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Die Erfindung betrifft ein Blechpaket für einen Rotor einer elektrischen Maschine. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Herstellen eines Blechpakets, einen Rotor sowie eine elektrische Maschine.
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Vorliegend richtet sich das Interesse auf elektrische Maschinen, welche beispielsweise als Traktionsmaschinen für elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge, also Elektro- oder Hybridfahrzeuge, eingesetzt werden können. Solche Maschinen weisen üblicherweise einen ortsfest gelagerten Stator sowie einen bezüglich des Stators drehbar gelagerten Rotor auf. Sowohl der Rotor als auch der Stator können Blechpakete aufweisen, welche zum Leiten eines magnetischen Flusses eines magnetfelderzeugenden Systems, beispielsweise einer Spule bzw. Wicklung oder eines Permanentmagneten, ausgelegt sind. Die Blechpakete bestehen üblicherweise aus einer Vielzahl von axial gestapelten, magnetisch leitfähigen Blechlamellen. Insbesondere an das Blechpaket des Rotors werden aufgrund von geforderten Leistungsdichten und damit hohen Drehzahlen hohe mechanische Anforderungen gestellt. Zudem soll das Blechpaket des Rotors möglichst gute magnetische Eigenschaften zum Leiten des magnetischen Flusses des magnetfelderzeugenden Systemsaufweisen. Der dadurch entstehende Kompromiss aus möglichst guten magnetischen und zugleich möglichst guten mechanischen Eigenschaften führt in der Regel dazu, dass weder magnetische noch mechanische Eigenschaften ein Optimum zulassen, da jedwede Optimierung mechanischer Eigenschaften der Optimierung magnetischer Eigenschaften entgegensteht und umgekehrt.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Rotor mit hoher mechanischer Festigkeit bereitzustellen, welcher einfach und kostengünstig zu fertigen ist und welcher zudem gute magnetische Eigenschaften aufweist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Blechpaket, ein Verfahren zum Herstellen eines Blechpakets, einen Rotor sowie eine elektrische Maschine gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
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Ein erfindungsgemäßes Blechpaket für einen Rotor einer elektrischen Maschine weist zumindest einen ersten Blechpaketabschnitt aus axial gestapelten ersten Blechlamellen und zumindest einen zweiten Blechpaketabschnitt aus axial gestapelten zweiten Blechlamellen auf. Der zumindest eine erste Blechpaketabschnitt und der zumindest eine zweite Blechpaketabschnitt sind axial gestapelt und zu dem Blechpaket verbunden. Die zweiten Blechlamellen weisen zum Verbessern von mechanischen Eigenschaften des zumindest einen zweiten Blechpaketabschnitts gegenüber dem zumindest einen ersten Blechpaketabschnitt eine höhere mechanische Festigkeit auf als die ersten Blechlamellen.
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Bei einem Verfahren zum Herstellen eines Blechpakets für einen Rotor einer elektrischen Maschine werden zumindest ein erster Blechpaketabschnitt durch axiales Stapeln von ersten Blechlamellen, welche eine erste mechanische Festigkeit aufweisen, und zumindest ein zweiter Blechpaketabschnitte durch axiales Stapeln von zweiten Blechlamellen bereitgestellt, welche zum Verbessern von mechanischen Eigenschaften des zumindest einen zweiten Blechpaketabschnitts gegenüber dem zumindest einen ersten Blechpaketabschnitt eine im Vergleich zur ersten mechanischen Festigkeit höhere zweite mechanische Festigkeit aufweisen. Der zumindest eine erste Blechpaketabschnitt und der zumindest eine zweite Blechpaketabschnitte werden axial zu dem Blechpaket gestapelt und verbunden.
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Die Erfindung betrifft ferner einen Rotor für eine elektrische Maschine mit einem erfindungsgemäßen Blechpaket und mit einem magnetfelderzeugenden System, welches von dem Blechpaket gehalten wird. Eine erfindungsgemäße elektrische Maschine weist einen erfindungsgemäßen Rotor auf. Die elektrische Maschine ist insbesondere eine Traktionsmaschine für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug. Die elektrische Maschine kann beispielsweise eine permanenterregte Synchronmaschine (PSM), eine stromerregte Synchronmaschine (SSM) oder eine Asynchronmaschine (ASM) sein. Vorzugsweise ist die elektrische Maschine eine stromerregte Synchronmaschine, sodass das magnetfelderzeugende System des Rotors als bestrombare Erregerwicklungen ausgebildet ist, welche von dem Blechpaket gehalten werden. In diesem Fall kann das Blechpaket axial verlaufende Nuten aufweisen, in welchen die Wicklungen angeordnet sind. Weiter vorzugsweise kann die elektrische Maschine eine Asynchronmaschine sein, sodass der Rotor als ein Käfigläufer ausgebildet ist, welcher als das magnetfelderzeugende System einen Käfig aus kurgeschlossenen, von dem Blechpaket gehaltenen Metallstäben aufweist. Die Metallstäbe können beispielsweise in Nuten oder Durchgangsöffnungen des Blechpakets eingegossen und kurzgeschlossen sein.
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Das Blechpaket, welches zum Führen bzw. Leiten eines magnetischen Flusses des magnetfelderzeugenden Systems und insbesondere auch zum Halten des magnetfelderzeugenden Systems ausgebildet ist, wird dabei aus unterschiedlichen Blechpaketabschnitten bzw. Einzelblechpaketen gefertigt, welche wiederum aus einzelnen Blechlamellen hergestellt sind. Die Blechlamellen sind dabei insbesondere aus einem weichmagnetischen Werkstoff gebildet. Beispielsweise können die jeweiligen Blechpaketabschnitte durch Stanzpaketieren aus den Blechlamellen gefertigt werden. Dazu werden die Blechlamellen aus einem Blechband ausgestanzt, entlang einer Stapelrichtung axial gestapelt und gefügt. Die Stapelrichtung erstreckt sich dabei entlang einer Rotationsachse bzw. Längsachse des Rotors.
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Die Blechpaketabschnitte unterscheiden sich dabei in ihren mechanischen und insbesondere auch in ihren magnetischen Eigenschaften. Dadurch weist das Blechpaket in axialer Richtung unterschiedliche mechanische und magnetische Eigenschaften auf. Der zumindest eine erste Blechpaketabschnitt weist dabei die erste mechanische Festigkeit auf und der zumindest eine zweite Blechpaketabschnitt weist die im Vergleich zur ersten mechanischen Festigkeit höhere zweite mechanische Festigkeit auf. Dazu weisen die Bleche, aus welchen die Blechlamellen hergestellt sind, beispielsweise unterschiedliche Blechgüten auf. Die ersten Blechlamellen sind insbesondere aus einem sogenannten „Automotiveblech“ gefertigt, während die zweiten Blechlamellen aus einem sogenannten „Polblech“ bzw. „Industrieblech“ gefertigt sind.
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Die mechanische Festigkeit der Blechlamellen ist dabei insbesondere durch eine Dehngrenze und eine Zugfestigkeit definiert. Die ersten Blechlamellen mit der ersten mechanischen Festigkeit weisen dabei eine erste Dehngrenze und eine erste Zugfestigkeit auf. Die zweiten Blechlamellen mit der im Vergleich zur ersten mechanischen Festigkeit größeren zweiten mechanischen Festigkeit weisen eine im Vergleich zur ersten Dehngrenze größere zweite Dehngrenze und eine im Vergleich zur ersten Zugfestigkeit größere zweite Zugfestigkeit auf. Beispielsweise weisen die ersten Blechlamellen eine erste Dehngrenze von zumindest 300 MPa und eine erste Zugfestigkeit von zumindest 450 MPa auf. Die zweiten Blechlamellen weisen beispielsweise eine zweite Dehngrenze von 700 MPa und eine zweite Zugfestigkeit von zumindest 500 MPa auf. Durch diese gegenüber dem zumindest einen ersten Blechpaketabschnitt verbesserten mechanischen Eigenschaften weist der zumindest eine zweite Blechpaketabschnitt eine höhere Belastbarkeit gegenüber mechanischen Beanspruchungen auf als der zumindest eine erste Blechpaketabschnitt. Der zweite Blechpaketabschnitt wird daher insbesondere in denjenigen axialen Bereichen des Blechpakets angeordnet, welche einer höheren mechanischen Belastung ausgesetzt sind.
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Durch das Einfügen von Blechpaketabschnitten, welche eine höhere mechanische Festigkeit aufweisen, kann die mechanische Festigkeit des Rotors auf einfache und kostengünstige Weise erhöht werden, sodass er den mechanischen Anforderungen, beispielsweise hohen Drehzahlen, genügt.
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Vorzugsweise weist der zumindest eine erste Blechpaketabschnitt gegenüber dem zumindest einen zweiten Blechpaketabschnitt verbesserte magnetische Eigenschaften auf. Beispielsweise weist der zumindest eine erste Blechpaketabschnitt dazu geringere Ummagnetisierungsverluste auf als der zumindest eine zweite Blechpaketabschnitt. Der zumindest eine erste Blechpaketabschnitt ist also hinsichtlich der magnetischen Eigenschaften optimiert und der zumindest eine zweite Blechpaketabschnitt ist hinsichtlich der mechanischen Eigenschaften optimiert. Dabei übernimmt der zumindest eine erste Blechpaketabschnitt hauptsächlich die Aufgabe der magnetischen Flussführung. Der zumindest eine zweite Blechpaketabschnitt verleiht dem Rotor die zusätzliche mechanische Festigkeit und kann dennoch einen Teil des magnetischen Flusses führen. Das resultierende Blechpaket weist also in vorteilhafter Weise gute magnetische sowie gute mechanische Eigenschaften auf.
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In einer Ausführungsform der Erfindung weist das Blechpaket zumindest zwei erste Blechpaketabschnitte und zumindest zwei zweite Blechpaketabschnitte auf, wobei jeweils ein erster Blechpaketabschnitt und ein zweiter Blechpaketabschnitt axial abwechselnd angeordnet sind. Die ersten Blechpaketabschnitte und die zweiten Blechpaketabschnitte können dabei dieselbe Dicke, beispielsweise in etwa 20 mm, aufweisen und entlang der Stapelrichtung abwechselnd zueinander angeordnet sein, sodass das Blechpaket in äquidistanten Bereichen abwechselnd die erste und die zweite mechanische Festigkeit aufweist.
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In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist das Blechpaket zumindest einen ersten Blechpaketabschnitt und zwei zweite Blechpaketabschnitte aufweist, wobei der erste Blechpaketabschnitt zwischen den zweiten Blechpaketabschnitten angeordnet ist und die zweiten Blechpaketabschnitte axial gegenüberliegende Stirnseiten des Blechpakets ausbilden. Diese Ausführungsform ist insbesondere bei stromerregten Synchronmaschinen vorteilhaft, bei welchen sich an den Stirnseiten des Blechpakets Wickelköpfe der Erregerwicklungen, Vergussmaterial und/oder Haltevorrichtungen, beispielsweise sternförmige Endscheiben bzw. Sternscheiben, für die Wickelköpfe befinden. Die Erregerwicklungen sind dabei üblicherweise in axial verlaufenden Nuten des Blechpakets angeordnet, wobei über die Stirnseiten hinausragende Abschnitte der Erregerwicklungen die Wickelköpfe ausbilden. Diese Stirnseiten sind im Rotor üblicherweise mechanisch am schwächsten und können somit durch Ausbilden dieser Stirnseiten mittels der zweiten Blechpaketabschnitte mechanisch verstärkt werden.
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Die mit Bezug auf das erfindungsgemäße Blechpaket vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Verfahren, für den erfindungsgemäßen Rotor sowie für die erfindungsgemäße elektrische Maschine.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
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Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Rotors für eine elektrische Maschine; und
- 2 eine schematische Darstellungen einer zweiten Ausführungsform eines Rotors.
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In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt einen Rotor 1 für eine elektrische Maschine, insbesondere eine stromerregte Synchronmaschine (SSM), welche als Traktionsmaschine für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug eingesetzt werden kann. Der Rotor 1 weist ein Blechpaket 2, ein magnetfelderzeugendes System 3 sowie eine Rotorwelle 4 auf, welche sich axial durch das Blechpaket 2 entlang einer Rotationsachse R des Rotors 1 erstreckt. Das magnetfelderzeugende System 3 ist hier durch bestrombare Erregerwicklungen gebildet, welche an axial einander gegenüberliegenden Enden bzw. Stirnseiten 5 des Blechpakets 2 Wickelköpfe 6 ausbilden. Die Wickelköpfe 6 sind hier in eine Vergussmasse 7 eingegossen bzw. eingebettet und durch eine Endscheibe 8 gestützt Die Wickelköpfe 6, die Vergussmasse 7 und die Endscheiben 8 bilden hier eine mechanische Peripherie 9 des Rotors 1 aus.
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In Bereichen dieser mechanischen Peripherie 9 ist der Rotor 1 üblicherweise am schwächsten ausgebildet, was insbesondere bei hohen Drehzahlen des Rotors 1 problematisch sein kann. Daher sind diese Bereiche hier mechanisch verstärkt. Dazu weist das Blechpaket 2 unterschiedliche Blechpaketabschnitte 2a, 2b auf. Die Blechpaketabschnitte 2a, 2b sind dabei durch axial entlang der Rotorwelle 4 gestapelte Blechlamellen gebildet. Ein erster Blechpaketabschnitt 2a ist dabei durch axial gestapelte erste Blechlamellen gebildet und ein zweiter Blechpaketabschnitt 2b ist durch axial gestapelte zweite Blechlamellen gebildet. Die Blechpaketabschnitte 2a, 2b unterscheiden sich dabei in ihren mechanischen Eigenschaften und ihren magnetischen Eigenschaften. Die zweiten Blechpaketabschnitte 2b weisen dabei bessere mechanische Eigenschaften, aber schlechtere magnetische Eigenschaften auf als der erste Blechpaketabschnitt 2a.
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Dazu sind die ersten Blechlamellen insbesondere aus einem Blech erster Blechgüte gebildet, welches eine erste mechanische Festigkeit aufweist, und die zweiten Blechlamellen sind aus einem Blech zweiter Blechgüte gebildet, welches eine im Vergleich zur ersten mechanischen Festigkeit höhere zweite mechanische Festigkeit aufweist. Das Blech erster Blechgüte weist jedoch bessere magnetische Eigenschaften, beispielsweise geringere Ummagnetisierungsverluste, auf als das Blech zweiter Blechgüte. Der erste Blechpaketabschnitt 2a ist also dazu ausgelegt, einen magnetischen Fluss des magnetfelderzeugenden Systems 3 möglichst gut führen zu können, während die zweiten Blechpaketabschnitte 2b die mechanische Stabilität des Blechpakets 2 erhöhen. Die zweiten Blechpaketabschnitte 2b bilden hier die Stirnseiten 5 des Blechpakets 2 aus, welche an die mechanische Peripherie 9 angrenzen. Der erste Blechpaketabschnitt 2a liegt zwischen den zwei zweiten Blechpaketabschnitten 2b.
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In 2 ist eine weitere Ausführungsform des Rotors 1 gezeigt. Hier weist das Blechpaket 2 mehrere erste Blechpaketabschnitte 2a und mehrere zweite Blechpaketabschnitte 2b auf, welche axial abwechselnd gestapelt sind. Die ersten Blechpaketabschnitte 2a weisen jeweils die gleiche Dicke auf und die zweiten Blechpaketabschnitte 2b weisen jeweils die gleiche Dicke auf, sodass sich die Blechpaketabschnitte 2a, 2b äquidistant abwechseln.
