DE102021002940A1

DE102021002940A1 - Verfahren zum Herstellen eines Rotors für eine Axialflussmaschine

Info

Publication number: DE102021002940A1
Application number: DE102021002940.2A
Authority: DE
Inventors: Thomas Albrecht; Stephan Doenges; Mike Fuchslocher; Hristian Naumoski
Original assignee: Mercedes Benz Group AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2021-06-09
Filing date: 2021-06-09
Publication date: 2022-12-15
Also published as: WO2022258314A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors (10) für eine Axialflussmaschine, bei welchem eine Nabe (12), mittels welcher der Rotor (10) drehmomentübertragend mit einer Welle verbindbar ist, ein separat von der Nabe (12) ausgebildetes Trägerelement (16) und Magneten (18), welche separat voneinander, separat von der Nabe (12) und separat von dem Trägerelement (16) ausgebildet sind, jeweils zumindest bereichsweise mit einem Kunststoff (20) angespritzt und dadurch miteinander verbunden werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors für eine Axialflussmaschine.
Die EP 2 355 313 A1 offenbart eine Axialflussmaschine, mit einem Rotor, welcher um eine Drehachse drehbar ist, und mit einem Stator, welcher in axialer Richtung dem Rotor gegenüberliegt. Des Weiteren ist aus der US 2010/0090555 A1 sowie aus der WO 2018/015293 A1 beziehungsweise der EP 3 485 558 A1 eine Axialflussmaschine bekannt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zu schaffen, mittels welchem ein Rotor für eine Axialflussmaschine besonders zeit- und kostengünstig hergestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors für eine Axialflussmaschine, insbesondere für ein Kraftfahrzeug. Bei dem Verfahren werden eine Nabe, mittels welcher der Rotor drehmomentübertragend, insbesondere drehfest, mit einer Welle der Axialflussmaschine, insbesondere des Rotors, verbindbar ist, ein separat von der Nabe ausgebildetes Trägerelement und Magneten, insbesondere Permanentmagneten, welche separat voneinander, separat von der Nabe und separat von dem Trägerelement ausgebildet sind, jeweils zumindest bereichsweise mit einem Kunststoff angespritzt, insbesondere mit dem Kunststoff umspritzt, und dadurch miteinander verbunden. Vorzugsweise sind die Nabe, das Trägerelement und die Magneten jeweilige, separat voneinander ausgebildete Festkörper, die beispielsweise bei dem Verfahren in einem Werkzeug, insbesondere in einem Spritzgusswerkzeug beziehungsweise in einer Spritzgussmaschine, angeordnet werden. Mittels des Werkzeugs und insbesondere während die Nabe, die Magneten und das Trägerelement in dem Werkzeug angeordnet sind, wird ein Spritzgussverfahren, insbesondere ein Kunststoff-Spritzgussverfahren, durchgeführt, wodurch der Kunststoff, insbesondere in flüssigem Zustand, an die Nabe, das Trägerelement und Magneten angespritzt wird. Daraufhin härtet der zunächst flüssige Kunststoff aus, sodass der Kunststoff einen beispielsweise zumindest im Wesentlichen scheibenförmigen Rotorträger bildet, über welchen die Nabe, das Trägerelement und die Magneten miteinander verbunden sind. Mit anderen Worten sind in vollständig hergestelltem Zustand des Rotors die Nabe, das Trägerelement und die Magneten mit dem Rotorträger verbunden beziehungsweise umgekehrt und somit an dem Rotorträger gehalten.
Das Trägerelement kann dabei beispielsweise als Rotorblechpaket ausgeführt werden und insbesondere durch Paketierung von Blechlagen hergestellt werden. Das entsprechende Blechpaket kann dabei nur durch Stanzpaketierung miteinander verbunden werden oder die Blechlagen können auch durch einen weiteren Herstellungsschritt zusätzlich miteinander verbunden werden, wie beispielsweise verbacken, insbesondere mit Backlack, verschweißen, verschrauben, verklemmen oder auf sonstige Weise mit weiteren Mitteln fixiert werden.
Der mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellte Rotor kann besonders vorteilhaft für einen beziehungsweise in einem Antriebsstrang eines insbesondere als Kraftwagen, vorzugsweise als Personenkraftwagen, ausgebildeten Kraftfahrzeugs verwendet werden, sodass beispielsweise mittels der den Rotor umfassenden Axialflussmaschine das Kraftfahrzeug, insbesondere rein, elektrisch angetrieben werden kann. Insbesondere können der Rotor und die mit dem Rotor ausgestattete, als elektrische Maschine ausgebildete Axialflussmaschine für performante Antriebstechnologien mit besonders hoher Leistungs- und Drehmomentdichte verwendet werden. Der Erfindung liegen dabei insbesondere die folgenden Erkenntnisse zugrunde: Bei der Entwicklung eines Elektromotors kann eines der Hauptziele eine hohe Leistungs- und Drehmomentdichte sein bei gleichzeitig vorteilhaftem Wirkungsgrad und geringem Ressourcenverbrauch. Dabei ist es wünschenswert, sowohl die mechanischen als auch die thermischen Grenzen soweit wie möglich auszunutzen. Zudem ist es möglichst einfacher Montageprozess mit geringer Prozesszeit und Bauteilvielfalt anzustreben. Dies kann durch die Erfindung realisiert werden.
Üblicherweise können stoff- und/oder formschlüssige Verbindungstechnologien zum Einsatz kommen, was zu einer hohen Prozessanzahl, zu langen Prozesszeiten und zu einem hohen Materialeinsatz und schließlich zu hohen Kosten führen kann. Diese Nachteile und Probleme können durch die Erfindung vermieden werden. Insbesondere ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren den entfall komplexer und kraft- und formschlüssiger Verbindungstechnologien, da die Magnete, die Nabe und das beispielsweise als Joch ausgebildete oder auch als Joch bezeichnete Trägerelement mit dem Kunststoff angespritzt, insbesondere jeweils zumindest bereichsweise mit dem Kunststoff umspritzt und dadurch miteinander verbunden werden. Für eine weitere leistungsgesteigerte Variante ermöglicht eine Bandage eine Abstützung von Fliehkraft. Im Weiteren ermöglichen Kavitäten und optimierte Formgestaltungen eine weitere Drehmomentsteigerung. Ferner kann das erfindungsgemäße Verfahren besonders kostengünstig durchgeführt werden. Insbesondere können durch die Erfindung die folgenden Vorteile realisiert werden:

- schnell arbeitendes Verfahren für die Anfertigung von Präzisionsteilen
- Reduktion der Anzahl von Verbindungstechnologien
- flexibel in der Formgebung
- vollständig automatisierbar

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. 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, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:

1 eine schematische Perspektivansicht einer Nabe, von Magneten und eines Trägerelements, aus welchen eine erste Ausführungsform eines Rotors für eine Axialflussmaschine hergestellt wird;
2 eine schematische Perspektivansicht des Rotors gemäß der ersten Ausführungsform;
3 eine schematische und teilweise geschnittene Perspektivansicht des Rotors gemäß der ersten Ausführungsform;
4 eine schematische und teilweise geschnittene Perspektivansicht einer zweiten Ausführungsform des Rotors;
5 eine schematische und teilweise geschnittene Perspektivansicht der Nabe, der Magneten und des Trägerelements für eine dritte Ausführungsform des Rotors;
6 ausschnittsweise eine schematische und geschnittene Perspektivansicht des Trägerelements und eines der Magneten gemäß 5;
7 eine schematische Perspektivansicht des Rotors gemäß der dritten Ausführungsform;
8 eine schematische Perspektivansicht der Nabe, der Magneten und des Trägerelements für eine vierte Ausführungsform des Rotors;
9 ausschnittsweise eine schematische Perspektivansicht des Trägerelements und eines der Magneten gemäß 8;
10 ausschnittsweise eine schematische und teilweise geschnittene Perspektivansicht des Rotors gemäß der vierten Ausführungsform;
11 eine schematische Perspektivansicht der Nabe, des Trägerelements und der Magneten für eine fünfte Ausführungsform des Rotors;
12 ausschnittsweise eine schematische und teilweise geschnittene Perspektivansicht des Rotors gemäß der fünften Ausführungsform;
13 eine schematische Perspektivansicht der Nabe und des Trägerelements für eine sechste Ausführungsform des Rotors;
14 eine schematische Perspektivansicht der Nabe gemäß 13, die durch einen durch Kunststoff-Spritzgießen hergestellten Rotorträger mit dem Trägerelement gemäß 13 verbunden ist;
15 eine schematische Perspektivansicht des Rotors gemäß der sechsten Ausführungsform;
16 eine schematische und teilweise geschnittene Perspektivansicht einer Baueinheit für eine siebte Ausführungsform des Rotors;
17 eine schematische Perspektivansicht des Rotors gemäß der siebten Ausführungsform;
18 eine schematische Perspektivansicht des Trägerelements für eine achte Ausführungsform des Rotors;
19 eine schematische Explosionsansicht einer Baueinheit für den Rotor gemäß der achten Ausführungsform;
20 eine schematische Perspektivansicht der Baueinheit gemäß 19;
21 eine schematische Perspektivansicht des Trägerelements für eine neunte Ausführungsform des Rotors;
22 eine schematische Explosionsansicht einer Baueinheit für den Rotor gemäß der neunten Ausführungsform;
23 eine schematische Perspektivansicht der Baueinheit gemäß 22;
24 eine schematische Perspektivansicht der Nabe und des Trägerelements entsprechend der sechsten Ausführungsform des Rotors gemäß 13 mit einem Versteifungselement in einer Explosionsdarstellung; und
25 eine schematische Perspektivansicht der Nabe mit dem Rotorträger und dem Trägerelement gemäß 14 mit einem Versteifungselement in einer Explosionsdarstellung.

In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Anhand von 1 bis 3 werden eine erste Ausführungsform eines Rotors 10 (1 und 2) für eine Axialflussmaschine sowie eine erste Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen des Rotors 10 beschrieben. Die Axialflussmaschine ist eine elektrische Maschine, welche beispielsweise in einem Antriebsstrang für ein insbesondere als Kraftwagen und ganz insbesondere als Personenkraftwagen, ausgebildetes Kraftfahrzeug verwendet werden kann, derart, dass das Kraftfahrzeug mittels der elektrischen Maschine, insbesondere rein, elektrisch angetrieben werden kann. In ihrem vollständig hergestellten Zustand weist die Axialflussmaschine wenigstens einen Stator und wenigstens einen Rotor in Form des Rotors 10 auf, wobei der Stator und der Rotor 10 in axialer Richtung der Axialflussmaschine aufeinanderfolgend beziehungsweise nebeneinander angeordnet sind, insbesondere derart, dass in axialer Richtung der Axialflussmaschine zwischen dem Rotor 10 und dem Stator ein Luftspalt angeordnet ist. Dabei ist der Rotor 10 um eine in axialer Richtung der Axialflussmaschine verlaufende Drehachse relativ zu dem Stator drehbar, sodass die Axialflussmaschine über ihren Rotor 10 Drehmomente zum, insbesondere rein, elektrischen Antreiben des Kraftfahrzeugs bereitstellen kann.
3 zeigt den Rotor 10 in einer schematischen und teilweise geschnittenen Perspektivansicht. Wie aus 3 erkennbar ist, umfasst der Rotor 10 eine Nabe 12, welche eine vorliegend als Durchgangsöffnung ausgebildete Aufnahme 14 aufweist. In der Aufnahme 14 kann zumindest ein Längenbereich einer Welle der Axialflussmaschine angeordnet werden, sodass der Rotor 10 über die Nabe 12 beziehungsweise mittels der Nabe 12 drehmomentübertragen, insbesondere drehfest, mit dem Längenbereich der Welle und somit mit der Welle verbunden werden kann. Dadurch kann die Axialflussmaschine über die Welle das jeweilige Drehmoment zum Antreiben des Kraftfahrzeugs bereitstellen. Der Rotor 10 umfasst außerdem ein auch als Joch bezeichnetes oder als Joch ausgebildetes Trägerelement 16, welches auch als Kern oder Trägerkern bezeichnet wird. Die Nabe 12 und das Trägerelement 16 sind als Festkörper sowie als separat voneinander ausgebildete Komponenten ausgebildet.
Das Trägerelement 16 kann dabei beispielsweise als Rotorblechpaket ausgeführt werden und insbesondere durch Paketierung von Blechlagen hergestellt werden. Das entsprechende Blechpaket kann dabei nur durch Stanzpaketierung miteinander verbunden werden oder die Blechlagen können auch durch einen weiteren Herstellungsschritt zusätzlich miteinander verbunden werden, wie beispielsweise verbacken, insbesondere mit Backlack, verschweißen, verschrauben, verklemmen oder auf sonstige Weise mit weiteren Mitteln fixiert werden.
Des Weiteren umfasst der Rotor 10 Magneten 18, welche beispielsweise als Permanentmagneten ausgebildet sind. Auch die Magneten 18 sind Festkörper. Die Magneten 18 sind separat voneinander, separat von dem Trägerelement 16 und separat von der Nabe 12 ausgebildet, welche separat von dem Trägerelement 16 ausgebildet sind. Insbesondere ist es denkbar, dass die Magneten 18 das Trägerelement 16 jeweils direkt berühren, insbesondere ist es denkbar, dass die Magneten 18 Oberflächenmagneten sind, welche vollständig außerhalb des Trägerelements 16, mithin in kleinen Ausnehmungen des Trägerelements 16 angeordnet sind.
Bei dem Verfahren werden die Nabe 12, das separat von der Nabe 12 ausgebildete Trägerelement 16, sowie die separat voneinander, separat von der Nabe 12 und separat von dem Trägerelement 16 ausgebildeten Magneten 18 jeweils zumindest bereichsweise mit einem Kunststoff 20 angespritzt, insbesondere beispielsweise zumindest bereichsweise mit dem Kunststoff 20 umspritzt. Hierzu werden beispielsweise die Nabe 12, das Trägerelement 16 und die Magneten 18 in ein Spritzgusswerkzeug eingelegt, insbesondere wie es in 1 veranschaulicht ist. Mittels des Spritzgusswerkzeugs wird ein Spritzgussverfahren, insbesondere ein Kunststoff-Spritzgussverfahren, durchgeführt, bei welchem der Kunststoff 20 an die Nabe 12, die Magneten 18 und das Trägerelement 16 jeweils zumindest bereichsweise angespritzt wird. Mittels des Kunststoffs 20 werden die Nabe 12, das Trägerelement 16 und die Magneten 18 miteinander verbunden. Besonders gut aus 2 und 3 ist erkennbar, dass der Kunststoff 20 einen Rotorträger 22 bildet, welcher durch das Spritzgussverfahren und somit durch Spritzguss beziehungsweise Kunststoff-Spritzguss hergestellt wird. In vollständig hergestelltem Zustand des Rotors 10 ist der Rotorträger 22 ein Festkörper, in welchem beispielsweise die Nabe 12, das Trägerelement 16 und die Magneten 18 jeweils zumindest teilweise eingebettet sind.
Bei dem Verfahren wird das Spritzgusswerkzeug mit der Nabe 12, dem Trägerelement 16 und dem Magneten 18 bestückt. Dies bedeutet, dass die Nabe 12, das Trägerelement 16 und die Magneten 18 in das Spritzgusswerkzeug eingebracht beziehungsweise in dem Spritzgusswerkzeug angeordnet werden. Daraufhin werden die Nabe 12, das Trägerelement 16 und die Magneten 18, welche zusammenfassend auch als Bauelemente bezeichnet werden, mit dem Kunststoff angespritzt, insbesondere mit dem Kunststoff umspritzt und hierdurch miteinander verbunden. Das Spritzguss-Werkzeug übernimmt hierbei eine Ausrichtung und Zentrierung der Bauelemente, insbesondere relativ zueinander, sodass beispielsweise eine zusätzliche, separate Scheibe zur Zentrierung entfallen kann. Bei der ersten Ausführungsform wird der Kunststoff-Spritzguss als 1 K-Spritzguss durchgeführt.
Das Trägerelement 16 (Joch) kann aus einem faserverstärkten Kunststoff, insbesondere aus SMC (sheet molding compound) oder aber aus Elektroblech beziehungsweise Elektroband (E-Band) gebildet sein, insbesondere derart, dass ein aus Elektroblech ausgebildetes und somit als E-Band ausgebildetes Metallband zu einer kleinen, das Trägerelement 16 bildenden Spule insbesondere um eine Wickelachse aufgewickelt ist. Die Magnete 18 und das Joch (Trägerelement 16) werden auch als Aktivmaterial bezeichnet, welches ebenso wie die Nabe 12 mit dem Kunststoff 20 angespritzt, insbesondere umspritzt, wird.
4 zeigt eine zweite Ausführungsform des Rotors 10. Bei der zweiten Ausführungsform umfasst der Rotor 10 auch eine separat von der Nabe 12 und separat von dem Magneten 18 sowie separat von dem Trägerelement 16 ausgebildete Bandage 24, welche beispielsweise aus einem faserverstärkten Kunststoff, insbesondere aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff (GFK) oder aus einem kohlefaserverstärkten Kunststoff (CFK) gebildet sein kann. die Magneten 18 sind auf ihrer jeweiligen, in radialer Richtung des Rotors 10 nach außen weisenden Außenseite von der Bandage 24 umgeben, insbesondere umwickelt, sodass die Bandage 24 als zusätzliche Abstützung fungiert, um Fliehkräfte abzustützen. Aus 4 ist erkennbar, dass auch die Bandage 24 zumindest bereichsweise mit dem Kunststoff 20 angespritzt, insbesondere mit dem Kunststoff 20 umspritzt, wird, sodass die Bandage 24, welche als weitere Bauelement bezeichnet wird, mit den zuvor genannten Bauelementen verbunden wird. Die Bauelemente werden auch als Funktionselemente bezeichnet.
5 bis 7 zeigen eine dritte Ausführungsform des Rotors 10. Bei der dritten Ausführungsform ist die Bandage 24 einstückig mit dem Joch (Trägerelement 16) verbunden. Dabei umgibt ein Wandungsbereich beziehungsweise ein Kragen des Jochs die Magneten 18 auf ihrer in radialer Richtung des Rotors 10 nach außen weisenden Außenseite, wodurch Fliehkräfte abgestützt werden können. Mit anderen Worten ist bei der dritten Ausführungsform die Bandage 24 durch das Joch gebildet. Somit ist es denkbar, dass die Bandage 24 aus SMC beziehungsweise aus einem faserverstärkten Kunststoff oder aus dem zuvor genannten E-Band beziehungsweise Elektroblech gebildet ist. Wie aus einer Zusammenschau von 1 bis 7 erkennbar ist, kann die Nabe 12 außenumfangsseitig zylindrisch beziehungsweise kreisrund ausgebildet sein, oder die Nabe 12 kann außenumfangsseitig vieleckig ausgebildet sein, wodurch beispielsweise besonders hohe Drehmomente zwischen der Nabe und dem Rotorträger 22 übertragen werden können.
8 bis 10 zeigen eine vierte Ausführungsform. Bei der vierten Ausführungsform weist das Joch zusätzliche Kavitäten 26 zur Drehmoment-Abstützung auf. Vorzugsweise sind die Kavitäten 26, welche Ausnehmungen sind, in jeweiligen Bereichen geringer Flussdichte angeordnet. Aus 10 ist erkennbar, dass bei der vierten Ausführungsform die Bandage 24 verwendet werden kann, wobei beispielsweise jedoch denkbar ist, dass die Bandage 24 entfallen kann.
Solche Kavitäten 26 sind insbesondere in radialer Richtung ausgerichtet und lassen sich einfach in das Trägerelement 16 einfräsen oder einschneiden. Alternativ kann bei einem aus einem Metallband gewickelten Trägerelement 16 die Kavitäten 26 auch einfach durch Stanzungen, insbesondere als seitliche Ausnehmungen, in das Metallband vor oder während der Wicklung hergestellt werden, wobei zur radialen Ausrichtung der zunehmende Umfang der spiralförmigen Wicklung berücksichtigt werden muss, so dass die Abstände der Stanzungen einer Kavitätsform mit zunehmenden Radius auch ebenfalls zunehmen müssen um dann gewickelt eine radial ausgerichtete Kavität zu bilden. Alternativ können in einer nicht dargestellten Ausführungsform die Kavitäten auch durch äquidistante Stanzungen in einem Metallband erzeugt werden, die dann in der gewickelten Form nicht mehr radial ausgerichtet sind oder je nach gewähltem Abstand der Stanzungen auch sich radial gar nicht mehr überdecken müssen und so verteilt zueinander angeordnet sind.
11 und 12 veranschaulichen eine fünfte Ausführungsform. Bei der fünften Ausführungsform weist das Joch, insbesondere bei einer seiner axialen Stirnbeziehungsweise Breitseiten, Vorsprünge 28 zur Drehmomentabstützung auf. Es ist erkennbar, dass der jeweilige Vorsprung 28 eine abstehende Geometrie ist, welche beispielsweise durch Stanzen, insbesondere Ausstanzen, hergestellt ist. Beispielsweise wird das Joch durch Stanzen, insbesondere Ausstanzen, gebildet, wobei bei dem beziehungsweise durch das Stanzen, insbesondere Ausstanzen des Joches der jeweilige Vorsprung 28 hergestellt werden kann. Auch die fünfte Ausführungsform kann mit oder ohne Bandage 24 umgesetzt werden.
13 bis 15 zeigen eine sechste Ausführungsform. Das Joch kann aus E-Band oder einem faserverstärkten Kunststoff, insbesondere SMC, gebildet sein. Das Joch kann Kavitäten beziehungsweise Geometiren zur Drehmomentabstützung aufweisen oder nicht.
Beispielsweise werden zunächst - wie es in 13 dargestellt ist - die Nabe 12 und das Joch (Trägerelement 16) bereitgestellt. Wie aus 14 erkennbar ist, werden dann die Nabe 12 und das Trägerelement 16 jeweils zumindest bereichsweise mit dem Kunststoff 20 umspritzt und dadurch in den Kunststoff 20 beziehungsweise in den Rotorträger 22 eingebettet, insbesondere derart, dass das Trägerelement 16 allumfangsseitig beziehungsweise vollständig in dem Kunststoff 20 und somit in dem Rotorträger 22 eingebettet wird. Hierdurch werden die Nabe 12 und das Trägerelement 16 über den Kunststoff 20, mithin über den Rotorträger 22 miteinander verbunden. Erst daraufhin wird der Rotorträger 22 - wie aus 15 erkennbar ist - mit den Magneten 18 versehen, insbesondere derart, dass die Magneten 18 an dem Rotorträger 22 befestigt werden. Insbesondere wird der Rotorträger 22 derart mit den Magneten 18 versehen, dass ein Material, aus welchem die Magneten 18 hergestellt werden, an den Rotorträger 22 angespritzt wird, insbesondere in flüssigem Zustand des Materials. Das Material umfasst beispielsweise einen Kunststoff, in welchem magnetische Materialen beziehungsweise Magnet Compounds gebunden sind. Wie aus 14 und 15 erkennbar ist, wird das Material beispielsweise in jeweilige Taschen 30 des Rotorträgers 22 eingespritzt, sodass der jeweilige Magnet 18 zumindest teilweise in der jeweiligen Tasche 30 angeordnet ist. Außerdem sind die Magneten 18 vorzugsweise, insbesondere jeweils vollständig, voneinander beabstandet.
16 und 17 zeigen eine siebte Ausführungsform, bei welcher, insbesondere im Vergleich zur sechsten Ausführungsform, beispielsweise auch das Joch durch Kunststoff-Spritzguss hergestellt wird, insbesondere dadurch, dass ein Einspritzen von in Kunststoff gebundenem Joch-Compound erfolgt. Wie bei der sechsten Ausführungsform werden dann beispielsweise die Magneten 18 beziehungsweise Material, aus welchem die Magnete 18 hergestellt werden, an den Rotorträger 22 angespritzt, insbesondere in die Taschen 30 eingespritzt. Die zuvor beschriebenen und folgenden Ausführungsformen können dabei mit oder ohne Bandage 24 realisiert werden. Die erste Ausführungsform, die zweite Ausführungsform, die dritte Ausführungsform, die vierte Ausführungsform und die fünfte Ausführungsform können beispielsweise durch 1 K-Spritzguss hergestellt werden. Die sechste Ausführungsform kann beispielsweise durch 2K-Spritzguss hergestellt werden. Die siebte Ausführungsform kann beispielsweise durch 3K-Spritzguss hergestellt werden.
Bei dem 1 K-Spritzguss wird lediglich das Joch durch Kunststoff-Spritzguss hergestellt. Bei dem 2K-Spritzguss werden der Rotorträger 22 und die Magneten 18 durch Spritzguss, insbesondere Kunststoff-Spritzguss, hergestellt, sodass nur die Nabe 12 und das Joch als separat voneinander ausgebildete und als Festkörper ausgebildete Komponente bereitgestellt werden, mit denen das Spritzgusswerkzeug bestückt wird. Bei dem 3K-Spritzguss wird nur die Nabe 12 als Festkörper bereitgestellt, mit welchem das Spritzgusswerkzeug bestückt wird, wobei das Joch, die Magneten 18 und der Rotorträger 22 durch Spritzguss, insbesondere Kunststoff-Spritzguss, hergestellt werden.
Bei einer in den Fig. nicht gezeigten Ausführungsform kann ein 4K-Spritzguss durchgeführt werden, bei welchem die Nabe 12, das Joch (Trägerelement 16), die Magneten 18 und der Rotorträger 22 durch Spritzguss, insbesondere Kunststoff-Spritzguss hergestellt werden. Somit ist es bei dieser Ausführungsform denkbar, dass auch die Nabe 12 angespritzt, das heißt durch Spritzgießen eines Kunststoffs hergestellt wird.
Anhand von 18 bis 20 wird eine achte Ausführungsform des Rotorträgers beschrieben. Bei der achten Ausführungsform ist eine formschlüssige Integration der Magneten 18 in das Trägerelement 16 vorgesehen, derart, dass der jeweilige Magnet 18 in einer jeweiligen, auch als Ausnehmung bezeichneten Tasche 32 des Trägerelements 16 angeordnet wird. Dies ist insbesondere in 19 dargestellt.
Beispielsweise wird zunächst das Trägerelement 16 hergestellt, insbesondere dadurch, dass ein insbesondere aus Elektroblech hergestelltes Metallband um eine Wickelachse zu einer beziehungsweise der zuvor genannten Spule aufgewickelt wird, die als das Trägerelement 16, welches auch als Rotorkern bezeichnet wird, verwendet wird. Daran anschließend werden die auch als Magnettaschen bezeichneten Taschen 32 hergestellt, insbesondere beispielsweise durch mechanisches Bearbeiten des beispielsweise als Ringpaket ausgebildeten Trägerelements 16, insbesondere mittels Fräsen, Stahlschneiden, Erodieren und/oder Bohren. Die magnetischen Taschen 32 können durchgängig oder aber als Sackloch ausgebildet sein, insbesondere in axialer Richtung des Rotors 10. Bei der Ausgestaltung als Sackloch ist ein axialer Anschlag für die Magnete 18 realisiert. Die Magneten 18 werden in den Taschen 32 beispielsweise durch Verkleben, An- oder Umspritzen mit Kunststoff und/oder Stanzen fixiert. Bei der achten Ausführungsform ist die jeweilige Tasche 32 am Außenumfang des Trägerelements 16 V-förmig ausgeführt, insbesondere in radialer Richtung des Rotors 10 nach innen hin.
Dementsprechend sind vorzugsweise auch die Magneten 18 V-förmig, insbesondere in radialer Richtung des Rotors 10 nach innen hin.
Schließlich zeigen 21 bis 23 noch eine neunte Ausführungsform des Rotors 10. Dabei sind die Taschen 32 vorzugsweise rechteckig oder vieleckig oder prismatisch ausgebildet und innenliegend, so dass die Taschen 32 in radialer Richtung nach außen noch durch zumindest einen Teil des Trägerelements 16 überdeckt ist. Somit sichert das Trägerelement 16 einen Magneten 18 in den Taschen 32 formschlüssig gegen die Fliehkräfte des sich drehenden Rotors 10 sicher ab.
Insbesondere der achten und neunten Ausführungsform liegen die folgenden Erkenntnisse und Überlegungen zugrunde: bei der Entwicklung einer elektrischen Maschine beziehungsweise eines Elektromotors wie beispielsweise eine Axialflussmaschine kann eines der Hauptziele eine hohe Leistungs- und Drehmomentdichte bei gleichzeitig vorteilhaftem Wirkungsgrad und geringem Ressourcenverbrauch sein. Die geforderten Leistungen können Drehzahlen mit sich bringen, welche für bisherige Konzepte physikalische Grenzen darstellen. Die achte und neunte Ausführungsform ermöglichen hierbei eine formschlüssige Anbindung der Magneten 18 an das Joch, wodurch die Axialflussmaschine mit besonders hohen Drehzahlen betrieben werden kann. Insbesondere können die folgenden Vorteile realisiert werden:

- erhöhte Anbindungskräfte
- Drehzahlsteigerung
- verringerter Zeitaufwand der Prozesse

Ferner ist es denkbar, eine Zentrierungshilfe zu verwenden, welche beispielsweise mit den Bauelementen, das heißt mit den Magneten 18, dem Joch (Trägerelement 16) und der Nabe 12 in das Spritzguss-Werkzeug eingelegt und ebenfalls mit dem Kunststoff 20 zumindest bereichsweise angespritzt, insbesondere umspritzt, wird, sodass beispielsweise auch die Zentrierungshilfe mit der Nabe 12, den Magneten 18 und dem Joch über dem Kunststoff 20 verbunden wird. Die auch als Zentrierungsvorrichtung bezeichnete Zentrierungshilfe wird verwendet, um beispielsweise die Magnete 18 relativ zueinander und/oder relativ zu dem Joch und/oder relativ zu der Nabe 12 zu positionieren beziehungsweise zu halten. Ferner ist es denkbar, die Zentrierungshilfe zu verwenden, jedoch nicht mit dem Kunststoff 20 anzuspritzen und somit nicht mit der Nabe 12, den Magneten 18 und dem Joch zu verbinden, oder auf eine solche Zentrierungshilfe kann ganz verzichtet werden.
Wird beispielsweise auch das Joch durch Kunststoff-Spritzguss hergestellt, so ist es denkbar, das Joch beziehungsweise einen Kunststoff, aus welchem das Joch hergestellt wird, in den Rotorträger 22 beziehungsweise in dessen Freiräume einzuspritzen. Ferner ist es denkbar, die Magnete 18 insbesondere als Festkörpermagnete in und/oder an das Joch ein- und/oder anzufügen oder die Magnete 18 werden durch Spritzgießen, insbesondere Kunststoffspritzguss hergestellt und dabei beispielsweise in oder an das noch weiche, nicht ausgehärtete Material, aus welchem das Joch insbesondere durch Spritzguss hergestellt wird, an beziehungsweise einzuspritzen.
In den 24 und 25 ist dann als zehnte Ausführungsform noch eine Variation der sechsten Ausführungsform des Rotors gemäß der 13 und 14 in einer schematische Perspektivansicht der Nabe und des Trägerelements dargestellt. Hierbei weist die zehnte Ausführungsform noch ein Versteifungselement auf, welches scheibenförmig in axialer Richtung am Trägerelement zu dessen Versteifung angeordnet ist, wie dies in einer Explosionsdarstellung visualisiert ist. Hierbei wird ein separat von der Nabe 12 und separat von den Magneten 18 ausgebildetes Versteifungselement 25 in axialer Richtung des Rotors 10 neben den Magnete 18 angeordnet und mit dem Kunststoff 20 angespritzt und dadurch mit dem Kunststoff 20 und den Magneten 18 verbunden.
Das Versteifungselement 25 kann dabei separat von oder einstückig mit dem Trägerelement 16 ausgeführt sein. Hierbei kann das Trägerelement 16 auch als Rotorblechpaket ausgeführt sein, so dass das Blechpaket auch gleichzeitig als Versteifungselement 25 dienen kann. Es ist aber auch möglich, falls zum Rotorblechpaket eine weitere Versteifung notwendig sein sollte, ein separates Versteifungselement 25 in axialer Richtung neben dem Trägerelement 16 beziehungsweise dem Rotorblechpaket vorzusehen, so dass dieses in seiner Steifigkeit verstärkt wird. Das Versteifungselement 25 kann dann auch mit dem Kunststoff 20 angespritzt und dadurch mit dem Kunststoff 20 und dem Trägerelement 16 verbunden.
Bezugszeichenliste

10: Rotor
12: Nabe
14: Aufnahme
16: Trägerelement
18: Magnet
20: Kunststoff
22: Rotorträger
24: Bandage
25: Versteifungselement
26: Kavität
28: Vorsprung
30: Tasche
32: Tasche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2355313 A1 [0002]
US 20100090555 A1 [0002]
WO 2018015293 A1 [0002]
EP 3485558 A1 [0002]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Rotors (10) für eine Axialflussmaschine, bei welchem eine Nabe (12), mittels welcher der Rotor (10) drehmomentübertragend mit einer Welle verbindbar ist, ein separat von der Nabe (12) ausgebildetes Trägerelement (16) und Magneten (18), welche separat voneinander, separat von der Nabe (12) und separat von dem Trägerelement (16) ausgebildet sind, jeweils zumindest bereichsweise mit einem Kunststoff (20) angespritzt und dadurch miteinander verbunden werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nabe (12), das Trägerelement (16) und die Magneten (18) mit dem Kunststoff (20) in einem Zustand angespritzt werden, in welchem die Magneten (18), insbesondere direkt, an dem Trägerelement (16) angeordnet, insbesondere gehalten, sind.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auch eine separat von der Nabe (12) und separat von den Magneten (18) ausgebildete Bandage (24), von welcher die Magneten (18) auf ihrer jeweiligen, in radialer Richtung des Rotors (10) nach außen weisenden Außenseite umgeben, insbesondere umwickelt, sind, mit dem Kunststoff (20) angespritzt und dadurch mit der Nabe (12) und den Magneten (18) verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bandage (24) separat von oder einstückig mit dem Trägerelement (16) ausgebildet ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein separat von der Nabe (12) und separat von den Magneten (18) ausgebildetes Versteifungselement (25), welches in axialer Richtung des Rotors (10) neben den Magnete (18) angeordnet ist, mit dem Kunststoff (20) angespritzt und dadurch mit dem Kunststoff (20) und den Magneten (18) verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Versteifungselement (25) separat von oder einstückig mit dem Trägerelement (16) ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (16) als Rotorblechpaket ausgeführt ist.