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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum axialen Fixieren eines Rotoraktivteils auf einem Rotorträger eines Rotors für eine elektrische Maschine sowie einen entsprechend herstellbaren Rotor.
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Hintergrund der Erfindung
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Elektrische Maschinen können als Motoren oder Generatoren für unterschiedliche Anwendungen eingesetzt werden. Beispielsweise können sie in Kraftfahrzeugen als Aktuatoren für verschiedene Zwecke oder in Elektro- oder Hybridfahrzeugen als Antrieb eingesetzt werden. Elektrische Maschinen verfügen im Allgemeinen über einen Stator und einen relativ zu dem Stator drehbaren Rotor.
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Bei elektrischen Maschinen, insbesondere bei permanent-erregten Synchronmaschinen, ist der Rotor meist aus einem Rotorträger und einem Rotoraktivteil aufgebaut. Der Rotorträger kann beispielsweise Teil einer Welle sein oder mit dieser verbunden sein. Das Rotoraktivteil beinhaltet Permanentmagnete.
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Um unter anderem Schwingungen im System, d.h. beispielsweise im Triebstrang eines Kraftfahrzeugs, zu reduzieren, bekommt das Rotoraktivteil üblicherweise eine Schränkung. Um Querströmungen in Permanentmagneten zu reduzieren, wird eine gesamte axiale Länge von in dem Rotoraktivteil aufgenommenen Magneten in kleinere Einheiten unterteilt, wodurch unter anderem ein Wirkungsgrad erhöht werden kann. Die Schränkung und die Unterteilung in magnetische Untereinheiten lassen sich durch Verwendung von mehreren Rotorpaketen verhältnismäßig einfach realisieren, wobei die Rotorpakete die Untereinheiten des Aktivteils bilden und in Längsrichtung des Rotors hintereinander gestapelt angeordnet sind. Ein Rotorpaket entspricht dabei einer kleinsten Magnetunterteilung oder -stückelung und besteht typischerweise aus einer Vielzahl gestapelter Magnetblechlamellen mit darin fixierten Permanentmagneten.
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Zur Drehmomentübertragung und gegen ein axiales Verrutschen im Normalbetrieb werden die Rotorpakete üblich auf dem Rotorträger aufgepresst, d.h. sie sind mit Presssitz gehalten. Für über den Normalbetrieb hinausgehende auftretende Belastungen, wie sie beispielsweise in einem Kraftfahrzeug bei einem Auffahrunfall auftreten können, werden die Rotorpakete bisher meist durch ein Einbringen eines zusätzlichen Halterings mit hohem Übermaß abgesichert. Allerdings führt das Vorsehen eines solchen Halterings zu zusätzlichen Kosten, zusätzlichem Gewicht und erhöhtem Lager- und Montageaufwand.
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In der
DE 195 13 992 A1 ist ein Verfahren zur Bildung einer axialen Welle-Nabe-Verbindung beschrieben, bei dem Material der Nabe in eine an der Welle ausgebildete Ringnut eingeformt wird. Allerdings erfordert die dort beschriebene axiale Fixierung eine genaue Positionierung der Nabe relativ zu der Welle, da die Ringnut sehr nahe einem axialen Ende der Nabe angeordnet sein muss.
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Offenbarung der Erfindung
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können in vorteilhafter Weise ermöglichen, ein Rotoraktivteil eines Rotors einer elektrischen Maschine zuverlässig an einem Rotorträger zu fixieren und dabei keine hohen Anforderungen an eine Relativpositionierung der beiden Komponenten zu stellen.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum axialen Fixieren eines Rotoraktivteils auf einem Rotorträger einer elektrischen Maschine vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst ein Bereitstellen des Rotorträgers sowie des Rotoraktivteils, ein Aufpressen des Rotoraktivteils auf den Rotorträger sowie ein axiales Fixieren des Rotoraktivteils auf dem Rotorträger. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass an einem Außenumfang des bereitgestellten Rotorträgers in einem Bereich angrenzend an das aufgepresste Rotoraktivteil wenigstens eine Nut ausgebildet ist, welche zumindest in einem Teilbereich schräg bezogen auf eine Längsachse des Rotoraktivteils verläuft, und dass das Verfahren ferner ein Verstemmen des Rotoraktivteils in den schräg verlaufenden Teilbereich der Nut umfasst.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Rotor einer elektrischen Maschine beschrieben, wie er mithilfe des Verfahrens gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung hergestellt werden kann. Der Rotor weist einen Rotorträger und ein Rotoraktivteil, welches den Rotorträger umgibt, auf. Der Rotor zeichnet sich dadurch aus, dass an einem Außenumfang des Rotorträgers in einem Bereich angrenzend an das Rotoraktivteil wenigstens eine Nut ausgebildet ist, welche zumindest in einem Teilbereich schräg bezogen auf eine Längsachse des Rotoraktivteils verläuft, und das Rotoraktivteil in den schräg verlaufenden Teilbereich der Nut eingreifend verstemmt ist.
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Ideen zu Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können unter anderem als auf den nachfolgend beschriebenen Gedanken und Erkenntnissen beruhend angesehen werden.
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Wie einleitend angegeben, kann es bei elektrischen Maschinen wichtig sein, dass ein Rotoraktivteil auch im Fall hoher in Axialrichtung wirkender Kräfte sicher an dem Rotorträger fixiert ist. Ein Fixieren mithilfe eines Halterings wurde jedoch als teileaufwändig und arbeitsaufwändig erkannt. Außerdem erfordert ein zusätzlich vorzusehender Haltering entsprechend Bauraum für die dadurch vergrößerte elektrische Maschine, wodurch unter anderem eine Leistungsdichte der Maschine reduziert wird. Ein Verstemmen von des Rotoraktivteils in eine an dem Rotorträger vorgesehene ringförmig umlaufende, gerade Nut wurde bei vielen Anwendungen als zu anspruchsvoll hinsichtlich einer Positionierungsgenauigkeit des Rotoraktivteil relativ zu dem Rotorträger erkannt.
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Letzteres trifft insbesondere bei Rotoren zu, bei denen das Rotoraktivteil aus einer Vielzahl in Axialrichtung gestapelter Rotorpaketen zusammengesetzt ist, da beobachtet wurde, dass insbesondere bei einer solchen Ausgestaltung eine Länge des Rotoraktivteils infolge von Fertigungstoleranzen stark, d.h. häufig um mehrere Millimeter, streuen kann.
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Wird mit dem Ziel, die Anforderungen an die Positionierungsgenauigkeit zu reduzieren, die umlaufende Ringnut breiter ausgebildet, kann das Risiko bestehen, dass z.B. ein in Axialrichtung äußerstes Rotorpaket des Rotoraktivteils einen wesentlich verschlechterten Presssitz auf dem Rotorträger erfährt.
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Es wird daher vorgeschlagen, an dem Rotorträger statt einer geraden umlaufenden Nut eine oder mehrere Nuten auszubilden, die zumindest in einem oder mehreren Teilbereichen nicht senkrecht zur Längsachse, d.h. zur Axialrichtung, des Rotoraktivteils verläuft sondern schräg zu dieser angeordnet ist. Die schräg bezogen auf die Längsachse des Rotoraktivteils verlaufenden Teilbereiche der wenigstens einen Nut können sich hierbei in einem Winkel von zwischen 40° und 85°, vorzugsweise zwischen 60° und 80°, zu der Längsachse erstrecken.
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Aufgrund der Tatsache, dass zumindest Teilbereiche der wenigstens einen Nut schräg zur Längsachse des Rotoraktivteils verlaufen, gibt es regelmäßig zumindest eine Teilstrecke eines solchen Teilbereichs der Nut, die sich direkt angrenzend an einen axialen Rand des Rotoraktivteils befindet. An dieser Teilstrecke kann Material des Rotoraktivteils durch ein Verstemmen in die Nut hinein verlagert werden, sodass das Rotoraktivteil in den schräg verlaufenden Teilbereich der Nut eingreift und darin verstemmt ist, sodass es sicher in Axialrichtung fixiert ist.
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Die eine Nut bzw. die mehreren Nuten können hierbei derart angeordnet und ausgestaltet sein, dass eine Projektionsbreite P der schräg zur Längsachse verlaufenden Nut auf die Längsachse des Rotoraktivteils wesentlich größer ist als eine Breite der Nut, beispielsweise wenigstens doppelt so breit. Mit anderen Worten kann die Nut quer zu ihrer Längserstreckungsrichtung eine Breite B aufweisen, z.B. 2mm. Wäre die Nut senkrecht zur Längsachse des Rotoraktivteils angeordnet, wäre auch ihre Projektion auf die Längsachse so breit wie die Breite B. Da die Nut jedoch zumindest Teilbereiche hat, die schräg zur Längsachse verlaufen, ist ihre Projektion auf die Längsachse breiter. Die Projektion ist umso breiter, je länger der schräg zur Längsachse verlaufende Teilbereich ist und je kleiner der Winkel zwischen der Längsachse und dem schräg verlaufenden Teilbereich ist. Je breiter die Projektion auf die Längsachse ist, umso größer dürfen Positionierungstoleranzen des Rotoraktivteils relativ zum Rotorträger entlang der Längsachse sein, da sich stets eine Teilstrecke des schräg verlaufenden Teilbereichs findet, in dem die Nut an den axialen Rand des Rotoraktivteils angrenzt, sodass durch eine lokale Verstemmung eine axiale Fixierung des Rotoraktivteil erreicht werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Rotoraktivteil aus mehreren in Längsrichtung hintereinander angeordneten Rotorpaketen zusammengesetzt und die wenigstens eine Nut erstreckt sich in einem Bereich des Rotorträgers radial angrenzend an ein axial äußerstes der Rotorpakete. Eine Unterteilung des Rotoraktivteils in mehrere Rotorpakete kann, wie einleitend erörtert, Vorteile hinsichtlich der möglichen Unterdrückung von Schwingungen wie auch einer Vermeidung von durch Querströmungen bewirkten Wirkungsgradverlusten erlauben. Bei einer solchen Ausgestaltung des Rotoraktivteils mit Rotorpaketen kann eine Breite der wenigstens einen Nut vorteilhafterweise kleiner als eine Breite eines der Rotorpakete sein. Eine Breite der Rotorpakete und somit eine günstige Breite der Nut kann dabei von der Art und Auslegung der elektrischen Maschine und ihrer Komponenten abhängen. Beispielsweise kann eine Nut eine Breite von weniger als 10mm, vorzugsweise weniger als 5mm oder weniger als 3mm aufweisen. Dabei sollte die Nut vorzugsweise breiter sein als ein einzelnes Lamellenblech des Rotorpakets, d.h. vorzugsweise breiter als 0,5mm oder stärker bevorzugt breiter als 1mm.
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Prinzipiell können an dem Außenumfang des Rotorträgers mehrere Nuten verteilt angeordnet sein. Die Nuten können entlang des Umfang voneinander beabstandet sein und jeweils über ihre gesamte Länge hin schräg zur Längsachse des Rotoraktivteils verlaufen oder zumindest in Teilbereichen schräg zur Längsachse des Rotoraktivteils verlaufen.
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In einer konkreten Ausführungsform sind an dem Außenumfang des Rotorträgers in einem Bereich angrenzend an das aufgepresste Rotoraktivteil mehrere Nuten ausgebildet, welche jeweils zumindest in einem Teilbereich schräg bezogen auf die Längsachse des Rotoraktivteils verlaufen. Das Verfahren zum Fixieren des Rotoraktivteils umfasst dabei ein Verstemmen des Rotoraktivteils in mehreren der schräg verlaufenden Teilbereiche der Nuten, so dass am fertiggestellten Rotor das Rotoraktivteil in mehreren der schräg verlaufenden Teilbereiche der Nuten eingreifend verstemmt ist.
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Alternativ kann auch lediglich eine einzige Nut am Außenumfang des Rotorträgers vorgesehen sein, die allerdings nicht linear und senkrecht zur Längsachse des Rotorträgers verläuft sondern beispielsweise wellenförmig ausgebildet ist und somit Teilbereiche aufweist, die in möglicherweise variierenden Winkeln schräg zur Längsachse des Rotorträgers verlaufen.
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In einer konkreten Ausführungsform ist an dem Außenumfang des Rotorträgers in einem Bereich angrenzend an das aufgepresste Rotoraktivteil eine wellenförmig umlaufende Nut ausgebildet ist, welche mehrere Teilbereiche aufweist, die schräg bezogen auf die Längsachse des Rotoraktivteils verlaufen. Das Verfahren zum Fixieren des Rotoraktivteils umfasst dabei ein Verstemmen des Rotoraktivteils in mehreren der schräg verlaufenden Teilbereiche der Nut, so dass am fertiggestellten Rotor das Rotoraktivteil in mehreren der schräg verlaufenden Teilbereiche der Nut eingreifend verstemmt ist.
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Es wird darauf hingewiesen, dass einige der möglichen Merkmale und Vorteile der Erfindung hierin mit Bezug auf unterschiedliche Ausführungsformen beschrieben sind. Ein Fachmann erkennt, dass die Merkmale in geeigneter Weise kombiniert, angepasst oder ausgetauscht werden können, um zu weiteren Ausführungsformen der Erfindung zu gelangen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei weder die Zeichnungen noch die Beschreibung als die Erfindung einschränkend auszulegen sind.
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1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Rotors mit mehreren schräg verlaufenden Nuten.
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2 zeigt eine Draufsicht auf eine flächige Projektion des Rotors aus 1.
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3 zeigt eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Rotors mit einer wellenförmigen umlaufenden Nut.
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4 zeigt eine Draufsicht auf eine flächige Projektion des Rotors aus 3.
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5 zeigt eine teilweise weggeschnittene perspektivische Ansicht des Rotors aus 3.
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6(a), (b) zeigen Schnittansichten eines Rotors während eines Verstemmens zum erfindungsgemäßen Fixieren des Rotoraktivteils.
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Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in den Figuren gleiche oder gleichwirkende Merkmale.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt einen erfindungsgemäßen Rotor 1 einer elektrischen Maschine. Der Rotor 1 weist einen Rotorkörper 3 und ein Rotoraktivteil 5 auf. Zur einfacheren Veranschaulichung ist lediglich ein axial am weitesten außen liegendes Rotorpaket 7 des Rotoraktivteils 5 dargestellt. Das gesamte Rotoraktivteil 5 ist aus mehreren, beispielsweise elf, Rotorpaketen 7 zusammengesetzt, die entlang einer Längsachse 13, d.h. einer Axialrichtung, des Rotorträgers 3 hintereinander gestapelt angeordnet sind. Die Längsachse 13 des Rotorträgers 3 entspricht hierbei auch der Längsachse bzw. Axialrichtung des mit diesem koaxial angeordneten Rotoraktivteils 5. Sowohl der Rotorkörper 3 als auch das Rotoraktivteil 5 weisen eine Zylindergeometrie auf. Ein Innenumfang des Rotoraktivteils 5 liegt mit Presssitz auf einem Außenumfang des Rotorkörpers 3 an.
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In einer Nähe eines axialen Randes des Rotorträgers 3 und insbesondere dort, wo das axial äußerste Rotorpaket 7 an dem Rotorträger 3 angeordnet ist, d.h. angrenzend an einen axialen Rand des Rotoraktivteils 5, sind in dem Außenumfang des Rotorträgers 3 mehrere schräg verlaufende Nuten 9 vorgesehen.
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Zur einfacheren Veranschaulichung zeigt 2 eine flächige Darstellung einer Projektion, d.h. eine Draufsicht auf die außenliegende Mantelfläche des Rotorträgers 3, mit den dort angeordneten Rotorpaketen 7 und Nuten 9. Es ist zu erkennen, dass die Nuten 9 im dargestellten Beispiel linear ausgebildet sind und einen Winkel α von ca. 30° zur Längsachse 13 einnehmen. Je größer der Winkel α ist, d.h. je geringer der Winkel zwischen den Nuten 9 und dem Rotorpaket 7 ist, umso fester lässt sich das Rotorpaket 7 in den Nuten 9 hinsichtlich in Axialrichtung wirkender Kräfte verstemmen. Andererseits kann ein kleiner gewählter Winkel α dazu führen, dass sich die Nuten 9 über eine längere Distanz entlang der Längsachse 13 erstrecken und somit eine Positionierungsgenauigkeit, mit der das axial äußerste Rotorpaket 7 positioniert werden sollte, geringer sein kann. Eine Anordnung der Nuten unter einem Winkel α im Bereich von 40° bis 85°, vorzugsweise unter 60° bis 80°, erscheint vorteilhaft.
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Eine Breite B der Nuten 9 kann beispielsweise in einem Bereich von 1 bis 5mm. Eine Breite W des Rotorpakets 7 ist typischerweise größer, beispielsweise zwischen 2 und 20mm. Da die Nuten 9 jedoch eine Länge L aufweisen, die wesentlich größer ist als ihre Breite B, beispielsweise mehr als 5 oder mehr als 10mm, und da die Nuten 9 schräg zur Längsachse 13, d.h. nicht senkrecht zu dieser, angeordnet sind, ist eine Projektionsbreite P der Nuten 9 auf die Längsachse 13 wesentlich größer, beispielsweise mehr als doppelt so groß, als die Breite B der Nuten 9 und vorzugsweise auch größer als die Breite W des Rotorpaktes 7. Die Projektionsbreite P beeinflusst dabei maßgeblich die Positionierungstoleranz, mit der der Rand des Rotoraktivteils 5, d.h. das axial äußerste Rotorpaket 7, positioniert werden sollte.
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An dem Rotorträger 3 können mehrere, beispielsweise zwei, drei, vier, sechs, acht oder mehr, Nuten 9 ausgebildet sein. Die Nuten können bezogen auf die Mantelfläche des Rotorträgers 3 parallel zueinander verlaufen und/oder äquidistant zueinander beabstandet sein. Die Nuten 9 können über ihre gesamte Länge hin linear sein. Es ist aber auch möglich, dass die Nuten 9 eine gekrümmte Form aufweisen. Im Querschnitt können die Nuten 9 geeignet ausgebildet sein, sodass sich nach dem Verstemmen des Rotoraktivteils 5 Material desselben in den Nuten formschlüssig eingreifend verkrallen kann. Beispielsweise können die Nuten 9 einen trapezförmigen, insbesondere rechteckigen, oder teilrunden Querschnitt aufweisen. Die Nuten können in die Außenoberfläche des Rotorträgers 3 eingefräst werden, beispielsweise mittels eines Walzenfräsers. Alternativ können die Nuten 9 auch auf andere Weise ausgebildet werden, beispielsweise mithilfe eines Lasers.
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In den 3 und 4 ist eine alternative Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Rotors 1 dargestellt. Der Rotor 1 unterscheidet sich von dem in 1 dargestellten Rotor insbesondere hinsichtlich der Geometrie der Nut 11. In diesem Fall sind nicht mehrere Nuten 9 sondern eine durchgehende Nut 11 in der Außenfläche des Rotorkörpers 3 eingebracht. Die Nut 11 umgibt somit den Rotorkörper 3 ringförmig. Dabei ist die Nut 11 wie in der Draufsicht aus 4 zu erkennen, nicht gerade sondern weist eine Welligkeit auf. Mit anderen Worten verändert sich der Winkel α, den ein Teilbereich der Nut 11 in Bezug auf die Längsachse 13 einnimmt, kontinuierlich im Verlauf der Nut 11. Beispielsweise kann dieser Winkel α in einem Bereich von 40° bis 85°, vorzugsweise von 60° bis 80°, variieren. Bezüglich ihrer Form, Geometrie und Querschnitt kann die Nut 11 ähnlich ausgebildet und hergestellt sein, wie die oben beschriebenen Nuten 9 der in 1 dargestellten Ausführungsform.
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5 zeigt im teilweise weggeschnittenen Querschnitt, wie das Rotorpaket 7 an dem Rotorträger 3 angeordnet ist und dabei einen Teil der Nut 11 überlagert. Zumindest an einigen Positionen entlang seines Umfangs ist das Rotorpaket 7 dabei derart angeordnet, dass es sich radial außerhalb der Nut 11 befindet und an diese angrenzt. Sollte das Rotorpaket 7 beispielsweise aufgrund von Fertigungs- oder Montagetoleranzen an einer etwas anderen Stelle axial entlang des Rotorträgers 3 angeordnet sein, wird sich aufgrund der welligen Ausgestaltung der Nut 11 trotzdem eine Position entlang des Umfangs des Rotorpakets 7 finden, an der dieses radial außerhalb der Nut 11 zu liegen kommt. Gleiches gilt auch für den Fall, dass keine durchgehende Nut 9 sondern mehrere schräg angeordnete Nuten 9 wie in 1 dargestellt an dem Rotorträger 3 vorgesehen sind.
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In den 6(a) und (b) ist schematisch veranschaulicht, wie der Vorgang des Verstemmens des Rotoraktivteils 5 an dem Rotorträger 3 ablaufen kann. In das zumindest teilweise radial außerhalb einer Nut 9 angeordnete Rotoraktivteil 5 wird von der Seite her ein Verstemmwerkzeug 15 gedrückt. Das Verstemmwerkzeug 15 kann an seinem Ende beispielsweise konisch zulaufend ausgebildet sein. Das Verstemmwerkzeug 15 wird dabei, wie mit dem Pfeil F in 6(b) angedeutet, mit einer Kraft beaufschlagt, die beispielsweise näherungsweise in Längsrichtung 13 wirkt. Dies führt in dem Rotoraktivteil 5 zu einem lokalen Materialfluss, bei dem sich Material des Rotoraktivteils 5 teilweise zu einer Seite hin in die darunterliegende Nut 9 verlagert und sich dort formschlüssig eingreifend verkrallen kann.
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Abschließend ist darauf hinzuweisen, dass Begriffe wie „aufweisend“, „umfassend“, etc. keine anderen Elemente oder Schritte ausschließen und Begriffe wie „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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