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Die Erfindung betrifft eine Rotorwellenanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Rotorwellen für rotierende elektrische Maschinen, d. h. für Elektromotoren oder Elektrogeneratoren können als Hohlwellen oder Vollwellen ausgeführt sein. Während des Betriebs der elektrischen Maschine entsteht Wärme, die abgeführt werden muss, um die thermischen Belastungen zu reduzieren. Eine passive Kühlung erfolgt über thermisch leitenden Kontakt mit weiteren Konstruktionsteilen, wie bspw. der Wellenlagerung. Eine aktive Kühlung mittels Luft oder Flüssigkeit ist ebenfalls möglich. Rotorwellen können als fluidführende Hohlwellen von innen mit einer Kühlflüssigkeit gekühlt werden.
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Die gattungsgemäße
DE 11 2015 001 275 T5 offenbart eine Antriebsvorrichtung, bei der die innere Umfangsfläche einer Rotorwelle unter Verwendung eines Kühlöls gekühlt werden kann. In der Antriebsvorrichtung sind äußere Eingriffsbereiche, die eine Mehrzahl von Eingriffsrillen aufweisen, die sich parallel zueinander in der axialen Richtung erstrecken, auf mindestens einem Teil einer Region einer inneren Umfangsfläche einer Rotorwelle gebildet, die einen Rotorkern in radialer Richtung gesehen überlappt. Innere Eingriffsbereiche, die eine Mehrzahl von Eingriffsrillen aufweisen, die sich in der axialen Richtung parallel zueinander erstrecken, und die in die äußeren Eingriffsbereiche eingreifen können, sind auf einer äußeren Umfangsfläche einer Leistungsübertragungswelle gebildet. Zwischen den Eingriffsrillen verbleiben Stege, wobei das Spiel so groß gewählt worden ist, dass oberhalb und unterhalb der Stege das Kühlöl durchgeleitet werden kann.
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Die
DE 100 51 239 A1 offenbart einen nasslaufenden Permanentmagnet-Rotor zum Antrieb einer Kreiselpumpe mit zumindest einem im Permanentmagnet-Rotor angeordneten, durchgehenden Strömungskanal, der zwischen einer einem pumpenraumabgewandten Seite und einer dem Pumpenraum zugewandten Seite angeordnet ist, wobei der zumindest eine Strömungskanal einen Eingang aufweist, dessen Abstand zu einer Drehachse des Permanentmagnet-Rotors geringer ist als der Abstand zwischen einem Ausgang des Strömungskanals und der Drehachse. Der Permanentmagnet-Rotor besitzt ein erstes Nabenteil mit einer Außen-Begrenzungsfläche, das von einem hohlen zweiten Nabenteil mit einer Innen-Begrenzungsfläche umgeben ist, wobei die Begrenzungsflächen beider Nabenteile Strömungskanalkonturen enthalten, die zusammen den zumindest einen durchgehenden Strömungskanal mit einer Strömungskanalkontur bilden.
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Die
DE 10 2016 210 993 A1 offenbart einen Rotor für eine elektrische Asynchronmaschine. Es wird offenbart, dass verschiedene Profilwellenverbindungen zum Einsatz kommen können, insbesondere schwalbenschwanzförmige Wellenverbindungen. Weitere Wellenverbindungen sind dem Fachmann aus STEINHILPER, W.; SAUER, B. (Hrsg.): Konstruktionselemente des Maschinenbaus 1: Grundlagen der Berechnung und Gestaltung von Maschinenelementen. 6., vollständige neu bearb. Aufl. Berlin [u.a.]: Springer, 2006. S. 510-536. - ISBN 3-540-22033-X bekannt.
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Hinsichtlich der Herstellung von profilierten Wellen wird zum technologischen Hintergrund auf die Literatur verwiesen (TSCHÄTSCH, Heinz; DIETRICH, Jochen: Praxis der Umformtechnik - Arbeitsverfahren, Maschinen, Werkzeuge. 7., verb. und erw. Aufl. Wiesbaden: Springer, 2003. Titelseite + Inhaltsverzeichnis + S. 105-108. - ISBN 978-3-663-11134-4.
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Schließlich wird noch auch auf die
DE 10 2009 051 114 A1 hingewiesen, die eine elektrische Maschine offenbart, wobei der Rotor der Maschine eine Hohlwelle aufweist und zur Aufnahme eines Kältemittels vorgesehen ist. In dem Hohlraum des Rotors ist eine dreidimensionale Transportstruktur zum Transport des Kältemittels ausgebildet.
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Die
JP 2014-064 433 A offenbart ebenfalls einen Rotor einer elektrischen Maschine mit einer hohlen Rotorwelle. Die innere Struktur ist dafür vorgesehen, ein Kühlmittel in Längsrichtung des Rotors zu transportieren.
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In der
DE 10 2016 202 416 A1 wird beschrieben, dass Rotorwellen von innen gekühlt werden, indem ein sogenannter Kühlkörper verdrehfest mit der als Hohlwelle ausgeführten Rotorwelle verbunden wird. Zusätzlich kann die Rotorwelle Innenstege besitzen, um die Oberfläche zu vergrößern und um die Kühlung zu verbessern. Ein zusätzlicher Kühlkörper kann Rippen und Durchgangsöffnungen, z. B. in Schraubenform aufweisen, um das Kühlfluid durch die Drehung der Rotorwelle in Axialrichtung zu fördern. Die Kühlrippen können endseitig verbreitert sein, sodass möglichst viel Wärme von der Hohlwelle auf den Kühlkörper und damit auf das Kühlfluid übertragen wird.
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Der Rotor eines Elektromotors wird mit der Rotorwelle durch eine Pressverbindung, axiale Verspannung oder durch Formschluss verbunden. Wenn das Kühlmedium durch die Innenseite der Rotorwelle geleitet wird, gelangt es zunächst nicht in unmittelbaren Kontakt mit dem zu kühlenden Rotorkörper. Durch die
US 2017 / 0 012 500 A1 zählt es zum Stand der Technik, rotierende elektrische Maschinen zu kühlen, indem durch einen zentralen Kühlkanal in der Rotorwelle ein Kühlfluid geleitet wird, das über sich in Axialrichtung von der Hohlwelle abzweigende Kanäle durch den Rotor hindurchgeleitet wird, bis es in den Spalt zwischen Rotor und Stator gelangt. Axial von dem zentralen Längskanal abzweigende Bohrungen sind aufwendig in der Herstellung.
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Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Rotorwellenanordnung mit einer Rotorwelle und einem Rotor für eine rotierende elektrische Maschine hinsichtlich der Kühlung weiterzuentwickeln.
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Diese Aufgabe ist bei einer Rotorwellenanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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Die erfindungsgemäße Rotorwellenanordnung bezieht sich auf eine rotierende elektrische Maschine. Es kann sich bei der rotierenden elektrischen Maschine um einen Motor oder Generator handeln. Der Rotor ist auf der Rotorwelle angeordnet. Der Rotor umfasst ein Blechpaket. Wenn im weiteren Verlauf der Beschreibung von einem Rotor gesprochen wird, ist vor allem dieses Blechpaket gemeint. Die Rotorwelle ist eine Hohlwelle. Sie besitzt einen inneren Kanal. In den inneren Kanal kann ein Kühlmittel eingeleitet werden. Zusätzlich ist an der Außenseite der Rotorwelle eine Außenverzahnung angeordnet, über welche die Rotorwelle in drehfesten Eingriff mit einer Innenverzahnung des Rotors steht. Die Verbindung ist mindestens formschlüssig, d. h., dass zusätzlich eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Rotor und der Rotorwelle vorgesehen sein kann.
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Zwischen der Außenverzahnung der Rotorwelle und der Innenverzahnung des Rotors ist wenigstens ein äußerer Kanal zur Einleitung eines Kühlmittels ausgebildet.
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Dieser wenigstens eine zusätzliche Kanal dient dazu, dass Kühlmittel unmittelbar mit dem Rotor in Kontakt zu bringen, um ihn besser zu kühlen. Die Kühlung des Rotors kann daher nicht nur mittelbar über die Rotorwelle erfolgen, sondern über den unmittelbaren Kontakt mit dem Kühlmittel bzw. Kühlfluid. Eine solche Anordnung ermöglicht es, auf axiale Querverbohrungen zu dem ein Kühlmittel führenden inneren Kanal der Rotorwelle zu verzichten. Gleichzeitig wird die Wärmeübertragung zwischen der Rotorwelle und dem Rotor einerseits, sowie mit dem Kühlfluid andererseits verbessert.
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Vorzugsweise sind mehrere derartiger äußerer Kanäle vorgesehen. Zur Vermeidung jeglicher Unwucht sind sie bevorzugt gleichmäßig über den Außenumfang der Rotorwelle verteilt angeordnet.
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Ein äußerer Kanal im Sinne der Erfindung ist nicht jeder Spalt zwischen der Innen- und der Außenverzahnung. Schmale Spalten, wie sie zur Montage der Bauteile erforderlich sind, eigenen sich nicht zur Durchleitung einer zur Kühlung relevanten Menge eines Kühlfluids. Der sogenannte äußere Kanal im Sinne der Erfindung ist ein Kanal, der einen zusätzlichen Querschnitt freigibt, der nicht für die Montage des Rotors auf der Rotorwelle erforderlich ist und insbesondere nicht als etwas größer gewählte Toleranz in Axialrichtung verstanden werden soll. Der äußere Kanal ist ein explizit zur Fluiddurchführung ausgesparter, zusätzlicher Bereich, der ausschließlich der Funktion der Fluideinleitung oder -durchleitung dient.
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Der verdrehfeste Eingriff zwischen Innenverzahnung und Außenverzahnung ist formschlüssig. Der Formschluss im Sinne der Erfindung erfordert jedoch nicht, dass die komplette Innenfläche des Rotors formschlüssig an der kompletten Außenfläche der Rotorwelle anliegt. Es ist bei rotierenden elektrischen Maschinen lediglich erforderlich, Drehmomente von dem Rotor auf die Rotorwelle übertragen zu können, d. h. in Umfangrichtung des Rotors wirkenden Kräfte. Hierfür muss nicht jeder Umfangsbereich des Außenmantel der Rotorwelle an der Kraftübertragung teilhaben. Es werden daher bestimmte Bereiche am Außenumfang zur Anordnung von Kanälen ausgespart. Diese Kanäle können sich im Rotor oder in der Rotorwelle oder auch in beiden der genannten Bauteile befinden. Ein äußerer Kanal in der Rotorwelle ist im Sinne einer Vertiefung in der Außenseite der Rotorwelle zu verstehen. Ein äußerer Kanal in dem Rotor ist im Sinne einer radial inneren Vertiefung im Rotor zu verstehen. Die beiden Vertiefungen können sich gegenüberliegen, um einen entsprechend größeren äußeren Kanal auszubilden.
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Es ist vorgesehen, dass die Anzahl von nach radial innen gerichteten Stegen der Innenverzahnung des Rotors von einer Anzahl der nach radial außen gerichteten Stege der Rotorwelle abweicht. Zum Beispiel können an der Rotorwelle sechs nach außen gerichtete Stege für den verdrehfesten Eingriff vorgesehen sein, die beiderseits der nach außen ragenden Stege mit insgesamt zwölf nach innen gerichteten Stegen des Rotors in Eingriff gelangen. Zwischen diesen insgesamt zwölf Stegen verbleiben dann sechs Freiräume im Rotor, die als äußere Kanäle zu Durchleitung eines Kühlfluids genutzt werden können. Die Erfindung berücksichtigt auch, dass sich die besagten Anzahlen der nach innen und außen gerichteten Stege um mehr als den Faktor 2 unterscheiden können. Es ist auch möglich, dass die Stege voneinander abweichende axiale Höhen aufweisen. Es ist zum Beispiel denkbar, dass in einen äußeren Kanal eine zusätzliche Trennwand angeordnet ist. Diese Trennwand kann als weiterer schmaler Steg aufgefasst werden, sodass der Kontakt des Kühlfluids mit dem Rotor nochmals vergrößert wird. Ein solcher, nur als Trennwand dienender Steg trägt nicht zum verdrehfesten Eingriff bei, sondern dient der Verbesserung der Wärmeübertragung, ohne den äußeren Kanal im Querschnitt wesentlich zu reduzieren. Ein solcher zusätzlicher Steg bzw. eine solche Trennwand kann bspw. auch eine geringere Höhe aufweisen, als diejenigen Stege, die für die drehfeste formschlüssige Verbindung zwischen Innenverzahnung und Außenverzahnung sorgen.
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Es wird als besonders bevorzugt angesehen, wenn der wenigstens eine äußere Kanal in Umfangsrichtung des Rotors versetzt zu zwischen zwei einander benachbarten, nach radial innen gerichteten Stegen der Innenverzahnung des Rotors angeordnet ist. Ein äußerer Kanal der durch Blechbearbeitung einzelner Bleche des Rotorpakets hergestellt wird, lässt sich fertigungstechnisch sehr einfach und sehr präzise erzeugen.
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Alternativ ist ein äußerer Kanal in Umfangsrichtung der Rotorwelle versetzt zu zwischen zwei einander benachbarten, nach radial außen ragenden Stegen der Außenverzahnung angeordnet.
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In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist es denkbar, dass auch an der Außenseite der Rotorwellen nicht nur zur drehfesten Verbindung mit dem Rotor ausgebildete Stege vorhanden sind, sondern zusätzliche Erhebungen, insbesondere Stege, die in einen äußeren Kanal greifen, der im Bereich des Rotors angeordnet ist. Bei dem oben genannten Beispiel würde das heißen, dass anstelle von sechs außenseitigen Stegen an der Rotorwelle bspw. sechs weitere zur Wärmeübertragung ausgebildete Stege angeordnet sind, die frei in den äußeren Kanal ragen und lediglich zur Vergrößerung der Kontaktfläche mit dem Kühlfluid und der Rotorwelle dienen.
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Rotierende elektrische Maschinen weisen oftmals sehr hohe Rotationsgeschwindigkeiten auf. Auch bei hohen Lasten und hohen Rotationsgeschwindigkeiten soll der Formschluss zwischen der Rotorwelle und dem Rotor radiale Verschiebungen verhindern, was durch eine entsprechende Anzahl von miteinander in Eingriff gelangenden Stegen und Vorsprüngen und entsprechende Fertigungsgenauigkeiten erreicht wird. Zusätzlich sollen axiale Kräfte aufgefangen werden, die auf die einzelnen Rotorbleche des Rotors wirken. Hierzu können die miteinander in Eingriff gelangenden Stege der Außenverzahnung oder der Innenverzahnung einen schwalbenschwanzartigen Querschnitt aufweisen. Diese in Radialrichtung hinterschnittenen Querschnitte ermöglichen es, die auftretenden Kräfte aufzufangen. Insbesondere sind die nach radial außen ragenden Stege der Rotorwelle schwalbenschwanzartig im Querschnitt ausgebildet. Die entsprechenden Vertiefungen an der Innenverzahnung des Rotors sind insbesondere gegengleich konfiguriert, sodass über die miteinander in Eingriff gelangenden Verzahnungen nicht nur in Umfangsrichtung der Rotorwelle wirkenden Kräfte, sondern auch axial dazu angreifende Kräfte aufgefangen werden können.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der innere Kanal an einer Einströmöffnung an einem Ende der Rotorwelle angeschlossen. Die Einströmöffnung befindet sich insbesondere am stirnseitigen Ende der Rotorwelle. Der Kanal besitzt vorzugsweise mindestens eine sich in Längsrichtung der Rotorwelle erstreckende, wendelförmig verlaufende Rippe und/oder Vertiefung, um bei Rotation der Rotorwelle ein Kühlfluid in Längsrichtung der Rotorwelle zu befördern. Vorzugsweise wird das Kühlfluid von einem Ende der Rotorwelle zum anderen Ende der Rotorwelle befördert, an welchem sich eine Ausströmöffnung für das Kühlfluid befindet. Die Ausströmöffnung ist insbesondere stirnseitig angeordnet, sodass die Ausströmöffnung und die Einströmöffnung auf einer gemeinsamen Achse liegen.
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Es ist theoretisch möglich, die Außenverzahnung der Rotorwelle in Längsrichtung der Rotorwelle wendelförmig anzuordnen. Dabei kann der innere Kanal glatt oder mit einer Profilierung versehen sein. In jedem Fall ist die Außenseite der Rotorwelle profiliert
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Unabhängig davon, ob die Innen- und/oder Außenseite mit wendelförmig oder mit parallel zur Längsrichtung verlaufenden Stegen oder Vertiefungen versehen ist, muss berücksichtig werden, dass eine Mindestwanddicke der Rotorwelle nicht unterschritten werden sollte. Die jeweilige Steghöhe bzw. Tiefe der Nuten sollten nicht mehr als ein Drittel der maximalen Wanddicke ausmachen. Bei einer innen und gleichzeitig auch außen profilierten Rotorwelle sollte in jeder Querschnittsebene eine minimale Wanddicke vorhanden sein die mindestens ein Drittel der maximalen Wanddicke in dieser Querschnittsebene entspricht. Es ist zu Erreichung dieses Ziels auch möglich, die Profilierungen in Umfangsrichtung zueinander zu versetzen, sodass sich eine innenseitige Nut nicht unmittelbar gegenüberliegend einer radial äußeren Nut befindet. Vorzugweise sind die inneren und äußeren Nuten in Umfangsrichtung gleichmäßig zueinander versetzt angeordnet.
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Die Rotorwelle ist insbesondere durch ein ein- oder mehrstufiges Rohrziehverfahren hergestellt, bei welchem ein geeigneter Dorn in dem zu ziehenden Rohr angeordnet wird, um die gewünschte Innenprofilierung herzustellen, die zu einer Oberflächenvergrößerung durch das Ausbilden von Stegen bzw. Vertiefungen und gleichzeitig ggf. zu einem wendelförmigen Verlauf der Innenprofilierung führt. Durch die Verwendung entsprechender Matrizen ist auch eine Außenprofilierung herstellbar. Die Erfindung schließt ein, dass die entsprechenden Profilierungen insbesondere im Außenbereich durch materialabhebende Bearbeitung hergestellt sind.
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Eine solche Rotorwelle kann aus einem Baustahl, Vergütungsstahl oder aus einem lufthärtenden Stahl hergestellt sein, wie z. B. mit 0,17-2 C, 0,5-0,7 Si, 2-2,3 Mn, max 0,015 P, max 0,003 S, 1,3-1,5 Cr, 0,17-0,3 Mo, max 0,2 Ni, max 0,22 Cu, max 0,02 Sn, 0,03-0,05 Al, 0,06-0,1 V, 0,04-0,06 Ti, max 0,014 N, 0,0015-0,0025 B (alle Angaben in Gew.-%), wie z. B. aus 18MnCrSiMo8-6-2-2.
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Die Rotorwelle besteht bevorzugt aus einer Stahllegierung mit einer überwiegend bainitischen Gefügestruktur die neben Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen in Masse-% folgende Elemente aufweist:
- 0,08 bis 0,21 C, bevorzugt 0,15 bis 0,20 C,
- 0,50 bis 0,90 Si, bevorzugt 0,50 bis 0,80 Si,
- 1,8 bis 2,5 Mn, bevorzugt 2,0 bis 2,3 Mn,
- max. 0,015 P,
- max. 0,003 S,
- 0,5 bis 1,5 Cr, bevorzugt 1,2 bis 1,5 Cr,
- 0,01 bis 0,5 Mo, bevorzugt 0,15 bis 0,30 Mo,
- max. 0,40 Ni,
- max. 0,25 Cu,
- max. 0,05 Sn,
- 0,02 bis 0,06 Al,
- max. 0,10 V, bevorzugt 0,05 bis 0,10 V,
- max. 0,08 Ti, bevorzugt 0,03 bis 0,07 Ti,
- max. 0,015 N,
- max. 0,003 B, bevorzugt 0,001 bis 0,0025 B.
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Bei der erfindungsgemäßen Legierung wird durch das Vorliegen von Kohlenstoff in dem beanspruchten Bereich eine Aufhärtung des Werkstoffes gewährleistet. Ist der Kohlenstoffgehalt zu gering, das heißt liegt dieser insbesondere unterhalb von 0,08%, ist die Festigkeit der Legierung zu gering. Ist der Kohlenstoffgehalt hingegen zu hoch, das heißt liegt dieser über 0,22 Gew.%, ist die Schweißeignung des Werkstoffes und damit des Bauteils, das aus dem Werkstoff hergestellt ist, beeinträchtigt. Mit dem erfindungsgemäß enthaltenen Kohlenstoff kann eine Festigkeit des Werkstoffes erzielt werden, bei der die Zugabe von teuren Legierungselementen, wie beispielsweise Molybdän zur Festigkeitssteigerung, entfallen kann oder aber zumindest bereits geringe Mengen dieser Legierungselemente ausreichen.
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Mangan ist erfindungsgemäß in einer Menge von 1,8 - 2,5 Gew.% in der Legierung enthalten. Durch die Zugabe von Mangan wird die Durchhärtbarkeit des Werkstoffes erhöht und dadurch wird eine Erhöhung der Festigkeit erzielt. Durch die Zugabe von Mangan in der angegebenen Menge werden lufthärtende Eigenschaften des Werkstoffes erzielt. Weiterhin trägt Mangan zur Erhöhung der Festigkeit durch Mischristallverfestigung, die auch als Solid Solution Strengthening bezeichnet wird, bei.
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Chrom liegt erfindungsgemäß in Mengen im Bereich von 0,5 bis zu 1,5 Gew.%, vor. Hierdurch wird zum einen die Erhöhung der Durchhärtbarkeit des Werkstoffes und dadurch Erhöhung der Festigkeit erzielt. Zum anderen werden durch die Zugabe von Chrom in der angegebenen Menge lufthärtende Eigenschaften erzielt. Die Menge von Chrom ist erfindungsgemäß auf maximal 1,5 Gew.% beschränkt. Bei einem höheren Chromgehalt kann es zur Ausscheidung von Chromcarbiden und dadurch zu einer Verschlechterung der Schweißeinung kommen.
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Silizium liegt erfindungsgemäß in einer Menge von 0,5 - 0,9 Gew.% vor. Durch die Zugabe von Silizium in diesem Bereich kommt es bei der erfindungsgemäßen Legierung zu einer Erhöhung der Festigkeit durch Mischristallverfestigung. Zudem wird auch durch Silizium eine Erhöhung der Durchhärtbarkeit des Werkstoffes und dadurch Erhöhung der Festigkeit erzielt. Die Wirkung von Silizium ist hierbei allerdings schwächer als von Chrom oder Mangan. Daher sind erfindungsgemäß mindestens 0,5 Gew.% Silizium in der Legierung enthalten. Ist der Siliziumgehalt zu hoch, entstehen vermehrt Seigerungen und damit verbunden die Gefahr von Rissen während der Aushärtung oder Kaltverarbeitung. Der Siliziumgehalt liegt daher bei der erfindungsgemäßen Legierung bei maximal 0,9 Gew.%.
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Bor ist erfindungsgemäß bevorzugt in einem Bereich von 0,001 - 0,0025 Gew.% in der Legierung enthalten. Hierdurch wird die Erhöhung der Durchhärtbarkeit des Werkstoffes weiter gesteigert.
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Vanadium liegt erfindungsgemäß bevorzugt in Mengen von mindestens 0,05 Gew.% vor. Durch die Zugabe von Vanadium in diesen Mengen kann die erfindungsgemäß angestrebte Anlassbeständigkeit gewährleistet werden. Zudem wird eine Verschlechterung der mechanischen Kennwerte, insbesondere der Festigkeits- und Verformungskennwerte, nach thermischer Beanspruchung durch Bildung von Vanadiumkarbonitriden reduziert. Zudem wird durch die gezielte Zugabe von Vanadium die Lufthärtbarkeit der Legierung unterstützt.
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Titan ist genau wie Bor bevorzugt enthalten, und zwar ist in einer Menge im Bereich von 0,03 - 0,07 Gew.%. Durch die Zugabe von Titan kann gegebenenfalls in der Legierung vorliegender Stickstoff, der beispielsweise bei Verzicht auf eine Vakuumentgasung in der Legierung vorliegen kann, abgebunden werden. Somit wird die Bildung von Bornitriden verhindert und die Wirkung von Bor, insbesondere die härtbarkeitssteigernde Wirkung, kann genutzt werden.
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Molybdän ist erfindungsgemäß optional enthalten. Sofern eine Zugabe erfolgt, liegt der Molybdängehalt in der Legierung vorzugsweise nicht über 0,5%. Durch die Zugabe von Molybdän kann die Durchhärtbarkeit des Werkstoffes weiter gesteigert werden und dadurch auch die Erhöhung der Festigkeit verbessert werden. Zudem kann durch Molybdän, wie auch durch Vanadium, die Anlassbeständigkeit verbessert werden. Schließlich bewirkt Molybdän eine Reduzierung der Neigung zur Versprödung bei der thermischen Beanspruchung, die auch als Tempering Embrittlement bezeichnet wird. Sofern Molybdän in der Legierung enthalten ist, liegt der Molybdängehalt vorzugsweise im Bereich von 0,15 - 0,3 Gew.%.
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Mit den Legierungslementen in den bevorzugten Intervallen lassen sich Zugfestigkeiten von über 1100 MPa und anderenfalls von mindestens 850 MPa erreichen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in rein schematischen Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt:
- 1 Eine perspektivische Darstellung einer Rotorwellenanordnung;
- 2 eine Rotorwelle im Querschnitt;
- 3 einen Rotor im Querschnitt,
- 4 den Rotor der 3 auf der Rotorwelle gemäß 2 in einer stirnseitigen Ansicht;
- 5 einen Längsschnitt durch eine erste Rotorwellenanordnung und
- 6 einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform einer Rotorwellenanordnung.
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Die 1 bis 4 zeigen eine erste Ausführungsform einer Rotorwellenanordnung 1. Die Rotorwellenanordnung 1 ist Bestandteil einer rotierenden elektrischen Maschine. Die 1 zeigt nur die grundsätzliche Anordnung der Rotorwelle 3 in dem als Blechpaket ausgebildeten Rotor 2. Auf die Darstellung der einzelnen, geschichteten Bleche wurde verzichtet. Die Enden der Rotorwelle 3 sind hier lediglich zu Veranschaulichung mit einer außenseitigen Profilierung dargestellt. Im praktischen Einsatz schließen sich an die profilierten Bereiche der Rotorwelle 3 Lagerabschnitte an, über welche die Rotorwelle 3 gelagert ist.
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Die 2 zeigt eine Querschnittdarstellung durch die Rotorwelle 3 der 1. Es handelt sich um eine Hohlwelle. Sie besitzt einen inneren Kanal 4. Er dient bevorzugt zur Einleitung eines Kühlfluids K (5). Das Kühlfluid K dient dazu, Wärme von der Rotorwelle 3 abzuleiten.
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Eine Außenseite 5 der Rotorwelle 3 ist profiliert. Es handelt sich um eine Außenverzahnung 6 mit mehreren gleichmäßig über den Umfang verteilten Stegen 7, die in Radialrichtung vorstehen. Sie haben einen schwalbenschanzförmigen Querschnitt. Das bedeutet, dass ihre radial äußeren Enden in Umfangsrichtung betrachtet breiter sind als ihre radial inneren Enden. Zwischen zwei benachbarten Stegen 7 befindet sich jeweils eine Vertiefung 8. Die Vertiefung 8 ist deutlich breiter als der jeweils benachbarte Steg 7. Durch den Wechsel von Stegen 7 und Vertiefungen 8 wird die besagte Außenverzahnung 6 gebildet. Die Außenverzahnung 6 ist so ausgebildet, dass sie zu einer Innenverzahnung 9 des Rotors 2 passt, wie sie in 3 dargestellt ist. Dementsprechend weist die Innenverzahnung 9 schwalbenschwanzartige Vertiefungen 10 auf, die zu den schwalbenschwanzartigen Stegen 7 passen.
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Die 4 zeigt die Zusammenbausituation. Die Stege 7 fassen in die jeweiligen schwalbenschwanzförmigen Nuten 10 und füllen diese aus. Für die Montage wird der Rotor 2 in Längsrichtung der Rotorwelle 3 auf die Rotorwelle 3 geschoben, bis die gewünschte Position erreicht ist. Die 4 zeigt ferner, dass jedem der schwalbenschwanzförmigen Stege 7 des Rotors 3 zwei nach radial innen gerichtete Stege 11, 12 benachbart sind. Zwischen diesen beiden Stegen 11, 12 ist der jeweilige Steg 7 der Rotorwelle 3 angeordnet. Diese beiden Stege 11, 12 sind schmaler als der zwischen ihnen angeordnete, nach außen ragende Steg 7 der Rotorwelle 3. Zudem sind diese beiden Stege 11, 12 so schmal ausgebildet, dass zwischen ihnen ein Freiraum verbleibt. Dieser Freiraum wird als äußerer Kanal 13 bezeichnet. Er befindet sich in der Vertiefung 8 zwischen benachbarten Stegen 7 der Rotorwelle 3 und gleichzeitig zwischen den nach radial innen gerichteten Stegen 11, 12 des Rotors 2. Die 3 zeigt ohne die eingebaute Rotorwelle 3, dass sich die Querschnitte der schwalbenschwanzförmigen Vertiefung 10 und der jeweils im Wechsel dazu angeordneten äußeren Kanäle 13 unterscheiden. Die äußeren Kanäle 13 sind nicht hinterschnitten, was für die Funktion eines Kanals auch nicht erforderlich ist. Schwalbenschwanzartige Hinterschneidungen gibt es ausschließlich in denjenigen Vertiefungen 10, welche die nach außen gerichteten Stege 7 der Rotorwelle 3 aufnehmen. Dementsprechend ist die Anzahl der Vertiefungen 10 zusammen mit den äußeren Kanälen 13 bzw. die Anzahl der nach innen gerichteten Stege 11, 12 im Rotor 2 größer als die entsprechende Anzahl an der Rotorwelle 3. In diesem konkreten Beispiel ist die Anzahl der nach innen gerichteten Stege 11, 12 doppelt so groß.
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Ein äußerer Kanal 13 im Sinne der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass er radial außenseitig vom Rotor 2 und radial innenseitig von der Rotorwelle 3 begrenzt wird. Er befindet sich im Übergangsbereich zwischen dem Rotor 2 und der Rotorwelle 3. Er erstreckt sich bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der 1 bis 4 in Axialrichtung. Alle äußeren Kanäle 13 verlaufen parallel zueinander. Gleichzeitig verlaufen alle äußeren Kanäle 13 parallel zu dem inneren Kanal 4 der als Hohlwelle konfigurierten Rotorwelle 3.
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Eine solche Rotorwelle 3 lässt sich besonders günstig durch ein Rohrziehverfahren herstellen. Abschließend ist zumindest im Außenbereich eine spanabhebende Bearbeitung zur Einhaltung bestimmter Fertigungstoleranzen möglich. Ein derart profiliertes Rohr bzw. eine von dem gezogenen Rohr ausgehend weiter bearbeitete Rotorwelle 3 verbessert die Wärmeübertragung zwischen dem Rotor 2, der Rotorwelle 3 und dem Kühlfluid wesentlich, ohne dass zur Wärmeübertragung Querbohrungen an der Rotorwelle 3 oder innerhalb des Rotors 2 erforderlich wären.
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Die 5 zeigt den Längsschnitt durch die Rotorwellenanordnung 1. Es ist erkennbar, dass der innere Kanal 4 glattwandig ist. Die äußeren Kanäle 13 sind mit gestrichelter Linie angedeutet. Sie erstrecken sich parallel und in Längsrichtung L der Rotorwelle 3 verlaufend zum inneren Kanal 4. Aus der 5 ist ferner zu erkennen, dass eine Einströmöffnung 14 an einem Ende 15 der Rotorwelle 3 einer Ausströmöffnung 16 am gegenüberliegende Ende 17 der Rotorwelle unmittelbar gegenüberliegt, um das Durchströmen eines Kühlfluids K von einem Ende 15 zum Ende 17 zu ermöglichen.
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Die 6 zeigt eine Weiterbildung der Ausführungsform der Rotorwellenanordnung 1 der 5. Für im Wesentlichen baugleiche Komponenten werden die bisher eingeführten Bezugszeichen weiter verwendet. Die Rotorwellenanordnung 1 besitzt wiederum einen Rotor 2 der auf einer Rotorwelle 3 angeordnet ist. Längskanäle 13 am Außenumfang der Rotorwelle 3 sind in gleicher Weise vorhanden, wie bei dem Ausführungsbeispiel der 4. Die Rotorwelle 3 ist ebenfalls als Hohlwelle konfiguriert. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel der 5 ist der innere Kanal 4 profiliert. Die Profilierung verläuft wendelförmig in Längsrichtung L der Rotorwelle 3. Die Profilierung ergibt sich durch nach radial innen gerichtete Stege 18 an einer Innenwand des inneren Kanals 4 bzw. durch im Wechsel zu den Stegen 18 angeordnete Vertiefungen 19. Die wendelförmige Profilierung des inneren Kanals 4 ist mehrgängig. Die Stege 18 und Vertiefungen 19 zwischen den Stegen 18 liegen in ihrem Verlauf mehrfach den äußeren Kanälen 13 gegenüber, wodurch die maximale Wanddicke WD1 der Rotorwelle 3 bereichsweise auf die kleinere Wanddicke WD2 reduziert wird.
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Die Rotorwellen 1 der Ausführungsbeispiele in den 1 bis 6 wurden insbesondere durch ein Rohrziehverfahren hergestellt. Durch anschließende äußere spanabhebende Bearbeitung können zusätzliche Funktionsflächen ausgebildet werden. Die Rotorwelle 3 kann in den Rotor 2 eingepresst sein. Es kann sich bei der Rotorwelle 3 grundsätzlich auch um eine gebaute Welle handeln, sollte dies erforderlich sein. Vorzugsweise sind jedoch die an der Rotorwelle 3 vorgesehenen Lagersitze materialeinheitlich einstückiger Bestandteil der Rotorwelle 3. Dadurch ist die Rotorwelle 3 kostengünstig herstellbar. Die zusätzlichen äußeren Kanäle 13 bewirken eine intensive Wärmeabfuhr aus dem Rotor 2 der rotierenden elektrischen Maschine bzw. bei entsprechender Profilierung des inneren Kanals 4 zusätzlich eine erhöhte Pumpleistung, um das Kühlfluid K in die gewünschte Richtung zu fördern.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rotorwellenanordnung
- 2
- Rotor
- 3
- Rotorwelle
- 4
- innerer Kanal
- 5
- Außenseite von 3
- 6
- Außenverzahnung
- 7
- Steg von 3
- 8
- Vertiefung an 3
- 9
- Innenverzahnung von 2
- 10
- Vertiefung in 2
- 11
- Steg von 2
- 12
- Steg von 2
- 13
- äußerer Kanal zwischen 2 und 3
- 14
- Einströmöffnung von 3
- 15
- Ende von 3
- 16
- Ausströmöffnung von 3
- 17
- Ende von 3
- 18
- Steg von 4
- 19
- Vertiefung in 4
- K
- Kühlmittel
- L
- Längsrichtung von 3
- WD1
- maximale Wanddicke von 3
- WD2
- minimale Wanddicke von 3
