defined manner within the cavity 203 (in relation to the angular position and/or in relation to an axial position along the axis of rotation).

Das Wellenelement 200 weist in dem Rotorkörper-Bereich 205 ein oder mehrere Leitungs-Öffnungen 202 für ein oder mehrere elektrische Anschlussleitungen zu den ein oder mehreren Spulen des Rotors 120 auf. Die ein oder mehreren Leitungs-Öffnungen 202 können jeweils in radialer Richtung (bzgl. der Rotationsachse) durch die Wand des Wellenelements 200 verlaufen. Eine Leitungs-Öffnung 202 verbindet somit den Hohlraum 203 mit der äußeren Umgebung des Wellenelement 200 und insbesondere mit dem Rotorkörper 122, der das Wellenelement 200 umschließt. Eine Leitungs-Öffnung 202 kann als radiale Bohrung durch die Wand des Wellenelements 200 implementiert sein. In einem Beispiel weist das Wellenelement 200 zwei sich gegenüberliegende Leitungs-Öffnungen 202 auf (z.B. die in 2a dargestellte Leitungs-Öffnung 202 und eine gegenüberliegende (nicht dargestellte) Leitungs-Öffnung 202 an der Unterseite des Wellenelements 200).The shaft element 200 has one or more line openings 202 in the rotor body area 205 for one or more electrical connection lines to the one or more coils of the rotor 120 . The one or more line openings 202 can each run through the wall of the shaft element 200 in a radial direction (with respect to the axis of rotation). A line opening 202 thus connects the cavity 203 to the outer environment of the shaft element 200 and in particular to the rotor body 122 which encloses the shaft element 200 . A conduit opening 202 can be implemented as a radial bore through the wall of the shaft member 200 . In one example, the shaft element 200 has two opposing line openings 202 (e.g. those in 2a shown line opening 202 and an opposite (not shown) line opening 202 on the underside of the shaft element 200).

2b zeigt eine perspektivische Ansicht eines beispielhaften Schleifringmoduls 250, das ausgebildet ist, in den Hohlraum 203 des Wellenelements 200 eingebracht zu werden, um eine Rotorwelle für einen stromerregten Rotor 120 bereitzustellen. 2c zeigt den durch das Rechteck in 2b umschlossenen Ausschnitt aus 2b. 2d zeigt eine Explosionsansicht des Schleifringmoduls 250, und 2e zeigt Details aus dem Inneren des Schleifringmoduls 250. 2 B 12 is a perspective view of an exemplary slip ring module 250 configured to be inserted into cavity 203 of shaft member 200 to provide a rotor shaft for a current-excited rotor 120. FIG. 2c shows the one defined by the rectangle in 2 B enclosed section 2 B . 2d 12 shows an exploded view of the slip ring module 250, and 2e shows details from the inside of slip ring module 250.

Das Schleifringmodul 250 umfasst ein Basisteil 210, das ausgebildet ist, zumindest bereichsweise in den Hohlraum 203 des Wellenelements 200 eingebracht zu werden. Zu diesem Zweck kann das Basisteil 210 im Wesentlichen kreiszylinderförmig und/oder rotationssymmetrisch sein.The slip ring module 250 includes a base part 210 which is designed to be introduced at least in regions into the cavity 203 of the shaft element 200 . For this purpose, the base part 210 can be essentially circular-cylindrical and/or rotationally symmetrical.

Des Weiteren kann das Schleifringmodul 250 ein Befestigungsteil 220 umfassen, das ausgebildet ist, ein oder mehrere Anschlussleitungen 207 (zum Anschluss von ein oder mehreren Spulen des Rotors 120) an ein oder mehreren Kontaktelementen 214 des Basisteils 210 zu befestigen, insbesondere einzuklemmen. Das Befestigungsteil 220 kann z.B. über eine Schraube 230 an dem Basisteil 210 fixiert werden.Furthermore, the slip ring module 250 can include a fastening part 220 which is designed to fasten, in particular clamp, one or more connection lines 207 (for connecting one or more coils of the rotor 120) to one or more contact elements 214 of the base part 210. The fastening part 220 can be fixed to the base part 210 via a screw 230, for example.

Das Basisteil 211 weist einen äußeren Bereich 212 und einen inneren Bereich 211 auf, die entlang der Rotationsachse des Rotors 120 nebeneinander angeordnet sind. Der innere Bereich 211 ist ausgebildet, innerhalb des Hohlraums 203 des Wellenelements 200 platziert zu werden. Dabei kann durch Reibung zwischen der Außenwand des inneren Bereichs 211 des Basisteils 210 und der Innenwand des Hohlraums 203 eine Fixierung zwischen dem Schleifringmodul 250 und dem Wellenelement 200 bewirkt werden. Alternativ oder ergänzend kann der innere Bereich 211 des Basisteils 210 ein oder mehrere Vorsprünge bzw. Federn 216 aufweisen, die in die entsprechenden ein oder mehreren Nuten 204 an der umlaufenden Innenwand des Hohlraums 203 des Wellenelements 200 eingebracht werden können, um das Schleifringmodul 250 relativ zu dem Wellenelement 200 zu positionieren.The base part 211 has an outer area 212 and an inner area 211 which are arranged alongside one another along the axis of rotation of the rotor 120 . The inner portion 211 is configured to be placed within the cavity 203 of the shaft member 200 . In this way, friction between the outer wall of the inner region 211 of the base part 210 and the inner wall of the cavity 203 can cause a fixation between the slip ring module 250 and the shaft element 200 . Alternatively or in addition For example, the inner region 211 of the base part 210 can have one or more projections or springs 216, which can be introduced into the corresponding one or more grooves 204 on the circumferential inner wall of the cavity 203 of the shaft element 200 in order to position the slip ring module 250 relative to the shaft element 200 to position.

Der äußere Bereich 212 des Basisteils 210 ist ausgebildet, außerhalb des Hohlraums 203 des Wellenelements 200 (und somit in Verlängerung zu dem Wellenelement 200 entlang der Rotationsachse) angeordnet zu werden. In dem äußeren Bereich 212 des Basisteils 210 können ein oder mehrere (elektrisch leitende) Schleifringe 213 angeordnet sein. Das Basisteil 210 besteht (abgesehen von elektrisch leitenden Komponenten 213, 214, 217 zur Anbindung der ein oder mehreren Anschlussleitungen 207) bevorzugt aus einem elektrisch nicht-leitendem Material, insbesondere Kunststoff.The outer region 212 of the base part 210 is designed to be arranged outside of the cavity 203 of the shaft element 200 (and thus in extension to the shaft element 200 along the axis of rotation). One or more (electrically conductive) slip rings 213 can be arranged in the outer region 212 of the base part 210 . The base part 210 (apart from electrically conductive components 213, 214, 217 for connecting the one or more connection lines 207) preferably consists of an electrically non-conductive material, in particular plastic.

Wie weiter oben dargelegt, weist das Wellenelement 200 an der ersten Seite eine erste Lagerfläche 201 zur Lagerung des Rotors 120 auf. Die ein oder mehreren (elektrisch leitenden) Schleifringe 213 (des Schleifringmoduls 250) und die entsprechenden ein oder mehreren Leitungs-Öffnungen 202 (des Wellenelements 200) sind dabei auf unterschiedlichen Seiten der ersten Lagerfläche 201 angeordnet. Das Basisteil 210 des Schleifringmoduls 250 weist ein oder mehrere (elektrisch leitende) Modulleitungen bzw. Drähte 217 auf, die sich entlang der Rotationsachse von den entsprechenden ein oder mehreren Schleifringen 213 zu entsprechenden ein oder mehreren (elektrisch leitenden) Kontaktelementen 214 des Basisteils 210 erstrecken. Die ein oder mehreren Kontaktelemente 214 sind ausgebildet, einen elektrisch leitenden Kontakt zwischen den ein oder mehreren Modulleitungen 217 des Basisteils 210 und den entsprechenden ein oder mehreren Anschlussleitungen 207 zu bilden. Zu diesem Zweck sind die ein oder mehreren Kontaktelemente 214 auf der gleichen Seite bzgl. der ersten Lagerfläche 201 angeordnet, wie die ein oder mehreren Leitungs-Öffnungen 202 (des Wellenelements 200). Insbesondere können die ein oder mehreren Kontaktelemente 214 (des Basisteils 210) fluchtend mit den entsprechenden ein oder mehreren Leitungs-Öffnungen 202 (des Wellenelements 200) angeordnet sein.As explained above, the shaft element 200 has a first bearing surface 201 for supporting the rotor 120 on the first side. The one or more (electrically conductive) slip rings 213 (of the slip ring module 250) and the corresponding one or more line openings 202 (of the shaft element 200) are arranged on different sides of the first bearing surface 201. The base part 210 of the slip ring module 250 has one or more (electrically conductive) module lines or wires 217, which extend along the axis of rotation from the corresponding one or more slip rings 213 to corresponding one or more (electrically conductive) contact elements 214 of the base part 210. The one or more contact elements 214 are designed to form an electrically conductive contact between the one or more module lines 217 of the base part 210 and the corresponding one or more connection lines 207 . For this purpose, the one or more contact elements 214 are arranged on the same side with respect to the first bearing surface 201 as the one or more line openings 202 (of the shaft element 200). In particular, the one or more contact elements 214 (of the base part 210) can be arranged in alignment with the corresponding one or more line openings 202 (of the shaft element 200).

Das Schleifringmodul 250 ermöglicht es somit, die ein oder mehreren Schleifringe 213 elektrisch leitend mit den Spulen des Rotors 120 zu verbinden, ohne dass dadurch die mechanische Stabilität eines Lagers des Rotors 120 beeinträchtigt wird.The slip ring module 250 thus makes it possible to electrically conductively connect the one or more slip rings 213 to the coils of the rotor 120 without the mechanical stability of a bearing of the rotor 120 being impaired as a result.

Wie insbesondere in 2c dargestellt, kann ein Kontaktelement 214 als Gabel mit einer Gabelöffnung ausgebildet sein, in die eine Anschlussleitung 207 eingebracht werden kann.As in particular in 2c shown, a contact element 214 can be designed as a fork with a fork opening into which a connecting line 207 can be introduced.

Das Befestigungsteil 220 kann ein oder mehrere Klemmelemente 224 für die entsprechenden ein oder mehreren Kontaktelemente 214 aufweisen, die jeweils ausgebildet sind, die ein oder mehreren Anschlussleitungen 207 in den entsprechenden ein oder mehreren Kontaktelementen 214 einzuklemmen. Zu diesem Zweck kann ein Klemmelement 224 z.B. ausgebildet sein, die Schenkel der Gabel des entsprechenden Kontaktelements 214 zusammenzudrücken, um die entsprechende Anschlussleitung 207 zwischen den Schenkeln der Gabel einzuklemmen.The fastening part 220 can have one or more clamping elements 224 for the corresponding one or more contact elements 214 which are each configured to clamp the one or more connecting lines 207 in the corresponding one or more contact elements 214 . For this purpose, a clamping element 224 can be designed, for example, to press the legs of the fork of the corresponding contact element 214 together in order to clamp the corresponding connection line 207 between the legs of the fork.

Wie in den 2c und 2d dargestellt, kann das Befestigungsteil 220 ein Platte 221 aufweisen, die auf eine zweite Stirnfläche des Basisteils 210, an der die ein oder mehreren Kontaktelemente 214 angeordnet sind, aufgebracht werden kann. Die Platte 221 kann eine Gewindebuchse 223 aufweisen, in die eine Schraube 230 geschraubt werden kann, die von der gegenüberliegenden ersten Stirnfläche des Basisteils 210 in eine, entlang der Rotationsachse verlaufende, Bohrung 215 des Basisteils 210 eingebracht werden kann, um das Befestigungsteil 220 an der zweiten Stirnfläche des Basisteils 210 zu befestigen, und um dadurch die ein oder mehreren Anschlussleitungen 207 an den entsprechenden ein oder mehreren Kontaktelementen 214 zu befestigen. Die Schraube 230 kann einen Schraubenkopf 232 und einen Schraubenhals 231 (mit einem Gewinde) aufweisen.As in the 2c and 2d shown, the fastening part 220 can have a plate 221 which can be applied to a second end face of the base part 210 on which the one or more contact elements 214 are arranged. The plate 221 can have a threaded bushing 223 into which a screw 230 can be screwed, which can be inserted from the opposite first end face of the base part 210 into a bore 215 of the base part 210 running along the axis of rotation in order to fasten the fastening part 220 to the second face of the base part 210, and thereby to secure the one or more leads 207 to the corresponding one or more contact elements 214. The screw 230 may have a screw head 232 and a screw neck 231 (threaded).

Das Befestigungsteil 220 kann ein oder mehrere Stifte 225 aufweisen, die sich entlang der Rotationsachse von der Platte 221 weg zu der zweiten Stirnfläche des Basisteils 210 hin erstrecken. An der zweiten Stirnfläche des Basisteils 210 können ein oder mehrere entsprechende Vertiefungen (nicht dargestellt) angeordnet sein, in die die ein oder mehreren Stifte 225 eingebracht werden können, um das Befestigungsteil 220 definiert an der zweiten Stirnfläche des Basisteils 210 zu fixieren.The mounting portion 220 may include one or more pins 225 extending away from the plate 221 toward the second face of the base portion 210 along the axis of rotation. One or more corresponding depressions (not shown) can be arranged on the second end face of base part 210, into which one or more pins 225 can be inserted in order to fix fastening part 220 in a defined manner on the second end face of base part 210.

3a zeigt eine beispielhafte Rotorwelle 300 mit einem Wellenelement 200 und einem an der ersten Seite des Wellenelements 200 angeordneten Schleifringmodul 250. Ferner zeigt 3a eine Anschlussleitung 207, die durch eine Leitungs-Öffnung 202 des Wellenelements 200 geführt ist, um zumindest eine Spule des Rotors 120 mit Strom zu versorgen. Die Anschlussleitung 207 ist über das Schleifringmodul 250, insbesondere über ein Kontaktelement 214 und über eine Modulleitung 217, mit einem Schleifring 213 elektrisch leitend verbunden. Dies ist insbesondere in den Schnittzeichnungen in 3b und 3c ersichtlich. 3b zeigt die Rotorwelle 300 in einer Ansicht bei der die Rotationsachse senkrecht auf der Bildfläche steht und bei der das Schleifringmodul 250 dem Betrachter zugewandt ist. 3a 12 shows an exemplary rotor shaft 300 with a shaft element 200 and a slip ring module 250 arranged on the first side of the shaft element 200. FIG 3a a connection line 207, which is led through a line opening 202 of the shaft element 200 in order to supply at least one coil of the rotor 120 with current. The connection line 207 is electrically conductively connected to a slip ring 213 via the slip ring module 250 , in particular via a contact element 214 and via a module line 217 . This is particularly evident in the sectional drawings in 3b and 3c evident. 3b shows the rotor shaft 300 in a view in which the axis of rotation is perpendicular to the image area and in which the slip ring module 250 faces the viewer.

Zur Herstellung der Rotorwelle 300 kann das Schleifringmodul 250, insbesondere der innere Bereich 211 des Schleifringmoduls 250, in den Hohlraum 203 des Wellenelements 200 eingebracht werden. Anschließend können die ein oder mehreren Stromleitungen 207 in die entsprechenden ein oder mehreren Leitungs-Öffnungen 202 eingeführt werden, um sie mit den entsprechenden ein oder mehreren Kontaktelementen 214 des Schleifringmoduls 250 zu verbinden. Daraufhin können die ein oder mehreren Anschlussleitungen 207 an den entsprechenden ein oder mehreren Kontaktelementen 214 befestigt werden (z.B. indem das Befestigungsteil 220 durch die Schraube 230 zu der zweiten Stirnfläche des Basisteils 210 des Schleifringmoduls 250 hingezogen wird).To produce the rotor shaft 300, the slip ring module 250, in particular the inner region 211 of the slip ring module 250, can be introduced into the cavity 203 of the shaft element 200. Subsequently, the one or more power lines 207 can be inserted into the corresponding one or more line openings 202 in order to connect them to the corresponding one or more contact elements 214 of the slip ring module 250 . The one or more connection lines 207 can then be attached to the corresponding one or more contact elements 214 (eg by pulling the attachment part 220 towards the second face of the base part 210 of the slip ring module 250 by the screw 230).

Es wird somit ein mehrteiliges Schleifringmodul 250 beschrieben, das es ermöglicht, das Wellenelement 200 der Rotorwelle 300 einteilig auszuführen. A multi-part slip ring module 250 is thus described, which makes it possible to design the shaft element 200 of the rotor shaft 300 in one part.

Ferner können so Nuten und/oder Bearbeitungen an den ein oder mehreren Lagerstellen 201 des Wellenelements 200 (und damit verbundene Steifigkeitssprünge an den ein oder mehreren Lagerstellen 201) vermieden werden.Furthermore, in this way grooves and/or machining on the one or more bearing points 201 of the shaft element 200 (and associated jumps in stiffness on the one or more bearing points 201) can be avoided.

Das Schleifringmodul 250 kann einen Kunststoffträger (d.h. das Basisteil 210) aufweisen, in dem die ein oder mehreren Schleifringe 213 und ein oder mehrere Verbindungsdrähte (d.h. Modulleitungen) 217 zu den ein oder mehreren Schleifringen 213 eingebettet sind. Die ein oder mehreren Verbindungsdrähte 217 können an der schleifringfernen (zweiten) Seite jeweils eine Gabelstruktur 214 aufweisen, die z.B. durch einen Umformprozess hergestellt werden kann. Das Schleifringmodul 250 umfasst ferner ein zweites Bauteil 220 mit einem Kunststoffträger, in den eine Gewindebuchse 223 und ein oder mehrere gabelförmige Strukturen 224 eingeformt sein können. Ferner können ein oder mehrere Passstifte 225 an dem zweiten Bauteil 220 angeordnet sein, durch die die Winkellage und/oder die axiale Position zu dem Basisteil 210 des Schleifringmoduls 250 (über entsprechende Bohrungen in dem Basisteil 210) bestimmen werden können.The slip ring module 250 may include a plastic carrier (i.e., the base portion 210) in which the one or more slip rings 213 and one or more connecting wires (i.e., module leads) 217 to the one or more slip rings 213 are embedded. The one or more connecting wires 217 can each have a fork structure 214 on the (second) side remote from the slip ring, which can be produced, for example, by a forming process. The slip ring module 250 also includes a second component 220 with a plastic carrier, into which a threaded bushing 223 and one or more fork-shaped structures 224 can be formed. Furthermore, one or more dowel pins 225 can be arranged on the second component 220, through which the angular position and/or the axial position relative to the base part 210 of the slip ring module 250 can be determined (via corresponding bores in the base part 210).

In einem ersten Montageschritt können die beiden Bauteile 210, 220 über eine Schraube 230 leicht miteinander verbunden werden, damit die ein oder mehreren gabelförmigen Strukturen 224 des zweiten Bauteils 220 die entsprechenden ein oder mehreren gabelförmigen Strukturen 214 des ersten Bauteils 210 umschließen ohne sie jedoch zu verformen.In a first assembly step, the two components 210, 220 can be easily connected to one another using a screw 230, so that the one or more fork-shaped structures 224 of the second component 220 enclose the corresponding one or more fork-shaped structures 214 of the first component 210, but without deforming them .

Im einem folgenden Montageschritt kann das montierte Schleifringmodul 250 in das Wellenelement 200 der Rotorwelle 300 gefügt werden. Das Schleifringmodul 250 kann zumindest eine Feder 216 und/oder einen Bund aufweisen, durch die die Winkellage und/oder die axiale Position des Schleifringmoduls 250 in dem Wellenelement 200 der Rotorwelle 300 bestimmt wird.In a subsequent assembly step, the assembled slip ring module 250 can be added to the shaft element 200 of the rotor shaft 300 . Slip ring module 250 can have at least one spring 216 and/or a collar, by which the angular position and/or the axial position of slip ring module 250 in shaft element 200 of rotor shaft 300 is determined.

In einem anschließenden Schritt können die ein oder mehreren Anschlussdrähte 207 von den Wicklungen des Rotors 120 über ein oder mehrere (trichterförmige) Öffnungen 220 in der Rotorwelle 300 und in die Öffnungen der entsprechenden ein oder mehreren gabelförmigen Strukturen 214 der Verbindungsdrähte 217 des Schleifringmoduls 250 gesteckt werden. Durch Aufbringen eines Drehmoments in die Schraube 230 kann das zweite Bauteil 220 des Schleifringmoduls 250 in Position zum ersten Bauteil 210 des Schleifringmoduls 250 gebracht werden. Durch die axiale Bewegung schließen sich die gabelförmigen Strukturen 214 um die entsprechenden ein oder mehreren Anschlussdrähte 207. Dadurch sind die ein oder mehreren Anschlussdrähte 207 fixiert und positioniert. Es kann dann Strom von einem Pol einer Stromquelle durch die ein oder mehreren Spulen der Rotorwicklung und zurück zum dem anderen Pol der Stromquelle geleitet werden.In a subsequent step, the one or more connecting wires 207 from the windings of the rotor 120 can be inserted through one or more (funnel-shaped) openings 220 in the rotor shaft 300 and into the openings of the corresponding one or more fork-shaped structures 214 of the connecting wires 217 of the slip ring module 250 . The second component 220 of the slip ring module 250 can be brought into position with respect to the first component 210 of the slip ring module 250 by applying a torque to the screw 230 . Due to the axial movement, the fork-shaped structures 214 close around the corresponding one or more connection wires 207. As a result, the one or more connection wires 207 are fixed and positioned. Current can then be passed from one pole of a power source through the one or more coils of the rotor winding and back to the other pole of the power source.

4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 400 zur Herstellung einer Rotorwelle 300 für einen Rotor 120 einer elektrischen Maschine 100, die wie in diesem Dokument beschrieben ausgebildet ist. 4 shows a flowchart of an exemplary method 400 for producing a rotor shaft 300 for a rotor 120 of an electrical machine 100, which is designed as described in this document.

Das Verfahren 400 umfasst das Einführen 401 des Schleifringmoduls 250 in den Hohlraum 203 des Wellenelements 200. Das Schleifringmodul 250 kann dabei von der ersten Stirnfläche des Wellenelements 200 in den Hohlraum 203 eingeführt werden, sodass der innere Bereich 211 des Schleifringmoduls 250 innerhalb des Hohlraums 203 angeordnet ist und sodass der äußere Bereich 212 des Schleifringmoduls 205 entlang der Rotationsachse neben der ersten Stirnfläche des Wellenelements 200 angeordnet ist.The method 400 includes the introduction 401 of the slip ring module 250 into the cavity 203 of the shaft element 200. The slip ring module 250 can be introduced from the first end face of the shaft element 200 into the cavity 203, so that the inner region 211 of the slip ring module 250 is arranged within the cavity 203 and so that the outer area 212 of the slip ring module 205 is arranged along the axis of rotation next to the first end face of the shaft element 200 .

Des Weiteren umfasst das Verfahren 400 das Einführen 402 von ein oder mehreren Anschlussleitungen 207 von außen durch die ein oder mehreren Leitungs-Öffnungen 202 (an der Mantelfläche) des Wellenelements 200 in den Hohlraum 203 des Wellenelements 200. Die ein oder mehreren Anschlussleitungen 207 können dabei in die ein oder mehreren entsprechenden Kontaktelemente 214 des Schleifringmoduls 250 gesteckt werden.Furthermore, the method 400 includes the insertion 402 of one or more connecting lines 207 from the outside through the one or more line openings 202 (on the lateral surface) of the shaft element 200 into the cavity 203 of the shaft element 200. The one or more connecting lines 207 can are plugged into the one or more corresponding contact elements 214 of the slip ring module 250 .

Das Verfahren 400 umfasst ferner das Verbinden 403 der ein oder mehreren Anschlussleitungen 207 mit den entsprechenden ein oder mehreren Modulleitungen 217 des Schleifringmoduls 250. Zu diesem Zweck können die ein oder mehreren Anschlussleitungen 207 fest mit den ein oder mehreren entsprechenden Kontaktelementen 214 des Schleifringmoduls 250 verbunden werden.The method 400 further includes connecting 403 the one or more connection lines 207 to the corresponding one or more module lines 217 of the slip ring module 250. For this purpose, the one or more Connecting lines 207 are firmly connected to the one or more corresponding contact elements 214 of the slip ring module 250.

Durch die in diesem Dokument beschriebenen Maßnahmen kann in effizienter Weise eine besonders stabile und/oder robuste Rotorwelle 300 für den Rotor 120 einer elektrischen Maschine 100 bereitgestellt werden.A particularly stable and/or robust rotor shaft 300 for the rotor 120 of an electrical machine 100 can be provided in an efficient manner by the measures described in this document.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur beispielhaft das Prinzip der vorgeschlagenen Vorrichtungen, Verfahren und Systeme veranschaulichen sollen.The present invention is not limited to the exemplary embodiments shown. In particular, it should be noted that the description and the figures are only intended to illustrate the principle of the proposed devices, methods and systems by way of example.

Claims

Rotor shaft (300) for a rotor (120) of an electrical machine (100), in particular a current-excited electrical synchronous machine; wherein the rotor shaft (300) comprises, - a shaft element (200) that - extends along an axis of rotation of the rotor (120); - A rotor body region (205) for arrangement in a rotor body (122), in particular in a central opening (123) of the rotor body (122), the rotor (120); - On a first side, in particular on both sides next to the rotor body area (205), has a bearing surface (201) for supporting the rotor shaft (300); and - Encloses a cavity (203) on the first side, which extends from a first end face of the shaft element (200) along the axis of rotation to the rotor body region (205) of the shaft element (200); and - a slip ring module (250), the - In an outer region (212) has one or more slip rings (250); - an inner region (211) arranged along the axis of rotation adjacent to the outer region (212) and arranged in the cavity (203) of the shaft element (200); and - one or more electrically conductive module leads (217) extending from the corresponding one or more slip rings (250) through the cavity (203) to the rotor body portion (205) of the shaft member (200).

Rotor shaft (300) according to claim 1 , wherein - the shaft element (200) in the rotor body region (205) has one or more line openings (202) between the cavity (203) and an external environment of the shaft element (200), in particular the rotor body (122); and - the one or more line openings (202) are formed in such a way that one or more connecting lines (207) can be routed through the one or more line openings (202) which are electrically conductive with the corresponding one or more module lines ( 217) are and/or will be connected.

Rotor shaft (300) according to claim 2 , wherein - the slip ring module (250) comprises one or more contact elements (214) which are electrically conductively connected to the corresponding one or more module lines (217); and - the one or more contact elements (214) are designed to be electrically conductively connected to the one or more connection lines (207) which are routed through the corresponding one or more line openings (202).

Rotor shaft (300) according to claim 3 , wherein the one or more contact elements (214) are arranged in alignment with the corresponding one or more line openings (202) in the cavity (203) of the shaft element (200).

Rotor shaft (300) according to one of claims 3 until 4 , wherein - the slip ring module (250) has a first end face which is arranged outside of the cavity (203) of the shaft element (200); and - the slip ring module (250) is designed such that the one or more connecting lines (207) can be attached to the corresponding one or more contact elements (214) by acting from the first end face of the slip ring module (250).

Rotor shaft (300) according to any one of the preceding claims, wherein - The slip ring module (250) is positioned angularly and/or axially in the cavity (203) of the shaft element (200) via at least one tongue and groove connection; - In particular, an inner wall of the shaft element (200) surrounding the cavity (203) has at least one groove (204) which extends from the first end face of the shaft element (200) along the axis of rotation into the cavity (203); and - In particular, an outer wall of the inner region (211) of the slip ring module (250) has a corresponding spring (216).

Rotor shaft (300) according to one of the preceding claims, wherein - the slip ring module (250) has a base part (210) with the outer area (212) and the inner area (211) on which the one or more slip rings (250) and the one or more module lines (217) are arranged; - The base part (210) has a first end face outside the cavity (203) of the shaft element ments (200) is arranged, and an opposite second end surface, which is arranged within the cavity (203) of the shaft member (200); and - the slip ring module (250) has a fastening part (220) which is arranged on the second end face of the base part (210) and which is designed to have one or more electrically conductive contact elements (214) of the corresponding one or more module lines (217) to open or close for connecting one or more corresponding connection lines (207).

Rotor shaft (300) according to claim 7 , wherein - the slip ring module (250) comprises a screw (230) which extends from the first end face of the base part (210) through an opening (215) running along the axis of rotation to the fastening part (220), in particular to a threaded bush (223 ) of the attachment part (220); and - the screw (230) is designed to pull the fastening part (220) against the second end face of the base part (210) in order to close the one or more contact elements (214), and/or from the second end face of the base part (210 ) to solve to open the one or more contact elements (214).

Rotor shaft (300) according to one of Claims 7 until 8th , wherein - a contact element (214) has a fork-shaped structure which forms a region for accommodating a connecting line (207) between two legs; and - the fastening part (220) is designed to reduce the area formed by the legs of the contact element (214) in order to clamp a connecting line (207) between the legs.

Rotor (120) for an electrical machine (100); wherein the rotor (120) comprises - a rotor body (122) having a plurality of salient poles (124); - a plurality of electrically conductive windings around the corresponding plurality of salient poles (124); and - A rotor shaft (300) according to any one of the preceding claims, which is enclosed by the rotor body (122); wherein the one or more module lines (217) of the slip ring module (250) of the rotor shaft (300) are electrically conductively connected to the plurality of windings.

Electrical machine (100) comprising a rotor (120) according to any one of the preceding claims.

Method (400) for producing a rotor shaft (300) for a rotor (120) of an electrical machine (100), according to one of Claims 1 until 10 is trained; the method (400) comprising - inserting (401) the slip ring module (250) into the cavity (203) of the shaft element (200); - Insertion (402) of one or more connection lines (207) from the outside through one or more line openings (202) of the shaft element (200) into the cavity (203) of the shaft element (200); and - connecting (403) the one or more connection lines (207) to the corresponding one or more module lines (217) of the slip ring module (250).