DE102021129618A1

DE102021129618A1 - Rotorwelle für einen Elektromotor, Anordnung für eine Rotorwelle und Verfahren zur Fertigung einer Anordnung für eine Rotorwelle

Info

Publication number: DE102021129618A1
Application number: DE102021129618.8A
Authority: DE
Inventors: Martin SCHLOFFER; Johann Goebel
Original assignee: MTU Aero Engines AG
Current assignee: MTU Aero Engines AG
Priority date: 2021-11-12
Filing date: 2021-11-12
Publication date: 2023-05-17
Also published as: WO2023083412A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Rotorwelle (1) für einen Elektromotor (2), insbesondere für ein Flugzeugtriebwerk, wobei die Rotorwelle (1) einen geschmiedeten Anbindeflansch (3) aufweist, wobei der Anbindeflansch (3) zur Anbindung an eine weitere Welle (6) zur Kraftübertragung und/oder Drehmomentübertragung vorgesehen ist, ein der weiteren Welle (6) zuzuwendendes, erstes axiales Ende (4) umfasst und an einem, dem ersten axialen Ende (4) entgegengesetztem, zweiten axialen Ende (7) eine Grundplatte (8) umfasst. Es ist vorgesehen, dass die Rotorwelle (1) einen zumindest bereichsweise additiv gefertigten Kühlmittelverteilungskörper (9) aufweist, wobei der additiv gefertigte Kühlmittelverteilungskörper (9) radial zentriert an der Grundplatte (9) des geschmiedeten Anbindeflansches (3) angeordnet ist, und die Rotorwelle (1) eine Rotoreinrichtung (12) aufweist, durch welche der additiv gefertigte Kühlmittelverteilungskörper (9) radial umschlossen ist, und welche mit der Grundplatte (8) des geschmiedeten Anbindeflansches (3) zumindest kraftschlüssig verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Rotorwelle für einen Elektromotor, insbesondere für ein Flugzeugtriebwerk gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1, eine Anordnung für eine Rotorwelle gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 11 sowie ein Verfahren zur Fertigung einer Anordnung für eine Rotorwelle gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 12.
Elektromotoren umfassen einen Stator und einen Rotor. Der Rotor des Elektromotors ist dabei an einer Rotorwelle angeordnet. Während des Betriebs des Elektromotors rotiert der Rotor des Elektromotors und das in dem Rotor induzierte Drehmoment wird über die Rotorwelle an ein Getriebe übertragen. Um das Drehmoment an ein Getriebe übertragen zu können, weisen Rotorwellen in einem vorderen Bereich einen Rotorflansch auf, an welchem eine Getriebewelle angeordnet werden kann. Bei der Auslegung der jeweiligen Rotorwelle ist darauf zu achten, dass diese stabil genug ist, um das durch den Rotor bereitgestellte Drehmoment zu übertragen. Um das bereitgestellten Drehmoment übertragen zu können, sind der Rotorflansch und die Rotorwellen in Megawatt- und Gigawattbereich aus geschmiedeten Legierungen gefertigt. In diesen Leistungsbereichen kann es erforderlich sein, den Rotor durch eine Zuleitung von Kühlmittel zu kühlen. Die Zuleitung des Kühlmittels kann beispielsweise durch die Rotorwelle erfolgen. Zu diesem Zweck müssen in der Rotorwelle Kühlmittelkanäle angeordnet sein, welche das Kühlmittel in den Rotor einleiten und aus dem Rotor ableiten können.
Die durch die Kühlmittelkanäle gebildete Kanalstruktur kann jedoch eine Komplexität erfordern, welche sich nicht mittels geschmiedeten Rotorwellen verwirklichen lässt.
Eine Möglichkeit, Rotorwellen mit komplexen Kühlkanalstrukturen zu fertigen, besteht in einer Fertigung der Rotorwellen mittels additiver Fertigungsverfahren. Nachteilig an additiv gefertigten Rotorwellen ist die, im Vergleich zu geschmiedeten Rotorwellen, geringere mechanische Belastbarkeit. Dadurch können additiv gefertigte Rotorwellen bestimmte Sicherheitsstandards für Rotorwellen nicht erfüllen.
Eine Verwendung geschmiedeter Rotorwellen mit einfacheren Kühlkanalstrukturen würde jedoch die Kühlleistung verringern wodurch die Leistungsdichte des Elektromotors reduziert wäre.
Die EP 3 580 434 A1 offenbart Teile und Verfahren zur Herstellung von Teilen unter Verwendung additiver Fertigungsverfahren. Das Verfahren offenbart eine Anwendung eines additiven Fertigungsverfahrens auf einem Basissubstrat eines Bauteils. Dabei kann ein ringförmiges Teil des Bauteils additiv auf einem Basisteil des Bauteils aufgetragen werden. Der ringförmige Teil des Bauteils kann so geformt sein, dass er andere Materialeigenschaften aufweist als das Basisteil des Bauteils
In der US 2016/0010469 A1 ist ein Verfahren zur Fertigung eines Rotors offenbart. Das Verfahren zur Herstellung des Rotors umfasst eine Fertigung einer Nabe mit einem konventionellen Herstellungsverfahren und die Anfertigung eines Schaufelblatts auf der Nabe mittels eines schichtweisen additiven Herstellungsverfahrens.
Die EP 2 772 329 A1 offenbart ein Verfahren zur Fertigung eines hybriden Bauteils. In dem Verfahren ist es vorgesehen, dass ein Vorformling als erstes Teil des hybriden Bauteils gefertigt wird. Auf dem Vorformling wird durch sukzessives Aufbauen ein zweites Teil des Bauteils aus einem metallischen Pulverwerkstoff auf diesem Vorformling mittels eines additiven Fertigungsverfahrens aufgetragen.
In der EP 3 840 197 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors für einen Generator beschrieben. In dem Verfahren ist es vorgesehen mindestens einen Teil einer Rotorwelle durch ein dreidimensionales 3-D Druckverfahren zu fertigen. Der Schritt des Druckens eines Rotorkerns umfasst das Drucken einer Vielzahl von Flüssigkühlmittelleitungen, die sich durch den Rotorkern erstrecken.
Die EP 3 654 501 A1 offenbart ein additiv geformtes Rotorbauteil für eine elektrische Maschine und ein Verfahren zur Fertigung des additiv geformten Rotorbauteils. Das geformte Rotorbauteil kann eine Rotoranordnung oder eine Rotorwelle umfassen. Ein erster Teil der Rotorwelle kann beispielsweise mittels additiver Fertigungsverfahren gedruckt sein. Ein zweiter Teil der Rotorwelle kann mittig innerhalb eines Rotorkerns ausgebildet sein. Kühlrohre können durch Teile des Rotorkerns hindurch einheitlich ausgebildet sein. Die Kühlrohre können durch additive Fertigung in jede Schicht des Rotorkerns gedruckt werden. Die Kühlrohre können Kühllöcher definieren.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Rotorwelle bereitzustellen, welche eine erforderliche Kühlung eines Rotors ermöglicht und gleichzeitig eine erforderliche Stabilität zur Übertragung eines vorbestimmten Drehmoments aufweist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Rotorwelle für einen Elektromotor, insbesondere für ein Flugzeugtriebwerk gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1, eine Anordnung für eine Rotorwelle gemäß den Merkmalen des Anspruchs 11 sowie ein Verfahren zur Fertigung einer Anordnung für eine Rotorwelle gemäß den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen jedes Erfindungsaspekts als vorteilhafte Ausgestaltungen der jeweils anderen Erfindungsaspekte anzusehen sind.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft eine Rotorwelle für einen Elektromotor, insbesondere für ein Flugzeugtriebwerk. Mit anderen Worten ist die Rotorwelle für eine Verwendung in einem Elektromotor, der insbesondere als Flugzeugtriebwerk ausgebildet sein kann, vorgesehen. Es ist vorgesehen, dass die Rotorwelle einen geschmiedeten Anbindeflansch aufweist. Der Anbindeflansch kann gegossen oder pulvermetallurgisch hergestellt und geschmiedet sein. Mit anderen Worten ist der Anbindeflansch durch ein Gussverfahren oder durch ein pulvermetallurgisches Verfahren und einem Schmiedeverfahren gefertigt. Der Anbindeflansch ist zur Anbindung an eine weitere Welle zur Kraftübertragung und/oder Drehmomentübertragung vorgesehen. Mit anderen Worten ist der Anbindeflansch zur Anbindung an eine weitere Welle ausgelegt. Bei der weiteren Welle kann es sich, um eine Getriebewelle handeln, an die das bereitgestellte Drehmoment des Elektromotors übertragen werden soll. Der Anbindeflansch weist ein erstes axiales Ende auf, das in Richtung der weiteren Welle auszurichten ist. Das erste axiale Ende kann somit axial der weiteren Welle zugewandt sein. Der Anbindeflansch weist an einem, dem ersten axialen Ende entgegengesetztem, zweiten axialen Ende eine Grundplatte auf. Mit anderen Worten ist der Anbindeflansch an dem zweiten axialen Ende durch die Grundplatte begrenzt.
Die Erfindung sieht vor, dass die Rotorwelle einen zumindest bereichsweise additiv gefertigten Kühlmittelverteilungskörper aufweist, wobei der zumindest bereichsweise additiv gefertigte Kühlmittelverteilungskörper radial zentriert an der Grundplatte des geschmiedeten Anbindeflansches angeordnet ist. Mit anderen Worten befindet sich an dem Anbindeflansch ein axial zentriert an der Grundplatte der Kühlmittelverteilungskörper, der zumindest bereichsweise durch ein additives Fertigungsverfahren gefertigt ist. Der additiv gefertigte Kühlmittelverteilungskörper kann kraft-, form-, oder stoffschlüssig an der Grundplatte des Anbindeflansches angeordnet sein. Der Kühlmittelverteilungskörper kann eine zylindrische Form aufweisen und sich wie der Anbindeflansch zentriert entlang einer Längsachse der Rotorwelle erstrecken.
Die Rotorwelle weist eine Rotoreinrichtung auf, durch welche der additiv gefertigte Kühlmittelverteilungskörper radial umschlossen ist und welche mit der Grundplatte des geschmiedeten Anbindeflansches zumindest kraftschlüssig verbunden ist. Mit anderen Worten ist der additiv gefertigte Kühlmittelverteilungskörper entlang seiner Mantelfläche von der Rotoreinrichtung umgeben. Die Rotoreinrichtung kann beispielsweise an der Mantelfläche des Kühlmittelverteilungskörpers anliegen. Die Rotoreinrichtung kann Spulen und Kerne aufweisen welche während des Betriebs durch ein über den Kühlmittelverteilungskörper zugeleitetes Kühlmittel gekühlt werden können. Der Kühlmittelverteilungskörper ist dabei so eingerichtet, dass er das Kühlmittel in die Rotoreinrichtung ein- und aus der Rotoreinrichtung ausleiten kann. Um eine Belastung des Kühlmittelverteilungskörpers durch das zu übertragene Drehmoment zu reduzieren, kann die Rotoreinrichtung zumindest kraftschlüssig mit der Grundplatte des geschmiedeten Anbindeflansches verbunden sein. Dadurch ist es möglich, dass das in der Rotoreinrichtung induzierte Drehmoment an der Grundplatte in den Anbindeflansch übertragen werden kann. Dadurch, dass eine Übertragung des Drehmoments über die Grundplatte erfolgt, ist die mechanische Belastung des Kühlmittelverteilungskörpers reduziert, sodass dieser eine geringere mechanische Stabilität aufweisen muss als es bei einer alleinigen Übertragung des Drehmoments über den Kühlmittelverteilungskörper erforderlich wäre.
Durch die Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass es ermöglicht ist, einen zumindest bereichsweise additiv gefertigten Kühlmittelverteilungskörper zu verwenden, da das erzeugte Drehmoment größtenteils an die Grundplatte des Anbindeflansches übertragen wird.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Anbindeflansch an dem ersten axialen Ende eine Aufnahme zum Aufnehmen der weiteren Welle aufweist. Mit anderen Worten ist der Anbindeflansch zur Aufnahme der weiteren Welle an der Aufnahme des Anbindeflansches eingerichtet. Die Aufnahme befindet sich an dem ersten axialen Ende des Anbindeflansches.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Rotorwelle ein externes Anbindeelement umfasst, das dazu eingerichtet ist, den Anbindeflansch mit der weiteren Welle zu verbinden. Das externe Anbindeelement kann dazu ausgelegt sein, eine externe Anbindung des Anbindeflansches an die weitere Welle zu ermöglichen. Das externe Anbindeelement kann dazu ausgelegt sein, eine kraft- und/oder formschlüssige Verbindung mit dem Anbindeflansch zu ermöglichen, damit eine Kraftübertragung und/oder Drehmomentübertragung von dem Anbindeflansch über das externe Anbindeelement an die weitere Welle erfolgen kann. Das externe Anbindeelement kann beispielsweise zur kraft- und/oder formschlüssigen Anbindung an die Aufnahme oder den Anbindeflansch ausgelegt sein. Zudem kann das externe Anbindeelement beispielsweise zur kraft- und/oder formschlüssigen Anbindung an die weitere Welle ausgelegt sein.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der zumindest bereichsweise additiv gefertigte Kühlmittelverteilungskörper Kühlmittelkanäle aufweist, die mit Kanalöffnungen an einer Mantelfläche des zumindest bereichsweise additiv gefertigten Kühlmittelverteilungskörper fluidisch verbunden sind. Mit anderen Worten weist der Kühlmittelverteilungskörper Kühlkanäle auf, welche dazu eingerichtet sind, das Kühlmittel durch den Kühlmittelverteilungskörper zu leiten. Die Kanalöffnungen sind dazu eingerichtet, eine Einleitung des Kühlmittels in die Rotoreinrichtung und eine Ausleitung des Kühlmittels aus der Rotoreinrichtung zu ermöglichen.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der zumindest bereichsweise additiv gefertigte Kühlmittelverteilungskörper an einem dem Anbindeflansch abgewandten Ende ein axial verlaufendes Kühlmittelzuleitungselement umfasst. Mit anderen Worten befindet sich an einem, dem Anbindeflansch gegenüberliegenden axialen Ende des Kühlmittelverteilungskörpers das Kühlmittelzuleitungselement welches axial entlang der Wellenachse verläuft. Das Kühlmittelzuleitungselement kann eine Zuführungsleitung und eine Abführungsleitung aufweisen, um eine Zuleitung des Kühlmittels in den Kühlmittelverteilungskörper und eine Ableitung des Kühlmittels aus dem Kühlmittelverteilungskörper zu ermöglichen.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass zumindest einige der Kühlmittelkanäle fluidisch mit einem Kühlkanal des Anbindeflansches verbunden sind. Mit anderen Worten weist der Anbindeflansch zumindest einen Kühlkanal auf, der fluidisch mit zumindest einem Kühlkanal des Kühlmittelverteilungskörpers verbunden ist. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass das Kühlmittel auch dem Anbindeflansch zugeführt werden kann.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Rotoreinrichtung durch eine Verbindungseinrichtung mit dem Anbindeflansch verbunden ist. Mit anderen Worten weist die Rotorwelle die Verbindungseinrichtung auf, welche dazu eingerichtet ist, die Rotoreinrichtung der Art mit dem Anbindeflansch zu verbinden, dass eine direkte Übertragung des Drehmoments von der Rotoreinrichtung auf den Anbindeflansch ermöglicht ist. Die Verbindungseinrichtung kann beispielsweise eine kraftschlüssige, formschlüssige oder materialschlüssige Verbindung zwischen der Rotoreinrichtung und dem Anbindeflansch herstellen.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Verbindungseinrichtung erste Zuganker aufweist, welche in der Rotoreinrichtung und dem Anbindeflansch verankert sind. Mit anderen Worten umfasst die Verbindungseinrichtung die ersten Zuganker, wobei ein jeweiliger der ersten Zuganker sowohl in der Rotoreinrichtung, als auch in dem Anbindeflansch verankert ist. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass über die ersten Zuganker eine Übertragung des in der Rotoreinrichtung induzierten Drehmoments auf den Anbindeflansch ermöglicht ist.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Rotoreinrichtung eine Rotoreinheit umfasst, welche axial zwischen zwei Flanschplatten angeordnet ist, wobei die zwei Flanschplatten durch zweite Zuganker miteinander verbunden sind. Mit anderen Worten umfasst die Rotoreinrichtung die Rotoreinheit. Die Rotoreinheit kann beispielsweise die Spulen und die Kerne des Rotors aufweisen. An den axialen Enden der Rotoreinrichtung befinden sich die zwei Flanschplatten, welche beispielsweise geschmiedet sein können. Um die Flanschplatten untereinander und die Flanschplatten mit der Rotoreinheit zu verbinden, weist die Rotoreinrichtung die zweiten Zuganker auf, welche jeweils in den beiden Flanschplatten verankert sein können.
Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der Kühlmittelverteilungskörper stoffschlüssig additiv auf dem Anbindeflansch aufgetragen ist. Mit anderen Worten ist es vorgesehen, dass der zumindest teilweise additiv gefertigte Kühlmittelverteilungskörper auf dem Anbindeflansch additiv aufgetragen wurde, sodass eine stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Anbindeflansch und dem Kühlmittelverteilungskörper entsteht. Durch die Weiterbildung ergibt sich der Vorteil, dass eine besonders stabile mechanische Verbindung zwischen dem Anbindeflansch und dem Kühlmittelverteilungskörper bereitgestellt ist.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Anordnung für eine Rotorwelle. Die Anordnung umfasst einen geschmiedeten Anbindeflansch, wobei der Anbindeflansch zur Anbindung an eine weitere Welle zur Kraftübertragung und/oder Drehmomentübertragung vorgesehen ist. Mit anderen Worten ist der Anbindeflansch zur Anbindung an eine weitere Welle ausgelegt. Bei der weiteren Welle kann es sich, um eine Getriebewelle handeln, an die das bereitgestellte Drehmoment des Elektromotors übertragen werden soll. Der Anbindeflansch weist ein erstes axiales Ende auf, das in Richtung der weiteren Welle auszurichten ist. Das erste axiale Ende kann somit axial der weiteren Welle zugewandt sein. Der Anbindeflansch weist an einem, dem ersten axialen Ende entgegengesetztem zweiten axialen Ende eine Grundplatte auf. Mit anderen Worten ist der Anbindeflansch an dem zweiten axialen Ende durch die Grundplatte begrenzt.
Es ist vorgesehen, dass die Rotorwelle einen zumindest bereichsweise additiv gefertigten Kühlmittelverteilungskörper aufweist, wobei der additiv gefertigte Kühlmittelverteilungskörper radial zentriert an der Grundplatte des geschmiedeten Anbindeflansch der Anordnung angeordnet ist.
Weitere Merkmale und deren Vorteile sind den Beschreibungen des ersten Erfindungsaspekts zu entnehmen.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fertigung einer Anordnung für eine Rotorwelle. In dem Verfahren ist es vorgesehen, dass auf einem geschmiedeten Anbindeflansch, der eine Grundplatte umfasst, nach einem vorbestimmten additiven Fertigungsverfahren ein Kühlmittelverteilungskörper aufgetragen wird. Der Kühlmittelverteilungskörper wird dabei radial zentriert an der Grundplatte des geschmiedeten Anbindeflansches angeordnet.
Weitere Merkmale und deren Vorteile sind den Beschreibungen des ersten und des zweiten Erfindungsaspekts zu entnehmen.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen, sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Es sind somit auch Ausführungen von der Erfindung als umfasst und offenbart anzusehen, die in den Figuren nicht explizit gezeigt und erläutert sind, jedoch durch separierte Merkmalskombinationen aus den erläuterten Ausführungen hervorgehen und erzeugbar sind. Es sind auch Ausführungen und Merkmalskombinationen als offenbart anzusehen, die somit nicht alle Merkmale eines ursprünglich formulierten unabhängigen Anspruchs aufweisen. Es sind darüber hinaus Ausführungen und Merkmalskombinationen, insbesondere durch die oben dargelegten Ausführungen, als offenbart anzusehen, die über die in den Rückbezügen der Ansprüche dargelegten Merkmalskombinationen hinausgehen oder von diesen abweichen. Dabei zeigt:

1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Rotorwelle für einen Elektromotor;
2 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Anordnung für eine Rotorwelle; und
3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Fertigung einer Anordnung für eine Rotorwelle.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer Rotorwelle für einen Elektromotor. Die Rotorwelle 1 kann insbesondere für den Elektromotor 2 eines Flugzeugtriebwerks vorgesehen sein. Die Rotorwelle 1 kann einen geschmiedeten Anbindeflansch 3 aufweisen, welcher nach einem vorbestimmten Schmiedeverfahren beispielsweise aus einer Titanlegierung gefertigt sein kann. Der Anbindeflansch 3 kann an einem ersten axialen Ende 4 eine Aufnahme 5 zur Aufnahme einer weiteren Welle 6, beispielsweise einer Getriebewelle aufweisen. Das erste axiale Ende 4 kann der weiteren Welle 6 zuzuwenden sein. An einem zweiten axialen Ende 7 kann der Anbindeflansch 3 eine Grundplatte 8 aufweisen. Der Anbindeflansch 3 kann dazu vorgesehen sein, das Drehmoment der Rotorwelle 1 an die weitere Welle 6 zu übertragen.
Die Rotorwelle kann alternativ oder zusätzlich zu der Aufnahme 5 in einer nicht gezeigten Ausführungsform ein externes Anbindeelement (nicht gezeigt) umfassen, das dazu eingerichtet ist, den Anbindeflansch 3 mit der weiteren Welle 6 zu verbinden. Das externe Anbindeelement kann dazu ausgelegt sein, eine externe Anbindung des Anbindeflansches 3 an die weitere Welle 6 zu ermöglichen, beispielsweise als ein Anbindeabschnitt der weiteren Welle 6, welcher Anbindeflansch 3 extern umgreift und/oder in welchem der Anbindeflansch 3 aufgenommen ist. Das externe Anbindeelement kann dazu ausgelegt sein, eine direkte oder indirekte kraft- und/oder formschlüssige Verbindung zwischen dem Anbindeflansch 3 und der weiteren Welle 6 zu ermöglichen, damit eine Kraftübertragung und/oder Drehmomentübertragung von dem Anbindeflansch 3 über das externe Anbindeelement an die weitere Welle 6 erfolgen kann. Das externe Anbindeelement kann ein Abschnitt der weiteren Welle 6 sein bzw. integral und einstückig mit dieser ausgebildet sein (direkte Verbindung) oder kann ein von der weiteren Welle 6 und dem Anbindeflansch 3 zusätzliches und getrenntes Teil sein (indirekte Verbindung) Die weitere Welle 6 kann also direkt oder indirekt mit dem Anbindeflansch 3 verbunden sein, wodurch eine direkte bzw. indirekte Übertragung der Kraft oder des Drehmoments ermöglicht sein kann.
An dem Anbindeflansch 3 kann ein additiv gefertigter Kühlmittelverteilungskörper 9 angeordnet sein. Dieser kann, wie der Anbindeflansch 3, zentriert um eine Längsachse 10 der Rotorwelle 1 angeordnet sein. Der zumindest teilweise additiv gefertigte Kühlmittelverteilungskörper 9 kann eine zylindrische Form aufweisen, welche sich entlang der Längsachse 10 der Rotorwelle 1 erstrecken kann. Der zumindest teilweise additiv gefertigte Kühlmittelverteilungskörper 9 kann kraftschlüssig, formschlüssigen, oder stoffschlüssig mit dem Anbindeflansch 3 verbunden sein. Der Kühlmittelverteilungskörper 9 kann beispielsweise mittels eines vorbestimmten additiven Fertigungsverfahrens direkt auf dem als Substrat wirkendem Anbindeflansch 3 aufgetragen sein und beispielsweise aus einer Titanlegierung gefertigt sein. Durch die Verwendung eines additiven Fertigungsverfahrens ist es möglich, in den Kühlmittelverteilungskörper 9 Kühlmittelverteilungskörper Kühlmittelkanäle 11 bereitzustellen, welche dazu eingerichtet sein können, ein dem Kühlmittelverteilungskörper 9 eingeleitetes Kühlmittel in eine Rotoreinrichtung 12 einzuleiten oder aus der Rotoreinrichtung 12 auszuleiten. Die einzelnen Kühlmittelkanäle 11 können hierzu mit Öffnungen 13 fluidisch verbunden sein, welche sich an einer Mantelfläche 14 des Kühlmittelverteilungskörpers 9 befinden können. Um das Kühlmittel aus dem Kühlmittelverteilungskörpers 9 zu- oder ableiten zu können, kann der Kühlmittelverteilungskörper 9 ein Kühlmittelzuleitungselement 15 aufweisen, welches sich an einer axial der Grundplatte 8 abgewandten Seite des Kühlmittelverteilungskörper 9 befinden kann. Das Kühlmittelzuleitungselement 15 kann zum Beispiel zwei Kanäle aufweisen, um das Kühlmittel zu und ableiten zu können. Der Kühlmittelverteilungskörper 9 kann von der Rotoreinrichtung 12 zumindest radial umschlossen sein. Die Rotoreinrichtung 12 kann Spulenkerne aufweisen, welche durch das durch den Kühlmittelverteilungskörper 9 geführte Kühlmittel gekühlt werden. Die Rotoreinrichtung 12 kann beispielsweise an der Mantelfläche 14 des Kühlmittelverteilungskörpers 9 anliegen.
Aufgrund des additiven Fertigungsverfahren s der Kühlmittelverteilungskörper 9 eine geringere mechanische Stabilität als geschmiedete Komponenten der Rotorwelle aufweisen. Es kann daher erforderlich sein, die Rotorwelle 1 so zu gestalten, dass das Drehmoment auf andere Weise von der Rotoreinrichtung 12 auf den Anbindeflansch 3 übertragen wird. Zu diesem Zweck kann die Rotoreinrichtung 12 Flanschplatten 16 aufweisen welche an axial gegenüberliegenden Seiten der Rotoreinheit 17 angeordnet sein können. Die Flanschplatten 16 können aus geschmiedeten Titan bestehen. Die beiden Flanschplatten 16 können durch zweite Zuganker 18 miteinander verbunden sein, die in den jeweiligen Flanschplatten 16 verankert sein können. Die zweiten Zuganker 18 können mit der Rotoreinheit 17 verbunden sein, um den funktionellen Teil der Rotoreinrichtung 12 drehmomentübertragend und mit den Flanschplatten 16 zu verbinden. Die Rotorwelle 1 kann als Verbindungseinrichtung 19 zur Übertragung des Drehmoments von der Rotoreinrichtung 12 auf den Anbindeflansch 3 erste Zuganker 20 aufweisen, welche jeweils in zumindest einer der Flanschplatten 16 und in dem Anbindeflansch 3 verankert sein können. Dadurch kann die durch die Rotoreinrichtung 12 bereitgestellte Leistung an den Anbindeflansch 3 direkt übertragen werden, sodass der durch den Kühlmittelverteilungskörper 9 zu übertragene Anteil des Drehmoments reduziert ist.
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung für eine Rotorwelle. Die Anordnung 21 kann einen Anbindeflansch 3 aufweisen der nach einem Schmiedeverfahren gefertigt sein kann. Der Anbindeflansch 3 kann beispielsweise aus einer Titanlegierung bestehen. Der Anbindeflansch 3 kann an einem ersten axialen Ende 4 eine Aufnahme 5 zur Anordnung einer weiteren Welle 6, welche nicht in der Figur gezeigt ist, aufweisen. An einem zweiten axialen Ende 7 des Anbindeflansches 3 kann der Anbindeflansch 3 eine Grundplatte 8 aufweisen. Der Anbindeflansch 3 kann Kühlmittelkanäle 22 aufweisen welche an dem zweiten axialen Ende angeordnet sein können. Der Kühlmittelverteilungskörper 9 kann zumindest teilweise additiv gefertigt sein und dabei stoffschlüssig auf dem Anbindeflansch 3 aufgetragen sein. Der Kühlmittelverteilungskörper 9 kann ebenfalls aus einer Titanlegierung bestehen. Es kann vorgesehen sein, dass der Kühlmittelverteilungskörper 9 so auf den Anbindeflansch 3 aufgetragen ist, dass Kühlmittelkanäle 11 des Kühlmittelverteilungskörpers 9 fluidisch mit den Kühlmittelkanälen 22 des Anbindeflansches 3 verbunden sein können. Die Kühlmittelkanäle 11 des Kühlmittelverteilungskörpers 9 können fluidisch mit Öffnungen 13 des Kühlmittelverteilungskörpers 9 verbunden sein, sodass Kühlmittel aus dem Kühlmittelverteilungskörper 9 in eine Rotoreinrichtung eingeleitet und ausgeleitet werden kann. Um eine Zu- und Ableitung von Kühlmittel in den Kühlmittelverteilungskörper 9 zu ermöglichen, kann der Kühlmittelverteilungskörper 9 ein Kühlmittelzuleitungselement 15 aufweisen, welches beispielsweise zwei Hauptkanäle 23 zur Zu- und Ableitung des Kühlmittels aufweisen kann.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Verfahrens zur Fertigung einer Anordnung. In einem ersten Schritt S1 des Verfahrens kann ein geschmiedeter Anbindeflansch 3 in einem Pulverbett 24 einer additiven Fertigungsvorrichtung 25 angeordnet werden. Der Anbindeflansch 3 kann derart angeordnet werden, dass die an einem zweiten axialen Ende 7 angeordnete Grundplatte 8 horizontal ausgerichtet ist. Öffnungen der Kühlmittelkanäle 22 des Anbindeflansches 3 können in der horizontal ausgerichteten Grundplatte 8 liegen.
In einem zweiten Verfahrensschritt S2 des Verfahrens kann ein Kühlmittelverteilungskörper 9 mittels einer additiven Fertigung auf den Anbindeflansch 3 aufgetragen werden. Der Anbindeflansch 3 kann hierbei ein Substrat des Kühlmittelverteilungskörpers 9 sein. Es kann, also vorgesehen sein, dass schichtweise Pulver aufgetragen und lokal entlang einer Fügezone erhitzt wird. Die schichtweise Auftragung kann derart erfolgen, dass eine vorbestimmte Struktur aus Kühlmittelkanälen 11 des Kühlmittelverteilungskörpers 9 bereitgestellt werden kann.
In einem dritten Schritt S3 des Verfahrens kann ein Kühlmittelzuleitungselement 15 beispielsweise additiv oder mittels Anordnung eines geschmiedeten Elements an dem Kühlmittelverteilungskörper 9 angeordnet werden.
Da die Rotorwelle 1 die gesamte Leistung des neuen Elektro-Motors an das Getriebe übertragen muss ist der Motorflansch, der auch als Anbindeflansch 3 bezeichnet wird,, das vorderste Teil der Rotorwelle, sehr hohen Belastungen ausgesetzt, die anderen Bereiche der Rotorwelle 1 jedoch vergleichsweise wenig belastet. Diese könnten/müssen jedoch mit einer aufwändigen innenliegenden Kühlstruktur in dem Kühlmittelverteilungskörper 9 versehen werden um die angestrebte Leistungsdichte erreichen zu können. Der massiv auszulegende Anbindeflansch 3 erfordert jedoch einen beträchtlichen Zeitaufwand in der additiven Fertigung mit dem Risiko, hoher Zeitaufwände, langer Scanlängen, großer Schmelzflächen, schwer detektier barer Fehler im Inneren aufgrund der großen Wandstärke. Aus wirtschaftlichen Gründen sind solche einfachen Anbindeflansch-Geometrien klassisch über konventionelle Verfahren sicherer und wirtschaftlicher herzustellen und mit dem additiven Wellen-Teil mit Kühlstruktur, der konventionell nicht herstellbar ist, zu fügen.
Es kann vorgesehen sein, dass die Rotorwelle 1 den vorderen Anbindeflansch3, eine Flanschplatte 16, einen Kühlmittelverteilungskörper 9, eine hintere Flanschplatte 16 und ein Kühlmittelzuleitungselement 15 über welches die Kühlmedien zu und abgeführt umfasst, wie in 1 gezeigt.
Die Rotoreinheit 17 des Elektromotors kann zwischen dem vorderen und hinteren Flanschplatten 16 durch zweite Zuganker verspannt sein. In den Anbindeflansch 3 wird über lange, erste Zuganker die Kraft aus der verspannten Rotoreinheit eingeleitet. Zusätzlich kann der Anbindeflansch kraftschlüssig und/oder formschlüssig mit den Flanschplatten 16 verbunden sein.
Des Weiteren besteht beim Skalieren des Motorkonzeptes in den Megawatt- beziehungsweise den Gigawattbereich das Risiko dass die additiv erreichten Werkstoffeigenschaften nicht die hohen Sicherheitsstandards für sicherheitsrelevante Anbindeflansche 3 erreichen. Komplett aus Schmiedematerial kann die Rotorwelle 1 aufgrund der komplexen Innenkühlung jedoch nicht realisiert werden. Leistungseinbußen aufgrund verringerter Kühlleistung wären die Folge. Ein Gewichtsaufwuchs und drastisch sinkende Leistungsdichte des Gesamtsystems könnten das Antriebs-System unrentabel machen.
Um den vorderen Anbindeflansch 3 aufgrund hoher Belastungen oder großer Abmessungen skalierbar bis in den Megawatt- beziehungsweise den Gigawattbereich zu halten, kann dieser beispielsweise aus geschmiedetem Ti64, wie eine heutige Triebwerks-Scheibe hergestellt sein. Ebenso die zwei Flanschplatten 16. Dadurch können sehr hohe mechanische Lasten sicher übertragen werden und das heute übliche Auslegungskonzept von Wellenanbindungen weiterverwendet werden.
Um den Anbindeflansch mit dem ganz oder zumindest bereichsweise additiv gefertigten Kühlmittelverteilungskörper sicher verbinden zu können, können diese beiden Teile formschlüssig, kraftschlüssig oder stoffschlüssig verbunden werden. Die formschlüssige Verbindung kann durch einen Bajonett-Verschluss, die kraftschlüssige Verbindung beispielsweise durch ein Gewinde oder die stoffschlüssige Verbindung durch schweißen, löten oder additiv hergestellt sein.
Eine bevorzugte Variante der stoffschlüssigen Verbindung besteht darin dass z.B. der geschmiedete, wärmebehandelte und annähernd fertigbearbeitete Anbindeflansch in einer additiven Fertigungsanlage so eingesetzt wird das auf den bereits teilweise vorgefertigten, nach oben noch offenen Kühlmittelkanälen, additiv z.B. im Pulverbettverfahren SLM oder EBM der komplexe Kühlmittelverteiler direkt additiv aufgebaut werden kann.
Dadurch entsteht eine „komposite“-Welleneinheit aus einem z.B. geschmiedeten Ti64 Rotor Anbindeflansch und additiv gefertigten z.B. Ti64 Kühlmittelverteiler welche konventionell nicht in einem Stück fertigbar ist.
Durch das getrennte Fertigen des Rotor Anbindeflansches über Schmieden kann Bauteil der Sicherheitsklasse 1 realisiert werden. Durch die anschließend direkt darauf aufbauende additive Fertigung können die komplexen Strukturen des Kühlmittelverteilers innerhalb derselben Welle realisiert werden. Solch ein Teil ist konventionell nicht fertigbar und vereint wirtschaftlich Vorteile aus beiden Welten. Den etablierten, bei Anbindeflanschen gut erprobten Schmiedeprozess, der bei höheren Stückzahlen auch Kostengünstiger ist. Eine Fertigung der Anbindeflansche im additiven Prozess ist aufgrund der geringen Komplexität unattraktiv. Die Herstellung komplexer funktionaler Kühlmittelkanäle im strukturell wenig belasteten Bereich der Welle, die für den Wettbewerbsvorteil und die Wirtschaftlichkeit wichtig sind, wird jedoch durch die additive Fertigung ermöglicht. Da solche Strukturen meist nicht in optimierter Form konventionell herstellbar sind, ist hier AM das Mittel der Wahl und kann seine Stärken und Funktionalitäten mit dünnen komplexen Strukturen realisieren. Verwendung dieses Fertigungskonzeptes kann bei kleinen Rotoren im 600kW Bereich bereits ein Zeitvorteil im additiven Herstellungsverfahren realisiert werden (auch wenn die mechanischen Eigenschaften ausreichen würden) und später bei Hochskalieren kann die Nabe mit den Vorliegenden Ti64 schmiede Auslegungsdaten berechnet und ausgelegt werden und sehr große Bauweisen mit Wandstärken realisiert werden, die additiv nicht wirtschaftlich herstellbar sind und dann neue Bauweisen benötigen würden. Additiv wird damit von Beginn an nur gebaut was additiv einen Vorteil aufweist. Alle anderen Teile werden konventionell mit höherwertigen mechanischen Eigenschaften gefertigt, was auch wirtschaftlicher ist.
Insgesamt wird es durch die Erfindung ermöglicht, eine Kühlung der Rotoreinrichtung unter Einhaltung der mechanischen Erfordernisse bereitzustellen.
Bezugszeichenliste

1: Rotorwelle
2: Elektromotor
3: Anbindeflansch
4: Erstes axiales Ende
5: Aufnahme
6: Welle
7: Zweites axiales Ende
8: Grundplatte
9: Kühlmittelverteilungskörper
10: Längsachse
11: Kühlmittelkanäle
12: Rotoreinrichtung
13: Öffnungen
14: Mantelfläche
15: Kühlmittelzuleitungselement
16: Flanschplatten
17: Rotoreinheit
18: Zweite Zuganker
19: Verbindungseinrichtung
20: Erste Zuganker
21: Anordnung
22: Kühlmittelkanäle
23: Hauptkanäle
24: Pulverbett
25: Additive Fertigungsvorrichtung
S1-S2: Verfahrensschritte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3580434 A1 [0006]
US 2016/0010469 A1 [0007]
EP 2772329 A1 [0008]
EP 3840197 A1 [0009]
EP 3654501 A1 [0010]

Claims

Rotorwelle (1) für einen Elektromotor (2), insbesondere für ein Flugzeugtriebwerk, wobei die Rotorwelle (1) einen geschmiedeten Anbindeflansch (3) aufweist, wobei der Anbindeflansch (3) zur Anbindung an eine weitere Welle (6) zur Kraftübertragung und/oder Drehmomentübertragung vorgesehen ist, ein der weiteren Welle (6) zuzuwendendes, erstes axiales Ende (4) umfasst und an einem, dem ersten axialen Ende (4) entgegengesetztem zweiten axialen Ende (7) eine Grundplatte (8) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorwelle (1) einen zumindest bereichsweise additiv gefertigten Kühlmittelverteilungskörper (9) aufweist, wobei der additiv gefertigte Kühlmittelverteilungskörper (9) radial zentriert an der Grundplatte (8) des geschmiedeten Anbindeflansches (3) angeordnet ist, und die Rotorwelle (1) eine Rotoreinrichtung (12) aufweist, durch welche der additiv gefertigte Kühlmittelverteilungskörper (9) radial umschlossen ist, und welche mit der Grundplatte (8) des geschmiedeten Anbindeflansches (3) zumindest kraftschlüssig verbunden ist.
Rotorwelle (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anbindeflansch (3) an dem ersten axialen Ende (4) eine Aufnahme (5) zum Aufnehmen der weiteren Welle (6) umfasst.
Rotorwelle (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorwelle (1) ein externes Anbindeelement umfasst, das dazu eingerichtet ist, den Anbindeflansch (3) mit der weiteren Welle (6) kraftschlüssig und/oder formschlüssig zu verbinden.
Rotorwelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest bereichsweise additiv gefertigte Kühlmittelverteilungskörper (9) Kühlmittelkanäle (11) aufweist, die mit Kanalöffnungen (13) an einer Mantelfläche (14) des zumindest bereichsweise additiv gefertigten Kühlmittelverteilungskörper (9) fluidisch verbunden sind.
Rotorwelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest bereichsweise additiv gefertigte Kühlmittelverteilungskörper (9) an einem dem Anbindeflansch (3) abgewandten Ende einen axial verlaufendes Kühlmittelzuleitungselement (15) umfasst.
Rotorwelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest einige der Kühlmittelkanäle (11) fluidisch mit einem Kühlkanal (22) des Anbindeflansches (3) verbunden sind.
Rotorwelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotoreinrichtung (12) durch eine Verbindungseinrichtung (19) mit dem Anbindeflansch (3) verbunden ist.
Rotorwelle (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungseinrichtung (19) erste Zuganker (20) aufweist, welche in der Rotoreinrichtung (12) und dem Anbindeflansch (3) verankert sind.
Rotorwelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotoreinrichtung (12) eine Rotoreinheit (17) umfasst, welche axial zwischen zwei Flanschplatten (16) angeordnet ist, wobei die zwei Flanschplatten (16) durch zweite Zuganker (18) miteinander verbunden sind.
Rotorwelle (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelverteilungskörper (9) stoffschlüssig additiv auf dem Anbindeflansch (3) aufgetragen ist.
Anordnung (21) für eine Rotorwelle (1), umfassend: einen geschmiedeten Anbindeflansch (3), wobei der Anbindeflansch (3) zur Anbindung an eine weitere Welle (6) zur Kraftübertragung und/oder Drehmomentübertragung vorgesehen ist, ein der weiteren Welle (6) zuzuwendendes, erstes axiales Ende (4) umfasst und an einem, dem ersten axialen Ende (4) entgegengesetztem zweiten axialen Ende (7) eine Grundplatte (8) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorwelle (1) einen zumindest bereichsweise additiv gefertigten Kühlmittelverteilungskörper (9) aufweist, wobei der additiv gefertigte Kühlmittelverteilungskörper (9) radial zentriert an der Grundplatte (8) des geschmiedeten Anbindeflansches (3) angeordnet ist,
Verfahren zur Fertigung einer Anordnung (21) für eine Rotorwelle (1), wobei auf einem geschmiedeten Anbindeflansch (3), der eine Grundplatte (8) umfasst, nach einem additiven Fertigungsverfahren zumindest bereichsweise additiv ein Kühlmittelverteilungskörper (9) aufgetragen wird, wobei der additiv gefertigte Kühlmittelverteilungskörper (9) radial zentriert an der Grundplatte (8) des geschmiedeten Anbindeflansches (3) angeordnet wird.