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Die Erfindung betrifft ein Bauteil für eine elektrische Maschine, mit mehreren zylinderförmigen Blechpaketen, die einen zylinderförmigen Blechpaketstapel bilden und jeweils mehrere entlang ihres Umfangs angeordnete Durchgangslöcher aufweisen, sowie mehreren stabförmigen Verbindungselementen, welche durch die Durchgangslöcher verlaufen und die Blechpakete miteinander verbinden.
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Elektrische Maschinen dieser Art werden in zunehmendem Maße in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen und Hybridfahrzeugen verwendet, überwiegend als Elektromotoren für den Antrieb eines Rads oder einer Achse eines solchen Fahrzeugs. Der Elektromotor kann unter anderem als Synchronmotor oder Asynchronmotor ausgebildet sein.
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Der Elektromotor ist zumeist mechanisch mit einem Getriebe zur Drehzahlanpassung gekoppelt. Daneben ist der Elektromotor in der Regel elektrisch mit einem Wechselrichter verbunden, der aus einer von einer Batterie gelieferten Gleichspannung eine Wechselspannung für den Betrieb des Elektromotors erzeugt, beispielsweise eine mehrphasige Wechselspannung.
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Es ist auch möglich, die elektrische Maschine als Generator zur Rekuperation von Bewegungsenergie des Fahrzeugs zu betreiben, wobei die Bewegungsenergie zunächst in elektrische Energie und dann in chemische Energie der Batterie umgewandelt wird.
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Das oben genannte Bauteil kann zum Beispiel als Rotorkern eines Rotors der elektrischen Maschine verwendet werden. Der Rotor verfügt normalerweise über eine von dem Rotorkern umschlossene Rotorwelle. Zusätzlich kann der Rotor in dem Rotorkern angeordnete Permanentmagneten oder eine an dem Rotorkern befestigte Wicklung mit einem elektrischen Leiter aufweisen. Es ist besonders wichtig, dass die miteinander verbundenen Blechpakete auch bei hohen Drehzahlen des Rotors, die entsprechende Fliehkräfte verursachen, sicher zusammenhalten, insbesondere nicht auseinanderdriften.
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Alternativ zu dem Rotor kann das Bauteil auch Bestandteil eines Stators einer elektrischen Maschine sein, beispielsweise einen Statorkern de Stators bilden, in dem zum Beispiel Permanentmagneten angeordnet sind oder auf dem eine Wicklung eines elektrischen Leiters befestigt ist.
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Jedes der Blechpakete kann aus mehreren kreisförmigen Elektroblechen zusammengesetzt sein, die fest miteinander verbunden sind, zum Beispiel durch Verschweißen. Die Elektrobleche können jeweils ein zentrales Loch aufweisen und sind bevorzugt als Gleichteile ausgebildet, verfügen also über dieselbe Gestalt.
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Ferner verläuft durch jedes der Blechpakete eine (virtuelle) Axialachse, welche der Achse des von dem Blechpaket gebildeten Zylinders entspricht. Die Axialachsen der Blechpakete verlaufen entlang einer (virtuellen) Axialachse des zylinderförmigen Blechpaketstapels, der von den Blechpaketen gebildet wird.
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Bei einer elektrischen Maschine kann in unerwünschter Weise der Effekt des Nutrastens beziehungsweise der Drehmomentwelligkeit auftreten. Durch verschiedene konstruktive Maßnahmen wird versucht, den Effekt abzuschwächen oder zu vermeiden. Eine Maßnahme zur Verringerung der Drehmomentwelligkeit ist eine leichte Verdrehung eines oder mehrerer Blechpakete eines Rotors oder eines Stators der elektrischen Maschine in Umfangsrichtung, jeweils gegenüber einem benachbarten Blechpaket.
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Allerdings ergibt sich durch die Verdrehung das Problem, dass die mit den Durchgangslöchern versehenen Blechpakete nicht mehr ohne Weiteres mit den stabförmigen Verbindungselementen verbunden werden können, da die Durchgangslöcher nicht mehr miteinander fluchten.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Bauteil für eine elektrische Maschine mit mehreren zylinderförmigen Blechpaketen anzugeben, die auch dann mit stabförmigen Verbindungselementen miteinander verbunden werden können, wenn die Blechpakete zueinander in Umfangsrichtung verdreht sind.
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Zur Lösung der Aufgabe ist bei einem Bauteil für eine elektrische Maschine der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Durchgangslöcher eines der Blechpakete als Langlöcher ausgebildet sind, wobei das Blechpaket gegenüber einem benachbarten der Blechpakete in Umfangsrichtung um einen festgelegten Winkel verdreht ist.
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Die Langlöcher ermöglichen es, trotz der Verdrehung stabförmige Verbindungselemente durch den Blechpaketstapel zu stecken. Das liegt daran, dass korrespondierende Durchgangslöcher der Blechpakete auch in dem verdreht gestapelten Zustand einen durchgängigen Durchgangslochkanal bilden, der durch das gesamte Blechpaket verläuft und eines der Verbindungselemente aufnehmen kann. Insbesondere ist der Querschnitt des Durchgangslochkanals entlang seiner Längsachse groß genug zur Aufnahme des Verbindungselementes.
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Das Bauteil gemäß der Erfindung lässt sich herstellen, indem die Blechpakete aufeinander gestapelt werden, wobei eines oder mehrere der Blechpakete gegenüber den übrigen Blechpaketen um ihre jeweilige Axialachse verdreht werden, und die Blechpakete mit den Verbindungselementen miteinander verbunden werden. Die Verdrehung ermöglicht eine verminderte Drehmomentwelligkeit beziehungsweise ein vermindertes Nutrasten der elektrischen Maschine, in der das Bauteil eingesetzt wird.
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Mit besonderem Vorteil kann es bei dem erfindungsgemäßen Bauteil vorgesehen sein, dass die Blechpakete als Gleichteile ausgebildet sind, also dieselbe Gestalt aufweisen. Damit verfügt jedes der Blechpakete über Langlöcher und es muss lediglich ein einziger Typ von Blechpaket hergestellt, bevorratet und montiert werden, so dass Kosten eingespart werden können.
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Bevorzugt sind die Langlöcher des verdrehten Blechpakets auf einer zentrischen Kreisbahn angeordnet, so dass die Langlöcher denselben Abstand vom Mittelpunkt beziehungsweise der Axialachse des Blechpakets haben. Alternativ dazu können die Langlöcher auf mehrere zentrische Kreisbahnen verteilt sein, so dass auf jeder der Kreisbahnen wenigstens eines der Langlöcher angeordnet ist. Die Langlöcher können zum Beispiel auf zwei zentrische Kreisbahnen verteilt sein.
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Vorzugsweise entspricht die Längsrichtung jedes Langlochs der Umfangsrichtung. Dadurch lässt sich das Blechpaket in der Umfangsrichtung des Blechpakets verdreht montieren.
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Ferner kann es vorgesehen sein, dass die Längsseiten eines der Langlöcher oder aller Langlöcher gerade oder in Radialrichtung gerundet ausgebildet sind. Als Längsseiten eines Langlochs werden dessen gegenüberliegende längere Seiten bezeichnet. Die Radialrichtung verläuft von der Axialachse des Blechpakets nach außen, rechtwinklig zur Axialachse.
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Die schmalen Seiten eines oder jedes der Langlöcher können gerade, halbkreisförmig oder als Kreissegment ausgebildet sein. Als schmale Seiten werden die kürzeren Seiten eines Langlochs bezeichnet, welche dessen Längsseiten verbinden. Das Vorsehen abgerundeter Langlöcher vermeidet die Entstehung von Spannungsspitzen, die bei eckigen Löchern auftreten könnten.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass eines der Verbindungselemente ein Ende oder zwei Enden aufweist, die jeweils mit einer Mutter verschraubt sind. Damit lässt sich das Verbindungselement an dem Blechpaketstapel befestigen. Insbesondere können alle Verbindungelemente des erfindungsgemäßen Bauteils ein solches Ende oder zwei solche Enden aufweisen. Wenn lediglich ein Ende eines der Verbindungselemente mit einer Mutter verschraubt ist, kann sich an dem entgegengesetzten Ende ein Schraubenkopf befinden.
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Es ist auch möglich, dass eines der stabförmigen Verbindungselemente innerhalb des Blechpaketstapels in Harz eingebettet ist. Dazu wird das Durchgangsloch nach dem Einführen des Verbindungselements in den Blechpaketstapel mit flüssigem Harz vergossen, das anschließend aushärtet und das Durchgangsloch ausfüllt. In diesem Fall ist es möglich, dass die Länge des Verbindungselementes der axialen Länge des Blechpaketstapels entspricht, wobei die Enden des Verbindungselementes den Blechpaketstapel axial nicht überragen.
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Insbesondere können alle Verbindungselemente des erfindungsgemäßen Bauteils innerhalb des Blechpaketstapels in Harz eingebettet sein. In diesem Fall kann auf ein Verschrauben der Enden der Verbindungselemente verzichtet werden. Ferner kann anstelle von Harz ein anderer geeigneter Werkstoff verwendet werden, zum Beispiel ein Klebstoff.
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Es liegt ebenfalls im Rahmen der Erfindung, dass an einer Stirnfläche oder an beiden Stirnflächen des Blechpaketstapels jeweils eine Endplatte angeordnet ist, die zum Zusammenhalten des Blechpaketstapels dient. Die Endplatte kann im Wesentlichen den gleichen Durchmesser wie die einzelnen zylinderförmigen Blechpakete aufweisen. Die Endplatte kann unter anderem aus einer Aluminiumlegierung oder einer Stahllegierung bestehen.
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Das erfindungsgemäße Bauteil kann zum Rotor oder zum Stator einer elektrischen Maschine gehören. Insbesondere kann das Bauteil einen Rotorkern bilden, in dem Ausnehmungen zum Einsetzen von Magneten vorgesehen sein können. Alternativ dazu kann das Bauteil einen Statorkern bilden, der mit Spulenwicklungen versehen sein kann.
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Die oben genannte Aufgabe wird ferner mit einer elektrischen Maschine gelöst, zu der ein Bauteil gemäß der Erfindung gehört. Das Bauteil kann unter anderem Bestandteil eines Rotors der Maschine sein, beispielsweise als Rotorkern des Rotors. Alternativ dazu kann das Bauteil zum Stator der Maschine gehören, beispielsweise als Statorkern des Stators.
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Weiterhin wird die Aufgabe mit einem Antriebsstrang für ein Fahrzeug gelöst, der eine solche elektrische Maschine aufweist. Zusätzlich kann der Antriebsstrang über ein mit der Maschine gekoppeltes Getriebe und/oder einen mit der Maschine verbundenen Wechselrichter verfügen, mit dem eine zum Betreiben der Maschine benötigte mehrphasige Wechselspannung bereitstellbar ist.
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Die Aufgabe wird außerdem mit einem Fahrzeug gelöst, das einen derartigen Antriebsstrang aufweist. Die elektrische Maschine des Antriebsstrangs kann ein Rad oder eine Achse des Fahrzeugs antreiben. Bei dem Fahrzeug handelt es sich zum Beispiel um ein Straßenfahrzeug, ein Wasserfahrzeug oder ein Luftfahrzeug.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Die Figuren sind schematische Darstellungen und zeigen:
- 1 eine perspektivische Ansicht eines Rotors mit einem Bauteil gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung;
- 2 eine Ansicht des Rotors in Axialrichtung;
- 3 eine Ansicht des Rotors in der entgegengesetzten Axialrichtung;
- 4 eine Seitenansicht des Rotors;
- 5 ein Blechpaket des Bauteils in einer axialen Ansicht;
- 6 ein Fahrzeug mit einer elektrischen Maschine, die den Rotor aufweist;
- 7 eine perspektivische Ansicht eines Bauteils gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung; und
- 8 eine axiale Ansicht eines Blechpakets des in 7 gezeigten Bauteils.
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Die 1 bis 4 zeigen einen Rotor 1 einer elektrischen Maschine. Der Rotor ist mit einem Bauteil 2 gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung versehen, welches als Rotorkern des Rotors 1 dient.
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Das Bauteil 2 umfasst unter anderem fünf zylinderförmige Blechpakete 3, die als Gleichteile ausgebildet sind und jeweils aus mehreren identischen gestapelten Blechen bestehen. Die Blechpakete 3 bilden einen zylinderförmigen Blechpaketstapel, welcher auf einer Rotorwelle 21 angebracht ist und als der Rotorkern dient. Alternativ dazu kann das Bauteil 2 auch eine andere Anzahl von Blechpaketen aufweisen, beispielsweise vier oder sechs Blechpakete.
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5 zeigt eines der Blechpakete 3 in einer axialen Ansicht. Das Blechpaket 3 weist acht entlang seines Umfanges verteilte Durchgangslöcher 4 auf, die als Langlöcher ausgebildet sind. Zwischen benachbarten der Durchgangslöcher 4 befindet sich jeweils ein kreisförmiges Durchgangsloch 5.
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Darüber hinaus umfasst das Blechpaket 3 radial (das heißt in Radialrichtung) außerhalb der Durchgangslöcher 4, 5 angeordnete Schlitze 20, die zur Aufnahme von Permanentmagneten dienen. Die Durchgangslöcher 4 erstrecken sich jeweils in Umfangsrichtung des Blechpakets 3, das heißt entlang von dessen Umfang.
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Die Durchgangslöcher 4 definieren gemeinsam eine Kreisbahn (nicht gezeigt), auf der sie gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Die Längsseiten der Durchgangslöcher 4 verlaufen jeweils gerade. Die schmalen Seiten der Durchgangslöcher 4 sind abgerundet und näherungsweise halbkreisförmig gestaltet.
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In 1 und 4 ist gezeigt, dass jedes der zylinderförmigen Blechpakete 3 gegenüber einem benachbarten Blechpaket 3 in Umfangsrichtung um einen festgelegten Winkel verdreht ist. Die Winkelpositionen der Blechpakete 3 sind anhand von in Axialrichtung verlaufenden Kanten 6 der Blechpakete 3 erkennbar. Die relative Verdrehung der benachbarten Blechpakete 3 beträgt 2,5°, kann aber auch einen anderen Wert annehmen, zum Beispiel einen Wert zwischen 2° und 5°.
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Die Verdrehung der Blechpakete 3 ist symmetrisch, so dass ihre Kanten 6 eine V-Form bilden. Das heißt, das erste und das fünfte Blechpaket sind gegenüber dem dritten Blechpaket um denselben Winkel verdreht und das zweite und das vierte Blechpaket sind gegenüber dem dritten Blechpaket um denselben Winkel verdreht. Alternativ dazu können die Blechpakete auch asymmetrisch verdreht sein. Beispielsweise können die Kanten 6 entlang einer Gerade verlaufen.
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Das Bauteil 2 weist an seinen beiden Axialseiten jeweils eine Endplatte 7 auf, die aus einer Aluminiumlegierung hergestellt ist und denselben Durchmesser wie die Blechpakete 3 aufweist. Im Bereich ihres Außenumfangs kann die Endplatte 7 in Axialrichtung abgewinkelt sein und die äußeren zylinderförmigen Blechpakete 3 (das heißt das erste und das fünfte Blechpaket 3) umgeben.
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Obwohl die Blechpakete 3 in Umfangsrichtung zueinander versetzt angeordnet sind, ergeben sich insgesamt acht Durchgangslochkanäle in Axialrichtung, die jeweils durch das gesamte Blechpaket verlaufen. In den Durchgangslochkanälen ist jeweils ein stabförmiges Verbindungselemente 8 aufgenommen, das in beiden Axialrichtungen aus dem Blechpaketstapel ragt. Die Verbindungselemente 8 weisen an ihren Enden jeweils ein Außengewinde auf, das durch eine der Endplatten ragt und mit einer Mutter 9 verschraubt ist. Somit wird der Blechpaketstapel von den Verbindungselementen 8 in Verbindung mit den Endplatten 7 und den Muttern 9 zusammengehalten.
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Optional können die Durchgangslöchern 4 mit einem Harz vergossen sein, welches zwischen den Verbindungselementen 8 und dem Blechpaket vorhandenen Freiräume ausfüllt.
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Bezugnehmend auf 6 bildet der Rotor 1 zusammen mit einem Stator, einem Gehäuse und weiteren Bauteilen eine elektrische Maschine 10. Die elektrische Maschine 10 bildet zusammen mit einem Getriebe 11 einen Antriebsstrang 12 für ein Fahrzeug 13.
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7 ist eine perspektivische Ansicht eines Bauteils 15 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung. Das Bauteil 15 dient als Statorkern 14 eines Stators einer elektrischen Maschine. Optional kann das Bauteil 15 in einem zylinderförmigen Gehäuse der Maschine aufgenommen sein.
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Das Bauteil 15 weist vier zumindest näherungsweise zylinderförmige Blechpakete 16 auf, die einen zylinderförmigen Blechpaketstapel bilden. Alternativ dazu kann das Bauteil 15 auch eine andere Anzahl von Blechpaketen aufweisen, beispielsweise fünf oder sechs Blechpakete.
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Zusätzlich gehören zu dem Bauteil 15 mehrere stabförmige Verbindungselemente, die aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt sind. Die Verbindungselemente verlaufen durch den Blechpaketstapel und halten ihn zusammen.
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8 zeigt eines der Blechpakete 16 des Bauteils 15 in einer axialen Ansicht. Das Blechpaket 16 ist aus mehreren identischen ringförmigen, gestapelten und voneinander isolierten Blechen zusammengesetzt. Ferner weist das Blechpaket 16 axial verlaufende Vorsprünge 17 auf, die sich jeweils entgegen der Radialrichtung ins Innere des Blechpakets 16 erstrecken. Zwischen benachbarten der Vorsprünge ist jeweils eine Nut 18 angeordnet, wobei die Nuten 18 zur Aufnahme von Statorwicklungen (nicht gezeigt) vorgesehen sind.
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Weiterhin weist das Blechpaket 16 acht gleichmäßig entlang seines Außenumfanges angeordnete Durchgangslöcher 19 auf, welche die Verbindungselemente aufnehmen und als Langlöcher ausgebildet sind. Die Längsrichtung jedes der Durchgangslöcher 19 entspricht der Umfangsrichtung. Die Längsseiten der Durchgangslöcher 19 sind in Radialrichtung etwas abgerundet und ihre schmalen Seiten sind jeweils halbkreisförmig ausgebildet.
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Wie in 7 erkennbar ist, sind die Blechpakete 16 zueinander in Umfangsrichtung verdreht, wobei ihre Kanten entlang einer Gerade verlaufen. Die Langlöcher ermöglichen, die Verbindungselemente auch in diesem Fall einzusetzen. Die Verbindungselemente können wie die Verbindungselemente 8 der ersten Ausführungsform der Erfindung gestaltet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rotor
- 2
- Bauteil
- 3
- Blechpaket
- 4
- Durchgangsloch
- 5
- Durchgangsloch
- 6
- Kante
- 7
- Endplatte
- 8
- Verbindungselement
- 9
- Mutter
- 10
- elektrische Maschine
- 11
- Getriebe
- 12
- Antriebsstrang
- 13
- Fahrzeug
- 14
- Statorkern
- 15
- Bauteil
- 16
- Blechpaket
- 17
- Vorsprung
- 18
- Nut
- 19
- Durchgangsloch
- 20
- Schlitz
- 21
- Rotorwelle
