DE102022202159A1

DE102022202159A1 - Elektrische Maschine sowie elektrischer Achsantrieb und Fahrzeug mit der elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102022202159A1
Application number: DE102022202159.2A
Authority: DE
Inventors: Thomas Bischof; Josef Otta; Paterne Assogba; Marco Varenkamp; Tobias Buban
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2022-03-03
Filing date: 2022-03-03
Publication date: 2023-09-07
Also published as: WO2023165809A1

Abstract

Es wird eine Elektrische Maschine 3 mit einem Stator 8 und mit einem relativ zu dem Stator 8 um eine Drehachse 100 drehbar gelagerten Rotor 9, wobei der Stator 8 und/oder der Rotor 9 ein Blechpaket 11 aufweist, welches aus mehreren in axialer Richtung in Bezug auf die Drehachse 100 übereinander gestapelten Einzelblechen 12 gebildet ist, wobei die Einzelbleche 12 durch mehrere in Umfangsrichtung verteilte Spannmittel 13 mit einer zumindest teilweise in axialer Richtung wirkenden Vorspannung beaufschlagt sind, vorgeschlagen, wobei ein Betrag der durch die Spannmittel 13 eingebrachten Vorspannung in Umfangsrichtung des Blechpakets 11 variiert, um ein dynamisches Verhalten des Blechpaketes 11 in einem Betrieb der elektrischen Maschine 3 zu beeinflussen.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung einen elektrischen Achsantrieb mit der elektrischen Maschine und/oder ein Kraftfahrzeug mit der elektrischen Maschine und/oder dem Achsantrieb.
Elektrische Maschinen, wie beispielsweise Elektromotoren oder Generatoren, umfassen einen als Stator ausgebildeten feststehenden Teil und einen als Rotor ausgebildeten rotierenden Teil. Zur Erzeugung einer Drehbewegung des Rotors werden in der Regel im Rotor und/oder im Stator örtlich und zeitlich ändernde Magnetfelder erzeugt. Bei derartigen elektrischen Maschinen werden üblicherweise der Rotor und/oder der Stator als Blechpaket ausgeführt, wobei hierzu mehrere übereinander gestapelte Blechlamellen mit einer gewissen Vorspannung zusammengehalten werden. Diese Vorspannung kann sowohl mit Schweißnähten als auch mit einem Zuganker erzeugt werden.
Die Druckschrift DE 10 2018 200 865 A1 offenbart beispielsweise einen Rotor für eine elektrische Maschine, mit einem einen Hohlraum umschließenden Blechlamellenpaket, einem ersten Stirnflansch und einem zweiten Stirnflansch, wobei der erste und der zweite Stirnflansch in axialer Richtung des Rotors endseitig auf dem Blechlamellenpakt angeordnet und zur drehbaren Lagerung des Rotors um dessen Rotorachse ausgebildet sind. Der Rotor weist ein Zugelement auf, das durch das Blechlamellenpaket geführt ist und den ersten Stirnflansch mit dem zweiten Stirnflansch in axialer Richtung miteinander verbindet und vorspannt. Weiterhin weist der Rotor und ein durch den Hohlraum geführtes Zentrierelement auf, das den ersten und den zweiten Stirnflansch miteinander verbindet.
Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, eine elektrische Maschine der eingangs genannten Art zu schaffen, welche sich durch ein verbessertes Betriebsverhalten auszeichnet.
Diese Aufgabe wird durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1, durch einen elektrischen Achsantrieb mit den Merkmalen des Anspruchs 11 sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. In den Unteransprüchen, der Beschreibung mit den Figuren sind weitere Merkmale und Vorteile sowie Wirkungen der Erfindung beschrieben.
Gegenstand der Erfindung ist eine elektrische Maschine, welche insbesondere für einen elektrischen Achsantrieb und/oder zum Antriebs eines Kraftfahrzeugs ausgebildet und/oder geeignet ist. Vorzugsweise ist die elektrische Maschine als eine Traktionsmaschine, auch als separater Motor-Generator (SMG) bekannt, ausgebildet. Alternativ kann die elektrische Maschine jedoch auch als eine getriebeintegrierte E-Maschine ausgebildet sein. Die elektrische Maschine ist vorzugswese als eine Drehstrommaschine, beispielsweise eine permanentmagneterregte oder fremderregte, insbesondere spulenerregte, Synchronmaschine oder eine Asynchronmaschine.
Die elektrische Maschine weist einen Stator sowie einen relativ zu dem Stator um eine Drehachse drehbar gelagerten Rotor auf. Insbesondere ist die elektrische Maschine als ein Innenläufer ausgebildet, wobei der Rotor radial innerhalb des Stators angeordnet ist. Alternativ kann die elektrische Maschine jedoch auch als ein Außenläufer ausgebildet sein, wobei der Rotor radial außerhalb des Stators angeordnet ist.
Der Stator weist ein Blechpaket, insbesondere ein Statorblechpaket, auf, welches aus mehreren in axialer Richtung in Bezug auf die Drehachse übereinander gestapelten Einzelblechen gebildet ist. Alternativ oder optional ergänzend weist der Rotor ein Blechpaket, insbesondere ein Rotorblechpaket, auf, welches aus mehreren in axialer Richtung in Bezug auf die Drehachse übereinander gestapelten Einzelblechen gebildet ist. Die Einzelbleche sind vorzugsweise zu einem gemeinsamen, insbesondere einteiligen, Blechpaket miteinander verbunden. Alternativ können die Einzelbleche jedoch auch zu mehreren Teilblechpaketen gefügt sein, welche gemeinsam, insbesondere mehrteilig, zu dem Blechpaket miteinander verbunden sind. Die Einzelbleche sind vorzugsweise jeweils aus einem magnetisierten und/oder magnetisierbaren Material, vorzugsweise einer Stahllegierung, gebildet. Insbesondere sind die Einzelbleche als Blechlamellen ausgebildet. Die Einzelbleche können als Gleichteile und/oder in identischer Form ausgebildet sein.
Der Stator bzw. Rotor weist mehrere in Umfangsrichtung um die Drehachse verteilte Spannmittel auf, welche ausgebildet sind, die Einzelbleche mit einer zumindest teilweise in axialer Richtung in Bezug auf die Drehachse wirkenden Vorspannung zu beaufschlagen. Insbesondere sind die Einzelbleche in axialer Richtung durch die Spannmittel kraftschlüssig miteinander verbunden. Der Stator bzw. der Rotor kann mehr als zwei, vorzugsweise mehr als sechs, im Speziellen mehr als zehn der Spannmittel aufweist. Vorzugsweise weist der Stator bzw. der Rotor eine gerade Anzahl an Spannmitteln (2n, mit n = 1, 2, 3, ...) auf. Besonders bevorzugt sind die Spannmittel ausgebildet, das Blechpaket mit eine einer zumindest teilweise in axialer Richtung wirkenden Zugspannung zu beaufschlagen.
Im Rahmen der Erfindung wird vorgeschlagen, dass ein Betrag der durch die Spannmittel eingebrachten Vorspannung in Umfangsrichtung des Blechpakets variiert, um ein dynamisches Verhalten des Blechpaketes in einem Betrieb der elektrischen Maschine zu beeinflussen. Insbesondere kann unter einer variierenden Vorspannung, eine Vorspannung verstanden werden, welche zumindest an einer Stelle eine lokale Änderung, vorzugsweise eine Erhöhung, von mehr als 10%, vorzugsweise mehr als 30%, im Speziellen mehr als 50% aufweist. Anders formuliert, kann ein Betrag der durch mindestens oder genau eines der Spannmittel eingebrachten Vorspannung von einem Betrag der durch ein oder mehrere der anderen Spannmittel eingebrachten Vorspannung um mehr als 10%, vorzugsweise mehr als 30%, im Speziellen mehr als 50% abweichen. Vorzugsweise ist untere dem dynamischen Verhalten ein Resonanzverhalten und/oder ein Dämpfungsverhalten des Blechpaketes im Betrieb der elektrischen Maschine zu verstehen. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die Variation der Vorspannung aus einer unsymmetrischen Steifigkeitsverteilung im Blechpaket resultiert. Im Speziellen kann ein Betrag der durch mindestens eines der Spannmittel eingebrachten Einzelspannung in Umfangsrichtung variieren und/oder verschieden zu einem Betrag der durch mindestens eines weiteren der Spannmittel eingebrachten Einzelspannung sein. Vorzugsweise ist ein Betrag der durch mindestens zwei in Umfangsrichtung benachbarter Spannmittel eingebrachten Einzelspannungen unterschiedlich. Alternativ oder optional ergänzend ist ein Betrag der durch mindestens zwei einander gegenüberliegender Spannmittel eingebrachten Einzelspannungen unterschiedlich.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Höhe der Vorspannung einen signifikanten Einfluss auf die dynamischen Eigenschaften des Stators bzw. des Rotors, insbesondere auf die Resonanzfrequenzen und/oder das Dämpfungsverhalten, hat. Durch die Kenntnis des dynamischen Verhaltens in Abhängigkeit der Vorspannung kann somit das dynamische Verhalten durch eine gezielte Änderung der Vorspannungen beeinflusst werden, um das Betriebsverhalten der elektrischen Maschine zu verbessern. Somit können in einfacher Weise die Resonanzfrequenzen und/oder das Dämpfungsverhalten anwendungsspezifisch angepasst werden, ohne die Massenverhältnisse ändern zu müssen. Beispielsweise könnte man zum einen die Resonanzfrequenzen der Problemstellung anpassen und diese je nach Anwendung im Frequenzbereich nach oben oder unten verschieben. Zum anderen könnte man die Dämpfungseigenschaften für die entsprechende Anwendung optimieren. Insbesondere können im Betrieb der elektrischen Maschine auftretende akustische Auffälligkeiten sowie zusätzliche Belastungen und damit einhergehender Verschleiß reduziert oder bestenfalls eliminiert werden.
In einer konkreten Realisierung ist vorgesehen, dass die Vorspannung des Blechpaketes in Kenntnis des dynamischen Verhaltens derart abgestimmt ist, dass in einem Betrieb der elektrischen Maschine erzeugte Eigenschwingungen des Blechpakets gedämpft sind. Alternativ oder optional ergänzend ist die Vorspannung des Blechpaketes in Kenntnis des dynamischen Verhaltens derart abgestimmt, dass in einem Betrieb der elektrischen Maschine erzeugte Eigenfrequenzen des Blechpakets in einen Bereich niedriger Anregung verschoben werden. Insbesondere kann durch die Vorspannung somit ein „Frequenz- und Dämpfungs-Shaping“ realisiert werden. Anders formuliert, kann durch die Änderung der Vorspannung in einfacher Weise eine gezielte Anpassung auf das Dämpfungsverhalten und/oder Eigenfrequenz- bzw. Resonanzverhalten des Blechpaketes erfolgen.
In einer konkreten Umsetzung ist vorgesehen, dass eine Variation der Vorspannung durch eine ungleichmäßig verteilte Anordnung der Spannmittel bestimmt oder mitbestimmt ist. Dabei bedeutet „ungleichmäßig“, dass die Spannmittel in Umfangsrichtung in mindestens zwei benachbarten Sektoren verschieden zueinander in dem Blechpaket positioniert sind und/oder mindestens zwei Spannmittel verschieden zur Drehachse in dem Blechpaket positioniert sind. Insbesondere wird durch die ungleichmäßige Verteilung der Spannmittel eine unsymmetrische Steifigkeits- bzw. Spannungsverteilung in dem Blechpaket realisiert. Prinzipiell können die Spannmittel derart in dem Blechpaket angeordnet sein, dass mindestens oder genau zwei unterschiedliche Steifigkeits- bzw. Spannungsverteilungen, vorzugsweise in benachbarten Sektoren des Blechpakets, gebildet sind. Alternativ können die Spannmittel beliebig in dem Blechpaket, vorzugsweise in dem Statorblechpaket, verteilt sein, sodass in Bezug auf des Resonanz- und/oder Dämpfungsverhalten eine optimale Steifigkeits- bzw. Spannungsverteilung gebildet ist. Alternativ oder optional ergänzend können die Spannmittel derart in dem Blechpaket verteilt sein, sodass die symmetrischen Eigenmoden aufgespalten und auf unterschiedliche Frequenzen verteilt werden.
In einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Spannmittel in Umfangserrichtung zyklisch verteilt sind. Insbesondere bedeutet „zyklisch“, dass sich mindestens zwei Sektoren über den Umfang, insbesondere um 360 Grad, mindestens einmal wiederholen und/oder mindestens zwei Spannmittel über den Umfang, insbesondere um 360 Grad, die gleiche Anordnung aufweisen. Im Speziellen ist vorgesehen, dass die Spannmittel bei einer Umdrehung um 360 Grad mindestens einmal, insbesondere bei einer Umdrehung um 180 Grad, in Deckung gebracht werden können. Alternativ oder optional ergänzend ist vorgesehen, dass die Spannmittel mit mindestens oder genau einer zweifachen Rotationssymmetrie verteilt sind. Insbesondere ist vorgesehen, dass die Spannmittel bezüglich der Drehachse mit einer geradzähligen Rotationssymmetrie bzw. einer 2n-fachen Rotationssymmetrie (mit n = 1, 2, 3, ...) verteilt sind. Das bedeutet, dass bei mindestens zwei unterschiedlichen Anordnungsmöglichkeiten der Spannmittel nach einer Drehung um 180 Grad das jeweilige Spannmittel mit einem identisch angeordneten Spannmittel zur Deckung gebracht werden muss.
In einer alternativen oder ergänzenden Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Spannmittel in Umfangserrichtung paarweise verteilt sind. Dabei bedeutet „paarweise“, dass die Anordnung und/oder die durch die beiden Spannmittel erzeugten Einzelspannungen von jeweils einem Paar und/oder mindestens zwei Spannmitteln gleich sind. Vorzugsweise sind mindestens zwei diametral und/oder gegenüberliegende Spannmittel als ein Paar zu verstehen. Alternativ können die Spannmittel, insbesondere in dem Statorblechpaket, paarweise verschieden verteilt sein. Dabei bedeutet „paarweise verschieden“, dass die Anordnung und/oder die durch die beiden Spannmittel erzeugten Einzelspannungen mindestens zweier beliebig ausgewählter Spannmittel verschieden sind. Alternativ oder optional ergänzend ist vorgesehen, dass die Spannmittel in Umfangserrichtung unwuchtfrei in dem Blechpaket, vorzugsweise dem Rotorblechpaket, verteilt sind. Dabei bedeutet „unwuchtfrei“, dass die Spannmittel derart in dem Blechpaket verteilt sind, dass ein Schwerpunkt bzw. die Hauptträgheitsachsen des Blechpakets mit der Drehachse übereinstimmen.
In einer weiteren Konkretisierung ist vorgesehen, dass die Spannmittel in Bezug auf die Drehachse auf mindestens oder genau zwei unterschiedlichen Teilkreisen angeordnet sind. Insbesondere sind die Teilkreise in Bezug auf die Drehachse koaxial und/oder konzentrisch zueinander angeordnet. Vorzugsweise weisen die beiden Teilkreise einen unterschiedlichen Teilkreisdurchmesser auf. Anders formuliert, ist eine erste Gruppe von Spannmittel auf einem ersten Teilkreis mit einem ersten Teilkreisdurchmesser und/oder mit einem ersten Radialabstand zur Drehachse angeordnet und eine zweite Gruppe von Spannmitteln auf einem zweiten Teilkreis mit einem zweiten Teilkreisdurchmesser und/oder mit einem zweiten Radialabstand zur Drehachse angeordnet, wobei der erste und der zweite Teilkreisdurchmesser bzw. der erste und der zweite Radialabstand verschieden sind. Insbesondere ist der erste Radialabstand mindestens 1 ,5-mal, vorzugsweise mindestens 2-mal so groß wie der zweite Radialabstand.
In einer alternativen oder optional ergänzenden Konkretisierung ist vorgesehen, dass die Spannmittel in Bezug auf die Drehachse in Umfangsrichtung mit mindestens oder genau zwei unterschiedlichen Umfangsabständen voneinander beabstandet sind.
Anders formuliert, ist mindestens ein Spannmittel in Umfangsrichtung mit einem ersten Umfangsabstand zu einem ersten benachbarten Spannmittel beabstandet angeordnet und mit einem zweiten Umfangsabstand zu einem zweiten, insbesondere in Gegenumfangsrichtung, benachbarten Spannmittel beabstandet angeordnet, wobei der erste und der zweite Umfangsabstand verschieden sind. Insbesondere ist der zweite Umfangsabstand mindestens 1,5-mal, vorzugsweise mindestens 2-mal so groß wie der erste Umfangsabstand.
Es sei explizit darauf hingewiesen, dass Kombinationen von mindestens zwei, vorzugsweise jedoch beliebig vielen Anordnungsvarianten, wie zuvor beschrieben, möglich sind.
In einer alternativen oder optional ergänzenden Umsetzung ist vorgesehen, dass jedes der Spannmittel das Blechpaket in axialer Richtung mit einer Vorspannkraft beaufschlägt. Dabei ist eine Variation der Vorspannung durch ungleichmäßig hohe Vorspannkräfte von mindestens zwei der Spannmittel bestimmt oder mitbestimmt. Insbesondere sind die Vorspannkräfte von mindestens zwei in Umfangsrichtung benachbarter Spannmittel voneinander verschieden. Alternativ oder optional ergänzend können die Vorspannkräfte der Spannmittel in Umfangsrichtung abwechselnd den gleichen bzw. verschiedenen Betrag aufweisen. Im Speziellen weist eine Anzahl von mindestens 2n/2 Spannmittel (mit n = 1, 2, 3...) einen verschiedenen Betrag der Vorspannkraft auf. Alternativ weist eine Anzahl von mindestens 2n/n Spannmittel (mit n = 1, 2, 3...) einen verschiedenen Betrag der Vorspannkraft auf. Vorzugsweise unterscheidet sich ein Betrag von mindestens zwei Vorspannkräften um mindestens 10%, vorzugsweise mehr als 30%, im Speziellen 80%. Beispielsweise sind die Eigenfrequenzen des Blechpakets in Abhängigkeit der Vorspannkraft beeinflussbar. Durch eine unsymmetrische bzw. ungleichförmige Verteilung der Vorspannungen, insbesondere aufgrund unterschiedlicher Vorspannkräfte, kann eine Aufteilung von Symmetriefrequenzen erreicht werden. Dadurch kann das akustische Verhalten des Blechpakets positiv beeinflusst bzw. eine Geräuschminderung erzielt werden.
In einer konkreten Ausführung ist vorgesehen, dass die Spannmittel jeweils als in axialer Richtung in Bezug auf die Drehachse durch das Blechpaket geführte Zuganker ausgebildet sind. Insbesondere weist das Blechpaket für jeden Zuganker eine entsprechende Durchgangsöffnung auf, welche sich in axialer Richtung in Bezug auf die Drehachse bzw. achsparallel zur Drehachse erstreckt. Die Zugkanker sind dabei jeweils durch die jeweils zugehörige Durchgangsöffnung geführt und endseitig an den axialen Stirnseiten des Blechpaketes fixiert bzw. abgestützt. Beispielsweise sind die Zuganker jeweils durch ein Schraubenelement, z.B. eine Gewindestange, gebildet, auf welche zumindest auf einer Endseite ein Sicherungselement, z.B. eine Schraubenmutter, montiert ist. Mittels des Sicherungselements sind die Einzelbleche gegeneinander verspannt bzw. gepresst. Bevorzugt ist durch das Sicherungselement die Vorspannkraft, z.B. mittels eines Anzugsdrehmoment, einstellbar. Das Anzugsmoment kann dabei in einem Bereich zwischen 0 Nm und 50 Nm, im Speziellen zwischen 5 Nm und 20 Nm, liegen. Im Speziellen kann in Abhängigkeit des Anzugsmoments die Eigenfrequenz des Blechpakets beeinfluss werden.
In einer weiteren alternativen oder ergänzenden Ausgestaltung ist vorgesehen, dass in axialer Richtung in Bezug auf die Drehachse endseitig auf dem Blechpaket mindestens eine Endscheibe angeordnet ist. Die mindestens eine Endscheibe ist durch die Spannmittel in axialer Richtung mit dem Blechpaket verspannt, wobei der Betrag der Vorspannung in Umfangsrichtung durch eine ungleichmäßige Masseverteilung der Endscheibe und/oder eine ungleichmäßige Materialstärke der Endscheibe bestimmt oder mitbestimmt ist. Insbesondere ist die Endscheibe durch die Vorspannkraft in Richtung des Blechpakets gezogen und zusammen mit dem Blechpaket vorgespannt. Die Endscheibe ist vorzugsweise separat zu dem Blechpaket und den Spannmitteln ausgebildet. Bevorzugt weisen der Stator bzw. der Rotor zwei der Endscheiben auf, welche in Bezug auf die Drehachse an jeweils einer axialen Stirnseite des Blechpaketes angeordnet sind. Insbesondere kann die ungleichmäßige Masseverteilung durch eine zyklische oder nicht-zyklische Position, Form oder Größe von Durchbrüchen, Bohrungen, Vertiefungen oder dergleichen gebildet sein. Alternativ oder optional ergänzend kann die ungleichmäßige Masseverteilung durch eine zyklische oder nicht-zyklische Position, Form oder Größe von aufeinanderfolgenden Rippen, Stege, Erhebungen oder dergleichen gebildet sein. Insbesondere kann die ungleichmäßige Materialstärke durch eine zyklische oder nicht-zyklische Vertiefung, Erhöhung, Absenkung, Abstufung oder dergleichen gebildet sein. Besonders bevorzugt ist die ungleichmäßige Materialstärke durch eine Dickenvariation in den Endscheiben realisiert. Bevorzugt sind die Spannmittel durch das Blechpaket und die mindestens eine Endscheibe geführt, wobei durch die Dickenvariation in der Endscheibe eine ungleichförmige Vorspannung induziert wird.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft einen elektrischen Antriebsstrang für ein Kraftfahrzeug, wobei der elektrische Antriebsstrang mindestens oder genau eine elektrische Maschine aufweist, wie diese bereits zuvor beschrieben wurde bzw. nach einem der Ansprüche 1 bis 10. Prinzipiell kann der elektrische Antriebsstrang als ein Radantrieb ausgebildet sein, wobei die elektrische Maschine direkt oder über ein Getriebe auf ein Fahrzeugrad wirkt. Vorzugsweise ist der elektrische Antriebsstrang jedoch als ein Achsantrieb ausgebildet, wobei die elektrische Maschine einen zentralen Antriebsmotor bildet, welcher über ein Getriebe, vorzugsweise ein Untersetzungsgetriebe, und ein Differenzial auf die Fahrzeugräder einer Antriebsachse, insbesondere eine Vorder- und/oder Hinterachse, wirkt.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit der elektrischen Maschine und/oder dem elektrischen Achsantrieb, wie diese bereits zuvor beschrieben wurden. Insbesondere ist das Kraftfahrzeug mittels der der elektrischen Maschine und/oder dem elektrischen Achsantrieb antreibbar, insbesondere elektrisch antreibbar. Das Fahrzeug kann als ein Hybrid- oder Elektrofahrzeug ausgebildet sein.
Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung. Dabei zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeuges mit einem elektrischen Antriebsstrang und einer elektrischen Maschine als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 eine schematische Axialansicht eines Rotors der elektrischen Maschine mit radial ungleichmäßig verteilten Spannmitteln;
3 eine alternative Ausführung des Rotors in gleicher Darstellung wie 2 mit umlaufend ungleichmäßig verteilten Spannmitten;
4 eine weitere alternative Ausführung des Rotors in gleicher Darstellung wie 2 mit radial und umlaufend ungleichmäßig verteilten Spannmitten;
5 eine weitere alternative Ausführung des Rotors in gleicher Darstellung wie 2 mit gleichmäßig verteilten Spannmitten mit unterschiedlichen Vorspannkräften;
6 eine weitere alternative Ausführung des Rotors in einer schematischen Schnittdarstellung mit zwei Endscheiben;
7 eine Axialansicht des Rotors gemäß 6.

1 zeigt in einer stark schematisierten Darstellung ein Fahrzeug 1 als ein Ausführungsbeispiel der Erfindung. Beispielsweise ist das Fahrzeug 1 als ein elektrisch betriebenes Kraftfahrzeug ausgebildet.
Das Fahrzeug 1 weist einen als Achsantrieb ausgebildeten elektrischen Antriebsstrang 2 auf, welcher durch eine elektrische Maschine 3, ein Getriebe 4 sowie einem Differenzial 5 gebildet ist. Die elektrische Maschine 3 ist als eine Traktionsmaschine ausgebildet, welche in einem Betrieb ein elektrisches Antriebsmoment erzeugt. Das Antriebsmoment wird über das Getriebe 4 auf das Differenzial 5 übersetzt, wobei das Differenzial 5 das Antriebsmoment auf zwei Fahrzeugräder 7, 8 verteilt.
Die elektrische Maschine 3 ist als Innenläufer ausgebildet, wobei die elektrische Maschine 3 hierzu einen Stator 8 sowie einen innerhalb des Stators 8 drehbar gelagerten Rotor 9 aufweist. Der Rotor 9 ist mit einer Rotorwelle 10 drehfest verbunden, wobei die Rotorwelle 10 antriebs- bzw. getriebetechnisch mit dem Getriebe 4 verbunden ist. Der Stator 5 bildet dabei einen stationären bzw. feststehenden Teil, welcher beispielsweise fest mit einem Gehäuse des Getriebes 4 verbunden ist. Das Getriebe 4 ist beispielsweise als ein Untersetzungsgetriebe ausgebildet, welches ein Übersetzungsverhältnis von i > 1 aufweist. Anders formuliert, dient das Getriebe 4 zur Übersetzung ins Langsame.
Die 2 bis 5 zeigen jeweils den Rotor 9 in einer axialen Ansicht in Bezug auf eine Drehachse 100. Es sei darauf hingewiesen, dass die nachfolgende Beschreibung des Rotors 9 analog auf die Ausgestaltung des Stators 8 anwendbar ist, wenn dieser ein Blechpaket, insbesondere ein Statorblechpaket, umfasst.
Der Rotor 9 weist ein drehfest mit der Rotorwelle 10 verbundenes Blechpaket 11, insbesondere ein Rotorblechpaket, auf, welches durch mehrere in axialer Richtung in Bezug auf die Drehachse 100 übereinander gestapelte Einzelbleche 12 gebildet ist. Die Einzelbleche 12 sind in axialer Richtung durch mehrere Spannmittel 13 mit einer zumindest teilweise in axialer Richtung in Bezug auf die Drehachse 100 wirkenden Vorspannung beaufschlagt. Die Spannmittel 13 sind in Umfangsrichtung verteilt angeordnet. Die Höhe der Vorspannung hat dabei einen signifikanten Einfluss auf die dynamischen Eigenschaften des Rotors 9, insbesondere auf die Resonanzfrequenzen und das Dämpfungsverhalten.
Mit einer geeigneten Anzahl und Position an Spannmittel 13 und mit der Kenntnis der Abhängigkeit von entsprechenden Resonanzen kann ein „Resonanzfrequenz- und Dämpfungs-Shaping“ realisiert werden. Die bedeutet, dass durch eine Änderung der Vorspannung zum einen die Resonanzfrequenzen der Problemstellung angepasst und diese je nach Anwendung im Frequenzbereich gezielt verschoben werden können. Zum anderen können durch eine Änderung der Vorspannung die Dämpfungseigenschaften für die entsprechenden Anwendungen optimiert werden. Zudem ist es möglich, mit einer unsymmetrischen Verteilung der Vorspannungen Symmetriefrequenzen bzw. symmetrische Eigenmoden aufzuteilen, um das akustische Verhalten des Rotors 9 zu verbessern.
Es wird daher vorgeschlagen, dass ein Betrag der durch mindestens eines der Spannmittel eingebrachten Vorspannung in Umfangsrichtung des Blechpakets 11 variiert, um damit das dynamische Verhalten, insbesondere das Resonanzverhalten, des Rotors 3 durch die Variation von Steifigkeit und/oder Dämpfung anwendungsspezifisch anpassen zu können, ohne die Massenverhältnisse ändern zu müssen. Nachfolgend werden in den 2 bis 7 unterschiedliche Möglichkeiten zur Variation der Vorspannung in Umfangsrichtung beschrieben. Es sei darauf hingewiesen, dass auch Kombinationen, insbesondere von mindestens zwei Ausführungen möglich sind.
Gemäß 2 weist der Rotor 9 genau vier der Spannmittel 13 auf, wobei zwei der Spannmittel 13 auf einem ersten Teilkreis 101 und die anderen beiden Spannmittel auf einem zweiten Teilkreis 102 paarweise gegenüberliegend angeordnet sind. Der erste und der zweite Teilkreis 101, 102 sind dabei in Bezug auf die Drehachse 100 koaxial zueinander angeordnet, wobei der erste Teilkreis 101 einen größeren Teilkreisdurchmesser als der zweite Teilkreis 102 aufweist. Die Spannmittel 13 sind in Umfangsrichtung gleichmäßig voneinander beabstandet, wobei die Spannmittel 13 auf dem jeweiligen Teilkreis 101, 102 diametral gegenüberliegen. Anders formuliert, sind die Spannmittel 13 in Umfangsrichtung jeweils mit dem gleichen Umfangsabstand 103, z.B. 90 Grad, voneinander beabstandet. Es wird somit eine unsymmetrische Steifigkeitsverteilung im Blechpaket 11 durch eine radial ungleichmäßige Verteilung der Spannmittel 13 realisiert.
Gemäß 3 weist der Rotor 9 genau vier der Spannmittel 13 auf, wobei die Spannmittel 13 auf einem gemeinsamen Teilkreis 101 paarweise einander gegenüberliegend angeordnet sind. Der Teilkreis 101 ist dabei koaxial zur Drehachse 100 angeordnet. Anders formuliert, sind die Spannmittel 13 in radialer Richtung jeweils mit dem gleichen Radialabstand zur Drehachse 100 beabstandet. Die Spannmittel 13 sind in Umfangsrichtung mit einem ersten und einen zweiten Umfangsabstand 103, 104 ungleichmäßig voneinander beabstandet, wobei der erste Umfangsabstand 103, z.B. 30 Grad, kleiner ist als der zweite Umfangsabstand 104, z.B. 150 Grad. Die Spannmittel 13 liegen auf dem Teilkreis 101 paarweise diametral gegenüber. Es wird somit eine unsymmetrische Steifigkeitsverteilung im Blechpaket 11 durch eine umlaufend bzw. zyklisch ungleichmäßige Verteilung der Spannmittel 13 realisiert.
Gemäß 4 ist eine Kombination aus der in den 2 und 3 beschriebenen Anordnungen dargestellt. Hierzu weist der Rotor 9 genau sechs der Spannmittel 13 auf, wobei vier der Spannmittel 13 auf dem ersten Teilkreis 101 und die anderen beiden Spannmittel auf einem zweiten Teilkreis 102 paarweise gegenüberliegend angeordnet sind. Die Spannmittel 13 sind zudem in Umfangsrichtung mit dem ersten und zweiten Umfangsabstand 103, 104 ungleichmäßig voneinander beabstandet, wobei der erste Umfangsabstand 103, z.B. 30 Grad, kleiner ist als der zweite Umfangsabstand 104, z.B. 60 Grad. Wie der 4 zu entnehmen, weisen die auf dem ersten Teilkreis 101 liegenden Spannmittel 13 jeweils einen unterschiedlichen Umfangsabstand 103, 104 zu den unmittelbar benachbarten Spannmitteln 13 auf. Die Spannmittel 13 auf dem zweiten Teilkreis 102 liegenden Spannmittel 13 weisen hingegen den gleichen Umfangsabstand 104 zu den unmittelbar benachbarten Spannmitteln 13 auf. Es wird somit eine unsymmetrische Steifigkeitsverteilung im Blechpaket 11 durch eine radial ungleichmäßige Verteilung sowie eine umlaufend bzw. zyklisch ungleichmäßige Verteilung der Spannmittel 13 realisiert.
Gemäß 5 weist der Rotor 9 genau acht der Spannmittel 13 auf, wobei die Spannmittel 13 auf einem gemeinsamen Teilkreis 101 gleichmäßig voneinander um die Drehachse 100 verteilt sein. Dabei ist vorgesehen, dass die Spannmittel 13 ausgebildet sind, das Blechpaket 11 in axialer Richtung mit einer Vorspannkraft F1, F2, wie in 6 gezeigt, zu beaufschlagen, um die Vorspannung, insbesondere eine Zugspannung, zu erzeugen. Dabei ist vorgesehen, dass ein Betrag der Vorspannkraft F1, F2 von mindestens einem der Spannmittel 13 zu mindestens einem in Umfangsrichtung benachbarten Spannmittel 13 variiert. Beispielsweise weisen die Spannmittel 13 einer ersten Gruppe 14 eine erste Vorspannkraft F1 und die Spannmittel 13 einer zweiten Gruppe 15 eine zweite Vorspannkraft F2 auf, wobei sich der Betrag der ersten und zweiten Vorspannkraft F1, F2 voneinander unterscheidet. Beispielsweise unterscheidet sich der Betrag zwischen erster und zweiter Vorspannkraft F1, F2 um mindestens mehr als 15%. Es wird somit eine unsymmetrische Steifigkeitsverteilung im Blechpaket 11 durch eine ungleichmäßige Verteilung der Vorspannkräfte F1, F2 realisiert.
Optional kann vorgesehen, dass die Vorspannkräfte F1, F2 der Spannmittel 13 in den Ausführungen gemäß der 2 bis 4 ebenfalls unterschiedlich sein können.
6 zeigt den Rotor 9 in einem schematischen Längsschnitt entlang der Drehachse 100. Der Rotor 9 weist eine erste und ein zweite Endscheibe 16, 17 auf, welche endseitig an jeweils einer axialen Stirnseite des Blechpaketes 11 koaxial zur Drehachse 100 angeordnet sind. Die Endscheiben 16, 17 sind dabei separat zu dem Blechpaket 11 sowie der Rotorwelle 10 ausgebildet. Alternativ können die beiden Endscheiben 15, 17 jedoch auch einen Lagerzapfen zur drehbaren Lagerung des Rotors 9 um dessen Drehachse 100 aufweisen.
Die Spannmittel 13 sind jeweils als Zuganker ausgebildet, wobei die Spannmittel 13 hierzu jeweils ein Schraubenelement 18, insbesondere ein Gewindebolzen, sowie jeweils endseitig auf dem Schraubenelement 18 montierte Sicherungselemente 19, z.B. eine Schraubenmutter, aufweisen. Die Schraubenelemente 18 sind in axialer Richtung in Bezug auf die Drehachse 100 durch jeweils eine Durchgangsöffnung 20 geführt, welche das Blechpaket 11 sowie die beiden Endscheiben 15, 17 durchsetzt. Das Schraubenelement 18 ragt dabei axial über die beiden Endscheiben 16, 17 hinaus, wobei durch die Montage der Sicherungselemente 19 die beiden Endscheiben 16, 17 an dem Blechpaket 11 fixiert werden und in axialer Richtung mit der jeweiligen Vorspannkraft F1, F2 beaufschlagt werden.
Die Vorspannkraft F1, F2 kann somit in einfacher Weise durch das Anzugsmoment der Sicherungselemente 19 festgelegt werden. Beispielsweise weist der Rotor 9 bzw. das Blechpaket 11 bei einem Anzugmoment der Sicherungselemente 19 von 5 Nm eine Eigenfrequenz von ca. 1302 Hz, bei 10 Nm eine Eigenfrequenz von ca. 1725 Hz und bei 17 Nm eine Eigenfrequenz von ca. 1990 Hz auf. Je nach Anwendung kann somit die Eigenfrequenz in Abhängigkeit des Anzugsmoments in einen Frequenzbereich niedriger Anregung verschoben werden.
7 zeigt den Rotor 9 in einer axialen Ansicht in Bezug auf die Drehachse 100. Die Endscheiben 16, 17, hier nur die erste Endascheibe 16 dargestellt, weisen jeweils einen ersten und einen zweiten Scheibenabschnitt 21, 22 auf, wobei die Spannmittel 13 der ersten Gruppe 14, insbesondere die jeweiligen Sicherungselemente 19, an dem ersten Scheibenabschnitt 21 und die Spannmittel 13 der zweiten Gruppe 15, insbesondere die jeweiligen Sicherungselemente 19, an dem zweiten Scheibenabschnitt 21 abgestützt sind. Der erste und der zweite Scheibenabschnitt 21, 22 weisen eine ungleichmäßige, aber unwuchtfreie, Materialstärke auf. Beispielsweise können die beiden Scheibenabschnitte 21, 22 in axialer Richtung betrachtet eine unterschiedliche Dicke aufweisen. Es wird somit eine ungleichmäßige Verteilung der Vorspannkräfte F1, F2 und/oder eine ungleichförmige Vorspannung in dem Blechpaket 11 durch die unterschiedlichen Materialstärken, insbesondere die Dickenvariation, der Scheibenabschnitte 21, 22 realisiert.
Bezugszeichen

1: Fahrzeug
2: Antriebsstrang
3: elektrische Maschine
4: Getriebe
5: Differenzial
6: erstes Fahrzeugrad
7: zweites Fahrzeugrad
8: Stator
9: Rotor
10: Rotorwelle
11: Blechpaket
12: Einzelbleche
13: Spannmittel
14: erste Gruppe
15: zweite Gruppe
16: erste Endscheibe
17: zweite Endscheibe
18: Schraubenelement
19: Sicherungselement
20: Rotorwelle
21: erster Scheibenabschnitt
22: zweiter Scheibenabschnitt
100: Drehachse
101: erster Teilkreis
102: zweiter Teilkreis
103: erster Umfangsabstand
104: zweiter Umfangsabstand
F1: erste Vorspannkraft
F2: zweite Vorspannkraft

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102018200865 A1 [0003]

Claims

Elektrische Maschine (3) mit einem Stator (8) und mit einem relativ zu dem Stator (8) um eine Drehachse (100) drehbar gelagerten Rotor (9), wobei der Stator (8) und/oder der Rotor (9) ein Blechpaket (11) aufweist, welches aus mehreren in axialer Richtung in Bezug auf die Drehachse (100) übereinander gestapelten Einzelblechen (12) gebildet ist, wobei die Einzelbleche (12) durch mehrere in Umfangsrichtung verteilte Spannmittel (13) mit einer zumindest teilweise in axialer Richtung wirkenden Vorspannung beaufschlagt sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein Betrag der durch die Spannmittel (13) eingebrachten Vorspannung in Umfangsrichtung des Blechpakets (11) variiert, um ein dynamisches Verhalten des Blechpaketes (11) in einem Betrieb der elektrischen Maschine (3) zu beeinflussen.
Elektrische Maschine (3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannung des Blechpaketes (11) in Kenntnis des dynamischen Verhaltens derart abgestimmt ist, dass in einem Betrieb der elektrischen Maschine (3) erzeugte Eigenschwingungen des Blechpakets (11) gedämpft und/oder Eigenfrequenzen des Blechpakets (11) in einen Bereich niedriger Anregung verschoben sind.
Elektrische Maschine (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Variation der Vorspannung durch eine ungleichmäßig verteilte Anordnung der Spannmittel (13) in dem Blechpaket (11) bestimmt oder mitbestimmt ist.
Elektrische Maschine (3) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannmittel (13) zyklisch und/oder mit mindestens einer zweifachen Rotationssymmetrie verteilt sind.
Elektrische Maschine (3) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannmittel (13) paarweise und/oder unwuchtfrei verteilt sind.
Elektrische Maschine (3) nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannmittel (13) auf mindestens zwei unterschiedlichen Teilkreisen (101, 102) angeordnet sind.
Elektrische Maschine (3) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannmittel (13) in Umfangsrichtung mit mindestens zwei unterschiedlichen Umfangsabständen (103, 104) voneinander beabstandet sind.
Elektrische Maschine (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Spannmittel (13) das Blechpaket (11) in axialer Richtung in Bezug auf die Drehachse (100) mit einer Vorspannkraft (F1, F2) beaufschlägt, wobei eine Variation der Vorspannung durch ungleichmäßig hohe Vorspannkräfte (F1, F2) der Spannmittel (13) bestimmt oder mitbestimmt ist.
Elektrische Maschine (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannmittel (13) jeweils als in axialer Richtung in Bezug auf die Drehachse (100) durch das Blechpaket (11) geführte Zuganker ausgebildet sind.
Elektrische Maschine (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Endscheibe (16, 17) in axialer Richtung in Bezug auf die Drehachse (100) endseitig auf dem Blechpaket (11) angeordnet ist, wobei die Endscheibe (16, 17) durch die Spannmittel (13) in axialer Richtung mit dem Blechpaket (11) verspannt ist, wobei eine Variation der Vorspannung in Umfangsrichtung durch eine ungleichmäßige Masseverteilung der Endscheibe (16, 17) und/oder eine ungleichmäßige Materialstärke der Endscheibe (16, 17) bestimmt oder mitbestimmt ist.
Elektrischer Achsantrieb (2) für ein Kraftfahrzeug (1) mit mindestens einer elektrischen Maschine (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Kraftfahrzeug (1) mit der elektrischen Maschine (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 und/oder mit dem elektrischen Achsantrieb (2) nach Anspruch 11.