DE102022000844A1

DE102022000844A1 - Rotorwelle, Rotor, elektrische Maschine sowie Herstellungsverfahren für eine Rotorwelle

Info

Publication number: DE102022000844A1
Application number: DE102022000844.0A
Authority: DE
Inventors: Markus PICHL; Simon Bair
Original assignee: Hirschvogel Holding GmbH
Current assignee: Hirschvogel Holding GmbH
Priority date: 2022-03-11
Filing date: 2022-03-11
Publication date: 2023-09-14
Also published as: US20230291259A1; CN116054471A

Abstract

Vorgestellt wird eine Rotorwelle (100) für einen Rotor (132), insbesondere für eine elektrische Maschine (130), wobei die Rotorwelle (100) eine Grundwelle (102) aufweist, und wobei an einer Außenmantelfläche (114, 116) der Rotorwelle (100) im Bereich der Grundwelle (102) ein Rotorwellensitz (106) für ein Lamellenpaket (108) ausgeformt ist, wobei die Rotorwelle (100) eine Konushülse (104) aufweist, wobei eine der Konushülse (104) zugewandte Mantelfläche (110) der Grundwelle (102) eine konische Form aufweist, die gegenläufig zu einer konischen Form der der Grundwelle (102) zugewandten Mantelfläche (112) der Konushülse (104) ist.. Weiterhin wird ein entsprechender Rotor und eine entsprechende elektrische Maschine vorgestellt sowie ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Rotorwelle (100).

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Rotorwelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem einen Rotor einer elektrischen Maschine mit einer solchen Rotorwelle sowie eine elektrische Maschine mit einem solchen Rotor.
Stand der Technik
Rotorwellen sind hinlänglich bekannt und üblicherweise mit Blechpaketen bestückt. Diese bilden dann einen Rotor für eine elektrische Maschine. Elektrische Maschinen und deren Betriebsverfahren sind in vielfältigen Ausführungsformen bekannt und bewährt. Grundsätzlich können elektrische Maschinen nach der Bewegungsart eines beweglichen Kerns unterschieden werden. Bei Linearmotoren führt ein Anker als Kern eine lineare Bewegung aus während bei rotatorischen Aktoren ein Rotor als Kern rotiert. Eine Herausforderung dabei ist eine ausreichende Verbindung der Rotorwelle mit dem Blechpaket sicherzustellen. Eine Möglichkeit ist dies mittels Kraftschluss, auch als Reibschluss bezeichnet, herzustellen. Das Blechpaket wird in der Regel mittels thermischen Fügens mit der Rotorwelle zu einem Querpressverband verbunden. Dies ist jedoch energieintensiv und somit teuer, da hierzu in der Regel das Blechpaket erwärmt werden muss, um den Innendurchmesser für die Montage zu vergrößern, und optional zusätzlich die Rotorwelle beispielsweise mit Flüssigstickstoff abgekühlt werden muss, um den Außendurchmesser der Rotorwelle für die Montage zu verringern. Eine weitere oder ergänzende Möglichkeit, wenn der Querpressverband nicht ausreichend ist, ist, dies mittels Formschluss zu realisieren. In diesem Fall kann beispielsweise eine Längsnut in der Rotorwelle vorgesehen sein, in die das Blechpaket eingreift. Je nach Ausführung kann dies entweder nicht ausreichend sein, um eine ausreichende Verbindung herzustellen, oder aber herstellungstechnisch eine andere Lösung angestrebt werden, um Energie (und somit CO₂) und Kosten zu sparen.
Beschreibung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine kostengünstigere Lösung einer Rotorwelle der gattungsgemäßen Art anzugeben, die verbessert ist oder zumindest eine alternative Ausführungsform darstellt.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den begleitenden Figuren angegeben. Insbesondere können die unabhängigen Ansprüche einer Anspruchskategorie auch analog zu den abhängigen Ansprüchen einer anderen Anspruchskategorie weitergebildet sein.
Eine erfindungsgemäße Rotorwelle weist eine Grundwelle auf. An der Außenmantelfläche der Rotorwelle ist ein Rotorwellensitz für ein Lamellenpaket ausgeformt. Das Lamellenpaket kann auch als Blechpaket oder Rotorblechpaket bezeichnet werden, welches hohlzylinderförmig ausgeformt ist, sodass die Rotorwelle in diesem anordenbar ist. Die Rotorwelle weist weiterhin eine Konushülse auf. Eine der Konushülse zugewandte Mantelfläche der Grundwelle weist eine konische Form auf. Eine der Grundwelle zugewandte Mantelfläche der Konushülse weist ebenfalls eine konische Form auf. Dabei ist die konische Form der Grundwelle gegenläufig zur konischen Form der Konushülse.
Unter einer konischen Form wird eine sich in eine Richtung verjüngende Form verstanden. So wird unter einem Konus eine Rotationsfläche verstanden, die durch eine um eine Achse rotierende Kurve, insbesondere Gerade, gebildet oder definiert wird. So kann es sich bei der konischen Form um eine Mantelfläche eines Kegelstumpfes handeln, wenn die um die Achse rotierende Kurve eine Gerade ist. Unter einer Konushülse kann ein länglicher, runder, innen hohler Körper verstanden werden, wobei zumindest eine Mantelfläche, d.h. Innenmantel oder Außenmantel, eine konische Form aufweist.
Der Rotorwellensitz kann zylindrisch ausgeformt sein. Insbesondere kann der Rotorwellensitz kreiszylindrisch ausgeformt sein. Optional kann zusätzlich im Rotorwellensitz eine Nut oder ein Vorsprung vorgesehen sein, um zusätzlich einen Formschluss zwischen Rotorwelle und Lamellenpaket herzustellen.
Über den Querpressverband kann ein Drehmoment übertragen werden. Da hier kein thermisches Fügen notwendig ist, ist der Energieaufwand zum Herstellen einer solchen Rotorwelle im Vergleich zu den vorbekannten Lösungen viel geringer. Auch ist dies einfach in einen Herstellungsprozess integrierbar.
Durch das konische Verspannen ist eine hohe Vorspannung erzielbar. Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass somit eine kostengünstige Lösung geschaffen wird, die zusätzlich zu vorbekannten Lösungen zu einer Reduktion des CO₂-Einsatzes führt.
Die Rotorwelle kann für eine elektrische Maschine vorgesehen sein. Dabei kann es sich um eine stromerregte elektrische Maschine handeln. Bei der elektrischen Maschine kann es sich um einen Permanenterregten Synchronmotor (PSM - permanent-magnet synchronous motor) handeln, bei dem Statorwicklungen mit Drehstrom gespeist werden und ein rotierendes Magnetfeld verursachen. Dabei befinden sich Im Rotor Permanentmagnete und der Rotor folgt dem Magnetfeld des Stators ohne Schlupf. Bei der elektrischen Maschine kann es sich um einen Fremderregten Synchronmotor (FSM fremderregter Synchronmotor / SSM - Stromerregter Synchronmotor) handeln, bei dem Statorwicklungen mit Drehstrom gespeist werden und ein rotierendes Magnetfeld verursachen. Schleifringe übertragen Gleichstrom auf die Erregerwicklung des Rotors. Der Rotor folgt dabei dem Magnetfeld des Stators ohne Schlupf. Bei der elektrischen Maschine kann es sich auch um einen Asynchronmotor (ASM) handeln. Dabei werden die Statorwicklungen mit Drehstrom gespeist und verursachen ein rotierendes Magnetfeld; das rotierende Magnetfeld induziert Strom in Kurzschlussstäben des Rotors und erzeugt somit ein Gegenfeld. Der Rotor ist stets langsamer als der Stator (Schlupf).
Die konische Form kann abschnittsweise eine unterschiedliche Steigung aufweisen. So kann die um die Achse rotierende Kurve, die die konische Form beschreibt, einen monotonen oder streng monotonen Verlauf (steigend respektive fallend) aufweisen. Insbesondere kann die Steigung der um die Achse rotierenden Kurve, die die konische Form beschreibt, über einen weiten Bereich, d.h. zumindest 50%, insbesondere zumindest 80%, insbesondere zumindest 95% der Strecke konstant sein. Die Steigung kann dabei kleiner 7° betragen, insbesondere kleiner 3°, insbesondere kleiner 1,7°, insbesondere kleiner 1,3°. Die Steigung kann zumindest 0,5°, insbesondere zumindest 0,8° und insbesondere zumindest 1° betragen. Die Steigung kann beispielsweise in einem Bereich zwischen 0,5° und 3° betragen.
Dabei kann die Konushülse aus einem ersten Werkstoff und die Kühleinrichtung aus einem vom ersten Werkstoff verschiedenen zweiten Werkstoff gefertigt sein. Die zwei Werkstoffe können einen unterschiedlichen Wärmeleitkoeffizienten und/oder einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen. Insbesondere kann der radial innenliegende Werkstoff einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen; d.h. wenn die Konushülse innerhalb der Grundwelle angeordnet ist, so kann der Werkstoff der Konushülse einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen als der Werkstoff der Grundwelle. So kann umgekehrt, wenn die Konushülse die Grundwelle umschließt, der Werkstoff der Grundwelle einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen als der Werkstoff der Konushülse. Dadurch wird ein Kraftschluss zwischen der Rotorwelle (insbesondere dem Rotorwellensitz) und dem darauf angeordneten Lamellenpaket verbessert.
Die Konushülse kann zumindest abschnittsweise geschlitzt sein. So kann die Konushülse eine längliche, schmale Öffnung aufweisen, die sich von der Innenmantelfläche zur Außenmantelfläche erstreckt und axial ausgerichtet ist. Der Schlitz kann sich über die gesamte Länge der Konushülse erstrecken; der Schlitz kann einmal oder mehrfach unterbrochen sein. Durch den Schlitz kann die Montage erleichtert werden, da sich der Umfang variieren einfach verändern lässt. So können Toleranzen ausgeglichen werden.
Längsendseitig der Rotorwelle können Lagerbereiche vorgesehen sein. So kann an jedem Ende der Grundwelle jeweils ein Lagerbereich ausgebildet sein. Der Lagerbereich kann auch als Lagersitz bezeichnet werden. So kann ein erster Lagerbereich an einem ersten Ende der Grundwelle ausgebildet sein und ein zweiter Lagerbereich an einem dem ersten Ende gegenüberliegendem zweiten Ende der Grundwelle oder der Konushülse ausgebildet sein. Dabei kann der erste Lagerbereich kraftschlüssig, formschlüssig oder stoffschlüssig mit der Grundwelle verbunden sein. Der zweite Lagerbereich kann alternativ mit der Grundwelle oder der Konushülse kraftschlüssig, formschlüssig oder stoffschlüssig verbunden sein. Dabei können die Lagerbereiche einen kleineren (Innen-)Durchmesser aufweisen als der Rotorwellensitz respektive die Grundwelle und/oder die Konushülse.
In einer Ausführungsform kann die Konushülse an der Innenmantelfläche der Grundwelle anliegen und der Rotorwellensitz kann an einer Außenmantelfläche der Grundwelle ausgeformt sein. So kann die Konushülse in der als Hohlwelle ausgebildeten Grundwelle angeordnet sein. So kann der Rotorwellensitz an der Grundwelle ausgeformt sein.
In einer alternativen Ausführungsform kann die Konushülse an der Außenmantelfläche der Grundwelle anliegen und der Rotorwellensitz kann an einer Außenmantelfläche der Konushülse ausgeformt sein. So kann die Konushülse die Grundwelle umschließen.
Die Grundwelle kann mehrteilig ausgeformt sein. So kann die Grundwelle zumindest zweiteilig ausgeformt sein. Die zwei oder mehr Teile der Grundwelle können stoffschlüssig und/oder formschlüssig und/oder reibschlüssig miteinander verbunden sein. So kann eine feste Verbindung der einzelnen Teile oder Elemente der Grundwelle geschaffen werden. So können einzelne Teile der Grundwelle fertigungstechnisch optimiert hergestellt werden und dann später gefügt werden. Auch kann die konische Form der Grundwelle als ein Einlegeteil oder als eine Einlegehülse ausgebildet sein. Die Einlegehülse kann auf einer Mantelfläche eine konische Form aufweisen, wohingegen der Grundkörper der Grundwelle eine rein zylindrische Form aufweist. Dies kann fertigungstechnisch vorteilhaft sein. Auch kann durch ein Einlegeteil bzw. eine Einlegehülse Kraft über Fügestellen geleitet werden.
Bei der Betrachtung der Einteiligkeit oder Mehrteiligkeit der Grundwelle kann diese nicht nur den Rotorwellensitz, sondern vielmehr auch die Lagersitze oder Lagerbereiche umfassen. Der Lagerbereich oder die Lagerbereiche, längsendseitig der Grundwelle und/oder der Konushülse ausgeformt, können dadurch ausgeformt werden, dass zumindest ein Innendurchmesser der Rotorwelle in diesem Bereich verringert wird. Dies kann beispielsweise mittels Fließpressen oder Rundkneten erzielt werden.
Die Konushülse kann zumindest zweiteilig ausgebildet sein. So können fertigungs- und montagetechnische Vorteile erzielt werden. Die Konushülse kann in axialer Richtung geteilt sein und die zumindest zwei Teile der zumindest zweiteilig ausgebildeten Konushülse können zueinander gegenläufige Konen aufweisen, d.h. die erste Teil-Konushülse hat einen steigenden Konus wohingegen in gleicher Richtung die zweite Teil-Konushülse einen fallenden Konus aufweist.
Die Konushülse kann mittels zumindest eines Befestigungselements wie einer Schraube oder einem Bolzen oder einem Montageelement (dies kann ebenfalls eine Schraube oder ein Bolzen sein) gegenüber der Grundwelle axial verspannt sein, um eine radial wirkende Kraft auf das Lamellenpaket auszuüben. Das Befestigungselement verbleibt in der Rotorwelle wohingegen das Montageelement nach dem Verspannen wieder entfernt wird. Vorteilhafterweise kann mit einem Montagelement Gewicht eingespart werden.
Wenn die Konushülse zumindest zweiteilig ausgebildet ist können die zwei zweigeteilten Konushülsen (oder die zwei Teile der zweigeteilten Konushülse) gegeneinander verspannt werden. Die beiden Konushülsen können spiegelbildlich ausgeformt sein, so kann es sich also um Gleichteile handeln.
Die Rotorwelle kann eine Kühleinrichtung aufweisen, die im Hohlraum der Grundwelle angeordnet ist, um eine Oberfläche der Innenmantelfläche der Grundwelle zu vergrößern und um ein Kühlfluid in der Grundwelle zu leiten, wobei die Kühleinrichtung und die Grundwelle aus unterschiedlichen Werkstoffen gefertigt sein können, und wobei der Werkstoff der Kühleinrichtung einen höheren Wärmeleitkoeffizienten und einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist als der Werkstoff der Grundwelle, um im Betrieb einen Kraftschluss zwischen der Rotorwelle und einem darauf angeordneten Lamellenpaket zu verbessern.
In einer speziellen Ausführungsform kann die Konushülse als Kühleinrichtung ausgebildet sein. So kann ohne großen Materialeinsatz noch eine Zusatzfunktion erzielt werden.
Das Konzept der Kühleinrichtung sieht vor, dass diese mit ihrer Außenmantelfläche sich an die Innenmantelfläche der Grundwelle anlegt und dass die Kühleinrichtung im Inneren eine größere Oberfläche aufweist als die Innenmantelfläche der Grundwelle. Dadurch dass der Werkstoff der Kühleinrichtung einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist als die Grundwelle, wird im Betrieb unter Wärmeeinwirkung sich die Kühleinrichtung stärker ausdehnen als die Grundwelle und somit an der Innenmantelfläche der Grundwelle einen Druck radial nach außen auf die Grundwelle ausüben. Mit steigender Belastung und damit einhergehender steigender Wärmeentwicklung wird dieser Effekt verstärkt und wirkt somit auf die Verbindung zwischen dem Lamellenpaket und der Grundwelle im Bereich des Rotorwellensitzes. Die Kühleinrichtung kann alternativ auch als separates Bauteil innen an einer Innenmantelfläche der Konushülse anliegen.
Der Werkstoff der Kühleinrichtung kann ein legierter Werkstoff sein. Insbesondere kann es sich bei dem Werkstoff der Kühleinrichtung um Aluminium oder eine Aluminiumlegierung handeln. Alternativ kann es sich bei dem Werkstoff der Kühleinrichtung auch um einen Thermowerkstoff eines mit einem speziellen Filmmaterial durchsetzten Kunststoffs handeln. Weiterhin alternativ kann es sich bei dem Werkstoff der Kühleinrichtung um Kupfer oder eine Kupferlegierung handeln. Bei dem Werkstoff der Grundwelle kann es sich insbesondere um Stahl oder eine Stahllegierung handeln.
Eine Außenkontur oder eine Außenmantelfläche der Kühleinrichtung kann an der Innenmantelfläche der Grundwelle anliegen. So kann der Wärmeübergang von der Grundwelle auf die Kühleinrichtung optimiert werden.
Die Kühleinrichtung kann als ein Strangpressprofil ausgeformt sein. In einer besonderen Ausführungsform kann das Strangpressprofil wabenförmig ausgeformte Kühlkanäle aufweisen. In einer alternativen Ausführungsform kann die Kühleinrichtung durch einen Blechumformprozess ausgeformt sein. Insbesondere kann die Kühleinrichtung ein Wellenprofil aufweisen. Dabei kann das Wellenprofil sich in der Längsrichtung oder alternativ dazu quer zur Längsrichtung ergeben. Wenn das Wellenprofil in Längsrichtung ausgeformt ist, so können die Rippen des Wellenprofils zusätzlich eine weitere Wellenform aufweisen. So kann es sich bei der Kühleinrichtung beispielsweise auch um ein Wellrohr handeln. Sowohl Strangpressprofile als auch alternativ Einlegeteile aus einem Blechumformprozess können serienmäßig günstig (als Massenware) hergestellt werden.
Die Kühleinrichtung kann aus einem Blechumformprozess hervorgehen. Sie kann dann entsprechende Wellen aufweisen, beispielsweise analog zu einem Wellrohr. Ein Wellrohr ist ein Rohr aus starrem Material mit wellenförmig wechselndem Durchmesser, das aufgrund der Wellung teilweise flexibel geworden sein kann. Wellrohre aus Metall werden auch als Metallbälge oder Metallfaltenbälge bezeichnet. Die Wellung kann eine parallele ringförmige Ausformung haben. Bevorzugt sind spiralförmige Wellen mit unterschiedlicher Ausformung. Diese führen zu einem geringeren Druckverlust als bei der parallelen ringförmigen Ausformung, außerdem führt dies zu einer besseren Verwirbelung des Kühlfluids.
So kann das Wellenprofil Durchbrüche aufweisen, um das Kühlfluid an die Innenmantelfläche der Grundwelle zu leiten und um zu vermeiden, dass dort isolierende oder schlecht Wärme-ableitende Hohlräume vorhanden sind.
Die Kühleinrichtung kann einstückig ausgeformt sein. So lässt sich die Kühleinrichtung mit wenig Aufwand in die Grundwelle einlegen. So kann der Montageaufwand kleingehalten bzw. verringert werden.
Um die Wärmeanbindung der Kühleinrichtung an die Rotorwelle zu verbessern, kann zwischen der Kühleinrichtung und der Grundwelle ein Wärmeleitmaterial angeordnet sein. Unter einem Wärmeleitmaterial kann ein thermisches Interface-Material, Wärmeleitpaste, Wärmeleitmedium bzw. Gapfiller zur Wärmeabfuhr und zum Toleranzausgleich bei vorhandenen Spalten verstanden werden. So kann vorteilhafterweise eine (teilweise) raue Oberfläche ausgeglichen werden und ein optimierter Wärmeübergang zwischen der Grundwelle und der Kühleinrichtung geschaffen werden.
Die Grundwelle und/oder die Konushülse kann umformtechnisch hergestellt werden. So kann kostengünstig eine Rotorwelle in großer Stückzahl hergestellt werden.
Die Grundform der Grundwelle und/oder der Konushülse beziehungsweise der Rotorwelle kann als ein gezogenes Rohr ausgebildet sein. Die an zumindest einem Ende der Grundwelle vorgesehene Lagerbereich kann zumindest auf einer Seite der Grundwelle auch erst nach dem Einlegen der Konushülse in die Grundwelle ausgeformt werden. Je nach Anforderungen an den Lagersitz kann dies kostengünstig und effizient sein. In diesem Fall kann die Rotorwelle einstückig ausgeführt sein, und dies nicht erst nach der Montage durch einen nachgeschalteten Produktionsschritt, sondern von Beginn an, wobei die Endform der Grundwelle erst in einem späteren Produktionsschritt nach dem Einlegen der Konushülse ausgebildet wird. Ein Innendurchmesser der Lagerbereiche kann kleiner sein als ein Innendurchmesser der Grundwelle im Bereich des Rotorwellensitzes.
In einer Ausführungsform ist die Grundwelle mehrstückig ausgeformt. Ein Innendurchmesser der Lagerbereiche kann kleiner sein als ein Innendurchmesser der Grundwelle im Bereich des Rotorwellensitzes.
In einer Ausführungsform kann eine Wandstärke der Grundwelle im Bereich des Rotorwellensitzes weniger als 8 Millimeter betragen. Insbesondere kann die Wandstärke der Grundwelle im Bereich des Rotorwellensitzes weniger als 6 Millimeter betragen. In einer besonderen Ausführungsformen kann die Wandstärke der Grundwelle im Bereich des Rotorwellensitzes weniger als 4 Millimeter betragen.
Eine Querschnittsfläche der Grundwelle kann von der Mitte hin zu den Randbereichen, insbesondere kontinuierlich, abnehmen. Die Mitte bezieht sich darauf auf die Längserstreckung, d.h. zwischen den Endbereichen der Grundwelle. Dabei kann in der Mitte des Rotorwellensitzes die Querschnittsfläche mind. 10% größer sein, insbesondere 30 % größer sein als in den Randbereichen des Rotorwellensitzes in Richtung der Lagerbereiche. Insbesondere kann die Wandstärke linear, insbesondere parabelförmig abnehmen. Dies kann insbesondere durch mehr Material im Innendurchmesser erfolgen oder alternativ Vertiefungen, die von innen nach außen tiefer werden. So kann die Querschnittsfläche durch eine einheitlich sich verändernde Wandstärke oder aber auch durch konstante Mantelflächen mit entsprechenden Teilaussparungen erzeugt werden.
Ein erfindungsgemäßer Rotor für eine stromerregte Maschine weist eine Ausführungsform einer oben beschriebenen Rotorwelle und ein auf der Rotorwelle im Bereich des Rotorwellensitzes angeordnetes Lamellenpaket auf.
Eine erfindungsgemäße elektrische Maschine umfasst eine Variante eines zuvor beschriebenen Rotors. Weiterhin kann ein Stator vorgesehen sein, wobei in dem Stator der um eine Rotordrehachse rotierbare Rotor angeordnet ist. Eine solche Maschine kann als ein Elektromotor, Motor oder Generator bezeichnet werden.
Ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Rotorwelle weist die folgenden Schritte auf:

Bereitstellen einer Grundwelle für eine Rotorwelle und eine Konushülse, wobei eine der Konushülse zugewandte Mantelfläche der Grundwelle eine konische Form aufweist, die gegenläufig zu der konischen Form der der Grundwelle zugewandten Mantelfläche der Konushülse ist; und Verspannen der Konushülse gegenüber der Grundwelle, sodass ein Kraftschluss zwischen der Rotorwelle und dem darauf angeordneten Lamellenpaket verbessert wird.

Kurze Figurenbeschreibung
Die erfinderische Idee soll im Folgenden mit Bezug auf die Figuren näher beschrieben werden. Die folgende Beschreibung ist aber als rein beispielhaft anzusehen. Die Erfindung ist allein durch den Gegenstand der Ansprüche bestimmt. Nachfolgend werden vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren erläutert. Dabei werden für gleiche oder gleichwirkende Elemente die gleichen Bezugszeichen verwendet. Weiterhin werden der leichteren Lesbarkeit und Zuordenbarkeit halber Bezugszeichen auch für Merkmale verwendet, wenn diese in der beschriebenen Figur nicht dargestellt sind. Auch werden bei ähnlichen Figuren nicht immer alle Bezugszeichen eingezeichnet, wenn diese Merkmale aus den vorangegangenen Figuren bereits klar bezeichnet sind. Es zeigen:

1a - 1b eine vereinfachte Darstellung einer Rotorwelle gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
2 eine schematisierte Darstellung einer elektrischen Maschine mit einem Rotor gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 ein Fahrzeug mit einer elektrischen Maschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
4 ein Ablaufdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
5 - 6 eine vereinfachte Darstellung einer Rotorwelle gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
7 - 12 beispielhafte Schnittdarstellungen von Rotorwellen gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
13, 14 beispielhafte Schnittdarstellungen von Kühleinrichtungen gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
15 - 17 beispielhafte Schnittdarstellungen von Rotorwellen gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung; und
18a - 19 beispielhafte Schnittdarstellungen von Varianten einer Kühleinrichtung in der Rotorwelle gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.

Detaillierte Figurenbeschreibung und Beschreibung der Erfindung
1 zeigt eine Rotorwelle 100, der insbesondere für eine elektrische Maschine 130 vorgesehen ist, wie diese in 2 dargestellt ist. Die Rotorwelle 100 umfasst eine Grundwelle 102 und eine Konushülse 104. Im Bereich der Grundwelle 102, bezogen auf die axiale Erstreckung der Grundwelle 102, ist ein Rotorwellensitz 106 für ein Lamellenpaket 108 ausgeformt. Das Lamellenpaket 108 ist an dem Rotorwellensitz 106 angeordnet. Die einander zugewandten Mantelflächen 110, 112 der Grundwelle 102 und der Konushülse 104 weisen jeweils eine korrespondierende konische Form auf, d.h. diese können direkt aneinander liegen und somit gegeneinander verspannt werden. 1a und 1b unterscheiden sich durch die Anordnung von Konushülse 104 zur Grundwelle 102. In 1a umschließt die Konushülse 104 die Grundwelle 102. So ist der Rotorwellensitz 106 auf einer Außenmantelfläche 114 der Konushülse 104 ausgebildet. In 1b ist die Konushülse 104 im Inneren der Grundwelle 102 angeordnet. So ist der Rotorwellensitz 106 auf einer Außenmantelfläche 116 der Grundwelle 102 ausgebildet.
Aus der 1 nicht direkt sichtbar ist die Wahl des Werkstoffs von Grundwelle 102 und Konushülse 104. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die Konushülse 104 und die Grundwelle 102 aus unterschiedlichen Werkstoffen hergestellt, wobei die Wahl des Werkstoffes von der Anordnung der Konushülse 104 zur Grundwelle 102 abhängt. Wenn der Wärmeausdehnungskoeffizient des umschließenden Körpers (Konushülse 104 oder Grundwelle 102) geringer ist als der Wärmeausdehnungskoeffizient des innenliegenden Körpers (Grundwelle 102 oder Konushülse 104) hat dies im Betrieb den positiven Effekt, dass ein Kraftschluss zwischen der Rotorwelle 100 und einem auf dem Rotorwellensitz 106 angeordneten Lamellenpaket 108 verbessert wird (siehe hierzu auch 2). Somit ist die Materialwahl des Werkstoffs von Grundwelle 102 und Konushülse 104 in den beiden in 1a und 1b gezeigten Ausführungsbeispielen vertauscht zueinander. Somit weist also der radial innenliegende Werkstoff einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist als der radial außen liegende Werkstoff, um im Betrieb einen Kraftschluss zwischen der Rotorwelle 100 und einem darauf angeordneten Lamellenpaket 108 zu verbessern, wobei auch der Kraftschluss zwischen Grundwelle 102 und Konushülse 104 verstärkt wird oder zumindest bestehen bleibt.
So weist in 1a (die Konushülse 104 umschließt die die Grundwelle 102) der Werkstoff der Grundwelle 102 einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten auf als der Werkstoff der Konushülse 104. So weist in 1b (die Grundwelle 102 umschließt die die Konushülse 104) der Werkstoff der Konushülse 104 einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten auf als der Werkstoff der Grundwelle 102.
Bei den beiden Werkstoffen handelt es sich in speziellen Ausführungsbeispielen um Stahl bzw. eine Stahllegierung und um Aluminium bzw. eine Aluminiumlegierung. Dabei weisen Aluminium und eine Aluminiumlegierung einen höheren Wärmeleitkoeffizienten und einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten auf als Stahl und eine Stahllegierung.
In 1 nicht ersichtlich ist eine optionale Variante, in der Konushülse 104 zumindest abschnittsweise geschlitzt ist. In einer ersten Variante weist die Konushülse 104 einen sich über die gesamte axiale Länge erstreckenden Schlitz auf. In einer zweiten Variante ist der Schlitz zumindest einmal unterbrochen, beispielsweise ist die Konushülse 104 an einem Ende oder mittig nicht durch den Schlitz unterbrochen. In einer weiteren Variante weist die Konushülse eine Mehrzahl von Schlitzen (in axialer Richtung) auf, entweder, dass die Schlitze in einer Reihe angeordnet sind und sich somit ein Schlitz darstellt, der von kleinen Stegen unterbrochen ist, oder alternativ, dass die Schlitze über den Umfang verteilt sind.
In einem Ausführungsbeispiel weist die Rotorwelle 100, wie in einer Vielzahl der nachstehend dargestellten Ausführungsbeispielen ersichtlich, einen Hohlraum 118 auf. Es handelt sich somit um eine Hohlwelle. Die Hohlwelle ist einseitig oder zweiseitig offen ausgeformt.
2 zeigt eine elektrische Maschine 130 mit einem Rotor 132. Der Rotor 132 weist eine Rotorwelle 100 auf, auf deren Rotorwellensitz 106 ein Lamellenpaket 108 angeordnet ist. Im Hohlraum 118 der Rotorwelle 100 ist eine als Kühleinrichtung 134 ausgebildete Konushülse 104 angeordnet. Der Konus der Grundwelle 102 und der Konushülse 104 weist in dem in 2 dargestellten Ausführungsbespiel jeweils einen Winkel kleiner 1° auf. Die Kühleinrichtung 134 ist rein schematisch dargestellt. Es kann sich um ein Ausführungsbeispiel einer Kühleinrichtung 134 handeln, wie dies in 13, 14 oder in 18a bis 19 gezeigt ist, alternativ aber auch um eine Variante, wie diese in den folgenden Figuren gezeigt ist, wenn die Konushülse 104 innerhalb der Grundwelle 102 (die in den Ausführungsbeispielen als Hohlwelle ausgeformt ist) angeordnet ist - oder eine Abwandlung hiervon. Deshalb ist diese auch nur schematisch dargestellt.
An den beiden Endbereichen der Rotorwelle 100 ist jeweils ein Lagerbereich 136 ausgebildet, an denen die Rotorwelle 100 mittels Lagern 140 gelagert wird. Die Rotorwelle 100 ist innerhalb eines Stators 142 angeordnet. Nicht explizit dargestellt ist das Kühlfluid, welches durch eine Öffnung der als Hohlwelle ausgebildeten Grundwelle 102 bzw. Rotorwelle 100 einströmen kann und dann beispielsweise auf der gegenüberliegenden Seite aus der Rotorwelle 100 wieder ausströmen kann. Insbesondere der Ausfluss des Kühlfluids kann auf verschiedene Arten erfolgen, wie dies aus anderen Offenbarungen entnommen werden kann. Dies stellt aber keinen Kern der hier dargestellten Idee dar und wird deshalb auch nicht weiter adressiert.
Dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist, wie einigen anderen hier gezeigten Ausführungsbeispielen, zu entnehmen, dass der Innendurchmesser D_IL der Lagerbereiche 136 kleiner ist als ein Innendurchmesser D_IG der Grundwelle 102 (insbesondere im Bereich der Kühleinrichtung 134).
Eine Außenkontur oder Außenmantelfläche 114 der Kühleinrichtung 134 (der Grundwelle 102 zugewandte Mantelfläche 112 der Konushülse 104) liegt an der Innenmantelfläche 120 der Grundwelle 102 (der Konushülse 104 zugewandte Mantelfläche 110 der Grundwelle 102) an. Dabei ist der 2 nicht so einfach zu entnehmen, dass die Außenmantelfläche 114 der Kühleinrichtung 134, die hier eine besondere Ausführungsform einer Konushülse 104 repräsentiert, eine konische Form aufweist. Ebenso die Innenmantelfläche 120 der Grundwelle 102 weist eine entsprechende konische Form auf. Um den Wärmeübergang zwischen der Grundwelle 102 und der Konushülse 104 respektive der Kühleinrichtung 134 zu verbessern kann in einem Ausführungsbeispiel zwischen diesen zusätzlich ein Wärmeleitmaterial 144 angeordnet sein. Dieses kann bei einem direkten Kontakt von Grundwelle 102 mit Kühleinrichtung 134 respektive Konushülse 104 zur Seite gepresst sein, und insbesondere Spalten oder andere Hohlräume zwischen den beiden Körpern (Grundwelle 102; Kühleinrichtung 134/Konushülse 104) ausfüllen.
3 zeigt ein Fahrzeug 150 mit einer elektrischen Maschine 130 gemäß der vorliegenden Erfindung.
4 zeigt ein Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren umfasst zumindest einen Schritt S1 des Bereitstellens, sowie einen Schritt S2 des Verspannens. Im Schritt S1 wird eine Grundwelle 102 für eine Rotorwelle 100, und eine Konushülse 104 bereitgestellt, wobei eine der Konushülse 104 zugewandte Mantelfläche 110 der Grundwelle 102 eine konische Form aufweist, die gegenläufig zu der konischen Form der der Grundwelle 102 zugewandten Mantelfläche 112 der Konushülse 104 ist. Im Schritt S2 wird die Konushülse 104 gegenüber der Grundwelle 102 verspannt, sodass ein Kraftschluss zwischen der Rotorwelle 100 und dem darauf angeordneten Lamellenpaket 108 verbessert wird.
Weiterhin kann das Verfahren einen Schritt S3 des Ausbildens zumindest eines Lagerbereiches aufweisen. Dies kann vor oder nach dem Bereitstellen der Grundwelle oder aber auch erst nach dem Schritt des Verspannens ausgeführt werden. Je nach Reihenfolge der Schritte kann hier ein unterschiedliches Vorgehen vorgesehen sein. So kann ein Lagerbereich beispielsweise durch spanloses Umformen ausgeformt werden, wobei der gesamte Werkstoffquerschnitt plastifiziert wird. Zum Einschnüren und Ausformen das Lagerbereichs kann auch ein Rollieren angewandt werden.
In 2 ist bereits ein Lagerbereich 136, 138 längsendseitig der Grundwelle 102 ersichtlich. Bei dem In 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Lagerbereiche 136, 138 beidseits mit der Grundwelle 102 verbunden, d.h. sowohl der erste Lagerbereich 136 als auch der zweite Lagerbereich 138 sind mit der Grundwelle 102 beispielsweise stoffschlüssig verbunden. Dabei ist ein Innendurchmesser D_IL der Lagerbereiche 136, 138 kleiner als ein Innendurchmesser D_IG der Grundwelle 102 im Bereich vom Rotorwellensitz 106. In dem in 5 und 6 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der erste Lagerbereich 136 mit der Grundwelle 102 verbunden, der zweite Lagerbereich 138 ist jedoch mit der Konushülse 104 verbunden. Die Verbindung kann stoffschlüssig sein, insbesondere kann der Lagerbereich 136, 138 auch jeweils einstückig (mit Grundwelle 102 oder Konushülse 104) gefertigt worden sein, andere Verbindungsmethoden sind jedoch gleichwertig denkbar. 5 zeigt die fertig montierte Rotorwelle 100, wohingegen 6 einen Zustand während des Fügens darstellt. Dabei beinhaltet das Fügen auch ein Verpressen oder Verspannen.
Bei dem in 5 und 6 dargestellten Ausführungsbeispiel umschließt die Grundwelle 102 die Konushülse 104. Dabei ist die umgekehrte Anordnung - analog zu dem Ausführungsbeispiel in 1a - gleichwertig realisierbar. Der erste Lagerbereich 136 ist mit der Grundwelle 102 verbunden, insbesondere einstückig ausgeformt. Der zweite Lagerbereich 138 ist mit der Konushülse 104 verbunden, insbesondere einstückig ausgeformt.
In 7 bis 12 ist die Konushülse 104 innerhalb der Grundwelle 102 angeordnet. Die Grundwelle 102 ist dann in der Regel mehrteilig ausgeformt, wobei die einzelnen Elemente der Grundwelle stoffschlüssig und/oder formschlüssig miteinander verbunden sind. In einem besonderen Ausführungsbeispiel sind die Elemente der Grundwelle 102 mittels Kraftschluss verbunden. Der Verbindungsbereich 160 ist in den Figuren deutlich erkennbar, wobei dies variiert werden kann und entsprechend den gezeigten Ausführungsbeispielen der Verbindungsbereich eines Ausführungsbeispiels entsprechend bei einem der anderen Ausführungsbeispiele umgesetzt werden kann. Auch kann eine - in den Figuren nicht dargestellte - zusätzliche Hülse eingebracht werden, um die Belastung auf den Verbindungsbereich 160 zu verringern.
Weiterhin ist zumindest ein Befestigungselement 162 vorgesehen, um mittels des Befestigungselements 162 die Konushülse 104 gegenüber der Grundwelle 102 axial zu verspannen. Dabei entsteht durch die konische Form von Grundwelle 102 und Konushülse 104 eine radial wirkende Kraft auf das Lamellenpaket 108. Bei dem Befestigungselement 162 kann es sich auch um ein Montageelement handeln. Letzteres unterscheidet sich vom Befestigungselements 162 dadurch, dass das Montageelement nach dem Verspannen der Konushülse 1ß4 von der Rotorwelle 100 wieder entfernt wird, wohingegen das Befestigungselement 162 in der Rotorwelle 100 verbleibt. Bei dem Befestigungselement 162 kann es sich wie bei dem Montagelement beispielsweise um eine Schraube oder einen Bolzen handeln.
Bei dem in 7 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Rotorwelle 100 neben der Grundwelle 102 und der Konushülse 104 eine weitere Konushülse 164 auf, die auch als Einleger oder Einlegehülse bezeichnet werden kann. Die weitere Konushülse 164 kann als Teil der Grundwelle 102 betrachtet werden. Ein Grundkörper 166 der Grundwelle 102 weist Innen und Außen eine zylindrische Mantelfläche auf. Die der Konushülse 104 zugewandte konische Form wird durch die weitere Konushülse 164 erreicht. Die Außenmantelfläche der weiteren Konushülse 164 weist eine zylindrische Form auf, die Innenmantelfläche der weiteren Konushülse 164 weist eine konische Form auf, die zur Konushülse 104 korrespondiert.
Die Rotorwelle 100 weist an den beiden Enden jeweils einen Lagerbereich 136, 138 auf, deren Durchmesser kleiner als der der Grundwelle 102 ist. Um die Konushülse 104 und die weitere Konushülse 164 einbringen zu können, ist der Grundkörper 166 der Grundwelle 102 zumindest zweigeteilt und wird erst nach dem Einbringen von Konushülse 104 und weiterer Konushülse 164 verbunden, insbesondere stoffschlüssig. Der Verbindungsbereich 160 zwischen den zumindest zwei Teilen des Grundkörpers 166 erfährt nur geringe Belastungen, da die weitere Konushülse 166 die radial wirkenden Kräfte gleichmäßig verteilt. An einer Stirnseite des Grundkörpers 166 ist zumindest ein Durchbruch 168 vorgesehen, durch welche das Befestigungselement 162 eine axiale Kraft auf die Konushülse 104 einleiten kann. Dabei können auch zwei oder mehr Durchbrüche 168 vorgesehen sein und insbesondere eine gleiche Anzahl an Befestigungselementen 162. Vorteilhaft können dabei drei Durchbrüche 168 und drei Befestigungselemente 162 sein, die gleichverteilt an der Stirnseite angeordnet sind, insbesondere also in einem Winkel von 120° zueinander.
In 8 ist die Konushülse 104 zwischen der Grundwelle 102 und dem Lamellenpaket 108 angeordnet. Die Grundwelle 102 weist an der Außenmantelfläche 116 eine konische Form auf, die Konushülse 104 weist an der Außenmantelfläche 114 eine zylindrische Form auf, an dieser ist der Rotorwellensitz 106 ausgeformt. So sitz das Lamellenpaket 108 an der Außenmantelfläche 114 der Konushülse 104. Dieses Ausführungsbeispiel lässt sich montieren, ohne dass ein zusätzliches Befestigungselement 162 notwendig ist, die Konushülse 104 kann mit dem direkt darauf angeordneten Lamellenpaket 108 mit der Grundwelle 102 verpresst werden, wobei die Konushülse 104 direkt kontaktierbar ist, um eine entsprechende axiale Kraft einzuleiten.
Die in 9 bis 11 dargestellten Ausführungsbeispiele weisen jeweils eine zweiteilige Konushülse 104 auf, die entgegengesetzten Konen (konische Form) aufweisen und die gegeneinander (axial) verspannt sind, um die radiale Kraft in Richtung des Lamellenpakets 108 aufzubringen. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 9 handelt es sich bei der Grundwelle 102 um eine Hohlwelle, die beiden Teile der Konushülse 104 werden jeweils entlang der Achse durch die hohlen Lagerbereiche 136, 138 „nach außen“ gezogen, d.h. in die entgegengesetzte Richtung zueinander. In der Mitte der Grundwelle 102 ist der größte Durchmesser, der sich dann entlang der Achse nach außen jeweils verjüngt.
10 kann als eine Kombination der Ausführungsbeispiele gemäß 7 und 9 angesehen werden. Die Konushülse 104 ist wie im Ausführungsbeispiel gemäß 9 zweiteilig ausgeformt, diese werden jedoch nicht mittig gezogen, sondern vielmehr weist die Stirnfläche Grundwelle 102 zwischen dem Lamellensitz 108 und dem Lagerbereich 136, 138 auf jeder Seite zumindest einen Durchbruch 168 auf; korrespondierend ist auch in dem direkt anschließenden Teil der Konushülse 104 jeweils ein Durchbruch vorgesehen, sodass durch den Durchbruch 168 in der Stirnfläche der Grundwelle 102 sowie in dem direkt korrespondierendem Durchbruch des Teil der Konushülse 104 ein Befestigungselement 162 angeordnet ist, welches auf den zweiten Teil der Konushülse 104 drückt. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind je Teil oder Hälfte der Konushülse 104 jeweils drei Befestigungselemente 162 vorgesehen, die somit in einem Winkel von 120° zueinander angeordnet sind. Die auf die zweite Hälfte (zweiter Teil) der Konushülse 104 drückenden Befestigungselemente sind um den hierzu halben Winkel, d.h. 60° versetzt.
Bei dem in 11 dargestellten Ausführungsbeispiel ist zumindest ein Abstandselement 170 als Befestigungselement 162 zwischen den beiden Teilen der Konushülse 104 angeordnet. Hierbei muss die Vorspannung während der Montage und somit des Fügens der zumindest zweiteiligen Grundwelle 102 erfolgen. Der Verbindungsbereich 160 ist mittig in Bezug auf die axiale Erstreckung angeordnet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Rotorwelle weitgehend symmetrisch aufgebaut. Es wäre auch denkbar, dass die beiden Teile der Konushülse 104 eine voneinander verschiedene Länge aufweisen, beispielsweise im Verhältnis 1:2 oder 1:3. In diesem Fall wäre auch die Steigung der konischen Außenmantelfläche vorzugsweise verschieden, in Korrelation zum Längenverhältnis.
In einer Variante sind die Teile der Grundwelle 102 miteinander stoffschlüssig verbunden, in einer alternativen Variante sind diese formschlüssig verbunden; dabei können auch beide Verbindungsarten kombiniert werden.
12 zeigt wieder eine einteilige Konushülse 104, die mittels eines Befestigungselements 162 mit der Grundwelle 102 verspannt wird. Dabei ist das zumindest eine Befestigungselement durch einen Durchbruch 168 in der Stirnfläche 172 der Grundwelle 102 zwischen dem Rotorwellensitz 106 und dem Lagersitz 138 geführt. Der Verbindungsbereich 160 ist im Bereich des Rotorwellensitzes 106 bzw. der Außenmantelfläche 116 der Grundwelle 102 nahe der Stirnfläche 172 angeordnet.
Bei dem in 13 dargestellten Ausführungsbeispiel weist die als Kühleinrichtung 134 ausgebildete Konushülse 104 zwei ineinander angeordnete Rohre auf, die über in Längsrichtung verlaufende Stege miteinander verbunden sind. Die Kühleinrichtung 134 kann als Strangpressprofil ausgeformt sein. Dabei kann die Konushülse auch zweiteilig ausgeformt sein, sodass die Kühleinrichtung 134 eine zylindrische Außenmantelfläche aufweist, die in eine Konushülse 104 mit einer zylindrischen Innenmantelfläche eingeschoben wird. Durch ein derart ausgeformtes Strangpressprofil wird eine Vielzahl von Kühlkanälen 174 ausgeformt. In einem speziellen Ausführungsbeispiel sind die Rippen oder Stege derart ausgeformt und angeordnet, dass die Kühlkanäle 174 wabenförmig ausgeformt sind, wodurch eine hohe Festigkeit der Kühlstruktur trotz geringer Wandstärken erzielt werden kann. Dadurch dass die als Kühleinrichtung 134 ausgebildete Konushülse 104 eine höhere Wärmeausdehnung aufweist als die Grundwelle 102 und somit von Innen gegen die hohle Grundwelle 102 einen nach außen gerichtetem Druck erzeugt (radial wirkende Kraft), kann auch im Bereich der Rotorwellensitzes 106 die Wandstärke der Grundwelle 102 im Vergleich zu vorbekannten Lösungen ohne Konushülse verringert werden, ohne in der Gesamtfestigkeit einen Nachteil zu erzeugen. Neben einer wabenförmigen Ausprägung der Kühlkanäle 174 können diese auch beispielsweise Diamantförmig ausgeformt sein. Diese spezielle Gestaltung erlaubt eine maximale Festigkeit kombiniert mit einem maximalen Druck nach außen auf den Rotorwellensitz 106 und somit das Lamellenpaket 108, wenn die Kühleinrichtung 134 in einer solchen eingebaut ist. Die als Kühleinrichtung 134 ausgebildete Konushülse 104 weist an der Außenmantelfläche 114 eine konische Form auf, d.h. der Durchmesser verjüngt sich über die Längserstreckung.
Bei dem in 14 dargestellten Ausführungsbeispiel sind Rippen bzw. Finnen oder Kühlrippen/Kühlfinnen in Längsrichtung ausgeformt, welche im Querschnitt jeweils eine drei-eckige Querschnittsfläche aufweisen. Hierdurch kann sehr einfach die Oberfläche im Inneren der Kühleinrichtung 134 erheblich vergrößert werden und somit die Kühlwirkung mittels eines Kühlfluids verbessert werden. Optional kann in den Rippen zusätzlich ein Kühlkanal ausgeformt sein. Weiterhin können die Rippen in einer Wellenform oder in einer „eckigen Wellenform“, d.h. in regelmäßig oder unregelmäßigen Richtungsänderungen je Segment in der Längsrichtung verlaufen. Dadurch können zusätzliche Verwirbelungen des durchströmenden Kühlfluids erzeugt werden, um den Wärmeabtransport weiter zu verbessern.
15 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Rotorwelle 100, welche Ähnlichkeiten zu dem in 12 dargestellten Ausführungsbeispiel aufweist. Die Grundwelle 102 ist zumindest zweiteilig ausgeführt, die einteilige Konushülse 104 ist im Inneren der Grundwelle 102 angeordnet. Sowohl in der Stirnfläche 172 ist ein Durchbruch 168 als auch in der Konushülse 104 ist ein Durchbruch 176 ausgebildet. Bei den Durchbrüchen 168, 176 kann es sich um Bohrungen handeln. In dem Durchbruch 176 ist ein Stehbolzen 178 angeordnet. Stehbolzen sind Metallbolzen, die mit einer ihrer Schnittkreisflächen fest mit einem Bauteil verbunden sind und somit auf diesem „stehen“. Über die Stehbolzen können dann weitere Bauteile mit dem ersten verbunden werden. Sie dienen als Befestigungsteile. Da es sich vorliegend um eine besondere, lange Bauform von Stehbolzen 178 handelt, können diese auch als Zuganker bezeichnet werden. Auf der rechten Seite ist rund um den Stehbolzen 178 eine Zwischenhülse 180 angeordnet. Über die Zwischenhülse wird die Konushülse 104 in der Abbildung nach links gezogen und somit mit der Grundwelle 102 verspannt.
16 und 17 zeigen zwei ähnliche Ausführungsbeispiele, die sich insbesondere um die Richtung der eingeleiteten Kraft zum Verspannen der zweigeteilten Konushülse 104 unterscheiden. Bei dem in 16 dargestellten Ausführungsbeispiel werden die beiden Konushülsen 104 gedrückt, wohingegen bei dem in 17 dargestellten Ausführungsbeispiel die beiden Konushülsen 104 gezogen werden. Die konische Form auf der Innenmantelfläche der Grundwelle 102 ist derart ausgeformt, dass bei dem in 16 dargestellten Ausführungsbeispiel der Durchmesser zur Mitte hin sich verjüngt, wohingegen die konische Form auf der Innenmantelfläche der Grundwelle 102 bei dem in 17 dargestellten Ausführungsbeispiel derart ausgeformt, dass der Durchmesser nach außen hin sich verjüngt.
18 und 19 zeigen Ausführungsbeispiele, bei denen eine Querschnittsfläche Dw der Grundwelle 102 von der Mitte hin zu den Randbereichen, insbesondere kontinuierlich, abnehmen kann und in der Mitte des Rotorwellensitzes 106 mind. 10% größer ist, als in den Randbereichen des Rotorwellensitzes 106 in Richtung der Lagerbereiche 136. In einem nicht dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Querschnittsfläche D_W der Grundwelle 102 in der Mitte des Rotorwellensitzes 106 mind. 20% größer oder sogar mind. 30% größer als in den Randbereichen des Rotorwellensitzes 106 in Richtung der Lagerbereiche 136. Dabei nimmt die Wandstärke insbesondere linear oder insbesondere parabelförmig ab, durch mehr Material im Innendurchmesser, oder alternativ mittels Vertiefungen oder Nuten, die von innen nach außen tiefer werden.
Die 18a bis 18e zeigen verschiedene Ausführungsbeispiele einer Rotorwelle 100, wobei jeweils die Konushülse 104 eine Doppelfunktion auch als Kühleinrichtung 134 aufweist. Ein Hauptunterscheidungsmerkmal ist, dass die Außenmantelfläche 114 der Kühleinrichtung 134 vollflächig an der Innenmantelfläche 120 der Grundwelle 102 anliegt. So sind die Rippen der Kühleinrichtung 134 nicht nur in das Blech gedrückt bei einer näherungsweise konstanten Wanddicke. Vielmehr sind die Rippen bzw. Kühlrippen aus vollem Material oder Werkstoff ausgeformt. In 18a sind die einzelnen abgerundeten Rippen immer beabstandet zueinander angeordnet. In einer optionalen besonderen Variante sind in den Rippen des Wellenprofils Durchbrüche vorgesehen, sodass ein Kühlfluid hindurchfließen kann, um einen optimalen Wärmeabtransport zu gewährleisten.
In 18b sind die Rippen spiralförmig ausgeformt, wie bereits zuvor ohne Darstellung beschrieben. Dies kann bei der Nutzung einer Wellrohrgeometrie für die Kühleinrichtung 134 besonders vorteilhaft sein, um Wärme effizient abzutransportieren.
18a zeigt eine einteilig ausgeformte Kühleinrichtung 134. Im Gegensatz hierzu ist die in 18c dargestellte mehrteilige Ausführung zu sehen. Jedes Element umfasst eine halbe Rippe auf jeder Seite, sodass zwei aufeinanderfolgende Elemente eine komplette Rippe ausformen..
19 zeigt eine mehrteilige Kühleinrichtung 134, deren Randbereiche flügelähnliche Blechumformungen sind. So kann einerseits eine vollflächige Anlage in der Grundwelle erzielt werden und andererseits eine maximal vergrößerte Oberfläche bereitgestellt werden.
Bezugszeichenliste

100: Rotorwelle
102: Grundwelle
104: Konushülse
106: Rotorwellensitz
108: Lamellenpaket
110: Mantelfläche der Grundwelle (der Konushülse zugewandt)
112: Mantelfläche der Konushülse (der Grundwelle zugewandt)
114: Außenmantelfläche der Konushülse
116: Außenmantelfläche der Grundwelle
118: Hohlraum
120: Innenmantelfläche der Grundwelle
130: elektrische Maschine
132: Rotor
134: Kühleinrichtung
136: (erster) Lagerbereich, Lagersitz
138: (zweiter) Lagerbereich, Lagersitz
140: Lager
142: Stator
DIL: Innendurchmesser der Lagerbereiche
DIG: Innendurchmesser der Grundwelle
144: Wärmeleitmaterial
150: Fahrzeug
160: Verbindungsbereich
162: Befestigungselement
164: weitere Konushülse
166: Grundkörper der Grundwelle 102
168: Durchbruch
170: Abstandselement
172: Stirnfläche
174: Kühlkanal
176: Durchbruch
178: Stehbolzen
180: Zwischenhülse, Sackgewindehülse
S1-S3: Verfahrensschritte

Claims

Rotorwelle (100) für einen Rotor (132), insbesondere für eine elektrische Maschine (130), wobei die Rotorwelle (100) eine Grundwelle (102) aufweist, und wobei an einer Außenmantelfläche (114, 116) der Rotorwelle (100) im Bereich der Grundwelle (102) ein Rotorwellensitz (106) für ein Lamellenpaket (108) ausgeformt ist, dadurch gekennzeichnet, dass - die Rotorwelle (100) eine Konushülse (104) aufweist, - wobei eine der Konushülse (104) zugewandte Mantelfläche (110) der Grundwelle (102) eine konische Form aufweist, die gegenläufig zu einer konischen Form der der Grundwelle (102) zugewandten Mantelfläche (112) der Konushülse (104) ist.
Rotorwelle (100) gemäß Anspruch 1, wobei die Konushülse (104) und die Grundwelle (102) aus unterschiedlichen Werkstoffen mit unterschiedlichen Wärmeleitkoeffizienten und/oder Wärmeausdehnungskoeffizienten gefertigt sind, insbesondere wobei der radial innenliegende Werkstoff einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist als der radial außen liegende Werkstoff, um im Betrieb einen Kraftschluss zwischen der Rotorwelle (100) und einem darauf angeordneten Lamellenpaket (108) zu verbessern.
Rotorwelle (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Konushülse (104), zumindest abschnittsweise, geschlitzt ist (in axialer Richtung).
Rotorwelle (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, die mit einem Hohlraum (118) als Hohlwelle ausgebildet ist.
Rotorwelle (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei längsendseitig der Grundwelle (102) jeweils ein Lagerbereich (136, 138) angeordnet ist, wobei ein erster Lagerbereich (136) mit der Grundwelle (102) verbunden ist und ein zweiter Lagerbereich (138) mit der Grundwelle (102) oder der Konushülse (104) verbunden ist, wobei insbesondere ein Innendurchmesser (DIL) der Lagerbereiche (136, 138) kleiner ist als ein Innendurchmesser (DIG) der Grundwelle (102) im Bereich vom Rotorwellensitzes (106).
Rotorwelle (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Konushülse (104) die Grundwelle (102) umschließt und der Rotorwellensitz (106) an einer Außenmantelfläche (114) der Konushülse (104) ausgebildet ist.
Rotorwelle (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche 1 bis 5, wobei die Konushülse (104) an der Innenmantelfläche der Grundwelle (102) anliegt und der Rotorwellensitz (106) an einer Außenmantelfläche (116) der Grundwelle (102) ausgebildet ist.
Rotorwelle (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Grundwelle mehrteilig ausgeformt ist, wobei die Teile der Grundwelle stoffschlüssig und/oder formschlüssig und/oder reibschlüssig miteinander verbunden sind.
Rotorwelle (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Konushülse zumindest zweiteilig ausgebildet ist.
Rotorwelle (100) gemäß dem vorangegangenen Anspruch, wobei die konische Form der zumindest zwei zweigeteilten Konushülsen (104', 104") gegenläufig zueinander ist.
Rotorwelle (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Konushülse (104) mittels zumindest eines Befestigungselements (162) wie einer Schraube oder einem Bolzen oder einem Montageelement gegenüber der Grundwelle (axial) verspannt ist, um eine radial wirkende Kraft auf das Lamellenpaket auszuüben.
Rotorwelle (100) gemäß dem vorangegangenen Anspruch und einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei die zwei zweigeteilten Konushülsen (104', 104") gegeneinander verspannt sind.
Rotorwelle (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei eine Kühleinrichtung (134) im Hohlraum (118) der Grundwelle (102) angeordnet ist, um eine Oberfläche der Innenmantelfläche (120) der Grundwelle (102) zu vergrößern und um ein Kühlfluid in der Grundwelle (102) zu leiten, - wobei die Kühleinrichtung (134) und die Grundwelle (102) aus unterschiedlichen Werkstoffen gefertigt sind, und wobei der Werkstoff der Kühleinrichtung (134) einen höheren Wärmeleitkoeffizienten und/oder einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist als der Werkstoff der Grundwelle (102), um im Betrieb einen Kraftschluss zwischen der Rotorwelle (100) und einem darauf angeordneten Lamellenpaket (108) zu verbessern.
Rotorwelle (100) gemäß dem vorangegangenen Anspruch und Anspruch 7, wobei die Konushülse (104) als Kühleinrichtung (134) ausgebildet ist.
Rotorwelle (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei eine Wandstärke (Dw) der Grundwelle (102) im Bereich des Rotorwellensitzes (106) kleiner 8mm beträgt, insbesondere kleiner 6 mm, insbesondere kleiner 4 mm beträgt.
Rotor (132) für eine elektrische Maschine (130) mit einer Rotorwelle (100) nach einem der vorangegangenen Ansprüche und mit zumindest einem auf dem Rotorwellensitz (106) angeordnetem Lamellenpaket (108).
Elektrische Maschine (130) mit einem Rotor (132) nach dem vorangegangenen Anspruch, insbesondere für ein Fahrzeug.
Verfahren zum Herstellen einer Rotorwelle (100), aufweisend zumindest die folgenden Schritte: a) Bereitstellen (S1) einer Grundwelle (102) für eine Rotorwelle (100), und eine Konushülse (104), wobei eine der Konushülse (104) zugewandte Mantelfläche (110) der Grundwelle (102) eine konische Form aufweist, die gegenläufig zu der konischen Form der der Grundwelle (102) zugewandten Mantelfläche (112) der Konushülse (104) ist; und b) Verspannen (S2) der Konushülse (104) gegenüber derGrundwelle (102), sodass ein Kraftschluss zwischen der Rotorwelle (100) und dem darauf angeordneten Lamellenpaket (108) verbessert wird.