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Die Erfindung betrifft ein Baukastensystem zum Herstellen von unterschiedlichen Bauvarianten eines Rotors für eine elektrische Maschine eines Kraftfahrzeugs sowie eine elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug.
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Elektrische Maschinen für Kraftfahrzeuge, insbesondere für Kraftwagen, und somit beispielsweise für Kraftfahrzeugantriebsstränge sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bereits hinlänglich bekannt. In fertig hergestelltem Zustand des jeweiligen Kraftfahrzeugs ist die elektrische Maschine Bestandteil des Kraftfahrzeugs, welches mittels der elektrischen Maschine, insbesondere elektrisch, angetrieben werden kann. Somit ist das Kraftfahrzeug beispielsweise als Elektrofahrzeug oder aber als Hybridfahrzeug ausgebildet. Die elektrische Maschine weist dabei einen Rotor auf, welcher eine Rotorwelle und ein auf der Rotorwelle angeordnetes und drehfest mit der Rotorwelle verbundenes Blechpaket umfasst. Das Blechpaket weist Blechlagen auf, die in axialer Richtung der Rotorwelle aufeinanderfolgend beziehungsweise hintereinander angeordnet sind.
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Die jeweilige Blechlage und somit das Blechpaket ist beispielsweise aus Elektroblech gebildet. Des Weiteren kann die elektrische Maschine einen Stator aufweisen, wobei der Rotor von dem Stator antreibbar und dadurch um eine Drehachse relativ zu dem Stator drehbar ist. In der Folge kann die elektrische Maschine über den Rotor, insbesondere die Rotorwelle, Drehmomente zum Antreiben des Kraftfahrzeugs bereitstellen. Beispielsweise können an dem Blechpaket Magnete, insbesondere Permanentmagnete, gehalten sein. Der jeweilige Magnet ist beispielsweise zumindest teilweise, insbesondere zumindest überwiegend vollständig, in einer auch als Tasche oder Magnettasche bezeichneten Aufnahme des Blechpakets aufgenommen und an dem Blechpaket gehalten. Insbesondere kann die Elektromaschine als Synchronmaschine, insbesondere als permanenterregte Synchronmaschine, ausgebildet sein.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Baukastensystem und eine elektrische Maschine bereitzustellen, sodass unterschiedliche Bauvarianten der elektrischen Maschine auf besonders einfache und kostengünstige Weise realisiert werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Baukastensystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Baukastensystem zum Herstellen von unterschiedlichen Bauvarianten eines Rotors für eine elektrische Maschine eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Kraftwagens wie beispielsweise eines Personenkraftwagens. Die jeweilige Bauvariante des Rotors korrespondiert mit einer jeweiligen Bauvariante der elektrischen Maschine, die in ihrem vollständig hergestellten Zustand den Rotor gemäß der jeweiligen Bauvariante aufweist beziehungsweise mit der jeweiligen Bauvariante des Rotors ausgestattet ist.
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Das Kraftfahrzeug umfasst in seinem vollständig beziehungsweise fertig hergestellten Zustand die elektrische Maschine gemäß der jeweiligen Bauvariante, mittels welcher das Kraftfahrzeug, insbesondere elektrisch, angetrieben werden kann. Das Kraftfahrzeug ist somit beispielsweise als Hybrid- oder Elektrofahrzeug, insbesondere als batterieelektrisches Fahrzeug (BEV), ausgebildet.
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Das Baukastensystem umfasst eine bauvariantenübergreifende Rotorwelle, welche für alle Bauvarianten verwendbar ist. Dies bedeutet, dass die Bauvarianten die gleiche Rotorwelle des Rotors aufweisen. Des Weiteren umfasst das Baukastensystem ein bauvariantenübergreifendes, auf der Rotorwelle anordenbaren oder angeordnetes und drehfest mit der Rotorwelle verbindbares oder verbundenes Blechpaket, welches eine Aufnahme aufweist. Das Blechpaket ist somit für alle Bauvarianten verwendbar, sodass die Bauvarianten das gleiche Blechpaket aufweisen.
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Das Baukastensystem umfasst darüber hinaus mehrere, bauvariantenspezifische, separat von der Rotorwelle, separat von dem Blechpaket und separat voneinander ausgebildeten Baueinheiten, welche zum Herstellen der jeweiligen Bauvariante wahlweise auf der Rotorwelle und in der Aufnahme und dadurch innerhalb des Blechpakets anordenbar sind. Mit anderen Worten, um beispielsweise eine erste der Bauvarianten herzustellen, wird das Blechpaket auf der Rotorwelle angeordnet und drehfest mit der Rotorwelle verbunden, und eine erste der auch als Einbaueinheiten bezeichneten Baueinheiten wird in der Aufnahme und dadurch innerhalb des Blechpakets angeordnet. Um beispielsweise eine zweite der Bauvarianten herzustellen, wird das Blechpaket auf der Rotorwelle angeordnet und drehfest mit der Rotorwelle verbunden, und eine zweite der Baueinheiten wird in der Aufnahme und dadurch innerhalb des Blechpakets angeordnet. Somit ist bei der ersten Bauvariante anstelle der zweiten Baueinheit die erste Baueinheit auf der Rotorwelle und in der Aufnahme angeordnet, und bei der zweiten Bauvariante anstelle der ersten Baueinheit die zweite Baueinheit auf der Rotorwelle und in der Aufnahme angeordnet. Mittels des Baukastensystems können die Bauvarianten mit einer hohen Gleichteileanzahl und somit kostengünstig realisiert werden.
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In vollständig hergestelltem Zustand der jeweiligen Bauvariante ist das Blechpaket auf der Rotorwelle angeordnet und drehfest mit der Rotorwelle verbunden. Außerdem ist die jeweilige Baueinheit auf der Rotorwelle und in der Aufnahme und dadurch innerhalb des Blechpakets angeordnet. Das Blechpaket weist beispielsweise Blechlagen auf, die in axialer Richtung der Rotorwelle beziehungsweise des Blechpakets und somit des Rotors insgesamt aufeinanderfolgend beziehungsweise hintereinander angeordnet sind. Die jeweilige Blechlage und somit das Blechpaket sind beispielsweise aus Elektroblech gebildet. Die jeweilige Blechlage an sich wird beispielsweise auch als Lamelle, insbesondere als Blechlamelle, bezeichnet. Ferner kann die jeweilige Blechlage an sich einstückig ausgebildet sein.
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Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist es vorgesehen, dass eine erste der auch als Einbaueinheiten bezeichneten Baueinheiten als ein in der Aufnahme und dadurch innerhalb des Blechpakets anordenbares oder angeordnetes, drehfest mit der Rotorwelle verbindbares oder verbundenes und separat von dem Blechpaket und separat von der Rotorwelle ausgebildetes Führungselement ausgebildet ist, welches wenigstens einen von Kühlmittel durchströmbaren Kühlkanal aufweist. Hierdurch kann das Kühlmittel präzise und definiert insbesondere zu solchen Stellen geführt werden, die während des Betriebs der elektrischen Maschine besonders heiß werden. In der Folge kann eine effektive und effiziente Kühlung realisiert werden. Unter dem Merkmal, dass das Führungselement innerhalb des Blechpakets angeordnet oder anordenbar ist, kann beispielsweise verstanden werden, dass das Führungselement in vollständig hergestellten Zustand der das Führungselement aufweisenden Bauvariante in axialer Richtung beidseitig durch das Blechpakte überdeckt ist und/oder das Führungselement ist in radialer Richtung nach außen hin durch das Blechpaket überdeckt. Dadurch kann insbesondere vom Inneren des Blechpakets vorteilhaft Wärme abgeführt werden.
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Da das Führungselement die erste Baueinheit zum Leiten beziehungsweise Führen, insbesondere zum Durchleiten, von Kühlmedium. Dieser Ausführungsform liegt die Erkenntnis zugrunde, dass üblicherweise ein Kühlmedium wie Luft oder gegebenenfalls eine Flüssigkeit, insbesondere Wasser, zur Kühlung verwendet und dieses Kühlmedium durch den zumindest einen Bereich der elektrischen Maschine, insbesondere durch deren Gehäuse, geleitet wird. Herkömmlicherweise ist die Kühlung der elektrischen Maschine dabei eingeschränkt, da über einen von dem Kühlmedium durchströmten Wärmetauscher lediglich bestimmte Bereiche wie beispielsweise das Statorblechpaket gekühlt werden können, und an anderen Bereichen der Maschine eine derartige Kühlung nicht möglich ist.
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Mittels des Führungselements kann das Kühlmedium gezielt zu dem und in das Innere des Blechpakets geführt werden, sodass eine effektive und effiziente Kühlung dargestellt werden kann. Das Kühlmedium kann beispielsweise über das Führungselement in das Blechpaket und durch dieses hindurch sowie offen zu den und über die Wickelköpfe geleitet werden, sodass eine großflächige Wärmeabfuhr innerhalb der elektrischen Maschine möglich wird. Der Kühlkanal wird auch als erster Kühlkanal bezeichnet.
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Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn innerhalb der Rotorwelle wenigstens ein zweiter Kühlkanal und innerhalb des Blechpakets wenigstens ein dritter Kühlkanal verläuft, wobei der erste Kühlkanal mit dem zweiten Kühlkanal und mit dem dritten Kühlkanal fluidisch verbindbar beziehungsweise - in vollständig hergestelltem Zustand der das Führungselement umfassenden Bauvarianten - verbunden ist. Somit ist beispielsweise der erste Kühlkanal einerseits mit dem zweiten Kühlkanal und andererseits mit dem dritten Kühlkanal fluidisch verbunden ist. Dadurch ist der zweite Kühlkanal über den ersten Kühlkanal fluidisch mit dem dritten Kühlkanal verbunden, sodass beispielsweise das Kühlmedium aus dem zweiten Kühlkanal in den ersten Kühlkanal und durch diesen hindurch und aus dem ersten Kühlkanal in den dritten Kühlkanal und durch den dritten Kühlkanal hindurchströmen kann. Der zweite Kühlkanal ist beispielsweise als eine Bohrung ausgebildet und verläuft in radialer und/oder axialer Richtung der Rotorwelle. Insbesondere können mehrere zweite Kühlkanäle vorgesehen sein, die innerhalb der Rotorwelle verlaufen und fluidisch mit dem ersten Kühlkanal verbunden sind.
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Beispielsweise ist der zweite Kühlkanal direkt durch die einfach auch als Welle bezeichnete Rotorwelle begrenzt. Dies bedeutet, dass das den zweiten Kühlkanal durchströmende Kühlmedium die Welle direkt an- und umströmen kann. Hierdurch kann ein besonders effektiver Wärmeabtransport realisiert werden. Alternativ oder zusätzlich kann der dritte Kühlkanal direkt durch das Blechpaket begrenzt sein. Dadurch kann das den dritten Kühlkanal durchströmende Kühlmedium das Blechpaket direkt an- und umströmen. Beispielsweise ist der dritte Kühlkanal durch die Blechlagen selbst direkt begrenzt, oder der dritte Kühlkanal ist durch eine beispielsweise als Lack, insbesondere als Backlack, oder als Phosphatierung ausgebildete Beschichtung der Blechlagen direkt begrenzt.
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Vorzugsweise ist der erste Kühlkanal und/oder der zweite Kühlkanal und/oder der dritte Kühlkanal in dessen Umfangsrichtung vollständig umlaufend geschlossen, sodass eine definierte und gezielte Führung des Kühlmittels realisiert werden kann.
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Um einen besonders geräuscharmen Betrieb sowie eine besonders vorteilhafte Kühlung der elektrischen Maschine realisieren zu können, ist wenigstens eine separat von der Rotorwelle und separat von dem Blechpaket ausgebildete und somit zusätzlich zu der Rotorwelle und zusätzlich zu dem Blechpaket vorgesehene Spanneinrichtung vorgesehen, mittels welcher die Blechlagen in axialer Richtung der Rotorwelle miteinander verspannt oder verspannbar und dadurch beispielsweise gegeneinander gepresst oder zu pressen beziehungsweise aneinander gehalten oder aneinander zu halten sind.
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Der Erfindung liegt dabei insbesondere die folgende Erkenntnis zugrunde: Aus dem allgemeinen Stand der Technik sind elektrische Maschinen für Kraftfahrzeugantriebsstränge, insbesondere für Achsantriebe und/oder für Hybridantriebe, bekannt. Um die jeweilige elektrische Maschine zu kühlen, wird ein auch als Kühlmedium bezeichnetes Kühlmittel verwendet. Bei dem Kühlmittel handelt es sich üblicherweise um ein auch als Fluid bezeichnetes Kühlfluid, welches zumindest Luft umfassen beziehungsweise aus Luft gebildet sein kann. Mit anderen Worten kann als das Kühlmittel Luft verwendet werden. Ferner ist es denkbar, dass das Kühlmittel zumindest Wasser umfasst oder, insbesondere vollständig, aus Wasser gebildet ist. Das Kühlmittel wird durch zumindest einen Bereich der elektrischen Maschine geleitet. Die Kühlung der elektrischen Maschine kann eingeschränkt sein, da beispielsweise über einen von dem Kühlmedium durchströmbaren beziehungsweise durchströmten Wärmetauscher lediglich wenigstens ein oder mehrere bestimmte Bereiche wie beispielsweise ein Statorblechpaket des Stators der elektrischen Maschine gekühlt werden kann beziehungsweise können, und da in wenigstens einem oder mehreren anderen Bereichen der elektrischen Maschine eine solche Kühlung nicht möglich ist.
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Daher haben sich für die Verwendung in Antriebssträngen von Kraftfahrzeugen solche elektrischen Maschinen etabliert, welche über ein elektrisch isolierendes und somit elektrisch nicht leitendes Kühlmedium, insbesondere über eine elektrische isolierende beziehungsweise über eine elektrisch nicht leitende Kühlflüssigkeit wie beispielsweise Öl, gekühlt werden. Solche gekühlten, insbesondere ölgekühlten, elektrischen Maschinen weisen einen von dem Kühlmedium durchströmbaren beziehungsweise durchströmten Wärmetauscher sowie eine Direktkühlung auf. Im Rahmen der Direktkühlung werden Wickelköpfe der elektrischen Maschine sowie gegebenenfalls der Rotor der elektrischen Maschine direkt mittels des Kühlmediums gekühlt. Dies bedeutet, dass das Kühlmedium die Wickelköpfe direkt an- und umströmen und somit direkt berühren kann. Da das Kühlmedium vorzugsweise elektrisch isolierend ausgebildet ist, kommt es nicht zu Kurzschlüssen der elektrischen Maschine. Das elektrisch isolierende Kühlmedium wird demnach innerhalb eines Gehäuses der elektrischen Maschine über die Wickelköpfe geleitet, sodass eine großflächige Wärmeabfuhr innerhalb der elektrischen Maschine ermöglicht wird.
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Die elektrische Maschine kann wenigstens einen oder mehrere Magnete, insbesondere Permanentmagnete, aufweisen. Der jeweilige Magnet ist beispielsweise an dem Blechpaket des Rotors, dessen Blechpaket auch als Rotorblechpaket bezeichnet wird, gehalten. Insbesondere kann der jeweilige Magnet zumindest teilweise, insbesondere zumindest überwiegend oder vollständig, in einer auch als Tasche oder Magnettasche bezeichneten Aufnahme des Blechpakets angeordnet und insbesondere an dem Blechpaket befestigt sein. Insbesondere kann die elektrische Maschine als Synchronmaschine, insbesondere als permanenterregte Synchronmaschine, ausgebildet sein.
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Die jeweilige Blechlage ist beispielsweise aus einem magnetischen Stahl gebildet. Um den Rotor herzustellen, werden die beispielsweise als einzelne Bleche ausgebildeten Blechlagen, insbesondere in identischer Form, aus einem Halbzeug, insbesondere aus einer Platine, ausgestanzt und dann zusammengesetzt beziehungsweise entlang einer Stapelrichtung aufeinander gestapelt. Die Stapelrichtung fällt dabei mit der axialen Richtung der Rotorwelle und somit des Rotors insgesamt zusammen. Die einzelnen Blechlagen sind beispielsweise gegeneinander elektrisch isoliert. Das Blechpaket weist dabei eine, insbesondere zentrale, Öffnung auf, welche als Durchgangsöffnung ausgebildet sein kann. Dabei ist die auch als Welle oder Antriebswelle bezeichnete Rotorwelle zumindest teilweise in der Durchgangsöffnung angeordnet.
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Das Blechpaket ist beispielsweise auf die Rotorwelle aufgeschrumpft und dadurch drehfest mit der Rotorwelle verbunden. Insbesondere kann die Rotorwelle das Blechpaket vollständig durchringen, sodass die Rotorwelle beispielsweise an einem ersten Ende des Blechpakets und/oder an einem dem ersten Ende in axialer Richtung gegenüberliegenden zweiten Ende des Blechpakets aus dem Blechpaket herausragt. Bei einem Betrieb der elektrischen Maschine und somit des Rotors kann es üblicherweise zu Relativbewegungen zwischen den einzelnen Blechlagen unter der Wirkung von Fliehkräften und Schwingungen kommen, sodass sich eine Oberfläche des Blechpakets verändert. In Folge geringer oder nicht vorhandener definierter Vorspannungen verhält sich das Blechpaket üblicherweise stark anisotrop. Dies bedeutet, dass der axiale E-Modul des auch als Blechpaket bezeichneten Blechstapels wesentlich geringer als der E-Modul in radialer Richtung des Rotors ist.
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Dadurch neigt der Rotor herkömmlicherweise zu niederfrequenten Schwingungen im Betriebsbereich. Zusätzlich kann das maximal zwischen der Rotorwelle und dem Blechpaket übertragbare Drehmoment reduziert werden, da es beispielsweise aufgrund der Schwingungen zu einer zumindest lokalen Aufhebung beziehungsweise Schwächung der drehfesten Verbindung der Rotorwelle mit dem Blechpaket kommen kann. Die drehfeste Verbindung ist beispielsweise als eine Passverbindung der Rotorwelle mit dem Blechpaket ausgebildet. Die Schwingungen und die daraus resultierenden Relativbewegungen zwischen den Blechlagen haben für eine Kühlung, insbesondere für eine Flüssigkeitskühlung und vorzugsweise für eine Ölkühlung, der elektrischen Maschine, insbesondere des Rotors und vorzugsweise des Rotorblechpakets folgende Auswirkungen: Es kann zu einem Auffedern des Blechpakets, insbesondere von Backlackpaketen des Blechpakets, kommen, wie Drehzahltests gezeigt haben.
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Dabei wurde gefunden, dass das Blechpaket zumindest in einigen Bereichen nicht dicht für das beispielsweise als Flüssigkeit ausgebildete Kühlmedium ist. Dadurch wird eine effiziente und effektive Kühlung beeinträchtigt. Außerdem kann beispielsweise eine übermäßige Menge an Kühlmedium, insbesondere Kühlflüssigkeit, in einen in radialer Richtung zwischen dem Stator und dem Rotor vorgesehenen Luftspalt kommen, welcher Schleppverluste erzeugt und somit den Wirkungsgrad der elektrischen Maschine beeinträchtigt. Die zuvor genannten Probleme und Nachteile können bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine vermieden werden, Mittels der Spanneinrichtung sind die Blechlagen miteinander verspannt und somit aneinander gespannt, sodass mittels der Spanneinrichtung eine zumindest in axialer Richtung des Rotors wirkende Verspannung oder Vorspannung des Blechpakets bewirkt ist. Durch diese Verspannung beziehungsweise Vorspannung des Blechpakets in axialer Richtung kann jede mögliche Relativbewegung beziehungsweise können übermäßige Relativbewegungen zwischen den einzelnen Blechlagen unterbunden werden.
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Durch den Einsatz der Spanneinrichtung wird das Blechpaket quasi zu einem massiven Körper, welcher gegenüber herkömmlichen Blechpaketen eine wesentlich geringere Schwingungsneigung hat. Durch das Verspannen der beispielsweise als Einzelbleche ausgebildeten Blechlagen mittels der Spanneinrichtung kann eine hinreichende Dichtheit des Blechpakets für das Kühlmedium realisiert werden, sodass unerwünschte Strömungen, insbesondere Leckageströmungen, des Kühlmediums vermieden werden können. In der Folge kann eine gezielte, definierte und somit effektive und effiziente Kühlung der elektrischen Maschine gewährleistet werden. Außerdem können übermäßige Schwingungen des Blechpakets und daraus resultierende, unerwünschte Geräusche vermieden werden, sodass sich auch ein besonders vorteilhaftes Geräuschverhalten des Rotors und somit der elektrischen Maschine insgesamt darstellen lässt. Insbesondere kann durch das Vorspannen des Blechpakets eine hohe Torsions- und Biegesteifigkeit gewährleistet werden. Darüber hinaus wird eine übermäßige, aus Schwingungen resultierende Schwächung der beispielsweise als Passverbindung ausgebildeten drehfesten Verbindung der Rotorwelle mit dem Blechpaket vermieden, sodass auch besonders hohe Drehmomente zwischen der Rotorwelle und dem Blechpaket übertragen werden können. In der Folge kann eine besonders hohe Leistungsfähigkeit, insbesondere Dauerleistungsfähigkeit, der elektrischen Maschine dargestellt werden.
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Die Erfindung kann insbesondere die Aufgabe lösen, eine verbesserte elektrische Maschine beziehungsweise einen verbesserten Rotor für eine elektrische Maschine zur Verfügung zu stellen, dessen Konstruktion und Geometrie so ausgelegt sind, dass unter vorgegebener Leistungsanforderung das zu übertragende Drehmoment sicher übertragen werden kann und hinsichtlich der Festigkeit eine hohe Torsions- und Biegesteifigkeit sichergestellt ist, um Schwingungen zu minimieren, welche die Lagerlebensdauer herabsetzen, Geräusche verursachen und somit die gesamte Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine einschränken.
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Des Weiteren kann die Erfindung die Aufgabe lösen, einen besonders vorteilhaften Aufbau des Rotors durch das vorgespannte Rotorblechpaket zu realisieren. Es hat sich nämlich gezeigt, dass bei immer höheren Drehzahlen und zu übertragenden Drehmomenten die drehfeste Verbindung zwischen dem Blechpaket und der Rotorwelle Mängel aufweisen kann. Üblicherweise kann es vorkommen, dass bei hohen Leistungsanforderungen das übertragbare Drehmoment nicht mehr über die Verbindung zwischen dem Blechpaket und der Rotorwelle übertragen werden kann, was nun jedoch bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine gewährleistet werden kann.
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Weitere, durch die Erfindung lösbare Aufgaben sind Kosteneinsparungen durch eine vorteilhafte Kühlung der elektrischen Maschine, insbesondere des Rotors. Dies bedeutet, dass durch die bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine realisierbare, besonders effektive Kühlung besonders kostengünstige Magnete, insbesondere Permanentmagnete, für die elektrische Maschine, insbesondere für den Rotor, verwendet werden können. Insbesondere können Magnete einer geringen Temperaturklasse gewählt werden. Die vorteilhafte, effektive Kühlung des Rotors beziehungsweise der elektrischen Maschine hat jedoch auch Auswirkungen auf die Lagerlebensdauer, welche sich bei einem geringeren Temperaturgradienten zwischen Lageraußenring und Lagerinnenring aufgrund geringerer Kontaktspannungen signifikant verlängert.
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Der jeweilige Magnet, welcher für den beziehungsweise bei dem Rotor verwendet wird, kann beispielsweise eine maximale Magnettemperatur von höchstens 120°C aufweisen. Hierdurch können die Kosten der elektrischen Maschine besonders gering gehalten werden. Bei herkömmlichen elektrischen Maschinen kann es durch den Einsatz von Düsen an Stirnflächen des Rotors zur Bildung eines besonders heißen und auch als Hot Spot bezeichneten Punkts oder Bereichs an den Magneten kommen, die in der Mitte des Rotors angeordnet sind. Um die maximale Temperatur der Magnete in der Mitte des Rotors zu reduzieren beziehungsweise gering zu halten, ist es von Vorteil, wenn das Kühlmedium besonders nahe an die Magnete gebracht werden kann. Dies kann bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine realisiert werden, da eine hinreichend hohe Dichtheit des Blechpakets für das Kühlmedium gewährleistet werden kann.
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Um das Blechpaket besonders vorteilhaft vorspannen und in der Folge eine besonders gute Kühlung und einen besonders geräuscharmen Betrieb der elektrischen Maschine gewährleisten zu können, ist es bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Spanneinrichtung wenigstens oder genau zwei in axialer Richtung der Rotorwelle und somit des Rotors beziehungsweise des Blechpakets voneinander beabstandete und auch als Endplatten oder Druckplatten bezeichnete Spannplatten aufweist. Außerdem umfasst die Spanneinrichtung wenigstens einen mit den Spannplatten verbundenen oder verbindbaren und auf Zug belasteten oder belastbaren Zuganker, mittels welchem die Spannplatten unter Vermittlung der entlang der axialen Richtung zwischen den Spannplatten angeordneten Blechlagen entlang der axialen Richtung miteinander verspannt oder verspannbar und dadurch beispielsweise aneinandergepresst oder aneinander pressbar beziehungsweise aneinandergehalten oder aneinander zu halten sind. Die Spannplatten schließen sich somit beispielsweise - insbesondere in vollständig hergestelltem Zustand der jeweiligen Bauvariante - in axialer Richtung des Rotors an das Blechpaket an, sodass das Blechpaket in axialer Richtung zwischen den Spannplatten angeordnet ist. Die Spannplatten und die dazwischen angeordneten Blechlagen bilden einen Stapel beziehungsweise einen Block, welcher mittels des Zugankers in axialer Richtung verpresst beziehungsweise zusammengepresst ist. Vorzugsweise kommen mehrere Zuganker zum Einsatz, um das Blechpaket besonders vorteilhaft verspannen zu können. Die Spanneinrichtung ist beispielsweise bauvariantenübergreifend und kann bei jeder Bauvariante verwendet werden.
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Unter dem Merkmal, dass der Zuganker auf Zug belastet oder belastbar ist, ist zu verstehen, dass über den Zuganker eine Zugkraft von einer der Spannplatten auf die jeweils andere Spannplatte beziehungsweise umgekehrt übertragen wird. Die Zugkraft ist eine Verspannkraft, die entlang der axialen Richtung wirkt. Mittels der auch als Spannkraft bezeichneten Verspannkraft sind die Spannplatten in Richtung des Blechpakets und dabei gegen das Blechpaket gezogen und somit gespannt. Hierdurch werden die entlang der axialen Richtung zwischen den Spannplatten angeordneten Blechlagen zusammengedrückt und somit in axialer Richtung des Rotors miteinander verspannt. Die Spannplatten sind beispielsweise separat voneinander ausgebildet. Die Spannplatten sind separat von der Rotorwelle und/oder separat von dem Blechpaket ausgebildet und somit zusätzlich zu der Rotorwelle beziehungsweise zusätzlich zu dem Blechpaket zum Einsatz kommende Bauteile. Vorzugsweise ist der Zuganker separat von den Spannplatten und/oder separat von dem Blechpaket und/oder separat von der Rotorwelle ausgebildet.
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Weitere Vorteile des verspannten Blechpakets des Rotors sind: Eine definierte Vorspannung über das Zugankerprinzip beeinflusst das transversale Materialverhalten und somit die üblicherweise vorgesehenen, unterschiedlichen E-Module in radialer Richtung und axialer Richtung des Blechpakets signifikant. Übermäßig starke Unterschiede zwischen dem E-Modul in axialer Richtung und dem E-Modul in radialer Richtung können durch die Spanneinrichtung vermieden beziehungsweise aufgehoben werden. Niederfrequente Erregerfrequenzen, die sowohl aus der elektrischen Maschine und/oder einem Getriebe des Kraftfahrzeugs resultieren können, können üblicherweise den Rotor anregen und negativen Einfluss auf ein Lagersystem, die Akustik und die Betriebsfestigkeit der gesamten elektrischen Maschine nehmen. Dies kann nun jedoch bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine vermieden werden. Das Lagersystem ist beispielsweise eine Lagereinrichtung, über welche der Rotor drehbar an einem Gehäuse und/oder dem Stator gelagert ist.
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Durch die Spanneinrichtung und die durch die Spanneinrichtung bewirkte Verspannung des Blechpakets kann ein definierter Reibbeziehungsweise Kraftschluss zwischen den Blechlagen realisiert werden, wodurch ein gleichmäßiger Schubfluss bei der Momentenübertragung gewährleistet ist. Hieraus ergibt sich auch der Vorteil einer hohen Torsion- und Biegesteifigkeit. Durch die Vorspannung des Blechpakets kann beispielsweise eine Isotropie realisiert werden, wodurch definierte Wuchtebenen geschaffen werden können. Hierdurch kann die elektrische Maschine besonders vorteilhaft gewuchtet werden, sodass ein besonders vorteilhaftes Geräuschverhalten realisierbar ist. Daher kann die Erfindung auch die Aufgabe lösen, übermäßige Unwuchten auf einfache Weise zu beseitigen beziehungsweise eine Dämpfung radialer Schwingungen zu realisieren, sodass eine effiziente Schwingungsdämpfung ermöglicht werden kann. Gleichzeitig kann das Gewicht der elektrischen Maschine gering gehalten werden.
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Um das Blechpaket besonders vorteilhaft verspannen zu können, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das Blechpaket eine von dem Zuganker in axialer Richtung des Blechpakets durchdringbare Durchgangsöffnung aufweist. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass in vollständig hergestelltem Zustand der jeweiligen Bauvariante der Zuganker die Durchgangsöffnung des Blechpakets in axialer Richtung durchdringt. Dadurch kann der Zuganker in der Mitte oder nahe an der Mitte des Blechpakets angeordnet werden, sodass das Blechpaket besonders vorteilhaft verspannt werden kann.
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Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass das Zugelement als eine Dehnschraube ausgebildet ist. Hierdurch kann die zuvor genannte Verspannkraft gezielt, definiert und präzise eingestellt werden.
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Um eine besonders vorteilhafte Kühlung der elektrischen Maschine zu realisieren, ist es bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die elektrische Maschine wenigstens eine sich in axialer Richtung des Rotors an das Blechpaket anschließend und insbesondere außerhalb des Blechpakets angeordnete sowie drehfest mit der Rotorwelle verbundene oder verbindbare Schleuderscheibe aufweist, mittels welcher aus dem Blechpaket, insbesondere in axialer Richtung, austretende Kühlmittel in radialer Richtung des Rotors nach außen zu schleudern und somit zu fördern ist. Die Schleuderscheibe ist beispielsweise eine Endscheibe, mittels welcher das Kühlmittel definiert und gezielt in radialer Richtung nach außen geführt werden kann. Hierzu weist die Schleuderscheibe beispielsweise eine Ableitgeometrie auf, mittels welcher das Kühlmittel unter Einwirkung von Fliehkräften definiert und gezielt in radialer Richtung nach außen geführt werden kann. Die Schleuderscheibe kann mit einem jeweiligen axialen Ende des Blechpakets drehfest verbunden sein. Die Ableitgeometrie weist beispielsweise wenigstens eine zumindest teilweise in radialer Richtung verlaufende und beispielsweise als Bohrung ausgebildete Führung auf, welche von dem Kühlmittel durchströmbar ist. Die Führung ist beispielsweise in der Umfangsrichtung vollständig umlaufend geschlossen. Ferner kann die Führung als offener Führungskanal, Nut oder Rinne ausgebildet sein. Insbesondere können mehrere solcher Führungen vorgesehen sein.
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Insbesondere ist die Schleuderscheibe dazu ausgebildet, das aus dem Blechpaket, insbesondere in axialer Richtung, austretende Kühlmittel, insbesondere direkt, auf Wickelköpfe, insbesondere des Stators zu spritzen, insbesondere in radialer Richtung des Rotors nach außen. Die Ableitgeometrie kann wenigstens eine umlaufende, ringförmige Rinne beziehungsweise eine radial nach innen offene Rinne aufweisen, welche wenigstens eine oder mehrere Abspritzöffnungen aufweist. Über die Abspritzöffnungen kann die Schleuderscheibe das durch die Schleuderscheibe geführte Kühlmitte von der Schleuderscheibe abspritzen und beispielsweise gegen die Wickelköpfe spritzen. Dadurch können die Wickelköpfe direkt mit dem vorzugsweise elektrisch isolierenden beziehungsweise elektrisch nicht leitenden Kühlmedium benetzt werden, sodass eine effektive und effiziente Kühlung der Wickelköpfe und somit der elektrischen Maschine insgesamt realisiert werden kann.
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Um die Teileanzahl und somit das Gewicht der elektrischen Maschine besonders gering halten und gleichzeitig eine vorteilhafte Kühlung realisieren zu können, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass die Schleuderscheibe als eine der Spannplatten ausgebildet ist.
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Die Blechlagen sind beispielsweise über jeweilige, zwischen den Blechlagen angeordnete Papierschichten elektrisch voneinander isoliert. Die Papierschichten sind beispielsweise jeweils einseitig auf die Blechlagen aufgeklebt. Ferner ist denkbar, dass die jeweilige Blechlage eine, insbesondere chemisch auf die jeweilige Blechlage aufgebrachte, Beschichtung aufweist, welche beispielsweise als eine Phosphatierungsschicht ausgebildet ist. Dadurch sind die Blechlagen mittels der jeweiligen Phosphatierungsschichten elektrisch voneinander isoliert. Durch das beschriebene Verspannen der mit der Phosphatierungsschicht beschichteten Blechlagen kann eine besonders gute Dichtheit des Blechpakets gewährleistet werden, sodass eine effektive und effiziente Kühlung realisiert werden kann. Die jeweilige Blechlage weist beispielsweise eine in axialer Richtung der Rotorwelle verlaufende und auch als Wandstärke oder Blechstärke oder Blechdicke bezeichnete Wanddicke von 0,5 mm auf.
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Um eine besonders effektive Kühlung auf kostengünstige Weise realisieren zu können, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der dritte Kühlkanal zumindest teilweise direkt durch das Blechpaket und/oder zumindest teilweise durch die Spanneinrichtung, insbesondere durch den Zuganker, begrenzt ist.
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Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass eine zweite der Baueinheiten als ein innerhalb des Blechpaktes angeordnetes oder anordenbares, drehfest mit der Rotorwelle verbundenes oder verbindbares und beispielsweise separat von dem Blechpaket und separat von der Rotorwelle ausgebildetes Radialpumpenrad zum Fördern des Kühlmittels ausgebildet ist. Das Radialpumpenrad ist die zweite Baueinheit, welche in vollständig hergestelltem Zustand der die zweite Baueinheiten aufweisenden Bauvariante innerhalb des Blechpakets angeordnet ist und somit beispielsweise in axialer Richtung der Rotorwelle beidseitig durch das Blechpaket überdeckt ist. Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, dass die zweite Baueinheit in radialer Richtung nach außen durch das Blechpaket überdeckt ist. Durch das Radialpumpenrad kann ein besonders hoher Massen- beziehungsweise Volumenstrom des Kühlmittels durch die elektrische Maschine, insbesondere durch das Blechpaket, realisiert werden, sodass in kurzer Zeit eine besonders hohe Wärmemenge abtransportiert werden kann.
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Um dabei eine effektive Kühlung auf besonders kostengünstige Weise realisieren zu können, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das Radialpumpenlaufrad als das Führungselement ausgebildet ist. Beispielsweise ist mittels des Radialpumpenrads das Kühlmittel aus dem zweiten Kühlkanal durch den ersten Kühlkanal hindurch und aus dem ersten Kühlkanal in den dritten Kühlkanal zu fördern, insbesondere durch Drehen des Radialpumpenrads.
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Da das Radialpumpenrad, welches auch als Laufrad oder Radialpumpenlaufrad bezeichnet wird, drehfest mit der Rotorwelle verbunden oder verbindbar ist, dreht sich das Radialpumpenrad mit der Rotorwelle mit. Somit können zusätzliche Antriebe zum Antreiben des Radialpumpenrads vermieden werden.
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Das Radialpumpenrad ist eine Einbaueinheit zum Fördern des Kühlmittels. Beispielsweise ist wenigstens ein von dem Kühlmittel durchströmbarer Kanal oder Pfad des Radialpumpenrads, mittels dessen Kanals beziehungsweise Pfads das Kühlmittel geführt werden kann, fluidisch mit einem innerhalb der Rotorwelle verlaufenden, von dem Kühlmittel durchströmbaren Kanal, insbesondere fluidisch mit dem zweiten Kühlkanal, verbunden, sodass die Rotorwelle beziehungsweise deren Kanal beziehungsweise Kühlkanal durchströmende Kühlmittel von der Rotorwelle an das Radialpumpenrad übergeben und somit zu dem Radialpumpenrad strömen und mittels des Radialpumpenrads gefördert werden kann. Insbesondere ist zur Einleitung des beispielsweise als Flüssigkeit ausgebildeten Kühlmittels in das Innere des Rotors mit der Rotorwelle, insbesondere mit deren Kühlkanal, das Radialpumpenrad zum Fördern des Kühlmittels fluidisch verbunden. Da das Radialpumpenrad als Radiallaufrad ausgebildet ist, saugt das Radialpumpenrad dann, wenn es zusammen mit der Rotorwelle gedreht wird, das Kühlmittel an, wodurch das Kühlmittel das Radialpumpenrad in axialer Richtung des Radialpumpenrads anströmt. Hierdurch kann beispielsweise das Radialpumpenrad das Kühlmittel durch den Kühlkanal der Rotorwelle hindurchfördern. Das Kühlmittel wird mittels des Radialpumpenrads derart gefördert, dass das Kühlmittel das Radialpumpenrad in radialer Richtung des Radialpumpenrads, insbesondere nach außen, abströmt. Hierdurch kann beispielsweise das Kühlmittel gezielt und definiert in den dritten Kühlkanal gefördert und somit in das Innere des Blechpaketes geleitet werden. Das Radiallaufrad übernimmt somit eine Förderfunktion zum Fördern des Kühlmittels, insbesondere eines Kühlmittelstroms des Kühlmittels, indem das Radiallaufrad das Kühlmittel ansaugt und gegen das Blechpaket, insbesondere gegen dessen Inneres, schleudert.
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Das Radiallaufrad wird dadurch, dass es mit der Rotorwelle drehfest verbunden ist, mit der Rotorwelle mitgedreht. Das Kühlmittel im Inneren des Radiallaufrads wird dadurch beschleunigt und durch die Zentrifugalkraft an den äußersten Rand des Radiallaufrads gefördert beziehungsweise gepresst. Dadurch kann das Kühlmittel aus wenigstens einer oder mehreren Austrittsöffnungen des als Einsatzelement ausgebildeten Radiallaufrads in den wenigstens einen dritten, innerhalb des Blechpaktes verlaufenden Kühlkanal entweichen. Zugleich entwickelt sich innerhalb des Radiallaufrads ein Unterdruckt. Dieser sorgt dafür, dass weiteres Kühlmittel angesaugt wird. Nach diesem Prinzip erfolgt die Förderung des Kühlmittels ins Innere des Rotors für dessen Kühlung. Das Kühlmittel wird unter Einfluss der Fliehkraft weiterhin durch wenigstens eine oder mehrere innerhalb des Blechpakets verlaufende Kanäle wie beispielsweise den dritten Kanal geleitet und an einem axialen Ende des Blechpakets auf beziehungsweise gegen die Wickelköpfe abgespritzt.
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Um ein besonders vorteilhaftes Geräuschverhalten der elektrischen Maschine realisieren zu können, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass eine dritte der Einbaueinheiten als ein innerhalb des Blechpakets angeordneter oder anordenbarer und drehfest mit der Rotorwelle verbundener oder verbindbarer sowie vorzugsweise separat von der Rotorwelle und separat von dem Blechpaket ausgebildeter Schwingungstilger zum Schwingen von Tilgungen des Rotors ausgebildet ist. Der Schwingungstilger ist somit eine dritte Einbaueinheit, welche in vollständig hergestelltem Zustand der die dritte Baueinheit aufweisenden Bauvariante in axialer Richtung der Rotorwelle beidseitig durch das Blechpaket überdeckt sein kann. Alternativ oder zusätzlich ist der Schwingungstilger in radialer Richtung des Rotors nach außen durch das Blechpaket überdeckt. Hierdurch kann der Bauraumbedarf des Rotors besonders gering gehalten werden.
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Unter dem Merkmal, dass mittels des Schwingungstilgers Schwingungen des Rotors getilgt werden können, ist zu verstehen, dass der Schwingungstilger dazu ausgebildet ist, Schwingungen des Rotors zu dämpfen. Somit ist der Schwingungstilger eine Einbaueinheit zur Dämpfung von Schwingungen. Dieser Ausführungsform liegt die Erkenntnis zugrunde, dass während des Betriebs in der Rotorwelle fortwährend Schwingungen, insbesondere Biegeschwingungen, entstehen. Ursachen hierfür sind vor allem heftige Änderungen der Wellendrehzahl beim Beschleunigen und Bremsen, aber auch eine etwaige Unwucht des Rotors löst Biegeschwingungen aus. Die hieraus resultierende schwingende Rotorwelle kann viele unterschiedliche Schwingungszustände mit unterschiedlichen Frequenzen einnehmen. Diese Schwingungen gilt es möglichst wirksam zu reduzieren, was mittels des Schwingungstilgers realisiert werden kann. Der Schwingungstilger als Einbaueinheit zur Dämpfung von Schwingungen kann direkt an der schwingenden Baugruppe in Form der Rotorwelle und/oder des Blechpakets wirken. Wird der Schwingungstilger genau an der Stelle der vibrierenden Baugruppe montiert, an der die Schwingungsamplitude am größten ist, kann er die unerwünschte Schwingung deutlich reduzieren, und die Baugruppe wird beruhigt. Vorzugsweise ist der Schwingungstilger ein schwingungsfähiges Masse-Feder-Dämpfer-System, mittels welchem Schwingungen effektiv und effizient gedämpft werden können.
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Hierzu hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn der Schwingungstilger wenigstens eine Tilgermasse und wenigstens ein elastisch verformbares Element aufweist, welches mit der Tilgermasse gekoppelt und zum Tilgen von Schwingungen durch die Relativbewegungen zwischen der Tilgermasse und der Rotorwelle und/oder durch die Relativbewegungen zwischen der Tilgermasse und dem Blechpaket elastisch verformbar ist. Durch elastisches Verformen des Elements wird Schwingungsarbeit in Verformungsarbeit umgewandelt, wodurch Schwingungen effektiv gedämpft werden. Die Tilgermasse ist vorzugsweise aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere aus einem Stahl, gebildet. Insbesondere kann die Tilgermasse ein Kern, insbesondere ein Metallkern, sein, der beispielsweise von dem elastisch verformbaren Element zumindest teilweise, insbesondere zumindest überwiegend oder vollständig, ummantelt ist.
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Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn das Element aus einem elastisch verformbaren Werkstoff, insbesondere aus Gummi, gebildet ist. Beispielsweise kann das Element ein gummielastischer Mantel sein, welcher die Tilgermasse zumindest teilweise, insbesondere zumindest überwiegend oder vollständig ummantelt. Beispielsweise wirkt der Metallkern in dem gummielastischen Mantel als schwingende Masse, wohingegen der Mantel die Funktion der Feder und des Dämpfers des zuvor genannten Masse-Feder-Dämpfer-Systems übernimmt. Die unerwünschte Schwingung der Baugruppe regt den einfach auch als Tilger bezeichneten Schwingungstilger, insbesondere die Tilgermasse, zu Schwingungen an. Indem die schwingende Tilgermasse der anregenden Schwingung fortwährend Energie entzieht, bringt ihr Signal sie zum Erliegen. Dies funktioniert dann besonders vorteilhaft, wenn die Tilgermasse auf Resonanz mit der auszulöschenden Schwingung abgestimmt ist, wenn also seine Eigenfrequenz nahezu gleich der Frequenz der anregenden Schwingung ist, wie zum Beispiel der Resonanzfrequenz des Rotors. Die Eigenfrequenz lässt sich über das Gewicht der Tilgermasse sowie über die sogenannten dynamisch-mechanischen Eigenschaften des beispielsweise als Elastomer ausgebildeten oder aus Elastomer gebildeten Elements einstellen. Darunter zu verstehen sind insbesondere solche Eigenschaften, die das etwaige viskoelastische Verhalten des beispielsweise als Elastomer ausgebildeten Elements als Reaktion auf die Einwirkung einer zeitlich veränderlichen Kraft beschreiben. Wirkt eine Kraft, die sich periodisch mit der Zeit ändert, auf das Element ein, verformt sich das Element beziehungsweise dessen Material periodisch, allerdings mit einer gewissen zeitlichen Verzögerung. Je stärker die Deformation des Elements der einwirkenden Kraft hinterherhinkt, desto stärker dämpfend wirkt das Element beziehungsweise dessen Material, aus welchem das Element gebildet ist, und desto geringer ist die Elastizität des Elements.
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Schließlich hat es sich zur Realisierung eines besonders vorteilhaften Geräuschverhaltens als vorteilhaft gezeigt, wenn eine vierte der Baueinheiten als eine innerhalb des Blechpakets angeordnete oder anordenbare Wuchtscheibe ausgebildet ist, mittels welcher der Rotor gewuchtet oder zu wuchten beziehungsweise ausgewuchtet oder auszuwuchten ist. Ist die Wuchtscheibe innerhalb des Blechpaktes angeordnet, so ist die Wuchtscheibe eine Einbaueinheit zum Wuchten, insbesondere Auswuchten, des Rotors.
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Liegen entsprechende Massenschwerpunkte des Rotors mit der Rotorwelle und dem Blechpaket nicht exakt auf der Drehachse, um die der Rotor relativ zu dem Stator gedreht werden kann, so tritt eine Unwucht auf, die einen unruhigen Lauf des Rotors bewirken kann. Die Wuchtscheibe als Einbaueinheit zum Auswuchten des Rotors kann als innenliegende Wuchtscheibe beziehungsweise an wenigstens einem axialen Ende des Rotors oder an beiden axialen Enden des Rotors vorgesehen und insbesondere in den Rotor integriert sein. Das eigentliche Wuchten beziehungsweise Auswuchten wird durch Wegnahme von Material, beispielsweise durch spanendes Bearbeiten, insbesondere durch Bohren oder Fräsen, ausgeführt. Mit anderen Worten wird beispielsweise die Wuchtscheibe im Rahmen einer Herstellung der elektrischen Maschine Material wegnehmend, insbesondere spanend oder fräsend, bearbeitet, um dadurch den Rotor auszuwuchten.
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Unter der Wuchtscheibe ist im Rahmen der Erfindung nicht nur lediglich eine massive Scheibe zu verstehen. Die Wuchtscheibe kann wenigstens eine oder mehrere entsprechende Ausnehmungen aufweisen. Des Weiteren kann die Wuchtscheibe alternativ oder zusätzlich ringförmig ausgeführt sein. Ferner ist es denkbar, dass die Wuchtscheibe stoffschlüssig und/oder formschlüssig und/oder kraftschlüssig und/oder mittels wenigstens eines oder mehrerer Halteelementen an beziehungsweise auf der Rotorwelle gehalten und/oder drehfest mit der Rotorwelle verbunden ist.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug, mit wenigstens einem Rotor, welcher mittels eines erfindungsgemäßen Baukastensystems hergestellt ist.
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Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft eine Verwendung einer elektrischen Maschine, deren Rotor mittels des erfindungsgemäßen Baukastensystems hergestellt ist, für einen beziehungsweise in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, welches mittels des Antriebsstrangs, insbesondere mittels der elektrischen Maschine, antreibbar, insbesondere elektrisch antreibbar, ist.
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Ein vierter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kühlen der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:
- 1 eine schematische Längsschnittansicht einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine;
- 2 eine schematische Längsschnittansicht der elektrischen Maschine gemäß einer ersten Bauvariante;
- 3 eine schematische Perspektivansicht eines Rotors der elektrischen Maschine gemäß 2;
- 4 eine schematische Längsschnittansicht der elektrischen Maschine gemäß einer zweiten Bauvariante;
- 5 eine schematische Querschnittsansicht der elektrischen Maschine gemäß der zweiten Bauvariante;
- 6 eine schematische Längsschnittansicht der elektrischen Maschine gemäß einer dritten Bauvariante;
- 7 eine schematische Querschnittsansicht der elektrischen Maschine gemäß der dritten Bauvariante;
- 8 eine schematische Vorderansicht einer Blechlage der elektrischen Maschine;
- 9 eine schematische Vorderansicht einer weiteren Blechlage der elektrischen Maschine; und
- 10 eine schematische Darstellung eines Verfahrens zum Herstellen der elektrischen Maschine.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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1 zeigt in einer schematischen Längsschnittansicht eine elektrische Maschine 10 für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für einen Kraftwagen. Dies bedeutet, dass die elektrische Maschine 10 in einem Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs verwendet werden kann. Das Kraftfahrzeug ist beispielsweise als Hybrid- oder Elektrofahrzeug ausgebildet und mittels der elektrischen Maschine 10 elektrisch antreibbar. Die elektrische Maschine 10 weist einen Stator 12 und einen Rotor 14 auf, welcher von dem Stator 12 antreibbar und dadurch um eine Drehachse 16 relativ zu dem Stator 12 drehbar ist. Der Rotor 14 umfasst wenigstens oder genau eine Rotorwelle 18 sowie ein Blechpaket 20, welches auf der Rotorwelle 18 angeordnet und, insbesondere durch eine Presspassung beziehungsweise durch Aufschrumpfen, drehfest mit der Rotorwelle 18 verbunden ist. Dadurch kann beispielsweise die Rotorwelle 18 über das Blechpaket 20 von dem Stator 12 angetrieben und somit um die Drehachse 16 relativ zu dem Stator 12 gedreht werden.
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Das Blechpaket 20 weist eine Mehrzahl von in axialer Richtung der Rotorwelle 18 und somit des Rotors 14 und der elektrischen Maschine 10 insgesamt aufeinanderfolgend beziehungsweise hintereinander angeordneten Blechlagen 22 auf, welche beispielsweise auch als Lamelle oder Blechlamelle bezeichnet werden. Die jeweilige Blechlage 22 ist beispielsweise einstückig ausgebildet und/oder ein Einzelblech. Die jeweilige Blechlage 22 wird beispielsweise durch Stanzen hergestellt. Daher wird die jeweilige Blechlage 22 beispielsweise auch als Blechzuschnitt bezeichnet. Die in axialer Richtung der elektrischen Maschine 10 aufeinanderfolgend angeordneten Blechlagen 22 sind beispielsweise miteinander verbunden. Dabei ist in 1 die axiale Richtung durch einen Doppelpfeil 24 veranschaulicht. Außerdem veranschaulicht in 1 ein Doppelpfeil 26 die senkrecht zur axialen Richtung verlaufende radiale Richtung der elektrischen Maschine 10 und somit des Rotors 14 und der Rotorwelle 18.
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Um nun eine besonders vorteilhafte Kühlung sowie ein besonders vorteilhaftes Geräuschverhalten der elektrischen Maschine 10 gewährleisten zu können, weist die elektrische Maschine 10 wenigstens oder genau eine separat von der Rotorwelle 18 und separat von dem Blechpaket 20 ausgebildete Spanneinrichtung 28 auf, mittels welcher die Blechlagen 22 in axialer Richtung der Rotorwelle 18 miteinander verspannt sind. Dabei umfasst die Spanneinrichtung 28 wenigstens oder genau zwei in axialer Richtung voneinander beabstandete und auch als Endscheiben oder Spannscheiben bezeichnete Spannplatten 30 und 32, wobei in axialer Richtung zwischen den Spannplatten 30 und 32 das Blechpaket 20 und somit die Blechlagen 22 angeordnet sind. Die Spanneinrichtung 28 umfasst darüber hinaus mehrere, mit den Spannplatten 30 und 32 verbundene und auf Zug belastete Zuganker 34, mittels welchen die Spannplatten 30 und 32 unter Vermittlung der entlang der axialen Richtung zwischen den Spannplatten 30 und 32 angeordneten Blechlagen 22 entlang der axialen Richtung miteinander verspannt und dabei zusammengepresst beziehungsweise aneinandergepresst sind. Hierdurch können übermäßige Verformungen und daraus resultierende Schwingungen und Geräusche der elektrischen Maschine 10 vermieden werden. Außerdem kann dadurch das Blechpaket 20, dessen Blechlagen 22 beispielsweise eine Beschichtung, insbesondere eine Phosphatierungsschicht, aufweisen, dicht für ein beispielsweise als Flüssigkeit ausgebildetes Kühlmittel ausgebildet werden, sodass das Kühlmittel definiert und gezielt geführt werden kann. Hierdurch kann eine effektive Kühlung gewährleistet werden.
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In 1 veranschaulichen Pfeile das Kühlmittel beziehungsweise dessen Strömung durch die elektrische Maschine 10, insbesondere durch den Rotor 14 und dabei durch die Rotorwelle 18 und das Blechpaket 20. Hierzu weist die Rotorwelle 18 wenigstens einen beispielsweise zentralen, von dem Kühlmittel durchströmbaren Kühlkanal 36 auf. Außerdem verlaufen innerhalb des Blechpakets 20 mehrere Kühlkanäle 38, welche zumindest mittelbar fluidisch mit dem Kühlkanal 36 verbunden sind. Dadurch kann das den Kühlkanal 36 durchströmende Kühlmittel aus dem Kühlkanal 36 in die Kühlkanäle 38 strömen und die Kühlkanäle 38 durchströmen. Zumindest einer der Kühlkanäle 38 ist beispielsweise direkt durch das Blechpaket 20 beziehungsweise durch die Blechlagen 22 und/oder durch die Phosphatierungsschicht begrenzt. Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, dass zumindest einer der Kühlkanäle 38 zumindest teilweise direkt durch wenigstens einen der Zuganker 34 begrenzt ist. Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, dass zumindest einer der Kühlkanäle 38 zumindest teilweise durch wenigstens eine der Spannplatten 30 und 32 zumindest teilweise begrenzt ist. Somit kann beispielsweise das Kühlmittel die wenigstens eine Spannplatte 30 beziehungsweise 32 durchströmen, sodass der jeweiligen Spannplatte 30 beziehungsweise 32 eine Leitfunktion zum Führen und Leiten des Kühlmittels zukommt.
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Da sich die Spannplatten 30 und 32 beziehungsweise die Spanneinrichtung 28 insgesamt mit der Rotorwelle 18 mitdrehen, wird beispielsweise das Kühlmittel, welches von den Kühlkanälen 38, insbesondere in axialer Richtung, aus dem Blechpaket 20 austritt und/oder Kühlmittel, welches von den Kühlkanälen 38 zumindest ein Bauelement der Spanneinrichtung 28 durchströmt und dann aus der Spanneinrichtung 28, insbesondere aus der jeweiligen Spannplatte 30 beziehungsweise 32, insbesondere in axialer Richtung, austritt, unter Eiwirkung von Fliehkräften in radialer Richtung nach außen und dabei in Richtung von Wickelköpfen 40 des Stators 12 abgespritzt. Insbesondere wird das Kühlmittel von der Spanneinrichtung 28 und/oder von dem Blechpaket 20 in radialer Richtung nach außen abgespritzt. Dadurch werden die Wickelköpfe 40 direkt mit dem Kühlmittel benetzt, sodass eine direkte Kühlung der Wickelköpfe 40 realisiert ist. Außerdem kann das Kühlmittel durch das Blechpaket 20 hindurchströmen, wodurch das Blechpaket 20 effektiv gekühlt werden kann.
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Aus 1 ist ferner erkennbar, dass das Kühlmittel beispielsweise in axialer Richtung der Rotorwelle 18 durch diese hindurchströmt. Außerdem strömt das Kühlmittel beispielsweise in axialer Richtung durch den jeweiligen Kühlkanal 38. Von dem Kühlkanal 36 zu dem jeweiligen Kühlkanal 38 strömt das Kühlmittel beispielsweise in radialer Richtung und/oder schräg dazu.
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Anhand von 1 bis 10 wird im Folgenden beschrieben, dass unterschiedliche Bauvarianten des Rotors 12 und somit der elektrischen Maschine 10 auf besonders einfache und somit kostengünstige Weise hergestellt werden können. Die Spanneinrichtung 28 kommt dabei bauvariantenübergreifend und somit bei jeder Bauvariante zum Einsatz. Dabei ist ein Baukastensystem vorgesehen, welches mehrere, bauvariantenspezifische Baueinheiten, welche auch als Einbaueinheiten bezeichneten werden, umfasst. Die bauvariantenspezifischen Baueinheiten sind dabei separat von der Rotorwelle 18, separat von dem Blechpaket 20 und separat voneinander ausgebildet und zum Herstellen der jeweiligen Bauvariante wahlweise auf der Rotorwelle 18 und in einer Aufnahme 21 des Blechpakets 20 und dadurch innerhalb des Blechpakets 20 anordenbar.
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2 zeigt eine erste der Bauvarianten des Rotors 18 und somit der elektrischen Maschine 10. Wie aus 2 besonders gut erkennbar ist, ist der jeweilige Zuganker 34 beispielsweise als Dehnschraube 42 ausgebildet. Außerdem durchdringt der jeweilige Zuganker 34 das Blechpaket in axialer Richtung vollständig und ragt an beiden axialen Enden 44 und 46 des Blechpakets 20 aus diesem heraus. Dabei sind auf jeweilige Außengewinde der Dehnschraube 42 jeweils korrespondierende Schraubelemente in Form von Muttern 48 aufgeschraubt. Die Muttern 48 sind in axialer Richtung gegen das Blechpaket 20 gespannt, wodurch die Blechlagen 22 miteinander verspannt und dadurch zusammengepresst sind. Bei der zweiten Bauvariante bilden somit die Muttern 48 die Spannplatten 32. Mit anderen Worten sind bei der zweiten Bauvariante die Spannplatten 32 als die Muttern 48 ausgebildet.
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Außerdem ist aus 2 eine Passverbindung 50 zwischen der Rotorwelle 18 und dem Blechpaket 20 erkennbar, wobei die Rotorwelle 18 mittels der Passverbindung 50 drehfest mit dem Blechpaket 20 verbunden ist. Des Weiteren ist aus 2 erkennbar, dass das Blechpaket 20 Teilpakete 52 aufweisen kann, welche beispielsweise jeweils für sich betrachtet separat voneinander ausgebildete und in axialer Richtung aufeinanderfolgende Bauelemente sind. Beispielweise ist die Rotorwelle 18 mittels einer Welle-Nabe-Verbindung und dabei vorzugsweise drehfest mit dem Blechpaket 20 verbunden.
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Die elektrische Maschine 10 ist beispielsweise als permanenterregte Synchronmaschine ausgebildet. Die elektrische Maschine 10 weist hierbei Magnete 54 auf, welche beispielsweise als Permanentmagnete ausgebildet sind. Der jeweilige Magnet 54 ist in einer korrespondierenden, auch als Tasche oder Magnettasche bezeichneten Aufnahme 56 des Blechpakets 20 aufgenommen und an dem Blechpaket 20 gehalten.
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Insbesondere ist es denkbar, dass wenigstens eine der Spannplatten 30 und 32 als eine Schleuderscheibe ausgebildet ist, welche sich in axialer Richtung an das Blechpaket 20 anschließt und drehfest mit der Rotorwelle 18 verbunden ist. Mittels der Schleuderscheibe kann Kühlmittel, welches, insbesondere in axialer Richtung, aus dem Blechpaket 20 austritt und gegebenenfalls die Schleuderscheibe durchströmt, in radialer Richtung nach außen geschleudert und dadurch von der Schleuderscheibe abgespritzt werden, insbesondere in Richtung des jeweiligen Wickelkopfs 40. Das abgeschleuderte Kühlmittel kann auf den jeweiligen Wickelkopf 40 auftreffen und diesen somit direkt an- und umströmen und somit direkt berühren. Dadurch können die Wickelköpfe 40 effektiv und effizient gekühlt werden.
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Eine erste der Baueinheiten ist als ein Führungselement 58 ausgebildet, sodass die erste Bauvariante der elektrischen Maschine 10 das in der Aufnahme 21 und somit innerhalb des Blechpaktes 20 angeordnete, drehfest mit der Rotorwelle 18 verbundene und auf der Rotorwelle 18 angeordnete sowie separat von dem Blechpaket 20 und separat von der Rotorwelle 18 ausgebildete Führungselement 58 aufweist, welches wenigstens einen von dem Kühlmittel durchströmbaren Kühlkanal 60 aufweist. Der Kühlkanal 60 ist beispielsweise als eine Bohrung ausgebildet. Der Kühlkanal 60 ist einerseits mit dem jeweiligen, innerhalb des Blechpakets 20 verbundenen Kühlkanal 38 und andererseits mit dem innerhalb der Rotorwelle 18 verlaufenden Kühlkanal 36 fluidisch verbunden, sodass die Kühlkanäle 38 über den Kühlkanal 60 fluidisch mit dem Kühlkanal 36 verbunden sind. Dadurch wird das zunächst die Rotorwelle 18 in axialer Richtung durchströmende Kühlmittel zu dem Führungselement 58 und in dessen Kühlkanal 60 eingeleitet. Mittels des Kühlkanals 60 wird das Kühlmittel in radialer Richtung nach außen zu dem jeweiligen Kühlkanal 38 geführt und in diesen eingeleitet. In der Folge kann das Kühlmittel den Kühlkanal 38 in axialer durchströmen und dann beispielsweise an dem jeweiligen axialen Ende 44 beziehungsweise 46 aus dem Blechpaket 20 ausströmen und dann entweder gleich in radialer Richtung nach außen geschleudert werden, oder die Schleuderscheibe beziehungsweise die Spannplatte 30 beziehungsweise 32 durchströmen und von dieser in radialer Richtung nach außen abgeschleudert werden.
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3 zeigt eine schematische Perspektivansicht des Rotors 14. Besonders gut aus 3 erkennbar sind die einzelnen Teilpakete 52 des Blechpakets 20. Ferner besonders gut erkennbar sind die innerhalb des Blechpakets 20 verlaufenden Kühlkanäle 38, die Zuganker 34, die Rotorwelle 18 und die Teilpakete 52. 4 zeigt eine zweite der Bauvarianten des Rotors 18 und somit der elektrischen Maschine 10. Dabei ist eine zweite der Baueinheiten als ein in der Aufnahme 21 und somit innerhalb des Blechpaktes 20 angeordnetes und drehfest mit der Rotorwelle 18 verbundenes Radialpumpenrad 62 ausgebildet, welches auch als Laufrad oder Radialpumpenlaufrad bezeichnet wird. Wird das Radialpumpenrad 32 gedreht, was dadurch erfolgt, wenn die Rotorwelle 18 um die Drehachse 16 relativ zu dem Stator 12 gedreht wird, so wird dadurch das Kühlmittel, insbesondere durch den Kühlkanal 36 und entlang wenigstens eines oder mehrerer, von dem Kühlmittel durchströmbarer Kühlkanäle 64 des Radialpumpenrads 62, gefördert. Insbesondere wird das Kühlmittel mittels des Radialpumpenrads 62 in radialer Richtung nach außen gefördert, insbesondere in Richtung des jeweiligen Kühlkanals 38. Das Kühlmittel strömt somit beispielsweise zunächst durch den Kühlkanal 36 und dann entlang des Radialpumpenrads 62, insbesondere durch den Kühlkanal 64 des Radialpumpenrads 62, wobei das Kühlmittel in axialer Richtung durch den Kühlkanal 36 und in radialer Richtung entlang des Radialpumpenrads 62, insbesondere durch den Kühlkanal 64, strömt. Hierdurch wird das Kühlmittel zu dem und in den jeweiligen Kühlkanal 38 gefördert. Vorzugsweise wird das Kühlmittel auch durch den jeweiligen Kühlkanal 38 gefördert, wobei das Kühlmittel den jeweiligen Kühlkanal 38 in axialer Richtung durchströmt. Das Radialpumpenrad 62 kann beispielsweise als das Führungselement 58 ausgebildet sein.
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Wie besonders gut aus 4 erkennbar ist, umfasst der Kühlkanal 36 einen ersten Längenbereich L1, welcher sich in axialer Richtung der Rotorwelle 18 innerhalb dieser erstreckt. Außerdem umfasst der Kühlkanal 36 einen schräg oder vorzugsweise senkrecht zu dem Längenbereich L1 verlaufenden und fluidisch mit dem Längenbereich L1 verbundenen zweiten Längenbereich L2, welcher vorliegend in radialer Richtung der Rotorwelle 18 verläuft. Das Kühlmittel kann dabei durch die Längenbereiche L1 und L2 hindurchströmen und wird mittels der Längenbereiche L1 und L2 durch die Rotorwelle 18 und dabei zu dem Führungselement 58 beziehungsweise zu dem Radialpumpenrad 62 geführt. Das Kühlmittel kann beispielsweise in radialer Richtung aus dem Längenbereich L2 ausströmen und das Radialpumpenrad 62 anströmen beziehungsweise in den Kühlkanal 64 einströmen und diesen durchströmen. Somit ist es insbesondere denkbar, dass das Kühlmittel dann, wenn das Radialpumpenrad 62 gedreht wird, in radialer Richtung das Radialpumpenrad 62 anströmt, in radialer Richtung entlang des Radialpumpenrads 62 strömt und in radialer Richtung von dem Radialpumpenrad 62 abströmt. Hierdurch kann eine gezielte und definierte Führung beziehungsweise Förderung des Kühlmittels gewährleistet werden.
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Das Radialpumpenrad 62 ist besonders gut aus 5 erkennbar. 5 veranschaulicht besonders gut jeweilige Laufradschaufeln 66 des Radialpumpenrads 62.
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6 und 7 zeigen eine dritte Bauvariante des Rotors 18 und somit der elektrischen Maschine 10. Eine dritte der Baueinheiten ist als ein in der Aufnahme 21 des Blechpakets 20 und somit innerhalb des Blechpakets 20 angeordneter und drehfest mit der Rotorwelle 18 verbundener Schwingungstilger 67 ausgebildet, mittels welchem Schwingungen des Rotors 14 getilgt, das heißt gedämpft werden können. Hierzu umfasst der Schwingungstilger 67 - wie besonders gut in Zusammenschau mit 7 erkennbar ist - wenigstens oder genau eine beispielsweise aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere aus einem Stahl, gebildete Tilgermasse 68 und wenigstens ein elastisch verformbares Element 70, welches mit der Tilgermasse 68 verbunden ist. Das Element 70 ist beispielsweise aus einem elastisch verformbaren Werkstoff, insbesondere als Gummi, ausgebildet, sodass das Element 70 ein gummielastisches Element sein kann. Das Element 70 ist beispielsweise einerseits mit der Tilgermasse 68 und andererseits mit einem Halteelement 72 des Schwingungstilgers 67 verbunden, wobei die Tilgermasse 68, das Element 70 und das Halteelement 72 als separat voneinander ausgebildete und miteinander verbundene Komponenten ausgebildet sind. Beispielsweise ist das Element 70 auf die Tilgermasse 68 und auf das Halteelement 72 aufvulkanisiert, das heißt durch Vulkanisieren mit der Tilgermasse 68 und mit dem Halteelement 72 verbunden. Dabei ist das Halteelement 72 drehfest mit der Rotorwelle 18 verbunden.
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Das Element 70 ist zum Tilgen von Schwingungen des Rotors 14 durch Relativbewegungen zwischen der Tilgermasse 68 und der Rotorwelle 18 und/oder durch Relativbewegungen zwischen der Tilgermasse 68 und dem Blechpaket 20 elastisch verformbar. Durch eine solche elastische Verformung des Elements 70 wird Schwingungsenergie in Verformungsenergie umgewandelt, wodurch Schwingungen gedämpft werden.
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Aus 1 bis 7 ist erkennbar, dass das Führungselement 58, das Radialpumpenrad 62 und der Schwingungstilger 67 jeweilige Einbaueinheiten sind, welche innerhalb des Blechpakets 20 angeordnet sein können. Dabei zeigt 8 in einer schematischen Vorderansicht eine der Blechlagen 22, die im Bereich der jeweiligen Einbaueinheit angeordnet sind, das heißt die die jeweilige Einbaueinheit in radialer Richtung nach außen hin überdecken. Dabei ist in 8 mit AD ein jeweiliger Außendurchmesser der jeweiligen Einbaueinheit gezeigt. Die in 8 gezeigte Blechlage 22 weist somit eine Durchgangsöffnung 74 auf, in welcher zumindest ein Teilbereich der jeweiligen Einbaueinheit aufnehmbar beziehungsweise aufgenommen ist. Außerdem ist in der Durchgangsöffnung 74 zumindest ein Längenbereich der Rotorwelle 18 aufnehmbar beziehungsweise aufgenommen.
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Demgegenüber zeigt 9 in einer schematischen Vorderansicht eine der Blechlagen 22, die sich in axialer Richtung an die jeweilige Einbaueinheit anschließen. Dabei ist eine Durchgangsöffnung 76 vorgesehen, in welcher bezogen auf die jeweilige Einbaueinheit und die Rotorwelle 18 lediglich die Rotorwelle 18 beziehungsweise ein Längenbereich der Rotorwelle aufnehmbar oder aufgenommen ist. Daher weist die Durchgangsöffnung 76 einen geringeren Innendurchmesser als die Durchgangsöffnung 74 auf. Die jeweilige Durchgangsöffnung 74 beziehungsweise 76 ist beispielsweise als eine Bohrung ausgebildet. Außerdem sind aus 8 und 9 jeweilige, beispielsweise als Bohrungen ausgebildete Durchgangsöffnungen 78 erkennbar, in denen der jeweilige Zuganker 34 aufgenommen ist. Dies bedeutet, dass die Durchgangsöffnungen 78 von den Zugankern 34 durchdrungen sind. Außerdem sind aus 8 und 9 die Taschen (Aufnahmen 56) erkennbar, welche auch als Haltetaschen oder Magnethaltetaschen bezeichnet werden. Dabei sind die Magnete 54 in den Taschen angeordnet.
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Schließlich zeigt 10 in einer schematischen Darstellung ein Verfahren zum Herstellen der elektrischen Maschine 10. Die jeweiligen, auch als Teilblechpakete bezeichneten Teilpakete 52 werden in axialer Richtung der Rotorwelle 18 aufeinandergestapelt und dabei auf die Rotorwelle 18 und beispielsweise auf die Zuganker 34 aufgefädelt, derart, dass die Rotorwelle 18 und die Zuganker 34 durch die jeweiligen Teilpakete 52 hindurchgesteckt werden. Außerdem wird die jeweilige, in 10 mit 80 bezeichnete Einbaueinheit auf die Rotorwelle 18 aufgefädelt, woraufhin wenigstens eines oder mehrere, weitere Teilpakete 52 auf die Einbaueinheit 80 aufgefädelt werden. Schließlich werden die Teilpakete 52 aufeinandergestapelt, woraufhin die Zuganker 34 gespannt werden, um so das Blechpaket 20 in axialer Richtung zu verspannen.
