DE102017114720A1

DE102017114720A1 - Rotor für eine Elektromaschine

Info

Publication number: DE102017114720A1
Application number: DE102017114720.9A
Authority: DE
Inventors: Volker Ehlers; Martin König
Original assignee: Ebm Papst St Georgen GmbH and Co KG
Current assignee: Ebm Papst St Georgen GmbH and Co KG
Priority date: 2017-06-30
Filing date: 2017-06-30
Publication date: 2019-01-03
Also published as: WO2019001992A1; EP3646439A1; DE212018000250U1; CN211151651U

Abstract

Ein Rotor (20) für eine Elektromaschine (10) hat eine Welle (22), eine Rotormagnetanordnung (30) und mindestens eine erste Befestigungsanordnung (41). Die Rotormagnetanordnung (30) hat eine Aussparung (34), durch welche Aussparung (34) sich die Welle (22) erstreckt. Die erste Befestigungsanordnung (41) hat ein Federelement (51) und ein Ringelement (52) und ist zumindest abschnittsweise um die Welle (22) herum angeordnet. Das Ringelement (52) ist mittels einer Presspassverbindung (226) an der Welle (22) befestigt und begrenzt eine Bewegung des Federelements (51) in zumindest eine axiale Richtung (241, 242). Das Federelement (51) ist dazu ausgebildet, eine Bewegung der Rotormagnetanordnung (30) in die zumindest eine axiale Richtung (241, 242) zu begrenzen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine Elektromaschine und eine Elektromaschine mit einem solchen Rotor.
Bei der Befestigung einer Rotormagnetanordnung auf einer Welle sind verschiedene Möglichkeiten bekannt. Beispielsweise kann ein Ringmagnet auf der Welle verklebt werden. Dies ist das Standard-Verfahren für Magnete aus Neodym-Eisen-Bohr-Legierungen, da diese sehr spröde sind. Ein solcher Kleber muss jedoch aushärten, und eine ungleiche Klebeverteilung kann zu einer Unwucht des Rotors führen. Zudem benötigt das Aushärten eine vorgegebene Zeit, und bei Montagestraßen, bei denen alle zwei bis vier Sekunden eine Elektromaschine fertig gestellt wird, sind wegen der Aushärtezeit sehr lange Montagestraßen erforderlich.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen neuen Rotor für eine Elektromaschine und eine neue Elektromaschine bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des Anspruchs 1.
Ein entsprechender Rotor kann schnell montiert werden, und es ist kein Kleben oder Schrauben erforderlich. Zudem können die Bauteile einfach ausgebildet werden, und dies ermöglicht eine geringe Unwucht des Rotors. Das Federelement ermöglicht einerseits einen Ausgleich von unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien, die bei unterschiedlichen Temperaturen zu unterschiedlichen Längen führen. Das Ringelement ermöglicht die Übertragung eines Drehmoments von der Verbindungsanordnung auf die Welle.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Rotor eine zweite Befestigungsanordnung auf, welche dazu ausgebildet ist, eine Bewegung der Rotormagnetanordnung in zumindest eine axiale Richtung zu begrenzen. Dies ermöglicht eine federnde Klemmverbindung der Rotormagnetanordnung und damit eine Drehmomentübertragung von der Rotormagnetanordnung auf die Welle über eine reibschlüssige Verbindung mit axialem Druck.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die zweite Befestigungsanordnung ein Federelement und ein Ringelement auf und ist zumindest abschnittsweise um die Welle herum angeordnet. Das Ringelement ist mittels einer Presspassverbindung an der Welle befestigt und begrenzt eine Bewegung des Federelements in zumindest eine axiale Richtung. Das Federelement ist dazu ausgebildet, eine Bewegung der Rotormagnetanordnung in die axiale Richtung zu begrenzen. Dies ermöglicht ein Halten der Rotormagnetanordnung über zwei Federelemente von jeweils einer Befestigungsanordnung.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Rotormagnetanordnung zumindest abschnittsweise zwischen der ersten Befestigungsanordnung und der zweiten Befestigungsanordnung angeordnet. Die Befestigungsanordnungen können also axial voneinander beabstandet sein, und das erleichtert die Montage.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hat die Rotormagnetanordnung eine Spielpassung auf der Welle. Die Gefahr von zu großen mechanischen Spannungen zwischen der Rotormagnetanordnung und der Welle wird hierdurch gegenüber einer Presspassverbindung verringert, es ist aber weiterhin eine radiale Führung möglich.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Welle im Bereich der Rotormagnetanordnung kreiszylindrisch ausgebildet. Solche Wellen können sehr genau hergestellt werden und sind für hohe Drehzahlen geeignet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Presspassverbindung zwischen dem Ringelement und der Welle in einem vorgegebenen ersten axialen Bereich vorgesehen, welcher erste axiale Bereich von der Rotormagnetanordnung axial beabstandet ist. Hierdurch wird die Gefahr einer negativen Auswirkung der Presspassverbindung auf den Bereich der Rotormagnetanordnung verringert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Welle im Bereich des Ringelements zylindrisch mit kreisrundem oder polygonalem Querschnitt ausgebildet. Eine solche Welle kann sehr genau hergestellt werden und hat gute Wuchteigenschaften.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Ringelement hohlzylindrisch mit kreisrundem oder polygonalem Querschnitt ausgebildet. Dies erleichtert das Fügen mit der Welle und es können auch zylindrische Wellen genutzt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Ringelement zur Welle gerichtete Zähne auf, welche Zähne zur Bildung der Presspassverbindung mit der Welle zusammen wirken. Die Stärke der Presspassverbindung und die Fügekraft können über die Größe und Form der Zähne nach Wunsch beeinflusst werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Federelement zumindest bereichsweise elastisch verformt ist. Diese elastische Verformung führt zu einer höheren Kraft und damit zu einer besseren Verbindung.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Federelement als Tellerfeder ausgebildet. Über Tellerfedern können gut Kräfte übertragen werden, und sie können gut berechnet werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind das Federelement und die Rotormagnetanordnung mit einer reibschlüssigen Verbindung miteinander verbunden sind, um eine Drehmomentübertragung zwischen der Rotoranordnung und dem Federelement zu ermöglichen. Diese Verbindung ist schonend für die Rotormagnetanordnung und kann auch für sehr spröde Magnete verwendet werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Federelement dazu ausgebildet, einen Kontakt mit einer Stirnseite der Rotormagnetanordnung zu ermöglichen. Dies ermöglicht über die Klemmwirkung eine Krafteinleitung in axialer Richtung, in radialer Richtung und in Umfangsrichtung.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Rotormagnetanordnung eine Mantelfläche auf, und das Federelement ist dazu ausgebildet, einen Kontakt mit der Mantelfläche zu ermöglichen. Hierdurch kann sowohl eine Sicherung der Rotormagnetanordnung in Umfangsrichtung als auch in axialer Richtung als auch in radialer Richtung erzielt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weisen das Federelement und die Rotormagnetanordnung Formschlusselemente auf, welche zusammen eine Verdrehsicherung für die Drehmomentübertragung bilden. Bei besonders leistungsstarken Anwendungen wird die Gefahr einer Verschiebung in Umfangsrichtung verringert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Federelement Schlitze auf, welche das Federelement in Segmente unterteilen, die zumindest teilweise in ihrer Federwirkung von einander entkoppelt sind. Hierdurch können Unebenheiten besser ausgeglichen und die Klemmwirkung besser verteilt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind das Federelement und das Ringelement fest miteinander verbunden oder einstückig ausgebildet. Durch die einstückige Ausbildung wird die Fügung des Rotors erleichtert, da weniger Bauteile vorhanden sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind das Federelement und das Ringelement mehrteilig ausgebildet. Für die Herstellung der Elemente führt dies zu einer Vereinfachung.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Ringelement als Kragen am Federelement ausgebildet. Diese Ausbildung erleichtert die Handhabung der Befestigungsanordnung, da das Ringelement am Federelement angeordnet ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind das Ringelement und das Federelement durch ein Verbindungselement miteinander verbunden, wobei das Verbindungselement zumindest bereichsweise von der Welle beabstandet ist. Dies erleichtert die Berechnung der Befestigungsanordnung, da die Wechselwirkung zwischen dem Ringelement und dem Federelement verringert wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die mindestens eine Befestigungsanordnung nicht-ferromagnetisch ausgebildet. Das verringert eine Beeinflussung des magnetischen Nutz-Flusses des Rotors.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die mindestens eine Befestigungsanordnung aus einem Werkstoff ausgebildet, welcher Chrom und Nickel enthält. Ein solcher Werkstoff ist gut für eine Presspassverbindung und für ein Federelement geeignet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die mindestens eine Befestigungsanordnung als Tiefziehteil oder als Drehteil ausgebildet. Diese Herstellung hat sich als vorteilhaft für die Verbindung mit der Welle erwiesen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Verbindung zwischen der Befestigungsanordnung und der Welle und die Verbindung zwischen der Befestigungsanordnung und der Rotormagnetanordnung (30) klebstofffrei ausgebildet. Dies ermöglicht eine umweltfreundliche Fügung, da die Befestigung der Rotormagnetanordnung ausschließlich über die mindestens eine Befestigungsanordnung erfolgen kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Aussparung der Rotormagnetanordnung eine Innenfläche und die Welle eine zu dieser Innenfläche benachbarte Außenfläche auf, wobei maximal 20 % der Innenfläche der Aussparung in Kontakt mit der Außenfläche der Welle ist, weiter bevorzugt maximal 10 % und besonders bevorzugt maximal 5 %. Hierdurch wird die Gefahr einer Beschädigung durch mechanische Spannung zwischen den Bauteilen verringert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform stehen die Rotormagnetanordnung und die Welle nicht in direktem Kontakt. Hierdurch werden Spannungen vermieden, die beispielsweise bei unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten auftreten können. Eine entsprechende direkte Verbindung ist nicht erforderlich, da die Rotormagnetanordnung über die Befestigungsanordnung indirekt mit der Welle verbunden ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist zwischen der Rotormagnetanordnung und der Welle ein hohlzylinderförmiger Hohlraum vorgesehen ist. Hierdurch wird zum einen Gewicht gespart, und zum anderen wird ein direkter Kontakt vermieden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Rotormagnetanordnung Neodym, Eisen und Bor. Magnete mit Neodym-Eisen-Bor-Legierungen sind besonders stark aber auch sehr spröde. Daher werden sie in der Regel durch Verkleben befestigt. Die federnde Klemmverbindung hat sich als gute Alternative erwiesen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist zwischen der Rotormagnetanordnung und der Welle keine Klebeverbindung vorgesehen. Klebeverbindungen sind zwar für viele Magnetarten das Standardverfahren, sie sind benötigen aber bei der Herstellung Zeit für die Trocknung, und die häufig verwendeten Lösungsmittel sind aus Umweltgründen nachteilig. Die Erfindung ermöglicht eine Verbindung ohne Klebemittel.
Die Aufgabe wird auch gelöst durch eine Elektromaschine mit einem Stator, einer Lageranordnung und einem an der Lageranordnung drehbar gelagerten Rotor. Für eine solche Elektromaschine kann der Rotor vorteilhaft genutzt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Lageranordnung mindestens ein Wälzlager mit einem Innenring und einem Außenring auf, wobei der Innenring gegen das Ringelement anliegt. Das Ringelement kann somit auf mindestens einer Seite als Abstandhalter genutzt werden.
Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen und in den Zeichnungen dargestellten, in keiner Weise als Einschränkung der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispielen, sowie aus den Unteransprüchen. Es zeigt:

1 eine Welle und eine Rotormagnetanordnung,
2 in einem Längsschnitt die Welle und Magnetanordnung von 1 mit einer ersten Befestigungsanordnung,
3 in einem Längsschnitt einen Rotor mit der Welle, Rotormagnetanordnung und ersten Befestigungsanordnung von 2 und einer zweiten Befestigungsanordnung,
4 in einer raumbildlichen Darstellung den Rotor von 3 mit zwei Lagern,
5 in einer Draufsicht eine Ausführungsform des Rotors mit Zähnen an der ersten Befestigungsanordnung,
6 in einer Draufsicht eine Ausführungsform des Rotors mit einer Welle mit polygonalem Querschnitt,
7 in einer Draufsicht eine Ausführungsform des Rotors mit Schlitzen in der ersten Verbindungsanordnung,
8 einen Längsschnitt durch die Ausführungsform des Rotors von 3 mit schematischer Darstellung der Verformung des Federelements,
9 in einem Längsschnitt eine weitere Ausführungsform des Rotors mit einer mehrteiligen ersten Verbindungsanordnung,
10 in einem Längsschnitt eine Ausführungsform des Rotors mit Formschlusselementen,
11 in einem Längsschnitt eine Ausführungsform des Rotors,
12 in einem Längsschnitt den Rotor von 3 mit einer abgeänderten zweiten Verbindungsanordnung,
13 in einem Längsschnitt eine Ausführungsform des Rotors,
14 in einem Längsschnitt eine Ausführungsform des Rotors, und
15 eine Elektromaschine mit dem Rotor von 2.

1 zeigt eine Welle 22 und eine Rotormagnetanordnung 30, welche mit der Rotorwelle 22 zu fügen ist.
Die Rotorwelle 22 hat ein erstes Wellenende 221 und ein zweites Wellenende 222. Die Wellenenden 221, 222 haben bevorzugt jeweils eine Phase 223, 224, um ein Aufschieben von Bauteilen zu erleichtern.
Die Rotormagnetanordnung 30 hat eine erste Stirnseite 31, eine zweite Stirnseite 32, eine Mantelfläche 33 und eine Aussparung 34. Die Aussparung 34 dient dazu, dass die Rotormagnetanordnung 30 auf die Welle 22 aufgeschoben werden kann. Die Rotormagnetanordnung 30 hat beispielhaft vier Rotorpole 301, 302, 303, 304, es sind jedoch auch andere Polzahlen möglich, bspw. 2, 6, 8 etc.
Die Rotormagnetanordnung 30 kann bspw. aus einem permanentmagnetischen Werkstoff hergestellt werden, sie kann auch aus einem Kunststoff mit eingebetteten Magnetpartikeln hergestellt werden, oder es können mehrere Einzelmagnete an einem Trägerbauteil befestigt werden. Bei der Herstellung aus einem permanentmagnetischen Werkstoff ist beispielsweise eine Herstellung über Sintern oder durch Sägen aus einem Magnetmaterial möglich. Besonders bevorzugt kann ein permanentmagnetischer Werkstoff verwendet werden, der Neodym, Eisen und Bor enthält. Neodym-Eisen-Bor-Legierungen sind magnetisch besonders starke Seltenerdmagnete. Der Neodym-Eisen-Bor-Legierung werden bevorzugt weitere Elemente hinzugefügt. Insbesondere weitere Seltenerdelemente wie Dysprosium und Erbium erhöhen die Temperaturstabilität der Magnetisierung, und Kobalt kann zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit hinzugefügt werden.
Die Welle 22 ist bevorzugt im Bereich der Rotormagnetanordnung 30 kreiszylindrisch ausgebildet, da eine solche Welle 22 einfach und mit hoher Genauigkeit herstellbar ist. Es ist jedoch auch ein polygonaler Querschnitt oder ein anderer Querschnitt möglich.
Nach dem Aufschieben der Rotormagnetanordnung 30 auf die Welle 22 ist diese bereits relativ zur Welle 22 geführt. Für eine vollständige Befestigung der Rotormagnetanordnung müssen als verbleibende Freiheitsgrade insbesondere axiale Kräfte und ein bei Beschleunigungen auftretendes relatives Drehmoment zwischen der Rotormagnetanordnung 30 und der Welle 22 betrachtet werden.
2 zeigt in einem Längsschnitt die Welle 22, die sich durch die Aussparung 34 der Rotormagnetanordnung 30 hindurch erstreckt. Zusätzlich ist eine erste Befestigungsanordnung 41 an der Welle 22 befestigt.
Die Befestigungsanordnung 41 hat ein Federelement 51 und ein Ringelement 52 und ist zumindest abschnittsweise um die Welle 22 herum angeordnet.
Das Ringelement 52 hat eine Innenfläche 521, die eine Aussparung 522 definiert, und es ist mittels einer Presspassverbindung 226 an der Welle 22 befestigt. Bei einer Presspassverbindung besteht eine Presspassung bzw. Übermaßpassung zwischen der Welle 22 und der Rotormagnetanordnung 30, das Maß der Welle 22 im Bereich der Presspassung ist also vor dem Fügen der Bauteile zumindest bereichsweise größer als das entsprechende Maß der Aussparung 522.
Bevorzugt ist die Innenfläche 521 zumindest abschnittsweise hohlzylindrisch mit kreisrundem Querschnitt ausgebildet, sie kann aber auch einen polygonalen Querschnitt haben.
Die Welle 22 ist im Bereich des Ringelements 52 bevorzugt ebenfalls zylindrisch mit kreisrundem oder polygonalem Querschnitt ausgebildet.
Das Federelement 51 ist nach Art einer Tellerfeder ausgebildet. Das Federelement 51 hat bevorzugt die Mantelform eines Kegelstumpfes. Die Form des Federelements 51 kann auch als scheibenförmig bezeichnet werden. Das Federelement 51 ist innen mit dem Ringelement 52 verbunden, bzw. einstückig mit diesem ausgebildet, und außen kann es mit der Rotormagnetanordnung 30 in Kontakt treten. Wenn die Rotormagnetanordnung 30 in Richtung zur Befestigungsanordnung 41 bewegt wird, federt das Federelement 51 ein und wird flacher. Das Federelement 51 kann somit eine Bewegung der Rotormagnetanordnung 30 in die erste axiale Richtung 241 begrenzen.
Die Rotormagnetanordnung 30 hat bevorzugt eine Spielpassung 227 auf der Welle 22. Permanentmagnetische Werkstoffe haben häufig spröde Werkstoffeigenschaften und sollten daher bevorzugt nicht extremen Spannungen ausgesetzt werden. Die Toleranzen für die Spielpassung auf der Welle werden in einem Ausführungsbeispiel bevorzugt eng vorgegeben. Alternativ zur Spielpassung 227 kann in Abhängigkeit vom verwendeten Werkstoff oder Werkstoffverbund der Rotormagnetanordnung 30 eine Übergangspassung oder eine Presspassung vorgesehen werden.
Das Federelement 51 und das Ringelement 52 sind einstückig ausgebildet sein. Es kann aber auch eine feste Verbindung zwischen dem vor der Fügung getrennten Federelement 51 und Ringelement 52 vorgesehen sein.
Das Ringelement 52 ist im Ausführungsbeispiel als Kragen am Federelement 51 ausgebildet.
3 zeigt in einem Längsschnitt den Rotor 20, wobei im Unterschied zu 2 zusätzlich eine zweite Befestigungsanordnung 42 vorgesehen ist, welche dazu ausgebildet ist, eine Bewegung der Rotormagnetanordnung 30 zumindest in die zweite axiale Richtung 242 zu begrenzen.
Die zweite Befestigungsanordnung 42 ist im Ausführungsbeispiel auf die gleiche Art aufgebaut wie die erste Befestigungsanordnung 41, und die Ausführungen in 2 gelten entsprechend. Das Federelement 51 kann eine Bewegung der Rotormagnetanordnung 30 in die zweite axiale Richtung 242 begrenzen.
Die Rotormagnetanordnung 30 ist zumindest abschnittsweise zwischen der ersten Befestigungsanordnung 41 und der zweiten Befestigungsanordnung 42 angeordnet. Dies ermöglicht eine gute Montage, bei der die erste Befestigungsanordnung 41 und die zweite Befestigungsanordnung 42 von unterschiedlichen Seiten auf die Welle 22 aufgeschoben werden können. Abschnitte der Rotormagnetanordnung 30 können dabei axial mit Abschnitten der Befestigungsanordnung 41 bzw. 42 überlappen.
Durch die Klemmung der Rotormagnetanordnung 30 zwischen den Befestigungsanordnungen 41, 42 bzw. zwischen den Federelementen 51 entsteht eine reibschlüssige Verbindung zwischen den Federelementen 51 und der Rotormagnetanordnung 30. Dies ermöglicht eine Drehmomentübertragung zwischen der Rotoranordnung 30 und dem Federelement 51. Zudem ermöglicht die Ausführungsform sehr kleine Federwege und damit eine kompakte Bauweise des Rotors 20. Im direkten Vergleich ist in 2 die Befestigungsanordnung 41 noch im entspannten Zustand, da die Rotormagnetanordnung noch nicht mit einer Kraft nach links beaufschlagt ist. In 3 ist die Befestigungsanordnung 41 dagegen eingefedert.
Rotormagnetanordnungen 30 mit Neodym, Eisen und Bor sind spröde und werden daher üblicherweise geklebt. Versuche haben ergeben, dass eine Befestigung von Neodym-Eisen-Bor-Magneten über die Befestigungsanordnungen 41, 42 gut funktioniert und sehr hohen Drehzahlen ohne Zerstörung der Rotormagnetanordnung 30 ermöglicht.
4 zeigt den Rotor 20 mit einem ersten Lager 81 und einem zweiten Lager 82, wobei die erste Befestigungsanordnung 41, die Rotormagnetanordnung 30 und die zweite Befestigungsanordnung 42 zwischen den beiden Lagern 81, 82 angeordnet sind.
Im Ausführungsbeispiel sind die Lager 81, 82 als Wälzlager ausgebildet, und sie haben jeweils einen Innenring 83 und einen Außenring 84. Bevorzugt liegt der Innenring 83 zumindest bei einem der Lager 81, 82 gegen die zugehörige Befestigungsanordnung 41, 42 an. Bei einem der Lager 81, 82 kann zusätzlich eine Feder zwischen diesem und der Befestigungsanordnung vorgesehen werden, um ein Loslager zu bilden.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Innenring 83 einer oder beider Befestigungsanordnungen 41, 42 auf dem Ringelement 52 angeordnet werden, und dies ermöglicht eine sehr kompakte Bauweise in axialer Richtung. Hierzu ist das Ringelement 52 bevorzugt zumindest bereichsweise auf der Mantelfläche zylindrisch ausgebildet, um den Innenring 83 gut aufschieben zu können.
Als Lager 81, 82 können naturgemäß auch andere Lagertypen wie Gleitlager verwendet werden.
5 zeigt in einer Draufsicht den Rotor 20 mit einer weiteren Ausführungsform der ersten Befestigungsanordnung 41.
An der Innenfläche 521 des Ringelements 52 ist eine Mehrzahl von Zähnen 53 vorgesehen. Die Zähne 53 sind zur Welle 22 hin gerichtet, um so mit der Welle 22 zusammen die Presspassverbindung 226 zu bilden. Insbesondere bei großen Rotoren 20 kann über die Ausbildung der Zähne 53 (Größe, Anzahl) definiert werden, wie stark die Presspassverbindung 226 ausgebildet ist. Die Zähne 53 können auch in mehreren axial voneinander beabstandeten Ebenen vorgesehen werden.
6 zeigt in einer Draufsicht eine weitere Ausgestaltung des Rotors 20 mit der ersten Befestigungsanordnung 41, wobei sowohl die Welle 22 als auch die Innenfläche 521 einen polygonalen Querschnitt haben. Im Ausführungsbeispiel ist der Querschnitt hexagonal, er kann aber bspw. auch pentagonal oder mit einer anderen Anzahl von Ecken ausgebildet sein. Es sind auch Mischformen möglich, bei denen die Innenfläche 521 polygonal und die Welle 22 kreisrund ausgebildet sind, oder umgekehrt.
7 zeigt in einer Draufsicht eine weitere Ausführungsform des Rotors 20. Am Federelement 51 ist eine Mehrzahl von Schlitzen 54 vorgesehen. Hierdurch wird das Federelement 51 in mehrere Segmente 51A, 51B, 51C, 51D unterteilt, die zumindest teilweise in ihrer Federwirkung voneinander entkoppelt sind. Hierdurch können Unebenheiten an der Stirnseite der Rotormagnetanordnung 30 besser ausgeglichen werden, und es ergibt sich ein weicheres Federverhalten.
8 zeigt in einem Längsschnitt ausschnittsweise eine Ausführungsform des Rotors 20. Die erste Verbindungsanordnung 41 ist auf der Welle 22 montiert, und die Rotormagnetanordnung 30 ist gegen das Federelement 51 gepresst. Zur Verdeutlichung der Federwirkung ist die unverpresste Form des Federelements 51 mit 51' gekennzeichnet, und die eingebettete Form mit 51. Es ist zu sehen, wie das Federelement 51 durch die Rotormagnetanordnung 30 zum ersten Wellenende 221 hin verformt ist. Die Verformung des Federelements 51 ist bevorzugt zumindest bereichsweise elastisch, sie kann aber auch zum Teil plastisch sein.
Das Federelement 51 hat auf der der Rotormagnetanordnung 30 zugewandten Seite im radial äußeren Bereich Druckspannung und im radial weiter innen gelegenen Bereich Zugspannung. Diese Ausführungsform ermöglicht eine einfache Ausgestaltung des Federelements 51, da es im radial inneren Bereich direkt mit dem Ringelement 52 verbunden sein kann und außen in Kontakt mit der Rotormagnetanordnung 30 tritt, was eine gute Drehmomentübertragung ermöglicht. Alternativ kann das Federelement 51 bspw. derart ausgebildet werden, dass es sich vom Ringelement 52 aus in einem ersten Abschnitt radial nach außen erstreckt und anschließend in einem zweiten Abschnitt wieder radial nach innen erstreckt. In diesem Fall tritt das Federelement 51 radial weiter innen mit der Rotormagnetanordnung 30 in Kontakt. Diese Ausgestaltung ist jedoch weniger gut geeignet, eine Drehmomentübertragung zwischen der Rotormagnetanordnung 30 und dem Federelement 51 zu ermöglichen.
9 zeigt in einem Längsschnitt eine weitere Ausführungsform des Rotors 20. Die erste Befestigungsanordnung 41 ist zweiteilig bzw. allgemein mehrteilig ausgebildet, wobei das Ringelement 52 an einer Stelle 55 gegen das Federelement 51 anliegt, so dass eine weitere Verschiebung des radial inneren Bereichs des Federelements 51 in die axiale Richtung 241 verhindert wird. Das Federelement 51 kann somit bei einer Bewegung der Rotormagnetanordnung 30 in die Richtung 241 einfedern.
Beispielhaft ist das Federelement 51 in Kontakt mit der Mantelfläche 33 der Rotormagnetanordnung 30.
Dies ermöglicht zum einen in einfacher Weise einen Formschluss, der eine sichere Drehmomentübertragung von der Rotormagnetanordnung auf die Verbindungsanordnung 41 ermöglicht. Hierzu haben das Federelement 51 und die Rotormagnetanordnung 30 Formschlusselemente 511, 305 aufweisen, welche zusammen eine Verdrehsicherung für die Drehmomentübertragung bilden. Das Federelement 51 hat einen Zapfen bzw. Haken 511, und die Rotormagnetanordnung eine passende Aussparung 305. Diese Elemente können auch vertauscht angeordnet werden, oder beide Bauteile 30, 51 können Zapfen haben, die zusammen wirken.
Zum anderen kann ein solches Federelement 41 auch Kräfte in die axiale Richtung 242 aufnehmen, und bei einer festen Verbindung zwischen dem Federelement 51 und dem Ringelement 52 ist eine Ausgestaltung ohne zweites Federelement 42 möglich. Die Aufnahme von Kräften in beide axiale Richtungen 241, 242 ist auch über andere Verbindungsarten möglich, beispielsweise über eine Schraube, die die Verbindungsanordnung 41 mit der Magnetanordnung 30, verbindet.
10 zeigt eine Ausführungsform des Rotors 20, bei welcher das Federelement 51 und die Rotormagnetanordnung 30 Formschlusselemente 511, 305 aufweisen, welche zusammen eine Verdrehsicherung zwischen dem Federelement 51 und der Rotormagnetanordnung 30 für die Drehmomentübertragung bilden. Das Federelement 51 hat einen Zapfen 511, und die Rotormagnetanordnung eine zu diesem passende Aussparung, so dass der Zapfen 511 in die Aussparung eingreifen kann. Alternativ kann auch das Federelement 51 eine Aussparung und die Rotormagnetanordnung 30 einen Zapfen haben.
11 zeigt den Rotor 20 mit einem Federelement 51, das zwar als Tellerfeder ausgebildet ist, wobei es im radial inneren Bereich flacher verläuft als im radial äußeren Bereich. Das Federelement hat bildlich gesprochen einen Knick, wobei dieser Knick immer mehr verschwindet, je stärker die Tellerfeder gespannt wird.
12 zeigt den Rotor 20 mit einer ersten Befestigungsanordnung 41, welche das Federelement 51 und Ringelement 52 aufweist. Die zweite Befestigungsanordnung 42 ist einfacher aufgebaut und als Stab ausgebildet, der durch eine Aussparung in der Welle gesteckt ist und eine Bewegung der Rotormagnetanordnung 30 in die axiale Richtung 242 begrenzt. Die Federwirkung wird bei dieser Ausführungsform nur durch das Federelement 51 der ersten Befestigungsanordnung 41 erzielt.
13 zeigt den Rotor 20, welcher vom Grundaufbau wie der Rotor 20 von 3 ausgebildet ist. Im Unterschied zu 3 ist die Rotormagnetanordnung 30 jedoch beabstandet von der Welle 22. Die Aussparung 34 der Rotormagnetanordnung 30 ist also größer als die Welle 22, und es verbleibt ein Zwischenraum 35 zwischen der Welle 22 und der Rotormagnetanordnung 30. Die Rotormagnetanordnung 30 wird somit durch die Befestigungsanordnungen 41, 42 sowohl in axialer als auch in radialer Richtung gehalten, ohne dass die Welle 22 in direkten Kontakt mit der Rotormagnetanordnung 30 tritt.
Diese Ausführungsform kann montiert werden, indem die Rotormagnetanordnung 30 bei der Montage relativ zur Welle ausgerichtet wird. Nach der Montage der Befestigungsanordnungen 41, 42 wird die Rotormagnetanordnung ausreichend von den Befestigungsanordnungen 41, 42 fixiert. Versuche haben ergeben, dass die Unwucht bei dieser Ausführungsform noch geringer ist als bei der Ausführungsform der 3. Das war für den Fachmann nicht zu erwarten.
Es sind auch Ausführungsformen möglich, bei denen die Rotormagnetanordnung 30 in großen Teilen von der Welle 22 beabstandet ist, jedoch an wenigen Stellen einen Kontakt hat. Die Welle 22 hat eine zur Innenseite der Aussparung 34 benachbarte Fläche. Quantitativ ist es vorteilhaft, wenn hierbei an maximal 20 % dieser benachbarten Fläche der Welle 22 ein Kontakt zur Rotormagnetanordnung 30 besteht, bevorzugt an maximal 10 %, weiter bevorzugt an maximal 5 % und besonders bevorzugt überhaupt kein direkter Kontakt.
14 zeigt eine weitere Ausführungsform des Rotors 20. Die Presspassverbindung 226 zwischen dem Ringelement 52 und der Welle 22 ist in einem vorgegebenen ersten axialen Bereich 523 vorgesehen. Dieser erste axiale Bereich 523 ist von der Rotormagnetanordnung 30 axial beabstandet.
Anders ausgedrückt sind das Ringelement 52 und das Federelement 51 durch ein Verbindungselement 56 miteinander verbunden, wobei das Verbindungselement 56 zumindest bereichsweise von der Welle 22 beabstandet ist.
Die gezeigte Ausführungsform ist vorteilhaft, da das Ringelement 52 üblicherweise im Bereich der Presspassverbindung 226 zumindest teilweise plastisch verformt wird. Wenn das Ringelement 52 und das Federelement 51 direkt aneinander anschließen, kann dies auch zu einer plastischen Verformung im Bereich des Federelements 51 führen. Dies muss nicht kritisch für die Federwirkung des Federelements sein, es erschwert jedoch die Berechnung bzw. Auslegung des Federelements. Bei der Ausführungsform von 14 sind das Federelement 51 und das Ringelement 52 dagegen weitgehend unbeeinflusst voneinander bzw. entkoppelt, und die Berechnung des Federelements 51 und des Ringelements 52 ist gut möglich.
15 zeigt schematisch eine Elektromaschine 10 mit dem Rotor 20. Die Elektromaschine 10 kann als Motor oder als Generator ausgebildet sein. Die Elektromaschine 10 hat ein Gehäuse 12, einen Stator 14 mit einem Statorkern 16 und einer Wicklungsanordnung 18. Die Wicklungsanordnung 18 ist zur Ansteuerung mit einer Steuervorrichtung 15 verbunden. Der Rotor 20 ist über das erste Lager 81 und das zweite Lager 82 drehbar gelagert. Die Lager 81, 82 bilden eine Lageranordnung 81, 82. An mindestens einem Ende der Welle 22 ist eine Applikation 19 befestigt, beispielsweise ein Lüfterrad, ein Zahnrad oder ein Antriebsrad eines Generators.
Mit der Elektromaschine 10 wurden unter Verwendung des Rotors 20 von 2 Versuche mit einer Drehzahl von 62.000 min^-1 durchgeführt. Die Befestigung über eine reine Klemmung hat gut funktioniert, und an der Rotormagnetanordnung 30, an den Befestigungsanordnungen 41, 42 und an der Welle 22 sind keine Beschädigungen aufgetreten. Die Rotorunwucht war zufriedenstellend.
Herstellung der Befestigungsanordnung
Die mindestens eine Befestigungsanordnung 41, 42 ist bevorzugt aus einem nichtferromagnetischen Werkstoff ausgebildet ist, weiter bevorzugt aus einem nichtmagnetischen bzw. unmagnetischen Werkstoff. Hierdurch wird der magnetische Nutzfluss nicht durch die Befestigungsanordnung 41, 42 beeinflusst.
Für die Herstellung der ersten oder zweiten Befestigungsanordnung 41, 42 hat sich ein Werkstoff als positiv erwiesen, der Chrom und Nickel enthält. Es ist aber auch ein anderer Werkstoff möglich, beispielsweise ein Metall, eine Metalllegierung, ein Kunststoff oder ein Kunststoffverbund.
Eine Herstellung der ersten oder zweiten Befestigungsanordnung 41, 42 als Tiefziehteil oder als Drehteil ist vorteilhaft möglich und ermöglicht eine günstige Massenproduktion. Insbesondere die Ausbildung als Tiefziehteil ist auf Grund der geometrisch einfachen Form vorteilhaft.
Montage des Rotors
Für die Montage des Rotors 20 folgt ein beispielhafter Ablauf. Die Welle 22 wird fixiert, und die erste Befestigungsanordnung 41 wird vom ersten Wellenende 221 aus bis zu einer vorgegebenen Position auf die Welle aufgepresst. Anschließend kann die Rotormagnetanordnung vom zweiten Wellenende 222 aus auf die Welle 22 aufgeschoben werden, vgl. 2. Im nächsten Schritt wird die zweite Befestigungsanordnung 42 vom zweiten Wellenende 222 aus auf die Welle 22 gepresst, vgl. 3. Entweder kann die zweite Befestigungsanordnung 42 bis zu einer vorgegebenen Position auf die Welle 42 gepresst werden, oder es kann beim Aufpressen eine Überwachung der Presskraft erfolgen, und bei Erreichen einer vorgegebenen Mindestpresskraft kann davon ausgegangen werden, dass die Rotormagnetanordnung 30 zwischen den beiden Befestigungsanordnungen 41, 42 hinreichend verklemmt ist. Sofern die Rotormagnetanordnung 30 flache Stirnseiten hat, muss keine Ausrichtung der Bauteile in Umfangsrichtung erfolgen, und dies erleichtert die Montage.
Die Verbindung zwischen der Befestigungsanordnung 41, 42 und der Welle 22 und die Verbindung zwischen der Befestigungsanordnung 41, 42 und der Rotormagnetanordnung 30 sind bevorzugt klebstofffrei ausgebildet. Grundsätzlich wäre ein Fügen des Federelements 51 und des Ringelements 52 durch eine Klebstoffverbindung möglich, da diese vor der Montage des Rotors 20 erfolgen kann.
Die Montage der Lageranordnung 81, 82 kann auf übliche Art erfolgen, beispielsweise durch Aufschieben der Lager 81, 82 auf die Welle.
Naturgemäß sind im Rahmen der Erfindung vielfältige Modifikationen und Abwandlungen möglich.
Der Rotor 20 kann ohne die zweite Befestigungsanordnung 42 ausgebildet werden. Hierzu ist es jedoch erforderlich, dass die erste Befestigungsanordnung 41 die Bewegung der Rotormagnetanordnung 30 in beide axiale Richtungen begrenzt. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die erste Befestigungsanordnung 41 mit der Rotormagnetanordnung 30 verbunden ist, beispielsweise durch eine formschlüssige Verbindung, oder dass die erste Befestigungsanordnung 41 mit der Rotormagnetanordnung 30 verklebt ist.
Die Rotormagnetanordnung 30 hat in den Ausführungsbeispielen einen zylindrischen Mantel. Es können auch Rotormagnetanordnungen 30 mit anderen Geometrien verwendet werden, beispielsweise mit elliptischer, eckiger oder abgeflachter Geometrie.
Bezugszeichenliste

10: Elektromaschine
12: Gehäuse
14: Stator
15: Steuervorrichtung
16: Statorkern
18: Wicklung
20: Rotor
22: Welle
24: Drehachse
30: Rotormagnetanordnung
31: erste Stirnseite
32: zweite Stirnseite
33: Mantelfläche
34: Aussparung für Welle
35: Spalt
41: erste Befestigungsanordnung
42: zweite Befestigungsanordnung
51: Federelement
52: Ringelement
53: Zähne
54: Schlitze
55: Anlegestelle
221: erstes Wellenende
222: zweites Wellenende
223: erste Fase
224: zweite Fase
226: Presspassverbindung
227: Spielpassung
241: erste axiale Richtung
242: zweite axiale Richtung
301-304: Rotorpole
305: Aussparung
521: Innenfläche
522: Aussparung der Befestigungsanordnung
523: axialer Bereich

Claims

Rotor (20) für eine Elektromaschine (10), welcher Rotor (20) eine Welle (22), eine Rotormagnetanordnung (30) und mindestens eine erste Befestigungsanordnung (41) aufweist, welche Rotormagnetanordnung (30) eine Aussparung (34) aufweist, durch welche Aussparung (34) sich die Welle (22) erstreckt, welche erste Befestigungsanordnung (41) ein Federelement (51) und ein Ringelement (52) aufweist und zumindest abschnittsweise um die Welle (22) herum angeordnet ist, welches Ringelement (52) mittels einer Presspassverbindung (226) an der Welle (22) befestigt ist und eine Bewegung des Federelements (51) in zumindest eine axiale Richtung (241, 242) begrenzt, und welches Federelement (51) dazu ausgebildet ist, eine Bewegung der Rotormagnetanordnung in die zumindest eine axiale Richtung (241, 242) zu begrenzen.
Rotor nach Anspruch 1, welcher eine zweite Befestigungsanordnung (42) aufweist, welche dazu ausgebildet ist, eine Bewegung der Rotormagnetanordnung (30) in zumindest eine axiale Richtung (241, 242) zu begrenzen.
Rotor nach Anspruch 2, bei welcher die zweite Befestigungsanordnung(42) ein Federelement (51) und ein Ringelement (52) aufweist und zumindest abschnittsweise um die Welle (22) herum angeordnet ist, welches Ringelement (52) mittels einer Presspassverbindung (226) an der Welle (22) befestigt ist und eine Bewegung des Federelements (51) in zumindest eine axiale Richtung (241, 242) begrenzt, und welches Federelement (51) dazu ausgebildet ist, eine Bewegung der Rotormagnetanordnung (30) in die axiale Richtung (241, 242) zu begrenzen.
Rotor nach Anspruch 2 oder 3, bei welchem die Rotormagnetanordnung (30) zumindest abschnittsweise zwischen der ersten Befestigungsanordnung (41) und der zweiten Befestigungsanordnung (42) angeordnet ist.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Rotormagnetanordnung (30) eine Spielpassung (227) auf der Welle (22) hat.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Welle (22) im Bereich der Rotormagnetanordnung (30) kreiszylindrisch ausgebildet ist.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Presspassverbindung (226) zwischen dem Ringelement (52) und der Welle (22) in einem vorgegebenen ersten axialen Bereich (523) vorgesehen ist, welcher erste axiale Bereich (523) von der Rotormagnetanordnung (30) axial beabstandet ist.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Welle (22) im Bereich des Ringelements (52) zylindrisch mit kreisrundem oder polygonalem Querschnitt ausgebildet ist.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Ringelement (52) hohlzylindrisch mit kreisrundem oder polygonalem Querschnitt ausgebildet ist.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Ringelement (52) zur Welle (22) gerichtete Zähne (23) aufweist, welche Zähne (23) zur Bildung der Presspassverbindung (226) mit der Welle (22) zusammen wirken.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Federelement (51) zumindest bereichsweise elastisch verformt ist.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Federelement (51) als Tellerfeder ausgebildet ist.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Federelement (51) und die Rotormagnetanordnung (30) mit einer reibschlüssigen Verbindung miteinander verbunden sind, um eine Drehmomentübertragung zwischen der Rotoranordnung (30) und dem Federelement (51) zu ermöglichen.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Federelement (51) dazu ausgebildet ist, einen Kontakt mit einer Stirnseite (31, 32) der Rotormagnetanordnung (30) zu ermöglichen.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Rotormagnetanordnung (30) eine Mantelfläche (33) aufweist, und bei welchem das Federelement (31) dazu ausgebildet ist, einen Kontakt mit der Mantelfläche (33) zu ermöglichen.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Federelement (51) und die Rotormagnetanordnung (30) Formschlusselemente (511, 305) aufweisen, welche zusammen eine Verdrehsicherung für die Drehmomentübertragung bilden.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Federelement (51) Schlitze (54) aufweist, welche das Federelement (51) in Segmente (51A, 51B, 51C, 51D) unterteilen, die zumindest teilweise in ihrer Federwirkung von einander entkoppelt sind.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Federelement (51) und das Ringelement (52) fest miteinander verbunden sind oder einstückig ausgebildet sind.
Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 17, bei welchem das Federelement (51) und das Ringelement (52) mehrteilig ausgebildet sind.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Ringelement (52) als Kragen am Federelement (51) ausgebildet ist.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Ringelement (52) und das Federelement (51) durch ein Verbindungselement (56) miteinander verbunden sind, wobei das Verbindungselement (56) zumindest bereichsweise von der Welle (22) beabstandet ist.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die mindestens eine Befestigungsanordnung (41; 42) nicht-ferromagnetisch ausgebildet ist.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die mindestens eine Befestigungsanordnung (41; 42) aus einem Werkstoff ausgebildet ist, welcher Chrom und Nickel enthält.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die mindestens eine Befestigungsanordnung (41; 42) als Tiefziehteil oder als Drehteil ausgebildet ist.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Verbindung zwischen der Befestigungsanordnung (41; 42) und der Welle (22) und die Verbindung zwischen der Befestigungsanordnung (41; 42) und der Rotormagnetanordnung (30) klebstofffrei ausgebildet sind.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Aussparung (34) der Rotormagnetanordnung (30) eine Innenfläche aufweist und die Welle (22) eine zu dieser Innenfläche benachbarte Außenfläche aufweist, wobei maximal 20 % der Innenfläche der Aussparung in Kontakt mit der Außenfläche der Welle (22) ist.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Rotormagnetanordnung (30) und die Welle (22) nicht in direktem Kontakt stehen.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem zwischen der Rotormagnetanordnung (30) und der Welle (22) ein hohlzylinderförmiger Hohlraum vorgesehen ist.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Rotormagnetanordnung (30) Neodym, Eisen und Bor enthält.
Elektromaschine (10) mit einem Stator (14), einer Lageranordnung (81, 82) und einem an der Lageranordnung (81, 82) drehbar gelagerten Rotor (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Elektromaschine nach Anspruch 30, bei welcher die Lageranordnung (81, 82) mindestens ein Wälzlager (81, 82) mit einem Innenring (83) und einem Außenring (84) aufweist, wobei der Innenring (83) gegen das Ringelement (52) anliegt.