DE102021114179A1

DE102021114179A1 - Hohlwelle für einen Elektromotor und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102021114179A1
Application number: DE102021114179.6A
Authority: DE
Inventors: Eugen Aul; Nicole Rotzoll; Andreas Pomrisch; Sandor Schumann
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH; Benteler Steel Tube GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH; Benteler Steel Tube GmbH
Priority date: 2021-06-01
Filing date: 2021-06-01
Publication date: 2022-12-01
Also published as: WO2022253383A1; CN117396681A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Hohlwelle für einen Elektromotor, insbesondere eine Elektromotor-Rotorwelle 1, die einen hohlzylindrischen Wellenkörper 2 aufweist sowie ein Verfahren zu deren Herstellung. Der Wellenkörper 2 weist zumindest zwei rotationssymmetrische Hohlbauteile 6, 7, 8, 9 auf, welche aneinander und zumindest bereichsweise ineinander positioniert sowie löttechnisch miteinander gefügt sind. Insbesondere erfolgt die löttechnische Fügung mittels Hochtemperaturlöten in einem Temperaturbereich zwischen 600°C und 1.150°C mit kupferbasierten, nickelbasierten oder eisenbasierten Loten.

Description

Die Erfindung betrifft eine Hohlwelle für einen Elektromotor und ein Verfahren zu deren Herstellung.
Bei einer Hohlwelle für einen Elektromotor handelt es sich im Rahmen der Erfindung insbesondere um eine Rotorwelle, eine Getriebewelle oder eine Verbindungswelle. Eine Verbindungswelle befindet sich in einem Elektromotor zwischen einer Rotorwelle und einer Getriebewelle.
Ein zentrales Bauteil eines Elektromotors ist beispielsweise die Rotorwelle. Die Rotorwelle ist das Tragbauteil für das Blechpaket des Rotors und überträgt das elektrisch induzierte Drehmoment über eine üblicherweise formschlüssige Anbindung in das Getriebe. Neben der Anforderung zur Lagerung des Rotors und verschiedene Anbauteile bzw. -komponenten hat das Kühlkonzept für den Elektromotor Einfluss auf die Auslegung und Gestaltung der Rotorwelle. Wichtigste Funktion ist die Drehmomentübertragung von elektrischer in kinetischer Energie in das Getriebe, wobei die Rotorwellen aufgrund der sehr hohen Drehzahlen und hohen Drehmomenten starken Belastungen ausgesetzt sind. Daher sind hochfeste Bauteile notwendig, die aber auch möglichst leicht bauend sein sollen.
Aus der DE 10 2018 130 557 A1 ist eine Rotorwelle für einen Rotor eines Elektromotors bekannt. Die Rotorwelle ist als Hohlwelle oder als Vollwelle ausgeführt. Diese weisen jeweils eine sich in Längsrichtung der Rotorwelle erstreckende wendelförmig verlaufende Rippe und/oder Vertiefung auf, um bei Rotation der Rotorwelle ein Kühlfluid in Längsrichtung der Rotorwelle zu befördern.
Zum Stand der Technik zählt durch die DE 10 2019 112 790 A1 eine Rotorwellenanordnung, wobei ein Rotor auf einer Rotorwelle angeordnet ist. Der Rotor ist als Blechpaket ausgebildet. Die Rotorwelle weist einen inneren Kanal zur Einleitung eines Kühlmittels auf. An der Außenseite der Rotorwelle ist eine Außenverzahnung vorgesehen, über welchen die Rotorwelle in drehfestem Eingriff mit einer Innenverzahnung des Rotors steht. Zwischen der Außenverzahnung der Rotorwelle und der Innenverzahnung des Rotors ist wenigstens ein äußerer Kanal zur Einleitung eines Kühlmittels ausgebildet.
In der DE 10 2008 043 367 A1 wird eine Elektromaschine mit einer Hohlwelle beschrieben. Die Hohlwelle trägt einen Rotor, um den ein Stator feststehend angeordnet ist. Die Elektromaschine weist Mittel zum Fördern eines Kühlfluids durch die Hohlwelle auf.
Rotorwellen für Elektromotoren können als Hohlwellen oder Vollwellen ausgeführt sein. Die während des Betriebs eines Elektromotors entstehende Wärme muss abgeführt werden, um die thermischen Belastungen an den Bauteilen des Elektromotors zu reduzieren. Eine passive Kühlung erfolgt über thermisch leitenden Kontakt mit Motorbauteilen bzw. -komponenten, wie beispielsweise der Wellenlagerung des Elektromotors. Zunehmend erfolgt eine aktive Kühlung mittels Fluiden, insbesondere Luft oder Flüssigkeiten. Hierbei werden die Rotorwellen als fluidführende Hohlwellen von innen mit einem Kühlfluid gekühlt.
Die Hohlwellen werden üblicherweise aus geschweißten oder nahtlosen Rohren hergestellt und anschließend umgeformt und mechanisch bearbeitet. Notwendige Funktionselemente, wie beispielsweise Verzahnungen, werden anschließend mit geeigneten formgebenden bzw. umformtechnischen Verfahren eingebracht.
Die gestiegenen Anforderungen an das Thermomanagement eines Elektromotors bedingen eine komplexere Gestaltung der Hohlwellen des Elektromotors und insbesondere deren Innengeometrien. Darüber hinaus besteht die Forderung einer leichtbauenden und insbesondere wirtschaftlichen Herstellung der Bauteile in hohen Stückzahlen. Dabei liegt der Fokus insbesondere auf einer optimierten Kühlung der Hohlwellen, insbesondere der Rotorwelle während des Betriebs, insbesondere in den jeweiligen Betriebspunkten einer Kühlpumpe. Des Weiteren wird eine komplexe Ausführung der Innengeometrie der Hohlwellen angestrebt, um möglichst viele Turbulenzen zu erzeugen und Totströmungsgebiete zu vermeiden. Letztere können zu einer ungünstigen Verteilung der Wärme innerhalb des Systems, speziell der Rotorwelle, führen und ein Versagen nicht nur der Rotorwelle, sondern auch peripherer Bauteile herbeiführen. Maßgeblich ist weiterhin, einen möglichst hohen Freiheitsgrad in der Gestaltung der Innengeometrie der Hohlwellen zu haben, um diese zugleich wirtschaftlich fertigen zu können.
Die Herstellung der Innengeometrie einer Hohlwelle erfolgt herkömmlich durch einfache Rohrumformprozesse, wie Einziehen, Kneten oder Expandieren. Auch Wellen, die aus mehrteiligen Schmiedeteilen bestehen und miteinander stoffschlüssig gefügt, beispielsweise mittels Laserrundnaht verbunden sind, finden ihre Anwendung im Bereich des Elektromotorenbaus. In jedem Fall findet eine nachfolgende mechanische Bearbeitung statt, um die erforderlichen Genauigkeiten zu gewährleisten. Daran schließt sich meist noch eine Wärmebehandlung an, um einen Vergütungszustand zu erreichen oder Bauteile partiell zu härten. Grundsätzlich kann man sagen, dass das zu zerspanende Volumen, welches sich durch die Umformprozesse und die Rohrtoleranzen ergibt, vergleichsweise hoch ist, so dass sich Bearbeitungszeiträume entsprechend zeit- und kostenintensiv gestalten. Weiterhin ist die Designfreiheit bezüglich der Innengeometrie eingeschränkt, da die Erzeugung von Hinterschnitten nicht oder nur bedingt möglich ist oder so stark eingeschränkt ist, dass eine wirtschaftliche Herstellung an ihre Grenzen stößt. Auch werden die Wellen regelmäßig monolitisch bzw. werkstoffeinheitlich ausgeführt, so dass die jeweiligen Funktionsflächen nicht auf ihre Funktionen optimal ausgelegt werden können.
Der Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, eine funktional und herstellungstechnisch verbesserte Hohlwelle für einen Elektromotor, insbesondere eine Rotorwelle, eine Getriebewelle oder eine Verbindungswelle, aufzuzeigen, die einen hohen Freiheitsgrad in der Gestaltung der Innengeometrie hat sowie in Leichtbauweise rational zu fertigen ist und ein Verfahren zu deren Herstellung aufzuzeigen.
Die Lösung des gegenständlichen Teils der Aufgabe besteht in einer Rotorwelle gemäß Anspruch 1.
Das Verfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Rotorwelle zeigt Anspruch 12 auf.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Hohlwelle und deren Herstellung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Elektromotor-Hohlwelle besitzt einen hohlzylindrischen Wellenkörper, der zumindest zwei rotationssymmetrische Hohlbauteile aufweist, welche aneinander positioniert oder zumindest bereichsweise ineinander positioniert und löttechnisch miteinander gefügt sind. Die einfach aufzubauende rationell zu fertigende Hohlwelle erfüllt höchste Anforderungen an das Thermomanagement eines Elektromotors. Es lassen sich komplexe, jedoch einfach auszuführende Innengeometrien einer Elektromotor-Hohlwelle realisieren. Gleichzeitig kann die erfindungsgemäße Hohlwelle in leicht bauender Weise ausgeführt werden.
Insbesondere handelt es sich bei einer erfindungsgemäßen Hohlwelle für einen Elektromotor um eine Rotorwelle, eine Getriebewelle oder eine Verbindungswelle, die zwischen einer Rotorwelle und einer Getriebewelle unmittelbar oder mittelbar eingliederbar ist.
Die erfindungsgemäße Hohlwelle realisiert eine gewichtsoptimierte Bauweise aus aufeinander abgestimmten rotationssymmetrischen Hohlbauteilen.
Rotationssymmetrische Hohlbauteile im erfindungsgemäßen Sinne sind Rohrabschnitte, Rohrstücke und/oder Rohrbauteile, die einen gebauten hohlen Wellenkörper bilden. Auf diese Weise lässt sich das Gewicht deutlich reduzieren. Auch lässt sich der Herstellungsprozess der Hohlwelle in Teilprozesse zerlegen, die eine Reduzierung der Gesamttaktzeit möglich machen bei hoher Stückzahlfertigung. Auch lässt sich die Geometrie der Hohlwelle erfindungsgemäß in zweckoptimierter Weise an die Leistung des Elektromotors und die Konfiguration des Thermomanagements, also des Kühlsystems einer Elektromotor-Hohlwelle, insbesondere einer Rotorwelle, anpassen.
Eine Hohlwelle weist erfindungsgemäß mindestens zwei rotationssymmetrische Hohlbauteile auf, die hochtemperaturlöttechnisch miteinander gefügt sind. Diese Hohlbauteile können geometrisch gleichartig konfiguriert, beispielsweise Rohrabschnitte sein und gleich oder voneinander verschieden lang sein. Insbesondere weist der Wellenkörper ein erstes rotationssymmetrisches Hohlbauteil in Form eines Rohrabschnitts auf, der den Tragkörper bildet. Dieser besitzt eine Länge, die sich über die Länge des Wellenkörpers erstreckt. An bzw. in diesem Tragkörper sind weitere rotationssymmetrische Hohlbauteile, insbesondere in Form von Rohrabschnitten, löttechnisch stoffschlüssig gefügt. Der Tragkörper nimmt innen oder außen weitere Hohlbauteile bzw. Rohrabschnitte auf bzw. am Tragkörper sind weitere Hohlbauteile, insbesondere Rohrabschnitte stoffschlüssig festgelegt. Die weiteren Hohlbauteile bzw. Rohrabschnitte sind kürzer als der den Tragkörper bildenden Rohrabschnitt und können auch eine vom Tragkörper abweichende Wanddicke besitzen.
Rotationssymmetrische Hohlbauteile in Form von zwei gleich langen oder ungleich langenRohrabschnitten können ineinander positioniert und gefügt werden und den Wellenkörper bilden. Die Rohrabschnitte können aus dem gleichen Werkstoff oder aus verschiedenen metallischen Werkstoffen bestehen mit voneinander verschiedenen Werkstoff- bzw. Festigkeitskennwerten.
Generell sind die rotationssymmetrischen Hohlbauteile des Wellenkörpers abgestimmt auf den jeweiligen Funktionszweck und ausgelegt beispielsweise hinsichtlich der Korrosionsbeständigkeit, Zugfestigkeit, Duktilität oder auch ihre mechanische Bearbeitbarkeit.
Ein Aspekt der Erfindung sieht vor, dass ein erstes rotationssymmetrisches Hohlbauteil, das den Tragkörper des Wellenkörpers bildet, eine zentrale Durchgangsöffnung mit einem Innendurchmesser aufweist. Ein weiteres zweites rotationssymmetrisches Hohlbauteil ist in das erste Hohlbauteil eingesetzt, wobei das weitere zweite Hohlbauteil am Innenumfang der Durchgangsöffnung des ersten Hohlbauteils anliegend und mit diesem gefügt ist. Neben dem zweiten Hohlbauteil können auch weitere Hohlbauteile in oder am ersten Hohlbauteil gefügt sein.
Ein Hohlbauteil kann auch ein relativ kurzes Rohrstück sein. Das Rohrstück kann im ersten Hohlbauteil positioniert und gefügt sein. Ein zweites Hohlbauteil in Form eines Rohrabschnitts oder eines Rohrstücks kann außen am Außenumfang des ersten Hohlbauteils gefügt sein. In dieser Ausgestaltung umgreift das Rohrstück das erste Hohlbauteil am Außenumfang entlang seiner Mantelfläche. Das Rohrstück ist folglich radial zum ersten Hohlbauteil, beispielsweise einem Rohrabschnitt, angeordnet und am Außenumfang des ersten Hohlbauteils gefügt.
Unter einem rotationssymmetrischen Hohlbauteil werden auch Rohrbauteile mit einem hohlzylindrischen Querschnitt, Rohrabschnitte, Rohrstücke und auch rotationssymmetrische geschmiedete Rohrstücke verstanden.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des grundsätzlichen Erfindungsgedankens sieht vor, dass ein drittes rotationssymmetrisches Hohlbauteil auf dem Außenumfang des ersten Hohlbauteils positioniert und löttechnisch mit diesem gefügt ist.
Zumindest an einem Ende eines Hohlbauteils ist ein Lagersitz ausgebildet oder angeordnet. Der Lagersitz kann durch eine am Innenumfang des vorzugsweise ersten Hohlbauteils hergestellte Aus- oder Abdrehung erzeugt sein. Ein Lagersitz kann auch in einem Hohlbauteil ausgebildet sein, der stirnseitig in oder an einem Hohlbauteil gesetzt und gefügt ist, welcher den Tragkörper des Wellenkörpers bildet.
Bei der erfindungsgemäßen Hohlwelle kann der Wellenkörper aus rotationssymmetrischen Hohlbauteilen in Form von Rohrabschnitten gebaut sein bzw. Rohrabschnitte aufweisen, die aus voneinander verschiedenen metallischen Werkstoffen bestehen. Eine solche Ausführungsform lässt eine weitere Effizienzsteigerung, insbesondere hinsichtlich der Wärmeabfuhr, also des Kühlsystems der Rotorwelle und auch hinsichtlich der Gestaltung der Innengeometrie zu. Insbesondere können einzelne Hohlbauteile werkstoffmäßig hinsichtlich Hauptfunktionen ausgelegt werden, beispielsweise wenn in oder an diesen ein Lagersitz ausgebildet wird bzw. ist. Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung weist ein den Tragkörper des Wellenkörpers bildendes erstes Hohlbauteil eine andere Zugfestigkeit und Bruchdehnung auf als ein mit diesem endseitig gefügtes zweites rotationssymmetrisches Hohlbauteil.
Die stoffschlüssige hochtemperaturlöttechnische Fügung der Hohlbauteils erfolgt mittels eines kupferbasierten Lotes. Alternativ können die Hohlbauteile auch mittels eines nickelbasierten oder eisenbasierten Lotes gefügt sein.
In einer weiteren besonderen vorteilhaften Ausgestaltung weist der oder weisen die Hohlbauteils eine Profilierung am Innenumfang und/oder am Außenumfang auf. Eine Profilierung kann insbesondere durch Rippen, Zähne, Nuten und/oder Schlitze ausgeführt sein. Solche Profilierungselemente können geradlinig in Richtung der Längsachse des Wellenkörpers oder auch quer zur Längsachse des Wellenkörpers verlaufen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass ein Rohrkörper mit Abstand zum Innenumfang eines Hohlbauteils des Wellenkörpers in diesem positioniert ist. Vorzugsweise ist der Rohrkörper mit Abstand zum Innenumfang des ersten Hohlbauteils, das den Tragkörper des Wellenkörpers bildet, positioniert. Auf diese Weise kann ein Innenrohrkühlsystem realisiert werden.
In diesem Zusammenhang sieht ein Aspekt der Erfindung vor, dass der Rohrkörper in Längsachse des Wellenkörpers und/oder in einem Winkel zur Längsachse des Wellenkörpers orientierte Öffnungen aufweist. Solche Öffnungen, beispielsweise Querbohrungen im inneren Rohrkörper, können gestanzt oder gebohrt sein.
Verfahrenstechnisch besteht die erfindungsgemäße Lösung in der Herstellung der Grundgeometrie des Wellenkörpers durch das Fügen einzelner rotationssymmetrischer Hohlbauteile aneinander und/oder ineinander, d. h. Rohr in Rohr, und zwar mittels Hochtemperaturlöten mit kupferbasierten, nickelbasierten oder eisenbasierten Loten. Anschließend erfolgt eine mechanische Bearbeitung, wobei erfindungsgemäß nur noch ein sehr geringer mechanischer Bearbeitungsaufwand notwendig ist.
Das Hochtemperaturlöten findet vorwiegend unter einer kontrollierten Schutzgasatmosphäre statt. Die Schutzgasatmosphäre kann auf Basis von Wasserstoff, Wasserstoff/Stickstoff-Gemisch, Stickstoff, Stickstoff-Argon-Gemisch, Stickstoff-Sauerstoff-Gemischen sowie Argon bestehen bzw. gebildet sein oder aber auch durch ein Vakuum realisiert sein.
Ein genereller Temperaturbereich für das erfindungsgemäß vorgesehene Hochtemperaturlöten liegt bei Temperaturen zwischen 600°C bis 1.150°C. Der gewählte Temperaturbereich ist abhängig vom Aufbau des Wellenkörpers und der verwendeten Werkstoffe für die Hohlbauteile des Wellenkörpers. Das Hochtemperaturlöten kann dabei in einem Durchlauf ebenso wie in einem Batchofen, in einem Vakuumofen oder aber auch mittels Induktion erfolgen.
Bei der erfindungsgemäßen Hohlwelle und dem Verfahren zu deren Herstellung wird das zu zerspanende Volumen deutlich bis minimal reduziert. Bearbeitungszeiten können wesentlich verkürzt werden, womit eine kostengünstige Herstellung ermöglicht ist.
Es handelt sich um eine gebaute Hohlwelle. Da die Gesamtgeometrie der Hohlwelle bzw. deren Wellenkörper modular aufgebaut ist und mittels Hochtemperaturlöten hergestellt wird, sind diverse Innengeometrien des hohlzylindrischen Wellenkörpers wirtschaftlich herstellbar. Gleiches gilt für am Außenumfang des Wellenkörpers vorgesehene oder angeordnete Profilierungen und Außenumfangsgestaltungen. Im Rahmen der Erfindung können unterschiedliche Werkstoffe miteinander kombiniert werden, die bevorzugt auf den jeweiligen Funktionszweck optimiert ausgelegt sind. Rotationssymmetrische Hohlbauteile, insbesondere Rohre, Rohrabschnitte und/oder Rohrstücke können hinsichtlich Korrosionsbeständigkeit, Festigkeit, Duktilität oder mechanischer Bearbeitung bestimmt werden. Darüber hinaus kann durch das Hochtemperaturlöten je nach Bedarf auch eine Wärmebehandlung, beispielsweise ein Vergüten oder ein Härten, substituiert oder bauteil- und anforderungsgerecht modifiziert werden.
Erfindungsgemäß ist der hohlzylindrisch ausgeführte Wellengrundkörper aus zumindest zwei miteinander gefügten an- oder ineinander gesetzten rotationssymmetrischen Hohlbauteilen gebildet. Die Fertigung kann grundsätzlich auf zwei Fertigungswegen erfolgen, deren technologischer Zusammenhang in der Anwendung der Löttechnik besteht.
Eine erste Ausführungsform des löttechnischen Fügeprozesses sieht vor, dass das Löten in einem Temperaturbereich von etwa 850°C bis 1.150°C erfolgt jeweils +/-30°C. Hierbei werden die mechanischen Kennwerte des Wellenkörpers und der miteinander gefügten Hohlbauteile durch eine auf die verwendeten Werkstoffe angepasste Abkühlrate in einem sich an den Fügeprozess anschließenden Abkühlprozess erzeugt. Wahlweise kann im Anschluss an den Fügeprozess ein zumindest bereichsweises, insbesondere jedoch ganzheitliches, Anlassen des Wellenkörpers erfolgen.
Eine zweite Vorgehensweise sieht einen löttechnischen Fügeprozess vor, der in einem Temperaturbereich zwischen etwa 600°C und etwa 850°C jeweils +/- 30°C durchgeführt wird. Insbesondere erfolgt der löttechnische Fügeprozess in einem Temperaturbereich unterhalb 850°C, vorzugsweise unterhalb 750°C, erfolgt. Hierbei wird der Wellenkörper aus Hohlbauteilen aufgebaut, die bereits vor dem Fügeprozess zumindest teilweise gehärtet bzw. wärmebehandelt worden sind.
Durch die löttechnische Herstellung des Wellenkörpers aus aneinander und/oder ineinander gefügten Rohrstücken ist eine Innengeometrie des Wellenkörpers, insbesondere zur Ausbildung einer inneren Kühlstruktur, sehr variabel gestaltbar. Das Design der Hohlwelle bzw. dessen Wellenkörpers wird auf das gewählte Kühlkonzept des Elektromotors abgestimmt. Der erfindungsgemäße mehrteilig aufgebaute Wellenkörper kann aus Hohlbauteilen unterschiedlicher Werkstoffe sowie unterschiedlicher Durchmesser und Innen- ebenso wie Außengeometrien aufgebaut sein. Die Werkstoffe, die Werkstoffkombination, ebenso wie die geometrische Konfiguration ermöglichen ein optimiertes Kühlsystem, ebenso wie einen vorteilhaften Leichtbau des Wellenkörpers.
Eine für die Praxis besonders vorteilhafte Elektromotor-Hohlwelle, insbesondere eine Rotorwelle, ist aus rotationssymmetrischen Hohlbauteilen gebaut, die aus dem gleichen Werkstoff bestehen. Die Hohlwelle kann funktional optimiert ausgelegt werden und weist einen hohen Freiheitsgrad in der Gestaltung der Innengeometrie des Wellenkörpers auf. Insbesondere ist die Hohlwelle aus zumindest drei rotationssymmetrischen Hohlbauteilen aufgebaut aus dem gleichen Werkstoff. Diese können eine voneinander verschiedene Wandstärke besitzen. Bevorzugt ist der Wellenkörper einer Hohlwelle aus rotationssymmetrischen Hohlbauteilen gebaut, von denen zumindest drei Hohlbauteile ineinander gefügt sind. Diese zumindest drei Hohlbauteile haben eine gemeinsame Wellenkörpermittelachse.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es zeigen jeweils technisch schematisiert:

1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Hohlwelle;
2 eine zweite Ausführungsform einer Hohlwelle;
3 eine dritte Ausführungsform einer Hohlwelle und
4 eine vierte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Hohlwelle.

In den Figuren werden für gleiche oder funktionell einander entsprechende Bauteile bzw. Bauteilkomponenten die gleichen Bezugszeichen verwendet, auch wenn aus Gründen der Vereinfachung auf eine wiederholte Beschreibung verzichtet wird. Gleiches gilt für dargestellte Abmessungen und Bemaßungen.
Die 1 bis 4 zeigen jeweils in einem vertikalen Längsschnitt eine Elektromotor-Hohlwelle in Form einer Rotorwelle 1. Jede Rotorwelle 1 besitzt einen hohlzylindrischen Wellenkörper 2, 3, 4, 5, der aus mehreren rotationssymmetrischen Hohlbauteilen in Form von Rohrabschnitten 6, 7, 8, 9, 10 gebildet ist. Die Rohrabschnitte 6-10 sind aneinander und ineinander positioniert und hochtemperaturlöttechnisch miteinander gefügt. Die löttechnische Fügung erfolgt mittels Hochtemperaturlöten in einem Temperaturbereich zwischen 600°C bis 1.150°C unter Verwendung eines kupferbasierten, nickelbasierten oder eisenbasierten Lotes. Der löttechnische Fügeprozess wird unter einer kontrollierten Schutzgasatmosphäre durchgeführt.
Der gebaute hohle Wellenkörper 2 der Rotorwelle 1 gemäß der Darstellung von 1 weist einen ersten Rohrabschnitt 6 auf. Der erste Rohrabschnitt 6 bildet den Tragkörper des Wellenkörpers 2 und erstreckt sich über die gesamte Länge L der Rotorwelle 1. Außen am ersten Rohrabschnitt 6 und innen im ersten Rohrabschnitt 6 sind weitere Rohrabschnitte 7, 8, 9 positioniert und stoffschlüssig hartgelötet. Außen am ersten Rohrabschnitt 6 sind ein zweiter Rohrabschnitt 7 und ein dritter Rohrabschnitt 8 löttechnisch gefügt. Der erste Rohrabschnitt 6 besitzt eine zentrale Durchgangsöffnung 11 mit einem Innendurchmesser D1. In dem ersten Rohrabschnitt 6 ist ein vierter Rohrabschnitt 9 eingesetzt und positioniert. Der vierte Rohrabschnitt 9 weist einen Außendurchmesser D2 auf, der mit entsprechender Passung dem Innenumfang D1 des ersten Rohrabschnitts 6 entspricht. Der vierte Rohrabschnitt 9 liegt mit seiner Mantelfläche am Innenumfang der Durchgangsöffnung 11 des ersten Rohrabschnitts 6 an und ist mit diesem verlötet.
Der zweite Rohrabschnitt 7 und der dritte Rohrabschnitt 8 sind außen am ersten Rohrabschnitt 6 gefügt. Der zweite Rohrabschnitt 7 und der dritte Rohrabschnitt 8 weisen jeweils eine zentrale Öffnung 12 auf mit einem Innendurchmesser D3, der dem Außendurchmesser D4 des ersten Rohrabschnitts 6 entspricht. Der zweite Rohrabschnitt 7 und der dritte Rohrabschnitt 8 sind auf Mantelflächen des ersten Rohrabschnitts 6 geschoben, positioniert und löttechnisch gefügt.
Die Rohrabschnitte 7, 8, 9 können eine Profilierung aufweisen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist insbesondere am Innenumfang des vierten Rohrabschnitts 9 und am Außenumfang des dritten Rohrabschnitts 8 eine Profilierung, insbesondere eine Verzahnung, vorgesehen. Grundsätzlich kann eine Profilierung durch Zähne, Rippen, Nuten oder Schlitze gebildet sein.
Am in Bildebene rechten Ende 13 des Wellenkörpers 2 ist im ersten Rohrabschnitt 6 ein Lagersitz 14 ausgebildet. Hierzu ist im Ende 13 ein Längenabschnitt 15 im Umfang radial ausgedreht.
Der Wellenkörper 3 einer Rotorwelle 1, wie in der 2 dargestellt, weist ein erstes rotationssymmetrisches Hohlbauteil in Form eines ersten Rohrabschnitts 6 auf, der demjenigen des Wellenkörpers 2, wie anhand der 1 beschrieben, entspricht. Der Rohrabschnitt 6 bildet den Tragkörper des Wellenkörpers 3.
Im Inneren des Rohrabschnitts 6 sind zwei weitere rotationssymmetrische Hohlbauteile, nämlich ein zweiter Rohrabschnitt 7 und ein dritter Rohrabschnitt 10 angeordnet. Der zweite Rohrabschnitt 7 und der dritte Rohrabschnitt 10 sind jeweils in der Durchgangsöffnung 11 des ersten Rohrabschnitts 6 positioniert und dort mittels Harttemperaturlöten stoffschlüssig gefügt.
Ein Lagersitz 14 ist zumindest in einem Ende 13 in der Wand des ersten Rohrabschnitts 6 ausgebildet.
Bei der in der 3 dargestellten Rotorwelle 1 besteht der Wellenkörper 4 aus einem ersten Rohrabschnitt 6, der den Tragkörper bildet. Außen am Rohrabschnitt 6 ist ein zweiter Rohrabschnitt 7 und ein dritter Rohrabschnitt 8 positioniert und löttechnisch mittels Hartlöten gefügt. Im Inneren des ersten Rohrabschnitts 6 ist mit Abstand zum Innenumfang des Rohrabschnitts 6 ein sich durch die Durchgangsöffnung 11 über die Länge L des ersten Rohrabschnitts 6 erstreckender Rohrkörper 16 angeordnet. Der Rohrkörper 16 ist in Rohrstücken 17, 18 gehalten. Die Rohrstücke 17, 18 sind in gestuft ausgeführten Enden 19, 20 des Rohrabschnitts 6 eingesetzt und dort ebenfalls löttechnisch gefügt. Am Außenumfang der Rohrstücke 17, 18 ist ein Lagersitz 21 ausgebildet.
Der im Inneren des Rohrabschnitts 6 integrierte Rohrkörper 16 ist in inneren Stufenabschnitten 22 der Rohrstücke 17, 18 löttechnisch gefügt.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind in dem Rohrstück 17 mehrere auf einem Teilkreis angeordnete Kanäle 23 vorgesehen. Diese durchsetzen das Rohrstück 17 längs und stellen eine Verbindung zum Ringraum 24 her, der zwischen dem Außenumfang des hohlzylindrischen inneren Rohrkörpers 16 und dem Innenumfang des ersten Rohrabschnitts 6 ausgebildet ist.
Zentrisch durch den Rohrkörper 16 und die endseitigen Rohrstücke 17, 18 verläuft ein Längskanal 25.
Der innere Rohrkörper 16 weist quer zur Längsachse LA des Wellenkörpers 3 bzw. des ersten Rohrabschnitts 6 vorgesehene Öffnungen 26 in Form von Querbohrungen auf. Diese können gestanzt oder gebohrt sein. Die Öffnungen 26 stellen die Verbindung zwischen dem Längskanal 25 und dem Ringraum 24 her.
Der Wellenkörper 5 einer Rotorwelle 1, wie in der 4 dargestellt, weist einen ersten Rohrabschnitt 6 auf. Der erste Rohrabschnitt 6 ist der Tragkörper des Wellenkörpers 5. Am Außenumfang des ersten Rohrabschnitts 6 ist ein zweiter Rohrabschnitt 7 positioniert. Dieser umschließt die äußere Mantelfläche des ersten Rohrabschnitts 6 und ist mit diesem mittels Hartlöten gefügt. Am Außenumfang ist der Rohrabschnitt 7 mit einer Profilierung in Form einer Verzahnung versehen. Das Ende 19, 20 des ersten Rohrabschnitts 6 ist gestuft ausgeführt mit einem stirnseitigen Längenabschnitt 27, der einen größeren Innendurchmesser D5 aufweist als der Innendurchmesser D1 im mittleren Längenabschnitt des Rohrabschnitts 6. Der Längenabschnitt 27 kann als Lagersitz ausgebildet sein.
Im Inneren des ersten Rohrabschnitts 6 sind zwei Scheibenkörper 28 eingesetzt. Diese liegen mit ihrem Außendurchmesser D2 am Innenumfang der Durchgangsöffnung 11 des ersten Rohrabschnitts 6 an und sind mit diesem löttechnisch gefügt. In den Scheibenkörpern 28 sind in Längsrichtung des Wellenkörpers 5 bzw. des ersten Rohrabschnitts 6 orientierte Durchgangsöffnungen 29 vorgesehen.
Des Weiteren ist im ersten Rohrabschnitt 6 ein mit Abstand zum Innenumfang positionierter hohlzylindrischer Rohrkörper 30 angeordnet. Dieser wird von einem Rohrstück 31 getragen, welches im Ende 20 des ersten Rohrabschnitts 6 eingesetzt und löttechnisch gefügt ist. Über den Rohrkörper 30 erfolgt die Zuleitung eines Kühlfluids. In der Stirnwand 32, ebenso wie in der Längswand 33 des Rohrkörpers 30 sind Öffnungen 34 vorgesehen, die in Längsachse LA des Wellenkörpers 5 und/oder in einem Winkel zur Längsachse LA des Wellenkörpers 5 orientiert sind. Die Öffnung 34 in der Stirnwand 32 ist in einem Winkel zur Längsachse LA des Wellenkörpers 5 orientiert und nimmt einen Düseneinsatz 35 auf.
Bei der zuvor beschriebenen Rotorwelle 1 bzw. den hohlzylindrischen Wellenkörpern 2-5 können rotationssymmetrische Hohlbauteile, insbesondere die Rohrabschnitte 6-10, aus dem gleichen metallischen Werkstoff bestehen. Möglich ist auch, dass einzelne oder mehrere Rohrabschnitte 6-10 jeweils aus voneinander verschiedenen Werkstoffen bestehen oder eine verschiedene Werkstoffgüte besitzen.
Die Wellenkörper 2-5 sind aus den Rohrabschnitten 6-10 gebildet, wozu diese aneinander und ineinander positioniert und löttechnisch miteinander gefügt werden. Vorzugsweise sind mehrere rotationssymmetrische Hohlbauteile in Form von Rohrabschnitten 6-10 ineinander positioniert. Die Hohlbauteile sind konzentrisch zueinander angeordnet und besitzen eine gemeinsame Längsachse LA.
Der löttechnische Fügeprozess kann in einem Temperaturbereich zwischen 850°C und 1.150°C jeweils +/- 30°C unter Schutzgasatmosphäre erfolgen. An den Fügeprozess schließt sich ein Abkühlprozess der Wellenkörper 2-5 an. Optional erfolgt ein zumindest partielles Anlassen eines Wellenkörpers 2-5.
Eine alternative Fertigungsweise sieht einen löttechnischen Fügeprozess in einem Temperaturbereich zwischen etwa 600°C und etwa 850°C vor jeweils +/- 30°C. Insbesondere erfolgt die löttechnische Fügung bei Fügetemperaturen unterhalb von 850°C, vorzugsweise unterhalb von 750°C. Bei dieser Vorgehensweise werden die Wellenkörper 2-5 aus Rohrabschnitten 6-10 gebaut, wobei diese zumindest teilweise gehärtet und/oder wärmebehandelt sein können.
Bezugszeichenliste

1: Rotorwelle
2: Wellenkörper
3: Wellenkörper
4: Wellenkörper
5: Wellenkörper
6: Rohrabschnitt
7: Rohrabschnitt
8: Rohrabschnitt
9: Rohrabschnitt
10: Rohrabschnitt
11: Durchgangsöffnung v. 6
12: Öffnung v. 8, 9
13: Ende v. 2
14: Lagersitz
15: Längenabschnitt
16: Rohrkörper
17: Rohrstück
18: Rohrstück
19: Ende v. 6
20: Ende v. 6
21: Lagersitz
22: Stufenabschnitt v. 17, 18
23: Kanal
24: Ringraum
25: Längskanal
26: Öffnung
27: stirnseitiger Längenabschnitt
28: Scheibenkörper
29: Durchgangsöffnung
30: Rohrkörper
31: Rohrstück
32: Stirnwand
33: Längswand
34: Öffnung in 31
35: Düseneinsatz
D1: Innendurchmesser v. 11
D2: Außendurchmesser v. 7
D3: Innendurchmesser v. 12
D4: Außendurchmesser v. 6
D5: Innendurchmesser v. 27
L: Länge v. 1
LA: Längsachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102018130557 A1 [0004]
DE 102019112790 A1 [0005]
DE 102008043367 A1 [0006]

Claims

Hohlwelle für einen Elektromotor, die einen hohlzylindrischen Wellenkörper (2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenkörper (2) zumindest zwei rotationssymmetrische Hohlbauteile (6, 7, 8, 9, 10) aufweist, welche aneinander positioniert oder zumindest bereichsweise ineinander positioniert und löttechnisch miteinander gefügt sind.
Hohlwelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Hohlbauteil (6) eine zentrale Durchgangsöffnung (11) mit einem Innendurchmesser (D1) aufweist und ein weiteres Hohlbauteil (7, 9, 10) in das erste Hohlbauteil (6) eingesetzt ist, wobei das weitere Hohlbauteil (7, 9, 10) am Innenumfang (D1) der Durchgangsöffnung (11) des ersten Hohlbauteils (6) anliegend mit diesem gefügt ist.
Hohlwelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein weiteres Hohlbauteil (7, 8) auf dem Außenumfang (D4) des ersten Hohlbauteils (6) vorgesehen ist.
Hohlwelle nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest an einem Ende (13) eines Hohlbauteils (6) ein Lagersitz (14) ausgebildet oder angeordnet ist.
Hohlwelle nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlbauteile (6-10) aus voneinander verschiedenen metallischen Werkstoffen bestehen.
Hohlwelle nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlbauteile (6-10) mittels eines kupferbasierten, eines nickelbasierten oder eines eisenbasierten Lotes gefügt sind.
Hohlwelle nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Hohlbauteils (6-10) eine Profilierung am Innenumfang und/oder am Außenumfang aufweisen.
Hohlwelle nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilierung durch Rippen, Zähne, Nuten oder Schlitze gebildet ist.
Hohlwelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rohrkörper (16, 30) mit Abstand zum Innenumfang eines Hohlbauteils (6) in diesem positioniert ist.
Hohlwelle nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrkörper (16, 30) in Längsachse (LA) des Wellenkörpers (5) und/oder in einem Winkel zur Längsachse (LA) des Wellenkörpers (5) orientierte Öffnungen (26, 34) aufweist.
Verfahren zur Herstellung einer Hohlwelle für einen Elektromotor, welche einen hohlzylindrischen Wellenkörper (2-5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenkörper (2-5) aus zumindest zwei rotationssymmetrischen Hohlbauteilen (6-10) gebildet wird, welche aneinander oder zumindest bereichsweise ineinander positioniert und löttechnisch miteinander gefügt werden.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der löttechnische Fügeprozess in einem Temperaturbereich zwischen 850°C und 1.150°C jeweils +/- 30°C erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass sich an den Fügeprozess ein Abkühlprozess des Wellenkörpers (2-5) anschließt mit einem gegebenenfalls danach erfolgenden partiellen Anlassen des Wellenkörpers (2-5).
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der löttechnische Fügeprozess in einem Temperaturbereich zwischen etwa 600°C und etwa 850°C jeweils +/- 30°C erfolgt und wobei die Temperatur insbesondere unterhalb 850°C, vorzugsweise unterhalb 750°C liegt.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest teilweise gehärtete und/oder wärmebehandelte Hohlbauteile (6-10) bereitgestellt werden.