DE102021126663A1

DE102021126663A1 - Rotor für eine elektrische Maschine, Verfahren zu dessen Herstellung, permanenterregte Synchronmaschine und Elektroauto mit einem solchen Rotor

Info

Publication number: DE102021126663A1
Application number: DE102021126663.7A
Authority: DE
Inventors: Daniel Knoblauch
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2021-10-14
Filing date: 2021-10-14
Publication date: 2023-04-20

Abstract

Die Erfindung stellt einen Rotor für eine elektrische Maschine mit den folgenden Merkmalen bereit: einer Rotorwelle (11), auf der Rotorwelle (11) angeordneter Blechsegmente und einer die Blechsegmente drehstarr bezüglich der Rotorwelle (11) fixierenden Bandage (12).Die Erfindung stellt ferner ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Rotors, eine entsprechende permanenterregte Synchronmaschine sowie ein entsprechendes Elektroauto bereit.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine. Die vorliegende Erfindung betrifft darüber hinaus ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Rotors, eine entsprechende permanenterregte Synchronmaschine sowie ein entsprechendes Elektroauto.
Seit der Entdeckung von hochenergetischen Permanentmagneten (z. B. Neodym-Eisen-Bor- und Samarium-Cobalt-Magneten) finden permanentmagneterregte Synchronmaschinen (PSM, PMSM) zunehmend Einsatz in Kraftfahrzeugtechnik und anderen Anwendungsbereichen. Gattungsmäßige PSM zeichnen sich durch ihre hohe Drehmomentdichte und ihren entsprechenden Wirkungsgrad aus.
Typischerweise werden die Magnete auf dem oder im Rotor der Maschine befestigt und gemeinsam mit dessen Blechpaket durch eine Hülse oder Bandage gesichert. Das gesamte Blechpaket setzt sich hierbei aus mehreren dünnen, geschichteten Einzelblechen zusammen, wobei jedes Einzelblech in der Regel einen geschlossenen Kreisring bildet. Zur Erfüllung aller einschlägigen Anforderungen sollte bei der Materialauswahl für die Rotorbleche ein Kompromiss aus magnetischen und mechanischen Eigenschaften gefunden werden, da kein unter beiden Gesichtspunkten idealer Werkstoff zur Verfügung steht.
Für Innenläufer mit hoher Rotordrehzahl kommen teilweise Rotorbandagen aus GFK oder CFK zur Entlastung der Rotorbleche zum Einsatz. Derlei Bandagen halten den im Betrieb auftretenden Fliehkräften stand und verhindern übermäßige Belastungen der Rotorbleche.
Von einigen elektrischen Maschinen ist die Bauform des segmentierten Stators bekannt, dessen Statorblech nicht einteilig, sondern aus mehreren Blechsegmenten zusammengesetzt ist. Die Segmente jedes Bleches beziehungsweise jeder Blechlage ergänzen sich hierbei zu einem vollständigen Kreisring. Auf diese Weise können unterschiedliche Materialien für Stator und Rotor zum Einsatz kommen: für den Rotor etwa ein hochfestes und für den Stator ein Blech mit optimalen magnetischen Eigenschaften.
Ein weiterer Vorteil dieser Bauweise liegt in ihrer Wirtschaftlichkeit, da Stator- und Rotorbleche nicht mehr unter Inkaufnahme von beträchtlichem Blechverschnitt aus einem Blech und in einem Arbeitsgang gestanzt oder anderweitig gefertigt werden müssen. Durch die Segmentierung des Statorbleches kann der Blechverschnitt vielmehr selbst bei getrennter Fertigung von Rotor- und Statorblechen auf ein Mindestmaß beschränkt werden.
CN 102761210 B offenbart einen Rotor, welcher über den Umfang verteilte Rotorsegmente aufweist, zwischen welchen jeweils ein Permanentmagnet angeordnet ist.
DE 102013000404 B4 offenbart einen Rotor, welcher ein ringförmiges Trägerelement und mehrere über den Umfang verteilte Wellenabschnitte umfasst.
EP 2973945 B1 offenbart einen Einzelsegmentläufer mit mehreren um eine gemeinsame Drehachse angeordneten Blechsegmentpaketen, welche durch eine Endscheibe radial fixiert werden.
CN 203911617 U offenbart einen Rotor, welcher einen Grundkörper und über dessen Umfang verteilte Magnete aufweist, die radial zwischen Grundkörper und mehreren Hülsen angeordnet und dadurch fixiert sind.
CN 208433821 U offenbart einen ähnlichen Rotor mit einer einzigen Hülse.
Die Erfindung stellt einen Rotor für eine elektrische Maschine, ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Rotors, eine entsprechende permanenterregte Synchronmaschine sowie ein entsprechendes Elektroauto gemäß den unabhängigen Ansprüchen bereit.
Ein Vorzug dieser Lösung liegt in der Minimierung des Blechverschnitts zum Beispiel im Rahmen eines Stanzprozesses. Des Weiteren kann sich die erfindungsgemäße Bauweise vorteilhaft auf die erforderlichen Fertigungstoleranzen, auf den Montageaufwand und auf die Kosten auswirken. Als Beispiel sei hier der Verzicht auf einen Quer- oder Längspressverband zwischen Rotorwelle und Rotorblechen genannt. Diese Verbindung erfordert in der Regel geringe Fertigungstoleranzen, um eine hinsichtlich Drehzahlfestigkeit, übertragbarem Drehmoment, Bauteilbelastung, Montageaufwand, Energieeinsatz (thermisches Fügen) und Kosten geeignete Lösung schaffen zu können. Durch die erfindungsgemäße Segmentierung der Rotorbleche und deren Formschluss zur Rotorwelle kann dieser Aufwand deutlich reduziert werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. Eine bevorzugte Ausführungsform stellt etwa die Vorfixierung der Segmente zur Rotorwelle noch vor dem Aufbringen der Bandage dar. Hierzu können die auf der Rotorwelle angeordneten Blechsegmente und Magneten zum Beispiel mittels Transfermolding oder anderweitigen Spritzgussverfahren fixiert werden, sodass sich eine vergleichsweise stabile Montagebaugruppe ausbildet. Im darauffolgenden Arbeitsgang kann dann die Bandage aufgebracht werden.
Ein weiterer Vorteil dieser Lösung besteht in der Möglichkeit, mittels der Vergussmasse eine zylindrische Außenform mit sehr hoher Qualität und Maßhaltigkeit zu schaffen und Toleranzen auszugleichen, insbesondere im Falle von Rotorblechschnitten, die teilweise oder vollständig von einer zylindrischen Form abweichen.
Weitere Vorteile bieten sich mit Blick auf Messgrößen, Messtechnik und deren Positionierung. In Betracht kommt etwa eine Temperaturerfassung an den Magneten sowohl an den Rändern des Rotors als auch - beispielsweise mittig - innerhalb des Rotors. Aufgrund des segmentierten Aufbaus lässt sich die Zugänglichkeit zur optimalen Positionierung von Sensoren, Anschlusskabeln, Telemetrie oder anderweitiger Messtechnik deutlich vereinfachen oder gar erst ermöglichen.
Schließlich können fertigungsspezifische Blecheigenschaften - etwa aufgrund einer gegebenen Walzrichtung - mittels der Segmentierung beim Stanzen der Bleche berücksichtigt und somit positiv genutzt werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.

1 zeigt die perspektivische Ansicht eines Rotors.
2 zeigt den Querschnitt eines Blechpaketsegments mit Magneten und Magnetfixierung.
3 zeigt den Querschnitt eines Rotors mit sternförmiger Blechaufnahme und Drehmomentschnittstelle.
4 zeigt den Querschnitt eines Rotors mit Längsnuten als Drehmomentschnittstelle.

1 illustriert den Rotor (10) für eine als Innenläufer ausgelegte PSM mit seinem auf der Rotorwelle (11) angeordneten Blechpaket. Zur Fixierung des gesamten Rotorblechpaketes inklusive enthaltener Magnete, Vergussmasse etc. dient eine Bandage (12), die das Rotorblechpaket, etwaige Wuchtscheiben etc. umgibt. Diese Bandage (12) kann z. B. aus GFK oder CFK bestehen und überträgt Flieh- und andere Massenkräfte unter Drehzahleinfluss, Beschleunigungen etc.
Jede Blechlage des Rotorblechpaketes setzt sich aus mehreren Blechsegmenten (13) der in 2 gezeigten Bauart zusammen. Die Bleche können hierbei zueinander fixiert sein, z. B. mittels Formschlusses, oder lediglich an den Kontaktflächen zur Anlage kommen. Des Weiteren ist es denkbar, dass die einzelnen Blechsegmente (13) gar keinen direkten Kontakt zueinander haben.
Wie eine Zusammenschau der 3 und 4 verdeutlicht, lassen sich mittels dieses segmentierten Aufbaus unterschiedlichste Geometrien z. B. für einen Formschluss im Bereich der Schnittstellen der Rotorwelle (11) zu den Blechsegmenten (13) realisieren und auf einfache Weise montieren. So kann die Rotorwelle (11) zum Beispiel gemäß 3 mit sternförmig angeordneten Längsrippen oder gemäß 4 mit Längsnuten ausgeführt sein. Die Blechsegmente (13) weisen in beiden Fällen jeweils eine entsprechende Gegengeometrie auf.
Die Blechsegmente (13) können einzeln oder maschinell als gesamthafte Montagebaugruppe, vorzugsweise unter radialer Zuführung zur Rotorwelle (11), mit letzterer gefügt und dann mittels der Hülse bzw. Bandage (12) fixiert werden. Eine Montage in axialer Richtung ist jedoch ebenfalls denkbar; hierdurch ließen sich z. B. zusätzliche formschlüssige Verbindungen zur Rotorwelle (11) realisieren, etwa in Form einer pro Blechsegment (13) radial angeordneten Schwalbenschwanzverbindung.
Neben der Anordnung der Magnete als vergrabene Magnete im Blech könnten die Magnete auch auf dem Blechsegmentpaket positioniert sein und vor dem Aufbringen der Bandage (12) z. B mittels Moldingverfahren fixiert werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Patentliteratur

CN 102761210 B [0007]
DE 102013000404 B4 [0008]
EP 2973945 B1 [0009]
CN 203911617 U [0010]
CN 208433821 U [0011]

Claims

Rotor (10) für eine elektrische Maschine, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - eine Rotorwelle (11), - auf der Rotorwelle (11) angeordnete Blechsegmente (13) und - eine die Blechsegmente (13) drehstarr bezüglich der Rotorwelle (11) fixierende Bandage (12).
Rotor (10) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Blechsegmente (13) enthalten Dauermagnete und - die Blechsegmente (13) weisen eine die Dauermagnete fixierende Magnetfixierung auf.
Rotor (10) nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Blechsegmente (13) tragen Dauermagnete und - die Dauermagnete sind zwischen der Bandage (12) und den Blechsegmenten (13) verpresst.
Rotor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Rotorwelle (11) trägt sternförmig angeordnete Längsrippen und - die Blechsegmente (13) weisen komplementär zu den Längsrippen geformte Aussparungen auf.
Rotor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Rotorwelle (11) ist von Längsnuten durchzogen und - die Blechsegmente (13) tragen komplementär zu den Längsnuten geformte Keile.
Rotor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - die Blechsegmente (13) sind radial bezüglich der Rotorwelle (11) in mehreren Blechlagen angeordnet.
Rotor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal: - die Blechsegmente (13) sind miteinander formschlüssig verbunden.
Rotor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - der Rotor (10) umfasst an die Blechsegmente (13) angrenzende Wuchtscheiben und - die Bandage (12) umgibt die Blechsegmente (13) und Wuchtscheiben.
Verfahren zur Herstellung eines Rotors (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Blechsegmente (13) werden zu Blechpaketsegmenten vormontiert und - der Rotor (10) wird aus den vormontierten Blechpaketsegmenten aufgebaut.
Verfahren nach Anspruch 9, gekennzeichnet durch folgende Merkmale: - die Blechsegmente (13) werden vor dem Vormontieren gestanzt und - beim Stanzen der Blechsegmente (13) werden fertigungsspezifische Blecheigenschaften berücksichtigt.
Permanenterregte Synchronmaschine mit einem Rotor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 8.
Elektroauto mit einer Synchronmaschine nach Anspruch 11.