DE102015012912A1

DE102015012912A1 - Rotoraufbau mit formschlüssig befestigten Blechpaketen

Info

Publication number: DE102015012912A1
Application number: DE102015012912.0A
Authority: DE
Inventors: Daniel Paul; Markus Seiler; Jürgen Meusel
Original assignee: ThyssenKrupp Presta TecCenter AG
Current assignee: Thyssenkrupp Dynamic Components Teccenter AG
Priority date: 2015-10-07
Filing date: 2015-10-07
Publication date: 2017-04-13
Anticipated expiration: 2035-10-08
Also published as: DE102015012912B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine Elektromaschine umfassend eine Rotorwelle (2), mehrere an der Rotorwelle (2) über eine Fügelänge formschlüssig befestigte identisch ausgebildet Lamellenpakete (1), wobei die Lamellenpakete (1) Permanentmagnete (5) aufweisen und derart an der Rotorwelle (2) befestigt sind, dass die Permanentmagnete (5) jedes Lamellenpakets (1) jeweils einen in Umfangsrichtung des Rotors gemessenen Versatz zu den Permanentmagneten (5) der benachbarten Lamellenpakete (1) aufweisen, wobei die Rotorwelle (2) ein oder mehrere Formschlusselemente (6, 7, 8) und jedes Lamellenpaket (1) mehrere Gegenformschlusselemente (10, 11, 12, 13, 14, 15) aufweist, wobei die Anzahl der Gegenformschlusselemente (10, 11, 12, 13, 14, 15) eines Lamellenpakets (1) jeweils größer ist als die Anzahl der Formschlusselemente (6, 7, 8) der Rotorwelle (2) und wobei zumindest eines der Gegenformschlusselemente (10, 11, 12, 13, 14, 15) eines Lamellenpakets (1) mit dem zumindest einen Formschlusselement (6, 7, 8) der Rotorwelle (2) formschlüssig zusammenwirkt, wobei die Rotorwelle (2) im Bereich der Lamellenpakete (1) zur Ausbildung der Formschlusselemente (6, 7, 8) im Querschnitt unrund ausgebildet ist und die Formschlusselemente (6, 6', 7, 7', 8, 8') über die gesamte Fügelänge verlaufen, wobei die Formschlusselemente (6, 6', 7, 7', 8, 8') in einem mittleren Bereich der Fügelänge einen Versatz in Umfangsrichtung der Rotorwelle (2) aufweisen, der einen Anschlag (17) für die Lamellenpakete (1) auf der Rotorwelle (2) bildet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor einer Elektromaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Elektromaschinen werden für die verschiedensten technischen Anwendungen eingesetzt, um als Elektromotoren oder Generatoren elektrische Energie in mechanische Energie umzuwandeln und vice versa. Ein Einsatzgebiet von Elektromaschinen sind Elektro- und Hybridfahrzeugantriebe. Elektromaschinen treiben dabei das Kraftfahrzeug an oder wandeln im Rekuperationsbetrieb die kinetische Energie des Fahrzeugs in elektrische Energie um. Elektromaschinen weisen einen Stator und einen Rotor auf. Bei Rotoren von permanentmagneterregten Synchronmaschinen können die Permanentmagnete an der Oberfläche des Rotors, an einer Welle des Rotors oder auch in den Rotor eingebaut, beispielsweise in Ausnehmungen eines Lamellenpaketes angeordnet, sein. Das Lamellenpaket besteht aus einer Vielzahl von hintereinander angeordneten Lamellen. Hierzu weisen die Lamellen entsprechende Aussparungen auf, sodass sich an den übereinander angeordneten Lamellen, d. h. dem Lamellenpaket, Ausnehmungen zur Anordnung der Permanentmagnete ausbilden.
Die Lamellenpakete werden mit der Welle kraftschlüssig verbunden. Zur Reduzierung eines Rastmomentes bzw. Drehungleichmäßigkeiten werden die Permanentmagnete in dem Lamellenpaket mit einem Winkelversatz in Umfangsrichtung auf der Welle befestigt.
Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2010 063 086 A1 ist ein Rotor für eine Elektromaschine mit Lamellenpaketen bekannt, wobei die Rotorwelle mit den Lamellenpaketen durch eine Nut-Feder Verbindung verbunden ist. Bei reinem Formschluss besteht die Notwendigkeit eines Zusatzelementes, beispielsweise in Form von endseitigen Anschlägen, welches eine axiale Bewegung der Lamellenpakete verhindert. Herkömmlicherweise wird dabei eine Wellenseite mit Endanschlag ausgeführt. Somit ist das Aufbringen der winkelversetzten Lamellenpakete von nur einer Seite der Rotorwelle möglich, was die fügbare Anzahl versetzter Pakete begrenzt.
An der Formschlussgeometrie mit Nuten ist weiterhin nachteilig, dass die Fertigbarkeit dieser Konturen nur mittels Verfahren in Axialrichtung (Räumen, Fräsen) möglich ist.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Rotor einer Elektromaschine für einen Fahrzeugantrieb anzugeben, bei dem Lamellenpakete von beiden Seiten auf die Rotorwelle einfach und sicher aufbringbar sind und die Teilevielfalt dabei möglichst gering gehalten ist.
Diese Aufgabe wird von einem Rotor einer Elektromaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Danach ist ein Rotor für eine Elektromaschine vorgesehen, umfassend eine Rotorwelle, mehrere an der Rotorwelle über eine Fügelänge formschlüssig befestigte identisch ausgebildet Lamellenpakete, wobei die Lamellenpakete Permanentmagnete aufweisen und derart an der Rotorwelle befestigt sind, dass die Permanentmagnete jedes Lamellenpakets jeweils einen in Umfangsrichtung des Rotors gemessenen Versatz zu den Permanentmagneten der benachbarten Lamellenpakete aufweisen, wobei die Rotorwelle ein oder mehrere Formschlusselemente und jedes Lamellenpaket mehrere Gegenformschlusselemente aufweist, wobei die Anzahl der Gegenformschlusselemente eines Lamellenpakets jeweils größer ist als die Anzahl der Formschlusselemente der Rotorwelle und wobei zumindest eines der Gegenformschlusselemente eines Lamellenpakets mit dem zumindest einen Formschlusselement der Rotorwelle formschlüssig zusammenwirkt, wobei die Rotorwelle im Bereich der Lamellenpakete zur Ausbildung der Formschlusselemente im Querschnitt unrund ausgebildet ist und die Formschlusselemente über die gesamte Fügelänge verlaufen, wobei die Formschlusselemente in einem mittleren Bereich der Fügelänge einen Versatz in Umfangsrichtung der Rotorwelle aufweisen, der einen Anschlag für die Lamellenpakete auf der Rotorwelle bildet. Der Versatz kann als Drehwinkelversatz, also eine Drehung eines Formschlusselements gegen ein anderes Formschlusselement um einen Drehwinkel um die Längsachse der Rotorwelle.
Dieser Querschnitt mit geringer Überhöhung reicht aus, um einen sicheren Drehmomentübertrag zwischen Rotorwelle und Lamellenpakete zu gewährleisten. Zudem ist das Profil im Gegensatz zu Stegen deutlich einfacher herzustellen. Durch den Anschlag können die Lamellenpakete von beiden Seiten her auf der Rotorwelle platziert werden. Der Versatz der Formschlusselemente ist vorzugsweise so gewählt, dass die maximale Fläche des verdrehten Profils der Rotorwelle als Anschlagsfläche zur Verfügung steht. Vorzugsweise beträgt der Versatz zwischen 20° und 70°. Zum Beispiel ist bei einem Anschlag in der Mitte der Fügelänge und insgesamt drei gleichmäßig über den Umfang verteilten Formschlusselementen des Rotors der Versatz vorzugsweise 60°.
In einer Ausführungsform kann die Rotorwelle im Querschnitt polygonförmig mit abgerundeten Ecken ausgestaltet sein, wobei jede zweite Ecke in Umfangsrichtung der Rotorwelle kreisbogenförmig ausgeformt ist.
Es ist bevorzugt, wenn drei in Umfangsrichtung gleichmäßig beabstandete Formschlusselemente auf der Rotorwelle vorgesehen sind.
Vorzugsweise verlaufen die Formschlusselemente der Rotorwelle in axialer Richtung über jeweils eine Hälfte der Fügelänge durchgehend und bilden in der Mitte der Fügelänge den Anschlag für die Lamellenpakete auf der Rotorwelle. Die Formschlusselemente verlaufen vorzugsweise parallel zur Rotationsachse des Rotors.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weisen die Lamellenpakete mehrere über den Umfang des Lamellenpaketes verteilte Ausnehmungen zur Aufnahme jeweils eines Permanentmagneten auf, wobei die Permanentmagneten zu Paaren gruppiert sind, die gleichmäßig über den Umfang verteilt sind. Es ist bevorzugt, wenn die Anzahl der Formschlüsse ein Vielfaches der angeordneten Magnetpole der Permanentmagneten ist. In der Ausführungsform mit der paarweisen Anordnung von Permanentmagneten ist daher die Anzahl der Formschlüsse vorzugsweise ein Vielfaches der Paare von Permanentmagneten.
Vorzugsweise ist die Anzahl der am Lamellenpaket vorgesehenen Gegenformschlusselemente größer als die Anzahl der Lamellenpakete dividiert durch zwei und aufgerundet auf eine ganze Zahl.
Es ist bevorzugt, dass der Versatz zwischen den Permanentmagneten zweier benachbarter Lamellenpakete kleiner als zehn Grad ist, insbesondere ein Grad.
Die Gegenformschlusselemente sind vorzugsweise so angeordnet, dass zwischen einer vorbestimmten Anzahl von in Umfangsrichtung aufeinanderfolgenden Gegenformschlusselementen jeweils ein erster Winkel und daran anschließend ein vom ersten Winkel abweichender zweiter Winkel vorgesehen ist, wobei die Summe der beiden Winkel 120 Grad ergibt.
Um die Lamellenpakete in Axialrichtung zu fixieren, ist es bevorzugt in den Lamellenpaketen zwischen wenigstens zwei Paaren von Permanentmagneten ein Langloch vorzusehen, das ein Durchsetzen eines Zugmittels durch alle Lamellenpakete zum Verspannen dieser ermöglicht.
Vorzugsweise sind die Langlöcher in Umfangsrichtung im Bereich der Gegenformschlusselemente des Lamellenpakets angeordnet.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1: einen Querschnitt eines Lamellenpaketes einer Elektromaschine senkrecht zu einer Rotationsachse,
2: den Querschnitt der 1, sowie
3: eine Explosionsdarstellung der auf einer Rotorwelle angeordneten Lamellenpakete.
Die 1 und 2 zeigen ein Lamellenpaket 1 einer Elektromaschine. Das Lamellenpaket 1 ist auf einer Rotorwelle 2 im Bereich eines Hohlwellenabschnitts angeordnet. Das Lamellenpaket 1 besteht aus axial bezüglich einer Rotationsachse 3 des Rotors hintereinander angeordneten Lamellen. Die einzelnen Lamellen weisen dabei entsprechende Aussparungen auf, so dass sich nach dem übereinander Anordnen und Verbinden der Lamellen zu dem Lamellenpaket 1 Ausnehmungen 4 ausbilden. In den Ausnehmungen 4 sind die Permanentmagnete 5 angeordnet. Die Ausnehmungen 4 sind zu Paaren gruppiert und bilden magnetische Paare. Die Anzahl der Ausnehmungen 4 oder die Anzahl der Paare von Ausnehmungen ist selbstverständlich beliebig. In der gezeigten Ausführungsform sind sechs gleichmäßig über den Umfang verteilte Ausnehmungspaare 4 vorgesehen. Der Winkel B zwischen den Paaren beträgt somit jeweils 60°.
Die Lamellenpakete 1 sind derart an der Rotorwelle 2 befestigt, dass die Permanentmagnete 5 jedes Lamellenpakets 1 jeweils einen in Umfangsrichtung des Rotors gemessenen Versatz zu den Permanentmagneten 5 der benachbarten Lamellenpakete 1 aufweisen. Die Lamellenpakete 1 sind identisch ausgebildet und formschlüssig auf der Rotorwelle 2 befestigt. Die Rotorwelle 2 weist eine unrunde Form mit einer Anzahl von Formschlusselementen 6, 7, 8 auf. Auf der Innenseite 9 des Lamellenpakets 1 sind Gegenformschlusselemente 10, 11, 12, 13, 14, 15 vorgesehen, wobei die Anzahl der Gegenformschlusselemente 10, 11, 12, 13, 14, 15 eines Lamellenpakets 1 jeweils größer ist als die Anzahl der Formschlusselemente 6, 7, 8 der Rotorwelle 2 und wobei jeweils zumindest eines der Gegenformschlusselemente 10, 11, 12, 13, 14, 15 eines Lamellenpakets 1 mit dem zumindest einen Formschlusselement 6, 7, 8 der Rotorwelle 2 formschlüssig zusammenwirkt. Vorzugsweise ist die Anzahl der Formschlüsse ein Vielfaches der Paare von Permanentmagneten 5.
Als Formschlusselement weist das Lamellenpaket 1 auf seiner Innenseite 9 axiale Ausnehmungen 6, 7, 8 auf. Diese axialen Ausnehmungen 6, 7, 8 weichen nur geringfügig von einem kreisrunden Profil ab. Die Ausnehmungen sind dabei in Umfangsrichtung nicht gleichmäßig an dem Lamellenpaket angeordnet. Der tangentiale Winkel α zwischen einer Ausnehmung und einer in Umfangsrichtung nachfolgenden Ausnehmung beträgt abwechselnd α₁ = 59° und α₂ = 61°, so dass der Winkel zwischen zwei Ausnehmung 120° bildet. Dadurch ergibt sich zwischen den Permanentmagneten bei der Anordnung von mehreren Lamellenpaketen auf der Rotorwelle ein Versatzwinkel von 1°.
Die Formschlusselemente 6, 7, 8 der Rotorwelle 2 sind geringfügige Überhöhungen, die in axialer Richtung von beiden Seiten her jeweils bis zur Mitte der Fügelänge verlaufen und mit mehreren Lamellenpaketen 1 formschlüssig zusammen wirken. Diese Überhöhungen sind bevorzugt durch Unrundschleifen einer hohlzylindrischen Welle gebildet und auf die Form der axialen Ausnehmungen 6, 7, 8 abgestimmt. Diese geringfügigen Überhöhungen genügen im Zusammenspiel mit den axialen Ausnehmungen, um Drehmomente formschlüssig zu übertragen. Die Rotorwelle 2 greift mit den Überhöhungen in jede zweite axiale Ausnehmung im Lamellenpaket 1 ein. Zwischen den Überhöhungen ist die Rotorwelle 2 kreisförmig ausgestaltet. Diese Ausgestaltung korrespondierend mit einer kreisförmigen Einhüllenden der Lamellenpakete auf der Innenseite. Die Formschlusselemente der Rotorwelle sind sozusagen Überhöhungen zu einem neu geschliffenen Außenradius der Rotorwelle.
Die identisch ausgebildeten Lamellenpakete 1 sind in axialer Richtung hintereinander auf der Rotorwelle 2 angeordnet, wobei das zumindest eine Formschlusselement 6, 7, 8 der Rotorwelle 2 von Lamellenpaket 1 zu Lamellenpaket 1 jeweils mit anderen Gegenformschlusselementen 10, 11, 12, 13, 14, 15 zusammenwirken kann.
Weiterhin sind zwischen den Paaren von Ausnehmungen 4 bzw. Permanentmagneten 5 sich in Umfangsrichtung erstreckende Langlöcher 16 zur Durchführung von nicht dargestellten Zugmitteln vorgesehen. Die Zugmittel sind vorzugsweise Schrauben, die sich durch alle Lamellenpakete 1 erstrecken und diese miteinander verspannen. Die Langlöcher 16 decken mit ihrer Form die Extrema des Winkelversatzes der gefügten Lamellenpakete 1 in beide Richtungen ab, um ein Durchgangsloch für die Zugmittel zu gewährleisten. Herkömmlicherweise werden die Bohrungen mit einem Winkelversatz zwischen den Lamellenpaketen angeordnet, um durchgehende Bohrungen zu schaffen. Das hat den Nachteil, dass die Lamellenpakete nicht identisch gefertigt werden können. Durch die Anordnung von Langlöchern hingegen kann der Winkelversatz ausgeglichen werden, so dass auch bei Versatz die Zugmittel über die Gesamtlänge aller Lamellenpakete platziert werden können. Zudem können die Lamellenpakete geometriegleich gefertigt werden, was ein großer Vorteil ist.
Die 3 zeigt eine perspektivische Ansicht der Anordnung von auseinandergezogenen Lamellenpaketen 1 auf der Rotorwelle 2.
Auf Grund der mittig geteilt ausgeführten Formschlusselemente 6, 6', 7, 7', 8, 8' ergibt sich ein Anschlag 17 zwischen den Lamellenpaketen 1, der eine Sicherung gegen das axiale Verrutschen der Lamellenpakete 1 bildet. Der Anschlag ist durch einen Versatz der Formschlusselemente 6, 6', 7, 7', 8, 8' der Rotorwelle 2 in Umfangsrichtung gebildet. Dieser Versatz ist vorzugsweise so gewählt, dass die maximale Fläche des verdrehten Profils der Rotorwelle 2 als Anschlagsfläche zur Verfügung steht.
Der ausgebildete Anschlag 17 ermöglicht, dass die Lamellenpakete 1 von beiden Seiten der Rotorwelle 2 her auf diese aufgebracht werden können. Beim Fügen der Lamellenpakete 1 auf die Rotorwelle 2 werden dabei die verschiedenen Positioniermöglichkeiten so genutzt, dass die Positionen der Permanentmagneten 5 in den Paketen zueinander um jeweils 1° versetzt liegen. Komplettiert wird die Sicherung durch Stützscheiben 18, die an den beiden Außenseiten der Lamellenpaketanordnung angebracht und mittels der durchgehenden Schrauben verspannt werden.
Der erfindungsgemäße Rotor einer Elektromaschine ist so ausgeformt, dass Lamellenpakete von beiden Seiten auf die Rotorwelle einfach und sicher aufbringbar sind, wobei die Lamellenpakete identisch ausgeformt sind.
Die Einzelbleche können somit im Folgeverbundwerkzeug gestanzt werden, da sie fertigungsbedingt und geometrisch gleich sind. Der Stanzprozess ist dadurch vereinfacht und es liegt eine geringe Teilevielfalt vor.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010063086 A1 [0004]

Claims

Rotor für eine Elektromaschine umfassend eine Rotorwelle (2), mehrere an der Rotorwelle (2) über eine Fügelänge formschlüssig befestigte identisch ausgebildet Lamellenpakete (1), wobei die Lamellenpakete (1) Permanentmagnete (5) aufweisen und derart an der Rotorwelle (2) befestigt sind, dass die Permanentmagnete (5) jedes Lamellenpakets (1) jeweils einen in Umfangsrichtung des Rotors gemessenen Versatz zu den Permanentmagneten (5) der benachbarten Lamellenpakete (1) aufweisen, wobei die Rotorwelle (2) ein oder mehrere Formschlusselemente (6, 7, 8) und jedes Lamellenpaket (1) mehrere Gegenformschlusselemente (10, 11, 12, 13, 14, 15) aufweist, wobei die Anzahl der Gegenformschlusselemente (10, 11, 12, 13, 14, 15) eines Lamellenpakets (1) jeweils größer ist als die Anzahl der Formschlusselemente (6, 7, 8) der Rotorwelle (2) und wobei zumindest eines der Gegenformschlusselemente (10, 11, 12, 13, 14, 15) eines Lamellenpakets (1) mit dem zumindest einen Formschlusselement (6, 7, 8) der Rotorwelle (2) formschlüssig zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorwelle (2) im Bereich der Lamellenpakete (1) zur Ausbildung der Formschlusselemente (6, 7, 8) im Querschnitt unrund ausgebildet ist und dass die Formschlusselemente (6, 6', 7, 7', 8, 8') über die gesamte Fügelänge verlaufen, wobei die Formschlusselemente (6, 6', 7, 7', 8, 8') in einem mittleren Bereich der Fügelänge einen Versatz in Umfangsrichtung der Rotorwelle (2) aufweisen, der einen Anschlag (17) für die Lamellenpakete (1) auf der Rotorwelle (2) bildet.
Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Formschlusselemente (6, 7, 8) der Rotorwelle (2) axiale Überhöhungen sind, die durch radiale Bearbeitung der Rotorwelle (2) mit radial zustellbarem Werkzeug gebildet sind.
Rotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorwelle (2) im Querschnitt polygonförmig mit abgerundeten Ecken ist, wobei jede zweite Ecke in Umfangsrichtung der Rotorwelle (2) kreisbogenförmig ausgeformt ist.
Rotor nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass in Umfangsrichtung der Rotorwelle (2) drei Formschlusselemente (6, 6', 7, 7', 8, 8') vorgesehen sind.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der den Anschlag bildende Versatz der Formschlusselemente (6, 6', 7, 7', 8, 8') zwischen 20° und 70° beträgt.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Formschlusselemente (6, 7, 8) der Rotorwelle (2) in axialer Richtung jeweils bis zum Anschlag durchgehend verlaufen.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lamellenpakete (1) mehrere über den Umfang des Lamellenpaketes (1) verteilte Ausnehmungen (4) zur Aufnahme jeweils eines Permanentmagneten (5) aufweisen, wobei die Permanentmagneten (5) zu Paaren gruppiert sind, die gleichmäßig über den Umfang verteilt sind.
Rotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Formschlüsse ein Vielfaches der Zahl der Paare von Permanentmagneten (5) ist.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der am Lamellenpaket (1) vorgesehenen Gegenformschlusselemente (10, 11, 12, 13, 14, 15) größer ist als die Anzahl der Lamellenpakete (1) dividiert durch zwei und aufgerundet auf eine ganze Zahl.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Versatz zwischen den Permanentmagneten (5) zweier benachbarter Lamellenpakete (1) kleiner als zehn Grad ist.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Versatz zwischen den Permanentmagneten (5) zweier benachbarter Lamellenpakete (1) etwa ein Grad beträgt.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einer vorbestimmten Anzahl von in Umfangsrichtung aufeinanderfolgenden Gegenformschlusselementen (10, 11, 12, 13, 14, 15) jeweils der Winkel (α₁) und daran anschließend ein vom Winkel (α₁) abweichender Winkel (α₂) vorgesehen ist, wobei die Summe der beiden Winkel (α₁, α₂) 120 Grad beträgt.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in den Lamellenpaketen (1) jeweils zwischen den Permanentmagneten (5) ein Langloch (16) angeordnet ist, dass ein Durchsetzen eines Zugmittels durch alle Lamellenpakete (1) zum Verspannen dieser ermöglicht.
Rotor nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Langlöcher (16) in Umfangsrichtung im Bereich der Gegenformschlusselemente (10, 11, 12, 13, 14, 15) des Lamellenpakets (1) angeordnet sind.
Elektrische Maschine mit einem Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche.