DE102018009831A1

DE102018009831A1 - Rotor für einen Elektromotor, Elektromotor sowie Verfahren zur Herstellung eines Rotors

Info

Publication number: DE102018009831A1
Application number: DE102018009831.2A
Authority: DE
Inventors: Martin Lehmann
Original assignee: Neumayer Tekfor Engineering GmbH
Current assignee: Neumayer Tekfor Engineering GmbH
Priority date: 2018-12-14
Filing date: 2018-12-14
Publication date: 2020-06-18
Also published as: US20220021285A1; EP3895278A1; WO2020119840A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Rotor für einen Elektromotor. Dabei besteht ein mittlerer Abschnitt (10), der ein Blechpaket (2) trägt, aus einem Elektroblech-Material. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf einen Elektromotor mit einem Rotor sowie auf ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor für einen Elektromotor mit einer Welle und einem Blechpaket, wobei die Welle das Blechpaket trägt und das Blechpaket vorzugsweise als Träger von Permanentmagneten oder einem Kurzschlussläufer dient. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Elektromotor mit einem Rotor sowie ein Verfahren zu Herstellung eines Rotors.
Rotorwellen für E-Maschinen (z. B. Elektromotoren) werden heutzutage überwiegend einteilig hergestellt, wobei es jedoch auch Ansätze für mehrteilige, sogenannte gebaute Wellen gibt. Einteilige Wellen haben den Nachteil, dass einzelne Abschnitte (z. B. Steckverzahnung, Lagersitz oder Dichtsitz) unterschiedliche Funktionen erfüllen und dass entsprechend unterschiedliche Anforderungen an Geometrie und Materialeigenschaft bestehen. Für einteilige Rotorwelle muss daher ein Kompromiss für die unterschiedlichen Abschnitte und deren Anforderungen gefunden werden.
Da in E-Maschinen teils sehr starke wechselnde Magnetfelder erzeugt werden, bestehen Stator und Rotor z. B. teilweise aus besonderen Blechpaketen (den sogenannten Elektroblechen), um einerseits hohe magnetische Flussdichten und andererseits möglichst geringe Ummagnetisierungs- und Wirbelstromverluste zu bewirken.
Mehrteilige Rotoren sind beispielsweise beschrieben in der DE 10 2010 022 621 A1 , DE 10 2011 012 429 A1 , DE 10 2016 215 090 A1 , DE 10 2016 215 979 A1 , DE 10 2017 011 969 A1 oder WO 2018/036952 A1 . Besondere Materialien für die Blechpakete beschreibt die DE 10 2011 001 488 B4 .
Die Rotorwelle trägt den Rotor über Kraft- oder beispielsweise Formschluss und erlaubt die mechanische Lagerung. Weiterhin bietet die Rotorwelle eine Lauffläche für beispielsweise eine Radialdichtung zum Abdichten der E-Maschine zur Außenwelt, z. B. zum Getriebe. Meist leitet die Rotorwelle ein Drehmoment über eine Außen- oder Innenverzahnung in nachfolgende oder vorangehende Einheiten (z. B. das bereits genannte Getriebe).
Auf der Rotorwelle befindet sich in der Regel ein Blechpaket. Das Blechpaket trägt je nach Ausgestaltung beispielsweise einen Kurzschlusskäfig oder Permanentmagnete. Dabei rotiert das Blechpaket mit hoher Drehzahl und geringem Abstand zum Stator und leitet vorzugsweise auch den magnetischen Fluss. In der Regel besteht das Blechpaket aus gestapelten Blechen, die elektrisch gegeneinander isoliert sind, um den elektrischen Widerstand in axialer Richtung zu erhöhen. Damit sollen Wirbelströme reduziert und energetische bzw. thermische Verluste verringert werden.
Die einzelnen Bleche bestehen aus speziellen Eisenlegierungen (sog. Elektroblech), die folgende Eigenschaften aufweisen sollten:

• Es ist eine hohe Permeabilität gegeben, sodass sich ein großer magnetischer Fluss ergibt.
• Es besteht eine geringe Koerzitivfeldstärke, d. h. das Material ist magnetisch weich. Dies führt nur zu geringen Verlusten beim Ummagnetisieren.
• Schließlich ist ein hoher elektrischer Widerstand gegeben, sodass Wirbelstromverluste weiter verringert werden.

Rotorwellen bestehen üblicherweise aus C-Stählen (C35, C45) oder Vergütungsstählen (42CrMo4), da sie über eine gewisse Härte verfügen müssen. Die Härte ist insbesondere erforderlich für die ein Drehmoment übertragenden Steckverzahnungen, für den Dichtsitz und für die Lagersitze. Aufgrund der Beschränkung auf spezifische Abschnitte, werden häufig lediglich diese Abschnitte durch eine lokale Wärmebehandlung gehärtet. Damit die anderen Bereiche der Rotorwelle gute Eigenschaften für einen Press-/Fügeverband liefern sowie eine gewisse Biegesteifigkeit für ein auch bei hohen Drehzahlen stabiles Rotieren aufweisen, sind größere Durchmesser und hohe Wandstärken vorgesehen.
Es hat sich gezeigt, dass in den Bereichen des Rotors, in denen magnetische Wechselfelder erzeugt werden, die heute üblichen Materialien (z. B. C-Stähle oder Vergütungsstähle) zu erhöhten Verlusten und dadurch zu Erwärmungen führen. Daher sind im Stand der Technik teilweise aufwändige Kühlsysteme für die Rotoren vorgesehen.
Die Erwärmung des Rotors hat im Wesentlichen drei Ursachen: Es ergeben sich Verluste im Kurzschlussläufer durch induzierte Ströme. Dazu kommen Verluste durch ungewollte Wirbelströme und durch die Ummagnetisierung im Rotor.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Rotor - z. B. für einen Elektromotor - vorzuschlagen, der sich gegenüber dem Stand der Technik vorteilhaft auszeichnet.
Die Aufgabe löst die Erfindung durch eine Rotorwelle, einen Elektromotor mit einer Rotorwelle sowie durch ein Verfahren zur Herstellung einer Rotorwelle.
Die Aufgabe wird gemäß einer ersten Lehre mit einem Rotor gelöst, wobei die Welle zumindest in einem mittleren Abschnitt, der das Blechpaket trägt, aus einem Elektroblech-Material besteht. Die im Stand der Technik bekannten hohen elektrischen und thermischen Verluste werden erfindungsgemäß verringert, indem zumindest der Abschnitt des Rotors, der das Blechpaket trägt und in dem somit die besagen Magnetfelder erzeugt werden, aus einem Elektroblech-Material besteht.
Die Erfindung reduziert somit zumindest Verluste, die sich in der Rotorwelle als tragendem Element des Rotors ergeben. Dies baut auf der Überlegung, dass auch die Rotorwelle einen Teil des magnetischen Flusses überträgt und damit zu den oben genannten Verlusten beitragen kann.
Elektroblech hat spezielle Eigenschaften, die für den Einsatz in Elektromotoren und Trafos optimiert sind. Diese Eigenschaften werden z. B. erreicht, in dem der Kohlenstoffgehalt reduziert (weniger als 100 ppm) wird, indem auf einige Legierungselemente (z. B. Chrom oder Titan) verzichtet wird oder indem andere Legierungselemente (beispielsweise Silizium oder Aluminium) mit einem bestimmten Anteil hinzugefügt werden. So zeigt sich in Versuchen beispielsweise:

• dass Kohlenstoff und Chrom als Materialanteil die Permeabilität verringern,
• dass eine Erhöhung eines Anteils von Silizium den elektrischen Widerstand erhöht, ohne dass andere magnetische Eigenschaften negativ beeinflusst werden, oder
• dass reines Eisen zu sehr guten magnetischen Eigenschaften führt.

Durch eine Reduktion von Kohlenstoff hat Elektroblech eine im Allgemeinen verringerte Festigkeit und lässt sich in der Regel nicht wärmebehandeln. Allerdings lässt es sich gut kaltumformen, da hohe Dehnungen möglich sind. Es kann sogar durch Kaltumformung die Festigkeit erhöht werden.
Das Material des mittleren Abschnitts hat insbesondere folgende Eigenschaften:

• Es besteht eine betragsmäßig möglichst große Permeabilität.
• Es ist eine möglichst reduzierte Koerzitivfeldstärke gegeben.
• Der elektrische Widerstand ist möglichst hoch.

Diese Eigenschaften werden vorzugsweise durch die Wahl der Bestandteile der Materials und/oder durch den Herstellprozess bewirkt.
Eine Ausgestaltung des Rotors besteht darin, dass die Welle teilweise - beispielsweise zumindest im mittleren Abschnitt - als Hohlwelle ausgestaltet ist.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Welle aus mehreren, miteinander verbundenen Komponenten besteht. Es handelt sich somit um eine gebaute Welle, deren Komponenten vorzugsweise zumindest für die Übertragung eines Drehmoments miteinander verbunden sind.
Eine Ausgestaltung des Rotors besteht darin, dass die Komponenten aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Diese Ausgestaltung erlaubt es, für die unterschiedlichen Funktionen der Teilabschnitte der Welle jeweils möglichst passende Materialien zu verwenden.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass die Welle den mittleren Abschnitt und zwei Endkomponenten aufweist, dass der mittlere Abschnitt als Hohlwelle ausgestaltet ist und das Blechpaket trägt, und dass die zwei Endkomponenten mit dem mittleren Abschnitt verbunden sind und aus einem von dem Elektroblech-Material verschiedenen Material bestehen. So werden für die Endkomponenten beispielsweise Materialien mit einer höheren Härte oder einer höheren Festigkeit eingesetzt. Die Endkomponenten bestehen in einer Ausgestaltung aus dem gleichen Material und unterscheiden sich in einer alternativen Ausgestaltung hinsichtlich des verwendeten Materials voneinander.
Eine Ausgestaltung des Rotors besteht darin, dass mindestens eine der zwei Endkomponenten teilweise in dem mittleren Abschnitt angeordnet ist. In dieser Ausgestaltung ist der mittlere Abschnitt zumindest teilweise hohl ausgestaltet, sodass zumindest eine Endkomponente zumindest teilweise darin aufgenommen werden kann. Bei dem mittleren Abschnitt handelt es sich beispielsweise um ein Präzisionsrohr.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass mindestens eine der zwei Endkomponenten über einen kraftschlüssigen Presssitz und einen sich axial daran anschließenden Rändelpresssitz mit dem mittleren Abschnitt verbunden ist. In dieser Ausgestaltung ist eine Art von Hybridverbindung vorgesehen, die aus zwei unterschiedlichen axialen hintereinanderliegenden Arten eines Presssitzes besteht.
Es zeigt sich, dass die Festigkeit von Elektroblech nur bis zu gewissen Grenzen reicht. Dabei müssen ggf. hohe Drehmomente vom Rotorwellen-Rohr auf Steckwellen übertragen werden, sodass ein rein kraftschlüssiger Fügesitz ggf. nicht oder kaum ausreicht. Die Situation kann sich weiter zuspitzen, wenn zur Belastung durch den Fügesitz zwischen der Welle des Rotors und den damit verbundenen Steckwellen noch die Belastung durch den Fügesitz zwischen der Welle und dem Blechpaket hinzukommt.
Wegen dieser Problematik sieht es die vorgenannte Ausgestaltung vor, eine hybride Verbindung zu verwenden. Der kraftschlüssige Presssitz stellt einen definierten, spielfreien Sitz sicher. Die sich axial anschließende Rändelverzahnung formt sich in den Fügepartner ein, der für eine kraft- und formschlüssige Verbindung sorgt, die vor allem die Übertragung hoher Drehmomente erlaubt.
Gemäß einer zweiten Lehre löst die Erfindung die Aufgabe mit einem Elektromotor mit einem Rotor nach einem der vorgenannten Ausgestaltungen. Die Ausführungen zu den Varianten des Rotors gelten entsprechend auch für den Elektromotor mit einem solchen Rotor.
Gemäß einer dritten Lehre löst die Erfindung die Aufgabe mit einem Verfahren zur Herstellung eines Rotors, vorzugsweise für einen Elektromotor. Dabei weist das Verfahren zumindest die Schritte auf, dass zumindest ein mittlerer Abschnitt einer Welle zumindest teilweise aus einem Elektroblech-Material erzeugt wird, und dass auf den mittleren Abschnitt ein Blechpaket aufgebracht wird. Die obigen Ausgestaltungen betreffend des Rotors gelten entsprechend auch für das Verfahren und umgekehrt.
Eine Ausgestaltung des Verfahrens beinhaltet, dass die Welle aus dem mittleren Abschnitt und zwei Endkomponenten erzeugt wird, dass der mittlere Abschnitt zumindest teilweise aus einem Elektroblech-Material erzeugt wird, dass die zwei Endkomponenten aus einem von dem Elektroblech-Material verschiedenen Material erzeugt werden, und dass die zwei Endkomponenten mit dem mittleren Abschnitt verbunden werden.
Im Einzelnen gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten, den erfindungsgemäßen Rotor, den Elektromotor und das Verfahren zur Herstellung eines Rotors auszugestalten und weiterzubilden. Dazu wird verwiesen einerseits auf die den unabhängigen Patentansprüchen nachgeordneten Patentansprüche, andererseits auf die folgende Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. Es zeigen:

1 eine geschnittene räumliche Darstellung einer ersten Variante eines Rotors,
2 eine geschnittene räumliche Darstellung einer zweiten Variante eines Rotors und
3 eine teilweise geschnittene Explosionsdarstellung der Welle der 2.

Die 1 zeigt einen Rotor, der beispielsweise zu einem Elektromotor gehört.
Der Rotor verfügt über eine Welle 1. Die Welle 1 ist z. B. im Fall der Anwendung mit drehbaren Komponenten oder z. B. einem Getriebe verbunden und überträgt auf diese ein Drehmoment.
Auf dem mittleren Abschnitt 10 der Welle 1 befindet sich ein Blechpaket 2. Das Blechpaket 2 besteht - wie im Stand der Technik üblich - aus Elektroblech und fungiert als Träger eines - hier nicht dargestellten - Kurzschlussläufers.
Die Welle 1 ist hier einteilig ausgestaltet und besteht zumindest teilweise aus einem Elektroblech-Material. Dabei ist in einer Ausgestaltung das Material der Welle 1 gleich dem Material des Blechpakets 2. In einer alternativen Ausgestaltung kommen für Welle 1 und Blechpaket 2 zwei unterschiedliche Elektroblech-Materialien zur Anwendung. Um die notwendigen Festigkeiten zu erzeugen, sind je nach Ausgestaltung beispielsweise Einlagerungen oder Stützstrukturen in der Welle 1 vorgesehen.
Die 2 zeigt eine alternative Ausführung der Welle 1 für einen Rotor. Hierbei handelt es sich insbesondere um eine sogenannte gebaute Welle 1. Dies erlaubt es, im Gegensatz zur einteiligen Welle 1 der Ausgestaltung der 1 für unterschiedliche Abschnitte die jeweils passenden Materialien zu verwenden,
Die Welle 1 besteht aus drei Komponenten: dem mittleren Abschnitt 10 für das Elektroblechpaket 2 und zwei Endkomponenten 11 für die Verbindung mit weiteren Bauteilen oder z. B. Komponenten eines Fahrzeugs. Die Endkomponenten 11 bilden somit auch die Stirnseiten der Welle 1. Der mittlere Abschnitt 10 besteht aus einem Elektroblech-Material. Die zwei Endkomponenten 11 bestehen nicht aus Elektroblech-Material, sondern z. B. aus üblichem Stahl, z. B. den vorgenannten C-Stählen.
Der mittlere Abschnitt 10 ist hier als Hohlwelle ausgestaltet und die beiden Endkomponenten 11 stecken in dem mittleren Abschnitt 10.
Die mechanische Verbindung zwischen dem mittleren Abschnitt 10 und den zwei Endkomponenten 11 wird hier über eine hybride Verbindungsart realisiert: es gibt einen kraftschlüssigen Presssitz 15 und einen sich axial daran anschließenden Rändelpresssitz 16. Für den Rändelpresssitz 16 ist ein Abschnitt eines Endbereichs 11 mit einer Rändelung versehen worden. Der Rändelpresssitz 16 wird jeweils axial in Richtung fort vom mittleren Abschnitt 10 erzeugt, sodass der Presssitz 15 jeweils axial innen liegt.
In der 3 ist der hier dreiteilige Aufbau der Welle 1 dargestellt. Die zwei Endkomponenten 11 werden in dem als Hohlrohr ausgestalteten mittleren Abschnitt 10 fixiert. Zu erkennen ist hier insbesondere bei der auf der linken Seite dargestellten Endkomponente 11 zum einen der axial innen liegenden Bereich für den Presssitz 15 und zum anderen der gerändelte, axial weiter außen liegende Bereich für den Rändelpresssitz 16.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010022621 A1 [0004]
DE 102011012429 A1 [0004]
DE 102016215090 A1 [0004]
DE 102016215979 A1 [0004]
DE 102017011969 A1 [0004]
WO 2018/036952 A1 [0004]
DE 102011001488 B4 [0004]

Claims

Rotor für einen Elektromotor, mit einer Welle (1) und einem Blechpaket (2), wobei die Welle (1) das Blechpaket (2) trägt, und wobei das Blechpaket (2) vorzugsweise als Träger von Permanentmagneten oder einem Kurzschlussläufer dient, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (1) zumindest in einem mittleren Abschnitt (10), der das Blechpaket (2) trägt, aus einem Elektroblech-Material besteht.
Rotor nach Anspruch 1, wobei die Welle (1) teilweise als Hohlwelle ausgestaltet ist.
Rotor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Welle (1) als mehreren, miteinander verbundenen Komponenten (10, 11) besteht.
Rotor nach Anspruch 3, wobei die Komponenten (10, 11) aus unterschiedlichen Materialien bestehen.
Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Welle (1) den mittleren Abschnitt (10) und zwei Endkomponenten (11) aufweist, wobei der mittlere Abschnitt (10) als Hohlwelle ausgestaltet ist und das Blechpaket (2) trägt, und wobei die zwei Endkomponenten (11) mit dem mittleren Abschnitt (11) verbunden sind und aus einem von dem Elektroblech-Material verschiedenen Material bestehen.
Rotor nach Anspruch 5, wobei mindestens eine der zwei Endkomponenten (11) teilweise in dem mittleren Abschnitt (10) angeordnet ist.
Rotor nach Anspruch 5 oder 6, wobei mindestens eine der zwei Endkomponenten (11) über einen kraftschlüssigen Presssitz (15) und einen sich axial daran anschließenden Rändelpresssitz (16) mit dem mittleren Abschnitt (10) verbunden ist.
Elektromotor mit einem Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Verfahren zur Herstellung eines Rotors für einen Elektromotor, wobei zumindest ein mittlerer Abschnitt (10) einer Welle (1) zumindest teilweise aus einem Elektroblech-Material erzeugt wird, und wobei auf den mittleren Abschnitt (10) ein Blechpaket (2) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei die Welle (1) aus dem mittleren Abschnitt (10) und zwei Endkomponenten (11) erzeugt wird, wobei der mittlere Abschnitt (10) zumindest teilweise aus einem Elektroblech-Material erzeugt wird, wobei die zwei Endkomponenten (11) aus einem von dem Elektroblech-Material verschiedenen Material erzeugt werden, und wobei die zwei Endkomponenten (11) mit dem mittleren Abschnitt (10) verbunden werden.