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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Rotoreinrichtung für eine elektrische Maschine und insbesondere für einen Fahrantrieb eines Kraftfahrzeugs sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Rotoreinrichtung. Die Rotoreinrichtung umfasst eine drehbar gelagerte Welle und wenigstens eine mit der Welle drehfest verbundene Rotornabe.
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Die Verbindung zwischen Rotornabe und Welle ist entscheidend für das mit der Welle übertragbare Drehmoment. Bei modernen Fahrantrieben für Elektrofahrzeuge werden Rotornabe und Welle beispielsweise durch einen radialen Kraftschluss (z. B. Warm-Kalt-Verbund) oder einen axialen Kraftschluss (z. B. Spannmutter) ausgeführt. Regelmäßig erfolgt die Verbindung auch mittels eines Formschlusses und beispielsweise einer Hexapolygon-Außenkontur. Mitunter wird auch eine Kombination aus Kraftschluss und Formschluss eingesetzt. Beispielsweise werden dazu eine Noppenwelle oder Plattnasen an der Rotornabe eingesetzt. Solche Ausführungen führen regelmäßig zu einem unerwünschten Eingraben. Ein Formschluss mittels geometrischer Überdeckung der Bauteile kann auch z. B. beim Warm-Kalt-Verbund ergänzend vorgesehen sein.
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Für besonders leistungsfähige Fahrantriebe, beispielsweise für Sportfahrzeuge bzw. Rennsportfahrzeuge, sind die bekannten Lösungen jedoch insgesamt verbesserungswürdig, da sie hinsichtlich der gewünschten Drehmomentübertragung in Kombination mit den oft hohen Drehzahlen begrenzt sind. Nachteilig an den bekannten Verbindungen ist auch, dass sie in der Regel einen sehr hohen Aufwand im Fertigungsprozess darstellen.
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Demgegenüber ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Möglichkeit zur Verbindung der Welle mit der Rotornabe für eine Rotoreinrichtung einer elektrischen Maschine zur Verfügung zu stellen. Insbesondere sollen große Drehmomente in Kombination mit höheren Drehzahlen zuverlässig übertragbar sein. Vorzugsweise soll die Verbindung dabei unaufwendig und industriell herstellbar sein.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Rotoreinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der allgemeinen Beschreibung und der Beschreibung des Ausführungsbeispiels.
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Die erfindungsgemäße Rotoreinrichtung ist für eine elektrische Maschine und insbesondere für einen elektrischen Fahrantrieb eines Kraftfahrzeugs vorgesehen. Die Rotoreinrichtung umfasst eine drehbar gelagerte Welle und wenigstens eine mit der Welle drehfest verbundene Rotornabe. Die Welle weist mehrere nach radial außen (zur Rotornabe) weisende Wellenvorsprünge auf. Die Rotornabe weist mehrere nach radial innen (zur Welle) weisende Nabenvorsprünge auf. Dabei liegen jeweils wenigstens ein Wellenvorsprung und jeweils wenigstens ein Nabenvorsprung wenigstens abschnittsweise in radialer Richtung berührend aufeinander. Insbesondere liegt jeweils ein Nabenvorsprung auf jeweils wenigstens einem Wellenvorsprung. Dabei sind zwischen der Rotornabe und der Welle Kavitäten ausgebildet. Die Kavitäten erstrecken sich jeweils zwischen benachbarten Wellenvorsprüngen und den darauf liegenden Nabenvorsprüngen. Die Kavitäten sind mit wenigstens einem Werkstoff ausgegossen. Dabei bildet der (ausgehärtete) Werkstoff Formschlusselemente. Die Formschlusselemente blockieren eine Relativbewegung von Rotornabe und Welle formschlüssig.
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Die vorliegende Erfindung bietet viele Vorteile. Einen erheblichen Vorteil bieten die in den Kavitäten hergestellten Formschlusselemente. Das bietet eine sehr zuverlässige und zugleich unaufwendige Möglichkeit zur Herstellung einer sehr belastbaren formschlüssigen Verbindung zwischen Rotornabe und Welle. Zudem eignen sich derart hergestellte Formschlusselemente auch besonders vorteilhaft zur Unterstützung einer bereits bestehenden Fügeverbindung zwischen Welle und Rotornabe. Des Weiteren wird dadurch ein Eingraben wirkungsvoll verhindert. Zudem bietet die Erfindung eine Unabhängigkeit von der Blechpaketierung.
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Besonders vorteilhaft sind die auch berührend aufeinander liegenden Nabenvorsprünge und Wellenvorsprünge. Das bietet eine wirksame thermische Anbindung des Rotors und beispielsweise eines Blechpakets an die Rotorwelle.
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Dadurch kann die Kühlwirkung einer mit Kühlmittel durchströmten Rotorwelle erheblich verbessert werden. Durch die zuverlässige Verbindung und die gezielte thermische Anbindung eignet sich die Erfindung besonders gut für den Einsatz in Hochleistungs-Fahrantrieben mit sehr hohen Drehzahlen bzw. Drehmomenten.
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Es ist vorteilhaft und bevorzugt, dass die Formschlusselemente jeweils an benachbarten Wellenvorsprüngen und an den darauf liegenden Nabenvorsprüngen (in Umfangsrichtung) formschlüssig anliegen. Mit anderen Worten, die Formschlusselemente liegen jeweils sowohl an benachbarten Wellenvorsprüngen als auch an den darauf liegenden Nabenvorsprüngen formschlüssig an. Dadurch kann die Drehbewegung besonders zuverlässig formschlüssig blockiert werden.
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Vorzugsweise liegen die Formschlusselemente jeweils wenigstens an in Umfangsrichtung weisenden Seiten der Wellenvorsprünge und an in Umfangsrichtung weisenden Seiten der Nabenvorsprünge an. Insbesondere begrenzen diese Seiten die Kavitäten in Umfangsrichtung. Insbesondere liegen die Formschlusselemente jeweils an Seiten der Wellenvorsprünge bzw. Nabenvorsprünge an, welche die Kavitäten in Umfangsrichtung begrenzen.
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Durch solche Ausgestaltungen kann der Formschluss nur aufgehoben werden, wenn das Formschlusselement in wenigstens zwei Teile abgeschert bzw. zerbrechen würde. Das Formschlusselement kann die Relativbewegung auch dann noch blockieren, wenn es sozusagen „lose“ in der Kavität liegen würde. Die Wirkung des Formschlusselements ist insbesondere unabhängig von dessen Adhäsion zur Welle und zum Rotor.
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In allen Ausgestaltungen ist es besonders bevorzugt, dass die Formschlusselemente in den Kavitäten urgeformt sind. Insbesondere sind die Formschlusselemente mittels eines Gießverfahrens unter Verwendung der Kavität der Rotoreinrichtung als Formwerkzeug hergestellt. Das ermöglicht eine besonders zügige und unaufwendige Fertigung der Verbindung zwischen Rotornabe und Welle. Aufgrund der Urformung in den Kavitäten können die Formschlusselemente nahezu unabhängig von Passgenauigkeiten bzw. Toleranzen zwischen Rotornabe und Welle gezielt ausgeformt werden.
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Vorzugsweise ist das Gießverfahren ein Spritzgussverfahren oder ein Spritzpressverfahren (Transfermoulding). Besonders bevorzugt werden die Formschlusselemente unter Druckbeaufschlagung und vorzugsweise mit einem Druck von wenigstens 100 bar in den Kavitäten urgeformt. Insbesondere sind die Kavitäten mit wenigstens einem festen (bzw. ausgehärteten) Werkstoff ausgefüllt. Insbesondere ist der Werkstoff ein Kunststoff. Möglich sind aber auch andere für diesen Zweck geeignete Werkstoffe.
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Insbesondere berühren sich der Wellenvorsprung und der Nabenvorsprung nur an ihren radialen Stirnseiten. Insbesondere berühren sich die Rotornabe und die Welle nur dort, wo sich der Wellenvorsprung und der Nabenvorsprung berühren. Das ermöglicht unaufwendiges Herstellen und Fügen von Rotornabe und Welle und gewährleistet in Kombination mit den Formschlusselementen zugleich eine sehr belastbare Verbindung. Insbesondere berühren sich der Wellenvorsprung und der Nabenvorsprung nicht außerhalb der Stirnseiten. Insbesondere berühren sich der Wellenvorsprung und der Nabenvorsprung nicht an ihren in Umfangsrichtung weisenden Seiten. Es ist möglich, dass die Stirnseiten der Wellenvorsprünge und/oder der Nabenvorsprünge wenigstens abschnittsweise abgeflacht ausgebildet sind.
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Der Wellenvorsprung und der Nabenvorsprung sind insbesondere wenigstens kraftschlüssig miteinander gefügt. Vorzugsweise sind der Wellenvorsprung und der Nabenvorsprung verpresst und/oder aufgeschrumpft. Das Aufschrumpfen ist insbesondere eine Warm-Kalt-Verbindung. Insbesondere sind der Wellenvorsprung und der Nabenvorsprung nur an ihren radialen Stirnseiten derart gefügt.
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Insbesondere zwischen den Wellenvorsprüngen und den darauf liegenden Nabenvorsprüngen jeweils eine kraftschlüssige Verbindung und insbesondere eine Pressverbindung ausgebildet und/oder eine Warm-Kalt-Verbindung ausgebildet. Insbesondere sind die Wellenvorsprünge mit den darauf liegenden Nabenvorsprüngen im Pressverband radial stirnseitig gefügt. Möglich sind auch andere geeignete Fügearten.
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Der Wellenvorsprung und der Nabenvorsprung können zusätzlich oder alternativ auch formschlüssig gefügt sein. Ein solcher Formschluss kann dadurch bereitgestellt werden, dass die Welle mit ihrem maximalen Außenumfang in den minimalen Innenumfang der Rotornabe hineinragt. Beispielsweise kann die Welle oder die Rotornabe dazu eine polygonartige Außenkontur aufweisen. Dann werden die Wellenvorsprünge bzw. Nabenvorsprünge insbesondere durch die abgeflachten Bereiche zwischen den Kanten der polygonartigen Außenkontur bereitgestellt. Die Kanten der polygonartigen Außenkontur ragen dann insbesondere in die Kavitäten.
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Es ist möglich, dass der Wellenvorsprung und der Nabenvorsprung nur kraftschlüssig gefügt sind. Dann ist insbesondere vorgesehen, dass die Welle mit ihrem maximalen Außenumfang nicht in den minimalen Innenumfang der Rotornabe hineinragt. Insbesondere liegen der Wellenvorsprung und der Nabenvorsprung nicht in Umfangsrichtung aneinander an.
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Die Rotoreinrichtung kann eine Mehrzahl von Magneteinheiten umfassen. Insbesondere sind die Magneteinheiten wenigstens teilweise in den Rotor und insbesondere in Aufnahmeräumen eingebettet. Insbesondere sind die Magneteinheiten mittels einer gegossenen Fixierstruktur am Rotor bzw. in den Aufnahmeräumen fixiert. Dabei sind die Fixierstruktur und die Formschlusselemente vorzugsweise aus dem gleichen Werkstoff gefertigt. Insbesondere sind die Magneteinheiten in Aufnahmeräumen untergebracht, welche gemeinsam mit den Kavitäten mit dem Werkstoff ausgegossen werden. Insbesondere sind die Fixierstruktur und die Formschlusselemente zeitgleich urgeformt. Insbesondere ist die Fixierstruktur mittels eines Spritzgussverfahrens oder eines Spritzpressverfahrens hergestellt. Möglich ist aber auch, dass die Fixierstruktur unabhängig von den Formschlusselementen hergestellt wird.
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Das erfindungsgemäße Verfahren dient zur Herstellung einer Rotoreinrichtung für eine elektrische Maschine und insbesondere für einen Fahrantrieb eines Kraftfahrzeugs. Die Rotoreinrichtung umfasst eine drehbar gelagerte Welle und wenigstens eine mit der Welle drehfest verbundene Rotornabe. Die Welle weist mehrere nach radial außen (zur Rotornabe) weisende Wellenvorsprünge auf. Die Rotornabe weist mehrere nach radial innen (zur Welle) weisende Nabenvorsprünge auf. Das Verfahren umfasst wenigstens die folgenden Verfahrensschritte in dieser oder einer anderen ausführbaren Reihenfolge: Fügen der Wellenvorsprünge mit jeweils einem Nabenvorsprung, sodass jeweils wenigstens ein Wellenvorsprung und jeweils wenigstens ein Nabenvorsprung wenigstens abschnittsweise in radialer Richtung berührend aufeinander liegen. Dadurch werden zwischen benachbarten Wellenvorsprüngen und den darauf liegenden Nabenvorsprüngen Kavitäten ausgebildet. Urformen von Formschlusselementen durch Einbringen wenigstens eines formlosen Werkstoffs in die Kavitäten und Aushärten des Werkstoffs. Insbesondere blockieren die Formschlusselemente eine Relativbewegung von Rotornabe und Welle formschlüssig.
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Insbesondere ist das Verfahren zur Herstellung einer Rotoreinrichtung ausgebildet, wie sie zuvor beschrieben wurde. Insbesondere ist die erfindungsgemäße Rotoreinrichtung so ausgebildet, dass sie nach dem hier vorgestellten Verfahren herstellbar ist. Auch mit dem Verfahren kann die zuvor gestellte Aufgabe besonders Vorteil aufgelöst werden.
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Vorzugsweise erfolgen das Urformen der Formschlusselemente und ein Urformen einer Fixierstruktur für Magneteinheiten in einem gemeinsamen Prozess und besonders bevorzugt zeitgleich und/oder in einem gemeinsamen Gießwerkzeug. Das bietet eine weitere erhebliche Vereinfachung des Herstellungsprozesses. Die Fixierstruktur ist vorzugsweise wie zuvor beschrieben ausgebildet. Insbesondere werden die Formschlusselemente und die Fixierstruktur (zeitgleich) durch Spritzgießen oder Spritzpressen oder ein anderes geeignetes Verfahren hergestellt. Insbesondere wird der Werkstoff in Aufnahmeräume eingebracht, welche am Rotor ausgebildet sind und in denen die Magneteinheiten untergebracht sind. Insbesondere wird mit der Vorrichtung, mit welcher der Werkstoff in die Aufnahmeräume eingebracht wird, auch der Werkstoff in die Kavitäten eingebracht.
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Vorzugsweise erfolgt das Fügen der Wellenvorsprünge mit den Nabenvorsprüngen mittels Verpressen und/oder Aufschrumpfen (Warm-Kalt-Prozess). Insbesondere ist wenigstens ein kraftschlüssiges Fügen vorgesehen. Zusätzlich oder alternativ kann auch ein formschlüssiges Fügen vorgesehen sein.
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Besonders bevorzugt erfolgt das Einbringen des Werkstoffs in die Kavitäten mit einem Druck von wenigstens 100 bar oder auch wenigstens 200 bar oder mehr. Insbesondere wird der Werkstoff zur Herstellung der Fixierstruktur auch mit einem solchen Druck in den Rotor eingebracht. Ein solcher Druck ist insbesondere beim Spritzgießen oder Spritzpressen vorgesehen.
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Insbesondere ist der Druck so ausgelegt, dass dadurch die Fügeverbindungen zwischen Wellenvorsprüngen und Nabenvorsprüngen definiert vorgespannt werden. Insbesondere erfährt ein Pressverband zwischen Rotornabe und Welle durch das Einbringen des Werkstoffs unter Druck eine definierte Vorspannung.
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Insbesondere ist die gleiche Anzahl an Wellenvorsprüngen und Nabenvorsprüngen vorgesehen. Insbesondere sind die Wellenvorsprünge und die Nabenvorsprünge paarweise aufeinanderliegend gefügt. Insbesondere sind wenigstens jeweils vier oder wenigstens sechs Paare vorgesehen. Bevorzugt sind wenigstens jeweils acht oder wenigstens zehn Paare vorgesehen. Eine vorteilhafte Anzahl für Fahrantriebe liegt beispielsweise zwischen acht und zwölf Paaren. Insbesondere sind die Nabenvorsprünge und die Wellenvorsprünge über den Umfang der Rotornabe bzw. der Welle symmetrisch verteilt angeordnet.
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Insbesondere ist die Verbindung der Wellenvorsprünge mit den Nabenvorsprüngen dazu geeignet und ausgebildet, durch die Formschlusselemente ergänzt zu werden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können die Wellenvorsprünge oder die Nabenvorsprünge auch durch Abflachungen an einer radialen Außenseite der Welle bzw. der Rotornabe bereitgestellt werden. Insbesondere definieren die Wellenvorsprünge einen maximalen Außenumfang der Welle. Insbesondere definieren die Nabenvorsprünge einen minimalen Innenumfang der Rotornabe.
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Insbesondere sind die Kavitäten jeweils zwischen benachbarten Wellenvorsprüngen und den darauf liegenden Nabenvorsprüngen ausgebildet. Insbesondere ist die Rotornabe mit einem Blechpaket und/oder mit einer Wuchtscheibe des Rotors verbunden oder daran ausgebildet. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bezieht sich der Formschluss insbesondere auf die Umfangsrichtung der Bauteile bzw. auf die Drehrichtung der Rotoreinrichtung. Insbesondere bezieht sich der Formschluss nicht auf die axiale Richtung.
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Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Ausführungsbeispielen, die im Folgenden mit Bezug auf die beiliegenden Figuren erläutert werden.
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In den Figuren zeigen:
- 1 eine rein schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Rotoreinrichtung in einer geschnittenen Ansicht; und
- 2 eine weitere rein schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Rotoreinrichtung in einer geschnittenen Ansicht.
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Die 1 zeigt ausschnittsweise eine erfindungsgemäße Rotoreinrichtung 1 für eine elektrische Maschine 10 eines Fahrantriebs 20 eines Elektrofahrzeugs. Die Rotoreinrichtung 1 ist hier nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt. Die Rotoreinrichtung umfasst einen Rotor 30 mit einer Rotornabe 3, welche drehfest mit einer Welle 2 verbunden ist.
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Die Welle 2 ist beispielsweise an einem hier nicht dargestellten Gehäuse der Maschine 10 drehbar gelagert. Über die Welle 2 ist der Rotor 30 drehbar in einem hier nicht näher dargestellten Stator der Maschine 10 gelagert. Die Rotornabe 3 kann zudem mit einer hier nicht gezeigten Wuchtscheibe drehfest verbunden sein. Der hier gezeigte Rotor 30 umfasst beispielsweise ein Blechpaket oder ist als ein solches ausgebildet.
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Die Rotornabe 3 weist nach radial innen bzw. zur Welle 2 weisende Nabenvorsprünge 13 auf. Die Welle 2 weist nach radial außen bzw. zur Rotornabe 3 weisende Wellenvorsprünge 12 auf. Die Nabenvorsprünge 13 liegen mit ihren radialen Stirnseiten 33 berührend an radialen Stirnseiten 32 der Wellenvorsprünge 12 an.
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Die Wellenvorsprünge 12 und die Nabenvorsprünge 13 sind hier über die gesamte axiale Länge der Welle 2 bzw. der Rotornabe 3 ausgebildet. Dabei sind die Wellenvorsprünge 12 und Nabenvorsprünge 13 symmetrisch über den Umfang verteilt. Beispielsweise sind hier jeweils 8 bis 12 Wellenvorsprünge 12 und Nabenvorsprünge 13 vorgesehen.
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Zwischen der Rotornabe 3 und der Welle 2 sind Kavitäten 4 ausgebildet. Die Kavitäten 4 erstrecken sich zwischen den benachbarten Wellenvorsprüngen 12 und den darauf liegenden Nabenvorsprüngen 13. Die Kavitäten 4 sind mit einem Werkstoff 14 ausgegossen. Der ausgehärtete Werkstoff 14 stellt Formschlusselemente 24 bereit, welche die Relativbewegung von Rotornabe 3 und Welle 2 formschlüssig blockieren. Dabei liegen die Formschlusselemente 24 hier an den in Umfangsrichtung weisenden Seiten 22 der Wellenvorsprünge 12 und den in Umfangsrichtung weisenden Seiten 23 der Nabenvorsprünge 13 an.
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Im Rotor 30 sind hier Aufnahmeräume ausgebildet, in denen Magneteinheiten 5 angeordnet sind. Die Magneteinheiten 5 werden über eine Fixierstruktur 15 fest in den Aufnahmeräumen gehalten. Die Fixierstruktur 15 und die Formschlusselemente 24 wurden in einem gemeinsamen Prozess zeitgleich hergestellt und bestehen aus demselben Werkstoff 14.
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Die 2 zeigt eine Ausgestaltung der mit Bezug zur 1 vorgestellten Rotoreinrichtung 1. Dabei sind die Stirnseiten 33 der Nabenvorsprünge 13 hier schmaler als die Stirnseiten 32 der Wellenvorsprünge 12 ausgebildet.
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Im Rahmen der Herstellung der Rotoreinrichtung 1 wird die Rotornabe 3 derart auf die Welle 2 aufgebracht, dass die Nabenvorsprünge 13 auf jeweils einem Wellenvorsprung 12 aufliegen. Das Fügen erfolgt unter hohem Kraftaufwand und beispielsweise mittels Verpressen oder Aufschrumpfen, sodass eine kraftschlüssige Verbindung zwischen Welle 2 und Rotornabe 3 entsteht. Dabei berühren sich die Rotornabe 3 und die Welle 2 hier ausschließlich an den Wellenvorsprüngen 12 bzw. Nabenvorsprüngen 13, sodass zwischen ihnen die Kavitäten 4 ausgebildet werden.
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Die Kavitäten 4 werden anschließend mit einem Werkstoff 14 und beispielsweise einem geeigneten Kunststoff erfüllt. Zum Verfüllen können hier verschiedene Verfahren wie zum Beispiel Spritzgießen oder Transfermoulding zum Einsatz kommen. Vorzugsweise erfolgt das Befüllen unter hohem Druck mit wenigstens 100 bar oder mehr.
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Durch das Verfüllen werden in den Kavitäten 4 die Formschlusselemente 24 urgeformt. Nach dem Aushärten des Werkstoffs 14 blockieren die Formschlusselemente 24 die Relativbewegung. Im gleichen Prozess und vorzugsweise im gleichen Werkzeug erfolgt dann auch das Einbringen des Werkstoffs 14 in die Aufnahmeräume für die Magneteinheiten 5. So wird der Prozess der Magnetfixierung genutzt, um die Formschlusselemente 24 herzustellen. Möglich ist aber auch eine separate Prozessführung.
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Durch das Verfüllen der Kavitäten 4 wird die Tragfähigkeit im Sinne der maximal möglichen Drehmomentübertragung der Welle-Nabe-Verbindung erheblich erhöht. So erfährt der Pressverband während des Verfüllens durch den hohen Druck eine erhebliche Vorspannung. Zudem wirken die in den Kavitäten 4 hergestellten Formschlusselemente 24 einer Relativbewegung von Rotornabe 3 und Welle 2 entgegen, da zwischen diesen beiden Fügepartnern und dem Werkstoff 14 eine adhäsive Haftung erreicht wird. Darüber hinaus wäre (auch ohne adhäsive Haftung) ein Abscheren bzw. Zerbrechen der Formschlusselemente 24 erforderlich, um die formschlüssige Verbindung von Rotornabe 3 und Welle 2 aufzuheben. Dazu müsste die Bruchlinie hier beispielsweise in etwa mittig und in Umfangsrichtung durch die Formschlusselemente 24 verlaufen.
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Die hier vorgestellte Erfindung ermöglicht mittels Urform-Prozessen (beispielsweise Spritzguss, Transfermoulding) zusätzliche unterstützende Formschlusselemente 24 im Bereich der Welle-Nabe-Verbindung (beispielsweise der Welle 2 zu Blechpaketen und Wuchtscheiben) einzubringen. Zudem wird dadurch die thermische Anbindung von Rotor 30 und Rotornabe 3 zur Welle 2 erheblich erhöht. Zudem hat die Erfindung den Vorteil, dass die Herstellung und Positionierung der Formschlusselemente 24 innerhalb des Rotors 30 in den Prozess der Magnetfixierung integriert werden kann.
