DE102021204575A1

DE102021204575A1 - Rotoranordnung für eine elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102021204575A1
Application number: DE102021204575.8A
Authority: DE
Inventors: Thomas Riedisser; Matthias Weidner; Peter Fenn; Florian Pöhnlein; Claudius Flogaus
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2021-05-06
Filing date: 2021-05-06
Publication date: 2022-11-10
Also published as: WO2022233845A1; US20240235300A1; CN117256086A

Abstract

Es wird eine Rotoranordnung für eine elektrische Maschine (9) mit einem einen Blechpaketträger (1) und einen Rotorträger (2) sowie eine Rotornabe (3) umfassenden Rotor vorgeschlagen, wobei der etwa scheibenförmig ausgeführte Rotorträger (2) zumindest einen umlaufenden Ringrippenabschnitt (6) zur Steifigkeitserhöhung aufweist. Ferner wird eine elektrische Maschine mit einer Rotoranordnung vorgeschlagen. Zudem werden ein hybridisiertes Automatikgetriebe sowie eine elektrisch angetriebene Achse jeweils mit einer Rotoranordnung vorgeschlagen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Rotoranordnung für eine elektrische Maschine gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art. Ferner betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine mit einer Rotoranordnung sowie ein hybridisiertes Automatikgetriebe eines Fahrzeuges und eine elektrisch angetriebene Achse eines Fahrzeuges jeweils mit einer Rotoranordnung.
Beispielsweise aus der Druckschrift DE 10 2016 211 940 A1 ist ein Hybridantriebsmodul für einen Kraftfahrzeugantriebsstrang mit einer elektrischen Maschine in einem Gehäuse eines hybridisierten Automatikgetriebes bekannt. Die elektrische Maschine ist koaxial zu einer zentralen Getriebewelle angeordnet, wobei ein Lamellenschaltelement radial innerhalb eines Blechpaketträgers eines Rotors der elektrischen Maschine vorgesehen ist. Der Blechpaketträger ist über einen Rotorträger und einer Rotornabe drehbar an der zentralen Getriebewelle gelagert.
Um die Effizienz der elektrischen Maschine zu optimieren, wird ein möglichst geringer Luftspalt zwischen dem Stator und dem Rotor der elektrischen Maschine vorgesehen, um dadurch einen positiven Effekt auf den Wirkungsgrad der elektrischen Maschine zu bewirken, da die Verluste mit zunehmendem Luftspalt ansteigen. Mit sinkendem Luftspalt steigt jedoch auch die statische Magnetkraft, mit der sich die Permanentmagneten im Blechpaketträger des Rotors an den Stator anziehen. Diese statischen Magnetkräfte sind bei idealer Koaxialität theoretisch über 360° jeweils in ihrer Vektorgröße identisch und entgegengesetzt und daher kraftausgeglichen.
Sobald jedoch der Rotor relativ zum Stator aus der Mitte versetzt wird und somit der Luftspalt ungleich wird, steigen die Magnetkräfte an der Engstelle und reduzieren sich an der Stelle mit größerem Luftspalt. Dieser Effekt führt zu einer einseitigen radialen Belastung des Rotors. Demzufolge ergibt sich eine Wölbung bzw. eine Knickung an dem scheibenförmigen Rotorträger. Diese axiale Verwölbung der Planfläche am Rotorträger führt zu einer radialen Schiefstellung des gesamten Rotors innerhalb des Luftspalts. Aus diesem Grund wird der Rotorträger entsprechend pauschal dickwandig bzw. massiv ausgeführt. Dies führt jedoch zu erheblichem Mehrgewicht und Mehrkosten sowie zu einem ungewünschten hohen Bauraumbedarf.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Rotoranordnung und eine elektrische Maschine sowie ein hybridisiertes Automatikgetriebe und eine elektrische Antriebsachse vorzuschlagen, welche eine steifigkeitsoptimale Gestaltung eines Rotorträgers zur Wirkungsgradsteigerung bei möglichst geringen Herstellungskosten und möglichst geringem Bauraumbedarf realisieren.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 bzw. 7 bzw. 8 bzw. 10 gelöst. Vorteilhafte und beanspruchte Weiterbildungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der Beschreibung sowie den Zeichnungen.
Somit wird eine Rotoranordnung für eine elektrische Maschine mit einem einen Blechpaketträger und einen Rotorträger sowie eine Rotornarbe umfassenden Rotor vorgeschlagen. Um insbesondere eine steifigkeitsoptimale Gestaltung des Rotorträgers zu realisieren, ist vorgesehen, dass der etwa scheibenförmig ausgeführte Rotorträger zumindest einen umlaufenden Ringrippenabschnitt bzw. eine Ringrippe zur Steifigkeitserhöhung aufweist.
Bei der vorgeschlagenen Rotoranordnung ergibt sich durch den vorgesehenen Ringrippenabschnitt eine deutliche Versteifung der Planfläche bzw. des scheibenringförmigen Bereichs des Rotorträgers. Der Effekt des Ringrippenabschnitt reduziert die Verwölbung des gesamten scheibenförmigen Rotorträgers durch die hohe Ringsteifigkeit des Ringrippenabschnittes, da eine Verwindung durch den Ringschluss und den Aufbau von Zug-Druckspannungen nicht zugelassen wird. Hierdurch reduziert sich neben der axialen Verwölbung des Rotorträgers, welches somit auch eine radiale Schiefstellung des gesamten Rotors in Bezug auf den gehäusefesten Stator verhindert.
Im Rahmen der Erfindung ist vorgesehen, dass der Ringrippenabschnitt über den gesamten Umfang und in axialer Richtung vorstehend an dem Rotorträger vorgesehen ist. Der Ringrippenabschnitt ergibt somit quasi ein 360° umlaufendes Geometrieelement, welches möglichst axial langgezogen und gleichzeitig eine relativ geringe radiale Höhe aufweist.
Die Anordnungsposition des Ringrippenabschnittes an dem Rotorträger wird dort festgelegt, wo sich die größte Belastung ergibt. Diese Anordnungsposition liegt radial gesehen zwischen dem Blechpaketträger und der Rotornabe an dem Rotorträger.
Es sind verschiedene Ausgestaltungen denkbar, um den Ringrippenabschnitt an dem Rotorträger der vorgeschlagenen Rotoranordnung zu realisieren. Eine besonders kostengünstige Ausführung wird dadurch realisiert, dass der Ringrippenabschnitt durch eine U-förmige Umformung gebildet ist. Die U-Form ist umformungstechnisch als Doppelwandung ausgeführt, welches zum Beispiel durch lückenloses Aus-und Rückformen des Blechs direkt aus dem scheibenförmigen Rotorträger realisiert wird. Die U-Form bildet eine möglichst axial langgeformte Gestaltung bei möglichst geringer radialer Höhe, die eine maximale Steifigkeitserhöhung bei dem Rotorträger kostengünstig realisiert.
Es ist jedoch auch denkbar, dass der Ringrippenabschnitt als materialverstärkter Bereich mittels Schmieden oder dergleichen an dem Rotorträger vorgesehen wird. Eine andere Möglichkeit im Rahmen der Erfindung zum Realisieren des Ringrippenabschnittes kann vorsehen, dass der Ringrippenabschnitt als separates Bauteil an den Rotorträger z. B. angeschweißt wird.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine elektrische Maschine mit der vorbeschriebenen Rotoranordnung zu beanspruchen. Hieraus ergeben sich die bereits beschriebenen und weitere Vorteile.
Darüber hinaus wird von der vorliegenden Erfindung auch ein hybridisiertes Automatikgetriebe eines Fahrzeuges mit der vorbeschriebenen Rotoranordnung beansprucht.
Vorzugsweise wird somit ein Automatikgetriebe beansprucht, bei dem in einem Gehäuse eine elektrischen Maschine mit der vorgeschlagenen Rotoranordnung koaxial zu einer zentral angeordneten Getriebewelle angeordnet ist, wobei radial innerhalb eines Blechpaketträgers des Rotors der elektrischen Maschine ein Lamellenschaltelement oder dergleichen angeordnet ist und wobei ein Rotorträger axial zwischen einem Lamellenträger des Lamellenschaltelements und einer Vorübersetzung angeordnet ist. Um die Steifigkeit des Rotors ohne zusätzlichen Bauraumbedarf zu erhöhen, ist vorgesehen, dass ein Ringrippenabschnitt des Rotorträger in einer Umformung des Lamellenträgers radial verschachtelt angeordnet ist.
Ferner wird auch eine elektrisch angetriebene Achse oder auch ein rein elektrischer Antrieb mit der vorbeschriebenen Rotoranordnung von der vorliegenden Erfindung beansprucht.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand der Zeichnungen weiter erläutert.
Es zeigen:

1 eine schematische dreidimensionale Ansicht einer erfindungsgemäßen Rotoranordnung einer elektrischen Maschine;
2 eine schematische geschnittene Ansicht der Rotoranordnung;
3 eine schematische geschnittene Teilansicht eines hybridisierten Automatikgetriebes mit der erfindungsgemäßen Rotoranordnung in einer ersten Ausführungsvariante;
4 eine schematische geschnittene Teilansicht des Automatikgetriebes mit der Rotoranordnung in einer zweiten Ausführungsvariante; und
5 eine schematische geschnittene Ansicht des Automatikgetriebes mit der Rotoranordnung in einer dritten Ausführungsformen.

In den 1 bis 5 sind eine erfindungsgemäße Rotoranordnung für eine elektrische Maschine 9 beispielhaft anhand von verschiedenen Ausführungsvarianten sowie ein erfindungsgemäßes hybridisiertes Automatikgetriebe mit einer elektrischen Maschine 9 beispielhaft dargestellt.
In den 1 und 2 ist eine Einzelansicht einer erfindungsgemäßen Rotoranordnung für eine elektrische Maschine dargestellt. Die vorgeschlagene Rotoranordnung umfasst einen mehrteiligen Rotor, der aus einem Blechpaketträger 1 und einem Rotorträger 2 sowie einer Rotornabe 3 besteht. Auf den Blechpaketträger 1 ist ein Blechpaket 4 aufgepresst, welches mit mehreren über den Umfang verteilt angeordneten Permanentmagneten bestückt ist. Der Blechpaketträger 1 ist als Blechumformungsteil wiederum an dem Rotorträger 2 als Blechumformungsteil angebunden, beispielsweise mittels Vernietung, Verschraubung oder durch Verschweißen. Der Rotorträger 2 ist scheibenförmigen ausgeführt und wird an die Rotornabe 3 als Drehteil angeschweißt. Die Rotornabe 3 ist beispielsweise mit einer Getriebewelle 5 drehfest verbunden oder wie im vorliegend dargestellten Fall auf der Getriebewelle 5 radial gelagert und über das Hohlrad der Vorübersetzung 11 zur Getriebewelle 5 mittels des Planetenträgers drehfest verbunden.
In 1 sind die statischen Magnetkräfte schematisch durch Pfeile angedeutet. Um eine Steifigkeitserhöhung bei dem scheibenförmigen Rotorträger 2 bauraum- und herstellungsgünstig zu realisieren, ist vorgesehen, dass der Rotorträger 2 zumindest einen umlaufenden axial vorstehenden Ringrippenabschnitt 6 zur Steifigkeitserhöhung aufweist.
Beispielsweise in 2 ist der Ringrippenabschnitt 6 im Rahmen einer ersten Ausführungsvariante der Erfindung durch eine U-förmige Umformung als Doppelwandung ausgeführt. Der Ringrippenabschnitt 6 verläuft über den gesamten Umfang der planen Fläche des Rotorträger 2, also über 360°. Ferner ist der Ringrippenabschnitt 6 in axialer Richtung von der planen Fläche des Rotorträgers 2 vorstehend ausgeführt, wie sich das insbesondere aus 1 und 2 ergibt.
Hinsichtlich der Anordnungsposition des Ringrippenabschnittes 6 an dem Rotorträger 2 ist vorgesehen, dass der Ringrippenabschnitt 6 radial gesehen zwischen dem Blechpaketträger 1 und der Rotornabe 3 an dem Rotorträger 2 angeordnet ist. Vorzugsweise ist der Ringrippenabschnitt 6 radial außerhalb einer Schweißnaht 13 zwischen dem Rotorträger 2 und der Rotornabe 3 angeordnet, damit durch die Ringrippensteifigkeit die Deformation und damit auch die Schädigung der Schweißnaht 13 reduziert wird.
In den 3 bis 5 sind verschiedene Ausführungsvarianten der erfindungsgemäßen Rotoranordnung anhand eines ebenfalls beanspruchten hybridisierten Automatikgetriebes beispielhaft dargestellt.
Das Automatikgetriebe weist ein Gehäuse 7 auf, in dem die elektrische Maschine 9 mit der Rotoranordnung koaxial zu einer zentral angeordneten Getriebewelle 5 angeordnet ist. Die Rotoranordnung der elektrischen Maschine 9 ist über die Rotornabe 3 auf der Getriebewelle 5 radial gelagert und über die Vorübersetzung 11 an der Getriebewelle 5 drehfest angebunden. Ferner ist ein Lamellenschaltelement 8 in dem Gehäuse 7 radial innerhalb der elektrischen Maschine 9, also radial innerhalb des Rotors und des Stators der elektrischen Maschine 9 angeordnet. Demzufolge sind das Lamellenschaltelement 8 und die elektrischen Maschine 9 radial verschachtelt in dem Gehäuse 7 angeordnet.
Wie aus den 3 bis 5 deutlich wird, ist der Rotorträger 2 der erfindungsgemäßen Rotoranordnung axial zwischen einem Lamellenträger 10 des Lamellenschaltelements 8 und einer Vorübersetzung 11 angeordnet.
Um eine bauraumneutrale Anordnung für den Ringrippenabschnitt 6 an dem Rotorträger 2 der Rotoranordnung der elektrischen Maschine 9 in dem Gehäuse 7 des Automatikgetriebes zu realisieren, ist vorgesehen, dass der Ringrippenabschnitt 6 des Rotorträgers 2 in einer Umformung 12 des Lamellenträgers 10 des Lamellenschaltelements 8 radial verschachtelt angeordnet ist. Die Umformung 12 wird durch einen speziell gestalteten S-Form bzw. S-Schlag im Lamellenträger 10 realisiert, sodass dieser vorhandene Bauraum für den Ringrippenabschnitt 6 des Rotorträger 2 genutzt werden kann, sodass hierdurch keinerlei negative Auswirkungen auf den axialen und radialen Bauraum resultieren. Dieser speziell gestaltete S-Schlag als S-förmige Umformung 12 am Lamellenträger 10 des Lamellenschaltelements 8 dient gleichzeitig als geometrische Versteifung des Lamellenschaltelements 8 sowie als Dichtsitz einer äußeren Kolbenraumdichtung.
In 3 ist der Ringrippenabschnitt 6 des Rotorträgers 2 im Rahmen einer ersten Ausführung durch eine U-förmige Umformung gebildet. In 4 ist eine zweite Ausführung des Ringrippenabschnittes 6 des Rotorträgers 2 der elektrischen Maschine 9 in dem Automatikgetriebe dargestellt, bei der der Ringrippenabschnitt 6 als materialverstärkter Bereich mittels Schmieden an dem Rotorträger 2 vorgesehen ist. Schließlich zeigt 5 eine dritte Ausführung des Ringrippenabschnittes 6 des Rotorträgers 2 in dem Automatikgetriebe, bei dem der Ringrippenabschnitt 6 als separates Bauteil an den Rotorträger 2 angeschweißt ist.
Bezugszeichenliste

1: Blechpaketträger
2: Rotorträger
3: Rotornabe
4: Blechpaket
5: Getriebewelle
6: Ringrippenabschnitt bzw. Ringrippe
7: Gehäuse
8: Lamellenschaltelement
9: elektrische Maschine
10: Lamellenträger
11: Vorübersetzung
12: S-förmige Umformung
13: Schweißnaht

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

DE 102016211940 A1 [0002]

Claims

Rotoranordnung für eine elektrische Maschine (9), mit einem einen Blechpaketträger (1) und einen Rotorträger (2) sowie eine Rotornabe (3) umfassenden Rotor, dadurch gekennzeichnet, dass der etwa scheibenförmig ausgeführte Rotorträger (2) zumindest einen umlaufenden Ringrippenabschnitt (6) zur Steifigkeitserhöhung aufweist.
Rotoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringrippenabschnitt (6) über den gesamten Umfang und in axialer Richtung vorstehendend an dem Rotorträger (2) vorgesehen ist.
Rotoranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringrippenabschnitt (6) radial gesehen zwischen dem Blechpaketträger (1) und der Rotornabe (3) an dem Rotorträger (2) angeordnet ist.
Rotoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringrippenabschnitt (6) durch eine U-förmige Umformung gebildet ist.
Rotoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringrippenabschnitt (6) als materialverstärkter Bereich mittels Schmieden vorgesehen ist.
Rotoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringrippenabschnitt (6) als separates Bauteil an dem Rotorträger (2) vorgesehen ist.
Elektrische Maschine (9) mit einer Rotoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Hybridisiertes Automatikgetriebe eines Fahrzeuges mit einer Rotoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
Hybridisiertes Automatikgetriebe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Gehäuse (7) zumindest eine elektrische Maschine (9) koaxial zu einer zentral angeordneten Getriebewelle (5) angeordnet ist und dass radial innerhalb eines Rotors der elektrischen Maschine (9) ein Lamellenschaltelement (8) angeordnet ist, dass ein Rotorträger (2) des Rotors axial zwischen einem Lamellenträger (10) des Lamellenschaltelements (8) und einer Vorübersetzung (11) in dem Gehäuse (7) angeordnet ist und dass ein Ringrippenabschnitt (6) des Rotorträgers (2) in einer Umformung (12) des Lamellenträgers (10) radial verschachtelt angeordnet ist.
Elektrisch angetriebene Achse eines Fahrzeuges mit einer Rotoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6.