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Die Erfindung betrifft eine Welle für einen Rotor einer elektrischen Maschine sowie einen Rotor mit einer solchen Welle. Die Erfindung betrifft außerdem eine elektrische Maschine mit einem solchen Rotor. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Welle.
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Herkömmliche Wellen für einen Rotor einer elektrischen Maschine - dem Fachmann auch als Rotorwelle bekannt - sind typischerweise mehrteilig gebaut. Dabei werden sog. Rotorbleche - als Teil eines Rotorblechpakets - stoffschlüssig oder kraftschlüssig an einen Rohrkörper - den Rohling - gefügt und auf diese Weise die Rotorwelle hergestellt. Gleiches gilt für Lagerelemente zum drehbaren Lagern der Rotorwelle.
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Als nachteilig daran erweist sich, dass sich das drehfeste Fügen besagter Bauteile an das Rohr als technisch relativ aufwändig gestaltet. Dies gilt insbesondere, wenn in der Welle axial Durchmesser-Sprüngen realisiert werden müssen.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbesserte Ausführungsform für eine solche Welle zu schaffen, bei welchem voranstehend genannter Nachteil nicht mehr besteht. Ebenso soll eine verbesserte Ausführungsform eines Herstellungsverfahrens für eine solche Welle geschaffen werden.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Grundidee der vorliegenden Erfindung ist demnach, eine Welle, insbesondere eine Rotorwelle, als Gussstück auszubilden, an dessen beiden axialen Enden jeweils ein Lagerelement zum drehbaren Lagern der Rotorwelle integral ausgeformt ist. Das Gussstück und die beiden Lagerelemente sind also materialeinheitlich und einstückig ausgebildet und mittels eines Gussverfahrens hergestellt. Die beiden Lagerelemente werden also im Zuge des Gussverfahrens zusammen mit dem eigentlichen Gussstück hergestellt.
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Demgegenüber ist bei der erfindungsgemäßen Welle bzw. Rotorwelle wenigstens ein weiteres Bauteil der Welle bzw. Rotorwelle nicht mittels des Gussverfahrens hergestellt, sondern als separat hergestelltes Bauteil drehfest an das Gussstück gefügt.
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Dadurch können die Vorteile des Gussverfahrens - dazu zählt insbesondere eine einfache und somit kostengünstige Herstellbarkeit des Gussstücks einschließlich besagter Lagerelemente bei hoher mechanischer Drehbelastbarkeit des gegossenen zylindrischen Gussstücks - mit den Vorteilen einer individuellen Herstellung des separaten, an das Gussstück gefügten Bauelements kombiniert werden.
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Somit können insbesondere Bauelemente an dem Gussstück verbaut werden, die - beispielsweise aufgrund ihrer komplexen geometrischen Formgebung oder aufgrund eines angestrebten niedrigen Eigengewichts - nicht oder zumindest weniger gut zur Herstellung mittels eines Gussverfahrens geeignet sind.
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Die Herstellung eines Gussstücks und damit einhergehend die Verwendung eines Gussverfahrens erlaubt es ebenfalls, bestimmte geometrische Formgebungselemente auf besonders einfache Weise in der Welle darzustellen. Dies gilt insbesondere für Variationen bzw. Sprünge des Durchmessers der Welle entlang ihrer axialen Richtung. Auch lassen sich besagte Lagerelemente verschleißresistent und ohne großen Aufwand realisieren.
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Dies gilt insbesondere, wenn das Gussverfahren ein Schalenhartgussverfahren ist oder das Gussstück aus einem durch Wärmebehandlung härtbaren bzw. gehärteten Werkstoff besteht. Daraus wiederum ergeben sich vielfältige Anwendungsmöglichkeiten, insbesondere bei Verwendung der Welle als Rotorwelle in einem Rotor einer elektrischen Maschine.
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Eine erfindungsgemäße Welle, insbesondere eine Rotorwelle, für einen Rotor einer elektrischen Maschine umfasst ein zylindrisches Gussstück mit einem ersten und mit einem zweiten axialen Ende. Am ersten axialen Ende des Gussstücks ist ein erstes Lagerelement zum drehbaren Lagern der Welle integral ausgeformt. Am zweiten axialen Ende des Gussstücks ist ein zweites Lagerelement zum drehbaren Lagern der Welle integral ausgeformt. Ferner umfasst die erfindungsgemäße Welle wenigstens ein drehfest an das Gussstück gefügtes zusätzliches Bauelement. Dabei weisen das erste und das zweite Lagerelement jeweils einen kleineren Durchmesser auf als das Gussstück. Somit kann das zusätzliche Bauelement zum drehfesten Fügen axial auf das Gussstück aufgeschoben werden.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das wenigstens eine zusätzliche Bauelement auf einer Außenumfangsseite des Gussstücks axial zwischen den beiden axialen Enden angeordnet. Somit ergeben sich vielfältige Ausgestaltungsmöglichkeiten der Welle mit zwei oder mehr zusätzlichen Bauelementen, insbesondere wenn die Welle als Rotorwelle in einem Rotor einer elektrischen Maschine Verwendung finden soll, so dass auch große Drehmomente übertragen werden können.
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Besonders zweckmäßig kann das wenigstens eine zusätzliche Bauelement mittels einer stoffschlüssigen Verbindung oder mittels einer kraftschlüssigen Verbindung drehfest an dem Gussstück befestigt sein. Beide Varianten stellen eine hohe Drehfestigkeit dieser Befestigung sicher.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung kann das zylindrische Gussstück als Hohlzylinder ausgebildet sein. Eine solche Hohlwelle zeichnet sich gegenüber einer Welle aus Vollmaterial durch nicht unerhebliche Gewichtsvorteile aus.
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Die Erfindung betrifft ferner einen Rotor für eine elektrische Maschine. Der erfindungsgemäße Rotor umfasst eine voranstehend vorgestellte erfindungsgemäße Welle. Die voranstehend erläuterten Vorteile der erfindungsgemäßen Welle übertragen sich daher auf den erfindungsgemäßen Rotor. Das wenigstens eine zusätzliche Bauelement ist bei dem erfindungsgemäßen Rotor ein Rotorblechpaket mit mehreren axial nebeneinander angeordneten Rotorblechen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform schließt sich axial auf einer vom Gussstück abgewandten Seite an das erste Lagerelement ein Abtriebselement an, welches vorzugsweise eine Innenverzahnung oder eine Außenverzahnung aufweist. Auf diese Weise kann das vom Rotor erzeugte Drehmoment auf ein externes System weiter übertragen werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Abtriebselement integral am ersten Lagerelement ausgeformt und weist einen Durchmesser auf, der gleich oder kleiner dem Durchmesser des ersten Lagerelements ist. Dies stellt sicher, dass auf das erste Lagerelement axial ein Kugellager oder dergleichen aufgeschoben werden kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Abtriebselement als Abtriebsstopfen ausgebildet, welcher in eine am ersten Lagerelement stirnseitig ausgebildete Öffnung eingesetzt ist, so dass er diese verschließt. Mittels eines solchen Abtriebsstopfens lassen sich besonders große Drehmomente übertragen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist auf dem Blechpaket wenigstens eine elektrisch bestrombare Rotorspule zum Erzeugen eines magnetischen Rotorfeldes angeordnet, insbesondere befestigt.
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Die Erfindung betrifft außerdem eine elektrische Maschine mit einem voranstehend vorgestellten erfindungsgemäßen Rotor. Die voranstehend erläuterten Vorteile des erfindungsgemäßen Rotors bzw. der erfindungsgemäßen Welle übertragen sich daher auf die erfindungsgemäße elektrische Maschine. Die erfindungsgemäße Maschine umfasst zusätzlich zum Rotor einen Stator, an welchem der Rotor mittels der beiden Lagerelemente der Welle drehbar gelagert ist. Durch magnetische Wechselwirkung zwischen dem Stator und dem Rotor kann der Rotor angetrieben, also in Drehbewegung versetzt werden. In diesem Fall ist die elektrische Maschine ein Elektromotor. Denkbar ist aber auch, dass die elektrische Maschine als elektrischer Generator betrieben wird. In diesem Fall wird der Rotor mittels eines elektrischen Antriebssystems in Drehbewegung versetzt und auf diese Weise durch die magnetische Wechselwirkung zwischen Rotor und Stator im Stator eine elektrische Spannung induziert.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer Welle, insbesondere einer voranstehend vorgestellten erfindungsgemäßen Welle, besonders bevorzugt für einen Rotor einer elektrischen Maschine. Im Falle der Herstellung einer erfindungsgemäßen Welle übertragen sich die Vorteile der erfindungsgemäßen Welle auf das erfindungsgemäße Verfahren. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst drei Maßnahmen a), b) und c). Gemäß einer ersten Maßnahme a) wird mittels eines Gussverfahrens ein einstückiges und zylindrisches Gussstück mit einem ersten und zweiten axialen Ende hergestellt, wobei an beiden axialen Enden jeweils ein Lagerelement zum drehbaren Lagern der Welle integral ausgeformt wird oder ist. Gemäß einer zweiten Maßnahme b) wird wenigstens ein zusätzliches Bauelement bereitgestellt und wird axial auf das Gussstück aufgeschoben.
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Gemäß einer dritten Maßnahme c) wird die Welle durch drehfestes Fügen des wenigstens einen weiteren, in Maßnahme b) auf das Gussstück aufgeschobenen Bauelements an das Gussstück erzeugt.
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Besonders zweckmäßig erfolgt beim erfindungsgemäßen Verfahren das drehfeste Fügen durch Erzeugen einer stoffschlüssigen Verbindung oder mittels einer kraftschlüssigen Verbindung.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das in Maßnahme a) ausgeführte Gussverfahren ein Schalenhartgussverfahren. Die Verwendung des Schalenhartgussverfahrens erlaubt die Ausbildung des Antriebselements auf besonders einfache Weise.
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Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist das in Maßnahme a) erzeugte Gussstück ein Hohlzylinder, welcher mittels Hohlgießens hergestellt wird. Auf diese Weise kann eine besonders leichtgewichtige Welle hergestellt werden.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Die einzige 1 illustriert ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Rotors 25, der eine erfindungsgemäßen Welle 1 umfasst, die folglich als Rotorwelle 20 für den Rotor 25 fungiert.
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Die Welle 1 umfasst ein zylindrisches Gussstück 2 mit einer Mittellängsachse M, die sich entlang einer axialen Richtung A erstreckt. Die 1 zeigt einen Längsschnitt der Welle 1 entlang der axialen Richtung A.
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Das Gussstück 2 weist erstes axiales Ende 8a und ein zweites axiales Ende 8b auf, die einander entlang der axialen Richtung A gegenüberliegen. Eine radiale Richtung R erstreckt sich senkrecht zur axialen Richtung A von der Mittellängsachse M weg. Eine Umfangsrichtung U läuft senkrecht zur axialen Richtung A und auch senkrecht zur radialen Richtung R um die Mittellängsachse M um. Das zylindrische Gussstück 2 kann als Hohlzylinder ausgeformt sein.
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Am ersten axialen Ende 8a und am zweiten axialen Ende 8b sind integral ein erstes Lagerelement 12a bzw. ein zweites Lagerelement 12b ausgeformt, die jeweils zum drehbaren Lagern der Welle 1 dienen. Das Gussstück 2 und die beiden Lagerelemente 12a, 12b sind also einstückig und materialeinheitlich ausgebildet. Sowohl das eigentliche Gussstück 2 als auch die beiden Lagerelemente 12a, 12b können also mittels desselben Gießprozesses hergestellt werden.
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Im Beispiel der 1 weist ein erster Durchmesser d1 des ersten Lagerelements einen kleineren Wert auf als ein Durchmesser d0 des Gussstücks 2. Außerdem weist ein zweiter Durchmesser d2 des zweiten Lagerelements 12b einen kleineren Wert d2 auf als der Durchmesser d0 des Gussstücks 2.
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Im Beispielszenario gilt außerdem d1 = d2. In einer nicht gezeigten Variante können d1 und d2 aber auch verschiedene Werte aufweisen.
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Wie die 1 außerdem veranschaulicht, umfasst die Welle 1 mehrere zusätzliche, jeweils drehfest an das Gussstück 2 gefügte Bauelemente 6. Im Beispiel der 1 sind diese zusätzliche Bauelemente 6 auf der Außenumfangsseite 7 des Gussstücks 2 angeordnete Rotorbleche 11, die zusammen ein Rotorblechpaket 10 des Rotors bilden. Auf dem Rotorblechpaket 10 bzw. dessen Rotorblechen 11 kann eine elektrisch bestrombare Rotorspule zum Erzeugen eines magnetischen Rotorfeldes angeordnet und befestigt sein (nicht gezeigt).
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Zwei weitere zusätzliche Bauelemente 6 sind jeweils durch ein Auswuchtelement 15a, 15b in Form einer Wuchtscheibe 9a bzw. 9b zum Auswuchten des Rotors gebildet. Die beiden Wuchtscheiben 9a, 9b können wie in 1 beispielhaft dargestellt im Abstand zueinander und auch im Abstand zu den Rotorblechen 11 des Rotorblechpakets 12 auf dem Gussstück 2 der Welle 1 angeordnet sein.
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Alle zusätzlichen Bauelemente 6 sind jeweils mittels einer stoffschlüssigen Verbindung drehfest mit dem Gussstück 2 verbunden. Die stoffschlüssige Verbindung kann eine Lötverbindung oder eine Schweißverbindung sein. Alternativ dazu ist aber auch eine kraftschlüssige Verbindung, beispielsweise mittels Einpressens, vorstellbar.
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Im Bereich des zweiten axialen Endes 8b ist außerdem ein Abtriebselement 3 zum Ausbilden einer Antriebsverbindung zwischen dem Gussstück 2 und einem externen Abtriebssystem integral ausgeformt. Im Beispiel der 1 weist das Abtriebselement 3 einen Durchmesser d3 auf, der geringfügig kleiner ist als der Durchmesser d1 des ersten Lagerelements 12a. Das Abtriebselement 3 ist zum Antreiben eines externen Systems (nicht gezeigt) mittels des Rotors 25 ausgebildet. Das Abtriebselement 3 kann als ein Abtriebsstopfen 14 ausgebildet sein, welcher in eine am ersten axialen Ende 8a vorgesehene stirnseitige Öffnung 5 der (Hohl-) Welle 1 eingesetzt ist. In einer dazu alternativen Ausgestaltungsvariante kann das Abtriebselement 3 auf einen am ersten axialen Ende 8a vorgesehenen zylindrischen Bereich in Form einer Hülse mit Außenverzahnung gefügt sein, die einen Durchmesser aufweist, der kleiner ist als der Durchmesser d1 des ersten Lagerelements 12a. Gemäß einer weiteren Alternative kann das Abtriebselement 3 als Hülse mit Innenverzahnung in die am ersten axialen Ende 8a vorgesehene Öffnung 5 gefügt sein. In diesem Fall kann der Durchmesser des Wellenendes gleich oder kleiner dem Durchmesser d1 des ersten Lagerelements 12a sein.
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An das zweite Lagerelement 12b kann sich wie in 1 gezeigt ein Kontaktring 13 des Rotors 25 anschließen, der integral am Gussstück 2 ausgeformt oder - wie in 1 gezeigt -als weiteres zusätzliches Bauteil 6 drehfest an das zweite Lagerelement 12b und somit an die Welle 1 gefügt sein kann.
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Im Folgenden wird das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen der erfindungsgemäßen Welle 1, insbesondere gemäß den 1, 2 sowie 3, beispielhaft erläutert. Demnach wird in einer ersten Maßnahme a) ein einstückiges zylindrisches Gussstück 2 mit einem ersten und einem zweiten axialen Ende 8a, 8b und mit einem am ersten axialen Ende 8a integral ausgeformten ersten Lagerelement 12a sowie mit einem am zweiten axialen Ende 8b integral ausgeformten zweiten Lagerelement 12b mittels eines Gussverfahrens hergestellt. Das Gussverfahren kann ein Schalenhartgussverfahren sein. Das erzeugte Gussstück 2 kann ein Hohlzylinder sein, welcher mittels Hohlgießens hergestellt wird.
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In einer zweiten Maßnahme b) werden Bauelemente 6 - im Beispiel das Rotorblechpaket 10 mit den Rotorblechen 11 sowie mit den beiden Wuchtelementen 15a, 15b bzw. Wuchtscheiben 9a, 9b - bereitgestellt und entweder über das erste oder das zweite axiale Ende 8a, 8b auf die Außenumfangsseite 7 des Gussstücks 2 aufgeschoben.
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In einer dritten Maßnahme c) wird die Welle 1 durch drehfestes Fügen der Bauelemente 6 an das Gussstück 2 erzeugt. Das drehfeste Fügen kann durch stoffschlüssiges Verbinden - beispielsweise mittels einer Lötverbindung oder Schweißverbindung - oder durch kraftschlüssiges Verbinden - beispielsweise mittels Einpressens - erfolgen.
