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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine, insbesondere für die Verwendung innerhalb eines Antriebsstrangs eines hybrid- oder vollelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, wobei der Rotor aus einer Mehrzahl von aus paketierten Rotorblechen aufgebauten Rotorkörpern gebildet ist, und die Rotorkörper mit Permanentmagneten bestückt sind, wobei die Rotorkörper relativ zueinander um eine gemeinsame Drehachse verdreht sind, wobei der Rotor hierdurch einen durch die gesamte Verdrehung der Rotorkörper definierten Verschränkungswinkel aufweist. Die Erfindung betrifft ferner eine Fertigungsanordnung zur Herstellung eines Rotors, ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors und eine elektrische Maschine.
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Bei Kraftfahrzeugen werden für den Antrieb verstärkt Elektromotoren eingesetzt, um Alternativen zu Verbrennungsmotoren zu schaffen, die fossile Brennstoffe benötigen. Um die Alltagstauglichkeit der Elektroantriebe zu verbessern und zudem den Benutzern den gewohnten Fahrkomfort bieten zu können, sind bereits erhebliche Anstrengungen unternommen worden.
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Permanenterregte Synchronmaschinen (PSM) werden bereits in vielen industriellen Anwendungen und im Zuge der Elektrifizierung zunehmend auch in der Automobilindustrie eingesetzt. Eine solche permanenterregte Synchronmaschine weist in der Regel einen zu bestromenden Stator und einen permanenterregten Rotor auf. Permanenterregte Synchronmotoren werden sowohl als Innenläufer als auch als Außenläufer (Stator innenliegend angeordnet) gebaut. Um möglichst gute Gleichlaufeigenschaften zu erreichen, werden die elektrischen Wicklungen des Stators in zahlreiche Wicklungsabschnitte aufgeteilt, die entsprechend den verwendeten Stromphasen in Umfangsrichtung aufeinanderfolgend angeordnet sind. Häufig werden moderne Synchronmotoren in einem elektrischen 3-Phasen-Netz betrieben, wobei hohe Drehmomente bereit gestellt werden können. Die Anzahl der elektrischen Teilwicklungen ist in diesem Fall ein ganzes Vielfaches von Drei. Die am Rotor ausgebildeten magnetischen Pole sind in ihrer Anzahl auf die Wicklungsweise der elektrischen Spulen am Stator angepasst. Das Verhältnis zwischen der Anzahl der Pole am Rotor und der Anzahl der am Stator ausgebildeten elektrischen Pole beeinflusst ebenfalls die Gleichlaufeigenschaften des Motors. Zwei benachbarte Pole am Rotor bilden jeweils ein sogenanntes Polpaar.
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Aufgrund der wirkenden Magnetkräfte, kommt es beim permanenterregten Synchronmotor im stromlosen Zustand bei einer manuellen Drehung des Rotors zu einem spürbaren Rastverhalten, welches im Englischen auch als cogging” bezeichnet wird. Problematischer für die Laufeigenschaften eines solchen Synchronmotors ist allerdings ein ähnlicher Effekt, der im bestromten Zustand unter Last auftritt und in diesem Zusammenhang als Lastpulsation, Drehmomentschwankung oder englisch ripple torque” bezeichnet wird. Die Lastpulsation ist im Leerlaufverhalten des Motors (wenn kein oder nur ein geringes Drehmoment abgegriffen wird) bei genügend hoher Polzahl kaum festzustellen. Wenn der Motor allerdings mit hoher Drehmomentabnahme betrieben wird, ist die Lastpulsation als periodische Drehmomentschwankung deutlich feststellbar. Die Drehmomentschwankung folgt dabei in der Regel einer Sinusschwingung, die einer höheren Harmonischen der an einem Polpaar auftretenden Drehmomentänderung entspricht.
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Da eine derartige Lastpulsation in vielen Anwendungsfällen störend wirkt, insbesondere wenn hohe Gleichlaufeigenschaften gefordert sind, gibt es unterschiedliche Ansätze im Stand der Technik, die Lastpulsation zu verringern. Beispielsweise wird versucht, der Lastpulsation entgegen zu steuern, in dem die in den Motor eingespeisten Stromwerte gegenläufig variiert werden. Eine derartige elektronische Steuerung kann bei relativ langsam laufenden Motoren und gleichbleibender Lastabnahme mit sehr schnell wirkenden Steuerschaltungen zu einer Verringerung der Lastpulsation führen. Sofern die Motorsteuerung allerdings schnell wechselnde Lastbedingungen bei hohen Drehzahlen ausgleichen muss, sind herkömmliche Steuerschaltungen bei vertretbarem Aufwand nicht mehr zur gleichzeitigen Ausregelung der Lastpulsation in der Lage.
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Ein anderer in praktischen Realisierungen verfolgter Lösungsansatz besteht darin, die Lastpulsation durch eine Schrägstellung der Pole des Rotors gegenüber den Polen des Stators zu verringern. Bei permanenterregten Synchronmotoren werden dabei die am Rotor angeordneten Dauermagnete in Bezug auf die Drehachse verkippt angeordnet. Diese Schrägstellung führt dazu, dass sich zu keinem Zeitpunkt die gesamte Querschnittsfläche der Pole gegenüber steht, was zwar einerseits zu einer Verringerung des maximalen Drehmoments andererseits aber auch zu einer nivellierenden Wirkung in Bezug auf die Lastpulsation führt.
Aus dem Stand der Technik sind Rotoren für elektrische Maschinen bekannt, die eine derartig reduzierte Drehmomentwelligkeit aufweisen. So werden beispielsweise auf der Internetseite https://etn-demeter.eu/rotor-shapingtechnologies-for-permanent-magnet-electrical-machines/ unterschiedliche Konzepte eines Rotors mit reduzierter Drehmomentwelligkeit vorgeschlagen.
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Ein aus dem Stand der Technik als Rotorschrägung bekanntes Konzept zur Reduktion der Drehmomentwelligkeit ist es, dass ein Rotor mit einer Mehrzahl von axial aneinandergereihten und gegeneinander um einen Winkel verdrehten Rotorsegmente können jeweils um einen bestimmten Winkel gegeneinander verdreht werden.
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Es sind verschiedene Rotorschrägungen bekannt. Bei einer linearen Schrägung verläuft die Schrägung der magnetischen Pole gleicher Polarität von einem ersten Rotorsegment in Axialrichtung zu einem letzten Rotorsegment linear. Es sind des Weiteren V-förmige Rotorschrägungen bekannt, bei denen der Verlauf der magnetischen Pole einer V-Form ähnelt.
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Die Rotoren von Elektromotoren werden in vielen Fällen unter Verwendung von Rotorblechen oder Rotorblechpaketen zusammengesetzt. Dabei ist für die korrekte Funktion des Elektromotors, wie oben bereits ausgeführt, eine definierte Verschränkung oder relative Winkelposition der Rotorbleche bzw. Rotorblechpakete zueinander von eminenter Bedeutung für einen harmonischen Gleichlauf der elektrischen Maschine. Daher muss bei der Montage des Rotors diese Verschränkung zuverlässig und korrekt eingestellt und die Rotorbleche bzw. Rotorblechpakete müssen mit dieser festgelegten Verschränkung auf die Rotorwelle des Rotors gefügt werden. Ferner sollte gewährleistet sein, dass die einmal korrekt eingestellte Verschränkung auch beim Betrieb des Elektromotors beibehalten wird.
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Aus der
DE102018112195 A1 ist bekannt, dass zur Verankerung aneinander in den Rotorblechen, vorzugsweise allen Rotorblechen, napf- oder hutartigen Durchstellungen, die auf der einen Rotorblechseite Vertiefungen und auf der anderen Rotorblechseite Erhabenheiten besitzen, vorhanden sind, welche in ihren Abmessungen zur Befestigung aneinander aufeinander abgestimmt sind. Das heißt, dass durch das Vorhandensein der Vertiefungen bzw. Erhabenheiten auf den jeweiligen Seiten der Rotorbleche die Umsetzung der Verschränkung der einzelnen Rotorbleche/Rotorblechpakete zueinander vereinfacht ist
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Es besteht ein anhaltendes Bedürfnis daran, die Drehmomentwelligkeit von Rotoren mittels Rotorschrägungen zu reduzieren.
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Allerdings werden bei den gängigen Verfahren zur Verbindung der Blechpakete diese in der Regel, beispielsweise innerhalb von Kunststoff-Spritzgussprozessen, erhitzt wodurch sich diese thermisch bedingt ausdehnen. Hierdurch kann es vorkommen, dass die geforderten Toleranzen der Verdrehung der einzelnen Rotorblechpakete zueinander nicht eingehalten werden können.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Rotor zur Verfügung zu stellen, bei welchen die Drehmomentwelligkeit reduziert und damit die Laufruhe und Lebensdauer des Rotors erhöht werden kann. Es ist ferner die Aufgabe der Erfindung, einen kostengünstig herstellbaren Rotor zu realisieren, welcher eine möglichst hohe Genauigkeit bei der Verdrehung der einzelnen Rotorblechpakete zueinander gewährleisten kann. Des Weiteren ist die Aufgabe der Erfindung eine verbesserte Fertigungsanordnung zur Herstellung eines Rotors und ein optimiertes Verfahren zur Herstellung eines Rotors zu realisieren. Auch ist es die Aufgabe der Erfindung eine elektrische Maschine mit einer hohen Laufruhe bei kostengünstiger Herstellung bereit zu stellen.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Rotor für eine elektrische Maschine, insbesondere für die Verwendung innerhalb eines Antriebsstrangs eines hybrid- oder vollelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, wobei der Rotor aus einer Mehrzahl von aus paketierten Rotorblechen aufgebauten Rotorkörpern gebildet ist, und die Rotorkörper mit Permanentmagneten bestückt sind, wobei die Rotorkörper relativ zueinander um eine gemeinsame Drehachse verdreht sind, wobei der Rotor hierdurch einen durch die gesamte Verdrehung der Rotorkörper definierten Verschränkungswinkel aufweist, wobei die Rotorbleche jeweils wenigstens ein erstes von einem ersten stabartigen Werkzeug axial durchgreifbares Verschränkungsloch aufweisen, mittels dessen die relative Verschränkung von zwei axial benachbarten Rotorkörpern einstellbar ist, und die ersten Verschränkungslöcher im Rotor fluchtend zueinander angeordnet sind, so dass ein sich axial durch den Rotor erstreckender erster Kanal gebildet ist, wobei die ersten Verschränkungslöcher eine von der Kreisform abweichende Kontur besitzen, die eine Längserstreckung in radialer Richtung aufweist.
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Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass die Rotorbleche ausreichend genau in Umfangsrichtung positionierbar sind, um die geforderten Toleranzen der Verdrehung zwischen den Blechpaketen einzuhalten. Ferner können die Blechpakete leicht gefügt und die unterschiedlichen Längenausdehnungen bei verschiedenen Temperaturen der Blechpakete und des Werkzeugs ausgleichen werden. Die erfindungsgemäßen Rotoren weisen somit ein Verschränkungslochbild in den Rotorblechen auf, mittels derer die Verschränkung der Rotorkörper sehr genau definiert werden kann.
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Zunächst werden die einzelnen Elemente des beanspruchten Erfindungsgegenstandes in der Reihenfolge ihrer Relevanz oder ihrer Nennung im Anspruchssatz erläutert und nachfolgend besonders bevorzugte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes beschrieben.
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Ein Rotor ist der sich drehende (rotierende) Teil einer elektrischen Maschine. Der Rotor umfasst insbesondere eine Rotorwelle und einen oder mehrere drehfest auf der Rotorwelle angeordnete, aus Rotorblechpaketen gebildete Rotorkörper. Die Rotorwelle kann hohl ausgeführt sein, was zum einen eine Gewichtsersparnis zur Folge hat und was zum anderen die Zufuhr von Schmier- oder Kühlmittel zum Rotorkörper erlaubt.
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Unter einem Rotorkörper wird im Sinne der Erfindung der Rotor ohne Rotorwelle verstanden. Der Rotorkörper setzt sich demnach insbesondere zusammen aus einem Rotorblechpaket sowie den in die Taschen des Rotorblechpakets eingebrachten oder den umfänglich an dem Rotorblechpaket fixierten Permanentmagneten sowie ggf. vorhandenen axialen Deckelteilen zum Verschließen der der Taschen.
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Die Permanentmagnete können bevorzugt in die Taschen des Rotorblechpakets eingebracht sein. Dabei kann pro Tasche ein einziger größerer, als Stabmagnet ausgebildeter Rotormagnet oder mehrere kleinere Permanentmagnetelemente ausgebildete Rotormagnete vorgesehen werden.
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Der Rotor weist eine Mehrzahl von Rotorkörpern auf. Besonders bevorzugt sind die Rotorkörper im Wesentlichen gleichteilig, insbesondere im Wesentlichen identisch, ausgebildet. Höchst bevorzugt ist es, dass die Rotorkörper aus gleichteiligen, insbesondere im Wesentlichen identischen Rotorblechen gebildet sind. Die Rotorkörper sind also insbesondere bevorzugt aus einem Rotorblechpaket gebildet, welche aus einer Mehrzahl von in der Regel aus Elektroblech hergestellten laminierten Einzelblechen bzw. Rotorblechen zusammengesetzt sind, die übereinander zu einem Stapel, dem sog. Rotorblechpaket geschichtet und paketiert sind. Die Einzelbleche können in dem Rotorblechpaket durch Verklebung, Verschweißung oder Verschraubung zusammengehalten bleiben. Ein Rotorblechpaket kann insbesondere auch in die Taschen des Rotorblechpakets eingebrachte oder den umfänglich an dem Rotorblechpaket fixierte Permanentmagnete aufweisen.
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Der erfindungsgemäße Rotor ist für eine Verwendung in einer elektrischen Maschine vorgesehen. Diese dient üblicherweise zur Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie und/oder umgekehrt. Elektrische Maschinen umfassen in der Regel einen als Stator, Ständer oder Anker bezeichneten ortsfesten Teil sowie einen als Rotor oder Läufer bezeichneten und gegenüber dem ortsfesten Teil beweglich angeordneten Teil.
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Im Falle von als Rotationsmaschinen ausgebildeten elektrischen Maschinen wird insbesondere zwischen Radialflussmaschinen und Axialflussmaschinen unterschieden. Dabei zeichnet sich eine Radialflussmaschine dadurch aus, dass die Magnetfeldlinien in dem zwischen Rotor und Stator ausgebildeten Luftspalt, sich in radialer Richtung erstrecken, während im Falle einer Axialflussmaschine sich die Magnetfeldlinien in dem zwischen Rotor und Stator gebildeten Luftspalt in axialer Richtung erstrecken. Im Zusammenhang mit der Erfindung ist der erfindungsgemäße Rotor bevorzugt zur Verwendung in einer Radialflussmaschine vorgesehen. Der Stator einer Radialflussmaschine ist üblicherweise zylindrisch aufgebaut und besteht in der Regel aus gegeneinander elektrisch isolierten und geschichtet aufgebauten und zu Blechpaketen paketierten Elektroblechen. Über den Umfang verteilt, sind in das Elektroblech parallel zur Rotorwelle verlaufend angeordnet Nuten oder umfänglich geschlossene Ausnehmungen eingelassen, welche die Statorwicklung bzw. Teile der Statorwicklung aufnehmen. In Abhängigkeit von der Konstruktion zur Oberfläche hin können die Nuten mit Verschlusselementen, wie Verschlusskeilen oder Deckeln oder dergleichen verschlossen sein, um ein Herauslösen der Statorwicklung zu verhindern.
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Der erfindungsgemäße Rotor ist insbesondere zur Verwendung in einer elektrischen Maschine innerhalb eines Antriebsstrang eines hybrid- oder vollelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs vorgesehen.
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Insbesondere ist die elektrische Maschine so dimensioniert, dass Fahrzeuggeschwindigkeiten größer als 50 km/h, vorzugsweise größer als 80 km/h und insbesondere größer als 100 km/h erreicht werden können. Besonders bevorzugt weist der Elektromotor eine Leistung größer als 30 kW, vorzugsweise größer als 50 kW und insbesondere größer als 70 kW auf. Es ist des Weiteren bevorzugt, dass die elektrische Maschine Drehzahlen größer als 5.000 U/min, besonders bevorzugt größer als 10.000 U/min, ganz besonders bevorzugt größer als 12.500 U/min bereitstellt.
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Als Kraftfahrzeuge im Sinne dieser Anmeldung gelten Landfahrzeuge, die durch Maschinenkraft bewegt werden, ohne an Bahngleise gebunden zu sein. Ein Kraftfahrzeug kann beispielsweise ausgewählt sein aus der Gruppe der Personenkraftwagen (PKW), Lastkraftwagen (LKW), Kleinkrafträder, Leichtkraftfahrzeuge, Krafträder, Kraftomnibusse (KOM) oder Zugmaschinen.
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Im Sinne dieser Anmeldung werden unter dem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges alle Komponenten verstanden, die im Kraftfahrzeug die Leistung für den Antrieb des Kraftfahrzeugs generieren und über die Fahrzeugräder bis auf die Straße übertragen.
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Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass die Verschränkungslöcher auf einem gemeinsamen, koaxial zum Rotor positionierten Teilkreis D1 angeordnet sind.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängig formulierten Ansprüchen angegeben. Die in den abhängig formulierten Ansprüchen einzeln aufgeführten Merkmale sind in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombinierbar und können weitere Ausgestaltungen der Erfindung definieren. Darüber hinaus werden die in den Ansprüchen angegebenen Merkmale in der Beschreibung näher präzisiert und erläutert, wobei weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Rotorbleche jeweils wenigstens ein zweites von einem zweiten stabartigen Werkzeug axial durchgreifbares Verschränkungsloch aufweisen, mittels dessen die relative Verschränkung von zwei axial benachbarten Rotorkörpern einstellbar ist, und die zweiten Verschränkungslöcher im Rotor fluchtend zueinander angeordnet sind, so dass ein sich axial durch den Rotor erstreckender zweiter Kanal gebildet ist, wobei die zweiten Verschränkungslöcher eine von der Kreisform abweichende Kontur besitzen, die eine Längserstreckung in radialer Richtung aufweist.
Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass durch zwei Verschränkungslöcher eine geometrisch eindeutige Anordnung eines Rotorblechs definiert werden kann.
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Höchst bevorzugt sind die ersten und die zweiten Verschränkungslöcher um 180° versetzt zueinander auf einem gemeinsamen Teilkreis D1 angeordnet, was eine besonders gute Kompensation von thermischen Dehnungen innerhalb der Statorbleche erlaubt.
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Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass die ersten Verschränkungslöcher und/oder die zweiten Verschränkungslöcher der Rotorbleche im Wesentlichen identisch ausgeführt sind, was fertigungstechnisch besonders günstig ist.
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Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass die ersten Verschränkungslöcher und/oder zweiten Verschränkungslöcher als Langloch ausgebildet sind/ist, wobei das Langloch einen im Wesentlichen rechteckigen Abschnitt aufweist, an welchem sich beidseits in radialer Richtung jeweils ein halbkreisförmiger Abschnitt anschließt. Diese Ausbildung hat sich als besonders günstig für die Fertigung von verschränkten Rotoren herausgestellt.
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Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass der rechteckige Abschnitt in radialer Richtung eine Länge L und die halbkreisförmigen Abschnitte jeweils einen Durchmesser DS aufweisen, wobei die Länge L zwischen L=0,1 * DS und L=0,2*DS beträgt. Hierdurch lässt sich insbesondere der Wirkung erzielen, dass sich in Umfangsrichtung sehr genaue Toleranzen einhalten lassen, während in radialer Richtung hinreichend Platz zum Ausgleich von thermischen Materialdehnungen vorgehalten wird.
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Es ist ferner bevorzugt, dass die radiale Erstreckung des Langlochs kleiner ist als 0,1 * (D1 +DS) wodurch eine hinreichend gute Wärmeausdehnungskompensation bereitgestellt werden kann.
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Die Aufgabe der Erfindung kann ferner gelöst werden durch eine Fertigungsanordnung zur Herstellung eines Rotors nach einem der Ansprüche 1-5, umfassend ein erstes stabartige Werkzeug, sowie eine Mehrzahl von aus paketierten Rotorblechen aufgebaute Rotorkörper, wobei die Rotorkörper mit Permanentmagneten bestückt sind, und zueinander um eine gemeinsame Drehachse verdreht sind, wobei der Rotor hierdurch einen durch die gesamte Verdrehung der Rotorkörper definierten Verschränkungswinkel aufweist, wobei die Rotorbleche jeweils wenigstens ein erstes von dem ersten stabartigen Werkzeug axial durchgreifbares Verschränkungsloch aufweisen, mittels dessen die relative Verschränkung von zwei axial benachbarten Rotorkörpern einstellbar ist, und die ersten Verschränkungslöcher im Rotor fluchtend zueinander angeordnet sind, so dass ein sich axial durch den Rotor erstreckender erster Kanal gebildet ist, wobei die ersten Verschränkungslöcher eine von der Kreisform abweichende Kontur besitzen, die eine Längserstreckung in radialer Richtung aufweist, und das stabartige erste Werkzeug im in die ersten Verschränkungslöcher eingesetztem Zustand in radialer Richtung spielbehaftet und in Umfangsrichtung im Wesentlichen spielfrei die ersten Verschränkungslöcher durchgreift.
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Auch kann die Aufgabe der Erfindung gelöst werden durch ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors umfassend die folgenden Schritte:
- Bereitstellung eines ersten stabartigen Werkzeugs und
- Bereitstellung einer Mehrzahl von aus paketierten Rotorblechen aufgebaute Rotorkörpern, wobei die Rotorkörper mit Permanentmagneten bestückbar sind, und zueinander um eine gemeinsame Drehachse verdrehbar sind, wobei der Rotor hierdurch einen durch die gesamte Verdrehung der Rotorkörper definierten Verschränkungswinkel aufweist, wobei die Rotorbleche jeweils wenigstens ein erstes von dem ersten stabartigen Werkzeug axial durchgreifbares Verschränkungsloch aufweisen, mittels dessen die relative Verschränkung von zwei axial benachbarten Rotorkörpern einstellbar ist, und die ersten Verschränkungslöcher im Rotor fluchtend zueinander angeordnet sind, so dass ein sich axial durch den Rotor erstreckender erster Kanal gebildet ist, wobei die ersten Verschränkungslöcher eine von der Kreisform abweichende Kontur besitzen, die eine Längserstreckung in radialer Richtung aufweist,
- Aufschieben der Rotorbleche durch die ersten Verschränkungslöcher auf das stabartige erste Werkzeug.
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Auch kann es in diesem Zusammenhang vorteilhaft sein, das Verfahren dahingehend weiterzuentwickeln, dass das Aufschieben der Rotorbleche bei einer Temperatur der Rotorbleche von 15°C-35°C erfolgt. Bevorzugt besitzt das erste und das zweite Werkzeug beim Aufschieben der Rotorbleche eine Temperatur von 50-100°C, bevorzugt 65-85°C. Beim Moulden werden dann die Rotorbleche und die Werkzeuge bevorzugt auf eine Temperatur zwischen 150-200°C, bevorzugt 160-180°C erwärmt.
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Schließlich kann die Aufgabe der Erfindung auch gelöst sein, durch eine elektrische Maschine, insbesondere für die Verwendung innerhalb eines Antriebsstrangs eines hybrid- oder vollelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, umfassend einen Rotor nach einem der Ansprüche 1-5.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
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Es zeigt:
- 1 eine elektrische Maschine in einer schematischen Axialschnittansicht,
- 2 ein Rotorblechpaket eines Rotors in einer Frontalansicht,
- 3 eine Detaildarstellung eines Verschränkungslochs,
- 4 eine Fertigungsanordnung für einen Rotor in einer perspektivischen Darstellung,
- 5 ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Antriebsstrang in einer schematischen Blockschaltdarstellung.
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Die 1 zeigt einen relativ zum Stator 23 drehbar gelagerten Rotor 1 für eine elektrische Maschine 2 für die Verwendung innerhalb eines Antriebsstrangs 3 eines hybrid- oder vollelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs 4, wie es exemplarisch auch in der 5 gezeigt ist. Die elektrische Maschine 2 ist in der gezeigten Ausführungsform als Radialflussmaschine ausgeführt.
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Der Rotor 1 ist aus drei von aus paketierten Rotorblechen 5 aufgebauten Rotorkörpern 6a,6b,6c gebildet und die Rotorkörper 6a,6b,6c sind mit Permanentmagneten 8 bestückt, was aus der Zusammenschau mit der 2 ersichtlich wird.
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Die Rotorkörper 6a,6b,6c sind relativ zueinander um eine gemeinsame Drehachse 7 verdreht, wobei der Rotor 1 hierdurch einen durch die gesamte Verdrehung der Rotorkörper 6 definierten Verschränkungswinkel aufweist.
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Wie aus der 2 zu erkennen ist, weisen die Rotorbleche 5 jeweils ein erstes von einem ersten stabartigen Werkzeug 13 axial durchgreifbares Verschränkungsloch 9 auf, mittels dessen die relative Verschränkung von zwei axial benachbarten Rotorkörpern 6 einstellbar ist, und die ersten Verschränkungslöcher 9 im Rotor 1 fluchtend zueinander angeordnet sind, so dass ein sich axial durch den Rotor 1 erstreckender erster Kanal 10 gebildet ist, was sich auch gut aus der Zusammenschau von 2 mit der 3 ergibt.
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Die ersten Verschränkungslöcher 9 besitzen eine von der Kreisform abweichende Kontur 11, die eine Längserstreckung 12 in radialer Richtung aufweist.
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Die Rotorbleche 5 besitzen des Weiteren jeweils wenigstens ein zweites von einem zweiten stabartigen Werkzeug 21 axial durchgreifbares Verschränkungsloch 14, mittels dessen die relative Verschränkung von zwei axial benachbarten Rotorkörpern 6 einstellbar ist, und die zweiten Verschränkungslöcher 14 im Rotor 1 fluchtend zueinander angeordnet sind, so dass ein sich axial durch den Rotor 1 erstreckender zweiter Kanal 15 gebildet ist. Auch die zweiten Verschränkungslöcher 14 weisen eine von der Kreisform abweichende Kontur 16 auf, die eine Längserstreckung 17 in radialer Richtung besitzt.
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Die ersten Verschränkungslöcher 9 und die zweiten Verschränkungslöcher 14 der Rotorbleche 5 sind hierbei im Wesentlichen identisch ausgeführt und sind auf einem gemeinsamen, koaxial zum Rotor 1 positionierten Teilkreis D1 angeordnet.
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Die Rotorverschränkung der einzelnen Rotorkörper 6a,6b,6c wird also durch die Verschränkungslöcher 9,14 bewirkt, die auf einem gemeinsamen Teilkreis D1 angeordnet sind. Diese sind, je nach gewünschtem Verschränkungswinkel des Rotors 1, in verschiedenen Winkeln (Winkel 1, Winkel 2) auf dem Teilkreis D1 in den Rotorkörpern 6a,6b,6c eingebracht. Da lediglich einzelne Verschränkungslöcher benötigt werden, um die Verdrehung der Statorkörper 6a,6b,6c zu gewährleisten ist es möglich, diese wie in 2 erkennbar, als Langlöcher 18 auszuführen.
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Bei der Ausführung der Langlöcher 18 ist die Breite des Langlochs 18 mit so wenig Fügespiel für ein Werkzeug 13,21 wie möglich gestaltet. Die Toleranz wird hier durch die Ausdehnung des Werkzeugs 13,21 unter Temperatur und die Fertigungstoleranzen bestimmt. Die Toleranz bewegt sich dabei im Bereich von <2.5% des Durchmessers des kreisrunden Werkzeugs 13,21. Die radiale Länge des Langlochs 18 wird durch die unterschiedliche Wärmeausdehnung von der Bodenplatte 24 mit den Werkzeugen 13,21 und den Rotorblechen 5 bestimmt. Hierbei hat sich eine radiale Erstreckung des Langlochs kleiner ist als 0,1 * (D1 +DS) als besonders günstig erwiesen.
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Die ersten Verschränkungslöcher 9 und zweiten Verschränkungslöcher 14 sind in der gezeigten Ausführungsform als Langloch 18 ausgebildet, wobei das Langloch 18 einen im Wesentlichen rechteckigen Abschnitt 19 aufweist, an welchem sich beidseits in radialer Richtung jeweils ein halbkreisförmiger Abschnitt 20 anschließt, so wie es in der 3 gezeigt ist. Der rechteckige Abschnitt 19 weist in radialer Richtung eine Länge L und die halbkreisförmigen Abschnitte 20 jeweils einen Durchmesser DS auf, wobei die Länge L zwischen L=0,1 * DS und L=0,2*DS beträgt.
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In der 4 ist eine Fertigungsanordnung 22 zur Herstellung eines Rotors 1, wie er aus den 1-3 bekannt ist, gezeigt. Die Fertigungsanordnung 22 besitzt ein erstes stabartige Werkzeug 13 mit einem kreisrunden Querschnitt sowie ein zweites stabartige Werkzeug 21 mit einem kreisrunden Querschnitt. In der gezeigten Ausführungsform sind das erste Werkzeug 13 und das zweite Werkzeug 21 im Wesentlichen identisch ausgebildet. Der Durchmesser der Werkzeuge 13,21 ist so gewählt, dass die Werkzeuge 13,21 die Verschränkungslöcher 9,14 durchgreifen können. Die Werkzeuge 13,21 erstrecken sich orthoganal aus der Ebene einer Bodenplatte 24 heraus, so dass die Rotorbleche 5 auf dieser Bodenplatte 24 aufliegen, wenn diese mittels der Verschränkungslöcher 9,14 über die Werkzeuge 13,21 gesteckt werden.
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Mithilfe der Fertigungsanordnung 22 kann eine Herstellung eines Rotors 1 wie folgt erfolgen:
- Zunächst erfolgt eine Bereitstellung eines ersten und zweiten stabartigen Werkzeugs 13,21, wie es auch in der 4 gezeigt ist. Dann erfolgt die Bereitstellung einer Mehrzahl von aus paketierten Rotorblechen 5 aufgebaute Rotorkörpern 6, wobei die Rotorkörper 6 mit Permanentmagneten 8 bestückbar sind, und zueinander um eine gemeinsame Drehachse 7 verdrehbar sind, wobei der Rotor 1 hierdurch einen durch die gesamte Verdrehung der Rotorkörper 6 definierten Verschränkungswinkel aufweist. Die Rotorbleche 5 entsprechen denen in den 2-3 gezeigten. Diese Rotorbleche 5 werden dann durch die ersten Verschränkungslöcher 9,14 auf die stabartigen Werkzeug 13,21 aufgeschoben.
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Das Aufschieben der Rotorbleche 5 erfolgt bei einer Temperatur der Rotorbleche 5 von 15°C-35°C. Bevorzugt besitzt das erste und das zweite Werkzeug 13,21 beim Aufschieben der Rotorbleche 5 eine Temperatur von 50-100°C, bevorzugt 65-85°C. Beim Moulden werden dann die Rotorbleche 5 und die Werkzeuge 13,21 bevorzugt auf eine Temperatur zwischen 150-200°C, bevorzugt 160-180°C erwärmt.
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Die in dieser Anmeldung benutzten Begriffe radial , axial , tangential und Umfangsrichtung beziehen sich immer auf die Rotationsachse des Rotors der elektrischen Maschine. Die Begriffe links , rechts , oben , unten , oberhalb und unterhalb dienen hier nur dazu, um zu verdeutlichen, welche Bereiche der Abbildungen gerade im Text beschrieben werden. Die spätere Ausführung der Erfindung kann auch anders angeordnet werden. Die Erfindung ist ferner nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung ‚erste‘ und ‚zweite‘ Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rotor
- 2
- elektrische Maschine
- 3
- Antriebsstrang
- 4
- Kraftfahrzeug
- 5
- Rotorblech
- 6
- Rotorkörper
- 7
- Drehachse
- 8
- Permanentmagnet
- 9
- Verschränkungsloch
- 10
- Kanal
- 11
- Kontur
- 12
- Längserstreckung
- 13
- Werkzeug
- 14
- Verschränkungsloch
- 15
- Kanal
- 16
- Kontur
- 17
- Längserstreckung
- 18
- Langloch
- 19
- Abschnitt
- 20
- Abschnitt
- 21
- Werkzeug
- 22
- Fertigungsanordnung
- 23
- Stator
- 24
- Bodenplatte
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018112195 A1 [0010]
