DE102022110024A1

DE102022110024A1 - Permanenterregter Traktionsmotor-Rotor und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE102022110024A1
Application number: DE102022110024.3A
Authority: DE
Inventors: Peter Wurster; Florian Braunbeck
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2022-04-26
Filing date: 2022-04-26
Publication date: 2023-10-26
Also published as: CN116961274A; KR20230151905A

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen permanenterregter Traktionsmotor-Rotor (10) mit einem inneren sternförmigen Zentral-Blechpaket (20), das mehrere Zähne (24) aufweist, zwischen denen jeweils ein in axialer Richtung verlaufender Polgraben (26) gebildet ist, und mit mehreren Pol-Blechpaketen (30),wobei in jedem Polgraben (26) jeweils ein separates Pol-Blechpaket (30) angeordnet ist,wobei in einem Aufnahme-Zwischenraum (33) zwischen den Grabenwänden (46) des Polgrabens (26) und den gegenüberliegenden Gegenwänden (46`) des korrespondierenden Pol-Blechpakets (30) mindestens ein vergrabener Permanentmagnet (401,402) fixiert ist,wobei jedes Pol-Blechpaket (30) außenseitig jeweils eine in axialer Richtung verlaufende Magnettasche (34) aufweist, in der ein Außen-Permanentmagnet (50) sitzt, undwobei die Magnettasche (34) derart hinterschnitten ist, dass ein Tascheninhalt einschließlich des Außen-Permanentmagneten (50) radial unverlierbar in der hinterschnittenen Magnettasche (34) sitzt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen permanenterregten Traktionsmotor-Rotor für einen elektrischen Kraftfahrzeug-Traktionsmotor und auf ein Verfahren zur Herstellung des Traktionsmotor-Rotors.
Ein derartiger permanenterregter Traktionsmotor-Rotor ist aus DE 10 2019 127 583 A1 bekannt. Der Traktionsmotor-Rotor besteht aus einem inneren sternförmigen Zentral-Blechpaket, das mehrere sich in axialer Richtung erstreckende Zähne aufweist, wobei zwischen zwei benachbarten Zähnen jeweils ein sich ebenfalls in axialer Richtung erstreckender Polgraben gebildet ist. In jedem Polgraben sitzt jeweils ein separates Pol-Blechpaket. Zwischen den Grabenwänden des Polgrabens einerseits und den gegenüberliegenden Gegenwänden des korrespondierenden Pol-Blechpakets ist ein Aufnahme-Zwischenraum gebildet, in dem jeweils ein vergrabener Permanentmagnet eingelegt oder eingeklemmt ist. Jedes Pol-Blechpaket weist radial außenseitig jeweils eine sich in axialer Richtung erstreckende und nach radial außen offene Magnettasche auf, in der ein Außen-Permanentmagnet sitzt. Die gesamte Anordnung wird durch eine zylindrische Bandage zusammengehalten.
Bei Rotation des Traktionsmotor-Rotors wirken bei hohen Drehzahlen hohe Fliehkräfte, wobei der Außen-Permanentmagnet durch die zylindrische Bandage radial gehalten wird.
Die Herstellung des Traktionsmotor-Rotors umfasst unter anderem das Einleiten eines heißen flüssigen Füllstoffes in ein Spritzwerkzeug, der nach seinem Aushärten die räumliche Lage des Zentral-Blechpakets, der Pol-Blechpakete, der vergrabenen Permanentmagnete und der Außen-Permanentmagnete zueinander festlegt. Die Fixierung der verschiedenen Teile des Traktionsmotor-Rotors zueinander während des Spritzvorgangs ist aufwendig. Die teilweise stark voneinander abweichenden Temperatur-Ausdehnungskoeffizienten der Permanentmagnete einerseits und der Blechpakete andererseits erlauben keine hohen Prozess-Temperaturen beim Spritzvorgang.
Aufgabe der Erfindung ist es vor diesem Hintergrund, einen drehzahlfesten Traktionsmotor-Rotor und ein einfaches Verfahren zu seiner Herstellung zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen permanenterregten Traktionsmotor-Rotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Verfahren zu seiner Herstellung mit den Merkmalen des Anspruchs 8.
Der permanenterregte Traktionsmotor-Rotor weist ein inneres sternförmiges Zentral-Blechpaket auf, das mehrere Zähne aufweist, vorzugsweise 4-50 Zähne. Die Zähne erstrecken sich in axialer Richtung. Zwischen zwei benachbarten Zähnen ist jeweils ein sich in axialer Richtung erstreckender Polgraben gebildet, der vorzugsweise sich nach außen aufweitend ausgebildet ist, und besonders bevorzugt im Querschnitt V-förmig ausgebildet ist. Das Zentral-Blechpaket ist aus einer Vielzahl von identischen ferromagnetischen Blechen gebildet, die paketiert sind. In jedem Polgraben sitzt jeweils ein Pol-Blechpaket, das vorzugsweise keinen unmittelbaren Kontakt zu dem Zentral-Blechpaket hat. Jedes Pol-Blechpaket ist aus einer Vielzahl von identischen ferromagnetischen Blechen gebildet, die paketiert sind.
Zwischen den Grabenwänden des Polgrabens und den gegenüberliegenden Gegenwänden des korrespondierenden Pol-Blechpakets ist ein Aufnahme-Zwischenraum gebildet, in dem mindestens ein vergrabener Permanentmagnet fixiert ist. Besonders bevorzugt ist der Aufnahme-Zwischenraum im Querschnitt V-förmig geformt, und ist in jedem Schenkel des V-förmigen Aufnahme-Zwischenraums jeweils ein vergrabener Permanentmagnet angeordnet.
Jedes Pol-Blechpaket weist außenseitig jeweils eine sich in axialer Richtung erstreckende und nach radial außen geöffnete Magnettasche auf, in der jeweils ein Außen-Permanentmagnet sitzt.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Magnettasche im Querschnitt derart hinterschnitten ist, dass der Tascheninhalt einschließlich des Außen-Permanentmagneten radial unverlierbar in der jeweiligen hinterschnittenen Magnettasche sitzt. Auf diese Weise ist auch bei einem relativ großen und relativ schweren Permanentmagneten, sowie bei hohen Drehzahlen und hohen daraus resultierenden Fliehkräften sichergestellt, dass der Außen-Permanentmagnet nicht aus der betreffenden Magnettasche radial auswandern kann.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Außen-Permanentmagnete derart komplementär zu den hinterschnittenen Magnettaschen ausgebildet sind, dass sie unverlierbar in den Magnettaschen sitzen.
Vorzugsweise ist ferner vorgesehen, dass der Tascheninhalt jeder Magnettasche von dem betreffenden Außen-Permanentmagneten und einer Montagefüllung gebildet ist, insbesondere von einem geeigneten Montagefüllungs-Kunststoff gebildet ist. Die Montagefüllung hält den Außen-Permanentmagneten innerhalb der Magnettasche unverrückbar in einer definierten räumlichen Position.
Vorzugsweise sind die hinterschnittenen Magnettaschen im Querschnitt jeweils trapezförmig ausgebildet. Besonders bevorzugt sind die Außen-Permanentmagnete im Querschnitt ebenfalls jeweils trapezförmig ausgebildet. Die radiale Außenwand der Außen-Permanentmagnete kann jedoch konvex-zylindrisch gewölbt sein. Der Außen-Permanentmagnet bildet zusammen mit einer Magnettasche eine Schwalbenschwanz-artige Anordnung.
Vorzugsweise füllt in den Aufnahme-Zwischenräumen jeweils eine Zwischenraum-Füllung die Spalte zwischen dem jeweiligen vergrabenen Permanentmagneten einerseits und den Grabenwänden und den Gegenwänden andererseits aus. Die Zwischenraum-Füllung ist durch mehrere in axialer Richtung verlaufende füllungsfreie Längsnuten mehrfach unterbrochen. Die Längsnuten erlauben der Zwischenraumfüllung eine gewisse Flexibilität, um im Betrieb hohe mechanische Spannungen innerhalb des Traktionsmotor-Rotors zu vermeiden.
Vorzugsweise ist die von dem Zentral-Blechpaket, den Pol-Blechpaketen und den Außen-Permanentmagneten gebildete Außenumfangsfläche durch eine zylindrische Bandage umgeben, die in tangentialer Umfangsrichtung besonders zugfest ist und die auf diese Weise auch bei hohen Rotor-Drehzahlen und entsprechend hohen Fliehkräften den Traktionsmotor-Rotor zusammenhält. Hierdurch kann der zylindrische Spalt zwischen dem Motorrotor und dem Motorstator klein gehalten werden.
Gemäß dem erfindungsgemäßen unabhängigen Verfahrensanspruch sind bei einem Verfahren zur Herstellung des permanenterregten Traktionsmotor-Rotors folgende Verfahrensschritte vorgesehen:

Zunächst werden das Zentral-Blechpaket und die Pol-Blechpakete in ein hohlzylindrisches Spritzwerkzeug eingesetzt, das innenseitig für jedes Pol-Blechpaket einen Taschenhalter aufweist, der jeweils im Querschnitt komplementär zu der hinterschnittenen Magnettasche ausgebildet ist. Die Taschenhalter greifen also in die Magnettaschen ein und halten auf diese Weise die Pol-Blechpakete exakt in einer gewünschten räumlichen Position. Ferner werden Freihalter in die Aufnahme-Zwischenräume zum Freihalten von Hohlräumen für die später einzusetzenden vergrabenen Permanentmagnete eingesetzt.

Anschließend wird ein geeigneter Füllstoff in das Spritzwerkzeug eingeleitet. Der Füllstoff ist ein geeigneter Kunststoff. Das Einleiten des Füllstoffes kann beispielsweise durch Transferpressen, durch Spritzgießen oder bevorzugt durch Vakuumverguss erfolgen. Typische Prozesstemperaturen liegen im Bereich zwischen 30 °C und 180 °C. Da die Temperatur-Ausdehnungskoeffizienten der Permanentmagnete und der Blechpakete weit auseinander liegen, können die Permanentmagnete grundsätzlich erst nach dem Aushärten des Füllstoffes eingesetzt werden.
Nach dem Abkühlen und Aushärten des Füllstoffes wird zunächst in axialer Richtung entformt, werden also das hohlzylindrische Spritzwerkzeug einschließlich der Taschenhalter und alle Freihalter axial aus dem Roh-Rotor herausgezogen. Anschließend werden die vergrabenen Permanentmagnete und die Außen-Permanentmagnete in axialer Richtung in die durch die ausgehärtete Montagefüllung gebildeten Hohlräume eingesetzt.
Vorzugsweise weisen die Freihalter mehrere in axialer Richtung orientierte Längsstege auf, mit denen sie jeweils an den Grabenwänden und den Gegenwänden der Aufnahme-Zwischenräume anliegen. Auf diese Weise werden die Hohlräume zur Aufnahme der vergrabenen Permanentmagnete räumlich exakt definiert und eingestellt.
Vorzugsweise ist vorgesehen, dass die Freihalter aus einem Werkstoff bestehen, dessen Temperatur-Ausdehnungskoeffizient mindestens 30 % größer ist als der Ausdehnungskoeffizient der Blechpakete. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die Freihalter nach dem Abkühlen des Füllstoffes mit einem gewissen Spiel in den korrespondierenden Hohlräumen sitzen, und daher einfach axial entformt werden können.
Alternativ oder ergänzend können die Taschenhalter und oder die Freihalter aktiv gekühlt werden, beispielsweise flüssigkeitsgekühlt werden. Durch eine Kühlung der Taschenhalter und der Freihalter wird die Entformbarkeit verbessert und vereinfacht.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen permanenterregten Traktionsmotor-Rotors sowie eines zentralen Verfahrensschrittes des erfindungsgemäßen Verfahrens anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1 einen erfindungsgemäßen permanenterregten Traktionsmotor-Rotor in perspektivischer Darstellung,
2 einen Querschnitt eines Ausschnitts des Traktionsmotor-Rotors der 1, und
3 einen Roh-Traktionsmotor-Rotor in einem Spritzwerkzeug nach dem Einleiten eines Füllstoffes.

Die 1 und 2 zeigen einen fertiggestellten permanenterregten Traktionsmotor-Rotor 10 für einen elektrischen Traktionsmotor eines Kraftfahrzeugs. Der Traktionsmotor-Rotor 10 sitzt auf einer um eine Axiale A rotierbaren Rotorwelle 80 und weist im Wesentlichen ein inneres sternförmiges Zentral-Blechpaket 20 mit vorliegend sechs Zähnen 24, sechs separate Pol-Blechpakete 30, insgesamt 18 Permanentmagnete 401,402,50 sowie eine zylindrische Bandage 70 aus einem faserverstärkten Kunststoffkörper 71 auf.
Das Zentral-Blechpaket 20 besteht aus einer Vielzahl paketierter ferromagnetischer Bleche 22. Auch die sechs Pol-Blechpakete 30 bestehen jeweils aus einer Vielzahl paketierter ferromagnetischer Bleche 32. Zwischen zwei benachbarten Zähnen 24 des Zentral-Blechpakets 20 ist jeweils ein sich in axialer Richtung erstreckender im und Querschnitt V-förmiger Polgraben 26 gebildet, in dem jeweils eines der im Querschnitt ungefähr keilförmigen Pol-Blechpakete 30 angeordnet ist.
Zwischen den beiden ebenen Grabenwänden 46 des Polgrabens 26 und den gegenüberliegenden Gegenwänden 46` des betreffenden Pol-Blechpakets 30 ist ein im Querschnitt ungefähr V-förmiger Aufnahme-Zwischenraum 33 gebildet. In den beiden Schenkeln des V-förmigen Aufnahme-Zwischenraums 33 ist jeweils ein vergrabener Permanentmagnet 401,402 angeordnet. Die Permanentmagneten 401,402 haben eine langgestreckte quaderförmige Form und werden von einem permanentmagnetischen Magnetkörper 41 gebildet.
Jedes Pol-Blechpaket 30 weist radial außenseitig eine sich in axialer Richtung erstreckende Magnettasche 34 auf, die nach außen geöffnet ist, und in der jeweils ein Außen-Permanentmagnet 50 unverlierbar sitzt. Die Magnettasche 34 ist im Querschnitt trapezförmig hinterschnitten. Der Außen-Permanentmagnet 50 ist hierzu annähernd komplementär und im Querschnitt trapezförmig ausgebildet, und wird von einem permanentmagnetischen Magnetkörper 51 gebildet.
Die Permanentmagnete 401,402,50 liegen nicht unmittelbar an dem Zentral-Blechpaket 20 oder dem Pol-Blechpaket 30 an, sondern sind geringfügig beabstandet zu diesen angeordnet. Alle Spalte und Zwischenräume zwischen den von den Permanentmagneten 401,402,50 einerseits und den von dem Zentral-Blechpaket 20 und den Pol-Blechpaketen 30 andererseits gebildeten Wänden sind jeweils durch einen einstückig zusammenhängenden Kunststoff-Montagekörper 60 ausgefüllt, der ferner auch eine zylindrische Kunststoff-Außenhaut 64 bildet, auf der die zylindrische Bandage 70 sitzt. Die Außenhaut 64 verbessert die Oberflächenqualität am Außendurchmesser, so dass die Bandage 70 geschützt ist vor dem Eindringen scharfer Kanten am Außenumfang des Zentral-Blechpakets 20 und der Pol-Blechpakete 30.
Der Kunststoff-Montagekörper 60 füllt in den Magnettaschen 34 als Montagefüllung 63 insbesondere den Zwischenraum zwischen den Montagetaschen-Wänden 35,361,362 und den gegenüberliegenden Außenwänden 521,522 des Außen-Permanentmagneten 50. Ferner füllt der Kunststoff-Montagekörper 60 zwischen den Grabenwänden 46 des Polgrabens 26 und den Gegenwänden 46` des Pol-Blechpakets 30 einerseits und den Magnetkörper-Wänden 47 der vergrabenen Permanentmagnete 401,402 andererseits die Aufnahme-Zwischenräume mit Zwischenraum-Füllungen 61,62. In den Spalten zwischen dem vergrabenen Permanentmagneten 401,402 einerseits und den Grabenwänden 46 und den Gegenwänden 46` andererseits ist die jeweilige Zwischenraum-Füllung 61,62 durch jeweils zwei in axialer Richtung verlaufende füllungsfreie Längsnuten 44 zweifach unterbrochen.
In der 3 ist ein zentraler Montageschritt des Herstellungsverfahrens zur Herstellung des permanenterregten Traktionsmotor-Rotors 10 dargestellt. Das Zentral-Blechpaket 20 und die sechs Pol-Blechpakete 30 sind durch ein hohlzylindrisches Spritzwerkzeug 105 räumlich zueinander positioniert und gehalten. Das Spritzwerkzeug 105 weist an seinem Innenumfang sechs trapezförmige hinterschnittene Taschenhalter 110 auf, die jeweils in die Magnettaschen 34 eines Pol-Blechpakets 30 eingreifen und dieses auf diese Weise in einer definierten Position halten. Ferner sind in den Aufnahme-Zwischenräumen 33 jeweils quaderförmige Freihalter 120 eingesetzt, die außenseitig jeweils an einer großflächigen Seitenwand jeweils zwei Positionsrippen bildende Längsstege 144 aufweisen, mit denen sie jeweils an den Grabenwänden 46 und den Gegenwänden 46` der Aufnahme-Zwischenräume 33 unmittelbar anliegen. Auf diese Weise bleibt der Hauptkörper des Freihalters 120 jeweils durch einen Spalt beabstandet zu den Grabenwänden 46 und den Gegenwänden 46'.
Das Spritzwerkzeug 105 einschließlich der Taschenhalter 110 und die Freihalter 120 bestehen aus einem Werkstoff, dessen Temperatur-Ausdehnungskoeffizient 50 % größer ist als der des Zentral-Blechpakets 20 und der Pol-Blechpakete 30.
Das Spritzgießen des Kunststoff-Montagekörpers 60 erfolgt durch Transferpressen, konventionelles Spritzgießen oder vorzugsweise durch Vakuumverguss mit einem geeigneten Kunststoff, der zur Verflüssigung auf 120 °C bis 180 °C erwärmt wird. Beim Abkühlen ziehen sich insbesondere die Freihalter 120 und das Spritzwerkzeug 105 einschließlich der Taschenhalter 110 stärker zusammen als die Blechpakete 120,30 und der Kunststoff, so dass das Spritzwerkzeug 105 und die Freihalter 120 nach dem Abkühlen auf einfache Weise in axialer Richtung entnommen werden können. Anschließend werden die Permanentmagnete 401,402,50 axial in die auf diese Weise gebildeten Hohlräume eingesteckt und dort beispielsweise verklebt. Schließlich wird außenseitig die Bandage 70 aufgebracht.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102019127583 A1 [0002]

Claims

Permanenterregter Traktionsmotor-Rotor (10) mit einem inneren sternförmigen Zentral-Blechpaket (20), das mehrere Zähne (24) aufweist, zwischen denen jeweils ein in axialer Richtung verlaufender Polgraben (26) gebildet ist, und mehreren separaten Pol-Blechpaketen (30), wobei in jedem Polgraben (26) jeweils ein Pol-Blechpaket (30) angeordnet ist, wobei in einem Aufnahme-Zwischenraum (33) zwischen den Grabenwänden (46) des Polgrabens (26) und den gegenüberliegenden Gegenwänden (46`) des korrespondierenden Pol-Blechpakets (30) mindestens ein vergrabener Permanentmagnet (401,402) fixiert ist, und wobei jedes Pol-Blechpaket (30) außenseitig jeweils eine in axialer Richtung verlaufende Magnettasche (34) aufweist, in der ein Außen-Permanentmagnet (50) sitzt, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnettasche (34) derart hinterschnitten ist, dass ein Tascheninhalt einschließlich des Außen-Permanentmagneten (50) radial unverlierbar in der hinterschnittenen Magnettasche (34) sitzt.
Permanenterregter Traktionsmotor-Rotor (10) nach Anspruch 1, wobei die Außen-Permanentmagnete (50) derart komplementär zu den hinterschnittenen Magnettaschen (34) ausgebildet sind, dass sie unverlierbar in den Magnettaschen (34) sitzen.
Permanenterregter Traktionsmotor-Rotor (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Tascheninhalt jeweils von einer Montagefüllung (63) und dem Außen-Permanentmagneten (50) gebildet ist.
Permanenterregter Traktionsmotor-Rotor (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die hinterschnittenen Magnettaschen (34) im Querschnitt jeweils trapezförmig ausgebildet sind.
Permanenterregter Traktionsmotor-Rotor (10) nach Anspruch 4, wobei die Außen-Permanentmagnete (50) im Querschnitt jeweils trapezförmig ausgebildet sind.
Permanenterregter Traktionsmotor-Rotor (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei in den Aufnahme-Zwischenräumen (33) jeweils eine Zwischenraum-Füllung (61,62) die Spalte zwischen dem vergrabenen Permanentmagneten (401,402) einerseits und den Grabenwänden (46) und den Gegenwänden (46`) andererseits ausfüllt, wobei die Zwischenraum-Füllung (61,62) durch mehrere in axialer Richtung verlaufende füllungsfreie Längsnuten (44) mehrfach unterbrochen ist.
Permanenterregter Traktionsmotor-Rotor (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der von dem Zentral-Blechpaket (20), den Pol-Blechpaketen (30) und den Außen-Permanentmagneten (50) gebildete Außenumfang durch eine zylindrische Bandage (70) umgeben ist.
Verfahren zur Herstellung eines permanenterregten Traktionsmotor-Rotors (10), der die Merkmale einer der vorangegangenen Patentansprüche aufweist, mit den Verfahrensschritten: Einsetzen des Zentral-Blechpakets (20) und der Pol-Blechpakete (30) in ein hohlzylindrisches Spritzwerkzeug (105), das innenseitig für jedes Pol-Blechpaket (30) einen Taschenhalter (110) aufweist, der jeweils im Querschnitt komplementär zu der hinterschnittenen Magnettasche (34) ausgebildet ist, Einsetzen von Freihaltern (120) in die Aufnahme-Zwischenräume (33) für die vergrabenen Permanentmagnete (401,402), Einleiten eines Füllstoffes in das Spritzwerkzeug (105), nach dem Aushärten des Füllstoffes: Entformen in Axialrichtung (A), und axiales Einsetzen der Permanentmagnete (401,402,50).
Verfahren nach Verfahrensanspruch 8, wobei die Freihalter (120) mehrere Längsstege (144) aufweisen, mit denen sie jeweils an den Grabenwänden (46) und den Gegenwänden (46`) der Aufnahme-Zwischenräume (33) anliegen.
Verfahren nach Verfahrensanspruch 8 oder 9, wobei die Taschenhalter (110) und/oder die Freihalter (120) aus einem Werkstoff bestehen, dessen Ausdehnungskoeffizient mindestens 30 % größer ist als der Ausdehnungskoeffizient der Blechpakete (20,30).
Verfahren nach einem der vorangegangenen Verfahrensansprüche 8-10, wobei die Taschenhalter (110) und/oder die Freihalter (120) während des Einleitens des flüssigen Füllstoffes bis zum Entformen aktiv gekühlt werden.