-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausgestaltung eines Rotorblechs, eines Rotorblechpakets und eines Rotors gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
Ein solches Verfahren zur Ausgestaltung eines Rotorblechs, eines Rotorblechpakets und eines Rotors gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist bisher im Stand der Technik nicht bekannt.
-
Die Drehmomentwelligkeit der E-Maschine beeinflusst die Geräusch- und Schwingungseigenschaften wesentlich. Diese zu optimieren, ohne große Kosten zu verursachen oder die Performance negativ zu beeinflussen, ist eines der Auslegungsziele bei der Entwicklung jedes Antriebs.
-
Verschiedene Lösungen sind bekannt. Aus Maschinen, die nicht mit Steckwicklung aufgebaut sind, ist eine Statorschrägung bekannt. Neuere Maschinen zeigen darüber hinaus eine dezidierte Einkerbung des Rotoraußendurchmessers, um den Spalt zwischen Rotor und Stator lokal hinsichtlich der Drehmomentenwelligkeit zu optimieren. Damit kann auch eine Reduzierung der Eisenverluste erzielt werden.
-
Die
US RE44,037 E offenbart eine rotierende elektrische Dauermagnetmaschine, umfassend einen Stator mit Statorwicklungen, die um einen Statoreisenkern gewickelt sind, und einen Dauermagnetrotor mit einer Vielzahl von eingesetzten Dauermagneten, deren Polarität abwechselnd in Umfangsrichtung im Rotoreisenkern angeordnet ist. Der Rotoreisenkern der Dauermagnete besteht aus magnetischen Polstücken, magnetischen Hilfspolen und einem Statorloch und weist darüber hinaus auf der Luftspaltfläche der magnetischen Polstücke des Rotoreisenkerns der Dauermagnete ausgebildete Konkavitäten auf, die sich vom mittleren Teil der magnetischen Pole zu deren Ende hin leicht neigen. In einer rotierenden Permanentmagnet-Elektromaschine werden die Auswirkungen von Eisenverlusten reduziert, und ein Elektroauto mit einer hocheffizienten rotierenden Permanentmagnet-Elektromaschine wird realisiert.
-
Die
JP 5734148 B2 betrifft einen magnetisch eingebetteten Rotor, in dem Permanentmagnete an einer Vielzahl von Magneteinsetzlöchern befestigt sind, die am äußeren Umfangsbereich eines Rotorblechpaketes eines Motors vorgesehen sind, sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben. Die Erfindung bezieht sich auf eine Struktur zur Befestigung der Permanentmagnete in einem Einsetzloch und ein Verfahren zur Herstellung der Struktur.
-
Die
US 10,608,513 B2 offenbart eine Rotorherstellungsvorrichtung, wobei die Rotorherstellungsvorrichtung eine erste Form und eine zweite Form umfasst, die jeweils an einer Endfläche und einer anderen Endfläche in der axialen Richtung eines zylindrischen Rotorkerns angeordnet sind, das Magneteinsetzloch wird in einem Prozess des Füllens mit einem Harzmaterial abgedichtet, wobei jeweils die erste Form und die zweite Form mit Positionierungsvorsprungsteilen versehen ist, die in der axialen Richtung vorstehen und dazu bestimmt sind, den Permanentmagneten in einer vorbestimmten Position in Bezug auf das Magneteinführungsloch zu positionieren.
-
Die
DE 10 2013 102 822 A1 offenbart einen Elektromotor, welcher aufweist: einen Außenstator, einen in dem Außenstator drehbeweglich angeordneten Innenrotor, welcher ein Blechpaket aufweist, in dem mindestens eine erste Ausnehmung und mindestens eine zweite Ausnehmung vorgesehen sind, wobei der ersten Ausnehmung ein darin angeordneter Rotormagnet zugeordnet ist, wobei der zweiten Ausnehmung ein darin angeordnetes Verklemmelement zugeordnet ist, wobei zwischen der ersten Ausnehmung und der zweiten Ausnehmung ein Klemmglied vorgesehen ist, und wobei das Verklemmelement und die zweite Ausnehmung dazu ausgebildet sind, - ein Abstützen des Verklemmelements am Blechpaket zu ermöglichen, und - das Klemmglied in Richtung zum Rotormagneten hin mit einer Kraft zu beaufschlagen, um so den Rotormagneten in der ersten Ausnehmung zu verklemmen.
-
Nachteil im Besonderen der Einkerbungen an der Rotoroberfläche ist, dass diese durch das Stanzen der Bleche hergestellt werden und somit werkzeuggebunden sind. Somit ist eine adaptive Änderung, beispielsweise während der Entwicklungsphase oder aufgrund von Messdaten aus der laufenden Serie nicht möglich. Lösungen wie beispielsweise die Schrägung des Rotors weisen oftmals den gleichen Nachteil auf, da sie durch mechanische Merkmale am Blechpaket hergestellt werden oder mit hohen Toleranzen versehen sind.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren vorzuschlagen, durch welches eine Anordnung von Ausschnitten und Blechstegen in einem Rotorblech festgelegt wird, so dass eine optimale Anordnung bezüglich der elektromagnetischen Eigenschaften beim zusammengebauten Rotor nach dem Füllprozess der Ausschnitte durch ein geeignetes Material, erreicht werden kann. Hierbei soll auch eine nachträgliche Anpassung des Rotors möglich bleiben.
-
Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale bzw. Verfahrensschritte gelöst.
-
Erfindungsgemäß handelt es sich um ein Verfahren zur Ausgestaltung eines Rotorblechs, eines Rotorblechpakets und eines Rotors.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
- a)
Erfindungsgemäße Festlegung einer möglichen Anordnung eines Blechschnitts mit einer Vielzahl von Ausschnitten und Blechstegen in einem Rotorblech, wobei die Blechstege als Verformungsbereiche ausgebildet sind. Bevorzugterweise weist der Blechschnitt radial außen eine negative Kontur auf. Dies hat den Vorteil, dass bei der späteren Ausbeulung weniger große Unterschiede im Radius des Rotorblechs entstehen, besonders bei großen Verformungsbereichen könnte es zu großen Beulen führen, die durch die negative Kontur vorhergesehen und kompensiert werden. Daher ist ebenfalls bevorzugt, dass die Kontur zusammen mit einem Ausschnitt einen Vorverformungsbereich ausbildet.
- b)
Erfindungsgemäße Berechnung der elektromagnetischen Eigenschaften nach dem Zusammenfügen einer Anzahl von Rotorblechen gemäß Schritt a) zu einem Rotorblechpaket und einem Rotor.
- c)
Erfindungsgemäße Berechnung der elektromagnetischen Eigenschaften des zusammengefügten Rotorblechs bzw. des Rotors, wobei die Basis für die Berechnung die Form des Rotors nach einem Füllprozess unter Hochdruck, bevorzugterweise unter Verwendung
eines geeigneten Materials, ist, wobei bei der Berechnung die Verformung der Verformungsbereiche durch den Füllprozess mit einbezogen wird.
-
Bevorzugt ist, dass bei der Berechnung der elektromagnetischen Eigenschaften auch das spätere Gesamtsystem mitberechnet wird, wobei das Gesamtsystem besonders bevorzugterweise aus den folgenden Teilen besteht: Rotor mit oder ohne Rotorschrägungswinkel, Stator mit oder ohne Statorschrägung und/oder Statorsehnung sowie Modulationstreue und Spannungsversorgung durch die Leistungselektronik. Hierdurch wird gewährleistet, dass bereits während der Konzeption das Gesamtsystem mit einbezogen wird und somit die Ergebnisse der Berechnung eine noch höhere Präzision aufweisen.
- d)
Erfindungsgemäße Änderung der möglichen Anordnung des Blechschnittes auf Basis der in Schritt b) und c) berechneten elektromagnetischen Eigenschaften, wobei die Änderung so erfolgt, dass eine optimale Anordnung bezüglich des gewünschten Eigenschaftsprofils bestimmt wird, bevorzugterweise hinsichtlich Drehmomentwelligkeit, Drehmomentspitzenwert, Eisenverlusten und/oder Dauerfestigkeitsbeitrag der verformten Blechstege unter den gewählten Randbedingungen (beispielsweise Blechgüte, Statorsehnung, Spannungsamplitude). Als Drehmomentwelligkeit bezeichnet man den Effekt, dass das Drehmoment der elektrischen Maschine über dem Drehwinkel nicht konstant ist, sondern regelmäßig Minima und Maxima durchläuft („Wellenform“). Der Effekt rührt daher, dass die Magnetpole des Rotors durch die Drehung über den Statorzähnen jeweils alternierend mehr oder weniger Abstand zum Feldmaximum aufweisen. Durch die Modulierung des Statorspalts können die magnetischen Feldlinien der Rotorpole in der Art gestreut werden, dass sich der Effekt abschwächt. Bei niedrigeren Drehfrequenzen erscheint dann beispielsweise die Fahrt in einem Fahrzeug, welches den Rotor verbaut hat, ruhiger.
-
Weiterhin bevorzugt ist, dass die Ausschnitte so angeordnet werden, dass die durch die Blechstege gebildeten Verformungsbereiche keine sicherheitsrelevante und/oder tragende Funktion haben. So wird gewährleistet, dass durch die im Wesentlichen dünnen Stege keine Instabilitäten entstehen und weiterhin eine hohe Lebensdauer des Rotors gesichert ist.
- e)
Erfindungsgemäße Anordnung des Blechschnitts entsprechend der in Schritt d) ermittelten optimalen Anordnung.
- f)
Bevorzugterweise Anordnung des Blechschnittes zu einem Rotorblechpaket und zu einem Rotor, Anordnung von Magneten in die aus den Ausschnitten entstandenen Taschen. Bevorzugterweise wird nicht in jede entstandene Tasche ein Magnet aufgenommen, wobei die Taschen, die keinen Magneten aufnehmen, einen erweiterten Verformungsbereich aufweisen. Dies hat den Vorteil, dass die elektromagnetischen Eigenschaften des späteren Rotors nicht nur in Bereichen, in denen Magnete vorgesehen sind, eingestellt werden können, sondern dass auch die übrigen Bereiche anpassbar sind. Außerdem lässt sich die Form dieser Taschen viel spezifischer festlegen, da diese nicht an die Form der Magnete gebunden sind und sich hierdurch eine viel kostengünstigere Methode zur Anpassung der Taschenform bietet, als die Form der Magneten anzupassen, was weit höhere Kosten nach sich ziehen würde.
- g)
Bevorzugterweise Einspritzen von einem Kunststoff und/oder anderen geeigneten Materialien, so dass die Verformungsbereiche radial nach außen gedrückt werden, so dass radial nach außen gewölbte Ausbeulungen entstehen. Besonders bevorzugterweise wird in Schritt g) ein Spritzwerkzeug verwendet, welches den Rotor am Außendurchmesser abstützt und so die maximale Ausbeulung der Verformungsbereiche limitiert. Hierdurch kann die endgültige Form des Rotors noch präziser beeinflusst werden, so dass eine optimale Form erzielt wird.
- h) Bevorzugterweise Zusammenbau des Rotors und des Stators.
- i) Bevorzugterweise Messung der zuvor (in Schritt b) und c)) berechneten elektromagnetischen Eigenschaften nach Beendigung der Fertigung und Abgleich der Ergebnisse, besonders bevorzugterweise innerhalb und/oder am Ende einer Fertigungslinie des Rotors und/oder des Motors und/oder des Antriebs.
- j) Bevorzugterweise Feststellung von möglichen Abweichungen vom Optimum einer Spaltmodulation.
- k) Bevorzugterweise Anpassung der Spaltmodulation durch Nachregeln des Innendrucks an dem eingespritzten Kunststoff. Besonderer Vorteil der Nachregelung ist, dass sich hierdurch Produktionstoleranzen der Teile durch Adaption der Fertigung ausgleichen lassen. Wird beispielsweise eine Blechcharge mit höherer Festigkeit geliefert, kann durch Nachregeln des Innendrucks beim Füllen dieselbe Spaltmodulation wie zuvor erreicht werden. Analoge Beispiele lassen sich für andere, toleranzbehaftete Eigenschaften wie beispielsweise die. Magnetremanenz finden.
-
Bevorzugterweise werden nach Durchführung von Schritt k) nochmals die Schritte i) bis k) durchlaufen, bis die gewünschte Spaltmodulation erreicht ist. Diese Kontrollfunktion gewährleistet, dass das gewünschte Ergebnis erzielt wird.
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird außerdem durch die Fertigungslinie gemäß Anspruch 10 gelöst.
-
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert.
- 1 zeigt in einer schematischen Darstellung die Draufsicht eines obersten Rotorblechs (100) eines Rotorblechpakets (200)
- 2 zeigt den schematischen Ablauf des Verfahrens mit den Verfahrensschritten a) bis k)
-
1 zeigt ein Rotorblech (100) vor, während bzw. nach Durchlauf des Verfahrens. In das Rotorblech (100) wird durch einen Blechschnitt eine Vielzahl von Ausschnitten (10a, 10b, 11, 12) gestanzt, wobei die Ausschnitte unterschiedlich angeordnet sind. Die Ausschnitte (10a, 10b) sind beispielsweise radial innen und zueinander spiegelsymmetrisch angeordnet. Der Ausschnitt (12) ist radial außen zwischen den Ausschnitten (10a und 10b) angeordnet. Hierdurch ergibt sich eine Gruppierung von drei Ausschnitten (10a, 10b, 12), wobei zwischen den einzelnen Gruppierungen noch ein weiterer Ausschnitt (14) angeordnet ist. Zum Beginn des Verfahrens im Verfahrensschritt a) (V1) wird zunächst eine mögliche Anordnung des Blechschnittes vorgeschlagen. Diese kann beispielsweise der Anordnung aus 1 entsprechen, es sind jedoch auch komplett unterschiedliche Anordnungen möglich, hier soll lediglich gezeigt werden, dass verschiedene Kombinationen denkbar sind. Wie in 1 zu erkennen ist, entsteht bei der Anordnung der Ausschnitte (10a, 10b, 11, 12) jeweils ein Blechsteg (14), der zwischen dem Ausschnitt (10a, 10b, 11, 12) und der radial außen liegenden Rotorblechkontur vor dem Molding (16) liegt. Dieser Blechsteg (14) weist weniger Material zum radial außen liegenden Außenrand des Rotorblechs (100) auf, als Abschnitte ohne Blechsteg (14) und bildet somit gleichzeitig einen Verformungsbereich (14) aus. Es ist außerdem möglich, dass das Rotorblech (100) eine negative Kontur (18) aufweist und diese negative Kontur (18) zusammen mit einem Ausschnitt (10a, 10b, 11, 12) einen Vorverformungsbereich (22) bildet.
-
Auf Basis dieser möglichen Anordnung werden in Verfahrensschritt b) (V2) (siehe 2) die elektromagnetischen Eigenschaften nach dem Zusammenfügen einer Anzahl von Rotorblechen (100) zu einem Rotorblechpaket (200) und einem Rotor (300) berechnet.
-
Im Verfahrensschritt c) (V3) (siehe 2) wird in die Berechnung außerdem die Form des Rotors (300) nach dem Molding mit einem Kunststoff (19) unter Hochdruck mit einbezogen. Durch den Druck des Kunststoffs, welcher durch den Füllprozess über die Anspritzpunkte (13) eingespritzt wird, werden die durch die Blechstege gebildeten Verformungsbereiche (14) radial nach außen gedrückt und bilden die Ausbeulung (21) (siehe 1).
-
Ebenfalls berücksichtigt die Berechnung das spätere Gesamtsystem, welches zum Beispiel aus einem Rotor (300) mit oder ohne Rotorschrägungswinkel, einem Stator (400) mit oder ohne Statusschrägung und oder Statorsehnung und Modulationstreue und Spannungsversorgung durch die Leistungselektronik besteht.
-
Da die Berechnung alle für die Produktion relevanten Parameter berücksichtigt, ist der besondere Vorteil, dass nicht allein das ungeformte Rotorblech (100) zur Berechnung herangezogen wird, sondern das fertige Endprodukt. Sollten also Abweichungen zum optimalen Blechschnitt auftreten, die nicht allein aus der Betrachtung eines einzelnen Rotorblechs (100) ersichtlich sind, so wird dies durch die Berechnung der vollständig zusammengebauten Komponenten berücksichtigt.
-
Im Verfahrensschritt d) (V4) (siehe 2) werden dann Änderungen der möglichen Anordnung des Blechschnittes auf Basis der Berechnungen durchgeführt, sodass sich ein optimales Eigenschaftsprofil hinsichtlich Drehmomentwelligkeit, Drehmomentspitzenwert, Eisenverluste und/oder Dauerfestigkeitsbeitrag der verformten Blechstege unter den gewählten Randbedingungen (bspw. Blechgüte, Statorsehnung, Spannungsamplitude) ergibt. Konkret bedeutet dies, dass die Ausschnitte (zehn A, zehn B, 11,12) nach der Berechnung verschoben und/oder in ihrer Form angepasst werden.
-
Im Verfahrensschritt e) (V5) (siehe 2) wird die entsprechend berechnete Anordnung des Blechschnitts aus dem jeweiligen Rotorblech (100) ausgestanzt.
-
In Verfahrensschritt f) (V6) (siehe 2) werden die Rotorblechpakete (100) zu einem Rotorblechpaket (200) angeordnet, wobei aus den Ausschnitten (10a, 10b, 11, 12) die Taschen (30a, 30b, 32) entstehen und in diesen Taschen (30a, 30b, 32) Magnete (20) aufgenommen werden. Einige Taschen (31) können jedoch keine Magneten (20) aufnehmen, aber stattdessen einen erweiterten Verformungsbereich (15) zusammen mit der Rotorblechkontur vor dem Molding (16) ausbilden. Diese Form der Tasche (31) ist somit durch ihre größere Flexibilität besonders gut für die spätere Verformung geeignet.
-
Im Verfahrensschritt g) (V7) (siehe 2) wird der Kunststoff (19) über die entsprechenden Anspritzpunkte (13) in die dafür vorgesehenen Taschen (30a, 30b 31, 32) gespritzt, so dass deren Verformungsbereiche (14) und die erweiterten Verformungsbereiche (15) radial nach außen gedrückt werden und dadurch die Ausbeulungen (21) entstehen. Um zu gewährleisten, dass die Ausbeulungen (21) nicht über das berechnete Ausmaß nach außen gedrückt werden, kann ein entsprechend geformtes Spritzwerkzeug (nicht gezeigt) verwendet werden, welches die maximale Ausbeulung (21) der Verformungsbereiche (14) und der erweiterten Verformungsverformungsbereiche (15) limitiert.
-
Im folgenden Verfahrensschritt h) (V8) (siehe 2) wird der fertige Rotor (300) mit dem Stator (400) zusammengebaut.
-
Im nächsten Verfahrensschritt i) (V9) (siehe 2) werden die elektromagnetischen Eigenschaften der zusammengebauten Teile gemessen und mit den zuvor in V2 und V3 berechneten elektromagnetischen Eigenschaften verglichen, um eventuelle Abweichungen zu ermitteln. Dieser Abgleich erfolgt zum Beispiel am Ende der Fertigungslinie (500) des Rotors (300), und/oder des Motors (600) und/oder des Antriebs (700). Werden im Verfahrensschritt j) (V10) (siehe 2) die oben beschrieben Abweichungen festgestellt, erfolgt in Verfahrensschritt k) (V11) eine Anpassung der Spaltmodulation durch ein erneutes Anlegen eines Innendrucks an den eingespritzten Kunststoff (19). Hierdurch wird die Rotorblechkontur nach dem Molding (17) insofern verändert, dass die Ausbeulungen (21) vergrößert werden. Die Verfahrensschritte i) bis k) (V9, V10, V11) können dann zur Kontrolle nochmals durchlaufen werden.
-
Bezugszeichenliste
-
- 100
- Rotorblech
- 200
- Rotorblechpaket
- 300
- Rotor
- 400
- Stator
- 500
- Fertigungslinie
- 600
- Motor
- 700
- Antrieb
- 10a,10b, 11, 12
- Ausschnitte
- 13
- Anspritzpunkte
- 14
- Blechsteg/Verformungsbereich
- 15
- erweiterter Verformungsbereich
- 16
- Rotorblechkontur vor dem Molding
- 17
- Rotorblechkontur nach dem Molding
- 18
- negative Kontur
- 19
- Kunststoff
- 20
- Magnet
- 21
- Ausbeulung
- 22
- Vorverformungsbereich
- 30a,30b, 32
- Taschen zur Magnetaufnahme
- 31
- Tasche ohne Magnet
- V1
- Verfahrensschritt a)
- V2
- Verfahrensschritt b)
- V3
- Verfahrensschritt c)
- V4
- Verfahrensschritt d)
- V5
- Verfahrensschritt e)
- V6
- Verfahrensschritt f)
- V7
- Verfahrensschritt g)
- V8
- Verfahrensschritt h)
- V9
- Verfahrensschritt i)
- V10
- Verfahrensschritt j)
- V11
- Verfahrensschritt k)
-
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
-
- US RE44037 E [0005]
- JP 5734148 B2 [0006]
- US 10608513 B2 [0007]
- DE 102013102822 A1 [0008]
