DE102015008936A1 - Blechpaket für einen Rotor einer elektrischen Maschine - Google Patents

Abstract

Blechpaket (2) für einen Rotor (1) einer elektrischen Maschine, umfassend eine Anzahl von gestapelten Elektro-Blechen (2.2 bis 2.n – 1) mit einer Blechstärke, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Elektro-Blechen (2.2 und 2.n – 1) an Enden des Blechpakets (2) jeweils eine Endplatte (2.1, 2.n) angeordnet ist, die eine Stärke aufweist, die deutlich größer als die Blechstärke der Elektro-Bleche (2.2 bis 2.n – 1) ist, wobei die Endplatten (2.1, 2.n) jeweils mit einem Kerbradius (r) versehen sind, der zumindest annähernd der Stärke der Endplatte (2.1, 2.n) entspricht.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Blechpaket für einen Rotor einer elektrischen Maschine.
• Aus der DE 10 2012 214 772 A1 ist ein Rotor für eine elektrische Maschine bekannt, umfassend ein Blechpaket, das aus einer Mehrzahl von geschichteten Blechen gebildet ist, wobei die geschichteten Bleche überlappende Ausnehmungen aufweisen, die Öffnungen durch das Blechpaket bilden, eine Mehrzahl von Rotorstäben, die in den Öffnungen durch das Blechpaket verlaufen, und wenigstens einen Kurzschlussring an einem Ende des Blechpakets, der die Rotorstäbe elektrisch verbindet. Die Rotorstäbe und der Kurzschlussring sind an das Blechpaket angegossen. Wenigstens eine Öffnung durch das Blechpaket weist an einem Ende zumindest an einem Umfangsabschnitt einen zurückweichenden Rand auf.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein verbessertes Blechpaket für einen Rotor einer elektrischen Maschine anzugeben.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Blechpaket für einen Rotor einer elektrischen Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
• Erfindungsgemäß umfasst ein Blechpaket für einen Rotor einer elektrischen Maschine eine Anzahl von gestapelten Elektro-Blechen mit einer Blechstärke, wobei auf den Elektro-Blechen an Enden des Blechpakets jeweils eine Endplatte angeordnet ist, die eine Stärke aufweist, die deutlich größer als die Blechstärke der Elektro-Bleche ist, wobei die Endplatten jeweils mit einem Kerbradius r versehen sind, der zumindest annähernd der Stärke der Endplatte entspricht.
• Der Rotor, insbesondere für eine Asynchronmaschine, kann beispielsweise ein Blechpaket aus E-Blechen, zum Beispiel M250-35A, und einen Kurzschlussring aus einer Aluminiumlegierung, der durch Angießen an das Blechpaket gebildet wird. An einem Übergangspunkt zwischen Blechpaket und Kurzschlussring liegt eine Kerbe mit einem Kerbfaktor vor, der in herkömmlichen Blechpaketen bedingt durch die typischen Blechstärken der E-Bleche recht groß sein kann und beispielsweise einen Kerbfaktor größer als 5 aufweist. Herkömmliche E-Bleche mit einer typischen Blechdicke von 0,3 mm erlauben einen fertigungstechnisch möglichen Kerbradius von 0,03 mm bis 0,1 mm, was zu einem hohen Kerbfaktor von mehr als 5 führt. Dieser hohe Kerbfaktor führt zu einer erheblichen Belastung des Rotors und damit zur Reduzierung der Lebensdauer des Rotors. Durch das erfindungsgemäße Blechpaket erhöht sich der Kerbradius von bisher 0,03 mm bis 0,1 mm, beispielsweise auf mehr als 1 mm, insbesondere auf mehr als 3 mm. Ein Kerbradius von 3 mm führt zur Steigung des Neigungsexponenten k einer Wöhlerlinie. Dies ermöglicht einen Anstieg einer Dauerfestigkeit beziehungsweise der Drehzahldauerfestigkeit des Rotors um einen Faktor von etwa 1,2 bis 1,5.
• Die Erhöhung des Kerbradius auf 3 mm führt zu einer geringeren Kerbwirkung zwischen Blechpaket und Kurzschlussring. Dadurch erhöht sich die Dauerfestigkeit beziehungsweise die Drehzahldauerfestigkeit um den Faktor 1,2 bis 1,5 und ermöglicht eine längere Lebensdauer des Rotors, der beispielsweise Teil einer elektrischen Maschine eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs sein kann. Die reduzierte Kerbwirkung führt zu einem Anstieg der Dauerfestigkeit beziehungsweise der Drehzahldauerfestigkeit und dem Neigungsexponenten. Die geringere Schädigung des Rotors die dadurch im Fahrzyklus zu stande kommt, führt zu einer geringeren Ausfallrate und damit zu mehr Zuverlässigkeit der elektrischen Maschine.
• Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
• Dabei zeigen:
• 1 eine schematische Ansicht zweier Bauteile mit und ohne Kerbe zur Erläuterung einer Kerbwirkung,
• 2 ein Diagramm zur Darstellung von Drehzahl-, und Spannungsverhältnissen bei Zug-Druck-, Zugschwell- und Zugwechselbeanspruchung,
• 3 ein Diagramm, in dem eine Stützziffer und eine Zugfestigkeit über einem bezogenen Spannungsgradienten für eine Aluminium-Knetlegierung und eine Aluminium-Gusslegierung dargestellt ist,
• 4 ein Diagramm zur Ermittlung eines Größenfaktors in Abhängigkeit von einem effektiven Durchmesser eines Kurzschlussrings eines Rotors für verschiedene Materialien,
• 5 eine schematische Ansicht einer Ausführungsform eines Rotors einer elektrischen Maschine, und
• 6 eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines Rotors einer elektrischen Maschine.
• Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
• 1 zeigt eine schematische Ansicht zweier Bauteile 1, 1' zur Erläuterung einer Kerbwirkung. Die Bauteile 1, 1' sind im gezeigten Beispiel zylindrisch ausgebildet. Das Bauteil 1 weist eine glatte, zylindrische Oberfläche ohne Kerbe auf, während das Bauteil 1' eine Kerbe 4 in Umfangsrichtung des Bauteils 1' aufweist.
• Die Kerbwirkung tritt an eingeschnittenen oder gekerbten Körpern, das heißt im gezeigten Beispiel am Bauteil 1', auf, wenn diese auf Zug, Scherung oder Torsion belastet werden.
• Die Kerbwirkung beansprucht Bauteile in technischen Anwendungen und begrenzt ihre Festigkeit und ist daher meist unerwünscht.
• Nach folgender Beziehung der gekerbten und ungekerbten Bauteile 1, 1' kann die Dauerfestigkeit durch eine Reduzierung der Kerbe 4 erhört werden.
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• Im gezeigten vereinfachten Fall kann durch das Reduzieren der Kerbe um 30% bis 50% eine Erhöhung der Dauerfestigkeit um etwa 1,3 bis 1,5 erzielt werden.
• Bezogen auf die Dauerfestigkeit σ_AD beziehungsweise der Drehzahldauerfestigkeit n_AD eines Bauteils, beispielsweise eines Rotors einer elektrischen Maschine, mit einem Kerbradius r von 0,1 mm, wird in der folgenden Rechnung gezeigt, dass sich die Dauerfestigkeit σ_AD beziehungsweise der Drehzahldauerfestigkeit n_AD des Rotors mit einem größeren Kerbradius r von beispielsweise 3 mm erhöht.
• Die ertragbare Dauerfestigkeit σ_AD beziehungsweise der Drehzahldauerfestigkeit n_AD für eine definierte Ausfallwahrscheinlichkeit PA wurde mit Hilfe von Schwingfestigkeitsversuchen wie folgt ermittelt:
  Das Spannungs-, Drehzahlverhältnis R beschreibt den Zustand der Beanspruchung im Betrieb oder Versuchsdurchlauf. Unterschieden wird hierbei in Zug-Druck-, Zugschwell- und Zugwechselbeanspruchung wie in 2 dargestellt.
• Im betrachteten Fall wird eine Zugwechselbeanspruchung zu Grunde gelegt. Das Spannungsverhältnis R wird im Folgenden als Drehzahlverhältnis R bezeichnet. Es wird aus einer unteren Drehzahlamplitude n_u- und einer oberen Drehzahlamplitude n_o- eines zyklischen Schleuderversuches folgendes Drehzahlverhältnis R ermittelt.
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• Der zyklische Schleuderversuch weist keine Änderung des Spannungsverhältnisses R während der gesamten Messung auf. Im betrachteten Fall wird eine Zugwechselbeanspruchung zugrunde gelegt. Das Spannungsverhältnis R wird im weiteren Verlauf als Drehzahlverhältnis R bezeichnet. Dieser Zusammenhang bezüglich der Spannung σ und Rotordrehzahl n ist über die auftretende Zentrifugalkraft F_zr und dem Zug-Druck-Zusammenhang mit Bezug auf die Rotorfläche A_Rotor wie folgt definiert:

  
• Setzt man die Winkelgeschwindigkeit ω des Rotors in die Zentrifugalkraft F_zr ein, erhält man die Zentrifugalkraft F_zr in Abhängigkeit der Rotordrehzahl n. ω = 2·π·n / 60 F_zr = m( 2·π·n / 60)²r
• Setzt man nun die Zentrifugalkraft F_zr in die Spannung σ ein, erhält man den Spannungswert σ in Abhängigkeit der Rotordrehzahl n.
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• Nach Auflösung der Rotordrehzahl n, ist der Zusammenhang zwischen dem Spannungsverhältnis R und dem Drehzahlverhältnis R hergeleitet.
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• Im weiteren Verlauf wird das Spannungsverhältnis R als Drehzahlverhältnis R ersetzt und verwendet werden.
• Die Probenwechselfestigkeit σ_{W R=–1} beschreibt die Wechselfestigkeit, die bei einer idealen Probe glatt und ohne Kerbe bei einem Drehzahlverhältnis R = –1 zugrunde gelegt wird. Sie wird mit dem Wechselfestigkeitsfaktor f_W und der Mindestzugfestigkeit R_m aus dem Schwingfestigkeitsversuch für eine Aluminiumknetlegierung wie folgt ermittelt: σ_{W R=–1} = f_w·R_m
• Durch die Mittelspannungsempfindlichkeit M kann die Änderung der Probenwechselfestigkeit σ_W über der Mittelspannung σ_m beschrieben werden. Über den Mittelspannungsfaktor C_M wird die Probenwechselfestigkeit σ_{W Ri} für das Drehzahlverhältnis R_i errechnet. Die Mittelspannungsempfindlichkeit M wird berechnet über die Mindestzugfestigkeit R_m und festgelegten empirisch ermittelten Parametern: M = 1,0·10^–3 R_m – 0,04
• Der Mittelspannungsfaktor C_M wird für ein konstantes Drehzahlverhältnis R auf den zyklischen Schleuderversuch mit der Mitteldrehzahl n_m und der Drehzahl-amplitude n_a wie folgt berechnet.

  
• Bezugnehmend auf das konstante Drehzahlverhältnis R wird mit Hilfe des Mittelspannungsfaktors C_M das Drehzahlverhältnis von R = –1 nach R ungefähr 0 umgerechnet. Die ertragbare Probenwechselfestigkeit σ_{W Ri} für ein Drehzahlverhältnis von Ri eines ungekerbten und glatten Bauteiles wurde wie folgt ermittelt. σ_{W Ri} = σ_{W R=–1}·C_M
• Um die Einflüsse der Kerbwirkung mit zu berücksichtigen, wurde die Stützzahl n_σ(r) des Rotors in Abhängigkeit vom Kerbradius r = 3 mm auf einen Spannungsgradienten G_σr für eine Zug-Druck-Beanspruchung berechnet: G_σr = 2 / r Kerbe = 0,333 1 / mm
• Dieser Spannungsgradient G_σ bezieht sich auf den Einfluss der Kerbe 4, und nicht auf die Beanspruchungsart, der das Bauteil unterliegt.
• Aus dem Milderungsfaktor G_σ wurde die Stützzahl n_σ(r) des Bauteils in Abhängigkeit des Kerbradius r aus dem Diagramm in 3 ermittelt, in dem die Stützziffer n_σ und die Zugfestigkeit R_m in N/mm² über dem bezogenen Spannungsgradienten G_σ für eine Aluminium-Knetlegierung A1 und eine Aluminium-Gusslegierung A2 dargestellt sind.
• Die Stützzahl n_σ(d) des Bauteils in Abhängigkeit des Durchmessers, die ebenfalls einen Einfluss auf die Kerbe 4 bildet, nimmt einen Wert > 1 erst durch Beanspruchung von Biegung oder Torsion an. In diesem Lastfall wird der Einfluss der Zug-Druck-Beanspruchung analysiert, wodurch nur die Stützzahl n_σ(r) des Bauteils in Abhängigkeit des Kerbradius r einen Einfluss auf die Minderung der Kerbformzahl k_t beinhaltet.
• Mit Hilfe der Kerbformzahl k_t = 3 und der Stützzahl n_σ(r) des Bauteils in Abhängigkeit des Kerbradius r wurde die abgeminderte Kerbwirkungszahl K_f wie folgt ermittelt:

  
• Für die weitere Berechnung zur Bauteildauerfestigkeit wurde ein geometrischer Größenfaktor C_G des Rotors ermittelt. Der Größenfaktor C_G wurde aus dem Diagramm der 4 ermittelt und in die Berechnung miteinbezogen. 4 zeigt ein Diagramm zur Ermittlung des Größenfaktors C_G in Abhängigkeit vom effektiven Durchmesser d_eff eines Kurzschlussrings des Rotors für Baustahl M1, Feinkornbaustahl M2, Vergütungsstahl M3, Einsatzstahl M4, Nitrierstahl M5 und Aluminiumguss M6. Zunächst wird hierfür die genaue Breite des Kurzschlussrings ermittelt, und als der effektive Durchmesser den definiert. Mit Hilfe des Diagramms aus 4 wird der Größenfaktor C_G abgelesen.
• Für einen Randschichtfaktor C_R, Schutzschichtfaktor C_s, GG-Konstante C_NL und Oberflächenfaktor C_O wurde der Wert 1 angenommen. In anderen Konfigurationen können diese Größen andere Werte annehmen.
• Mit Hilfe der ertragbaren Probenwechselfestigkeit σ_{W Ri} für ein Drehzahlverhältnis Ri und den ermittelten Kennwerten aus der obigen Berechnung, wurde die Bauteildauerfestigkeit σ_{AD Bauteil} des Rotors bezogen auf eine Dauerfestigkeitsschwingspielzahl N_AD = 1·10⁶ berechnet.
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• Im Vergleich zu einer Bauteilfestigkeit von ungefähr 8 N/mm² eines Rotors mit einem Kerbradius r von 0,1 mm ist die Bauteilfestigkeit von ungefähr 12 N/mm² des Rotors mit einem Kerbradius r von 3 mm um den Faktor ungefähr 1,5 angestiegen.
• 5 zeigt eine schematische Ansicht einer Ausführungsform eines Rotors 1 einer elektrischen Maschine.
• Der Rotor 1, insbesondere für eine Asynchronmaschine, kann beispielsweise ein Blechpaket 2 aus Elektro-Blechen 2.1 bis 2.n, zum Beispiel M250-35A, und einen Kurzschlussring 3 aus einer Aluminiumlegierung, umfassen. An einem Übergangspunkt zwischen Blechpaket 2 und Kurzschlussring 3 liegt eine Kerbe 4 vor. Bei der Herstellung des Rotors 1 wird zunächst das Blechpaket 2 zusammengesetzt und dann mit der Aluminiumlegierung zur Herstellung des Kurzschlussrings ausgegossen. Dabei entsteht die Kerbe 4 an den Enden des Blechpakets 2.
• Herkömmliche Elektro-Bleche mit einer typischen Blechdicke von 0,3 mm erlauben einen fertigungstechnisch möglichen Kerbradius r von 0,03 mm bis 0,1 mm, was zu einem erhöhten Kerbfaktor k_t führt. Dieser hohe Kerbfaktor k_t führt zu einer erheblichen Belastung des Rotors und damit zur Reduzierung der Lebensdauer des Rotors.
• In der gezeigten ersten Ausführungsform umfasst das Blechpaket 2 Elektro-Bleche 2.1 bis 2.n gleicher Stärke, beispielsweise 0,3 mm. An den Enden des Blechpakets 2 sind jedoch Elektro-Bleche mit derart abgestuften Außenabmessungen, beispielsweise Durchmesser, vorgesehen, so dass sich ein vergrößerter Kerbradius r von beispielsweise 3 mm ergibt.
• 6 zeigt eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines Rotors 1 einer elektrischen Maschine.
• Der Rotor 1 entspricht weitgehend dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel. Im Unterschied dazu umfasst das Blechpaket 2 in der gezeigten zweiten Ausführungsform Elektro-Bleche 2.2 bis 2.n – 1 gleicher Stärke, beispielsweise 0,3 mm. An den Enden des Blechpakets 2 sind jedoch Elektro-Bleche oder Endplatten 2.1 und 2.n mit einer größeren Dicke, beispielsweise mehr als 1 mm, insbesondere 3 mm, vorgesehen, die mit einem entsprechend großen Kerbradius r, beispielsweise mehr als 1 mm, insbesondere 3 mm, versehen sind.
• Die Endplatten 2.1, 2.n können Teil des Blechpakets 2 sein oder als zusätzliche Elemente am Blechpaket 2 angebracht werden. Auf diese Weise kann eine Herstellung der Blechpakete 2 weitgehend unverändert erfolgen und die Endplatten 2.1, 2.n anschließend beidseitig angefügt werden. Der Kerbradius r von beispielsweise 3 mm kann vor oder nach dem Anfügen der Endplatten 2.1, 2.n am Blechpaket 2 in die Endplatten 2.1, 2.n eingearbeitet werden.
• Durch die in den 5 und 6 gezeigten Blechpakete 2 erhöht sich der Kerbradius r von bisher 0,03 mm bis 0,1 mm, beispielsweise auf mehr als 1 mm, insbesondere auf mehr als 3 mm. Ein Kerbradius r von 3 mm führt zur Steigung des Neigungsexponenten k einer Wöhlerlinie. Dies ermöglicht einen Anstieg einer Dauerfestigkeit um einen Faktor von etwa 1,2 bis 1,5. Dies ermöglicht eine längere Lebensdauer des Rotors, der beispielsweise Teil einer elektrischen Maschine eines elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs sein kann. Die reduzierte Schädigung des Rotors im Fahrzyklus führt zu einer geringeren Ausfallrate und damit zu mehr Zuverlässigkeit der elektrischen Maschine.
• Der Kerbradius r kann an im Kurzschlussring 3 vorgesehenen Kurzschlussstäben (nicht dargestellt) oder am eigentlichen Kurzschlussring 3, der das Blechpaket 2 vollständig umschließen kann, vorgesehen sein. Eine Kerbwirkung k_t tritt somit nicht nur an den Kurzschlussstäben sondern an jeder Umfangsstelle des Rotors 1 zwischen dem Blechpaket 2 und dem Kurzschlussring 3 auf.
• Bezugszeichenliste

1

Bauteil, Rotor

1'

Bauteil, Rotor

2

Blechpaket

2.1

Elektro-Blech, Endplatte

2.2 bis 2.n – 1

Elektro-Blech

2.n

Elektro-Blech, Endplatte

3

Kurzschlussring

4

Kerbe

A1

Aluminium-Knetlegierung

A2

Aluminium-Gusslegierung

C_G

Größenfaktor

d_eff

effektiver Durchmesser

G_σ

Milderungsfaktor, bezogener Spannungsgradient

k_t

Kerbformzahl

M1

Baustahl

M2

Feinkornbaustahl

M3

Vergütungsstahl

M4

Einsatzstahl

M5

Nitrierstahl

M6

Aluminiumguss

n

Drehzahl

n_a

Drehzahlamplitude

n_m

Mitteldrehzahl

n_o

obere Drehzahlamplitude

n_u

untere Drehzahlamplitude

n_σ

Stützziffer

R

Drehzahlverhältnis, Spannungsverhältnis

σ

Zugspannung

σ_AD,g

Dauerfestigkeit

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 102012214772 A1 [0002]

Claims (5)

1. Blechpaket (2) für einen Rotor (1) einer elektrischen Maschine, umfassend eine Anzahl von gestapelten Elektro-Blechen (2.2 bis 2.n – 1) mit einer Blechstärke, dadurch gekennzeichnet, dass auf den Elektro-Blechen (2.2 und 2.n – 1) an Enden des Blechpakets (2) jeweils eine Endplatte (2.1, 2.n) angeordnet ist, die eine Stärke aufweist, die deutlich größer als die Blechstärke der Elektro-Bleche (2.2 bis 2.n – 1) ist, wobei die Endplatten (2.1, 2.n) jeweils mit einem Kerbradius (r) versehen sind, der zumindest annähernd der Stärke der Endplatte (2.1, 2.n) entspricht.
2. Blechpaket (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stärke der Endplatten (2.1, 2.n) mindestens 1 mm beträgt.
3. Blechpaket (2) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stärke der Endplatten (2.1, 2.n) mindestens 3 mm beträgt.
4. Rotor (1) für eine elektrische Maschine, umfassend ein Blechpaket (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und einen um das Blechpaket (2) angeordneten Kurzschlussring (3).
5. Rotor (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kurzschlussring (3) durch Angießen an das Blechpaket (2) oder Umgießen des Blechpakets (2) gebildet ist.

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