DE102022121855A1

DE102022121855A1 - Rotorscheibe sowie Verfahren zur Herstellung derselben

Info

Publication number: DE102022121855A1
Application number: DE102022121855.4A
Authority: DE
Inventors: Alexander Klose; Simon Guggenmos; Clemens HUTTERER; Tobias Scherdi
Original assignee: Hirschvogel Holding GmbH
Current assignee: Hirschvogel Holding GmbH
Priority date: 2022-08-30
Filing date: 2022-08-30
Publication date: 2024-02-29

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Rotorscheibe (100) für eine elektrische Maschine (200) sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Rotorscheibe (100). Die Rotorscheibe (100) weist dabei wenigstens einen Montageabschnitt (110) zur Montage von Magnetfeld-erzeugenden Bauteilen auf und ist aus einem nichtrostenden austenitischen Stahl hergestellt. Der Stahl weist eine chemische Zusammensetzung aus Legierungselementen auf, welche wenigstens Chrom mit einem Massenanteil zwischen 16%-20%, Nickel mit einem Massenanteil zwischen 8%-15%, und Kohlenstoff mit einem Massenanteil bis maximal 0,1% umfassen. Für die Herstellung der Rotorscheibe (100) wird ein Vormaterial mit einer zylindrischen Form mit einem maximalen Durchmesser von 140 mm aus Stahl mit der vorgenannten Zusammensetzung bereitgestellt. Der Stahl wird zur Bildung der Rotorscheibe (100) warmmassiv umgeformt und danach abgekühlt. Die Rotorscheibe (100) weist eine relative magnetische Permeabilität von µrel≤ 1,4 auf. Ferner betrifft die Erfindung eine elektrische (Axialfluss)Maschine (200) mit einer Statoranordnung (220) und mit einer Rotoranordnung (210) mit der erfindungsgemäßen Rotorscheibe (100).

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Rotorscheibe für eine elektrische Axialflussmaschine sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Rotorscheibe. Die Erfindung betrifft ferner eine elektrische Maschine mit der erfindungsgemäßen Rotorscheibe.
Technischer Hintergrund
Rotierende elektrische Maschinen, wie bspw. Elektromotoren oder elektrische Generatoren, gewinnen in verschiedensten Bereichen der Technik weiter an Bedeutung. So werden Elektromotoren zunehmend auch als alleiniger Antrieb im Fahrzeugbau eingesetzt. Üblicherweise weisen derartige elektrische Maschinen einen Stator und einen Rotor auf, in denen jeweils zueinander gegensätzlich orientierte Magnetfelder zur Bewirkung einer Relativbewegung zwischen den beiden Maschinenelementen erzeugt werden. Bei Axialflussmotoren besteht der Rotor hierbei bspw. aus einer Welle mit einer Rotorscheibe, an der die das Magnetfeld erzeugenden Bauteile befestigt werden. Über die Welle erfolgt dann bspw. der An- und/oder Abtrieb, wie bspw. zum Betrieb eines Generators oder zum Antrieb eines Fahrzeugs.
Mit der Ausweitung der Elektrifizierung von Antriebssystemen werden auch immer höhere Anforderungen an die Effizienz und Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschinen gestellt.
Als eine Ursache von Leistungsverlusten in einer elektrischen Maschine konnten bspw. elektromagnetische Wechselwirkungen zwischen den von Rotor oder Stator ausgehenden Magnetfeldern und anderen, diese umgebenden Bauteile, wie bspw. die vorgenannte Rotorscheibe, identifiziert werden. Solche Wechselwirkungen können zu einer Dämpfung der von Rotor oder Stator ausgehenden Magnetfelder und somit zu einer Reduzierung der Leistungsfähigkeit und Effizienz der elektrischen Maschine führen.
Eine besondere Anfälligkeit hierfür konnte dabei insbesondere bei Bauteilen aus Materialien festgestellt werden, die eine Magnetisierbarkeit unter dem Einfluss externer Magnetfelder aufweisen oder in die Wirbelströme bei Exposition mit den bei der jeweiligen Anwendung verwendeten Magnetfeldstärken induziert werden. So ist es im Stand der Technik bspw. üblich, die Rotorscheibe aus einem gewöhnlichen rostfreien Stahl in einem spanenden Verfahren herzustellen. Das Ausgangsmaterial kann dabei zu Beginn eine relativ niedrige oder auch keine Magnetisierbarkeit aufweisen. Jedoch können in dem Ausgangsmaterial lokale Gefügeänderungen (bspw. Umwandlungen von Austenit in Martensit oder in Ferrit) durch die beim Herstellungsverfahren auftretenden Kräfte, oder die bei der Lagerung auftretenden Temperaturen oder Drücke hervorgerufen werden und derart zu einer Magnetisierung des ursprünglich im Wesentlichen unmagnetischen Materials führen. Hierdurch werden während des Betriebs der elektrischen Maschine das Auftreten von Wirbelströmen und die Erzeugung von magnetischen Störfeldern in der Rotorscheibe begünstigt, da die auf die Rotorscheibe einwirkenden Magnetfelder des Stators und/oder des Rotors die im Scheibeninneren existierenden Magnetpole ausrichten und damit das von der Rotorscheibe ursprünglich schwache Magnetfeld deutlich verstärken können. So können durch die Rotorscheibe Leistungsverluste in der elektrischen Maschine verursacht werden.
Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer Rotorscheibe für elektrische Maschinen sowie eine Rotorscheibe für elektrische Maschinen bereitzustellen, mit der die vorgenannten aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden können. Insbesondere ist es dabei eine Aufgabe der Erfindung, eine Rotorscheibe mit im Wesentlichen unmagnetischen Materialeigenschaften (µ_rel ≤ 1,4) und hoher mechanischer Belastbarkeit bereitzustellen. Die Herstellung der Rotorscheibe soll dabei ressourceneffizient und kostengünstig möglich sein.
Diese Aufgaben werden durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche bilden den zentralen Gedanken der vorliegenden Erfindung in besonders vorteilhafter Weise weiter.
Zusammenfassung der Erfindung
Ein erster Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Rotorscheibe für eine elektrische Maschine. So kann die Rotorscheibe bspw. zur Verwendung in einem Axialflussmotor oder in einen Axialflussgenerator geeignet (eingerichtet) sein. Die Rotorscheibe weist wenigstens einen (bevorzugt plattenförmigen oder scheibenförmigen) Montageabschnitt zur Montage von Magnetfeld-erzeugenden Bauteilen auf. Das Verfahren weist einen Schritt auf, in dem ein Vormaterial, wie eine Vorform oder ein Rohling, mit einer zylindrischen Form mit einem maximalen Durchmesser von 140 mm aus einem nichtrostenden austenitischen Stahl bereitgestellt wird. Der nichtrostende austenitische Stahl weist eine chemische Zusammensetzung mit wenigstens folgenden Legierungselementen nach Massenanteil auf: Chrom zwischen 16%-20%, Nickel zwischen 8%-15%, und Kohlenstoff bis maximal 0,1%. Das Vormaterial wird zur Bildung der Rotorscheibe warmmassiv umgeformt. Die warmmassivumgeformte Rotorscheibe wird in einem weiteren Schritt abgekühlt. Die (abgekühlte) Rotorscheibe weist eine relative magnetische Permeabilität von µ_rel ≤ 1,4 auf.
Mit anderen Worten wird durch die Erfindung ein Verfahren bereitgestellt, mit dem ein zur Rotation in einer Maschine vorgesehenes flaches, bevorzugt rundes Teil (die Rotorscheibe) mit einer Struktur (bspw. wenigstens der Montageabschnitt) bereitgestellt werden kann, an der ein oder mehrere Bauteile zur Erzeugung eines Magnetfelds, wie bspw. Permanentmagneten, Permanentmagneten mit weichmagnetischen Bauteilen (beispielsweise Elektroblech) oder Elektromagneten befestigt oder angebracht (d.h. montiert) werden können.
In dem Verfahren wird ein Vormaterial bereitgestellt. Gemäß der Erfindung kann dabei bspw. unter einem „Vormaterial“ insbesondere ein noch weiterzubearbeitendes Werkstück verstanden werden. So kann bspw. ein gesägter oder gescherter Stangenabschnitt, ein gestanzter Blechausschnitt, eine Vorform oder ein Rohling als Vormaterial angesehen werden.
Das Vormaterial hat dabei eine zylindrische Form mit einem maximalen Durchmesser von 140 mm. Gemäß der Erfindung kann dabei bspw. unter einer „zylindrischen Form“ insbesondere jeder dreidimensionale Körper verstanden werden, dessen ebene Begrenzungsflächen beliebiger Gestalt entlang einer Geraden um eine feste Strecke verschoben sein können. So ist die vorliegende Erfindung nicht auf ein Vormaterial mit einer kreiszylindrischen Form beschränkt, sondern das Vormaterial kann sich auch zwischen zwei (gleichen) Grundflächen mit einem nicht kreisförmigen Profil, wie bspw. ein Vierkant, Sechskant oder eine Ellipse, erstrecken. Als „Durchmesser“ kann in diesem Zusammenhang bspw. ein größtmöglicher Abstand zweier Punkte der (ebenen) Grundfläche verstanden werden.
Das Vormaterial ist aus einem nichtrostenden austenitischen Stahl bereitgestellt, welcher Legierungselemente aufweist (Stahllegierung; im Folgenden auch kurz als „der Stahl“ bezeichnet). So weist bspw. der Stahl bevorzugt unter Einsatzbedingung als Hauptgefügebestandteil Austenit auf. Mit Hinblick auf die Angaben zum Umfang (Quantität) der Legierungselemente kann dabei durch den „Massenanteil“ angegeben werden, wie hoch die relative Masse eines Legierungselementes an der Gesamtmasse des Stahls ist.
Das Vormaterial wird zur Bildung der Rotorscheibe warmmassiv umgeformt. Somit kann die Rotorscheibe bspw. durch bildsames (plastisches) Ändern der Form des Vormaterials bei Temperaturen, bei denen Erholungs- und Rekristallisationsvorgänge des Vormaterials während und nach der Umformung stattfinden können (bspw. Temperaturen über der Rekristallisationstemperatur), gefertigt werden, wobei das Vormaterial stofflich seine Masse sowie seinen materiellen Zusammenhalt beibehält. Die Warmmassivumformung kann bspw. als Schmieden bezeichnet werden.
Nach erfolgter Abkühlung der warmmassivumgeformten Rotorscheibe weist diese eine relative magnetische Permeabilität von µ_rel ≤ 1,4 auf. Gemäß der Erfindung kann dabei unter „relativer magnetischer Permeabilität“ eine Kennzahl verstanden werden, durch die eine Magnetisierbarkeit (und/oder eine Durchlässigkeit für externe Magnetfelder) des Bauteilmaterials ausgedrückt werden kann. Je näher der Wert der relativen magnetischen Permeabilität eines Materials an 1 liegt (wie bspw. für Holz oder Papier), desto weniger wird ein externes Magnetfeld von diesem Material beeinflusst und umso weniger kann das Material von dem Magnetfeld dazu veranlasst werden, atomare magnetische Momente parallel zum äußeren Feld auszurichten, dadurch das Magnetfeld im Innern des Materials zu verstärken, und derart als Magnet zu wirken (d.h. magnetisiert zu werden).
Durch das erfindungsgemäße Verfahren kann eine für die Verwendung in elektrischen Maschinen ausgelegte Rotorscheibe kosten- und materialeffizient hergestellt werden, wobei die Rotorscheibe eine geringe Magnetisierbarkeit und zugleich hohe Festigkeit aufweist. Dies wird unter anderem dadurch ermöglicht, dass ein erfindungsgemäßes Vormaterial mit den erfindungsgemäßen Abmessungen warmmassiv in eine Rotorscheibe umgeformt und sodann abgekühlt wird. Dabei wirken die einzelnen Prozessschritte wie folgt synergistisch zusammen: Das gewählte Ausgangsmaterial ist im Herstellungszustand praktisch unmagnetisch, sodass der erfindungsgemäße austenitische Stahl eine gute Ausgangsposition für die Herstellung nicht- oder wenig magnetischer Rotorscheiben bildet. Zudem ist das Ausgangsmaterial gut warmmassiv umformbar (schmiedbar), da austenitische Stähle aufgrund von weiten, homogenen Austenitbereich gut verformbar sind, sodass die Amplitude der zur Umformung notwendigen Kräfte reduziert werden kann und ein günstiger Faserverlauf im Bauteil erreicht werden kann. Diese Effekte werden mit der vorgegebenen maximalen Größe des Ausgangsmaterials weiter verstärkt. Zugleich kann mit der erfindungsgemäßen Umformungsart die im Wesentlichen unmagnetische Materialeigenschaft des Ausgangsmaterials aufrechterhalten werden, indem bspw. das Entstehen von Verfestigungsmartensit oder anderer magnetischer Gefügebestandteile entweder vermieden (bspw. durch die vorgenannte Reduzierung der Umformkräfte) oder, sofern dennoch entstanden, leicht wieder abgebaut werden können (bspw. durch die Wärmeenergie der Warmumformung und anschließend definierte Kühlung). Zugleich kann der Zerspanungsaufwand erheblich reduziert werden, sodass die Herstellung material- und kosteneffizient erfolgen kann. Mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren können somit die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwunden werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann der Schritt des Bereitstellens des Vormaterials ferner ein Gießen und/oder Walzen des Stahls zu einem Rundstab mit einem maximalen Durchmesser von 140 mm aufweisen. Bevorzugt kann der Schritt des Bereitstellens des Vormaterials zudem ein Abtrennen eines Teils des Rundstabes, vorzugsweise mittels Sägen oder Scheren, aufweisen. Das Scheren kann bspw. auch als Abscheren oder Scherschneiden bezeichnet werden. Dabei kann bevorzugt der abgetrennte Teil das Vormaterial bilden. So können bspw. runde Stangenabschnitte des Stahls oder Abschnitte in Tablettenform (sog. „Butzen“) das Vormaterial bilden. Ferner kann das Vormaterial vorzugsweise eine (kreis)zylindrische oder bevorzugt runde Form aufweisen.
Somit kann das Vormaterial bspw. als Halbzeug bereitgestellt werden. Somit ist es bspw. möglich, das Vormaterial als Werkstück, das lediglich in die grundlegende geometrische Form der Rotorscheibe gebracht wurde, bereitzustellen. Dies ermöglicht es, das Vormaterial auf einfache und vorteilhafte Weise derart bereitzustellen, dass eine effiziente und für die Austenit-Gefügestruktur schonende Warmumformung ermöglicht wird.
Der nichtrostende austenitische Stahl des Vormaterials kann ferner zusätzlich wenigstens eines der folgenden Legierungselemente nach Massenanteil in seiner chemischen Zusammensetzung aufweisen: Kohlenstoff bis maximal 0,07%, Mangan bis maximal 2%, Silizium bis maximal 1%, Molybdän bis maximal 2%, und/oder Nickel bis maximal 11%. Natürlich kann der nichtrostende austenitische Stahl des Vormaterials auch jede beliebige Kombination dieser Legierungselemente aufweisen.
Somit kann das Vormaterial mit weiteren Austenit-stabilisierenden Legierungselementen bereitgestellt werden, wodurch die geringe Magnetisierbarkeit der Rotorscheibe verbessert werden kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann das Vormaterial aus dem nichtrostenden austenitischen Stahl 1.4301 oder 1.4307 nach DIN EN 10088-3 hergestellt sein.
Somit kann das Vormaterial aus einem genormten Werkstoff bereitgestellt werden, sodass die Verfügbarkeit des Werkstoffes erleichtert und die Kosten des Werkstoffes reduziert werden können. Die Norm DIN EN 10088-3 regelt dabei die chemische Zusammensetzung des Werkstoffs.
Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform kann der Durchmesser des Vormaterials maximal 100 mm, und bevorzugt maximal 50 mm, und besonders bevorzugt maximal 25 mm, betragen.
Somit kann eine Vielzahl unterschiedlich ausgestalteter Rotorscheiben mit dem Verfahren hergestellt werden. Dabei kann durch das Bereitstellen eines Vormaterials mit einem kleineren Durchmesser insbesondere erreicht werden, dass das Vormaterial ein homogeneres Gefüge aufweist, sodass die Umformbarkeit sowie die mechanische Festigkeit erhöht werden kann. Zudem kann das Risiko einer Umwandlung von Austenit in Martensit bei der Warmumformung reduziert werden, sodass ein niedriges Niveau der Magnetisierbarkeit der Rotorscheibe ermöglicht wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann das Vormaterial lösungsgeglüht sein.
Somit kann bspw. ein eventuell in dem Vormaterial auftretendes Martensit- und/oder Ferritgefüge, welche bspw. durch Verformung hervorgerufen sein können, beseitigt oder zumindest reduziert werden. Ferner erhöht sich die Umformbarkeit, da das Gefüge des Vormaterials durch das Lösungsglühen mit einer homogeneren Struktur versehbar ist.
Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform kann das Vormaterial durch induktives Erwärmen auf die Umformtemperatur zur Warmumformung gebracht werden.
Somit kann eine geringe Aufwärmzeit des Vormaterials bei gleichzeitig gleichmäßiger Erwärmung erreicht werden, sodass gleichmäßiges Umformen ermöglicht wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die Warmmassivumformung in einem Temperaturbereich (oder mit einer Umformtemperatur) oberhalb der Rekristallisationstemperatur durchgeführt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Warmmassivumformung in einem Temperaturbereich (oder mit einer Umformtemperatur) von 70% bis 85% der Schmelztemperatur des Stahls durchgeführt werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Warmmassivumformung in einem Temperaturbereich (oder mit einer Umformtemperatur) zwischen 1100 °C und 1300 °C durchgeführt werden.
Somit kann Warmumformen bei Temperaturen durchgeführt werden, die ermöglichen, dass das Vormaterial innerhalb einer bestimmten Zeit vollständig rekristallisiert, d.h. Gitterfehler in dem metallischen Material, welche aus umformbedingten Gefügeänderungen stammen, durch Neubildung des Gefüges abgebaut werden. Dadurch kann erreicht werden, dass die Rotorscheibe ein möglichst vollständig austenitisches Gefüge aufweist und so eine geringe Magnetisierbarkeit (und folglich geringe relative magnetische Permeabilität) aufweist.
Gemäß einer ferner bevorzugten Ausführungsform kann das Warmmassivumformen einen ersten Teilschritt des Stauchens des Vormaterials umfassen, um einen maximalen Durchmesser des Vormaterials um einen Faktor 2, insbesondere 2,5 oder 3, zu vergrößern, um derart ein vorgeformtes Produkt, das ein Werkstück ist, zu bilden. Bevorzugt kann das Stauchen des zylindrisch geformten Vormaterials in einer Richtung entlang der Erstreckungsrichtung des Vormaterials zwischen zwei sich gegenüberliegenden Flächen erfolgen (bspw. axial). Alternativ oder zusätzlich kann das Stauchen in einer Richtung aus der Ebene einer dieser Flächen erfolgen (bspw. lateral oder radial). So kann das Stauchen des Vormaterials bspw. entlang einer Längs-, Quer- und/oder Symmetrieachse erfolgen. Ferner kann der Schritt des Warmmassivumformens einen zweiten Teilschritt des Gesenkschmiedens, vorzugsweise des gratlosen Gesenkschmiedens, umfassen, um derart die Rotorscheibe zu bilden. Dabei kann die Warmmassivumformung als gratlose Warmmassivumformung (gratloses Schmieden) durchgeführt werden.
Somit kann die Ausgangshöhe des Vormaterials mit einfachen, kostengünstigen Werkzeugen reduziert werden. Insbesondere kann eine materialeffiziente und genaue Herstellung flacher, bevorzugt platten- oder scheibenförmiger Produkte durch das Stauchen ermöglicht werden, wobei das Verfahren u.a. auch eine variable Einstellung der Stauchhöhe ermöglicht. Das Gesenkschmieden, bei dem formgebundene Werkzeuge sich gegeneinander bewegen, ermöglicht dabei die schnelle und effiziente Herstellung komplex gestalteter Bauteile.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann beim Warmmassivumformen aus dem Vormaterial ein den Montageabschnitt außen umlaufender Außenbund gebildet werden. Alternativ oder zusätzlich kann beim Warmmassivumformen aus dem Vormaterial ein den Montageabschnitt innen umlaufender Innenbund gebildet werden. Bevorzugt kann das Vormaterial derart warmmassivumgeformt werden, dass der Außenbund und der Innenbund zusammen mit dem Montageabschnitt einen Montageraum zur wenigstens teilweisen Aufnahme der Magnetfeld-erzeugenden Bauteile begrenzen.
Somit kann die Rotorscheibe nach außen und/oder innen hin durch definierte Strukturelemente begrenzt werden. Dies ermöglicht es, einen definierten Bauraum innerhalb der Rotorscheibe zur Verfügung zu stellen, in welchen bspw. Elektromagnete oder Permanentmagnete angebracht werden können. Die Bauteilkomplexität der Rotorscheibe kann dabei durch die bei einer Warmmassivumformung typischerweise verwendeten Werkzeuge leicht beherrscht werden.
Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform kann beim Warmmassivumformen aus dem Vormaterial ferner ein Befestigungsabschnitt, der von dem Montageabschnitt und (falls vorhanden) von dem Innenbund umgeben wird, zur funktionalen Montage der Rotorscheibe an einem Antriebselement gebildet werden. Bevorzugt kann der Montageabschnitt ein Flanschabschnitt sein.
Gemäß der Erfindung kann dabei unter „funktionaler Montage“ bspw. jede Befestigung zur Übertragung eines Drehmoments und/oder zur wenigstens rotatorischen Festlegung der Rotorscheibe an einem anderen Bauteil verstanden werden (bspw. Festlegung mittels Steckverzahnung oder mittels Pressverband oder mittels eines Abschnitts mit Bohrungen zur Befestigung mit Bolzen und/oder Schrauben).
Somit kann ein Strukturelement an der Rotorscheibe vorgesehen werden, mittels dem ein definierter Anschluss an ein Antriebselement, wie bspw. eine Rotorwelle, ermöglicht wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die warmmassivumgeformte Rotorscheibe auf einen Bereich zwischen 300 °C und 750 °C, bevorzugt auf einen Bereich zwischen 300 °C und 400 °C, abgekühlt werden. Bevorzugt kann die Abkühlung der warmmassivumgeformten Rotorscheibe kontrolliert ablaufen. Hierbei kann die kontrollierte Abkühlung vorzugsweise mittels einer kontrollierten Luftkühlung oder mittels einer kontrollierten Wasserkühlung ablaufen. Bevorzugt kann die warmmassivumgeformte Rotorscheibe mit mehr als 30 °C / min, besonders bevorzugt mehr als 40 °C / min und ferner besonders bevorzugt mehr als 50 °C / min abgekühlt werden. Es ist ferner bevorzugt auch vorstellbar, die Abkühlung auf die vorgenannten Temperaturen innerhalb sehr kurzer Zeit (bspw. wenige Sekunden) zu bewirken, bspw. mittels Eintauchen in einem Wasserbad.
Somit kann die Gefügebildung während der Abkühlung der warmmassivumgeformten Rotorscheibe hinsichtlich einer geringen Magnetisierbarkeit bei gleichzeitig hoher mechanischer Festigkeit gesteuert und optimiert werden.
Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform kann nach dem Warmmassivumformen oder nach dem Abkühlen ein zentrales Durchgangsloch zur Aufnahme eines Antriebselements, wie einer Rotorwelle, in der Rotorscheibe oder dem Flanschabschnitt vorgesehen werden. Bevorzugt kann das Durchgangsloch von dem Montageabschnitt und (wenn vorhanden) von dem Innenbund umgeben sein. Das Durchgangsloch kann dabei vorzugsweise durch Stanzen (oder auch Scherschneiden), besonders bevorzugt durch Trennen, Zerteilen, und/oder Lochen, vorgesehen werden.
Somit kann eine Durchtrittsöffnung für das Antriebselement vorgesehen werden, sodass die an der Rotorscheibe erzeugte magnetische Kraft auf das Antriebselement zum rotatorischen Antrieb übertragen werden kann.
Gemäß einer ferner bevorzugten Ausführungsform kann die warmmassivumgeformte Rotorscheibe, bevorzugt nach dem Abkühlen, (mit einem rostfreien Strahlmittel) gestrahlt werden. So kann bspw. Stahlkorn als Strahlmittel verwendet werden. Bevorzugt kann die warmmassivumgeformte Rotorscheibe weiterbearbeitet werden. Bevorzugt kann dies nach dem Abkühlen und bevorzugt nach einem Strahlen der Rotorscheibe erfolgen.
Somit kann die gefertigte Rotorscheibe schnell gereinigt und Grate effizient entfernt werden. Ferner kann die dynamische Belastbarkeit der Rotorscheibe durch das Strahlen erhöht werden, da es beim Strahlen zu Oberflächenverfestigungen und Druckeigenspannungen in der Rotorscheibe kommen kann, die sich auf die Belastbarkeit günstig auswirken können.
Gemäß einer weiter bevorzugten Ausführungsform kann die warmmassivumgeformte Rotorscheibe eine relative magnetische Permeabilität von µ_rel < 1,4 aufweisen. Alternativ kann die warmmassivumgeformte Rotorscheibe eine relative magnetische Permeabilität von µ_rel ≤ 1,3 oder µ_rel ≤ 1,25 oder von µ_rel ≤ 1,2 aufweisen.
Somit kann die Rotorscheibe mit einer noch geringeren Magnetisierbarkeit bereitgestellt werden, sodass bei Verwendung einer so konfigurierten Rotorscheibe die Verluste durch Störmagnetfelder und Wirbelströme noch weiter reduziert werden können.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die warmmassivumgeformte Rotorscheibe eine Dehngrenze (bevorzugt die 0,2-%-Dehngrenze) oberhalb von 300 MPa aufweisen. Bevorzugt kann die warmmassivumgeformte Rotorscheibe eine Dehngrenze im Bereich von 315 MPa bis 600 MPa aufweisen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann die warmmassivumgeformte Rotorscheibe eine Dehngrenze (bevorzugt die 0,2-%-Dehngrenze) aufweisen, die zumindest 15 %, bevorzugt zumindest 20 % oberhalb der Dehngrenze des Vormaterials ist.
Hierbei kann oftmals nur die Dehngrenze als Ersatzstreckgrenze (R_pO,2) angegeben werden, da austenitische Stähle oft beim Zugversuch keine ausgeprägte Streckgrenze zeigen. Mit den vorgenannten Dehngrenzen kann eine Rotorscheibe mit hoher mechanischer Festigkeit zur Übertragung hoher Drehmomente bereitgestellt werden.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Rotorscheibe. Die Rotorscheibe weist wenigstens einen (bevorzugt platten- oder scheibenförmigen) Montageabschnitt zur Montage von Magnetfeld-erzeugenden Bauteilen auf. Die Rotorscheibe ist hergestellt aus einem nichtrostenden austenitischen Stahl mit einem der Verfahren, das oben zu dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben wurde.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ebenfalls eine Rotorscheibe. Die Rotorscheibe weist einen (bevorzugt platten- oder scheibenförmigen) Montageabschnitt. Die Rotorscheibe weist ferner einen den Montageabschnitt außen umlaufenden Außenbund, und einen den Montageabschnitt innen umlaufenden Innenbund auf. Zudem weist die Rotorscheibe einen von dem Innenbund umgebenden Flanschabschnitt mit einem zentralen Durchgangsloch zur Aufnahme eines Antriebselements auf, wobei der Außenbund und der Innenbund zusammen mit dem Montageabschnitt einen Montageraum zur wenigstens teilweisen Aufnahme von Magnetfeld-erzeugenden Bauteilen begrenzen. Die Rotorscheibe ist dabei aus einem nichtrostenden austenitischen Stahl durch Warmmassivumformung hergestellt, wobei der nichtrostende austenitische Stahl eine chemische Zusammensetzung mit wenigstens Chrom, Nickel und Kohlenstoff als Legierungselementen mit folgenden Massenanteilen aufweist: Chrom zwischen 16%-20%, Nickel zwischen 8%-15%, und Kohlenstoff bis maximal 0,1%. Die Rotorscheibe weist dabei eine relative magnetische Permeabilität von µ_rel ≤ 1,4 auf.
Die beiden vorgenannten erfindungsgemäßen Rotorscheiben können einzelne oder beliebige Kombinationen aller Merkmale aufweisen, die bereits oben für das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben wurden. Die Effekte ergeben sich für die Rotorscheiben entsprechend.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der vorgenannten erfindungsgemäßen Rotorscheiben kann der Montageabschnitt plattenförmig oder scheibenförmig ausgestaltet sein. Bevorzugt kann der Montageabschnitt sich längs einer Longitudinalachse der Rotorscheibe und quer dazu entlang einer transversalen (bspw. radialen) Richtung der Rotorscheibe erstrecken, wobei bevorzugt die Dicke des Montageabschnitts durch die Längserstreckung und die Form durch die Quererstreckung des Montageabschnitts definiert sein kann.
Gemäß der Erfindung kann dabei der Ausdruck „plattenförmig“ oder „scheibenförmig“ als jede dreidimensionale Ausgestaltung eines Strukturelementes der Rotorscheibe verstanden werden, welche eine flache und/oder dünne - und bei „scheibenförmiger“ Ausgestaltung ferner eine zylindrische - Form aufweisen kann (bspw. bzgl. Längserstreckung des Montageabschnitts). Der Montageabschnitt kann sich (transversal) in bevorzugt einer Ebene (bspw. flächig) erstrecken. Natürlich kann der Montageabschnitt aber auch eine dreidimensionale Struktur aufweisen, wie bspw. eine Reliefstruktur. Bevorzugt kann der Montageabschnitt kreisrund in Draufsicht entlang der Längsachse der Rotorscheibe sein. Jedoch ist der Montageabschnitt nicht auf einen rein kreiszylindrischen scheibenförmigen Abschnitt oder Absatz begrenzt, sondern kann jede beliebige zur Montage der Magnetfeld-erzeugenden Bauteile geeignete Form aufweisen, wie bspw. eine zylindrische, mehreckige, kreisrunde, flächige, reliefartige, und/oder ebene Form.
Mittels der Rotorscheiben gemäß der Erfindung kann bspw. das Auftreten von Wirbelströmen und Magnetstärkeverlusten in einer elektrischen Maschine verhindert oder zumindest verringert werden. Ferner kann die mechanische Belastbarkeit der Rotorscheiben erhöht werden. Dies ist gerade bei Axialflussmaschinen von Vorteil, bei denen ein höheres Drehmoment als bei vergleichbaren elektrischen Maschinen erzeugbar oder übertragbar ist.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine elektrische Maschine. Die elektrische Maschine kann bspw. ein Motor und/oder ein Generator sein, bevorzugt kann sie auch ein Axialflussmotor und/oder ein Axialflussgenerator sein.
So kann bspw. ein Axialflussmaschine als eine elektrische Maschine aufgefasst werden, bei der der Stator zwischen zwei Rotorscheiben angeordnet ist, sodass während des Betriebs der elektromagnetische Fluss parallel zur Drehachse des Rotors verläuft.
Die elektrische Maschine weist dabei eine Rotoranordnung mit einer der oben beschriebenen Rotorscheiben auf. Die Rotoranordnung weist ferner eine Rotorwelle mit einer Längsachse zum rotatorischen Antrieb der Rotorscheibe oder zum rotatorischen Abtrieb von der Rotorscheibe um die Längsachse herum auf. Die Rotoranordnung weist zudem (erste) Magnetfeld-erzeugende Bauteile auf, welche auf dem (bevorzugt platten- oder scheibenförmigen) Montageabschnitt um die Längsachse herum montiert sind.
Gemäß der Erfindung kann dabei bspw. als eine „Rotoranordnung“ der sich bewegende (rotierende) und magnetisch wirkende Teil einer elektrischen Maschine verstanden werden. Er besteht bspw. aus einer Anordnung aus einer Welle und Magnetfeld-erzeugenden Teilen.
Die elektrische Maschine weist ferner eine Statoranordnung auf, welche ebenfalls (zweite) Magnetfeld-erzeugende Bauteile aufweist, welche den ersten Magnetfeld-erzeugenden Bauteilen axial gegenüberliegend angeordnet sind.
Gemäß der Erfindung kann dabei bspw. als eine „Statoranordnung“ der feststehende (bzgl. Rotorwelle, Rotorscheibe und/oder Rotoranordnung) und magnetisch wirkende Teil einer elektrischen Maschine verstanden werden. Der Stator kann bspw. radial außen von der Rotoranordnung oder axial innen zwischen zwei Rotorscheiben einer Rotoranordnung angeordnet sein.
Durch das Bereitstellen wenigstens einer Rotorscheibe gemäß einem der oben genannten Aspekte der Erfindung ist es insbesondere möglich, eine elektrische Maschine bereitzustellen, welche eine hohe Effizienz und Leistungsfähigkeit aufweist. Dabei können aufgrund der höheren mechanischen Festigkeit der Rotorscheibe insbesondere höhere Drehmomente erzeugt oder übertragen werden. Insbesondere ist es ferner möglich, die Herstellungskosten für die elektrische Maschine zu reduzieren.
Figurenbeschreibung
Weitere Ausgestaltungsformen und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit den Figuren der begleitenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

1 eine Vorderansicht einer Rotorscheibe gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
2 eine Schnittdarstellung der Rotorscheibe aus 1 entlang der Linie II-II.
3 eine perspektivische Darstellung der Rotorscheibe aus 1.
4 eine schematische Darstellung einer elektrischen Maschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Detaillierte Beschreibung
Die Figuren zeigen unterschiedliche Ansichten und Aspekte eines Ausführungsbeispieles einer Rotorscheibe 100 und einer elektrischen Maschine 200 gemäß der Erfindung. Die in den 1 bis 4 beispielhaft dargestellte Rotorscheibe 100 zeigt ferner ein Beispiel einer Rotorscheibe, die gemäß einem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren erzeugbar ist.
Die Rotorscheibe 100 kann dabei insbesondere in elektrischen Maschinen, wie einem Motor oder Generator, bevorzugt einem Axialflussmotor oder einem Axialflussgenerator, Verwendung finden. Die 1 bis 4 zeigen beispielhaft die Rotorscheibe 100. 4 zeigt beispielhaft den Aufbau einer elektrischen Maschine 200, in welcher auch mehr als eine Rotorscheibe 100, bevorzugt zwei der Rotorscheiben 100 vorgesehen sein können.
Für die Herstellung der Rotorscheibe 100 wird ein Vormaterial bereitgestellt. So kann es sich bei dem Vormaterial bspw. um eine Vorform oder einen Rohling handeln.
Das Vormaterial ist aus einem nichtrostenden austenitischen Stahl, welcher eine chemische Zusammensetzung mit wenigstens den Legierungselementen Chrom, Nickel und Kohlenstoff aufweist. Die Zusammensetzung weist dabei Chrom mit einem Massenanteil von zwischen 16 % - 20 %, Nickel mit einem Massenanteil von zwischen 8 % - 15 %, und Kohlenstoff mit einem Massenanteil von bis maximal 0,1 % auf.
Alternativ oder zusätzlich kann der nichtrostende austenitische Stahl des Vormaterials ferner wenigstens als Legierungselement Mangan mit einem Massenanteil von bis maximal 2 %, Silizium mit einem Massenanteil von bis maximal 1 %, und/oder Molybdän mit einem Massenanteil von bis maximal 2% aufweisen. Ferner bevorzugt kann der Massenanteil von Nickel bis auf maximal 11% begrenzt sein. Bevorzugt kann der Kohlenstoffanteil sich auf einen Massenanteil von bis maximal 0,07 % beschränken. So kann das Vormaterial bspw. ein nichtrostender austenitischer Stahl mit der Bezeichnung 1.4301 oder 1.4307 (Zusammensetzung gemäß DIN EN 10088-3) sein. Bevorzugt kann der Stahl noch weitere Austenit-stabilisierende Legierungselemente aufweisen.
Das Vormaterial weist eine zylindrische Form mit einem maximalen Durchmesser von 140 mm auf. Natürlich sind auch andere maximale Durchmesser denkbar, wie bspw. maximal 100 mm, maximal 50 mm, oder maximal 25 mm.
So kann das Vormaterial bspw. dadurch bereitgestellt werden, indem der Stahl zu einem Rundstab mit einem der vorgenannten maximalen Durchmesser gegossen und/oder gewalzt wird und ein Teil dieses Rundstabes abgetrennt wird, um so das Vormaterial zu bilden. Bevorzugt kann das Abtrennen des Vormaterials vom Rundstab durch Sägen oder Scheren erfolgen.
Das Vormaterial wird warmmassivumgeformt, um die Rotorscheibe 100 derart zu bilden, dass die Rotorscheibe 100 dabei wenigstens einen Montageabschnitt 110 zur Montage von Magnetfeld-erzeugenden Bauteilen aufweist. Bevorzug kann der Montageabschnitt 110 plattenförmig und/oder scheibenförmig ausgebildet sein. Die 1 bis 4 zeigen Beispiele für eine scheibenförmige Ausgestaltung des Montageabschnitts 110.
Bevorzugt kann das Vormaterial lösungsgeglüht sein, ehe das Vormaterial warmmassivumgeformt wird, um die Rotorscheibe 100 zu bilden.
Der Schritt des Warmmassivumformens kann dabei einen ersten Teilschritt aufweisen, indem das Vormaterial gestaucht wird, um einen maximalen Durchmesser des Vormaterials um einen Faktor 2 (oder bevorzugt auch 2,5 oder 3) zu vergrößern, um derart ein vorgeformtes Produkt (welches noch immer ein Werkstück darstellt) zu bilden. Bevorzugt kann das in diesem Teilschritt erzeugte Produkt bspw. somit noch nicht zum Betrieb in einer elektrischen Maschine verwendet werden. In einem zweiten Teilschritt kann dann die Rotorscheibe 100 mittels Gesenkschmieden gebildet werden. Die Warmmassivumformung kann bspw. mit Grat oder als gratlose Warmmassivumformung durchgeführt werden, wenn bspw. gratloses Gesenkschmieden angewendet wird. Bevorzugt kann die Rotorscheibe 100 so einen Durchmesser von bis zu 300 mm aufweisen. Jedoch sind auch andere Größen vorstellbar, die bspw. von der Größe der jeweiligen elektrischen Maschine 200 abhängig sein können.
Die Warmmassivumformung kann mit verschiedenen Umformtemperaturen durchgeführt werden. So kann die Umformtemperatur bspw. wenigstens in einem Temperaturbereich oberhalb der Rekristallisationstemperatur oder in einem Temperaturbereich von 70% bis 85% der Schmelztemperatur des Stahls liegen. Alternativ oder zusätzlich kann die Warmmassivumformung bspw. in einem Temperaturbereich zwischen 1100 °C und 1300 °C durchgeführt werden.
Der Schritt des Warmmassivumformens kann natürlich auch das Formen weiterer Strukturen an der Rotorscheibe 100 umfassen. So kann bspw. beim Warmmassivumformen aus dem Vormaterial ein den Montageabschnitt 110 außen umlaufender Außenbund 120 gebildet werden. Dieser ist exemplarisch in den 1 bis 4 dargestellt. Ferner kann beim Warmmassivumformen aus dem Vormaterial ein den Montageabschnitt 110 innen umlaufender Innenbund 130 gebildet werden. Dieser ist exemplarisch in den 1 bis 3 dargestellt. Bevorzugt kann das Vormaterial derart warmmassivumgeformt werden, sodass der Außenbund 120 und der Innenbund 130 zusammen mit dem Montageabschnitt 110 einen Montageraum 111 zur wenigstens teilweisen Aufnahme der Magnetfeld-erzeugenden Bauteile begrenzen. Dies ist exemplarisch in den 1 bis 3 dargestellt. Beim Warmmassivumformen kann aus dem Vormaterial ferner ein von dem Montageabschnitt 110 und, wenn vorhanden, ferner von dem Innenbund 130 umgebender Befestigungsabschnitt 140 zur funktionalen Montage der Rotorscheibe 100 an einem Antriebselement 240, wie bspw. einer Rotorwelle 241, gebildet werden. Wie in den 1 bis 3 exemplarisch dargestellt, kann der Befestigungsabschnitt 140 als ein Flanschabschnitt 141 ausgebildet sein. Es ist natürlich auch vorstellbar, den Befestigungsabschnitt 140 mit anderen Befestigungselementen vorzusehen, wie bspw. einer Keilwelle. Alternativ kann der Befestigungsabschnitt 140 auch derart ausgebildet sein, dass eine funktionale Montage (also bspw. Fixierung oder Befestigung) der Rotorscheibe 100 an dem Antriebselement 240 mittels Pressverband bewirkt werden kann.
Sich (unmittelbar) an das Warmmassivumformen anschließend kann in der Rotorscheibe 100 oder in dem Flanschabschnitt 141 ein von dem Montageabschnitt 110 und von dem Innenbund 130 umgebendes zentrales Durchgangsloch 143 zur Aufnahme eines antreibenden Elementes, wie bspw. der Rotorwelle 241, vorgesehen werden. Dies kann bspw. durch Stanzen oder Lochen erfolgen. Jedoch sind auch andere Verfahren hierzu möglich. Die 1 bis 4 zeigen das Durchgangsloch 143 exemplarisch.
Die warmmassivumgeformten Rotorscheibe 100 wird nach dem Umformen abgekühlt. Bevorzugt kann die Abkühlung der warmmassivumgeformten Rotorscheibe 100 kontrolliert erfolgen. So kann die Abkühlung bspw. mittels kontrollierter Luftkühlung oder mittels kontrollierter Wasserkühlung ablaufen. Hierzu kann bspw. die warmmassivumgeformte Rotorscheibe 100 mit einer (Mindest-)Kühlrate von wenigstens 30 °C pro Minute, wenigstens 40 °C pro Minute oder wenigstens 50 °C pro Minute abgekühlt werden. Bevorzugt kann eine Abkühlung von einer Umformtemperatur von höher als 1100 °C auf eine Lagertemperatur von maximal 750 °C, bevorzugt von wenigstens 400 °C, ferner bevorzugt von 300 °C erfolgen. Dies kann bspw. innerhalb von bis zu 20 Minuten oder auch weniger (bspw. ca. 7 Minuten) erfolgen.
Nach dem Abkühlen kann die warmmassivumgeformte Rotorscheibe 100 weiterbearbeitet werden. So kann als weiterer Arbeitsschritt die Rotorscheibe 100 bspw. mit einem rostfreien Strahlmittel gestrahlt werden. An diesen Arbeitsschritt können sich natürlich in Folge noch weitere andere Verfahrensschritte anschließen. So kann bspw. als weiterer Verfahrensschritt das zentrale Durchgangsloch 143 durch Stanzen oder Lochen in dem Flanschabschnitt 141 vorgesehen werden. Bevorzugt kann das Durchgangsloch 143 mit einer Keilwelle oder einer Steckverzahnung versehen werden oder auch als Passung ausgeführt sein.
Die (fertige) Rotorscheibe 100 weist eine relative magnetische Permeabilität von µ_rel ≤ 1,4 auf. Es ist ferner auch vorstellbar, dass die warmmassivumgeformte Rotorscheibe 100 eine relative magnetische Permeabilität von µ_rel < 1,4, oder von µ_rel ≤ 1,3, oder von µ_rel ≤ 1,25, oder gar von µ_rel ≤ 1,2 aufweisen kann. Bevorzugt kann die Rotorscheibe 100 einen dieser Werte für die relative magnetische Permeabilität µ_rel (bereits) unmittelbar nach dem Abkühlen aufweisen.
Bevorzugt kann die warmmassivumgeformte Rotorscheibe 100 eine Dehngrenze oberhalb von 300 MPa aufweisen. Hierbei kann die warmmassivumgeformte Rotorscheibe 100 auch eine Dehngrenze aufweisen, welche höher liegt als die Dehngrenze des Vormaterials.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine aus einem nichtrostenden austenitischen Stahl, wie bspw. der oben beschriebene Stahl, hergestellte Rotorscheibe, wie bspw. die zuvor beschriebene Rotorscheibe 100, wobei diese nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellt ist und wenigstens einen Montageabschnitt, wie bspw. den vorgenannten (vorzugsweise platten- und/oder scheibenförmigen) Montageabschnitt 110, umfasst.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Rotorscheibe im Generellen, wie sie die oben diskutierte und in 1 bis 4 exemplarisch dargestellte Rotorscheibe 100 sein kann.
Die Rotorscheibe 100 weist dabei einen Montageabschnitt, wie den zuvor diskutierten Montageabschnitt 110 auf. Ferner weist die Rotorscheibe einen den Montageabschnitt 110 außen umlaufenden Außenbund, wie den zuvor diskutierten Außenbund 120, und einen den Montageabschnitt 110 innen umlaufenden Innenbund, wie den zuvor diskutierten Innenbund 130, auf. Ferner ist ein von dem Innenbund 130 umgebender Flanschabschnitt, wie der zuvor diskutierte Flanschabschnitt 141, mit einem zentralen Durchgangsloch, wie das zuvor diskutierte Durchgangsloch 143, zur Aufnahme eines antreibenden Elements, wie einer Welle, vorgesehen. Der Außenbund 120 und der Innenbund 130 begrenzen zusammen mit dem Montageabschnitt 110 einen Montageraum, wie den zuvor beschriebenen Montageraum 111, zur wenigstens teilweisen Aufnahme von Magnetfeld-erzeugenden Bauteilen. Die Rotorscheibe 100 ist dabei aus einem nichtrostenden austenitischen Stahl durch Warmmassivumformung hergestellt, wobei der nichtrostende austenitische Stahl eine der zuvor beschriebenen chemischen Zusammensetzungen mit Legierungselementen aufweist. Die Rotorscheibe 100 weist eine relative magnetische Permeabilität von µ_rel ≤ 1,4 auf.
Natürlich ist es vorstellbar, dass die Rotorscheibe 100 sämtliche Merkmale und Eigenschaften einer der mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren erzeugten Rotorscheiben aufweisen kann.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine elektrische Maschine 200. Bei der elektrischen Maschine 200 kann es sich bspw. um einen Axialflussmotor oder einen Axialflussgenerator handeln. 4 veranschaulicht vereinfacht den grundlegenden Aufbau der elektrischen Maschine 200.
So weist die elektrische Maschine 200 eine Rotoranordnung 210 mit wenigstens einer Rotorscheibe oder einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Rotorscheibe auf, wie der zuvor diskutierten Rotorscheibe 100. Die vorgesehenen Rotorscheiben 100 können identisch oder unterschiedlich ausgebildet sein. In der Rotoranordnung 210 ist ferner eine Rotorwelle 241 mit einer Längsachse LA zum rotatorischen Antrieb (oder Abtrieb) der Rotorscheibe 100 um die Längsachse LA herum vorgesehen. Ferner sind auf der Rotorscheibe 100, genauer auf dem (bspw. platten- und/oder scheibenförmigen) Montageabschnitt 110, um die Längsachse LA herum erste Magnetfeld-erzeugenden Bauteilen 150 montiert. Bei den ersten Magnetfeld-erzeugenden Bauteilen 150 kann es sich bspw. um Elektromagneten (bspw. mit Spulen und Eisenkern) oder Permanentmagneten handeln. Hierbei kann bspw. der Außenbund 120 vorzugsweise die ersten Magnetfeld-erzeugenden Bauteile 150 radial nach außen hin über den Umfang bevorzugt vollständig einfassen. Die ersten Magnetfeld-erzeugenden Bauteile 150 können dabei bspw. in dem Bauraum 111 vorgesehen sein. Bevorzugt kann die Rotorwelle 241 durch das Durchgangsloch 143 geführt sein und mittels dem Befestigungsabschnitt 140 mit der Rotorscheibe 100 (bspw. wenigstens drehfest) verbunden sein.
Die elektrische Maschine 200 weist ferner eine Statoranordnung 220 auf. In der Statoranordnung 220 sind zweite Magnetfeld-erzeugenden Bauteilen 225 vorgesehen, welche den ersten Magnetfeld-erzeugenden Bauteilen 150 axial gegenüberliegend angeordnet sind. Bei den zweiten Magnetfeld-erzeugenden Bauteilen 225 kann es sich bspw. um Elektromagneten oder Permanentmagneten handeln.
In 4 ist beispielhaft ein Axialflussmotor als die elektrische Maschine 200 dargestellt, bei dem die Statoranordnung 220 zwischen zwei Rotorscheiben 100 mit jeweils zugehörigen ersten Magnetfeld-erzeugenden Bauteilen 150 angeordnet ist. Die Rotorscheiben 100 können dabei an mit Relation zu der Statoranordnung 220 entgegengesetzten Enden der Rotoranordnung 210 vorgesehen sein. Bevorzugt kann die elektrische Maschine 200 zum Antrieb von Fahrzeugen, wie bspw. einem Automobil, einem Motorrad, einem Leichtkraftfahrzeug, einem Lastenfahrrad oder einem (S-)Pedelec vorgesehen sein. Die vorgenannten Kraftfahrzeuge sind jedoch lediglich Beispiele und keine vollständige Aufzählung.
Die vorliegende Erfindung ist durch die vorbeschriebenen Ausführungsbeispiele nicht beschränkt, sofern sie vom Gegenstand der folgenden Ansprüche umfasst ist. Insbesondere sind sämtliche Merkmale der Ausführungsbeispiele in beliebiger Weise mit- und untereinander kombinierbar und austauschbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN 10088-3 [0020, 0021, 0065]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Rotorscheibe (100) für eine elektrische Maschine (200), insbesondere einen Axialflussmotor oder einen Axialflussgenerator, wobei die Rotorscheibe (100) wenigstens einen Montageabschnitt (110) zur Montage von Magnetfeld-erzeugenden Bauteilen aufweist, wobei das Verfahren aufweist: • Bereitstellen eines Vormaterials, wie einer Vorform oder eines Rohlings, mit einer zylindrischen Form mit einem maximalen Durchmesser von 140 mm aus einem nichtrostenden austenitischen Stahl, welcher eine chemische Zusammensetzung mit wenigstens folgenden Legierungselementen nach Massenanteil aufweist: ◯ Kohlenstoff bis maximal 0,1 %, ◯ Chrom zwischen 16 % - 20 %, ◯ Nickel zwischen 8 % - 15 %, und • Warmmassivumformen des Vormaterials zur Bildung der Rotorscheibe (100), und • Abkühlen der warmmassivumgeformten Rotorscheibe (100), wobei die Rotorscheibe (100) eine relative magnetische Permeabilität von µ_rel ≤ 1,4 aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Bereitstellens des Vormaterials aufweist: • Gießen und/oder Walzen des Stahls zu einem Rundstab mit einem maximalen Durchmesser von 140 mm, und • Abtrennen eines Teils des Rundstabes, vorzugsweise mittels Sägen oder Scheren, wobei der abgetrennte Teil das Vormaterial bildet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der nichtrostende austenitische Stahl des Vormaterials ferner wenigstens eines oder eine Kombination der folgenden Legierungselemente nach Massenanteil in seiner chemischen Zusammensetzung aufweist: • Kohlenstoff bis maximal 0,07%, • Mangan bis maximal 2%, • Silizium bis maximal 1%, • Molybdän bis maximal 2%, • Nickel bis maximal 11%.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Vormaterial aus nichtrostendem austenitischem Stahl 1.4301 oder 1.4307 nach DIN EN 10088-3 hergestellt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Durchmesser des Vormaterials maximal 100 mm, und bevorzugt maximal 50 mm, und besonders bevorzugt maximal 25 mm, beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Vormaterial lösungsgeglüht ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Warmmassivumformens aufweist: • einen ersten Teilschritt des Stauchens des Vormaterials, um einen maximalen Durchmesser des Vormaterials um einen Faktor 2, insbesondere 2,5, insbesondere 3, zu vergrößern, um derart ein vorgeformtes Produkt, das ein Werkstück ist, zu bilden, und • einen zweiten Teilschritt des Gesenkschmiedens, vorzugsweise des gratlosen Gesenkschmiedens, um derart die Rotorscheibe (100) zu bilden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Warmmassivumformung in wenigstens einem oder einer Kombination der folgenden Temperaturbereiche durchgeführt wird: • in einem Temperaturbereich oberhalb der Rekristallisationstemperatur, • in einem Temperaturbereich von 70% bis 85% der Schmelztemperatur des Stahls, • in einem Temperaturbereich zwischen 1100°C und 1300°C.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Warmmassivumformung als gratlose Warmmassivumformung durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim Warmmassivumformen aus dem Vormaterial ferner ein den Montageabschnitt (110) außen umlaufender Außenbund (120) gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim Warmmassivumformen aus dem Vormaterial ferner ein den Montageabschnitt (110) innen umlaufender Innenbund (130) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 10 und 11, wobei das Vormaterial derart warmmassivumgeformt wird, sodass der Außenbund (120) und der Innenbund (130) zusammen mit dem Montageabschnitt (110) einen Montageraum (111) zur wenigstens teilweisen Aufnahme der Magnetfeld-erzeugenden Bauteile begrenzen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim Warmmassivumformen aus dem Vormaterial ferner ein von dem Montageabschnitt (110) und, wenn vorhanden, ferner von dem Innenbund (130) umgebender Befestigungsabschnitt (140), vorzugsweise ein Flanschabschnitt (141), zur funktionalen Montage der Rotorscheibe (100) an einem Antriebselement (240) gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Abkühlung der warmmassivumgeformten Rotorscheibe (100) kontrolliert abläuft, vorzugsweise mittels kontrollierter Luftkühlung oder mittels kontrollierter Wasserkühlung, wobei vorzugsweise die warmmassivumgeformte Rotorscheibe (100) mit einer Abkühlrate von mehr als 30 °C / min, bevorzugt von mehr als 40 °C/min und ferner bevorzugt von mehr als 50 °C / min abkühlt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei nach dem Warmmassivumformen oder nach dem Abkühlen ein von dem Montageabschnitt (110) und, wenn vorhanden, ferner von dem Innenbund (130) umgebendes zentrales Durchgangsloch (143) zur Aufnahme eines Antriebselements (240), wie einer Rotorwelle (241), in der Rotorscheibe (100) oder, wenn vorhanden, in dem Flanschabschnitt (141) vorgesehen wird, wobei das Durchgangsloch (143) vorzugsweise durch Stanzen, besonders bevorzugt durch Lochen, vorgesehen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die warmmassivumgeformte Rotorscheibe (100), bevorzugt nach dem Abkühlen und weiter bevorzugt nach Strahlen der Rotorscheibe (100), weiterbearbeitet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die warmmassivumgeformte Rotorscheibe (100) eine relative magnetische Permeabilität von µ_rel < 1,4 aufweist, vorzugsweise von µ_rel ≤ 1,3, besonders bevorzugt von µ_rel ≤ 1,2.
Verfahren nach einen der vorherigen Ansprüche, wobei die warmmassivumgeformte Rotorscheibe (100) eine Dehngrenze oberhalb von 300 MPa aufweist.
Rotorscheibe (100) wenigstens mit einem Montageabschnitt (110) zur Montage von Magnetfeld-erzeugenden Bauteilen, hergestellt aus einem nichtrostenden austenitischen Stahl mit einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Rotorscheibe (100) aufweisend: • einen Montageabschnitt (110), • einen den Montageabschnitt (110) außen umlaufenden Außenbund (120), • einen den Montageabschnitt (110) innen umlaufenden Innenbund (130), und • einen von dem Innenbund (130) umgebenden Flanschabschnitt (141) mit einem zentralen Durchgangsloch (143) zur Aufnahme eines Antriebselements (240), wobei der Außenbund (120) und der Innenbund (130) zusammen mit dem Montageabschnitt (110) einen Montageraum (111) zur wenigstens teilweisen Aufnahme von Magnetfeld-erzeugenden Bauteilen begrenzen, wobei die Rotorscheibe (100) aus einem nichtrostenden austenitischen Stahl durch Warmmassivumformung hergestellt ist, wobei der nichtrostende austenitische Stahl eine chemische Zusammensetzung mit folgenden Legierungselementen nach Massenanteil aufweist: • Kohlenstoff bis maximal 0,1%, • Chrom zwischen 16%-20%, • Nickel zwischen 8%-15%, und wobei die Rotorscheibe (100) eine relative magnetische Permeabilität von µ_rel ≤ 1,4 aufweist.
Elektrische Maschine (200), insbesondere Axialflussmotor und/oder Axialflussgenerator, aufweisend: • eine Rotoranordnung (210) mit ◯ einer Rotorscheibe (100) nach einem der Ansprüche 19 oder 20, ◯ einer Rotorwelle (241) mit einer Längsachse (LA) zum rotatorischen Antrieb der oder Abtrieb von der Rotorscheibe (100) um die Längsachse (LA) herum, und ◯ ersten Magnetfeld-erzeugenden Bauteilen (150), welche auf dem Montageabschnitt (110) um die Längsachse (LA) herum montiert sind; und • eine Statoranordnung (220) mit ◯ zweiten Magnetfeld-erzeugenden Bauteilen (225), welche den ersten Magnetfeld-erzeugenden Bauteilen (150) axial gegenüberliegend angeordnet sind.