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Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine, welche insbesondere zur Verwendung innerhalb eines Antriebsstranges eines hybriden oder vollelektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs konfiguriert ist, wobei der Rotor einen Rotorkörper mit wenigstens einem Rotorblechpaket aufweist, wobei an und/oder in dem Rotorblechpaket eine Mehrzahl an Taschen zur Aufnahme von Rotormagneten vorgesehen sind, welche mittels einer Vergussmasse in den Taschen fixiert sind. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors sowie ein Verfahren zum Wuchten eines Rotors.
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Es ist grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt, Antriebsstränge von Kraftfahrzeugen vollständig zu elektrifizieren oder als einen hybriden Antriebsstrang auszubilden, bei dem Elektromotoren mit einem Verbrennungsmotor zum Antrieb des Kraftfahrzeugs verwendet werden. So umfasst beispielsweise ein Antriebsstrang eines Hybridfahrzeuges eine Kombination aus einer Brennkraftmaschine und einem Elektromotor, und ermöglicht - beispielsweise in Ballungsgebieten - eine rein elektrische Betriebsweise bei gleichzeitiger ausreichender Reichweite und Verfügbarkeit gerade bei Überlandfahrten. Zudem besteht die Möglichkeit, in bestimmten Betriebssituationen gleichzeitig durch die Brennkraftmaschine und den Elektromotor anzutreiben.
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Es ist aus dem Stand der Technik grundsätzlich ferner bekannt, Unwuchten eines schnelldrehenden Bauteils, wie beispielweise eines Rotors einer elektrischen Maschine, durch ein Wuchten des Rotors zu beseitigen. Das Wuchten kann beispielsweise durch gezieltes Abtragen von Material entlang des Umfangs des rotierenden Bauteils erfolgen. Hierzu finden z.B. sogenannte Wuchtscheiben aus Metall Verwendung, da diese beim insbesondere mechanischen Abtragen von Material durch Bohren, Schleifen, Fräsen oder dgl. eine höhere Dichte des abgetragenen Volumens ermöglichen. Ferner können die Wuchtscheiben aber auch alternativ oder ergänzend zusätzliche Wuchtgewichte aufnehmen, um ggf. eine Materialentnahme aus der Wuchtscheibe zu vermeiden, wenn es beispielsweise aus baulichen Gegebenheiten nicht möglich ist in die Wuchtscheibe zur Materialentnahme zu bohren.
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Die Wuchtscheiben werden insbesondere aus einer Metallplatine gestanzt, gefräst oder nach einem Metall-Gießverfahren hergestellt. Aus der
WO 2012/069196 A2 eine Wuchtscheibe aus Metall bekannt, welche eine Unwucht einer rotierenden Welle, vermindern oder ausgleichen soll.
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Derartige Wuchtscheiben benötigen in der Regel einen gewissen axialen Bauraum an dem Rotor, um die Wuchtscheiben drehfest mit dem Rotor verbinden zu können. Ferner müssen die Wuchtscheiben separat montiert werden, wodurch die Fertigungskosten des Rotors negativ beeinflusst werden.
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Im Lichte des vorbekannten Standes der Technik ist es somit die Aufgabe des Erfindungsgegenstandes, einen Rotor für eine elektrische Maschine bereitzustellen, der die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile reduziert oder vollständig vermeidet und eine kostengünstig realisierbare Rotorunwuchtkompensationsvorrichtung an einem Rotor bereit stellt. Es ist ferner die Aufgabe der Erfindung ein kostenoptimiertes Verfahren zur Herstellung eines Rotors für eine elektrische Maschine zu realisieren. Es ist des Weiteren eine Aufgabe der Erfindung ein verbessertes Verfahren zum Wuchten eines Rotors zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Rotor für eine elektrische Maschine, welche insbesondere zur Verwendung innerhalb eines Antriebsstranges eines hybriden oder vollelektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs konfiguriert ist, wobei der Rotor einen Rotorkörper mit wenigstens einem Rotorblechpaket aufweist, wobei an und/oder in dem Rotorblechpaket eine Mehrzahl an Taschen zur Aufnahme von Rotormagneten vorgesehen sind, welche mittels einer Vergussmasse in den Taschen fixiert sind, wobei die Vergussmasse in wenigstens einer axialen Richtung so aus dem Rotorblechpaket hervorsteht, dass der axial aus dem Rotorblechpaket hervorstehende Abschnitt der Vergussmasse eine Rotorunwuchtkompensationsvorrichtung ausbildet, welche ein Wuchten des Rotors durch eine geeignete Materialentnahme aus dem hervorstehenden Abschnitt der Vergussmasse erlaubt.
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Der Vorteil des erfindungsgemäßen Rotors liegt unter anderem darin begründet, dass die Vergussmasse zur Fixierung der Rotormagnete in den Taschen des Rotorblechpakets zusätzlich als Wuchtmasse für den Rotor zur Verfügung gestellt wird, so dass auf zusätzliche, konventionelle Wuchtscheiben verzichtet werden kann, wodurch der Montageaufwand in der Fertigung des Rotors reduziert ist.
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Beispielsweise kann im Verguss-Prozess der Permanentmagnete in den Taschen der Rotorblechpakete ein gleichzeitig angegossener, axial aus dem Rotorblechpaket hervorstehender Abschnitt der Vergussmasse eine Rotorunwuchtkompensationsvorrichtung ausbilden, welche bevorzugt in axialer Richtung angegossen ist. Mittels des axial aus dem Rotorblechpaket hervorstehenden Abschnitts der Vergussmasse kann der Rotor durch Materialabtrag radial oder axial gewuchtet werden.
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Zunächst werden die einzelnen Elemente des beanspruchten Erfindungsgegenstandes in der Reihenfolge ihrer Nennung im Anspruchssatz erläutert und nachfolgend besonders bevorzugte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes beschrieben.
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Ein Rotor ist der sich drehende (rotierende) Teil einer elektrischen Maschine. Insbesondere wird von einem Rotor gesprochen, wenn es auch einen Stator gibt.
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Elektrische Maschinen dienen zur Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie und/oder umgekehrt, und umfassen in der Regel einen als Stator, Ständer oder Anker bezeichneten ortsfesten Teil sowie einen als Rotor oder Läufer bezeichneten und gegenüber dem ortsfesten Teil beweglich angeordneten Teil.
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Im Falle von als Rotationsmaschinen ausgebildeten elektrischen Maschinen wird insbesondere zwischen Radialflussmaschinen und Axialflussmaschinen unterschieden. Dabei zeichnet sich eine Radialflussmaschine dadurch aus, dass die Magnetfeldlinien in dem zwischen Rotor und Stator ausgebildeten Luftspalt, sich in radialer Richtung erstrecken, während im Falle einer Axialflussmaschine sich die Magnetfeldlinien in dem zwischen Rotor und Stator gebildeten Luftspalt in axialer Richtung erstrecken.
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Der erfindungsgemäße Rotor kann sowohl als Rotor einer Radialflussmaschine als auch als Rotor einer Axialflussmaschine ausgebildet sein.
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Die elektrische Maschine ist insbesondere für die Verwendung innerhalb eines Antriebsstrang eines hybrid- oder vollelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs vorgesehen. Insbesondere ist die elektrische Maschine so dimensioniert, dass Fahrzeuggeschwindigkeiten größer als 50 km/h, vorzugsweise größer als 80 km/h und insbesondere größer als 100 km/h erreicht werden können. Besonders bevorzugt weist der elektrischen Maschine eine Leistung größer als 30 kW, vorzugsweise größer als 50 kW und insbesondere größer als 70 kW auf. Es ist des Weiteren bevorzugt, dass die elektrische Maschine Drehzahlen größer als 5.000 U/min, besonders bevorzugt größer als 10.000 U/min, ganz besonders bevorzugt größer als 12.500 U/min bereitstellt.
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Unter einem Rotorkörper wird im Sinne der Erfindung der Rotor ohne Rotorwelle verstanden. Der Rotorkörper setzt sich demnach insbesondere zusammen aus dem Rotorblechpaket sowie den in die Taschen des Rotorblechpakets eingebrachten oder den umfänglich an dem Rotorblechpaket fixierten Magnetelementen sowie ggf. vorhandenen axialen Deckelteilen zum Verschließen der Taschen.
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Als Rotorblechpaket werden eine Mehrzahl von in der Regel aus Elektroblech hergestellten laminierten Einzelblechen bzw. Rotorblechen verstanden, die übereinander zu einem Stapel, dem sog. Rotorblechpaket geschichtet und paketiert sind. Die Einzelbleche können dann in dem Blechpaket durch Verklebung, Verschweißung oder Verschraubung zusammengehalten bleiben.
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Als Rotormagnet werden die in die Taschen des Rotorblechpakets einzubringenden Permanentmagnete verstanden. Dabei kann pro Tasche ein einziges größeres, als Stabmagnet ausgebildeter Rotormagnet oder mehrere kleinere Permanentmagnetelemente ausgebildete Rotormagnete vorgesehen werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann es vorteilhaft sein, dass der Abschnitt der Vergussmasse, der axial aus dem Rotorblechpaket hervorsteht, kreisringförmig ausgebildet ist. Durch die Kreisringform kann eine genaue Wuchtung des Rotors erfolgen. Insbesondere ist die kreisringförmige Vergussmasse so ausgestaltet, dass eine Materialentnahme aus der Vergussmasse aus axialer und/oder radialer Richtung ermöglicht ist. Bevorzugt entspricht der äußere Durchmesser der kreisringförmigen Vergussmasse dem äußeren Durchmesser des Statorblechpakets.
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Es kann des Weiteren vorteilhaft sein, dass die Rotorunwuchtkompensationsvorrichtung an beiden axialen Enden der Rotorblechpakete ausgebildet ist, wodurch eine genauere und effizientere Wuchtung des Rotors ermöglicht werden kann. Es ist in diesem Zusammenhang ganz besonders bevorzugt, dass die Abschnitte der Vergussmasse, die beidseits axial aus dem Rotorblechpaket hervorstehen, im Wesentlichen identisch ausgebildet sind.
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In einer Weiterentwicklung der Erfindung kann es ferner bevorzugt sein, dass die Vergussmasse ausgewählt ist aus der Gruppe der Kunstharze, insbesondere Epoxidharze, Polyesterharze, Acrylharze, der thermoplastischen Kunststoffe oder Aluminiumlegierungen, so dass auf die Verwendung von Stahl als Wuchtmasse verzichtet ist. Dies hat insbesondere den Vorteil, dass bei einer spanenden Materialentnahme aus der Wuchtmasse, beispielsweise mittels Bohrens, lediglich Späne anfallen können, die eine teilweise deutlich geringere Härte als Stahl aufweisen und so die Gefahr von Bauteilbeschädigungen durch spanbedingten Abrieb reduziert ist. Ferner sind derartige Späne materialbedingt unmagnetisch und bilden allenfalls unmagnetische Späne aus, die nicht an den Magneten des Rotors oder am Rotor anhaften und so später im Betrieb mechanische Schäden am Rotor oder Stator hervorrufen können.
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Weiterhin kann es von Vorteil sein, dass die Vergussmasse in den Taschen mit dem axial aus dem Rotorblechpaket hervorstehenden Abschnitt der Vergussmasse verbunden ist. Gemäß einer hierzu alternativen Ausbildung der Erfindung kann es jedoch auch bevorzugt sein, dass die Vergussmasse in den Taschen nicht mit der axial aus dem Rotorblechpaket hervorstehenden Abschnitt der Vergussmasse verbunden ist.
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Hierdurch kann der als Rotorunwuchtkompensationsvorrichtung dienende Teil der Vergussmasse auch unabhängig von der Vergussmasse zur Fixierung der Permanentmagnete in den Taschen des Rotorblechpakets ausgebildet sein. Bevorzugt ist es in diesem Zusammenhang jedoch, dass die Vergussmasse zur Fixierung der Permanentmagnete und zur Ausbildung der Rotorunwuchtkompensationsvorrichtung identisch ist.
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Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann es vorteilhaft sein, dass der Abschnitt stoffschlüssig mit einer Stirnfläche des Rotorblechpakets verbunden ist, was insbesondere zur Einsparung von axialem Bauraum an der Rotorwelle beiträgt, da beispielsweise keine Sicherungsringe an der Rotorwelle vorgesehen werden müssen.
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Die Aufgabe der Erfindung wird ferner gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors für eine elektrische Maschine, umfassend die folgenden Schritte:
- a. Bereitstellung wenigstens eines Rotorblechpakets wobei an und/oder in dem Rotorblechpaket eine Mehrzahl an Taschen zur Aufnahme von Rotormagneten vorgesehen sind,
- b. Einsetzen von Rotormagneten in die Taschen,
- c. Fixieren der Rotormagnete (8) in den Taschen mittels einer Vergussmasse,
- d. Ausbildung einer Rotorunwuchtkompensationsvorrichtung aus einem axial aus dem Rotorblechpaket hervorstehende Abschnitt der Vergussmasse.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Rotors kann auf den bislang notwendigen Schritt der Montage einer separaten Wuchtscheibe verzichtet werden, wodurch das Verfahren die Herstellung eines entsprechend kostenoptimierten Rotors erlaubt.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn die Verfahrensschritte c. und d. zeitgleich in einem Verfahrensschritt ausgeführt werden.
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Insbesondere bevorzugt werden die Verfahrensschritte c. und d. in einem Transfer-Moulding-Prozess durchgeführt. Ein Transfer-Moulding-Prozess wird gelegentlich auch als Spritzpressen, Resin-Transfer-Moulding oder Resin-Transfer-Moldung bezeichnet.
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Die Aufgabe der Erfindung wird schließlich auch gelöst durch ein Verfahren zum Wuchten eines Rotors einer elektrischen Maschine nach einem der Ansprüche 1-7, umfassend die folgenden Schritte:
- - Feststellen einer Unwucht am Rotor,
- - Bestimmung der notwendigen Position und Menge der Materialentnahme aus dem axial aus dem Rotorblechpaket hervorstehenden Abschnitt der Vergussmasse,
- - Durchführung der Materialentnahme, insbesondere mittels einer sich in axiale und/oder radiale Richtung in den Abschnitt der Vergussmasse erstrecken Materialentnahme.
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Die Materialentnahme kann durch spanende Verfahren wie beispielsweise Bohren erfolgen. Es ist jedoch auch möglich, dass zur Vermeidung von Spänen, beispielsweise thermische Schneideverfahren verwendet werden, mit welchen spanlos Material aus der Vergussmasse entnommen werden kann.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden. Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Auch können die unterschiedlichen Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele innerhalb des technisch machbaren frei miteinander kombiniert werden.
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Es zeigen:
- 1 einen Rotor in einer kombinierten Darstellung einer schematischen Axialschnittansicht und beidseitigen Queraufsichten und
- 2 ein Kraftfahrzeug mit einem hybriden oder vollelektrisch betriebenen Antriebsstrang
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1 zeigt einen Rotor 1 für eine elektrische Maschine 2, welche insbesondere zur Verwendung innerhalb eines Antriebsstranges 3 eines hybriden oder vollelektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs 4 konfiguriert ist, wie es exemplarisch in der 2 gezeigt ist.
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Der Rotor 1 weist einen Rotorkörper 5 mit zwei drehfest mit der Rotorwelle 13 verbundenen Rotorblechpaketen 6 auf, wobei in den Rotorblechpaketen 6 eine Mehrzahl an Taschen 7 zur Aufnahme von Rotormagneten 8 vorgesehen sind, welche mittels einer Vergussmasse 9 in den Taschen 7 fixiert sind.
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Die Vergussmasse 9 steht in wenigstens einer axialen Richtung so aus dem Rotorblechpaket 6 hervor, dass der axial aus dem Rotorblechpaket 6 hervorstehende kreisringförmige Abschnitt 10 der Vergussmasse 9 eine Rotorunwuchtkompensationsvorrichtung 11 ausbildet, welche ein Wuchten des Rotors 1 durch eine geeignete Materialentnahme aus dem hervorstehenden Abschnitt 10 der Vergussmasse 9 erlaubt. Der äußere Durchmesser des kreisringförmigen Abschnitts 10 der Vergussmasse 9 entspricht im Wesentlichen dem äußeren Durchmesser der Rotorblechpakete 6.
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Die Rotorunwuchtkompensationsvorrichtung 11 ist in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel an beiden axialen Enden der Rotorblechpakete 6 ausgebildet, wobei der Abschnitt 10 stoffschlüssig mit jeweils einer Stirnfläche 12 des Rotorblechpakets 6 verbunden ist.
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Die Vergussmasse 9 ist in dem Ausführungsbeispiel der 1 in den Taschen 7 mit dem axial aus dem Rotorblechpaket 6 hervorstehenden Abschnitt 10 der Vergussmasse 9 einstückig verbunden. Insbesondere kann so zusammen mit der beidseits der Rotorblechpakete 6 ausgeführten Rotorunwuchtkompensationsvorrichtung 11 eine auch bei hohen Umdrehungszahlen des Rotors 1 gute Fixierung der hervorstehenden Abschnitte 10 der Vergussmasse 9 erreicht werden.
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Dennoch wäre es natürlich grundsätzlich auch möglich, dass die Vergussmasse 9 in den Taschen 7 nicht mit der axial aus dem Rotorblechpaket 6 hervorstehenden Abschnitt 10 der Vergussmasse 9 verbunden und somit zweiteilig ausgebildet ist.
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Der aus der 1 bekannte Rotor kann mittels eines Verfahrens hergestellt werden, dass die folgenden Schritte umfasst:
- a. Bereitstellung wenigstens eines Rotorblechpakets 6 wobei in dem Rotorblechpaket 6 eine Mehrzahl an Taschen 7 zur Aufnahme von Rotormagneten 8 vorgesehen sind,
- b. Einsetzen von Rotormagneten 8 in die Taschen 7,
- c. Fixieren der Rotormagnete 8 in den Taschen 7 mittels einer Vergussmasse 9
- d. Ausbildung einer Rotorunwuchtkompensationsvorrichtung 11 aus einem axial aus dem Rotorblechpaket 6 hervorstehende Abschnitt 10 der Vergussmasse 9
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Die Verfahrensschritte c. und d. werden dabei zeitgleich in einem Verfahrensschritt ausgeführt, beispielsweise in einem Transfer-Moulding-Prozess.
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Das Wuchten des in der 1 gezeigten Rotors 1 kann gemäß den folgenden Schritten erfolgen:
- - Feststellen einer Unwucht am Rotor 1,
- - Bestimmung der notwendigen Position und Menge der Materialentnahme aus dem axial aus dem Rotorblechpaket 6 hervorstehenden Abschnitt 10 der Vergussmasse 9,
- - Durchführung der Materialentnahme, insbesondere mittels einer sich in axiale und/oder radiale Richtung in den Abschnitt 10 der Vergussmasse 9 erstrecken Materialentnahme.
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Die Materialentnahme aus dem Abschnitt 10 der Vergussmasse 9 kann beispielsweise durch Bohren in axialer und/oder radialer Richtung erfolgen.
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Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung ‚erste‘ und ‚zweite‘ Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rotor
- 2
- elektrische Maschine
- 3
- Antriebsstrang
- 4
- Kraftfahrzeug
- 5
- Rotorkörper
- 6
- Rotorblechpaket
- 7
- Taschen
- 8
- Rotormagneten
- 9
- Vergussmasse
- 10
- Abschnitt
- 11
- Rotorunwuchtkompensationsvorrichtung
- 12
- Stirnfläche
- 13
- Rotorwelle
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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