DE102011085880A1

DE102011085880A1 - Elektrische Maschine sowie Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102011085880A1
Application number: DE102011085880A
Authority: DE
Inventors: Bernd Schroeder; Martin Henger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH; SEG Automotive Germany GmbH
Priority date: 2011-11-08
Filing date: 2011-11-08
Publication date: 2013-05-08
Also published as: CN103095034A; FR2982440A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine (1) mit einer Antriebswelle (2), auf der ein Rotor (3) und ein Anschlusselement (4) angeordnet sind und bei welcher eine zumindest teilweise kraftschlüssige Drehmomentübertragungsverbindung zwischen dem Rotor (3) und dem Anschlusselement (4) ausgebildet ist, in dem zum axialen Festlegen des Anschlusselements (4) in wenigstens die von dem Rotor (3) abgewandte Richtung ein Befestigungselement (6) vorgesehen ist. Dabei ist vorgesehen, dass das Befestigungselement (6) eine die Antriebswelle (2) und das Anschlusselement (4) verbindende, insbesondere zusätzlich dem tangentialen Festlegen des Anschlusselements (4) bezüglich der Antriebswelle (2) dienende, Verstemmung ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Montage einer elektrischen Maschine (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einer Antriebswelle, auf der ein Rotor und ein Anschlusselement angeordnet sind und bei welcher eine zumindest teilweise kraftschlüssige Drehmomentübertragungsverbindung zwischen dem Rotor und dem Anschlusselement ausgebildet ist, indem zum axialen Festlegen des Anschlusselements in wenigstens die von dem Rotor abgewandte Richtung ein Befestigungselement vorgesehen ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Montage einer elektrischen Maschine.
Stand der Technik
Elektrische Maschinen der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. Die elektrische Maschine kann beliebig ausgestaltet sein und insbesondere als Motor, Generator oder Motor-Generator eines Kraftfahrzeugs vorliegen. Die elektrische Maschine verfügt über die Antriebswelle, über welche sie ein Drehmoment abgibt oder alternativ das Drehmoment aufnimmt. Auf der Antriebswelle sind der Rotor und das Anschlusselement wenigstens teilweise angeordnet. Der Rotor ist mittels der Antriebswelle in der elektrischen Maschine gelagert. Neben dem Rotor ist auf der Antriebswelle das Anschlusselement vorgesehen, über welches das Drehmoment der Antriebswelle beziehungsweise des Rotors einer weiteren Einrichtung zur Verfügung gestellt oder ein Drehmoment von der weiteren Einrichtung zu dem Rotor übertragen wird. Das Anschlusselement liegt beispielsweise als Riemenscheibe vor, welche über ein biegeschlaffes Umlaufmittel, insbesondere einen Riemen, mit der weiteren Einrichtung drehmomentübertragend wirkverbunden ist. Zwischen dem Rotor und dem Anschlusselement liegt die Drehmomentübertragungsverbindung vor. Das bedeutet, dass der Rotor und das Anschlusselement derart miteinander verbunden sind, dass zwischen ihnen ein Drehmoment, vorzugsweise schlupffrei, übertragbar ist. Die Drehmomentübertragungsverbindung ist wenigstens teilweise kraftschlüssig, insbesondere vollständig kraftschlüssig.
Insoweit wird zum Beispiel (aber nicht notwendigerweise) das Drehmoment zwischen dem Rotor und dem Anschlusselement nicht oder zumindest lediglich untergeordnet über eine formschlüssige oder stoffschlüssige Drehmomentübertragungsverbindung übertragen. Beispielsweise kann es vorgesehen sein, dass der Rotor und das Anschlusselement drehbar auf der Antriebswelle angeordnet sind und eine Drehmomentübertragung zwischen den beiden Elementen lediglich durch Kraftschluss zwischen ihnen ermöglicht wird. Das bedeutet insbesondere, dass das Anschlusselement derart in Richtung des Rotors gedrängt ist, dass durch Kraftschluss beziehungsweise Reibschluss Drehmoment übertragen werden kann und die Drehmomentübertragungsverbindung vorliegt. Zu diesem Zweck ist das Befestigungselement vorgesehen, welches das Anschlusselement in axialer Richtung in wenigstens die von dem Rotor abgewandte Richtung festlegt oder es sogar in axialer Richtung, also in Richtung der Längsachse der Antriebswelle, in Richtung des Rotors drängt.
Durch das Festlegen des Anschlusselements wird eine axiale Kraft auf das Anschlusselement und ein unter Umständen in axialer Richtung zwischen Anschlusselement und Rotor vorliegendes Drehmomentübertragungselement ausgeübt oder zumindest aufrechterhalten, welches sie in Richtung des Rotors drängt. Das maximal zwischen dem Rotor und dem Anschlusselement übertragbare Drehmoment ist bei einer solchen Ausführungsform abhängig von der (maximalen) axialen Kraft. Diese kann jedoch nicht beliebig erhöht werden, weil sie in die Antriebswelle eingeleitet wird und es bei zu starker Beanspruchung zu einer Beschädigung der Antriebswelle kommen kann. Bei üblichen Ausführungsformen der elektrischen Maschine liegt das maximal übertragbare Drehmoment bei etwa 50 bis 60 Nm. Wird die axiale Kraft weiter erhöht, kann es zu Rissbildung und Versagen der Antriebswelle, insbesondere bei der Montage der elektrischen Maschine, kommen.
Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise die DE 10 2007 036 313 A1 bekannt, welche ein Verfahren zur Herstellung einer Wicklung für den Stator einer elektrischen Maschine zeigt. Dort ist eine Mutter auf die Antriebswelle aufgeschraubt, um das Anschlusselement in Richtung des Rotors zu drängen und auf diese Weise eine kraftschlüssige Drehmomentübertragungsverbindung herzustellen. Die DE 195 07 860 A1 zeigt zudem eine Riemenscheibe, die mit einer Gewindebohrung auf den Wellenstumpf einer Maschinenwelle festgeschraubt wird.
Offenbarung der Erfindung
Demgegenüber weist die elektrische Maschine den mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen den Vorteil auf, dass die Drehmomentübertragungsverbindung einfacher und kostengünstiger herstellbar ist. Dies wird erfindungsgemäß erreicht, indem das Befestigungselement eine die Antriebswelle und das Anschlusselement verbindende, insbesondere zusätzlich dem tangentialen Festlegen des Anschlusselements bezüglich der Antriebswelle dienende, Verstemmung ist. Die Verstemmung setzt das Anschlusselement zumindest in die von dem Rotor abgewandte axiale Richtung fest und bewirkt so eine das Anschlusselement in Richtung des Rotors drängende axiale Kraft oder erhält zumindest eine bei der Montage der elektrischen Maschine vorliegende Kraft. Die Verstemmung ist eine einfach und kostengünstig herzustellende Verbindung, welche durch das plastische Verformen eines Bereichs der Antriebswelle und/oder des Anschlusselements erreicht wird. Beispielsweise wird bei der Montage der elektrischen Maschine beziehungsweise bei deren Herstellung zuerst der Rotor in axialer Richtung bezüglich der Antriebswelle an dieser festgelegt und anschließend das Anschlusselement auf die Antriebswelle aufgebracht. Dabei wird das Anschlusselement mit einer definierten Kraft in Richtung des Rotors gedrängt. Unter Aufrechterhaltung dieser Kraft wird die Verstemmung ausgebildet, sodass das Anschlusselement nicht in die von dem Rotor abgewandte axiale Richtung ausweichen kann. Insoweit wird die bei der Montage vorliegende zwischen Rotor und Anschlusselement wirkende axiale Kraft zumindest aufrechterhalten, sodass die wenigstens teilweise kraftschlüssige Drehmomentübertragungsverbindung zwischen dem Rotor und dem Anschlusselement vorliegt. Die Verstemmung verbindet das Anschlusselement und die Antriebswelle vorzugsweise unmittelbar, liegt also an dem einen Element vor und steht mit dem jeweils anderen in Berührkontakt.
Zusätzlich kann bei entsprechender Auslegung über die Verstemmung ein Drehmoment zwischen dem Anschlusselement und der Welle übertragen werden, weil die Verstemmung kraftschlüssig und/oder formschlüssig entweder mit der Antriebswelle (wenn die Verstemmung an dem Anschlusselement vorgesehen ist) oder mit dem Anschlusselement (wenn sie an der Antriebswelle vorliegt) zusammenwirkt. Entsprechend kann zumindest ein Teil des Drehmoments zwischen dem Anschlusselement und der Antriebswelle übertragen werden. Es liegt als nicht nur eine unmittelbare kraftschlüssige erste Drehmomentübertragungsverbindung zwischen dem Anschlusselement und dem Rotor (eventuell über in axialer Richtung zwischen diesen angeordneten Drehmomentübertragungselemente), also nicht über die Antriebswelle, sondern vielmehr auch eine mittelbare zweite Drehmomentübertragungsverbindung über die Antriebswelle vor, welche vorzugsweise vollständig kraftschlüssig und/oder formschlüssig ist. Dies wird beispielsweise durch das tangentiale Festlegen des Anschlusselements bezüglich der Antriebswelle mittels der Verstemmung realisiert.
Wie bereits vorstehend ausgeführt, liegt die zumindest teilweise kraftschlüssige (erste) Drehmomentübertragungsverbindung zwischen dem Rotor und dem Anschlusselement vor, weil der Rotor und das Anschlusselement in axialer Richtung gegeneinander gedrängt sind. Der Rotor ist dabei derart an der Antriebswelle festgelegt, dass er der zwischen dem Rotor und dem Anschlusselement zu diesem Zweck wirkenden Kraft entgegenwirkt, also nicht in axialer Richtung ausweichen kann. Der Rotor ist insoweit zumindest in die von dem Anschlusselement wegzeigende Richtung in axialer Richtung auf der Antriebswelle festgelegt. Dies kann beispielsweise analog zu dem Anschlusselement erfolgen, indem eine Verstemmung vorgesehen ist, welche den Rotor mit der Antriebswelle verbindet. In dem Bereich einer solchen Verstemmung kann die Antriebswelle in Umfangsrichtung verlaufende Umfangsriefen beziehungsweise Umfangsrillen aufweisen. In diese greift die Verstemmung bei ihrer Ausbildung wenigstens bereichsweise ein, so dass sie nicht nur eine kraftschlüssige, sondern auch eine formschlüssige Befestigung des Rotors an der Antriebswelle ausbildet. Alternativ oder zusätzlich kann es auch vorgesehen sein, dass der Rotor drehfest mit der Antriebswelle verbunden ist, beispielsweise über eine Crimpverbindung.
Der Rotor kann wenigstens ein Permanentmagnetelement aufweisen oder als elektromagnetisch erregter Rotor vorliegen. In letzterem Fall ist der Rotor beispielsweise als Klauenpolläufer ausgebildet und besteht insoweit insbesondere aus zwei Klauenpolplatinen, an deren Außenumfang jeweils sich in axialer Richtung erstreckende Klauenpolfinger ausgebildet sind. Letztlich ist der Rotor ein beliebiges Element, welches auf der Antriebswelle angeordnet ist und in Rotation versetzt werden kann. Es ist demnach nicht notwendig, dass der Rotor tatsächlich alle Elemente eines Läufers, Ankers, Induktors beziehungsweise Polrads der elektrischen Maschine aufweist. Vielmehr kann unter dem Begriff „Rotor“ auch nur ein Bereich eines solchen Elements, insbesondere ein Rotorkern, verstanden werden. Die Klauenpolplatinen sind beispielsweise derart zueinander angeordnet, dass sich ihre in axialer Richtung der elektrischen Maschine erstreckenden Klauenpolfinger am Umfang des Rotors einander als Nord- und Südpole abwechseln. Aus diesem Grund liegen üblicherweise zwischen den gegensinnig magnetisierten Klauenpolfingern Klauenpolzwischenräume vor. Die Klauenpolfinger verjüngen sich vorzugsweise in Richtung ihrer freien Enden und verlaufen damit leicht schräg bezüglich einer Längsachse der elektrischen Maschine.
Zusätzlich kann es selbstredend vorgesehen sein, dass das Anschlusselement über eine stoffschlüssige Verbindung mit der Antriebswelle verbunden ist. Zu diesem Zweck ist beispielsweise die Verstemmung, welche entweder an der Antriebswelle oder dem Anschlusselement ausgebildet ist, über wenigstens einen Schweißpunkt mit dem jeweils anderen Element stoffschlüssig verbunden. Auf diese Weise wird eine dauerhafte und sehr zuverlässige Verbindung zwischen dem Anschlusselement und der Antriebswelle erzielt, über welche zusätzlich ein Drehmoment zwischen diesen beiden Elementen übertragbar ist. Entsprechend wird ein Teil des zwischen Rotor und Anschlusselement zu übertragenden Drehmoments sowohl über die kraftschlüssige erste Drehmomentübertragungsverbindung (unmittelbar zwischen dem Anschlusselement und dem Rotor) als auch über die kraftschlüssigen, formschlüssigen und/oder stoffschlüssigen zweite Drehmomentübertragungsverbindung (mittelbar über die Antriebswelle) übertragen. Zu diesem Zweck muss der Rotor derart an der Antriebswelle befestigt sein, dass zwischen ihm und der Antriebswelle ein Drehmoment übertragbar ist.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Verstemmung an einer dem Rotor abgewandten Stirnfläche des Anschlusselements ausgebildet ist. Die Antriebswelle und das Anschlusselement sind somit derart zueinander angeordnet, dass die Antriebswelle das Anschlusselement ausgehend von dessen dem Rotor zugewandten Seite bis zumindest hin zu der dem Rotor abgewandten Stirnfläche durchgreift. An dieser Stirnfläche wird bei der Montage der elektrischen Maschine die Verstemmung ausgebildet, sodass das Anschlusselement in axialer Richtung bezüglich der Antriebswelle festgesetzt ist. Unter Stirnfläche ist dabei jegliche dem Rotor abgewandte Fläche des Anschlusselements zu verstehen. Diese kann beispielsweise auch in einer Ausnehmung des Anschlusselements vorliegen, sodass die Antriebswelle das Anschlusselement – im Längsschnitt betrachtet – nicht vollständig durchgreifen muss. Vorzugsweise ist die Verstemmung auch nach ihrem Ausbilden aus einer Umgebung des Anschlusselements leicht zugänglich, sodass ein Lösen der Verstemmung zur Demontage der elektrischen Maschine möglich ist.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Anschlusselement eine Wellenaufnahme zur Aufnahme der Antriebswelle aufweist und die Verstemmung die radialen Abmessungen der Wellenaufnahme wenigstens bereichsweise verringert. Für das vorstehend beschriebene wenigstens teilweise Durchgreifen des Anschlusselements durch die Antriebswelle weist ersteres die Wellenaufnahme auf, in welcher die Antriebswelle wenigstens teilweise angeordnet ist. Vorzugsweise liegt die Wellenaufnahme demnach zentral in dem Anschlusselement vor. Die Wellenaufnahme weist üblicherweise einen dem Querschnitt der Antriebswelle angepassten Querschnitt auf. Beispielsweise kann der in die Wellenaufnahme hineinreichende Bereich der Antriebswelle rund, insbesondere kreisrund, ausgebildet sein. Alternativ ist jedoch auch eine Mehrkantausführung denkbar, um zusätzlich zu der kraftschlüssigen ersten Drehmomentübertragungsverbindung die mittelbare zweite Drehmomentübertragungsverbindung über Formschluss über die Antriebswelle herzustellen.
Gemäß den vorstehenden Ausführungen ist die Wellenaufnahme hinsichtlich ihres Querschnitts stets analog zu dem in ihr angeordneten Bereich der Antriebswelle ausgebildet. Vor der Ausbildung der Verstemmung liegt zwischen dem Bereich des Anschlusselements, in welchem später die Verstemmung vorliegt, und der Antriebswelle vorzugsweise keine Presspassung, sondern vielmehr eine Spielpassung vor. Zwischen anderen Bereichen der Antriebswelle und des Anschlusselements kann dagegen bereits eine Presspassung vorgesehen sein. Durch die Ausbildung der Verstemmung werden die radialen Abmessungen der Wellenaufnahme wenigstens bereichsweise verringert, sodass die Verstemmung in Berührkontakt zu der Antriebswelle tritt und insbesondere eine Presspassung zwischen Anschlusselement und Wellenaufnahme in diesem Bereich herstellt. Alternativ kann es jedoch auch vorgesehen sein, dass die Verstemmung lediglich in eine Umfangsnut der Antriebswelle eingreift und so das Anschlusselement bezüglich dieser in die von dem Rotor abgewandte Richtung festlegt.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass in der Wellenaufnahme wenigstens ein Befestigungsbereich der Antriebwelle vorliegt, insbesondere einem Rotor zugewandter erster Befestigungsbereich und ein unmittelbar benachbarter, dem Rotor abgewandter zweiter Befestigungsbereich, wobei der zweite Befestigungsbereich in radialer Richtung geringere Abmessungen aufweist als der erste Befestigungsbereich. Die Antriebswelle weist somit einen oder mehrere Befestigungsbereiche auf, welche spätestens nach Ausbildung der Verstemmung derart mit der Wellenaufnahme und damit mit dem Anschlusselement in Berührkontakt treten, dass das Anschlusselement in axialer Richtung festgelegt ist. Zusätzlich kann jedoch auch ein Festsetzen in Umfangsrichtung zur Übertragung eines Drehmoments zwischen dem Anschlusselement und der Antriebswelle vorgesehen sein. In einer speziellen Ausführungsform der elektrischen Maschine ist die Antriebswelle auf der dem Rotor abgewandten Seite gestuft ausgebildet, wobei ein erster und ein zweiter Befestigungsbereich vorliegen. Dabei weist der zweite, dem Rotor abgewandte Befestigungsbereich in radialer Richtung geringere Abmessungen auf, hat insbesondere also einen kleineren Durchmesser. Die Verstemmung wird bei einer solchen Ausführungsform üblicherweise in dem zweiten Befestigungsbereich in Berührkontakt mit der Antriebswelle zum Festlegen des Anschlusselements treten.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass zwischen dem ersten Befestigungsbereich und dem Anschlusselement in radialer Richtung eine Presspassung vorgesehen ist. Der erste Befestigungsbereich, welcher üblicherweise nicht in Berührverbindung mit der Verstemmung steht, ist demnach derart an das Anschlusselement beziehungsweise dessen Wellenaufnahme angepasst, dass eine Presspassung ausgebildet ist, sodass zwischen dem Anschlusselement und der Antriebswelle kraftschlüssig und/oder formschlüssig Drehmoment übertragbar ist. Bei der Montage der elektrischen Maschine wird entsprechend das Anschlusselement auf den ersten Befestigungsbereich der Antriebswelle aufgepresst und nachfolgend die Verstemmung derart ausgebildet, dass sie in Berührkontakt mit dem zweiten Befestigungsbereich tritt und das Anschlusselement in axialer Richtung festlegt.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass vor dem Ausbilden der Verstemmung der zweite Befestigungsbereich und das Anschlusselement nicht in Berührkontakt stehen und erst nach dem Ausbilden der Verstemmung eine Presspassung zwischen dem zweiten Befestigungsbereich und dem Anschlusselement vorliegt. Auf diese Ausführungsform der elektrischen Maschine wurde bereits vorstehend eingegangen. Beispielsweise ist es vorgesehen, dass die Wellenaufnahme vor Ausbildung der Verstemmung eine durchmesserkonstante Ausnehmung ist, während die Antriebswelle über die beiden durchmessergestuften Befestigungsbereiche verfügt. Somit steht nach dem Einbringen der Antriebswelle in die Wellenaufnahme zwar der erste Befestigungsbereich in Berührkontakt mit dem Anschlusselement, dies gilt vor Ausbildung der Verstemmung jedoch nicht für den zweiten Befestigungsbereich. Erst durch das Ausbilden der Verstemmung wird auch zwischen dem zweiten Befestigungsbereich und dem Anschlusselement eine Presspassung ausgebildet.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Antriebswelle in dem Befestigungsbereich, insbesondere in dem ersten und/oder zweiten Befestigungsbereich, eine Haltestruktur aufweist. Die Haltestruktur dient dabei dem Herstellen einer formschlüssigen Verbindung mit dem Anschlusselement, insbesondere während der Ausbildung der Verstemmung. Die Verstemmung greift beispielsweise in Vertiefungen der Haltestruktur ein, sodass zumindest das Festsetzen in axialer Richtung, insbesondere jedoch auch in Umfangsrichtung, erzielt ist. Durch das Festsetzen in Umfangsrichtung mittels der Haltestruktur kann die zweite Drehmomentübertragungsverbindung zwischen dem Anschlusselement und dem Rotor erzielt werden, so dass insgesamt durch das Vorliegen sowohl der ersten als auch der zweiten Drehmomentübertragungsverbindung ein höheres Drehmoment übertragbar ist.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Haltestruktur mindestens eine Umfangsnut, in welche die Verstemmung zumindest bereichsweise eingreift, und/oder wenigstens eine in radialer Richtung über einen Grundkörper der Antriebswelle überstehende Axialrippe aufweist, mittels welcher die Presspassung nach dem Ausbilden der Verstemmung hergestellt ist. Die Haltestruktur kann also über die wenigstens eine Umfangsnut und/oder die Axialrippe verfügen. Die Umfangsnut ist eine in Umfangsrichtung verlaufende, an der Antriebswelle vorgesehene Vertiefung. Die Umfangsnut muss die Antriebswelle nicht vollständig in Umfangsrichtung durchgreifen, dies kann jedoch vorgesehen sein. Bei dem Ausbilden der Verstemmung tritt diese wenigstens bereichsweise in die Umfangsnut ein, sodass im Wesentlichen eine Rastverbindung beziehungsweise Hintergriffverbindung zwischen dem Anschlusselement und der Antriebswelle ausgebildet ist. Bei einer solchen Ausführungsform dient die Verstemmung üblicherweise zwar dem axialen Festlegen des Anschlusselements, nicht jedoch dem Übertragen eines Drehmoments zwischen dem Antriebselement und der Antriebswelle.
Zusätzlich oder alternativ kann die Axialrippe vorgesehen sein. Diese steht in radialer Richtung über den Grundkörper der Antriebswelle, welcher mit der Wellenaufnahme formangepasst vorliegt, über. Die Axialrippe bewirkt also eine Kontur der Antriebswelle, welche von der Innenkontur der Wellenaufnahme abweichen kann. Die Axialrippe ist ein in radialer Richtung ragender Vorsprung, welcher in axialer Richtung entlang der Antriebswelle verläuft. Beispielsweise sind die Axialrippe und die Wellenaufnahme derart ausgebildet, dass bei der Montage die Wellenaufnahme auf die den Befestigungsbereich der Antriebswelle aufgepresst wird, wobei die Axialrippe in eine in der Wellenausnehmung vorliegende Halteausnehmung des Anschlusselements eingreift. Alternativ kann die Halteausnehmung durch das Aufpressen ausgebildet werden. Beispielsweise liegen die Axialrippe in dem ersten Befestigungsbereich und die Umfangsnut in dem zweiten Befestigungsbereich vor.
In einer anderen Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass das Anschlusselement und/oder das Drehmomentübertragungselement auf der Antriebswelle drehbar angeordnet sind. Das bedeutet, dass die beiden Elemente keine Drehmomentübertragungsverbindung zu der Antriebswelle aufweisen, in Umfangsrichtung also drehbar sind. Insbesondere ist keine Verzahnung zwischen Anschlusselement und Antriebswelle beziehungsweise Drehmomentübertragungselement und Antriebswelle vorgesehen. Selbstverständlich kann eine solche jedoch, gemäß den vorstehenden Ausführungen, beispielsweise in Form der Axialrippe, vorliegen.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass auf der Antriebswelle zwischen dem Rotor und dem Anschlusselement – in axialer Richtung gesehen – mindestens ein Drehmomentübertragungselement angeordnet ist, das zur kraftschlüssigen Drehmomentübertragung zwischen dem Rotor und dem Anschlusselement vorgesehen ist. Der Rotor und das Anschlusselement müssen demnach nicht unmittelbar benachbart zueinander vorliegen, damit die (unmittelbare) erste Drehmomentübertragungsverbindung, also nicht über die Antriebswelle, hergestellt ist. Vielmehr kann es vorgesehen sein, dass das wenigstens eine Drehmomentübertragungselement in axialer Richtung zwischen ihnen vorliegt, der Rotor und das Anschlusselement also insoweit in axialer Richtung voneinander beabstandet sind. Im Einzelnen ist demnach zwischen dem Rotor und dem Drehmomentübertragungselement sowie dem Drehmomentübertragungselement und dem Anschlusselement jeweils Drehmoment übertragbar. Sind mehrere Drehmomentübertragungselemente vorgesehen, so sind diese derart zueinander angeordnet, dass zwischen jeweils zwei ebenfalls Drehmoment übertragbar ist. Entsprechend ergibt sich eine Drehmomentübertragungskette, also die erste Drehmomentübertragungsverbindung, zwischen dem Rotor und dem Anschlusselement über das mindestens eine Drehmomentübertragungselement. Mithilfe des Drehmomentübertragungselements kann der Abstand in axialer Richtung zwischen dem Rotor und dem Anschlusselement vergrößert werden, ohne dass der Rotor oder das Anschlusselement selbst vergrößert werden müssen.
Schließlich kann es vorgesehen sein, dass das Drehmomentübertragungselement ein Distanzring, ein Kugellager oder ein Lüfterrad ist. Anstelle des Distanzrings kann auch eine Distanzhülse mit einer größeren axialen Erstreckung vorgesehen sein. Das Kugellager dient der Lagerung der Antriebswelle und damit auch der auf diesen angeordneten Elementen, wie beispielsweise dem Rotor und dem Anschlusselement. Anstelle des Kugellagers kann selbstverständlich auch ein beliebiges Lager, insbesondere ein beliebiges Wälzlager, vorgesehen sein. Das Lüfterrad ist Bestandteil eines Lüfters, welcher der Kühlung der elektrischen Maschine dient. Das Lüfterrad verfügt üblicherweise über mehrere Schaufeln, welche bei einer Rotation der Antriebswelle einen Luftstrom in Richtung des Rotors oder in umgekehrter Richtung, insbesondere also über oder durch den Rotor, bewirken.
Die Antriebswelle kann wenigstens bereichsweise als Hohlwelle ausgebildet sein. Beispielsweise weist sie eine die dem Rotor abgewandte Stirnseite der Antriebswelle durchgreifende Ausnehmung auf, in welcher eine Innenverzahnung vorgesehen ist, welche dem Eingriff eines Werkzeugs zum Fixieren einer Drehwinkelposition der Antriebswelle während der Montage der elektrischen Maschine dient.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Montage einer elektrischen Maschine, insbesondere gemäß den vorstehenden Ausführungen, wobei die elektrische Maschine eine Antriebswelle aufweist, auf der ein Rotor und ein Anschlusselement angeordnet werden und bei welcher eine zumindest teilweise kraftschlüssige Drehmomentübertragungsverbindung zwischen dem Rotor und dem Anschlusselement ausgebildet wird, indem das Anschlusselement mittels eines Befestigungselements in wenigstens die von dem Rotor abgewandte Richtung axial festgelegt wird. Dabei ist vorgesehen, dass das Befestigungselement von einer die Antriebswelle und das Anschlusselement verbindenden, insbesondere zusätzlich dem tangentialen Festlegen des Anschlusselements bezüglich der Antriebswelle dienende, Verstemmung gebildet wird. Die elektrische Maschine kann gemäß den vorstehenden Ausführungen weitergebildet sein.
Bei der Montage der elektrischen Maschine wird die Antriebswelle bereitgestellt und anschließend der Rotor, das Anschlusselement sowie unter Umständen wenigstens ein Drehmomentübertragungselement auf der Antriebswelle angeordnet. Dabei kann es vorgesehen sein, den Rotor beispielsweise durch Crimpen mit der Antriebswelle zu verbinden und so zumindest in axialer Richtung festzulegen. Alternativ kann der Rotor jedoch auch mit der Antriebswelle verstemmt werden. Dazu ist insbesondere eine plastische Verformung des Rotors vorgesehen. Das Anschlusselement sowie das Drehmomentübertragungselement sind üblicherweise auf der Antriebswelle drehbar angeordnet oder alternativ auf diese aufgepresst, sodass eine kraftschlüssige und/oder formschlüssige Verbindung vorliegt. Anschließend wird zur Fixierung des Anschlusselements wenigstens in die von dem Rotor abgewandte Richtung die Verstemmung ausgebildet.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dass eine Beschränkung der Erfindung erfolgt. Dabei zeigen:
1 einen Längsschnitt durch eine elektrische Maschine mit einer Antriebswelle, auf der ein Rotor und ein Anschlusselement angeordnet sind,
2 eine Detailansicht der Antriebswelle und des Anschlusselements, und
3 eine Detailansicht der Antriebswelle.
Die 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine elektrische Maschine 1, die beispielsweise als Motor, Generator oder als Motor-Generator vorliegt. Sie verfügt über eine Antriebswelle 2, über welche sie ein Drehmoment abgeben oder aufnehmen kann. Auf der Antriebswelle 2 ist ein Rotor 3 und, vorzugsweise in axialer Richtung zu dem Rotor 3 beabstandet, ein Anschlusselement 4 angeordnet. Das Anschlusselement 4 liegt beispielsweise als Riemenscheibe vor, weist also eine Lauffläche 5 für ein biegeschlaffes Umschlingungsmittel auf, beispielsweise für einen Riemen. Das Anschlusselement 4 ist mittels eines Befestigungselements 6 an der Antriebswelle 2 befestigt und wird von diesen wenigstens in die von dem Rotor abgewandte Richtung festgesetzt oder in Richtung des Rotors 3 gedrängt. Auf diese Weise steht eine in axialer Richtung (also parallel zu einer Längsachse 7 der elektrischen Maschine 1) wirkende Kraft. Der Rotor 3 weist eine Wicklung 8 auf und ist mittels der Lager 9 und 10 drehbeweglich gelagert. Ein Stator 11 der elektrischen Maschine 1 ist beidseitig durch Lagerschilde 12 und 13 fixiert, welche auch die Lager 9 und 10 aufnehmen. Die Ansteuerung von Rotor 3 und Stator 11 erfolgt über eine Leistungselektronik 14, die an dem Lagerschild 13 befestigt ist.
Bei der hier vorgestellten elektrischen Maschine 1 ist, was hier nicht erkennbar ist, eine erste Drehmomentübertragungsverbindung zwischen dem Anschlusselement 4 und dem Rotor 3 hergestellt. Diese erste Drehmomentübertragungsverbindung ist wenigstens teilweise kraftschlüssig, oder sogar vollständig kraftschlüssig. Das bedeutet, dass das Drehmoment zwischen dem Rotor 3 und dem Anschlusselement unter Umständen vollständig durch Kraftschluss über die erste Drehmomentübertragungsverbindung übertragen werden kann. Die erste Drehmomentübertragungsverbindung liegt dabei nicht über die Antriebswelle, also unmittelbar zwischen dem Anschlusselement 4 und dem Rotor 3 vor.
Anhand der 2 wird die Fixierung des Anschlusselements 4 bezüglich der Antriebswelle 2 mittels des Befestigungselements 6 näher erläutert. Es wird deutlich, dass das Anschlusselement 4 eine Wellenaufnahme 15 zur Aufnahme der Antriebswelle 2 aufweist. In dieser Wellenaufnahme 15 sind ein erster Befestigungsbereich 16 und ein zweiter Befestigungsbereich 17 der Antriebswelle 2 wenigstens bereichsweise angeordnet. Diese liegen in axialer Richtung (bezüglich der Längsachse 7) unmittelbar benachbart zueinander vor, wobei der erste Befestigungsbereich 16 dem Rotor 3 zugewandt ist. Der erste Befestigungsbereich 16 weist in radialer Richtung größere Abmessungen, insbesondere also einen größeren Durchmesser auf als der zweite Befestigungsbereich 17. Die Wellenaufnahme 15 ist vor der Ausbildung des Befestigungselements 6 durchmesserkonstant und durchgreift eine dem Rotor 3 abgewandte Stirnfläche 18 des Anschlusselements 4. Nach der Ausbildung des Befestigungselements 6 ist, wie in der 2 dargestellt, die radiale Abmessung, also der Durchmesser, der Wellenaufnahme 15 wenigstens bereichsweise verringert.
Dabei greift das Befestigungselement 6 in radialer Richtung in eine Umfangsnut 19 ein, die an der Antriebswelle 2 in dem zweiten Befestigungsbereich 17 vorgesehen ist. Durch dieses Eingreifen ist eine Hintergriffsverbindung zwischen der Antriebswelle 2 und dem Anschlusselement 4 ausgebildet, welches ein Verlagern des Anschlusselements 4 in die dem Rotor 3 abgewandte Richtung verhindert. Auf diese Weise kann eine in axialer Richtung wirkende Vorspannkraft zwischen dem Rotor 3 und dem Anschlusselement 4 aufrechterhalten werden und so die wenigstens teilweise kraftschlüssige erste Drehmomentübertragungsverbindung ausgebildet werden. Die Umfangsnut 19 ist Bestandteil einer Haltestruktur 20, welche in dem zweiten Befestigungsbereich 17 an der Antriebswelle 2 ausgebildet ist. Neben der Umfangsnut 19 können auch hier nicht dargestellte Axialrippen 21 vorgesehen sein, welche bei der Montage der elektrischen Maschine 1 mit einer Wand der Wellenaufnahme 15 zum Ausbilden einer kraftschlüssigen und/oder formschlüssigen Verbindung zusammenwirken. Entsprechend liegt also eine weitere, zweite Drehmomentübertragungsverbindung vor, welche eine Drehmomentübertragung zwischen dem Anschlusselement 4 und der Antriebswelle 2 ermöglicht. Ist auch der Rotor 3 drehfest mit der Antriebswelle 2 verbunden, so liegt eine mittelbare zweite Drehmomentübertragungsverbindung zwischen dem Rotor 3 und dem Anschlusselement 4 über die Antriebswelle 2 vor.
Die Wellenaufnahme 15 und der erste Befestigungsbereich 16 der Antriebswelle 2 sind derart aufeinander abgestimmt, dass zwischen ihnen eine Presspassung vorliegt. Bei der Montage der elektrischen Maschine wird das Anschlusselement 4 demnach auf die Antriebswelle 2 aufgepresst. Vor dem Ausbilden des Befestigungselements 6 liegt dagegen zwischen dem zweiten Befestigungsbereich 17 und das Anschlusselement 4 nicht in Berührkontakt. Erst nach dem Ausbilden des Befestigungselements 6 liegt auch zwischen dem zweiten Befestigungsbereich 17 und dem Anschlusselement 4 vorzugsweise eine Presspassung vor. Auf diese Weise kann zum Herstellen der zweiten Drehmomentübertragungsverbindung ein Übertragen eines Drehmoments zwischen dem Anschlusselement 4 und der Antriebswelle 2 vorgesehen sein.
In axialer Richtung zwischen dem Rotor 3 und dem Anschlusselement 4 liegen mehrere Drehmomentübertragungselemente 22 vor. Eines dieser Drehmomentübertragungselemente 22 ist als Lagerschale 23 des Lagers 9 ausgebildet. Das Lager 9 ist dabei vorzugsweise ein Kugellager, wie in der 2 zu erkennen ist. Prinzipiell kann jedoch jede beliebige Lagerart vorgesehen sein. Die Lagerschale 23 wird von als Distanzringen 24 ausgebildeten Drehmomentübertragungselementen 22 – in axialer Richtung gesehen – beidseitig eingefasst. Die Drehmomentübertragungselemente 22 können ebenso wie das Anschlusselement 4 auf der Antriebswelle 2 drehbar angeordnet sein. Das bedeutet, dass in diesem Fall keine formschlüssige oder stoffschlüssige Verbindung unmittelbar zwischen diesen Elementen und der Antriebswelle 2 vorliegt. Die Drehmomentübertragung zwischen dem Rotor 3 und dem Anschlusselement 4 erfolgt bei einer solchen Ausführungsform entsprechend allein durch die kraftschlüssige erste Drehmomentübertragungsverbindung, welche über die Drehmomentübertragungselemente 22 hergestellt ist.
Zu diesem Zweck drängt das Befestigungselement 6 nicht nur das Anschlusselement 4, sondern auch die Drehmomentübertragungselemente 22 in Richtung des Rotors 3. Die Antriebswelle 2 wirkt der dabei entstehenden Kraft entgegen. Durch das Drängen des Anschlusselements 4 in Richtung des Rotors 3 wird zwischen dem Anschlusselement 4 und dem nächstgelegenen Drehmomentübertragungselement 22, zwischen den jeweils benachbarten Drehmomentübertragungselementen 22, sowie dem Rotor 3 und dem diesen benachbarten Drehmomentübertragungselement 22 das kraftschlüssige Übertragen eines Drehmoments ermöglicht, sodass insgesamt eine kraftschlüssige Drehmomentübertragungskette, also die erste Drehmomentübertragungsverbindung, zwischen dem Rotor 3 und dem Anschlusselement 4 vorliegt. Die Antriebswelle 2 überträgt demnach kein oder lediglich einen kleinen Teil des Drehmoments zwischen dem Rotor 3 und dem Anschlusselement 4. Vielmehr dient sie im Wesentlichen der axialen Verspannung von Anschlusselement 4, Drehmomentübertragungselementen 22 und Rotor 3.
Das Anschlusselement 4 wird mittels des Befestigungselements 6 in Richtung des Rotors 2 gedrängt. Das Befestigungselement 6 liegt dabei als Verstemmung vor, welche die Antriebswelle 2 und das Anschlusselement 4 verbindet. Das Befestigungselement 6 ist dabei in erster Linie zum axialen Festlegen des Anschlusselements 4 in wenigstens die von dem Rotor 3 abgewandte axiale Richtung vorgesehen. Zusätzlich kann es jedoch auch zur Übertragung eines Drehmoments zwischen dem Anschlusselement 4 und der Antriebswelle 2 vorgesehen sein, sodass in diesem Fall das Übertragen eines Drehmoments zwischen dem Rotor 3 und dem Anschlusselement 4 nicht ausschließlich unmittelbar zwischen Rotor 3 und Anschlusselement 4 beziehungsweise über die Drehmomentübertragungselemente 22, also über die unmittelbare erste Drehmomentübertragungsverbindung, bewirkt wird. Vielmehr wird ein Teil des Drehmoments über die Antriebswelle 2 und entsprechend über die mittelbare zweite Drehmomentübertragungsverbindung übertragen.
Die 3 zeigt eine Detailansicht der Antriebswelle 2. Es wird deutlich, dass der erste Befestigungsbereich 16 von den Axialrippen 21 (von welchen lediglich eine beispielhaft gekennzeichnet ist) in axialer Richtung durchsetzt ist. In dem zweiten Befestigungsbereich 17 liegt dagegen nur die Umfangsnut 19 vor. Die Axialrippen 21 erstrecken sich ausgehend von einem Grundkörper 25 der Antriebswelle 2 in radialer Richtung nach außen. Der Grundkörper 25 weist einen geringeren Durchmesser auf als sich in Richtung des Rotors 3 anschließende Bereiche der Antriebswelle 2. Die Wellenaufnahme 15 soll nun einen Innendurchmesser aufweisen, welcher dem Außendurchmesser des Grundkörpers 25 entspricht oder lediglich geringfügig größer als dieser ist. Bei einem Aufpressen des Anschlusselements 4 auf die Antriebswelle 2 wird in dem Anschlusselement 4 eine den Axialrippen 21 entsprechende Gegenkontur ausgebildet, welche mit diesen zum Ausbilden der zweiten Drehmomentübertragungsverbindung zusammenwirkt.
In axialer Richtung beabstandet zu dem ersten Befestigungsbereich 16 ist ein Befestigungsbereich 26 für den Rotor 3 (hier nicht dargestellt) vorgesehen. Dieser besteht aus mehreren in axialer Richtung zueinander beabstandeten Umfangsnuten 27, von welchen wiederum lediglich eine beispielhaft gekennzeichnet ist. Der Rotor 3 wird nun in axialer Richtung analog zu dem Anschlusselement 4 durch Verstemmen mit der Antriebswelle 2 festgesetzt. Dabei wird ein Bereich des Rotors 3 derart verformt, dass er in die Umfangsnuten 27 des Befestigungsbereichs 26 eindringt. Auf diese Weise ist der Rotor 3 zuverlässig bezüglich der Antriebswelle 2 gehalten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007036313 A1 [0005]
DE 19507860 A1 [0005]

Claims

Elektrische Maschine (1) mit einer Antriebswelle (2), auf der ein Rotor (3) und ein Anschlusselement (4) angeordnet sind und bei welcher eine zumindest teilweise kraftschlüssige Drehmomentübertragungsverbindung zwischen dem Rotor (3) und dem Anschlusselement (4) ausgebildet ist, in dem zum axialen Festlegen des Anschlusselements (4) in wenigstens die von dem Rotor (3) abgewandte Richtung ein Befestigungselement (6) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (6) eine die Antriebswelle (2) und das Anschlusselement (4) verbindende, insbesondere zusätzlich dem tangentialen Festlegen des Anschlusselements (4) bezüglich der Antriebswelle (2) dienende, Verstemmung ist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstemmung (6) an einer dem Rotor (3) abgewandten Stirnfläche (18) des Anschlusselements (4) ausgebildet ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anschlusselement (4) eine Wellenaufnahme (15) zur Aufnahme der Antriebswelle (2) aufweist und die Verstemmung (6) die radialen Abmessungen der Wellenaufnahme (15) wenigstens bereichsweise verringert.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Wellenaufnahme (15) wenigstens ein Befestigungsbereich (16, 17) der Antriebswelle (2) vorliegt, insbesondere einem Rotor (3) zugewandter erster Befestigungsbereich (16) und ein unmittelbar benachbarter, dem Rotor (3) abgewandter zweiter Befestigungsbereich (17), wobei der zweite Befestigungsbereich (17) in radialer Richtung geringere Abmessungen aufweist als der erste Befestigungsbereich (16).
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Befestigungsbereich (16) und dem Anschlusselement (4) in radialer Richtung eine Presspassung vorgesehen ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Ausbilden der Verstemmung (6) der zweite Befestigungsbereich (17) und das Anschlusselement (4) nicht in Berührkontakt stehen und erst nach dem Ausbilden der Verstemmung (6) eine Presspassung zwischen dem zweiten Befestigungsbereich (17) und dem Anschlusselement (4) vorliegt.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (2) in dem Befestigungsbereich (16, 17), insbesondere in dem ersten und/oder zweiten Befestigungsbereich (17), eine Haltestruktur (20) aufweist.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltestruktur (20) mindestens eine Umfangsnut (19), in welche die Verstemmung (6) zumindest bereichsweise eingreift, und/oder wenigstens eine in radialer Richtung über einen Grundkörper (25) der Antriebswelle (2) überstehende Axialrippe (21) aufweist, mittels welcher die Presspassung nach dem Ausbilden der Verstemmen (6) hergestellt ist.
Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Antriebswelle (2) zwischen dem Rotor (3) und dem Anschlusselement (4) – in axialer Richtung gesehen – mindestens ein Drehmomentübertragungselement (22) angeordnet ist, das zur kraftschlüssigen Drehmomentübertragung zwischen dem Rotor (3) und dem Anschlusselement (4) vorgesehen ist
Verfahren zur Montage einer elektrischen Maschine (1), insbesondere nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrische Maschine (1) eine Antriebswelle (2) aufweist, auf der ein Rotor (3) und ein Anschlusselement (4) angeordnet werden und bei welcher eine zumindest teilweise kraftschlüssige Drehmomentübertragungsverbindung zwischen dem Rotor (3) und dem Anschlusselement (4) ausgebildet wird, in dem das Anschlusselement (4) mittels eines Befestigungselements (6) in wenigstens die von dem Rotor (3) abgewandte Richtung axial festgelegt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (6) von einer die Antriebswelle (2) und das Anschlusselement (4) verbindenden, insbesondere zusätzlich dem tangentialen Festlegen des Anschlusselements (4) bezüglich der Antriebswelle (2) dienende, Verstemmung gebildet wird.