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Die Erfindung betrifft einen Rotor einer elektrischen Rotationsmaschine, ein Verfahren zum Auswuchten eines Rotors einer elektrischen Rotationsmaschine sowie eine elektrische Rotationsmaschine mit einem Stator und einem Rotor.
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Elektrische Maschinen sind weitgehend bekannt. Aus dem Stand der Technik sind außerdem Rotoren für elektrische Maschinen bekannt, welche eine Rotorwelle sowie ein Blechpaket umfassen. Die
DE10 2017 001 321 A1 beschreibt dazu einen Rotor für eine elektrische Maschine mit einer Rotorwelle und einem auf der Rotorwelle angeordneten und mit dieser drehfest verbundenen Blechpaket, wobei zwischen der Rotorwelle und dem Blechpaket sogenannte Wuchtelemente angeordnet sind, um ein Wuchten des Stators zu ermöglichen. Das Blechpaket und die Rotorwelle sind dabei über eine Verzahnung miteinander verbunden, wobei ein Wuchtelement zumindest teilweise in wenigstens einer Zahnlücke angeordnet ist.
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Ein Wuchtvorgang ist oftmals notwendig, um für einen ruhigen, vibrationsfreien Lauf des betreffenden Rotors zu sorgen.
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Es ist diesbezüglich bekannt, dass beim Wuchten von rotierenden Teilen sogenannte Wuchtnieten auf einem Trägerelement angenietet werden oder Wuchtgewichte aufgeschweißt werden.
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In 1 ist ein Rotor 1 einer elektrischen Rotationsmaschine gemäß dem Stand der Technik in perspektivischer Ansicht dargestellt. Der Rotor 1 umfasst einen Rotorkörper 10, welcher aus mehreren Blechpaketen 11 zusammengesetzt ist.
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Die einzelnen Blechpakete 11 sind dabei zueinander um eine Rotationsachse 2 des Rotors 1 verdreht, so dass der Rotorkörper 10 des Rotors 1 verschränkt ausgeführt ist.
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Der Rotor 1 kann dabei im Wesentlichen in drei Bereiche 20, 21, 22, nämlich einen radial inneren Bereich 20, einen radial mittleren Bereich 21 sowie einen radial äußeren Bereich 22, unterteilt werden. Ein jeweiliger Bereich 20, 21, 22 erstreckt sich in radialer Richtung etwa über ein Drittel des Radius des Rotors 1.
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Im radial inneren Bereich 20 ist eine Wellenaufnahme in Form einer Nabe 40 angeordnet. Die Nabe 40 ist dabei eine im Wesentlichen kreisförmige axial durchgängige Aufnahme, durch welche eine Rotorwelle (nicht dargestellt) geführt werden kann. Die Nabe 40 erstreckt sich im Wesentlichen in axialer Richtung und weist eine Kontur auf, welche mit einer von der Rotorwelle ausgebildeten Gegenkontur derart formschlüssig verbindbar ist, dass eine drehfeste Verbindung realisierbar ist.
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Der radial mittlere Bereich 21 ist lediglich aus dem Material des Rotorkörpers 10 bzw. der Blechpakete 11 des Rotors 1 ausgebildet.
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Im radial äußeren Bereich 22 sind Öffnungen 35 sowie Magnete 12 angeordnet. In einer jeweiligen Aufnahme ist ein Magnet 12, insbesondere ein Permanentmagnet, angeordnet, wodurch der Rotor 1 im radial äußeren Bereich 22 bzw. im Bereich seiner radialen Außenseite ein Magnetfeld realisiert oder realisieren kann, um den Rotor 1 als Gegenstück zu einem Stator (hier nicht dargestellt) einer elektrischen Rotationsmaschine auszugestalten.
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Ein jeweiliger Magnet 12 ist dabei zu einer tangentialen Richtung geneigt, so dass zwei benachbarte Magnete 12 eine V-Form realisieren. Nach radial innen offene und nach radial außen offene V-Formen wechseln sich dabei entlang des Umfangs ab, so dass die Anordnung der Magnete entlang der Umfangsrichtung einem gezackten Verlauf entspricht. In einer nach radial innen offenen V-Form zweier Magneten 12 sind jeweils zwei Öffnungen 35 realisiert.
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Die Öffnungen 35 sind dabei in axialer Richtung jeweils im Wesentlichen als Hohlzylinder ausgebildet und auf einem gemeinsamen Radius angeordnet. 1 zeigt zudem ein in einer dieser Öffnungen 35 angeordnetes Wuchtelement 30. Das Wuchtelement 30 ist ergänzend zu 1 in 2 vergrößert dargestellt. Aus 2 ist ersichtlich, dass das Wuchtelement 30 an seinem Umfang Kerben aufweist und stiftartig ausgestaltet ist. Durch Anordnung des Wuchtelements 30 in einer Öffnung 35 bzw. weiterer Wuchtelemente 30 in Öffnungen 35 kann die Gesamt-Masse des Rotors 1 derart vergleichmäßigt werden, dass der Rotor 1 mit dem Wuchtelement 30 bzw. den Wuchtelementen 30 einen Schwerpunkt aufweist, der sich dichter an der Rotationsachse 2 befindet als der Schwerpunkt des Rotors 1 ohne Wuchtelemente 30.
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Allerdings ist eine derartige Anordnung eines Wuchtelements mit entsprechenden Einschränkungen möglicher Positionen des Wuchtelements verbunden, nämlich ausschließlich in den vorhandenen Öffnungen. Zudem ist die Einbringung von Wuchtelementen mit einem entsprechenden technologischen Aufwand für die Vorbereitung der Einbringung sowie für die Einbringung selbst verbunden. Zudem wird bei Einpressung eines derartigen Wuchtelements eine Spannung im Rotor erzeugt, die sich insbesondere bei hohen Umdrehungszahlen und daraus resultierenden hohen Belastungen negativ auswirken können.
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Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Rotor sowie eine damit ausgestattete elektrische Rotationsmaschine und ein Verfahren zum Auswuchten eines Rotors einer elektrischen Rotationsmaschine zur Verfügung zu stellen, die kostengünstig und flexibel eine hochgenaue Vergleichmäßigung der Masseverteilung eines Rotors mit langer Lebensdauer ermöglichen.
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Die Aufgabe wird durch den erfindungsgemäßen Rotor einer elektrischen Rotationsmaschine nach Anspruch 1 sowie das Verfahren zum Auswuchten eines Rotors einer elektrischen Rotationsmaschine nach Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Rotors sind in den Unteransprüchen 2 bis 8 angegeben. Ergänzend wird eine elektrische Rotationsmaschine, welche den Rotor aufweist, gemäß Anspruch 10 zur Verfügung gestellt.
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Die Merkmale der Ansprüche können in jeglicher technisch sinnvollen Art und Weise kombiniert werden, wobei hierzu auch die Erläuterungen aus der nachfolgenden Beschreibung sowie Merkmale aus den Figuren hinzugezogen werden können, die ergänzende Ausgestaltungen der Erfindung umfassen.
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Die Begriffe „axial“ und „radial“ beziehen sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung immer auf die Rotationsachse des Rotors.
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Die Erfindung betrifft einen Rotor einer elektrischen Rotationsmaschine, umfassend einen Rotorkörper aus einem ersten Material mit Magneten und/oder Wicklungen, wobei wenigstens an einer axialen Seite des Rotorkörpers zumindest ein Wuchtelement aus einem zweiten Material angeordnet ist, in welchem zwecks Vergleichmäßigung der Massenverteilung des Rotorkörpers eine Materialaussparung einbringbar oder eingebracht ist.
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Insbesondere handelt es sich bei dem zweiten Material um ein anderes Material als bei dem ersten Material.
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Der Rotorkörper kann aus Trägermaterial, Magneten und/oder Wicklungen ausgebildet sein, so dass das erste Material eine anteilige Mischung verschiedener Werkstoffe ist, nämlich Werkstoffe eines Trägerkörpers des Rotors, in bzw. an dem gegebenenfalls vorhandene Magnete und/oder Wicklungen aus weiteren Werkstoffen angeordnet bzw. ausgebildet sind. In diesem Fall ist das erste Material eine anteilige Mischung des Materials des Trägerkörpers und gegebenenfalls vorhandener Magnete bzw. Wicklungen.
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In einer alternativen Ausgestaltung ist der Rotorkörper lediglich aus Magnet-Werkstoff und Wicklungs-Werkstoff zusammengesetzt. In diesem Fall ist somit das erste Material eine anteilige Mischung aus Magnet-Werkstoff und Wicklungs-Werkstoff. Eine ungleichmäßige Massenverteilung kann sich insbesondere durch Positions-Abweichungen von Wicklungen bzw. Wicklungssegmenten ergeben.
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Eine Vergleichmäßigung der Massenverteilung führt zu einer Vergleichmäßigung des Massenträgheitsmoments des Rotors.
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Unter einer Materialaussparung ist insbesondere eine Ausnehmung im betreffenden Material zu verstehen.
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Das Material des Trägerkörpers kann dabei aus einzelnen Blechen oder Blechpaketen ausgebildet sein, wobei die Bleche bzw. Blechpakete alle eine identische Ausgestaltung aufweisen können. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Blechpakete in Bezug zur Rotationsachse des Rotors unterschiedliche Winkelpositionen aufweisen, so dass die Blechpakete verschränkt zueinander positioniert sind.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das Wuchtelement mittels stoffschlüssiger und/oder formschlüssiger Verbindung am Rotorkörper befestigt.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Wuchtelement mittels einer adhäsiven Verbindung auf der Oberfläche des Rotorkörpers angeordnet ist. Alternativ kann vorgesehen sein, dass das Wuchtelement mittels Formschluss und/ oder mittels einer Klebeverbindung in einer Nut in einer stirnseitigen Oberfläche des Rotorkörpers angeordnet ist. Weiterhin alternativ kann vorgesehen sein, dass das Wuchtelement mittels Spritzverfahren direkt auf den Rotorkörper aufgespritzt ist, so dass ein zusätzlicher Montageschritt entfallen kann.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das erste Material eine erste Dichte ρ1 aufweist und das zweite Material eine zweite Dichte ρ2 aufweist, wobei gilt: ρ1/ρ2 = 3,5 ... 10.
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Das bedeutet, dass das zweite Material im Vergleich zum ersten Material eine deutlich geringere Dichte aufweist, was es ermöglicht, unter relativ großflächiger Wegnahme des zweiten Materials einen Massenausgleich an zumindest einer definierten Position an der Stirnseite des Rotors vorzunehmen.
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Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das erste Material eine erste Dichte ρ1 in einem Bereich von 6 bis 9 kg/dm3 aufweist und das zweite Material eine zweite Dichte ρ2 in einem Bereich von 0,5 bis 2,8 kg/dm3 aufweist. Bevorzugt ist das erste Material Stahl mit einer Dichte von etwa 7,8 kg/dm3 und das zweite Material ein Kunststoff mit hohem Glasfaseranteil mit einer Dichte von etwa 1,5 kg/dm3.
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So kann der Kunststoff zum Beispiel ein PPA mit einem Glasfaser-Anteil von wenigstens 40 % sein.
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Das Wuchtelement kann zumindest in einem quer zur Rotationsachse des Rotors verlaufenden Schnitt im Wesentlichen die Form eines Ringes aufweisen.
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Das heißt, dass zumindest an einer Stirnseite des Rotorkörpers ein Ring aus einem zweiten Material angeordnet ist.
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In einer alternativen Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Wuchtelement zumindest in einem quer zur Rotationsachse des Rotors verlaufenden Schnitt im Wesentlichen die Form eines sich im Wesentlichen radial erstreckenden Streifenelements hat. In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass vorzugsweise mehrere punktsymmetrisch angeordnete, sich radial erstreckende Streifenelemente vorhanden sind.
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Entsprechend verlaufen mehrere derartige Wuchtelemente sternförmig nach außen. Ein jeweiliges streifenförmiges Wuchtelement kann dabei derart ausgestaltet sein, dass es bei seiner Montage auf einer Stirnseite des Rotorkörpers in eine axial durch den gesamten Rotorkörper verlaufende Aufnahme eingesteckt wird und dabei eine axiale Erstreckung aufweist, die wenigstens der axialen Erstreckung des Rotorkörpers entspricht, sodass es selbst einen Flächenbereich einer jeweiligen Stirnseite des Rotorkörpers ausbildet, oder von dieser axial absteht.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform bildet die Materialaussparung eine axiale Vertiefung im Wuchtelement aus. Eine axiale Tiefe einer derartigen Materialaussparung im Wuchtelement kann beliebig tief sein. Dabei ist auch nicht ausgeschlossen, dass eine Materialaussparung realisiert wird, die das Wuchtelement axial gänzlich durchsetzt, so dass eine Unterbrechung im Körper des Wuchtelements realisiert ist.
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Insbesondere erstreckt sich das Wuchtelement radial maximal bis zu einem Durchmesser DEmax, der in Bezug zum Außendurchmesser DA des Rotorkörpers im folgenden Verhältnis steht: DEmax/DA<0,8.
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Gegebenenfalls ist die Erstreckung des Wuchtelements nach radial außen durch in einem radial äußeren Bereich des Rotorkörper angeordnete Magnete begrenzt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen,
dass sich das Wuchtelement radial wenigstens bis zu einem Durchmesser DEmin erstreckt, der in Bezug zum Außendurchmesser DA des Rotorkörpers im folgenden Verhältnis steht: DEmin/DA>0,5.
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Bei der Ausgestaltung des Wuchtelements als Ring kann somit an einer definierten radialen Position in unterschiedlichen Winkelabständen Material abgetragen werden, um je Winkelsegment ein jeweils gleiches Massenträgheitsmoment zu erreichen.
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Bei der Ausgestaltung des Wuchtelements als radial verlaufendes Streifenelement bzw. mehreren derartiger Streifenelemente lassen sich an den entsprechenden definierten Winkelpositionen der Streifenelemente in unterschiedlichen radialen Abständen zur Rotationsachse die Materialabtragungen vornehmen, um derart zwischen den jeweiligen Winkelsegmenten eine Vergleichmäßigung der jeweiligen Massenträgheitsmomente zu realisieren.
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Insbesondere ist die Erstreckung des Wuchtelements nach radial innen durch eine in einem radial inneren Bereich des Rotorkörpers angeordnete Wellenaufnahme bzw. Nabe begrenzt. Die Nabe ist dabei eine im Wesentlichen kreisförmige, axial durchgängige Aufnahme, durch welche eine Rotorwelle geführt werden kann, zwecks drehfester Anordnung des Rotors auf der Rotorwelle.
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Durch das erfindungsgemäße Wuchtelement lässt sich somit eine Vergleichmäßigung der Massenverteilung des Rotors in Bezug auf die Rotationsachse insgesamt erreichen, ohne Spannungen in den Rotor einbringen zu müssen.
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Zudem wird ein Verfahren zum Auswuchten eines erfindungsgemäßen Rotors einer elektrischen Rotationsmaschine zur Verfügung gestellt, der einen Rotorkörper aus einem ersten Material mit Magneten und/oder Wicklungen aufweist, wobei an wenigstens einer axialen Seite des Rotorkörpers zumindest ein Wuchtelement aus einem zweiten Material angeordnet ist, in welchem zwecks Vergleichmäßigung der Massenverteilung des Rotorkörpers eine Materialaussparung eingebracht wird. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Materialaussparung bzw. Ausnehmung mittels Laser, insbesondere mittels CO2-Laser, in das Wuchtelement eingebracht wird.
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Die Erkennung des Materialbereichs, welcher zwecks Wuchten zu entfernen ist, kann insbesondere mittels einer optischen Einrichtung, wie zu Beispiel einer Kamera, erfolgen.
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Es kann vorgesehen sein, dass das zweite Material des Wuchtelements zumindest bereichsweise Glasfasern oder Kohlefasern umfasst. Das heißt, dass erfindungsgemäß gezielt eine Materialaussparung bzw. Ausnehmung in dem zweiten Material eingebracht wird. Diese Materialaussparung bzw. Ausnehmung kann auch an mehreren Stellen des ringförmigen Wuchtelements bzw. an mehreren Stellen sich radial erstreckender Streifenelemente und/oder an mehreren sich radial erstreckenden Streifenelementen ausgeführt werden.
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Des Weiteren wird erfindungsgemäß eine elektrische Rotationsmaschine zur Verfügung gestellt, die einen Stator sowie radial innerhalb des Stators angeordnet wenigstens einen erfindungsgemäßen Rotor aufweist.
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Die oben beschriebene Erfindung wird nachfolgend vor dem betreffenden technischen Hintergrund unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen, welche bevorzugte Ausgestaltungen zeigen, detailliert erläutert. Die Erfindung wird durch die rein schematischen Zeichnungen in keiner Weise beschränkt, wobei anzumerken ist, dass die in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispiele nicht auf die dargestellten Maße eingeschränkt sind. Es ist dargestellt in
- 1: ein Rotor gemäß dem Stand der Technik,
- 2: ein Wuchtelement gemäß dem Stand der Technik,
- 3: ein erfindungsgemäßer Rotor gemäß einer ersten Ausführungsform,
- 4: ein vergrößerter Ausschnitt des erfindungsgemäßen Rotors gemäß der ersten Ausführungsform und
- 5: ein erfindungsgemäßer Rotor gemäß einer zweiten Ausführungsform.
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Auf die 1 und 2 wurde bereits zur Erläuterung des Standes der Technik Bezug genommen.
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In 3 ist ein erfindungsgemäßer Rotor 1 gemäß einer ersten Ausführungsform gezeigt.
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Der Rotor 1 aus 3 entspricht dabei weitestgehend dem Rotor 1 aus 1. Im Gegensatz zum Rotor 1 in 1, der mit mehreren Öffnungen und darin angeordneten bzw. anordbaren Kerbstiften ausgestaltet ist, umfasst der erfindungsgemäße Rotor 1 in 3 jedoch ein Wuchtelement 30, welches als ein Ring 31 aus einem relativ leichten Material ausgestaltet ist.
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Der Ring 31 ist auf einer axialen Seite 13 des Rotorkörpers 10 des Rotors im radial mittleren Bereich 21 angeordnet. Der Ring 31 ist als ein geschlossener Ring mit konstantem Radius entlang seines Umfangs ausgestaltet, koaxial zur Rotationsachse 2 positioniert und mittels einer Klebeverbindung (hier nicht dargestellt) an der axialen Seite 13 des Rotorkörpers 10 fixiert.
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Ein vergrößerter Ausschnitt des erfindungsgemäßen Rotors 1 gemäß der ersten Ausführungsform aus 3 ist in 4 dargestellt.
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Der Ausschnitt zeigt einen Teil des als Ring 31 ausgestalteten Wuchtelements 30, in welchem der Ring 31 eine Materialaussparung 33 aufweist. Ausgestaltet in Form einer Vertiefung, erstreckt sich die Materialaussparung 33 in der dem Rotor abgewandten Seite des Rings 31 in axialer Richtung hin zum Rotorkörper. Die Materialaussparung 33 erstreckt sich axial dabei jedoch nur über einen Teil der axialen Erstreckung des Wuchtelements 30 und erreicht nicht die axiale Seite 13 des Rotorkörpers 10. In radialer Richtung verläuft die Materialaussparung 33 durch die gesamte radiale Dicke des Rings 31.
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Durch den Abtrag von Material von dem fest mit dem Rotorkörper 10 des Rotors 1 verbundenem Wuchtelement 30 kann entsprechend die Massenverteilung des Rotors 1 verändert werden, so dass eine Vergleichmäßigung des Massenträgheitsmoments des Rotors 1 realisierbar ist.
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5 zeigt einen erfindungsgemäßen Rotor 1 gemäß einer zweiten Ausführungsform. Die zweite Ausführungsform des Rotors 1 aus 5 unterscheidet sich dabei von der ersten Ausführungsform des Rotors 1 aus 3 in der Ausgestaltung des Wuchtelements 30.
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Gemäß der zweiten Ausführungsform des Rotors 1 umfasst dieser mehrere quer zur Rotationsachse 2 des Rotors 1 verlaufende und im Wesentlichen die Form eines sich radial erstreckenden Streifenelements 32 aufweisende Wuchtelemente 30. Die mehreren Streifenelemente 32 sind dabei in regelmäßigen Winkelabständen am Umfang des Rotors 1 verteilt angeordnet. Die Streifenelemente 32 erstrecken sich sternförmig radial über den gesamten radial mittleren Bereich 21 und bereichsweise in den radial äußeren Bereich 22 hinein.
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Ein jeweiliges Streifenelement 32 ist dabei an einer Winkelposition angeordnet, an der zwei benachbarte Magneten 12 mit Randbereichen an den Umfang bzw. die radiale Außenseite des Rotors 1 grenzen, so dass das betreffende Streifenelement 32 ebenfalls bis dicht an die radiale Außenseite des Rotors 1 reichen kann.
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Mit dem erfindungsgemäßen Rotor sowie der damit ausgestatteten elektrischen Rotationsmaschine und dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Auswuchten eines Rotors einer elektrischen Rotationsmaschine lässt sich kostengünstig und flexibel eine hochgenaue Vergleichmäßigung der Masseverteilung des Rotors mit langer Lebensdauer erreichen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rotor
- 2
- Rotationsachse
- 10
- Rotorkörper
- 11
- Blechpaket
- 12
- Magnet
- 13
- axiale Seite des Rotorkörpers
- 20
- radial innerer Bereich
- 21
- radial mittlerer Bereich
- 22
- radial äußerer Bereich
- 30
- Wuchtelement
- 31
- Ring
- 32
- Streifenelement
- 33
- Materialaussparung
- 34
- Kerbstift
- 35
- Öffnung
- 40
- Nabe
- DEmax
- Durchmesser der maximalen radialen Erstreckung des Wuchtelements
- DEmin
- Durchmesser der minimalen radialen Erstreckung des Wuchtelements
- DA
- Außendurchmesser des Rotorkörpers
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102017001321 A1 [0002]
