DE10358456A1

DE10358456A1 - Rotor für eine elektrische Maschine

Info

Publication number: DE10358456A1
Application number: DE10358456A
Authority: DE
Inventors: Knut Dipl.-Ing. Welke; Khalid Dipl.-Ing. Jafoui; Astrid Dipl.-Ing. Pümmler; Ulrich Klawe
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2003-12-13
Filing date: 2003-12-13
Publication date: 2005-07-07
Also published as: US7109627B2; US20050127768A1

Abstract

Es wird ein Rotor für eine elektrische Maschine beschrieben, welcher einen Rotorträger aus einem metallischen Werkstoff mit einem sich radial zu der Rotationsachse der elektrischen Maschine erstreckenden Rotorrücken und einen sich axial erstreckenden Rohrabschnitt umfasst, an dem ein Blechpaket angeordnet ist. Zur einfacheren und kostengünstigeren Fertigung wird vorgeschlagen, den Rotorträger einstückig als Drückwalzteil auszubilden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschinen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Elektrische Maschinen sind allgemein bekannt. Diese umfassen einen um eine Welle umlaufenden Rotor und einen zu diesem feststehenden Stator. Die elektrische Maschine kann beispielsweise einen Motor, einen Generator oder einen Motor-Generator darstellen. Letzterer findet in zunehmenden Umfang auch Eingang in die Kraftfahrzeugtechnik, um die bisherigen getrennten Funktionen bzw. Aggregate in Form der Lichtmaschine zur Erzeugung von elektrischer Leistung für ein Kraftfahrzeugbordnetz und in Form eines Anlassers zum Starten einer Brennkraftmaschine in einem gemeinsamen Aggregat zu vereinigen. Die gegenwärtige Entwicklung in der Automobilindustrie fordert allgemein, dass bei steigendem Fahrkomfort, das Fahrzeuggewicht reduziert bzw. nicht übermässig weiter stark ansteigt. In diesem Zusammenhang gibt es auch Bestrebungen, den durch einen Starter-Generator bereits gewonnenen Gewichtsvorteil noch weiter zu erhöhen.
Das Blechpaket eines Rotors, welches einen Magnetfluss zur Erzeugung eines Drehmomentes führt, kann beispielweise direkt auf der Rotorwelle oder mittels eines Rotorträgers und gegebenfalls einer Nabe mit der Welle der elektrischen Maschine verbunden sein, wie dieses bei Außenläufermaschinen der Fall ist. Ein bekanntes Verfahren sieht vor, den Rotorträger einstückig aus Massivmaterial, z.B. einem Aluminium- oder einem Stahlzylinder durch spanende Bearbeitung zu formen. Es ist weiterhin alternativ dazu auch bekannt, eine Ronde mit einem Rohrabschnitt durch Verschweißen zu einem Rotorträger zu verbinden. Die bekannten Verfahren haben jedoch den Nachteil, dass diese zu materialintensiv und äußerst arbeitsaufwändig sind, wodurch sich insgesamt hohe Herstellungskosten ergeben.
Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, einen Rotor für eine elektrische Maschine bereitzustellen, der eine vereinfachte, gewichtsreduzierte und kostengünstigere Fertigung ermöglicht.
Die Aufgabe wird gelöst mit einem Rotor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
Durch die Ausbildung des Rotorträgers als Drückwalzteil kann dieser deutlich gewichtsreduziert bei einer sehr hohen Bauteilfestigkeit gefertigt werden. Eine aufwändige Nachbearbeitung kann dadurch vermieden werden, was wiederum zur Kostensenkung beiträgt.
Beim Drückwalzen wird allgemein eine rotationssymmetrische Vorform in Drehbewegung versetzt, welche an einem Drückwalzdorn in axialer Richtung fixiert wird. Durch eine radiale sowie axiale Druckeinwirkung von örtlich am Umfang der Vorform angreifenden Walzen, wird der Werkstoff plastisch verformt. Die Außenkontur des Rotorträgers wird dabei von den radialen Bewegungen der Walzen bestimmt. Die Innenkontur des zu fertigenden Rotorträgers wird direkt von dem Drückwalzdorn abgeformt.
Gemäß der in den Ansprüchen formulierten Weiterbildungen kann der Rotorträger auch mit unterschiedlichem Wanddickenverlauf gefertigt und Innen- und Außenkonturen sowie Verrippungen spanlos hergestellt werden. Dabei ergeben sich extrem gute Oberflächen.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft anhand eines Außenläuferrotors erläutert. Es zeigen:
1 einen Axialschnitt eines als Drückwalzteils einstückig ausgebildeten Rotorträgers einer elektrischen Maschine,
2 einen Rotorträger mit einem Blechpaket, welches mit einem verrollten Ringkragen umgriffen wird,
3 eine Darstellung eines mit einer Nutstruktur versehenen Blechpaketes,
4 eine Teildarstellung eines mit dem Rotorträger verbundenen Blechpakets.
Die Figuren zeigen einen Rotor 10 für eine zeichnerisch nicht dargestellte permanenterregte elektrische Außenläufermaschine. Der Rotorträger 10 umfasst einen aus einem metallischen Werkstoff, z.B. einem hochwertigen Stahl oder Aluminium, einstückig als Drückwalzteil gefertigten Rotorträger 12 mit einem sich radial zu der Rotationsachse A der elektrischen Maschine erstreckenden Rotorrücken 14, der in einen sich axial erstreckenden Rohrabschnitt 16 übergeht. Der Rotor 10 hat somit insgesamt eine topfförmige Gestalt und nimmt in dessen Innenraum ein aus Elektroblech mittels Hochkantrollieren vorgefertigtes Blechpaket 17 auf, welches an dessen Innenumfangsfläche in Nuten 18 eine Mehrzahl von Permanentmagneten 20 trägt, von denen jedoch nur ein einzelner beispielhaft dargestellt ist. Das Magnetfeld der Permanentmagneten 20 tritt in Wechselwirkung mit einem Magnetfeld eines zeichnerisch nicht dargestellten Stators der elektrischen Maschine in und erzeugt auf diese Weise eine Drehbewegung des Rotors 10. Aus den Figuren ist ersichtlich, dass die Wandstärke W1 des Rotorrückens 14, die Wandstärke W2 des Rohrabschnittes 16 übersteigt. Bei einem Rotordurchmesser im Bereich von ca. 250mm–500mm lässt sich der Rotorrücken 14 beispielsweise mit einer Wandstärke W1 von ca. 3mm-10mm und der Rohrabschnitt 16 mit einer Wandstärke W2 von ca. 2mm–5mm realisieren. Im radial inneren Bereich des Rotorrückens 14 ist eine Ausnehmung 22 ausgebildet, die eine zeichnerisch nicht dargestellte Rotornabe mit einer Welle oder beispielsweise einen Schraubbolzen zur Verschraubung mit einer Welle in sich aufnehmen kann. Der dem Rotorrücken 14 abgewandte Bereich des Rohrabschnittes 16 weist in 1 einen Drückwalz-Auslaufbereich 24 auf, welcher nach dem Drückwalzvorgang abgenommen wird. Ein noch verbleibender axialer Überstand 26 wird nach der Montage des Blechpaketes 17 in dessen Richtung nach radial innen zu einem Ringkragen 28 verrollt und sichert das Blechpaket 17 in dessen Axiallage.
An der Innenumfangsfläche des Rohrabschnittes 16 sind mehrere gleichmäßig verteilte, von diesem nach radial innen abragenden Axialstege 30 mit Einführschrägen 32 ausgeführt, die in dazu an der Außenumfangsfläche des Blechpaketes 17 korrespondierend ausgebildete Axialnuten 34 eingreifen. Die Innenkontur des Rohrabschnittes 16 wird beim Drückwalzen durch plastisches Abformen eines Dornaußenprofils erzeugt.
Zur Erzielung einer spielfreien Drehmomentübertragung zwischen dem Blechpaket 17 und dem Rotorträger 12 weisen die Axialnuten 34 des Blechpakets 17 Nutflanken 36 mit einem gegenüber Stegflanken 35 des Rotorträgers 12 mit einem Übermaß gefertigten Bereich 38 auf, der bei der Montage des Blechpakets 17 auf dem Rotorträger 12 plastisch, kraftschlüssig in dafür vorgesehenen Freiräume eingeformt wird und damit in Umfangsrichtung eine präzise Kraftübertagung ermöglicht. Das Blechpaket 17 kann axial unter Druck in den Rotorträger 12 eingepresst werden oder vorzugsweise in einen auf eine erhöhte Temperatur erwärmten Rotorträger 12 aufgeschoben werden, wobei dieser beim Abkühlen unter Volumenabnahme auf das Blechpaket 17 aufschrumpft. Die gegenseitige Zentrierung von Rotorträger 12 und Blechpaket 17 kann ebenfalls mittels der Axialnuten 34 und der Stege 30 erfolgen. Alternativ ist es jedoch auch möglich, Zentriermittel von den Drehmomentübertragungsmitteln getrennt auszuführen. Im vorliegenden Fall erfolgt die Zentrierung über die Außendurchmesserbereiche 40 des Blechpakets 17 und die daran anliegenden, zwischen den Stegen 30 des Rohrabschnittes 16 ausgebildeten Umfangsflächenelemente 42. Um in der Praxis eine Überbestimmung der Zentrierung zu vermeiden, ist zwischen einem an einer Axialnut 34 ausgebildetem Nutgrund 44 und einem an dem dazu korrespondierenden Steg 30 ausgebildeten Wandungsbereich 46 ein Radialspalt 48 vorgesehen. Innerhalb der Außenumfangsfläche 40 sind weitere Nuten 54 jeweils paarweise am Blechpaket 17 ausgebildet, womit die einzelnen Blechlagen durch axiale Schweissnähte 56 verbunden werden können.
Weiterhin weist der Rohrabschnitt 16 an dessen Außenumfangsfläche eine in Umfangsrichtung modulierte Kontur 50 auf, die zur Ermittlung der Drehstellung des Rotors zum Stator und/oder allgemein zu einem weiterem zu diesem ortsfesten Element von einem Drehstellungsdetektierungssystem erfasst werden kann. Dazu ist am Rohrabschnitt 16 mittels Drückwalzen ein erhabener Ringbereich 52 ausgebildet, aus dem beispielsweise durch Nachbearbeiten eine Zahnstruktur, z.B. eine 60-2 Verzahnung für ein Geberrad eines Kurbelweliensensors, mit einer Bezugsmarke zur Festlegung einer definierten Drehstellung herausgearbeitet werden kann. Die Kontur 50 kann beispielsweise mit einem zeichnerisch nicht dargestellten Magnetfeldsensor abgetastet und von einer Steuerung der elektrischen Maschine zu deren Ansteuerung verarbeitet und gegebenfalls an eine Steuerung einer Verbrennungskraftmaschine übergeben werden. Anstelle eines periodischen Musters, wie einer Zahn-Lücke-Struktur, kann auch eine sich über eine ganze Umdrehung kontinuierlich veränderliche Kontur 50 z.B. in Form eines sich in Umfangsrichtung verjüngenden Keiles erzeugt werden, dessen Bezugsmarke bspw. im Bereich von Keilspitze und Keilbasis definiert ist. Anstelle einer erhabenen Kontur kann auch eine ausgenommene Kontur erzeugt werden, was jedoch bezüglich der Bauteilfestigkeit gewisse Nachteile mit sich bringen kann.
Die Erfindung ist nicht auf den beschriebenen Außenläuferrotor beschränkt; das heißt, Innenläuferrotoren können gleichfalls mit einem drückgewalzten Rotorträger 12 analog zu dem erläuterten Beispiel ausgeführt werden.

Claims

Rotor für eine elektrische Maschine, umfassend einen Rotorträger aus einem metallischen Werkstoff mit einem sich radial zu der Rotationsachse der elektrischen Maschine erstreckenden Rotorrücken und einen sich axial erstreckenden Rohrabschnitt, an dem ein Blechpaket angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorträger (12) einstückig als Drückwalzteil ausgebildet ist.
Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke (W1) des Rotorrückens (14), die Wandstärke (W2) des Rohrabschnittes (16) übersteigt.
Rotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (10) als Außenläufer ausgebildet ist und das Blechpaket (17) radial innerhalb des Rohrabschnittes (16) angeordnet ist.
Rotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenumfangsfläche des Rohrabschnittes (16) mindestens einen von diesem abragenden Axialsteg (30) aufweist, der in eine an der Außenumfangsfläche des Blechpaketes (17) ausgebildete mindestens eine Axialnut (34) eingreift.
Rotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Axialnut (34) des Blechpakets (17) mindestens eine Nutflanke (36) mit einem gegenüber den korrespondierenden Stegflanken (35) des Rotorträgers (12) in Übermaß gefertigten Bereich (38) aufweisen, der bei der Montage des Blechpakets (17) auf dem Rotorträger (12) plastisch verformt wird.
Rotor nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen einem an der Axialnut (34) ausgebildetem Nutgrund (44) und einem an dem dazu korrespondierenden Steg (30) ausgebildeten Wandungsbereich (46) ein Radialspalt (48) vorgesehen ist.
Rotor nach einem der bisherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein dem Rotorrücken (14) abgewandter Endbereich des Rohrabschnittes (16) einen Ringkragen (28) zur axialen Sicherung des Blechpakets (17) aufweist.
Rotor nach einem der bisherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrabschnitt (16) in dessen Umfangsrichtung eine Kontur (50) aufweist, die zur Ermittlung einer Drehstellung des Rotors (10) zu einem zu diesem ortsfesten Element von einem Drehstellungsdetektierungssystem erfasst werden kann.
Rotor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur (50) eine Bezugsmarke zur Festlegung einer definierten Drehstellung aufweist.