DE102022111494A1 - Rotor with positively anchored surface magnets - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors einer elektrischen Maschine, bei dem der Rotor (10) ein Rotorblechpaket (11), mehrere Blechsegmentpakete (12), mehrere vergrabene Magneteinheiten (13) und mehrere Oberflächenmagnete (14), welche sich jeweils über eine gesamte axiale Rotorausdehnung erstrecken, und eine Rotorwelle (19) umfasst, wobei in einem in axialer Richtung identischen Rotoraufbau das auf der Rotorwelle (19) sitzende Rotorblechpaket (11) mit mehreren sich radial nach außen vergrößernden Aussparungen (111) gebildet wird, wobei in einer jeweiligen Aussparung (111) in axialer Richtung mindestens eine vergrabene Magneteinheit (13) und in radialer Richtung benachbart ein jeweiliges Blechsegmentpaket (12) angeordnet werden, wobei das jeweilige Blechsegmentpaket (12) mit einer sich radial nach außen verkleinernden Öffnung (112) versehen wird, wobei ein jeweiliger Oberflächenmagnet (14) in axialer Richtung in die jeweilige Öffnung (112) eingeschoben wird, so dass er in Richtung auf die Rotorwelle (19) flächig und zudem seitlich mit dem jeweiligen Blechsegmentpaket (12) in formschlüssigen Kontakt steht und an beiden Seiten durch das jeweilige Blechsegmentpaket (12) fixiert ist. Ferner wird ein mit diesem Verfahren gebildeter Rotor vorgestellt.The present invention relates to a method for producing a rotor of an electrical machine, in which the rotor (10) has a rotor laminated core (11), several laminated metal segment packets (12), several buried magnet units (13) and several surface magnets (14), each of which is located above extend an entire axial rotor extent, and comprises a rotor shaft (19), the rotor laminated core (11) sitting on the rotor shaft (19) being formed with a plurality of recesses (111) which enlarge radially outwards in a rotor structure which is identical in the axial direction, in which at least one buried magnet unit (13) is arranged in a respective recess (111) in the axial direction and a respective sheet metal segment package (12) is arranged adjacent in the radial direction, the respective sheet metal segment package (12) being provided with an opening (112) which shrinks radially outwards , wherein a respective surface magnet (14) is inserted in the axial direction into the respective opening (112), so that it is in positive contact in the direction of the rotor shaft (19) and also laterally with the respective sheet metal segment package (12) and on both Sides are fixed by the respective sheet metal segment package (12). A rotor formed using this process is also presented.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors für eine elektrische Maschine, wobei der Rotor formschlüssig verankerte Oberflächenmagnete aufweist. Ferner wird ein mit diesem Verfahren gebildeter Rotor beansprucht.The present invention relates to a method for producing a rotor for an electrical machine, wherein the rotor has surface magnets anchored in a form-fitting manner. Furthermore, a rotor formed using this method is claimed.
Bei elektrischen und teil-elektrischen Fahrzeugen werden als Traktionsmotoren rotierende elektrische Maschinen nach dem Stator-/Rotor-Prinzip eingesetzt.In electric and partially electric vehicles, rotating electric machines based on the stator/rotor principle are used as traction motors.
Bekannt aus dem Stand der Technik ist gemäß Druckschrift
Die Druckschrift
In der Druckschrift
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors für eine elektrische Maschine vorzuschlagen, wobei eine geometrische Gestaltung einer Rotortopologie gefordert ist, welche mehrere vergrabene Magneteinheiten und verankerte Oberflächenmagnete aufweist, so dass gegenüber dem Stand der Technik ein erhöhtes Drehmoment und eine verbesserte Führung eines elektrischen Flusses gewährleistet wird. Ferner soll ein mit diesem Verfahren hergestellter Rotor beansprucht werden.Against this background, it is an object of the present invention to propose a method for producing a rotor for an electrical machine, which requires a geometric design of a rotor topology which has several buried magnet units and anchored surface magnets, so that compared to the prior art an increased Torque and improved guidance of an electrical flow is guaranteed. Furthermore, a rotor manufactured using this process is to be claimed.
Zur Lösung der voranstehend genannten Aufgabe wird ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors einer elektrischen Maschine vorgeschlagen, bei dem der Rotor ein Rotorblechpaket, mehrere Blechsegmentpakete, mehrere vergrabene Magneteinheiten und mehrere Oberflächenmagnete, welche sich jeweils über eine gesamte axiale Rotorausdehnung erstrecken, und eine Rotorwelle umfasst. In einem in axialer Richtung identischen Rotoraufbau wird das auf der Rotorwelle sitzende Rotorblechpaket mit mehreren sich radial nach außen vergrößernden Aussparungen gebildet. In einer jeweiligen Aussparung in axialer Richtung werden mindestens eine vergrabene Magneteinheit und in radialer Richtung benachbart ein jeweiliges Blechsegmentpaket angeordnet. Das jeweilige Blechsegmentpaket wird mit einer sich radial nach außen verkleinernden Öffnung versehen. Ein jeweiliger Oberflächenmagnet wird in axialer Richtung in die jeweilige Öffnung eingeschoben, so dass er in Richtung auf die Rotorwelle flächig und zudem seitlich mit dem jeweiligen Blechsegmentpaket in formschlüssigem Kontakt steht und an beiden in radialer Richtung verlaufenden Seiten durch das jeweilige Blechsegmentpaket fixiert ist.To solve the above-mentioned problem, a method for producing a rotor of an electrical machine is proposed, in which the rotor comprises a rotor laminated core, several laminated cores, several buried magnet units and several surface magnets, each of which extends over an entire axial rotor extent, and a rotor shaft. In a rotor structure that is identical in the axial direction, the rotor laminated core sitting on the rotor shaft is formed with several recesses that enlarge radially outwards. At least one buried magnet unit is arranged in a respective recess in the axial direction and a respective sheet metal segment package is arranged adjacent in the radial direction. The respective sheet metal segment package is provided with an opening that shrinks radially outwards. A respective surface magnet is inserted into the respective opening in the axial direction, so that it is in positive contact with the respective sheet metal segment package flatly in the direction of the rotor shaft and also laterally and is fixed on both sides running in the radial direction by the respective sheet metal segment package.
Ein Ort verändert sich in radialer Richtung, wenn er sich auf einer Kreisfläche vom Ursprung des Kreises, hier der Rotorwelle, entlang eines Radius der Kreisfläche entfernt.A location changes in the radial direction when it moves away from the origin of the circle, here the rotor shaft, along a radius of the circular surface.
Der Oberflächenmagnet ist flächig in Richtung auf die Rotorwelle (entsprechend einer negativen radialen Richtung) ausgeprägt, indem eine gemittelte Oberflächennormale auf einer gegebenenfalls bauchig ausgeformten Seite des Oberflächenmagneten zur der Rotorwelle zeigt. Insofern weist der Oberflächenmagnet eine Magnetgeometrie auf, welche sich in einer Längsausdehnung durch die axiale Rotorausdehnung ergibt, welche sich in einer Breitenausdehnung durch die gegebenenfalls bauchig ausgeformte Seite (formschlüssig mit dem Blechsegmentpaket) mit gemittelter Oberflächennormale in Richtung Rotorwelle und gegenüberliegender Seite als Teil eines Zylindermantels, welcher einen radialen Außenabschnitt des Rotors bildet, ergibt, und welche an den verbleibenden schmalen Seiten mit dem Blechsegmentpaket verklemmt ist (s.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung des jeweiligen Oberflächenmagneten in dem jeweiligen Blechsegmentpaket wird bei einem Fertigungsprozess vorteilhaft eine - bspw. gegenüber einem Verkleben - erheblich vereinfachte Positionierung des jeweiligen Oberflächenmagneten erreicht. Der jeweilige Oberflächenmagnet wird zumindest durch die sich erfindungsgemäß radial nach außen verkleinernde Öffnung an den Rotor gebunden. Zusätzlich können die beiden in radialer Richtung verlaufenden Seiten bspw. voneinander einen geringfügigen kleineren Abstand aufweisen, als sich der jeweilige Oberflächenmagnet zwischen den beiden Seiten erstreckt, wodurch der jeweilige Oberflächenmagnet eingepresst fixiert ist. Dies ist auch durch unterschiedliche thermische Ausdehnungen des Blechsegmentpaktes und des Oberflächenmagneten bei Durchlaufen einer Temperaturkurve gegeben: während Blech bei einem Abkühlen schrumpft, verbleibt ein magnetisches Material des Oberflächenmagneten aufgrund seiner Materialeigenschaften bzgl. Volumenausdehnung nahezu unverändert. Jedenfalls liegt somit auch ohne ein zusätzliches Verkleben, das optional natürlich weiterhin möglich ist, eine feste Verankerung des jeweiligen Oberflächenmagneten an den Rotor vor. Außerdem wird durch die formschlüssige Anordnung eine bessere Führung eines elektrischen Flusses bewirkt, was zu einer Drehmoment- bzw. Leistungserhöhung der elektrischen Maschine beiträgt.The inventive arrangement of the respective surface magnet in the respective sheet metal segment package advantageously results in a significantly simplified positioning of the respective surface magnet in a manufacturing process - for example compared to gluing. The respective surface magnet is bound to the rotor at least through the opening which, according to the invention, shrinks radially outwards. In addition, the two sides running in the radial direction can, for example, have a slightly smaller distance from each other than the respective surface magnet extends between the two sides, whereby the respective surface magnet is fixed in a pressed manner. This is also due to different thermal expansions of the sheet metal segment package and the surface magnet when passing through a temperature curve: while sheet metal shrinks when it cools down, a magnetic material of the surface magnet remains almost unchanged due to its material properties in terms of volume expansion. In any case, the respective surface magnet is firmly anchored to the rotor even without additional gluing, which is of course still possible as an option. In addition, through the positive arrangement results in better guidance of an electrical flow, which contributes to an increase in torque or power of the electrical machine.
Es ist denkbar, in einem Herstellungsschritt den jeweiligen sich über die gesamte axiale Rotorausdehnung erstreckenden Oberflächenmagneten aus mehreren sich in axiale Richtung erstreckenden Einzelstücken, welche jeweils nur einen Teil der gesamten axialen Rotorausdehnung ausmachen, mittels Verkleben zusammenzufügen, so dass sich der jeweilige Oberflächenmagnet als ein Magnetstapel ergibt und im Ganzen in die betreffende Öffnung des Blechsegmentes eingeschoben werden kann.It is conceivable, in one manufacturing step, to assemble the respective surface magnet, which extends over the entire axial rotor extent, from several individual pieces extending in the axial direction, which each only make up a part of the entire axial rotor extent, by gluing, so that the respective surface magnet forms a magnet stack results and can be inserted as a whole into the relevant opening of the sheet metal segment.
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden um die Magneteinheiten und die Oberflächenmagnete gebildete Zwischenräume mit einer Vergussmasse verfüllt. Damit ist die voranstehend beschriebene Magnetgeometrie des Oberflächenmagneten auch in vergossenen Rotorsystemen denkbar.In one embodiment of the method according to the invention, gaps formed around the magnet units and the surface magnets are filled with a casting compound. This means that the magnetic geometry of the surface magnet described above is also conceivable in cast rotor systems.
In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein jeweiliges Blechsegment des jeweiligen Blechsegmentpaketes über mindestens einen Steg mit einem jeweiligen Rotorblech des Rotorblechpaketes verbunden. In a further embodiment of the method according to the invention, a respective sheet metal segment of the respective sheet metal segment stack is connected to a respective rotor sheet metal of the rotor sheet metal stack via at least one web.
Damit werden im Außenmantel bei der Anordnung der vergrabenen Magnete und der Blechsegmentpakete entstehende Lücken, welche sich zwischen den Blechsegmentpaketen und dem Rotorblech befinden, geschlossen.This closes any gaps that arise in the outer casing when arranging the buried magnets and the sheet metal segment stacks, which are located between the sheet metal segment stacks and the rotor sheet metal.
In einer noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in dem Blechsegmentpaket benachbart zu der sich radial nach außen verkleinernden Öffnung mindestens ein Entlastungsfenster gebildet. Durch das erfindungsgemäß gebildete Entlastungsfenster werden mechanische Spannungen zwischen dem jeweiligen Blechsegmentpaket und dem formschlüssig in die Öffnung eingeschobenen Oberflächenmagneten abgeleitet. Solche mechanischen Spannungen entstehen insbesondere bei niedrigen Blechtemperaturen, da hier im Vergleich mit dem Blechsegmentpaket sich der Oberflächenmagnet in seiner Volumenausdehnung wesentlich weniger zusammenzieht.In a still further embodiment of the method according to the invention, at least one relief window is formed in the sheet metal segment stack adjacent to the opening which shrinks radially outwards. Through the relief window formed according to the invention, mechanical stresses are diverted between the respective sheet metal segment package and the surface magnet inserted in a form-fitting manner into the opening. Such mechanical stresses arise in particular at low sheet metal temperatures, since here the surface magnet contracts significantly less in terms of its volume expansion compared to the sheet metal segment package.
In einer fortgesetzt weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Oberflächenmagnet mit einer Ausdehnung in radialer Richtung gebildet und weist diese Ausdehnung einen vorgegebenen Abstand zu einem durch Rotorblechpaket und Blechsegmentpaket gebildeten Umfang des Rotors auf. Der vorgegebene Abstand zum äußeren Umfang beträgt vorteilhaft 0.1 bis 0.2 mm, d. h. eine in radiale Richtung nach außen zeigende Oberfläche des Oberflächenmagneten ist gegenüber dem äußeren Umfang um 0.1 bis 0.2 mm nach innen versetzt. Dies geschieht auch deshalb, um bei einer Überarbeitung des nunmehr im Herstellungsprozess vorliegenden Zylindermantels durch ein Schleifen des in Rotation versetzten Rotors, um einen möglichst perfekten Kreisverlauf zu erhalten, zu gewährleisten, dass die Oberfläche des Oberflächenmagneten bzw. dessen Isolationsschicht nicht verletzt wird.In a continued further embodiment of the method according to the invention, the surface magnet is formed with an extension in the radial direction and this extension has a predetermined distance from a circumference of the rotor formed by the rotor laminated core and laminated core segments. The specified distance to the outer circumference is advantageously 0.1 to 0.2 mm, i.e. H. A surface of the surface magnet pointing outwards in the radial direction is offset inwards by 0.1 to 0.2 mm compared to the outer circumference. This is also done in order to ensure that the surface of the surface magnet or its insulation layer is not damaged when the cylinder jacket, which is now in the manufacturing process, is revised by grinding the rotor that is set in rotation in order to obtain the most perfect possible circle.
In einer fortgesetzt noch weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird radial um den Rotor eine Bandage mit einem CFK-Material gebildet. Bei dem CFK-Material handelt es sich um Kohlenstofffaser-verstärkte Kunststoffe. Es ist denkbar, dass die Bandage durch ein Aufpressen von mit dem CFK-Material gebildeten Hülsensegmenten hergestellt wird.In a further embodiment of the method according to the invention, a bandage with a CFRP material is formed radially around the rotor. The CFRP material is carbon fiber-reinforced plastics. It is conceivable that the bandage is produced by pressing on sleeve segments formed with the CFRP material.
Ferner wird ein Rotor einer elektrischen Maschine beansprucht, welcher ein Rotorblechpaket, mehrere Blechsegmentpakete, mehrere vergrabene Magneteinheiten und mehrere Oberflächenmagnete, welche sich jeweils über eine gesamte axiale Rotorausdehnung erstrecken, und eine Rotorwelle umfasst. In einem in axialer Richtung identischen Rotoraufbau ist das auf der Rotorwelle sitzende Rotorblechpaket mit mehreren sich radial nach außen vergrößernden Aussparungen gebildet. In einer jeweiligen Aussparung sind in axialer Richtung mindestens eine vergrabene Magneteinheit und in radialer Richtung benachbart ein jeweiliges Blechsegmentpaket angeordnet. Das jeweilige Blechsegmentpaket ist mit einer sich radial nach außen verkleinernden Öffnung versehen. Ein jeweiliger Oberflächenmagnet ist in axialer Richtung in der jeweiligen Öffnung angeordnet, so dass er in Richtung auf die Rotorwelle flächig und zudem seitlich mit dem jeweiligen Blechsegmentpaket in formschlüssigem Kontakt steht und an beiden Seiten durch das jeweilige Blechsegmentpaket fixiert ist.Furthermore, a rotor of an electrical machine is claimed, which comprises a rotor laminated core, a plurality of laminated segment packets, a plurality of buried magnet units and a plurality of surface magnets, each of which extends over an entire axial rotor extent, and a rotor shaft. In a rotor structure that is identical in the axial direction, the rotor laminated core sitting on the rotor shaft is formed with several recesses that enlarge radially outwards. At least one buried magnet unit is arranged in a respective recess in the axial direction and a respective sheet metal segment package is arranged adjacent in the radial direction. The respective sheet metal segment package is provided with an opening that shrinks radially outwards. A respective surface magnet is arranged in the axial direction in the respective opening, so that it is in positive contact with the respective sheet metal segment package flatly in the direction of the rotor shaft and also laterally and is fixed on both sides by the respective sheet metal segment package.
In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Rotors sind um die Magneteinheiten und die Oberflächenmagnete gebildete Zwischenräume mit einer Vergussmasse verfüllt.In one embodiment of the rotor according to the invention, gaps formed around the magnet units and the surface magnets are filled with a casting compound.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Rotors ist ein jeweiliges Blechsegment des jeweiligen Blechsegmentpaketes über mindestens einen Steg mit einem jeweiligen Rotorblech des Rotorblechpaketes verbunden.In a further embodiment of the rotor according to the invention, a respective sheet metal segment of the respective sheet metal segment package is connected to a respective rotor sheet metal of the rotor sheet metal package via at least one web.
In einer noch weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Rotors ist in dem Blechsegmentpaket benachbart zu der sich radial nach außen verkleinernden Öffnung mindestens ein Entlastungsfenster gebildet. Das mindestens eine Entlastungsfenster ist dazu ausgestaltet, mechanische Spannungen zwischen dem jeweiligen Blechsegmentpaket und dem formschlüssig in die Öffnung eingeschobenen Oberflächenmagneten abzuleiten.In a still further embodiment of the rotor according to the invention, at least one relief window is formed in the sheet metal segment stack adjacent to the opening which shrinks radially outwards. The at least one relief window is designed to be mechanical To dissipate tensions between the respective sheet metal segment package and the surface magnet inserted in a form-fitting manner into the opening.
In einer fortgesetzt weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Rotors ist der Oberflächenmagnet mit einer Ausdehnung in radialer Richtung gebildet ist. Die Ausdehnung weist einen vorgegebenen Abstand zu einem durch Rotorblechpaket und Blechsegmentpaket gebildeten Umfang des Rotors auf.In a further further embodiment of the rotor according to the invention, the surface magnet is formed with an extension in the radial direction. The extension has a predetermined distance from a circumference of the rotor formed by the rotor laminated core and laminated core segments.
In einer fortgesetzt noch weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Rotors ist radial um den Rotor eine Bandage mit einem CFK-Material gebildet.In a further embodiment of the rotor according to the invention, a bandage with a CFRP material is formed radially around the rotor.
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.Further advantages and refinements of the invention result from the description and the accompanying drawing.
Es versteht sich, dass die voranstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those to be explained below can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or alone, without departing from the scope of the present invention.
Die Figuren werden zusammenhängend und übergreifend beschrieben, gleichen Komponenten sind dieselben Bezugszeichen zugeordnet.
-
1 zeigt eine perspektivische Darstellung und eine Rotorgeometrie eines Rotoraufbaus in einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Rotors. -
2 zeigt einen Ausschnitt des Rotoraufbaus in der Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Rotors. -
3 zeigt einen Ausschnitt zu einem anderen Rotoraufbau in einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Rotors.
-
1 shows a perspective view and a rotor geometry of a rotor structure in an embodiment of the rotor according to the invention. -
2 shows a section of the rotor structure in the design of the rotor according to the invention. -
3 shows a detail of another rotor structure in a further embodiment of the rotor according to the invention.
In
In
In
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 1010
- Rotorrotor
- 1111
- RotorblechpaketRotor lamination package
- 1212
- BlechsegmentpaketSheet metal segment package
- 1313
- Vergrabener MagnetBuried magnet
- 1414
- OberflächenmagnetSurface magnet
- 1515
- EntlastungsfensterRelief window
- 1616
- Zwischenraumspace
- 1717
- Aussparungrecess
- 1818
- Bandagebandage
- 1919
- RotorwelleRotor shaft
- 100100
- Perspektivische DarstellungPerspective view
- 110110
- Aufsichtsschema RotorgeometrieRotor geometry supervisory diagram
- 111111
- Radial nach außen vergrößernde AussparungRecess that enlarges radially outwards
- 112112
- Radial nach außen verkleinernde ÖffnungOpening that reduces radially outwards
- 2020
- Rotorausschnitt mit Blechsegment ohne Kontakt zum RotorblechRotor cutout with sheet metal segment without contact with the rotor sheet
- 2121
- Vergrößerter RotorausschnittEnlarged rotor cutout
- 2626
- Spaltgap
- 3030
- Rotorausschnitt mit Steg-VerbindungenRotor cutout with web connections
- 3131
- Vergrößerung formschlüssige VerankerungEnlargement of positive anchoring
- 3232
- Vergrößerung Steg-BereichEnlargement of the bridge area
- 3333
- FlussbarriereRiver barrier
- 3434
- Winkelangle
- 3535
- Stegweb
- 3636
- Ecke des OberflächenmagnetCorner of the surface magnet
- 3737
- Öffnungsseiteopening side
- 311311
- Rotorblech, durch Steg mit Blechsegment verbundenRotor plate, connected to the plate segment by a web
- 312312
- Blechsegment, durch Steg mit Rotorblech verbundenSheet metal segment, connected to rotor sheet metal by a web
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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