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Die Erfindung betrifft einen Rotor, ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors und eine elektrische Rotationsmaschine.
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Elektrische Rotationsmaschinen sind für unterschiedlichste Anwendungszwecke bekannt. Diese Maschinen umfassen einen feststehenden Stator und einen diesbezüglich drehbaren Rotor. Die Effizienz einer derartigen elektrischen Rotationsmaschine lässt sich steigern, wenn der Körper des Stators und/oder des Rotors aus gestapelten Elektroblechen gefertigt ist.
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Zur rotationsfesten Anordnung von Rotorkörpern auf Wellen sind Welle-Nabe-Verbindungen bekannt. Häufig wird dabei das Kalt-Warm-Fügen zwischen den Bauteilen verwendet, um einen Querpressverband herzustellen, da dieser einen geringen Bauraum beansprucht und dabei relativ hoch belastbar ist.
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Allerdings werden dabei auch Eigenspannungen in den beteiligten Bauteilen erzeugt, welche sich bei Belastung des Rotors im Betrieb als ungünstig hinsichtlich der Lebensdauer aufweisen können.
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Eine alternatives Befestigungsdesign des Rotorkörpers auf der Welle ist eine axiale Fixierung, welche jedoch aufgrund einer benötigten größeren axialen Länge des Rotorkörpers und/oder der Welle aufgrund der üblicherweise herrschenden Bauraum-Restriktionen oftmals nicht verwendet wird.
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Die
DE 10 2021 126 103 A1 P211664 offenbart eine Möglichkeit der drehfesten Anordnung des Rotorkörpers auf der Welle, bei der ein Kunststoffelement radial zwischen Welle und Rotorkörper angeordnet ist.
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Der
US 2019/0140504 A1 ist ein Elektromotor mit einem Stator entnehmbar, in dem ein Anker drehbar gelagert ist, wobei der Anker eine Ankerwelle aufweist, auf der ein Ankerblechpaket mit einer Mehrzahl von Permanentmagneten gehalten ist, wobei das Ankerblechpaket gegenüber der Ankerwelle mittels einer Vergussmasse elektrisch isoliert ist. Weiterhin sind Wuchtringe vorhanden, die an ihren zentralen Ausnehmungen mit Formschlusselementen versehen sind, die etwa als Sicken ausgestaltet sind, so dass sich nach dem Aushärten der Vergussmasse eine formschlüssige Verbindung mit der Vergussmasse ergibt.
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Der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Rotor einer elektrischen Rotationsmaschine sowie ein Verfahren zur Herstellung des Rotors zur Verfügung zu stellen, die einen kostengünstigen, Bauraum-effizienten und langlebigen Aufbau des Rotors gewährleisten.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch den Rotor gemäß Anspruch 1 sowie durch das Verfahren zur Herstellung eines Rotors gemäß 8. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Rotors sind in den Unteransprüchen 2 bis 7 angegeben. Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens zur Herstellung eines Rotors ist in Unteranspruch 9 angegeben. Ergänzend wird eine elektrische Rotationsmaschine gemäß Anspruch 10 zur Verfügung gestellt.
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Die Merkmale der Ansprüche können in jeglicher technisch sinnvollen Art und Weise kombiniert werden, wobei hierzu auch die Erläuterungen aus der nachfolgenden Beschreibung sowie Merkmale aus den Figuren hinzugezogen werden können, die ergänzende Ausgestaltungen der Erfindung umfassen.
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Die Merkmale „axial“, „radial“ sowie „in Umfangsrichtung“ beziehen sich auf die Rotationsachse des Rotors.
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Die Erfindung betrifft einen Rotor einer elektrischen Rotationsmaschine, umfassend eine Welle und einen Rotorkörper, der als Nabe mittels einer Welle-Nabe-Verbindung auf der Welle angeordnet ist. Die Welle-Nabe-Verbindung weist an einer jeweiligen radialen Begrenzungsseite von sowohl der Welle als auch vom Rotorkörper an wenigstens einer Winkelposition eine jeweilige Ausnehmung auf, so dass durch die beiden Ausnehmungen ein gemeinsamer Aufnahmeraum ausgebildet ist. Der Aufnahmeraum ist mit Kunststoff ausgefüllt.
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Die Welle kann eine Vollwelle oder auch eine Hohlwelle sein. Der Rotorkörper kann durch ein Blechpaket ausgebildet sein, welches einen Stapel an Elektroblechen umfasst. Die Ausnehmungen sind an einer jeweiligen Umfangs-Seite von Welle und Rotorkörper ausgebildet. Eine jeweilige Ausnehmung ist dabei eine konkave Vertiefung und/ oder eine Nut, die sich achsparallel erstreckt. In einer vorteilhaften Ausführungsform sind mehrere dieser Welle-Nabe-Verbindungen am Umfang der Welle verteilt angeordnet. Die konkrete Anzahl der Welle-Nabe-Verbindungen ist je nach zu erwartender Belastung des Rotors auszulegen. Durch den Kunststoff in dem Aufnahmeraum wird hinsichtlich der Drehmoment-Übertragung ein Formschluss realisiert. Durch den eingebrachten Kunststoff können zwischen Welle und Rotorkörper auftretende Kräfte besser verteilt werden, sodass insgesamt die Belastbarkeit bzw. das am Rotor maximal übertragbare Drehmoment gesteigert ist. Unabhängig davon, ob durch den Kunststoff ein Stoffschluss realisiert wird oder nicht, überträgt der Kunststoff Drehmoment auch, indem er auf Scherung belastet ist.
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Das Material des Kunststoffs kann ein Epoxidharz, ein Duroplast oder ein Thermoplast sein, gegebenenfalls mit Additiven.
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Gegebenenfalls kann der Kunststoff durch Fasern verstärkt sein, um eine höhere Festigkeit zu gewährleisten.
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Sowohl die Ausnehmung in der Welle als auch die Ausnehmung in dem Rotorkörper kann jeweils als eine Nut ausgebildet sein. Diese Nut weist an ihrer der radialen Seite des betreffenden Elements, von der sich die Nut erstreckt, abgewandten Seite eine Nut-Grundfläche auf, die im Wesentlichen parallel zur jeweiligen radialen Seite, von der sich die Nut erstreckt, verläuft.
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Dabei ist die Nut-Grundfläche nicht darauf eingeschränkt, ebenfalls in einem Bogen zu verlaufen, sondern sie kann auch als ebene Fläche ausgeführt sein.
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Durch die beiden einander gegenüberliegend angeordneten Nuten ergibt sich ein sogenanntes Taschendesign.
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Dabei kann die Ausnehmung im Rotorkörper entlang der Umfangsrichtung breiter ausgeführt sein als die Ausnehmung in der Welle. Die vorliegende Erfindung in ihrem Taschendesign ist jedoch nicht auf diese Ausführungsform eingeschränkt, sondern es kann auch umgekehrt vorgesehen sein, dass die Ausnehmung in der Welle entlang der Umfangsrichtung breiter ausgeführt ist als die Ausnehmung im Rotorkörper.
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Eine alternative Ausführungsform des Rotors sieht vor, dass die Ausnehmung in der Welle durch eine Abflachung der Welle ausgeführt ist, und die die Ausnehmung in dem Rotorkörper mit einem dreiecksförmigen Querschnitt ausgebildet ist. Die Abflachung in der Welle bildet damit eine im Wesentlichen ebene Fläche an einer radialen Seite der Welle aus. Der dreiecksförmige Querschnitt kann ein im Wesentlichen gleichschenkliges, stumpfwinkliges Dreieck ergeben.
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Die beiden Schenkel dieses Dreiecks verlaufen dabei im Rotorkörper, bis zur Abflachung in der Welle. Die Basis dieses Dreiecks ist durch den Verlauf der Abflachung in der Welle definiert. Es ergibt sich dadurch ein sogenanntes Hügeldesign.
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Die Erfindung schließt dabei auch Dreiecks-Formen ein, die nicht gleichschenklig ausgeführt sind.
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Alle oder zumindest ein Winkel der Dreiecks-Form kann abgerundet ausgeführt sein. Durch die Dreiecks-Form wird bei Drehmoment-Übertragung und daraus resultierender Relativ-Drehung zwischen Welle und Rotorkörper eine Keil-Wirkung realisiert, die eine radiale Verschiebung zwischen Rotorkörper und Welle realisiert, sodass radial zwischen Rotorkörper und Welle existierende Druckkräfte erzeugt bzw. erhöht werden, und dadurch in einem Klemmbereich ebenfalls Klemm- und/ oder Reibkräfte zwischen Rotorkörper und Welle erzeugt bzw. erhöht werden. Entsprechend wird damit die Tragfestigkeit der Welle-Nabe-Verbindung entlang der Umfangsrichtung bzw. zur Übertragung eines Drehmoments erhöht.
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Bei einer punktsymmetrischen Verteilung von Aufnahmeräumen in Bezug auf die Rotationsachse der Welle wird zudem durch den dreieckigen Querschnitt der Aufnahmeräume und der darin erzeugten Kunststoffabschnitte eine Selbst-Zentrierung des Rotorkörpers auf der Welle erreicht.
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Aufgrund dessen, dass der Kunststoff in den dreiecksförmigen Aufnahmeraum eingebracht wird, können der Aufnahmeraum bzw. die den Aufnahmeraum ausbildenden Ausnehmungen mit relativ großer Toleranz gefertigt werden, da eine Passgenauigkeit nicht gefordert ist.
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Der Kunststoff kann eine Klebewirkung aufweisen. Das heißt, es besteht ein adhäsiver Effekt des Kunststoffs. Durch diese Ausführung des Rotors ist der Kunststoff nicht nur auf Druck belastet, sondern er ist entlang der Umfangsrichtung auch auf Zug belastet und nimmt demzufolge auch eine Scherbelastung auf. Damit wird die Belastbarkeit des gesamten Rotors bzw. dessen Drehmomentübertragbarkeit der Welle-Nabe-Verbindung gesteigert.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass mehrere durch den Kunststoff in den Ausnehmungen ausgebildete Kunststoffabschnitte miteinander über die Kunststoffabschnitte entlang eines Umfangs verbindende Verbindungselemente verbunden sind. Die Verbindungselemente können ebenfalls aus Kunststoff bestehen. Dadurch ergibt sich ein Kunststoff-Gesamtsystem, welches als integrale Bestandteile einzelne Kunststoffabschnitte umfasst, die in den Ausnehmungen verlaufen und die miteinander über die Verbindungselemente verbunden sind.
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Die Verbindungselemente können axial einseitig oder auch axial beidseitig des Rotors vorhanden sein.
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Zusätzlich zu der beschriebenen Welle-Nabe-Verbindung kann ein Querpressverband zwischen Rotorkörper und Welle realisiert sein. Das bedeutet, dass zusätzlich zur Drehmoment-Übertragung über den Aufnahmeraum und den Kunststoff auch noch eine Querpress-Verbindung zwischen der Welle und dem Rotorkörper zumindest anteilig der Drehmoment-Übertragung dient.
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Neben den genannten Vorteilen hinsichtlich der gesteigerten Drehmoment-Übertragung weist der beschriebene Rotor den Vorteil auf, dass er kostengünstig herstellbar ist, da die Welle und auch der Rotorkörper an einer radialen Seite in einfacher Weise rund herstellbar sind, und lediglich eine oder mehrere Ausnehmungen in die Oberfläche der Welle bzw. des Rotorkörpers einzubringen sind. Des Weiteren kann der Rotorkörper mehrere zueinander jeweils axial benachbarte Rotorkörperabschnitte umfassen, die entlang der Umfangsrichtung versetzt zueinander angeordnet sind, so dass in den Rotorkörperabschnitten angeordnete Ausnehmungen ebenfalls entlang der Umfangsrichtung versetzt zueinander angeordnet sind. Dabei ist die Ausnehmung in der Welle achsparallel ausgebildet und entlang der Umfangsrichtung derart breit ausgebildet, dass die Ausnehmung in der Welle strömungstechnisch mit allen im selben Winkelbereich wie die betreffende Ausnehmung in der Welle angeordneten Ausnehmungen in den Rotorkörperabschnitten verbunden ist, so dass ein einem jeweiligen Rotorkörperabschnitt zugeordneter Kunststoffabschnitt wenigstens über die Ausnehmung in der Welle mittels Kunststoff mit dem dem jeweils benachbarten Rotorkörperabschnitt zugeordneten Kunststoffabschnitt verbunden ist.
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Die Ausbildung der strömungstechnischen Verbindung der Ausnehmung in der Welle mit allen Ausnehmungen in den Rotorkörperabschnitten bezieht sich auf eine Situation, in der noch kein Kunststoff in die Ausnehmungen eingebracht wurde.
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Ein Rotorkörperabschnitt kann auch als sogenanntes Stack bezeichnet werden. Ein solcher Rotorkörperabschnitt bzw. ein solches Stack kann dabei in einem Stapel zusammengefasste Elektrobleche aufweisen.
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Entsprechend der genannten Ausführungsform ist die Ausnehmung bzw. Nut in der Welle so breit dimensioniert, dass Kunststoff trotz Verschränkung der einzelnen Rotorkörperabschnitte in Bezug zueinander mit einem Spritz- oder Gießvorgang in den gesamten, sich axial erstreckenden Aufnahmeraum eingebracht werden kann. Die Verschränkung zueinander benachbarter Rotorkörperabschnitte ist dabei beispielsweise weniger als 1°.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines beschriebenen Rotors, bei dem eine Welle und ein Rotorkörper bereit gestellt werden und der Rotorkörper auf der Welle angeordnet wird, wobei an einer jeweiligen radialen Begrenzungsseite von sowohl der Welle als auch vom Rotorkörper an wenigstens einer Winkelposition eine jeweilige Ausnehmung ausgebildet ist, so dass durch die beiden Ausnehmungen ein gemeinsamer Aufnahmeraum ausgebildet ist, und wobei Kunststoff in einem Urformverfahren in den Aufnahmeraum eingebracht wird, so dass der Kunststoff den Aufnahmeraum füllt.
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Die Weite bzw. Breite der Ausnehmungen entlang der Umfangsrichtung und/oder deren radiale Tiefe ist entsprechend der benötigten Breite des Kunststoffs auszulegen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Weite bzw. Breite des Aufnahmeraums entlang der Umfangsrichtung mindestens 3 mm beträgt. Der Wellendurchmesser kann bei in einem Bereich von 45 und 70 mm liegen, wie z.B. zwischen 48 und 65 mm, wobei aber auch Wellendurchmesser bis zu 250 mm nicht ausgeschlossen werden sollen.
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Der Kunststoff füllt im Wesentlichen den Aufnahmeraum aus. Dadurch wird eine vollständige Anlage des Kunststoffes an den Wandlungen des Aufnahmeraums gewährleistet, sodass dem Auftreten einer Hysterese vorgebeugt wird.
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Die relativ große Weite des Aufnahmeraums gewährleistet eine einfache und Energieeffiziente Einbringung des Kunststoffs.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung eines Rotors sieht vor, dass der Kunststoff als Formmasse in einem Spritzpressverfahren in den Aufnahmeraum eingebracht wird.
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Mittels dem Spritzpressverfahren, dem sogenannten Transfer-Molding, wird der Kunststoff in den Aufnahmeraum bzw. in die Aufnahmeräume eingebracht, wo er nach Verfestigung einen Materialstrang bzw. einen Kunststoffabschnitt ausbildet.
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Der Kunststoff kann dabei unter Wärme und Druck ausgehärtet werden. Nach Erstarrung des Kunststoffes kann eine stoffschlüssige Verbindung entstehen, je nach Klebe-Eigenschaften des Kunststoffs. Ein Einspritzdruck beim Spritzpressen des Kunststoffs kann in Abhängigkeit der Weite der Ausnehmungen bzw. des Aufnahmeraums eingestellt werden. Eine alternative Einbringungsweise des Kunststoffes in den Aufnahmeraum bzw. in die Aufnahmeräume kann mittels Spritzgusses erfolgen.
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Die Erfindung ergänzend wird weiterhin eine elektrische Rotationsmaschine zur Verfügung gestellt, welche einen beschriebenen Rotor oder einen gemäß dem beschriebenen Verfahren zur Herstellung eines Rotors hergestellten Rotor aufweist.
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Die oben beschriebene Erfindung wird nachfolgend vor dem betreffenden technischen Hintergrund unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen, welche bevorzugte Ausgestaltungen zeigen, detailliert erläutert. Die Erfindung wird durch die rein schematischen Zeichnungen in keiner Weise beschränkt, wobei anzumerken ist, dass die in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispiele nicht auf die dargestellten Maße eingeschränkt sind. Es ist dargestellt in
- 1: eine axiale Ansicht einer Hälfte eines Rotors einer ersten Ausführungsform, und
- 2: eine axiale Ansicht einer Hälfte eines Rotors einer zweiten Ausführungsform.
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Zunächst wird der Rotor anhand beider Figuren erläutert.
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Von dem Rotor 1 ist in den Figuren nur eine Hälfte in axialer Ansicht dargestellt. Der Rotor 1 umfasst eine Welle 10 und darauf mit einer Welle-Nabe-Verbindung befestigt einen Rotorkörper 20, der die Nabe auf der Welle 10 ausbildet.
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Im Rotorkörper 20 sind mehrere Taschen 24 ausgebildet, in denen Magnete 25 angeordnet sind. Der Rotorkörper 20 sitzt mit seiner radialen Innenseite auf der radialen Außenseite der Welle 10. Hier kann eine Querpressverbindung ausgebildet sein.
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In der dem Rotorkörper 20 zugewandten radialen Begrenzungsseite 11 der Welle 10 ist eine Ausnehmung 12 ausgebildet. An derselben Winkelposition bzw. im selben Winkelbereich ist an der radialen Begrenzung Seite 21 des Rotorkörpers 20 ebenfalls eine Ausnehmung 22 im Rotorkörper 20 ausgebildet. Die beiden Ausnehmungen 12,22 bilden dabei gemeinsam einen Aufnahmeraum 30 aus, der mit Kunststoff 50 gefüllt ist.
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Im Folgenden werden die beiden in den 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiele anhand der jeweiligen Figur erläutert.
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1 zeigt eine Ausführungsform des Rotors 1, bei der sowohl die Ausnehmung 12 in der Welle 10, als auch die Ausnehmung 22 im Rotorkörper 20 jeweils in Form einer Nut ausgeführt sind. Diese beiden Nuten bzw. Ausnehmungen 12,220 befinden sich an derselben Winkelposition bzw. im selben Winkelbereich. Dadurch bilden sie gemeinsam einen Aufnahmeraum 30 aus. Die Grundfläche 13 der Nut bzw. Ausnehmung 12 in der Welle 10 verläuft dabei im Wesentlichen parallel zur radialen Begrenzungsseite 11 der Welle 10, und die Grundfläche 23 der Nut bzw. Ausnehmung 22 im Rotorkörper 20 verläuft im Wesentlichen parallel zur radialen Begrenzungsseite 21 des Rotorkörpers 20. dabei soll jedoch nicht ausgeschlossen sein, dass die Grundflächen 13,23 gegebenenfalls ebenfalls eine Wölbung aufweisen, wie die jeweiligen radialen Begrenzungsseiten 11,21.
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Es ergibt sich dadurch das in 1 dargestellte Taschendesign.
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In der hier dargestellten Ausführungsform ist die Ausnehmung 22 im Rotorkörper 20 entlang der Umfangsrichtung der Welle 10 deutlich größer als die Ausnehmung 12 in der Welle 10. Dabei ist der Rotor nicht auf diese Ausführungsform eingeschränkt, sondern es kann auch sein, dass die beiden Ausnehmungen 12,22 genauso breit bzw. weit sind.
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2 zeigt eine Ausführungsform des Rotors 1, bei der die Ausnehmung 12 in der Welle 10 durch eine Abflachung 14 der Welle 10, die eine im Wesentlichen ebene Fläche ausbildet, ausgeführt ist. Die an derselben Winkelposition bzw. im selben Winkelbereich ausgebildete Ausnehmung 22 im Rotorkörper 20 weist einen dreiecksförmigen Querschnitt 40 auf. Insgesamt bildet sich somit auch ein dreiecksförmiger Aufnahmeraum 30 aus, und somit ein sogenanntes Hügeldesign. Ein erster Schenkel 41 und ein zweiter Schenkel 42 des dreiecksförmigen Querschnitts 40 bzw. des Querschnitts des Aufnahmeraums 30 können dabei derart zueinander angeordnet sein, dass der dreiecksförmige Querschnitt 40 als gleichschenkliges Dreieck ausgebildet ist.
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Bei einer Relativ-Drehung zwischen Rotorkörper 20 und Welle 10 wirken die Schenkel 41,42 wie Keile, sodass hier in Klemmbereichen 60 an den Schenkeln 41,42 erhöhte radiale Kräfte zwischen dem Rotorkörper 20 und der Welle 10 entstehen, die entsprechende Klemmkräfte oder Reibkräfte zwischen der Welle 10 und dem Rotorkörper 20 bewirken, so dass die dargestellte Welle-Nabe-Verbindung eine erhöhte Drehmoment-Festigkeit aufweist.
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Mit dem hier vorgeschlagenen Rotor einer elektrischen Rotationsmaschine sowie dem Verfahren zur Herstellung des Rotors werden Rotoren zur Verfügung gestellt, die einen kostengünstigen, Bauraum-effizienten Aufbau und einen langlebigen Betrieb gewährleisten.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rotor
- 10
- Welle
- 11
- radiale Begrenzungsseite der Welle
- 12
- Ausnehmung in der Welle
- 13
- Grundfläche der Nut in der Welle
- 14
- Abflachung
- 20
- Rotorkörper
- 21
- radiale Begrenzungsseite des Rotorkörpers
- 22
- Ausnehmung im Rotorkörper
- 23
- Grundfläche der Nut im Rotorkörper
- 24
- Tasche
- 25
- Magnet
- 30
- Aufnahmeraum
- 40
- dreiecksförmiger Querschnitt
- 41
- erster Schenkel
- 42
- zweiter Schenkel
- 50
- Kunststoff
- 60
- Klemmbereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102021126103 A1 [0006]
- US 2019/0140504 A1 [0007]
