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Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine, umfassend eine Rotorwelle und ein auf dieser angeordnetes Blechpaket umfassend mehrere axial hintereinander und aneinander anliegend angeordnete Bleche, sowie wenigstens einen durch das Blechpaket laufenden Kühlmittelkanal, wobei das Blechpaket über wenigstens ein Spannmittel axial verspannt ist.
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Elektrische Maschinen umfassend einen Stator und einen Rotor kommen in unterschiedlichsten Anwendungsbereichen zum Einsatz. Ein Beispiel ist der Automobilbereich, wo elektrische Maschinen als Antriebsmaschinen für ein Fahrzeug verwendet werden.
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Ein Rotor besteht üblicherweise aus einer Rotorwelle und einem auf dieser Rotorwelle angeordneten Blechpaket. Das Blechpaket besteht aus einer Vielzahl von axial hintereinander angeordneten, aneinander anliegenden Blechen, durch die die Rotorwelle läuft. Im Betrieb kommt es mitunter zu einer starken Erwärmung im Rotorbereich, weshalb es erforderlich ist, für eine Kühlung zu sorgen. Dabei ist es bekannt, durch die Rotorwelle ein Kühlmittel, üblicherweise Öl, zuzuführen und hierüber entweder indirekt das auf der Rotorwelle sitzende Blechpaket zu kühlen, oder das Kühlmittel in einen oder mehrere durch das Blechpaket laufende Kühlmittelkanäle zu leiten, um das Blechpaket direkt zu kühlen. Hierfür ist es erforderlich, das Rotorblech äußerst kompakt zu gestalten, damit es dicht ist und das Öl nicht aus dem Kanal zwischen die Bleche treten kann. Hierfür ist es bekannt, das Blechpaket axial fest zu verspannen, sodass die einzelnen Bleche fest aneinander gedrückt werden. Hierüber wird die Luft zwischen den einzelnen Lamellen verdrängt, sodass der Eisenanteil bezogen auf die zur Verfügung stehende Länge möglichst groß wird, wie durch das starke Verpressen auch eine hinreichende Dichtheit erreicht werden kann. Um die Dichtheitsanforderungen zu erfüllen, ist in allen Toleranzlagen eine axiale Mindestvorspannung zu gewährleisten, wobei die erforderliche Vorspannkraft anwendungsspezifisch unterschiedlich sein kann. Da sich das Blechpaket wie eine Feder verhält, ergibt sich die Vorspannkraft aus dem Federweg und der Federsteifigkeit, die für das Blechpaket in Abhängigkeit der Blechstärke sowie der Paketgeometrie spezifisch ist. Fertigungsbedingt gibt es gewisse Längentoleranzen von Blechpaket zu Blechpaket, sodass letztlich jedes Blechpaket spezifisch verspannt werden muss, da bereits wenige Zehntel Abweichung vom Soll-Federweg des Blechpakets zu einer beachtlichen Änderung der Vorspannkraft führen.
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Bekannt ist es zur Erzielung der geforderten Vorspannung, das Blechpaket durch mehrere axiale Spannschrauben axial zu verspannen. Hierfür sind einerseits mehrere Bohrungen durch das Blechpaket zu führen, andererseits sind lange Spezialschrauben erforderlich, die im elastisch-plastischen Bereich angezogen werden müssen. Aufgrund schwankender Reibungsverhältnisse im Gewinde kommt es zu Schwankungen der Vorspannkraft. Häufig ist auch ein Setzen des Blechpakets und ein damit verbundener Vorspannverlust zu beobachten.
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Alternativ ist die Verwendung einer Wellenmutter zur Erzielung der Vorspannung bekannt. Hierfür sind aufwändige Gewindearbeiten an der Rotorwelle, auf die die Wellenmutter aufgeschraubt wird, erforderlich, da die Rotorwelle hierfür eine Mindestwandstärke aufweisen muss wie auch das Gewinde hochexakt sowohl an der Rotorwelle als auch der Wellenmutter ausgearbeitet werden muss. Auch hier kann es aufgrund schwankender Reibverhältnisse im Gewinde zu Schwankungen der Vorspannung kommen. Daneben ist eine Verdrehsicherung zwingend erforderlich, um die Wellenmutter zu sichern.
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Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, einen demgegenüber verbesserten Rotor anzugeben.
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Zur Lösung dieses Problems ist bei einem Rotor der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass das auf die Rotorwelle aufgeschobene Spannmittel wenigstens ein axial abgestütztes Federelement und wenigstens eine Toleranzausgleichsscheibe umfasst.
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Erfindungsgemäß kommt ein Spannmittel zum Einsatz, das auf die Rotorwelle aufgeschoben ist, mithin also von der Rotorwelle durchsetzt ist. Das Spannmittel umfasst wenigstens ein axial abgestütztes Federelement sowie wenigstens eine Toleranzausgleichsscheibe, das heißt, dass eine Kombination aus einem ringförmigen Federelement und einer Toleranzausgleichsscheibe aufgeschoben wird. Diese Anordnung ist einerseits an einem entsprechenden, wellenseitigen Widerlager abgestützt, andererseits am Blechpaket, entweder unmittelbar oder mittelbar. Über die Toleranzausgleichsscheibe ist ein gewisser Toleranzausgleich innerhalb des Blechpakets möglich, nachdem, wie vorstehend beschrieben, zwei Blechpakete nie identisch die gleiche Länge aufweisen. Von daher kann durch Setzen einer solchen Toleranzausgleichsscheibe zu einem gewissen Grad ein Toleranzausgleich erfolgen, wobei natürlich auch bei größeren Toleranzen mehrere Toleranzausgleichsscheiben axial hintereinander angeordnet werden können. Über das wenigstens eine Federelement wird sodann die Resttoleranz, die letztlich über die eine oder die mehreren Toleranzausgleichsscheiben nicht vollständig ausgeglichen werden kann, ausgeglichen, wobei das Federelement sicherstellt, dass das Blechpaket stets mit der definierten Vorspannung axial verspannt ist und daher die Dichtheit gegeben ist. Denn über das Federelement kann, unabhängig davon, wie groß nun die verbleibende Resttoleranz ist, sichergestellt werden, dass eine Vorspannkraft im definierten Bereich erzeugt wird. Das Blechpaket selbst ist axial gesehen natürlich an einer Seite abgestützt, an der anderen Seite ist die Kombination von Toleranzausgleichsscheibe und Federelement angeordnet, die über ein geeignetes Stützelement, über das das Blechpaket auf der Rotorwelle axial fixiert ist, abgestützt sind.
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Das Federelement selbst ist bevorzugt eine Tellerfeder, wobei nicht nur eine Tellerfeder zur Erzeugung der Vorspannung respektive des Toleranzausgleichs vorgesehen sein kann, sondern, bevorzugt, mehrere axial hintereinander angeordnete, ein Tellerfederpaket bildende Tellerfedern. Durch das Hintereinanderschalten mehrerer solcher Tellerfedern zu einem Paket kann eine sehr hohe axiale Vorspannkraft erzeugt werden, die sicherstellt, dass über diese Vorspannkraft einerseits der Toleranzausgleich erfolgt, andererseits aber auch das Blechpaket stets mit einer gleichen axialen Vorspannung zusammengedrückt wird.
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Um zu vermeiden, dass eine Vielzahl unterschiedliche dicker Toleranzausgleichsscheiben vorzuhalten ist, ist es zweckmäßig, wenn nur Toleranzausgleichsscheiben ein und derselben Dicke oder mit diversen, definierten Dickenstufen vorgesehen sind. Eine Toleranzausgleichsscheibe sollte eine Dicke von 1,0 - 6,0 mm aufweisen. Vorzugsweise sind mehrere Scheiben z.B. in einer 0,5 mm Stufung vorgesehen, also Scheiben mit Dicken von 1,0 mm, 1,5 mm, 2,0 mm, 2,5 mm etc., so dass durch Packen mehrerer in der Dicke gleicher oder auch unterschiedlicher Toleranzausgleichsscheiben der ausreichende Grobausgleich erfolgen und die sich ergebende Summentoleranz durch das Federelement bzw. das Federpaket ausgeglichen werden kann.
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Wie beschrieben ist die Kombination aus der wenigstens einen Toleranzausgleichsscheibe und dem wenigstens einen Federelement, vorzugsweise dem Tellerfederpaket axial abgestützt, wobei über diese Abstützung letztlich das Blechpaket auch an dieser Seite axial in Position gehalten wird. Zweckmäßigerweise kommt hierzu ein auf der Rotorwelle angeordnetes, axial in seiner Position fixiertes Stützelement zum Einsatz, an dem das Federelement, insbesondere die Tellerfeder oder das Tellerfederpaket, oder die Toleranzausgleichsscheibe abgestützt ist. Es wird also ein entsprechendes ringförmiges Stützelement, z.B. ein einfacher Stützring oder eine Hülse, aufgeschoben, das axial positionsfest auf der Rotorwelle angeordnet wird, und das die axiale Abstützung vornimmt. Bevorzugt wird als Stützelement entweder ein Stützring oder eine längere Hülse verwendet, die auf die Rotorwelle aufgeschoben werden. Die axiale Fixierung kann durch eine Form- oder Stoffschlussverbindung, z.B. durch einfaches Verschweißen erfolgen, das heißt, dass ausgeschlossen ist, dass das Stützelement seine axiale Position verändert.
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Die Erfindung zeichnet sich durch eine Reihe von Vorteilen aus. Zum Einen kommen nur einfache Bauteile zum Einsatz, nämlich eine oder mehrere Toleranzausgleichsscheiben und wenigstens ein Federelement, bevorzugt in Form eines Tellerfederpakets, wobei die Federstärke und daraus die erzielbare Vorspannkraft durch entsprechende Auslegung oder Wahl des Federelements respektive des Tellerfederpakets in weiten Bereichen eingestellt werden kann. Durch die Integration der Toleranzausgleichsscheibe und insbesondere des Federelements respektive des Tellerfederpakets ist ein vollständiger Toleranzausglich zur Gewährleistung eines definierten Vorspannkraftbereichs möglich, wie auch sich etwaige im Betrieb durch eine Erwärmung des Rotors ergebende Längenänderungen, die zu erneuten Toleranzen führen würden, komplett ausgeglichen werden können, ohne dass es zu einer Änderung der axialen Vorspannkraft kommt. Da es sich um einen reinen zentrischen Aufbau mit aufgeschobenen Elementen handelt, die über ein ebenfalls aufgeschobenes und axial form- oder stoffschlüssig, z.B. durch Verschweißen festgelegtes Stützelement in ihrer Position fixiert sind, sind keine aufwändigen Arbeiten zur Ausbildung von Gewinden etc. erforderlich, sodass auch hieraus resultierende Nachteile in Bezug auf die gleichmäßige Einstellung der Vorspannkraft nicht gegeben sind.
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Neben dem Rotor selbst betrifft die Erfindung ferner eine elektrische Maschine, umfassend einen Rotor der vorstehend beschrieben Art.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, umfassend eine solche elektrische Maschine, die im Fahrzeug bevorzugt als Antriebsaggregat für den Vortrieb vorgesehen ist.
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Die Figur zeigt einen erfindungsgemäßen Rotor 1, mit einer Rotorwelle 2, auf der ein Blechpaket 3 bestehend aus einer Vielzahl einzelner, axial hintereinander angeordneter Bleche aufgeschoben ist. Die Bleche weisen eine Dicke im Bereich weniger Zehntel Millimeter auf, zumeist im Bereich von ca. 0,25-0,3 mm, wobei natürlich die Blechdicke so homogen wie möglich über die Gesamtzahl der mehreren 100 bis über 1000 einzelnen Bleche sein sollte. Da die Blechdicke natürlich nicht über alle Bleche konstant ist, ergibt sich zwangsläufig von Blechpaket zu Blechpaket eine gewisse Längenvariation, die durch Addition der Einzeltoleranzen mehrere Millimeter ausmachen kann. Diese Längenvariation gilt es auf einfache Weise auszugleichen, gleichzeitig aber auch eine axiale Verspannung des Blechpakets mit einer Mindestflächenpressung zwischen zwei benachbarten Blechen sicherzustellen, sodass eine radiale Dichtheit gegeben ist und ein radialer Kühlmitteldurchfluss durch das Blechpaket ausgeschlossen ist.
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Der Rotor 1 weist eine auf die Rotorwelle 2 aufgesetzte Anschlaghülse 4 auf, die über eine Form- oder Stoffschlussverbindung 5 axial positionsfixiert ist. Statt der Anschlaghülse 4 wäre auch die Fixierung eines einfachen Anschlagrings denkbar. An der Anschlaghülse 4 liegt eine Wuchtscheibe 6 axial abgestützt an, an der wiederum axial das Blechpaket 3 abgestützt ist.
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Auf der gegenüberliegenden Seite des Blechpakets 3 ist eine zweite Wuchtscheibe 7 angeordnet, der ein Spannmittel 8 folgt, über das der gesamte Aufbau einerseits axial verspannt wird, gleichzeitig aber auch die definierte Vorspannkraft erzeugt wird, wie auch der Längentoleranzausgleich erwirkt wird.
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Zu diesem Zweck weist das Spannmittel 8 wenigstens eine Toleranzausgleichsscheibe 9 auf, die auf die Rotorwelle 2 aufgeschoben ist. Die Toleranzausgleichsscheibe, die beispielsweise eine Dicke von z. B. 0,5 mm aufweist, und von der beispielsweise bei größeren Toleranzen auch zwei oder drei gesetzt werden können, ermöglicht einen groben Längentoleranzausgleich, das heißt, dass die Ist-Längenvarianz hierüber zu einem beachtlichen Teil bereits ausgeglichen ist.
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Der wenigstens einen Toleranzausgleichsscheibe 9 folgt ein Federelement 10 hier in Form eines Tellerfederpakets 11, das einerseits für die Erzeugung der axialen Verspannung respektive Verspannkraft verantwortlich ist, über die die Mindestflächenpressung zwischen den einzelnen Blechen erreicht wird, das aber zum anderen auch für den feinen Resttoleranzausgleich sorgt, sodass sichergestellt ist, dass trotz gegebener Längentoleranz im Blechpaket 3 eben die Mindestvorspannung über das Blechpaket 3 erreicht wird.
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Das Tellerfederpaket 11 ist axial über ein Stützelement 12 hier in Form einer Hülse 13 abgestützt, die axial auf das Tellerfederpaket 11 drückt und dieses demzufolge komprimiert, sodass das Blechpaket 3 axial zusammengedrückt wird. Die Hülse 13 ist axial positionsfest auf der Rotorwelle 2 angeordnet, beispielsweise über eine Form- oder Stoffschlussverbindung 14.
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Das Blechpaket 3 ist mit einer Vielzahl von axial laufenden Kanälen durchzogen, die im Detail nicht näher dargestellt ist, durch die aber ein Kühlmittel, nämlich ein Kühlöl, geführt wird. Das Öl wird durch die hohle Rotorwelle 2, von der Seite der Innenverzahnung 15 her kommend über eine nicht näher gezeigte, in die hohle Rotorwelle 2 greifende Lanze zugeführt, von wo es über mehrere Radialbohrungen 16 zur rechts gezeigten Wuchtscheibe 6 hin austritt, die einen entsprechenden Freistich 17 aufweist, in den das Öl eintritt, siehe Pfeil P1. Mit dem Freistich 17 kommunizieren die radial innen liegenden Kanäle, von denen exemplarisch ein Kanal 18 gezeigt ist. Das heißt, dass das zugeführte Öl in die radial innen liegenden Kanäle 18 eintritt und durch das Blechpaket 3 strömt, bis hin zu in der linken Wuchtscheibe 7 ausgebildeten, sich radial erstreckenden Taschen 19, von denen ebenfalls mehrere vorgesehen sind, wobei mehrere Kanäle in einer Tasche 19 münden können. Beispielsweise ist jede zweite Tasche 19 axial gesehen an ihren radial äußeren Ende zur Seite hin offen, sodass, wie durch den Pfeil P2 gezeigt, das Öl dortseits austreten kann. Die geschlossenen Taschen 19 münden in radial weiter außen liegende Kanäle 20, von denen ebenfalls einer exemplarisch gezeigt ist. Diese Kanäle 20 laufen wieder zur Seite der Wuchtscheibe 6 zurück und treten an der Wuchtscheibe 6 aus, sodass auch an dieser Seite, wie durch den Pfeil P3 gezeigt ist, das Öl austreten kann.
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Es ist offensichtlich, dass das Blechpaket 3 sehr fest respektive mit einer definierten Mindestspannkraft axial zusammengepresst werden muss, sodass zwischen allen einzelnen Blechen eine Mindestflächenpressung gegeben ist, die sicherstellt, dass die Kanäle 18, 20 radial gesehen abgedichtet sind, sodass verhindert wird, dass bei den zum Teil sehr hohen Drehzahlen des Rotors 1 das Öl nicht durch das Blechpaket 3 radial nach außen treten kann. Eine Mindestflächenpressung von 10 kN/mm2 ist üblich. Diese Mindestflächenpressung kann durch Integration der erfindungsgemäßen Kombination aus Toleranzausgleichsscheibe 9 und Tellerfederpaket 11 eingestellt werden, da hierüber quasi ein zweistufiger Ausgleich der Längentoleranz des Blechpakets 3 erfolgen kann. Denn wie beschrieben gleicht die eine oder gleichen die mehreren Toleranzausgleichsscheiben 9 die gegebene Ist-Toleranz grob aus, also zu einem großen Teil, während über das Tellerfederpaket 11 die Resttoleranz ausgeglichen werden und die erforderliche Vorspannkraft aufgebracht wird.
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Im Rahmen der Montage wird beispielsweise bei senkrecht stehender Rotorwelle 15 nach Befestigen der Anschlaghülse 4 die Wuchtscheibe 6 von oben aufgeschoben, wonach die einzelnen Bleche oder mehrere entsprechend vorgefertigte Einzelblechpakete aufgeschoben werden, bis das Blechpaket 3 positioniert ist. Anschließend wird die zweite Wuchtscheibe 7 gesetzt. Es erfolgt über eine geeignete Presse ein axiales Zusammenpressen der bisherigen Anordnung mit einer definierten Presskraft, die mit Erreichen gehalten wird. Hieran schließt sich eine Vermessung der Länge des Blechpakets 3 an und damit eine Bestimmung der Längentoleranz. Je nach Toleranzwert wird dann die eine oder werden die mehreren Toleranzausgleichsscheiben 9 gesetzt sowie das Tellerfederpaket 11. Auf das Tellerfederpaket 11 wird sodann die Hülse 13 aufgeschoben und mit einer definierten Kraft gegen das Tellerfederpaket 11 gepresst, sodass dieses komprimiert wird, wonach die Hülse 13 in der Endposition axial beispielsweise durch die Form- oder Stoffschlussverbindung 14 fixiert wird.
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Das heißt, dass insgesamt ein vollständig zentrischer Aufbau gegeben ist, auch was das Spannmittel 8 angeht, umfassend zumindest die eine oder mehreren Toleranzausgleichsscheiben 9 sowie das Federelement 10 respektive das Tellerfederpaket 11.
