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Die Erfindung betrifft einen Rotor für einen Elektromotor. Der Rotor hat eine eine Axialrichtung definierende Rotorwelle, ein von der Rotorwelle durchgriffenes und auf die Rotorwelle aufgepresstes Blechpaket, welches eine Mehrzahl von in einer wechselseitigen axialen Anlage angeordneten Blechen umfasst, und einen Kurzschlusskäfig, welcher zwei an axialen Stirnseiten des Blechpakets anliegende Kurzschlussringe und eine Mehrzahl von sich in der Axialrichtung erstreckenden und die Kurzschlussringe jeweils verbindenden Kurzschlussstäben umfasst, welche das Blechpaket beabstandet zu der Rotorwelle durchgreifen. Ferner betrifft die Erfindung einen Elektromotor und ein Elektrofahrzeug.
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Rotoren der eingangs beschriebenen Art sind in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt und werden zum Ausbilden eines Elektromotors in Form einer asynchronen Drehstrommaschine verwendet. Das Blechpaket und der Kurzschlusskäfig bilden zusammen einen sogenannten Rotorkern des Rotors.
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Elektromotoren werden in Elektrofahrzeugen, wie Hybridfahrzeugen (Hybrid Electric Vehicles, HEV), Plugin-Hybridfahrzeugen (Plugin Hybrid Electric Vehicles) und reinen Elektrofahrzeugen (Battery Electric Vehicles, BEV) als Antriebsaggregate verbaut.
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Zum Ausbilden eines Elektromotors wird der Rotor, der auch als Kurzschlussläufer oder Käfigläufer bezeichnet wird, in einem zu dem Rotor korrespondierenden Stator drehbar gelagert, welcher eine Mehrzahl von Spulenwicklungen umfasst. Während des normalen Betriebs des Elektromotors folgt der Rotor einem von den mehreren entsprechend bestromten Spulenwicklungen erzeugten rotierenden Magnetfeld. Während des generatorischen Betriebs des Elektromotors folgt dagegen die in den Spulenwicklungen induzierte Spannung dem rotierenden Rotor.
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Eine Möglichkeit, einen Rotorkern zu bilden, d. h. ein Blechpaket mit einem Kurzschlussläufer zusammenzufügen, besteht darin, die Kurzschlussstäbe und die Kurzschlussringe in einem Stück an das Blechpaket anzugießen.
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Einen derartigen Rotor offenbart die
DE 10 2012 214 772 A1 . Der Rotor umfasst ein Blechpaket mit mehreren in wechselseitiger Anlage angeordneten Blechen und einen an das Blechpaket angegossenen Kurzschlusskäfig. Der Kurzschlusskäfig umfasst einen an einer axialen Stirnseite des Blechpakets angeordneten Kurzschlussring und eine Mehrzahl von mit dem Kurzschlussring verbundenen Kurzschlussstäben, welche miteinander fluchtende exzentrische Durchlässe der mehreren Bleche durchgreifen. Zumindest ein stirnseitiges Blech weist einen gegenüber axial inneren Blechen aufgeweiteten Durchlass auf, um zwischen dem Kurzschlussring und den Kurzschlussstäben einen abgestuften Übergangsbereich zu schaffen, wodurch lokale Spannungsüberhöhungen bei höheren Drehzahlen des Elektromotors vermieden werden.
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Alternativ kann der Kurzschlusskäfig auch aus jeweils separaten Kurzschlussringen und Kurzschlussstäben zusammengefügt werden, wenn die Kurzschlussstäbe in axiale Durchlässe des Blechpakets eingesetzt sind.
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So offenbart die
DE 20 2013 005 050 A1 einen Rotor für einen Elektromotor. Der Rotor umfasst eine Rotorwelle, ein Blechpaket mit mehreren in wechselseitiger Anlage angeordneten und auf die Rotorwelle aufgepressten Blechen und einen Kurzschlusskäfig mit zwei an axial stirnseitigen Blechen anliegenden Kurzschlussringen und einer Mehrzahl von die Kurzschlussringe verbindenden Kurzschlussstäben, welche das Blechpaket durchgreifen. Jeder Kurzschlussring umfasst eine Mehrzahl von in einer axialen Anlage angeordneten Ringscheiben, welche von den Kurzschlussstäben ebenfalls zumindest teilweise durchgriffen sind. In radial äußeren Übergangsbereichen zwischen den Ringscheiben sind radiale Fasen ausgebildet, welche sich bis zu den Kurzschlussstäben erstrecken und ein festes und elektrisch leitfähiges Fügen der Kurzschlussstäbe und der Ringscheiben erlauben, beispielsweise durch ein lokales Anschmelzen oder mittels eines Hartlots.
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Die Kurzschlussringe des Kurzschlusskäfigs können zusätzlich zu ihrer elektrischen Funktion auch mechanische Funktionen aufweisen.
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Beispielsweise offenbart die
DE 74 39 369 U einen Rotor mit einer zusätzlichen mechanischen Funktion der Kurzschlussringe. Der Rotor umfasst eine Rotorwelle und ein von der Rotorwelle durchgriffenes Blechpaket, welches auf die Rotorwelle aufgepresst ist. Ferner umfasst der Rotor einen Kurzschlussring, welcher an einer axialen Stirnseite des Blechpakets angeordnet und mit dem Blechpaket in einer axialen Anlage ist, sowie einen von der Rotorwelle mit einem Spiel durchgriffenen keramischen Lagerring. Der Lagerring weist eine in einer radial äußeren Umfangsfläche des Lagerrings ausgebildete Ringnut auf, in welche ein zu der Ringnut korrespondierender nach innen weisender radialer Vorsprung des Kurzschlussrings eingreift, um den Lagerring axial festzulegen.
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Das Blechpaket und mit ihm der Kurzschlusskäfig werden im Betrieb des Rotors bei einer hohen Drehgeschwindigkeit mit einer starken Zentrifugalkraft beaufschlagt. Infolgedessen kann es zu einem teilweisen Lösen, d. h. Lockerung, der Presspassung zwischen der Rotorwelle und den Blechen kommen, d. h. zentrale Durchlässe der Bleche weiten sich während des Betriebs auf.
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Im Zusammenwirken mit einer betriebsbedingten Erwärmung der Bleche und des Kurschlusskäfigs führt dies häufig zu einer irreversiblen Verformung des Blechpakets, was mit einem Abnehmen des Wirkungsgrads des Elektromotors und einem Zunehmen eines Verschleißes des Elektromotors einhergeht. Letzteres führt zwangsläufig zu einer verringerten Lebensdauer des Elektromotors.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Rotor zur Verfügung zu stellen, dessen Rotorkern bei üblichen Betriebsbedingungen eine hohe Formstabilität aufweist. Darüber hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Elektromotor und ein verbessertes Elektrofahrzeug anzugeben.
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Ein Gegenstand der Erfindung ist ein Rotor für einen Elektromotor, mit einer eine Axialrichtung definierenden Rotorwelle, einem von der Rotorwelle durchgriffenen und auf die Rotorwelle aufgepressten Blechpaket, welches eine Mehrzahl von in einer wechselseitigen axialen Anlage angeordneten Blechen umfasst, und einem Kurzschlusskäfig, welcher zwei an axialen Stirnseiten des Blechpakets anliegende Kurzschlussringe und eine Mehrzahl von sich in der Axialrichtung erstreckenden und die Kurzschlussringe verbindenden Kurzschlussstäben umfasst, welche das Blechpaket beabstandet zu der Rotorwelle durchgreifen. Der Rotor kann zum Ausbilden einer asynchronen Drehstrommaschine verwendet werden, wodurch sich für die Erfindung viele praktische Anwendungen ergeben.
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Der erfindungsgemäße Rotor umfasst Mittel, welche ausgebildet sind, axial äußere Bleche des Blechpakets an einem betriebsbedingten Wandern in der Axialrichtung zu hindern. Infolge einer betriebsbedingten Erwärmung und infolge einer während des Betriebs auf die Bleche wirkenden Zentrifugalkraft weiten sich die Bleche des Blechpakets unter Lösung der Presspassung auf.
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Zudem beaufschlagt die auf die Kurzschlussringe wirkende Zentrifugalkraft die Kurzschlussringe mit einem Drehmoment um einen radial außen angeordneten Verbindungsbereich der Kurzschlussringe mit den Kurzschlussstäben. Aufgrund des Drehmoments verformen sich die Kurzschlussringe und schwenken um den Verbindungsbereich, wobei sie die jeweils axial äußeren Bleche des Blechpakets mitnehmen. Mit anderen Worten verbiegen sich die axial äußeren Bleche derart, dass sich Bereiche der äußeren Bleche von den inneren Blechen des Blechpakets desto mehr axial entfernen, je näher die Bereiche zu der Rotorwelle angeordnet sind.
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Nach dem Betrieb des Rotors kühlen die Bleche ab. Dadurch bildet sich deren betriebsbedingte Aufweitung zwar zumindest teilweise wieder zurück. Jedoch ist sind die äußeren Bleche infolge der vorgesehenen Presspassung an einer Rückkehr in ihre ursprüngliche axiale Position gehindert. Dies entspricht einem betriebsbedingten Wandern in der Axialrichtung. Erfindungsgemäß ist der Rotor mit Mitteln versehen, welche dem Wandern axial äußerer Bleche des Blechpakets entgegenwirken. Das Wandern der axial äußeren Bleche resultiert in einer irreversiblen Verformung des Rotorkerns.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform umfassen die Mittel eine Spielpassung, welche zwischen einem stirnseitigen Blech und der Rotorwelle ausgebildet ist. Die Spielpassung erlaubt dem stirnseitigen Blech nach dem Betrieb des Elektromotors eine vollständige Rückkehr in die ursprüngliche axiale Position. Die Spielpassung entspricht einem Radialspalt zwischen dem Blech und der Rotorwelle.
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In weiteren Ausführungsformen sind Spielpassungen jeweils zwischen einem stirnseitigen Blech an jeder axialen Stirnseite des Blechpakets und der Rotorwelle ausgebildet. Dies schützt den Rotor an beiden axialen Stirnseiten vor dem unerwünschten Wandern von Blechen in der Axialrichtung.
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Besonders bevorzugt sind Spielpassungen zwischen einer Mehrzahl von benachbarten Blechen an einer axialen Stirnseite des Blechpakets und der Rotorwelle ausgebildet. Auf diese Weise wird die Anzahl der an einem Wandern gehinderten Bleche bei Bedarf vergrößert.
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Alternativ oder zusätzlichen umfassen die Mittel vorteilhafterweise einen Spannring, welcher an einer axialen Stirnseite des Blechpakets auf die Rotorwelle aufgepresst ist und mit einem stirnseitigen Blech in einer axialen Anlage ist. Der Spannring bildet eine axiale Sperre für das stirnseitige Blech.
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Besonders vorteilhaft umfassen die Mittel zwei Spannringe, welche an gegenüberliegenden axialen Stirnseiten jeweils mit einem stirnseitigen Blech in einer axialen Anlage sind. Die beiden Spannringe schützen den Rotor an beiden axialen Stirnseiten vor dem unerwünschten Wandern von Blechen in der Axialrichtung.
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Bevorzugt überlappt jeder Spannring das jeweils anliegende stirnseitige Blech in einer Radialrichtung. Durch die Überlappung wird ein axialer Anlagebereich zwischen dem Spannring und dem stirnseitigen Blech geschaffen.
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Der Fachmann erkennt, dass die erfindungsgemäßen Mittel alternativ oder zusätzlich beliebige weitere Mittel mit derselben Wirkung umfassen können, beispielsweise eine in einer Außenfläche der Rotorwelle ausgebildete und sich in einer Umfangsrichtung der Rotorwelle erstreckende Ringnut, mit welcher zumindest ein stirnseitiges Blech in Eingriff ist.
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Gegenstand der Erfindung ist auch ein Elektromotor mit einem erfindungsgemäßen Rotor. Der Elektromotor erleidet keinen Verlust an Wirkungsgrad oder Lebensdauer infolge einer irreversiblen Verformung des Rotorkerns.
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Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Elektrofahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Elektromotor. Das Elektrofahrzeug weist dank des dauerhaft effizienteren und langlebigeren Elektromotors selbst einen anhaltend hohen Wirkungsgrad und eine entsprechend lange Lebensdauer auf, wodurch die Wirtschaftlichkeit des Elektrofahrzeugs verbessert ist.
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Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Rotors besteht darin, dass der Rotorkern unter üblichen Betriebsbedingungen formstabil ist. Dies geht mit einem gleichbleibend hohen Wirkungsgrad und einer längeren Lebensdauer eines mit dem Rotor gebildeten Elektromotors und einer besseren Wirtschaftlichkeit eines mit einem solchen Elektromotor ausgestatteten Elektrofahrzeugs einher.
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Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen weiter beschrieben. Es zeigt:
- 1 in einer schematischen Darstellung eine teilweise Seitenansicht eines Rotors gemäß einer Ausführungsform des Stands der Technik;
- 2 in einer schematischen Darstellung eine teilweise Seitenansicht des in 1 gezeigten Rotors unter dem Einfluss betriebsbedingter Kräfte;
- 3 in einer schematischen Darstellung eine teilweise Seitenansicht des in 1 gezeigten Rotors mit einer leichten betriebsbedingten Verformung;
- 4 in einer schematischen Darstellung eine teilweise Seitenansicht des in 1 gezeigten Rotors mit einer schweren betriebsbedingten Verformung;
- 5 in einer schematischen Darstellung eine teilweise Seitenansicht eines Rotors gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
- 6 in einer schematischen Darstellung eine teilweise Seitenansicht eines Rotors gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung.
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1 zeigt in einer schematischen Darstellung eine teilweise Seitenansicht eines Rotors 1 gemäß einer Ausführungsform des Stands der Technik. Die teilweise Seitenansicht stellt lediglich einen axialen Endbereich des Rotors 1 dar und trifft - wie auch in den nachfolgenden 2 bis 6 - mutatis mutandis auf einen gegenüberliegenden axialen Endbereich des Rotors 1 ebenso zu. Der Rotor 1 kann zum Bilden eines Elektromotors verwendet werden, welcher wiederum in einem Elektrofahrzeug verbaut werden kann.
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Der Rotor 1 umfasst eine um eine Drehachse 2 drehbare und eine Axialrichtung definierende Rotorwelle 11 und ein von der Rotorwelle 11 durchgriffenes und auf die Rotorwelle 11 aufgepresstes Blechpaket 12. Das Blechpaket 12 umfasst eine Mehrzahl von in einer wechselseitigen axialen Anlage angeordneten Blechen 13. Ferner umfasst der Rotor 1 einen Kurzschlusskäfig, welcher zwei an axialen Stirnseiten des Blechpakets 13 anliegende Kurzschlussringe 14 und eine Mehrzahl von sich in der Axialrichtung erstreckenden und die Kurzschlussringe 14 verbindenden Kurzschlussstäben 15 umfasst. Die Kurzschlussstäbe 15 durchgreifen das Blechpaket 12 beabstandet zu der Rotorwelle 11.
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2 zeigt in einer schematischen Darstellung eine teilweise Seitenansicht des in 1 gezeigten Rotors 1 unter dem Einfluss betriebsbedingter Kräfte. Infolge einer betriebsbedingten Erwärmung und infolge von betriebsbedingten Kräften 3, insbesondere einer Zentrifugalkraft, bilden die Bleche 13 eine Aufweitung 4 aus, wodurch eine Presspassung zwischen den Blechen 13 und der Rotorwelle 11 gelöst wird. Die Aufweitung 4 ist hier vergrößert und nur in dem relevanten axialen Randbereich des Blechpakets 12 dargestellt.
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3 zeigt in einer schematischen Darstellung eine teilweise Seitenansicht des in 1 gezeigten Rotors 1 mit einer leichten betriebsbedingten Verformung. Die Verformung ist durch eine Verformungsrichtung 6 der Bleche 13 und des Kurzschlussrings 14 definiert. Dabei sind Bereiche der Bleche 13 und des Kurzschlussrings 14 desto stärker verformt, je näher sie zu der Rotorwelle 11 angeordnet sind. Zudem ist eine von dem Blechpaket 12 weg weisende und zu der Axialrichtung parallele axiale Wanderrichtung 5 einer Mehrzahl von axial äußeren Blechen 13 eingezeichnet.
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4 zeigt in einer schematischen Darstellung eine teilweise Seitenansicht des in 1 gezeigten Rotors 1 mit einer schweren betriebsbedingten irreversiblen Verformung. Der von dem Blechpaket 12 und dem Kurzschlusskäfig 14, 15 gebildete Rotorkern hat ist an seiner axialen Außenseite vollständig von der Rotorwelle 11 abgelöst.
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5 zeigt in einer schematischen Darstellung eine teilweise Seitenansicht eines Rotors 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Der Rotor 10 besitzt denselben Aufbau wie der in den 1 bis 4 gezeigte Rotor 1. Von diesem unterscheidet er sich durch Mittel 16, welche ausgebildet sind, axial äußere Bleche 13 des Blechpakets 12 an einem betriebsbedingten Wandern in der Axialrichtung zu hindern. Die Mittel umfassen Spielpassungen 16, d. h. Radialspalte, welche an jeder axialen Stirnseite des Rotorkerns jeweils zwischen dem stirnseitigen Blech 13 und einer Mehrzahl von benachbarten Blechen 13 einerseits und der Rotorwelle 11 andererseits an einer axialen Stirnseite des Blechpakets 12 ausgebildet sind.
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6 zeigt in einer schematischen Darstellung eine teilweise Seitenansicht eines Rotors 20 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Der Rotor 20 besitzt denselben Aufbau wie der in den 1 bis 4 gezeigte Rotor 1. Von diesem unterscheidet er sich durch Mittel 21, welche ausgebildet sind, axial äußere Bleche 13 des Blechpakets 12 an einem betriebsbedingten Wandern in der Axialrichtung zu hindern. Die Mittel umfassen zwei Spannringe 21, welche an gegenüberliegenden axialen Stirnseiten des Blechpakets 12 auf die Rotorwelle 11 aufgepresst sind und jeweils mit einem stirnseitigen Blech 13 in einer axialen Anlage sind. Dank des Aufpressens sind die Spannringe 21 bezogen auf die Rotorwelle 11 axial festgelegt. Jeder Spannring 21 überlappt das jeweils anliegende stirnseitige Blech 13 in einer Radialrichtung, d. h. eine radiale Dicke der Spannringe 21 ist derart gewählt, dass die Spannringe 21 auch bei einer betriebsbedingten Aufweitung der axial äußeren Bleche 13 (s. 2) von diesen nicht überwunden werden.
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In weiteren Ausführungsformen können die in 5 gezeigten Mittel 16 und die 6 gezeigten Mittel 21 auch miteinander kombiniert sein, um die Gefahr einer Verformung des Rotorkerns noch weiter zu verringern.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rotor
- 2
- Drehachse
- 3
- Kraftrichtung
- 4
- Aufweitung
- 5
- Wanderrichtung
- 6
- Verformungsrichtung
- 10
- Rotor
- 11
- Rotorwelle
- 12
- Blechpaket
- 13
- Blech
- 14
- Kurzschlussring
- 15
- Kurschlussstab
- 16
- Mittel, Spielpassung
- 20
- Rotor
- 21
- Mittel, Spannring
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012214772 A1 [0006]
- DE 202013005050 A1 [0008]
- DE 7439369 U [0010]
