DE102015208196A1

DE102015208196A1 - Rotor für eine elektrische Maschine und Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE102015208196A1
Application number: DE102015208196.6A
Authority: DE
Inventors: Erkan Arslan; Vyacheslav Schäfer; Jörg Grotendorst
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Valeo eAutomotive Germany GmbH
Priority date: 2015-03-19
Filing date: 2015-05-04
Publication date: 2016-09-22
Also published as: CN105990970A; CN105990970B

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine (14) aufweisend einen konzentrisch zur Rotorachse (1) angeordneten Rotorkörper (2), in welchem Nuten (3) angeordnet sind, welche im Wesentlichen in axialer Richtung ausgerichtet sind, Kurzschlussstäbe (4), welche in den Nuten (3) angeordnet sind, und zwei Kurzschlussringe (5), von denen je einer an der jeweiligen axialen Stirnseite des Rotorkörpers (2) angeordnet ist und welche die Kurzschlussstäbe (4) miteinander elektrisch verbinden. Weiterhin betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine (14), insbesondere einen Elektromotor, aufweisend einen derartigen Rotor sowie ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektro- oder Hybridfahrzeug (15), aufweisend eine derartige elektrische Maschine (14). Schließlich betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für einen derartigen Rotor. Um einen Rotor bzw. eine elektrische Maschine zu schaffen, welcher bzw. welche insbesondere für hohe Drehzahlen geeignet ist, wird unter anderem vorgeschlagen, dass der jeweilige Kurzschlussring (5) zumindest ein Matrixelement (6) aufweisend ein erstes Material sowie zumindest ein Formelement (7) aufweisend ein zweites Material aufweist, wobei das erste Material einen kleineren E-Modul und eine größere elektrische Leitfähigkeit als das zweite Material aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine aufweisend einen konzentrisch zur Rotorachse angeordneten Rotorkörper, in welchem Nuten angeordnet sind, welche im Wesentlichen in axialer Richtung ausgerichtet sind, Kurzschlussstäbe, welche in den Nuten angeordnet sind, und zwei Kurzschlussringe, von denen je einer an der jeweiligen axialen Stirnseite des Rotorkörpers angeordnet ist und welche die Kurzschlussstäbe miteinander elektrisch verbinden.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine, insbesondere einen Elektromotor, aufweisend einen derartigen Rotor sowie ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, aufweisend eine derartige elektrische Maschine.
Schließlich betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für einen derartigen Rotor.
Ein derartiger Rotor bzw. ein derartiges Verfahren kommt beispielsweise bei Asynchronmaschinen zum Einsatz. Die Herstellung von Kurzschlussringen für elektrische Antriebe, wie z.B. Asynchronmaschinen, erfolgt heutzutage überwiegend aus Aluminium-Knetlegierung. Die verwendeten Werkstoffe, beispielsweise Leichtmetalle wie Aluminium 99,5, weisen sehr geringe mechanische Stabilitäten und derartige Eigenschaften auf, dass sie bei Rotationsgeschwindigkeiten bzw. Drehzahlen über 10.000 Umdrehungen pro Minute ihre Festigkeitsgrenzen schnell überschreiten. Die Gewährleistung einer nicht plastischen Deformation ist dadurch nicht mehr gegeben.
Aus der DE 10 2011 077 084 A1 ist ein Asynchronmotor bekannt, welcher unter anderem auch Kurzschlussringe aufweist.
Eine Aufgabe der Erfindung ist es, einen Rotor bzw. eine elektrische Maschine zu schaffen, welcher bzw. welche insbesondere für hohe Drehzahlen geeignet ist.
Eine Lösung der Aufgabe ergibt sich durch einen Rotor der eingangs genannten Art dadurch, dass der jeweilige Kurzschlussring zumindest ein Matrixelement aufweisend ein erstes Material sowie zumindest ein Formelement aufweisend ein zweites Material aufweist, wobei das erste Material einen kleineren E-Modul und eine größere elektrische Leitfähigkeit als das zweite Material aufweist.
Weiterhin ergeben sich Lösungen der Aufgabe durch eine elektrische Maschine, insbesondere einen Elektromotor, aufweisend einen derartigen Rotor sowie ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, aufweisend eine derartige elektrische Maschine.
Schließlich ergibt sich eine weitere Lösung der Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors, insbesondere für eine elektrische Maschine, wobei der Rotor einen konzentrisch zur Rotorachse angeordneten Rotorkörper aufweist, in welchem Nuten angeordnet sind, welche im Wesentlichen in axialer Richtung ausgerichtet sind, umfassend die folgenden Verfahrensschritte:

– Anordnen von Kurzschlussstäben in den Nuten,
– Anordnen zumindest eines Matrixelementes aufweisend ein erstes Material sowie zumindest eines Formelementes aufweisend ein zweites Material zu einem jeweiligen Kurzschlussring an der jeweiligen axialen Stirnseite des Rotorkörpers, wobei der jeweilige Kurzschlussring die Kurzschlussstäbe miteinander elektrisch verbindet,

Der jeweilige Kurzschlussring weist somit zumindest ein jeweiliges Matrixelement und ein jeweiliges Formelement auf.
Dabei verleiht das jeweilige Formelement dem jeweiligen Kurzschlussring eine besondere Stabilität, wobei gleichzeitig das jeweilige Matrixelement dem jeweiligen Kurzschlussring gute elektrische Eigenschaften zum Verbinden der Kurzschlussstäbe verleiht. Dies wird dadurch erreicht, dass das erste Material besser elektrisch leitfähig als das zweite Material ist und das zweite Material einen höheren E-Modul aufweist als das erste Material.
Sind mehrere Formelemente vorgesehen, sind diese vorteilhafterweise untereinander verbunden, wodurch die Festigkeit des jeweiligen Kurzschlussringes weiter erhöht werden kann und ein kostengünstiger Herstellungsprozess erreicht werden kann.
Insbesondere ermöglicht die Einbringung des jeweiligen Formelementes somit, die während der Rotation des Rotors auftretenden Kräfte, wie z. B. radial ausgerichtete Flieh-, oder in Umfangsrichtung ausgerichtete Brems- oder Beschleunigungskräfte, aus dem Matrixelement aufzunehmen und reduzierend umzuleiten. Der vorgeschlagene Rotor bzw. die vorgeschlagene elektrische Maschine kann im Vergleich zu der bisherigen Ausgestaltung von vergleichbaren Rotoren bzw. elektrischen Maschinen mittels der vorgeschlagenen konstruktiven Maßnahme deutlich verbessert werden. Unter anderem wird dies dadurch erreicht, dass lokale, mechanische Überspannungen im jeweiligen Kurzschlussring und dessen Werkstoffe reduziert werden. Die Krafteinleitung, Kraftaufnahme sowie Kraftumleitung wird bei entsprechender Umsetzung optimal ausgenutzt. Insbesondere trägt die vorgeschlagene Erfindung somit wesentlich zu einer höheren Steifigkeit des jeweiligen Kurzschlussring es bei.
Der vorgeschlagene Rotor bzw. die vorgeschlagene elektrische Maschine ermöglicht insbesondere einen zuverlässigen Betrieb bei vergleichsweise hohen Drehzahlen, wie zum Beispiel zumindest 10.000 Umdrehungen pro Minute, insbesondere zumindest 15.000 U/min. Die elektrische Maschine ist vorzugsweise derart ausgelegt, dass sie mit einer elektrischen Leistung von zumindest 20 kW, vorzugsweise zumindest 50 kW, betreibbar ist. Vorteilhafterweise wird die elektrische Maschine zum Antrieb eines Fahrzeugs, insbesondere eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs bzw. -autos, verwendet.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das erste Material Aluminium, insbesondere AL99,5 oder AL99,6, und das zweite Material einen Stahl, insbesondere einen unlegierten Stahl und/oder einen Edelstahl, bzw. einen faserverstärkten Kunststoff, vorzugsweise einen karbonfaserverstärkten Kunststoff, dessen Fasern vorzugsweise vorwiegend in radialer Richtung und/oder in Umfangsrichtung ausgerichtet sind.
Dadurch, dass das erste Material Aluminium umfasst, werden die Kurzschlussstäbe elektrisch sehr gut miteinander verbunden, da Aluminium einen spezifischen elektrischen Widerstand aufweist, der mit 2,65 × 10^–2 Ω × mm²/m ähnlich niedrig ist wie jener von Kupfer. Bekanntlich ist der elektrische Widerstand umgekehrt proportional zur elektrischen Leitfähigkeit. Indem das zweite Material Stahl umfasst, erhält der jeweilige Kurzschlussring gute mechanische Eigenschaften, da Stahl einen E-Modul in der Größenordnung von etwa 2 × 10² MPa oder mehr aufweist, welcher somit eine Größenordnung größer ist als der E-Modul von Aluminium.
Zusätzlich oder alternativ kann das zweite Material auch einen faserverstärkten Kunststoff aufweisen, dessen Fasern vorzugsweise vorwiegend in radialer Richtung ausgerichtet sind. Mit einem E-Modul von mindestens 4 × 10⁴ MPa für glasfaserverstärkten Kunststoff und von mindestens 4 × 10⁵ MPa für karbonfaserverstärkten Kunststoff weist der faserverstärkte Kunststoff hervorragende mechanische Eigenschaften auf und ist dabei sehr leicht. Hinzu kommt, dass der faserverstärkte Kunststoff mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von einigen bzw. einigen 10 Ω × mm²/m ein vergleichsweise guter elektrische Leiter ist. Kommt für das zweite Material ein Faser verstärkte Kunststoff zum Einsatz, kann das zweite Material weiterhin einen Harz, insbesondere einen Epoxidharz, aufweisen.
Wird für das zweite Material ein faserverstärkter Kunststoff, eingesetzt, wobei vorzugsweise Karbonfasern zum Einsatz kommen, so können die Fasern beispielsweise vorwiegend in radialer Richtung ausgerichtet sein. Denkbar ist auch, dass die Fasern vorwiegend in Umfangsrichtung ausgerichtet sind.
Beispielsweise können die Fasern unidirektional ausgerichtet sein, sei es in radialer Richtung und/oder in Umfangsrichtung, je nach der Art und der Größe der Belastung.
Insbesondere kann auch ein Geflecht von Fasern eingesetzt werden, wobei eine erste Gruppe von geflechteten Fasern im Wesentlichen senkrecht zu einer zweiten Gruppe von geflechteten Fasern ausgerichtet ist. Insbesondere können dabei die Fasern der ersten Gruppe im Wesentlichen in radialer Richtung und die Fasern der zweiten Gruppe im Wesentlichen in Umfangsrichtung ausgerichtet sein.
Besonders gute Ergebnisse bezüglich der Stabilität lassen sich erzielen, indem die Fasern der ersten Gruppe im Wesentlichen entlang der Winkelhalbierenden zwischen der Umfangsrichtung und der radialen Richtung ausgerichtet sind und die Fasern der zweiten Gruppe im Wesentlichen senkrecht zu jenen der ersten Gruppe ausgerichtet sind.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das jeweilige Formelement senkrecht zur axialen Richtung im Wesentlichen einen trapezförmigen Querschnitt oder im Wesentlichen den Querschnitt zumindest einen Abschnittes eines Kreisringes auf.
Das jeweilige Formelement weist senkrecht zur axialen Richtung somit eine im Wesentlichen trapezförmige oder kreisringförmige Grundfläche auf, wobei auch vorgesehen sein, dass lediglich ein Abschnitt in Umfangsrichtung eines Kreisrings als Grundfläche vorliegt. Ferner kann das jeweilige Formelement unabhängig von der Grundfläche, welche vorzugsweise an der jeweiligen axialen Stirnseite des Rotorkörpers anliegt, eine weitgehend einheitliche Dicke in axialer Richtung aufweisen, wobei auch eine Fase oder Abrundung an der radialen Innen- und/oder Außenkante am axialen Ende des jeweiligen Kurzschlussringes vorgesehen sein kann.
Besonders stabile Kurzschlussringe sind erhältlich, wenn das jeweilige Formelement im Wesentlichen quaderförmig ausgestaltet ist, so dass die trapezförmige Grundfläche in Form einer rechteckigen Grundfläche vorliegt und das jeweilige Formelement in axialer Richtung eine im Wesentlichen einheitliche Dicke aufweist.
Vorzugsweise ist das jeweilige Formelement dabei nicht massiv ausgeführt, sondern weist entsprechende Außenkonturen auf, die mit den oben erläuterten Formen korrespondieren. Insbesondere weist das jeweilige Formelement im Inneren zumindest einen, vorzugsweise mehrere Hohlräume auf, in welchem bzw. welchen das jeweilige Matrixelement bzw. das erste Material angeordnet ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung schließt das jeweilige Formelement den jeweiligen Kurzschlussring in axialer Richtung sowie nach radial außen und/oder teilweise nach radial innen ab.
Entsprechend ist das jeweilige Matrixelement in der jeweiligen Richtung innerhalb des jeweiligen Formelementes angeordnet. Somit wird das jeweilige Matrixelement praktisch durch das jeweilige Formelement in Umfangsrichtung und in radialer Richtung eingefasst, wodurch die während der Rotation des Rotors am jeweiligen Matrixelement angreifenden Kräfte besonders gut über das jeweilige Formelement abgeführt und verteilt werden können. Von besonderem Vorteil ist hierbei, wenn das jeweilige Formelement den jeweiligen Kurzschlussring zumindest nach radial außen abschließt.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das jeweilige Formelement zumindest ein Fixierelement auf, mittels welchem das jeweilige Formelement vorzugsweise formschlüssig in Umfangsrichtung und/oder in radialer Richtung mit dem jeweiligen Matrixelement verbunden ist.
Das jeweilige Fixierelement stellt somit insbesondere schon während der Herstellung des Rotors eine zuverlässige Verbindung des jeweiligen Formelementes mit dem jeweiligen Matrixelement sicher.
Beispielsweise kann das jeweilige Matrixelement eine jeweilige, entsprechende Aussparung aufweisen, in welche das jeweilige Formelement eingreift. Denkbar ist beispielsweise das die jeweilige Aussparung eine Öffnung an der radialen Innenseite aufweist und sich abschnittsweise nach radial außen erstreckt oder eine Öffnung an der axialen Stirnseite aufweist und sich abschnittsweise in axialer Richtung zum Rotorkörper erstreckt.
Vorzugsweise weist das jeweilige Fixierelement für eine besonders stabile Verbindung zumindest einen Widerhaken auf.
Besonders gute Ergebnisse lassen sich erzielen, wenn das jeweilige Formelement den jeweiligen Kurzschlussring zumindest nach radial außen, vorzugsweise zusätzlich in axialer Richtung, abschließt und das jeweilige Fixierelement im radial inneren Bereich des jeweiligen Formelementes angeordnet ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das jeweilige Formelement in radialer Richtung mehrere, übereinander angeordnete Schichten auf.
Dank der Schichten kann eine besonders gleichmäßige Verteilung und Ableitung der während der Rotation des Rotors auftretenden Kräfte erreicht werden. Beispielsweise ist zwischen zwei jeweils benachbarten Schichten vorwiegend ein jeweiliges Matrixelement angeordnet. Insbesondere sind die Schichten mittels in radialer Richtung verlaufender Stege untereinander verbunden.
Die Schichten können beispielsweise als konzentrisch zur Rotorachse angeordnete Schalen bzw. Hohlzylinder ausgestaltet sein.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen zumindest zwei der Kurzschlussstäbe einen jeweiligen Vorsprung auf, welcher in axialer Richtung aus dem Rotorkörper herausragt und in das jeweilige Formelement eingreift, wobei der Raum zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten Vorsprüngen größtenteils durch das jeweilige Matrixelement ausgefüllt wird.
Durch den jeweiligen Vorsprung wird eine besonders stabile Fixierung des jeweiligen Kurzschlussringes am Rotorkörper ermöglicht, indem der jeweilige Vorsprung in das jeweilige Formelement eingreift. Somit können während der Rotation des Rotors auftretenden Kräfte vom jeweiligen Matrixelement zunächst an das jeweilige Formelement und anschließend über den jeweiligen Kurzschlussstab an den Rotorkörper übertragen werden. Vorteilhafterweise erstreckt sich der jeweilige Vorsprung in axialer Richtung zumindest entlang der halben axialen Erstreckung des jeweiligen Formelementes.
Vorzugsweise werden zumindest zwei der Vorsprünge von dem jeweiligen Formelement in Umfangsrichtung und in radialer Richtung umschlossen, wobei der Raum zwischen diesen zumindest zwei, in Umfangsrichtung benachbarten Vorsprüngen größtenteils durch das jeweilige Matrixelement ausgefüllt wird.
Vorzugsweise liegt dabei das jeweilige Formelement auf einer jeweiligen radialen Innenseite zumindest eines der Vorsprünge auf bzw. berührt diese. Ausreichende Stabilität bei besonders hohen Drehzahlen kann erreicht werden, indem die jeweilige Nut geschlossen ausgeführt ist und somit insbesondere in Form einer Bohrung vorliegt, welche im Wesentlichen in axialer Richtung durch den Rotorkörper führt.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen der jeweiligen Nut und dem jeweiligen, darin angeordneten Kurzschlussstab ein jeweiliger Hohlraum angeordnet, in welchem das jeweilige Matrixelement und/oder das jeweilige Formelement zumindest abschnittsweise angeordnet ist bzw. sind.
Das jeweilige Matrixelement bzw. das jeweilige Formelement greifen somit in axialer Richtung in den jeweiligen Hohlraum zwischen der jeweiligen Nut und dem jeweiligen, darin angeordneten Kurzschlussstab ein. Dies erlaubt eine ausgesprochen gute Verbindung des jeweiligen Kurzschlussringes mit dem Rotorkörper, wodurch eine besonders tragfähige Kraftübertragung bewerkstelligt werden kann. Somit können besonders hohe Drehzahlen des Rotors realisiert werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das jeweilige Matrixelement mittels Pressfügen mit dem jeweiligen Formelement und dem jeweiligen Kurzschlussstab verbunden.
Vorzugsweise sind das jeweilige Matrixelement und das jeweilige Formelement derart ausgestaltet, dass sie über eine Presspassung miteinander verbunden werden können. Ein derartiger Aufbau des jeweiligen Kurzschlussringes ist vergleichsweise kostengünstig erhältlich.
Bei einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das jeweilige Matrixelement mittels Gießen, vorzugsweise mittels Druckguss, mit dem jeweiligen Formelement und dem jeweiligen Kurzschlussstab verbunden.
Die Verbindung des jeweiligen Matrixelementes mittels Guss mit dem jeweiligen Formelement und dem jeweiligen Kurzschlussstab geht mit mehreren Vorteilen einher. So ist die elektrische Kontaktierung des jeweiligen Kurzschlussstabes mit dem jeweiligen Matrixelement besonders gut, da dank des Gusses praktisch keine Hohlräume dazwischen verbleiben. Weiterhin ist auch die mechanische Stabilität des jeweiligen Kurzschlussringes besonders gut, da auch zwischen dem jeweiligen Matrixelement und dem jeweiligen Formelement praktisch keine Hohlräume verbleiben.
Die mechanische Stabilität kann weiter erhöht werden, wenn wie oben erläutert zwischen der jeweiligen Nut und dem jeweiligen, darin angeordneten Kurzschlussstäben ein jeweiliger Hohlraum angeordnet ist, in welchen das Material des jeweiligen Matrixelement des während des Gießens hineingelangt.
Vorzugsweise ist das jeweilige Formelement für den Gießprozess aus einem wärmefesten Material.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der jeweilige Kurzschlussring zumindest ein weiteres Element aufweisend ein drittes Material auf, wobei das jeweilige weitere Element zumindest abschnittsweise zwischen dem jeweiligen Formelement und dem jeweiligen Matrixelement angeordnet ist, und wobei das dritte Material einen größeren E-Modul als das erste Material aufweist und die elektrische Leitfähigkeit des jeweiligen Kurzschlussringes zwischen zwei benachbarten Kurzschlussstäben mittels des jeweiligen dritten Elementes erhöht wird.
Indem der jeweilige Kurzschlussring zusätzlich ein jeweiliges, weiteres Element aufweist, wird somit die elektrische Leitfähigkeit zwischen zwei benachbarten Kurzschlussstäben erhöht, insbesondere im Vergleich zu einem jeweiligen Kurzschlussring ohne das jeweilige, weitere Element. Die Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass das jeweilige Formelement weniger voluminös bzw. massiv ausgestaltet werden muss, da das weitere Material besonders gute mechanische Eigenschaften aufweist und somit zur Aufnahme bzw. Verteilung der während der Rotation des Rotors auftretenden Kräfte beiträgt. Weiterhin kann die Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit auch dadurch erreicht werden, dass das weitere Material ein vergleichsweise guter elektrischer Leiter ist.
Insbesondere kann das weitere Element auch an der radialen Außenseite des jeweiligen Kurzschlussrings angeordnet sein.
Vorteilhafterweise weist das weitere Element zumindest eines der oben erläuterten Fixierelemente auf, wobei das jeweilige, weitere Element vorzugsweise formschlüssig in Umfangsrichtung und/oder in radialer Richtung mit dem jeweiligen Matrixelement und/oder dem jeweiligen Formelement verbunden ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist das dritte Material einen Stahl, insbesondere einen unlegierten Stahl und/oder einen Edelstahl, bzw. einen faserverstärkten Kunststoff, vorzugsweise einen karbonfaserverstärkten Kunststoff, auf, dessen Fasern vorzugsweise vorwiegend in radialer Richtung ausgerichtet sind.
Für den Fall dass das zweite Material einen faserverstärkten Kunststoff bzw. einen Stahl aufweist, weist das dritte Material somit einen Stahl bzw. einen faserverstärkten Kunststoff auf.
Vorzugsweise wird der vorgeschlagene Rotor bzw. die vorgeschlagene elektrische Maschine innerhalb eines Antriebsstranges eines Fahrzeugs verwendet, wobei die elektrische Maschine für den Antrieb mit den Rädern des Fahrzeugs beispielsweise über ein Getriebe und ggf. eine Kupplung wirkverbunden ist und über einen Umrichter und ggf. einen Energiespeicher gespeist wird.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel des vorgeschlagenen Rotors,
2 einen Ausschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels vorgeschlagenen Rotors,
3 eine weitere Darstellung des zweiten Ausführungsbeispiels,
4 ein Formelement eines dritten Ausführungsbeispiels des vorgeschlagenen Rotors,
5 einen Ausschnitt eines vierten Ausführungsbeispiels vorgeschlagenen Rotors,
6 ein Ausführungsbeispiel des vorgeschlagenen Fahrzeugs.
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des vorgeschlagenen Rotors, wobei eine perspektivische Ansicht des Rotors dargestellt ist.
Der Rotor weist einen konzentrisch zur Rotorachse 1 angeordneten Rotorkörper 2 auf, in welchem Nuten 3 angeordnet sind, die im Wesentlichen in axialer Richtung ausgerichtet sind. In den Nuten 3 sind jeweils Kurzschlussstäbe 4 angeordnet, wobei in der 1 aus Gründen der Übersichtlichkeit lediglich einige der Nuten 3 und einige der Kurzschlussstäbe 4 angedeutet sind. Weiterhin weist der Rotor zwei Kurzschlussringe 5 auf, von denen je einer an der jeweiligen axialen Stirnseite des Rotorkörpers 2 angeordnet ist und welche die Kurzschlussstäbe 4 miteinander elektrisch verbinden.
Der jeweilige Kurzschlussring 5 weist mehrere Formelemente 7 und Matrixelemente 6 auf, wobei bei dem in der 6 an der vorderen Stirnseite angeordneten Formelement 7 das Matrixelement 6 durch den gepunkteten Bereich innerhalb des Formelementes 7 angedeutet ist. Das jeweilige Matrixelement 6 weist dabei ein erstes Material und das jeweilige Formelement 7 ein zweites Material auf, wobei das erste Material einen kleineren E-Modul und eine größere elektrische Leitfähigkeit als das zweite Material aufweist.
Beispielsweise kann das erste Material Aluminium und das zweite Material einen Stahl bzw. einen faserverstärkten Kunststoff aufweisen, dessen Fasern vorzugsweise vorwiegend in radialer Richtung und/oder in Umfangsrichtung ausgerichtet sind, wie weiter oben schon erläutert. Gemäß dem vorliegenden ersten Ausführungsbeispiel weist das jeweilige Formelement 7 senkrecht zur axialen Richtung im Wesentlichen den Querschnitt eines Abschnittes eines Kreisrings auf. Entsprechend ist der jeweilige Kurzschlussring 5, der mehrere in Umfangsrichtung versetzt zueinander angeordnete Formelemente 7 aufweist, im Wesentlichen hohlzylinderförmig. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass das jeweilige Formelement 7 selbst schon im Wesentlichen hohlzylinderförmig ausgestaltet ist, wobei auch eine quaderförmige Ausgestaltung des jeweiligen Formelementes 7 denkbar ist.
Wie in 1 angedeutet, schließt das jeweilige Formelement 7 den jeweiligen Kurzschlussring 5 des ersten Ausführungsbeispiels nach radial außen und nach radial innen ab.
Die Kurzschlussstäbe 4 weisen einen jeweiligen Vorsprung 10 auf, welcher in axialer Richtung aus dem Rotorkörper 2 herausragt und in das jeweilige Formelement 7 eingreift. Der Raum zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten Vorsprüngen 10 wird innerhalb des jeweiligen Formelementes 7 im Wesentlichen durch das jeweilige Matrixelement 6 ausgeführt.
Zwischen der jeweiligen Nut 3 und dem jeweiligen, darin angeordneten Kurzschlussstab 4 ist ein jeweiliger Hohlraum 11 angeordnet, in welchem vorzugsweise das jeweilige Matrixelement 6 zumindest abschnittsweise angeordnet ist. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass das jeweilige Matrixelement 6 mittels Pressfügen oder mittels Gießen mit dem jeweiligen Formelement und den jeweiligen Kurzschlussstäben verbunden wird und während des Pressfügens bzw. während des Gießens auch zumindest abschnittsweise in den jeweiligen Hohlraum 11 eingebracht wird.
2 zeigt einen Ausschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels vorgeschlagenen Rotors. Gleiche Bezugszeichen wie in 1 bezeichnen dabei gleiche Gegenstände. Da das dargestellte Formelement 7 einige Ähnlichkeiten mit den in 1 dargestellten Formelementen 7 aufweist, werden im Folgenden einige Unterschiede erläutert. Aus Gründen der Übersichtlichkeit wird in der 2 jedoch nicht das Matrixelement 6 dargestellt.
Das Formelement 7 weist in radialer Richtung mehrere, übereinander angeordnete Schichten 9 auf. Vorzugsweise liegt die radiale Außenseite einer der Schichten 9 auf der radialen Innenseite zumindest eines der Ursprünge 10 auf.
3 zeigt eine weitere Darstellung des zweiten Ausführungsbeispiels. Im Unterschied zur Darstellung in der 2 ist nun auch das Matrixelement 6 dargestellt.
4 zeigt ein Formelement 7 eines dritten Ausführungsbeispiels des vorgeschlagenen Rotors. Das Formelement 7 weist mehrere Fixierelemente 8 auf, mittels welchen das Formelement 7 vorzugsweise formschlüssig in Umfangsrichtung und in radialer Richtung mit dem jeweiligen Matrixelement 6 verbunden ist, welches in 4 nicht näher dargestellt ist. Die Fixierelemente 8 weisen dabei jeweils mehrere Widerhaken auf.
Vorzugsweise schließt das Formelement 7 den jeweiligen Kurzschlussring 5 in axialer Richtung sowie nach radial außen ab.
Bei einer alternativen Ausführungsform kann der in 4 dargestellte Gegenstand auch als ein weiteres Element 12 des Rotors ausgestaltet sein, welches ein drittes Material aufweist, wobei das weitere Element 12 zumindest abschnittsweise zwischen dem jeweiligen Formelement 7 und dem jeweiligen Matrixelement 6 und/oder an einer radialen Außenseite 13 des jeweiligen Kurzschlussrings 5 angeordnet ist. Das dritte Material weist einen größeren E-Modul als das erste Material auf, wobei die elektrische Leitfähigkeit des jeweiligen Kurzschlussringes 5 zwischen zwei benachbarten Kurzschlussstäben 4 mittels des dritten Elementes 12 erhöht wird.
5 zeigt einen Ausschnitt eines vierten Ausführungsbeispiels vorgeschlagenen Rotors. Die Darstellung ist dabei jener der 2 oder 3 ähnlich, wobei in 5 eine Draufsicht in axialer Richtung dargestellt ist.
Mehrere Vorsprünge 10 werden in Umfangsrichtung und in radialer Richtung von dem Formelement 7 umschlossen, wobei innerhalb des Formelementes 7 der Raum zwischen zwei benachbarten Vorsprüngen 10 im Wesentlichen durch das Matrixelement 6 ausgefüllt wird.
Zwischen dem Matrixelement 6 und dem Formelement 7 ist ein weiteres Element 12 angeordnet, welches ein drittes Material aufweist. Das dritte Material weist größeren E-Modul als das erste Material auf, wobei die elektrische Leitfähigkeit des jeweiligen Kurzschlussringes 5 zwischen zwei benachbarten Kurzschlussstäben 4 mittels des dritten Elementes 12 erhöht wird.
Vorzugsweise weist das dritte Material einen Stahl bzw. einen faserverstärkte Kunststoff auf, dessen Fasern vorzugsweise vorwiegend in radialer Richtung und/oder in Umfangsrichtung ausgerichtet sind, wie weiter oben schon erläutert.
6 zeigt ein Ausführungsbeispiel des vorgeschlagenen Fahrzeugs 15. Fas Fahrzeug 15 ist beispielsweise als Elektro- oder Hybridfahrzeug ausgestaltet und weist eine elektrische Maschine 14 mit dem vorgeschlagenen Rotor auf.
Zusammenfassend betrifft die Erfindung einen Rotor für eine elektrische Maschine aufweisend einen konzentrisch zur Rotorachse angeordneten Rotorkörper, in welchem Nuten angeordnet sind, welche im Wesentlichen in axialer Richtung ausgerichtet sind, Kurzschlussstäbe, welche in den Nuten angeordnet sind, und zwei Kurzschlussringe, von denen je einer an der jeweiligen axialen Stirnseite des Rotorkörpers angeordnet ist und welche die Kurzschlussstäbe miteinander elektrisch verbinden. Weiterhin betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine, insbesondere einen Elektromotor, aufweisend einen derartigen Rotor sowie ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, aufweisend eine derartige elektrische Maschine. Schließlich betrifft die Erfindung ein Herstellungsverfahren für einen derartigen Rotor. Um einen Rotor bzw. eine elektrische Maschine zu schaffen, welcher bzw. welche insbesondere für hohe Drehzahlen geeignet ist, wird vorgeschlagen, dass der jeweilige Kurzschlussring zumindest ein Matrixelement aufweisend ein erstes Material sowie zumindest ein Formelement aufweisend ein zweites Material aufweist, wobei das erste Material einen kleineren E-Modul und eine größere elektrische Leitfähigkeit als das zweite Material aufweist. Weiterhin werden eine elektrische Maschine, insbesondere einen Elektromotor, aufweisend einen derartigen Rotor, sowie ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektro- oder Hybridfahrzeug, aufweisend eine derartige elektrische Maschine, vorgeschlagen. Schließlich wird ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors, insbesondere für eine elektrische Maschine, vorgeschlagen, wobei der Rotor einen konzentrisch zur Rotorachse angeordneten Rotorkörper aufweist, in welchem Nuten angeordnet sind, welche im Wesentlichen in axialer Richtung ausgerichtet sind, umfassend die folgenden Verfahrensschritte:

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011077084 A1 [0005]

Claims

Rotor für eine elektrische Maschine (14) aufweisend – einen konzentrisch zur Rotorachse (1) angeordneten Rotorkörper (2), in welchem Nuten (3) angeordnet sind, welche im Wesentlichen in axialer Richtung ausgerichtet sind, – Kurzschlussstäbe (4), welche in den Nuten (3) angeordnet sind, und – zwei Kurzschlussringe (5), von denen je einer an der jeweiligen axialen Stirnseite des Rotorkörpers (2) angeordnet ist und welche die Kurzschlussstäbe (4) miteinander elektrisch verbinden, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Kurzschlussring (5) zumindest ein Matrixelement (6) aufweisend ein erstes Material sowie zumindest ein Formelement (7) aufweisend ein zweites Material aufweist, wobei das erste Material einen kleineren E-Modul und eine größere elektrische Leitfähigkeit als das zweite Material aufweist.
Rotor nach Anspruch 1, wobei das erste Material Aluminium, insbesondere AL99,5 oder AL99,6, und das zweite Material einen Stahl, insbesondere einen unlegierten Stahl und/oder einen Edelstahl, bzw. einen faserverstärkten Kunststoff, vorzugsweise einen karbonfaserverstärkten Kunststoff, dessen Fasern vorzugsweise vorwiegend in radialer Richtung und/oder in Umfangsrichtung ausgerichtet sind, umfasst.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das jeweilige Formelement (7) senkrecht zur axialen Richtung im Wesentlichen einen trapezförmigen Querschnitt oder im Wesentlichen den Querschnitt zumindest einen Abschnittes eines Kreisringes aufweist.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das jeweilige Formelement (7) den jeweiligen Kurzschlussring (5) in axialer Richtung sowie nach radial außen und/oder teilweise nach radial innen abschließt.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das jeweilige Formelement (7) zumindest ein Fixierelement (8) aufweist, mittels welchem das jeweilige Formelement (7) vorzugsweise formschlüssig in Umfangsrichtung und/oder in radialer Richtung mit dem jeweiligen Matrixelement (6) verbunden ist.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das jeweilige Formelement (7) in radialer Richtung mehrere, übereinander angeordnete Schichten (9) aufweist.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest zwei der Kurzschlussstäbe (4) einen jeweiligen Vorsprung (10) aufweisen, welcher in axialer Richtung aus dem Rotorkörper (2) herausragt und in das jeweilige Formelement (7) eingreift, wobei der Raum zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten Vorsprüngen (10) größtenteils durch das jeweilige Matrixelement (6) ausgefüllt wird.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen der jeweiligen Nut (3) und dem jeweiligen, darin angeordneten Kurzschlussstab (4) ein jeweiliger Hohlraum (11) angeordnet ist, in welchem das jeweilige Matrixelement (6) und/oder das jeweilige Formelement (7) zumindest abschnittsweise angeordnet ist bzw. sind.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das jeweilige Matrixelement (6) mittels Pressfügen mit dem jeweiligen Formelement (7) und dem jeweiligen Kurzschlussstab (4) verbunden ist.
Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das jeweilige Matrixelement (6) mittels Gießen, vorzugsweise mittels Druckguss, mit dem jeweiligen Formelement (7) und dem jeweiligen Kurzschlussstab (4) verbunden ist.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der jeweilige Kurzschlussring (4) zumindest ein weiteres Element (12) aufweisend ein drittes Material aufweist, wobei das jeweilige weitere Element (12) zumindest abschnittsweise zwischen dem jeweiligen Formelement (7) und dem jeweiligen Matrixelement (6) angeordnet ist, und wobei das dritte Material einen größeren E-Modul als das erste Material aufweist und die elektrische Leitfähigkeit des jeweiligen Kurzschlussringes (5) zwischen zwei benachbarten Kurzschlussstäben (4) mittels des jeweiligen dritten Elementes (12) erhöht wird.
Rotor nach Anspruch 11, wobei das dritte Material einen Stahl, insbesondere einen unlegierten Stahl und/oder einen Edelstahl, bzw. einen faserverstärkten Kunststoff, vorzugsweise einen karbonfaserverstärkten Kunststoff, aufweist, dessen Fasern vorzugsweise vorwiegend in radialer Richtung ausgerichtet sind.
Elektrische Maschine (14), insbesondere Elektromotor, aufweisend einen Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Fahrzeug (15), insbesondere Elektro- oder Hybridfahrzeug, aufweisend eine elektrische Maschine (14) nach Anspruch 13 zum Fahrzeugantrieb.
Verfahren zur Herstellung eines Rotors, insbesondere für eine elektrische Maschine (14), wobei der Rotor einen konzentrisch zur Rotorachse (1) angeordneten Rotorkörper (2) aufweist, in welchem Nuten (3) angeordnet sind, welche im Wesentlichen in axialer Richtung ausgerichtet sind, umfassend die folgenden Verfahrensschritte: – Anordnen von Kurzschlussstäben (4) in den Nuten (3), – Anordnen zumindest eines Matrixelementes (6) aufweisend ein erstes Material sowie zumindest eines Formelementes (7) aufweisend ein zweites Material zu einem jeweiligen Kurzschlussring (5) an der jeweiligen axialen Stirnseite des Rotorkörpers (2), wobei der jeweilige Kurzschlussring (5) die Kurzschlussstäbe (4) miteinander elektrisch verbindet, wobei das erste Material einen kleineren E-Modul und eine größere elektrische Leitfähigkeit als das zweite Material aufweist.