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Die Erfindung betrifft eine Rotoreinrichtung und ein Verfahren zur Herstellung dieser Rotoreinrichtung. Die Rotoreinrichtung ist zur Verwendung in einem Elektromotor insbesondere für den Antrieb eines Elektro- oder Hybridfahrzeugs gedacht.
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Rotoreinrichtungen für Elektromotoren weisen um eine Rotorwelle herum angeordnete Blechpakete auf, in welchen Magneteinheiten vorgesehen sind. Aufgrund der mitunter sehr hohen Drehzahlen von Rotoren im Betrieb, ist es notwendig, dass eine möglicherweise fertigungsbedingte Unwucht der Rotoreinrichtung bis auf einen festgelegten Zielwert ausgeglichen wird. Hierzu kommen im Stand der Technik Wuchtscheiben zum Einsatz, um durch gezielte Materialentnahme an bestimmten Stellen der Wuchtscheibe die Unwucht der Rotoreinrichtung auszugleichen.
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Eine Rotoreinrichtung 10 gemäß dem Stand der Technik ist in den
1a und
1b gezeigt.
1a zeigt dabei die Rotoreinrichtung 10 in einer Seitenansicht mit einer waagrecht verlaufenden Rotorwelle 11, auf welcher vier Blechpakete 12 koaxial angeordnet sind. In axialer Richtung der Rotorwelle 11 ist neben den beiden äußeren Blechpaketen 12 jeweils eine Wuchtscheibe 13 angeordnet. Die Wuchtscheiben 13 weisen üblicherweise eine Dicke von 5-10mm auf, wobei ihr Außendurchmesser näherungsweise dem Außendurchmesser der Blechpakete entspricht. Sie werden entweder als kraftschlüssige Elemente auf der Rotorwelle 11 aufgepresst oder als formschlüssige Elemente durch eine Überwurfmutter axial auf der Rotorwelle 11 verschraubt, sodass sie das ihnen zugewandte äußere Blechpaket 12 berühren. Daher müssen sie aus einem paramagnetischen Werkstoff gefertigt werden, um einen magnetischen Kurzschluss zu vermeiden. Ebenfalls bekannt sind Ausführungsformen, bei denen die Wuchtscheiben 13 zur axialen Fixierung auf den Blechpaketen 12 verklebt werden. Derartige oder dazu ähnliche Rotoreinrichtungen 10 sind aus den Patentdokumenten
EP 3 276 793 A1 ,
US 5,780,945 A ,
CN 100352143 C ,
US 2013/0082563 A1 oder
CN 206180798 U bekannt.
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Um die Unwucht der Rotoreinrichtung 10 auszugleichen wird Material der Wuchtscheiben 13 an bestimmten Stellen in Form von Bohrungen 14 abgetragen, wie es 1b andeutet. 1b zeigt die Rotoreinrichtung 10 aus 1a in einer Draufsicht, also eine um 90° gedrehte Ansicht der 1a. Aufgrund der Befestigungsart der Wuchtscheibe 13 auf der Rotorwelle 11 durch Presssitz bzw. Überwurfmutter entspricht der Innendurchmesser Di der Wuchtscheibe 13 in etwa dem Durchmesser der Rotorwelle 11. Die Bohrungen 14 werden in radialer Richtung relativ weit außen vorgenommen, um lediglich einen geringen Materialabtrag vornehmen zu müssen. Dabei ist darauf zu achten, dass die Wuchtscheibe 13 auch nicht vollständig durchbohrt werden sollte, um eine Beschädigung des anliegenden Blechpakets 12 zu vermeiden.
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2 zeigt einen Ausschnitt eines bereits aus dem Stand der Technik bekannten Blechpakets 12 einer Rotoreinrichtung 10 in ebenfalls einer Draufsicht wie in 1b. Dabei sind die als Taschen 121 bezeichneten Hohlräume zu erkennen, in welche die Magneteinheiten 16 eingesetzt werden. Die Magneteinheiten 16 umfassen dabei einen Permanentmagnet oder sind als solcher ausgebildet. Die derart in die Taschen 121 der Blechpakete 12 eingesetzten Magneteinheiten 16 werden als vergrabene Magneteinheiten bezeichnet.
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Im Gegensatz dazu existieren auch außenliegende Magneteinheiten, welche von radial außen auf die Blechpakete 12 aufgesetzt werden. Dabei können ebenso Aussparungen an der Außenseite der Blechpakete 12 vorgesehen sein, um die außenliegenden Magneteinheiten aufzunehmen. Vergrabene Magneteinheiten und außenliegende Magneteinheiten können dabei alternativ oder ergänzend zueinander eingesetzt werden.
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Die Fixierung der Magneteinheiten 16 erfolgt dabei sowohl bei außenliegenden als auch bei vergrabenen Magneteinheiten durch Transfermolding, bei dem ein Molding-Compound in Hohlräume wie die Taschen 121 eingespritzt wird, um die korrekte Position auch bei hohen Drehzahlen der Rotoreinrichtung 10 sicher zu stellen. Insbesondere bei außenliegenden Magneteinheiten kommt zusätzlich eine Bandagierung zu Einsatz. Als Molding-Compound werden dabei üblicherweise Verbundmaterialien eingesetzt.
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Die Herstellung einer Rotoreinheit 10 gemäß dem Stand der Technik erfolgt also gemäß dem in 3 skizzierten Verfahren. Zunächst werden die Magneteinheiten mit den Blechpaketen gefügt, bevor diese auf eine Rotorwelle gefügt werden. Sofern nicht anders angegeben, wird im Rahmen der Anmeldung unter der Bezeichnung „fügen“ ein Befestigen jedweder Art benannt. Es kann sich dabei um eine formschlüssige Befestigung beispielsweise anhand eines Gewindes, um eine kraftschlüssige Befestigung wie beispielsweise anhand eines Presssitzes oder eine sonstige Art der Befestigung handeln.
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Nachdem die Blechpakete 12 samt Magneteinheiten 16 auf der Rotorwelle 11 gefügt sind, werden die Magneteinheiten 16 durch Transfermolding fixiert. Weiterhin werden die Wuchtscheiben 13 auf die Rotorwelle 11 gefügt und die Unwucht der Rotoreinrichtung 10 ermittelt. Diese wird anschließend anhand von Materialabtrag der Wuchtscheiben 13, üblicherweise durch Bohrungen 14, ausgeglichen.
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Nachteilig an diesem Verfahren ist allerdings, dass die Wuchtscheiben 13 aus einem aufgrund der hohen Drehzahlen hochstabilen und magnetisch nicht-leitenden und damit teuren Material, wie beispielsweise Inconel®, gefertigt sein müssen. Zudem ist ein im Verhältnis zum für den Unwuchtausgleich benötigten Material hoher Materialeinsatz erforderlich. Darüber hinaus ist der Fertigungsaufwand beim Materialabtrag vergleichsweise hoch, da unter keinen Umständen durch die Wuchtscheiben 13 hindurch in ein Blechpaket 12 gebohrt werden darf, um dieses nicht zu beschädigen.
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Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Rotoreinrichtung bereitzustellen, welches die oben genannten Nachteile beseitigt.
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Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Verfahren gemäß dem Hauptanspruch gelöst. Der nebengeordnete Anspruch offenbart eine erfindungsgemäße Rotoreinrichtung. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen enthalten. Die in der Anmeldung beschriebenen Merkmale vorteilhafter Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens gelten als entsprechendes Vorrichtungsmerkmal ebenfalls für die erfindungsgemäße Rotoreinrichtung und umgekehrt.
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Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Rotoreinrichtung für einen Elektromotor, wird zunächst eine Rotorwelle mit wenigstens einem an der Rotorwelle gefügten Blechpaket bereitgestellt, wobei das wenigstens eine Blechpaket Magneteinheiten aufweist. In einem weiteren Schritt wird ein Transfermoldingprozess durchgeführt, bei dem die Magneteinheiten in ihren Positionen in Relation zum Blechpaket fixiert werden und wenigstens eine Wuchtscheibe (13) derart axial auf er Rotorwelle auf wenigstens einer Seite des Blechpakets gefügt wird, dass zwischen der wenigstens einen Wuchtscheibe und dem benachbarten Blechpaket ein Spalt definierter Breite sichergestellt wird, welche mit zum Transfermoldingprozess verwendete Molding-Compound ausgefüllt wird. Der Spalt wird dabei so breit ausgeführt, dass kein paramagnetisches Material für die Wuchtscheibe verwendet werden muss.
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Das Fixieren der Magneteinheiten erfolgt dabei dadurch, dass das Molding-Compound im Transfermoldingprozess in die Hohlräume, welche in dem Blechpaket vorgesehen sind, um die Magneteinheiten aufzunehmen, gespritzt wird. Dies ist ein Vorgang wie er dem Fachmann aus dem Stand der Technik wie oben beschrieben bereits bekannt ist, weshalb an dieser Stelle nicht weiter darauf eingegangen wird. Das Fügen der Wuchtscheibe auf der Rotorwelle während des Transfermoldingprozesses erfolgt dadurch, dass die Wuchtscheibe auf der Rotorwelle fixiert wird und anschließend von dem eingespritzten Molding-Compound umfasst wird. Sobald das Molding-Compound ausgehärtet ist, ist die Wuchtscheibe vom Molding-Compound zumindest teilweise formschlüssig eingefasst und vorzugsweise durch Adhäsion fest mit diesem verbunden, wodurch auch die Position der Wuchtscheibe fixiert ist. Das Molding-Compound kann dabei derart eingespritzt werden, dass die Wuchtscheibe von beiden Seiten axial gefasst wird oder nur zwischen Wuchtscheibe und Blechpaket verbleibt. Jedenfalls ist der vorgesehene Spalt zwischen Wuchtscheibe und Blechpaket durch Molding-Compound ausgefüllt. Als Material wird hierfür bevorzugt Faserverbundwerkstoff eingesetzt.
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In einem weiteren Verfahrensschritt wird die Unwucht der Rotoreinrichtung ermittelt und diese anschließend durch Abtragen von Material der Wuchtscheibe ausgeglichen.
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Durch die Berücksichtigung eines mit Molding-Compound gefüllten Spalts zwischen Wuchtscheibe und Blechpaket bei dem erfindungsgemäßen Verfahren, muss nicht auf teure paramagnetische Materialien zurückgegriffen werden, sondern es können auch günstige Werkstoffe zum Einsatz kommen. Somit können die Kosten des Verfahrens gesenkt werden, ohne die Qualität des Endprodukts zu verringern.
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Das Abtragen von Material erfolgt vorzugsweise durch das Vorsehen von Bohrungen in der Wuchtscheibe, besonders bevorzugt in axialer Richtung, also parallel zur Rotorwelle. Dabei wird der Unwucht ausgleichende Materialabtrag durch zum einen den Durchmesser und die Tiefe der Bohrung und zum anderen durch die Position der Bohrung auf der Wuchtscheibe beeinflusst.
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Ausführungsformen, bei denen das Abtragen des Materials an der Wuchtscheibe zum Wuchtausgleich durch Bohrungen erfolgt, sind besonders bevorzugt, wenn die Bohrungen durch die gesamte axiale Dicke der Wuchtscheibe erfolgen. Der Spalt zwischen Wuchtscheibe und Blechpaket ermöglicht es, dass durch die gesamte Dicke der Wuchtscheibe gebohrt werden kann, um Material abzutragen, ohne die Gefahr der Beschädigung eines Blechpakets einzugehen. Dadurch kann die axiale Dicke der Wuchtscheibe bei gleichem Unwuchtreduktionspotential reduziert werden, wodurch Material eingespart werden kann, um so Kosten zu reduzieren. Zudem kann dabei ebenfalls eine Gewichtsreduzierung der Rotoreinrichtung erzielt werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens weist der Spalt eine Breite zwischen 1 mm und 5mm, insbesondere bevorzugt 2mm auf. Ein zu breiter Spalt führt zu einem übermäßigen Materialverbrauch an Molding Compound, während eine zu geringe Breite möglicherweise eine Beschädigung des Blechpakets durch das Vorsehen der Bohrungen in der Wuchtscheibe nach sich zieht.
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Weiterhin vorteilhaft ist eine Ausführungsform der Erfindung, bei der ein Innendurchmesser der Wuchtscheibe deutlich größer ist als der Durchmesser der Rotorwelle an der axialen Stelle, an der die Wuchtscheibe auf der Rotorwelle vorgesehen ist. Dadurch kann die für die Wuchtscheibe aufzuwendende Materialmenge weiterhin reduziert werden und die Kosten sowie das Gewicht der Rotoreinrichtung weiter gesenkt werden. In einer derartigen Ausführungsform wäre der Innenbereich der Wuchtscheibe, also der Bereich zwischen Wuchtscheibe und Rotorwelle, ebenfalls durch das Molding-Compound ausgefüllt, wodurch eine formschlüssige Verbindung zwischen Molding-Compound und Wuchtscheibe in radialer Richtung gegeben ist.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung werden zwei Wuchtscheiben auf der Rotorwelle vorgesehen, wobei eine auf der einen Seite des wenigstens einen Blechpakets und die andere auf der gegenüberliegenden Seite des wenigstens einen Blechpakets angeordnet wird. Somit kann eine symmetrische Anordnung geschaffen werden, welche das Auswuchten der Rotoreinrichtung vereinfacht, da an beiden Seiten in axialer Richtung ein Ausgleich der Unwucht vorgenommen werden kann.
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Vorzugsweise wird ein weiterer Verfahrensschritt vorgesehen, bei dem die Rotoreinrichtung bandagiert wird, wobei die Bandagierung die wenigstens eine Wuchtscheibe zusätzlich in axialer Richtung fixiert. Durch die so fixierte Wuchtscheibe kann die Gefahr verringert werde, dass sich die Wuchtscheibe in axialer Richtung vom Molding-Compound löst und damit die Sicherheit der Rotoreinrichtung erhöht werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird für den Transfermoldingprozess ein Molding-Compound verwendet, welches zumindest in Verbindung mit der Wuchtscheibe eine stark adhäsive Wirkung aufweist. Durch die adhäsive Wirkung fungiert das Molding-Compound auch als eine Art Kleber zwischen der Wuchtscheibe und dem benachbarten Blechpaket. Somit kann eine noch sichere Fixierung der Wurfscheibe auf der Rotorwelle gewährleistet werden.
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Die erfindungsgemäße Rotoreinrichtung weist eine Rotorwelle, wenigstens ein auf der Rotorwelle gefügtes Blechpaket mit Magneteinheiten und wenigstens eine Wuchtscheibe, welche axial auf der Rotorwelle angeordnet ist, auf. Dabei sind die Magneteinheiten anhand von Transfermolding auf ihren Positionen in Bezug auf das wenigstens eine Blechpaket fixiert und die wenigstens eine Wuchtscheibe anhand von Transfermolding auf der Rotorwelle gefügt, wobei zwischen dem Blechpaket und der Wuchtscheibe ein Spalt vorgesehen ist, welcher durch zum Transfermolding verwendetes Molding-Compound gefüllt ist. Der Spalt ist dabei so breit ausgeführt, dass kein paramagnetisches Material für die Wuchtscheibe verwendet werden muss.
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Die hinsichtlich des erfindungsgemäßen Verfahrens durch Verfahrensmerkmale definierten vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung sind durch entsprechend formulierte Vorrichtungsmerkmale auch auf die erfindungsgemäße Vorrichtung übertragbar. Die somit erhaltenen vorteilhaften Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung gehören somit ebenfalls zur Offenbarung dieser Anmeldung.
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Im Weiteren wird anhand der beiliegenden Figuren eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung sowie vorteilhafte Aspekte der Erfindung näher erläutert. Die Figuren zeigen:
- 1a eine Rotoreinrichtung 10 gemäß dem Stand der Technik in einer Seitenansicht
- 1b die in 1a gezeigte Ausführungsform einer Rotoreinrichtung 10 in einer Draufsicht
- 2 eine Detailansicht eines Blechpakets 12 gemäß dem Stand der Technik in der Draufsicht
- 3 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung des Verfahrens zur Herstellung einer Rotoreinrichtung gemäß dem Stand der Technik
- 4a eine erfindungsgemäße Rotoreinrichtung 10 in einer Seitenansicht
- 4b die in 4a gezeigte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Rotoreinrichtung 10 in einer Draufsicht
- 5 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung einer Rotoreinrichtung gemäß dem Stand der Technik
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Die 1a bis 3 skizzieren eine aus dem Stand der Technik bekannte Rotoreinrichtung 10 und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Sie wurde bereits zur Darstellung des Stands der Technik eingangs näher erläutert, weswegen an dieser Stelle auf die Ausführungen dort verwiesen und auf eine erneute detaillierte Beschreibung verzichtet wird.
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Die 4a zeigt eine erfindungsgemäße Rotoreinrichtung 10 in einer Seitenansicht. Nachfolgend wird insbesondere auf die Unterschiede zu der in 1a dargestellten Rotoreinrichtung 10 gemäß dem Stand der Technik eingegangen. Wie bei der Rotoreinrichtung gem. 1a, weist die erfindungsgemäße Rotoreinrichtung ebenfalls eine Rotorwelle 11 auf, auf der vier im Querschnitt runde Blechpakete 12 gefügt sind. Innerhalb der Blechpakete 12 sind Magneteinheiten 16 vorgesehen, wie es in 2 näher dargestellt und im Stand der Technik bekannt ist.
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Jeweils an den axialen Außenflächen der äußeren Blechpakete 12 sind Wuchtscheiben 13 vorgesehen, um eine mögliche Unwucht der Rotoreinheit 10 auszugleichen. Zwischen den einzelnen Blechpaketen 12 sowie zwischen den äußeren Blechpaketen 12 und den ihnen benachbarten Wuchtscheiben 13 ist Molding-Compound 15 vorgesehen, welcher im Zuge eines Transfermoldingprozesses an diesen Stellen eingespritzt wird. Die Wuchtscheiben 13 werden durch das Molding-Compound 15 auf der Rotorwelle 11 formschlüssig und durch eine adhäsive Wirkung des Molding-Compounds 15 fixiert. Während des gleichen Transfermoldingprozesses werden ebenfalls die Magneteinheiten 16 in den Taschen 121 der Blechpakete 12 fixiert, in dem die Hohlräume um die Magneteinheiten 16 ebenfalls mit Molding-Compound 15 ausgefüllt werden.
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Der mit Molding-Compound 15 ausgefüllte Spalt zwischen den äußeren Blechpaketen 12 und der Wuchtscheibe 13 beträgt mehrere Millimeter, beispielsweise ca. 2mm, und beabstandet die Wuchtscheiben 13 von den Blechpaketen 12 und damit von den Magneteinheiten 16. Aufgrund des ausreichenden Abstandes müssen die Wuchtscheiben 13 nicht mehr aus einem paramagnetischen und damit teuren Werkstoff gefertigt sein.
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4b zeigt die erfindungsgemäße Rotoreinrichtung 10 aus 4a in einer Draufsicht. Im Gegensatz zum in 1b gezeigten Stand der Technik ist der Innendurchmesser Di der Wuchtscheibe 13 deutlich größer als der Durchmesser der Rotorwelle 11. Der Bereich in radialer Richtung zwischen der Rotorwelle 11 und der Wuchtscheibe 13 ist dabei durch das Molding-Compound 15 ausgefüllt, sodass die Wuchtscheibe 13 ohne Spiel auf der Rotorwelle 11 fixiert ist. In der gezeigten Ausführungsform liegt also ein Formschluss zwischen Molding-Compound 15 und Wuchtscheibe 13 vor, welcher die Wuchtscheibe 13 radial und axial in Richtung der Blechpakete 12 fixiert. Es sind dabei ebenfalls Ausführungsformen möglich bei denen das Molding-Compound 15 die Wuchtscheibe 13 in axialer Richtung von beiden Seiten umfasst und somit ein vollständiger Formschluss umgesetzt wird.
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Zum Ausgleich der Unwucht der Rotoreinrichtung 10 werden Bohrungen 14 in der Wuchtscheibe 13 vorgesehen, um gezielt Material zu entfernen und die Unwucht auszugleichen. Auf diese Weise können insbesondere die fertigungsbedingten Initialunwuchten der Rotoreinrichtung 10 ausgeglichen werden. Die Bohrungen 14 können aufgrund des mit Molding-Compound 15 ausgefüllten Spalts zwischen den Blechpaketen 12 und den Wuchtscheiben 13 durch die gesamte Dicke der Wuchtscheiben 13 vorgesehen werden, ohne eine Beschädigung des benachbarten Blechpakets 12 zu riskieren. Somit kann pro Bohrung mehr Material abgenommen werden als im Vergleich zum Stand der Technik, bei dem die Bohrungen 14 nicht durch die gesamte Dicke vorgenommen werden können, um das direkt an die Wuchtscheibe 13 anliegende Blechpaket 12 nicht zu beschädigen. Somit kann erreicht werden, dass für das gleiche Unwuchtreduktionspotential eine dünnere Wuchtscheibe 13 eingesetzt werden kann, wodurch Material gespart werden kann.
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Der im Vergleich zum Stand der Technik größere Innendurchmesser Di der Wuchtscheibe 13 resultiert ebenfalls in einer deutlich materialreduzierten Wuchtscheibe 13. Da die Bohrungen 14 aufgrund des größeren Einflusses auf die Unwucht in der Regel am äußeren Rand der Wuchtscheibe 13 aufgebracht werden, wird auch die Möglichkeit der Unwuchtreduktion durch den größeren Innendurchmesser Di nicht beeinträchtigt.
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5 zeigt einen schematischen Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens. Nach dem Fügen der Magneteinheiten 16 in den Blechpaketen 12 und dem Fügen der Blechpakete 12 auf der Rotorwelle 11 können die Magneteinheiten 16 in den entsprechenden Taschen 121 der Blechpakete 12 durch Transfermolding fixiert werden. Im gleichen Transfermoldingprozess werden die Wuchtscheiben 13 auf der Rotorwelle fixiert, wobei ein festgelegter Spalt zwischen den Blechpaketen 12 und der Wuchtscheibe 13 sichergestellt wird. Der Spalt wird durch das Molding-Compound komplett ausgefüllt. Anschließend wird die Unwucht, hier in Bezug auf die Fertigung insbesondere die Initialunwucht, der durch die zuvor durchgeführten Schritte gebildeten Rotoreinrichtung 10 bestimmt und diese durch Materialabtragungen an den Wuchtscheiben 13, vorzugsweise durch Bohrungen 14, ausgeglichen.
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Die Vorteile dieses Verfahren liegen wie bereits ausgeführt in der Möglichkeit der Verwendung dünnerer und weniger materialintensiver Wuchtscheiben 13. Zudem können andere, im Vergleich zu Stand der Technik günstigere Materialien eingesetzt werden.
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In einem weiteren Verfahrensschritt, welcher durch die Figuren nicht dargestellt wird, kann eine Bandagierung der Rotoreinrichtung erfolgen, wobei durch die Bandagierung die Wuchtscheiben insbesondere in axialer Richtung weiter fixiert werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 3276793 A1 [0003]
- US 5780945 A [0003]
- CN 100352143 C [0003]
- US 20130082563 A1 [0003]
- CN 206180798 U [0003]
