Rotor, Elektromotor, Verfahren zur Herstellung eines Rotors sowie Verwendung eines
Rotors bzw. Elektromotors
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, einen Elektromotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9, ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10, sowie eine Verwendung eines Rotors gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 11, 12 oder 15.
Ein Rotor, umfassend eine Welle und ein auf der Welle angebrachtes Rotorpaket, wird zumeist in Elektromotoren eingesetzt. Bei dem Rotorpaket handelt es sich in der Regel um ein aus einzelnen Blechlamellen zusammengesetztes Blechpaket. Die einzelnen Blechlamellen sind dabei in axialer Richtung hintereinander angeordnet. Aber auch die Blechlamellen als solches können aus einzelnen Blechlamellensegmenten zusammengesetzt sein, die in Umfangsrichtung hintereinander angeordnet und verbunden sind.
Das Rotorpaket ist drehfest mit der Welle verbunden. In der Regel geschieht dies mittels Pressverbund.
Insbesondere bei hohen Drehzahlen ergeben sich beachtliche Fliehkräfte, die auf die Rotorkomponenten einwirken. Hieraus können Probleme bei über Pressverbund befestigten Rotorpaketen auftreten. In der Regel weisen die Rotorpakete im Vergleich zur Welle größere Massen mit einen ebenfalls größeren Abstand zur Rotationsachse auf. Ferner erfahren die Rotorpakete aufgrund ihrer weiter von der Rotationsachse entfernten Massenverteilung höhere Fliehkräfte. Insofern droht das Rotorpaket bei hohen Drehzahlen von der Welle abzuheben bzw. die wirksame Überdeckung und damit das noch übertragbare Drehmoment verringert sich.
Aus der DE 102014216905 Al ist beispielsweise ein Rotorpaket mit Innengewinde bekannt geworden, welches auf eine mit einem Außengewinde versehene Welle geschraubt wird. Wenngleich diese Maßnahme zur Verbesserung der Verbindung zwischen Welle und Rotorpaket dienlich sein kann, so besteht dennoch ein Bedarf nach einem verbesserten Rotor, insbesondere einer Verbindung zwischen Welle und Rotorpaket, die auch bei hohen Drehzahlen eine sichere Verbindung darstellt. Vorzugsweise soll der Rotor auch noch leicht herstellbar sein.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Rotor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Dadurch, es sich bei der Welle um eine Hohlwelle mit einer Wandung handelt, wobei die Wandung der Welle auf ihrer der Öffnung zugewandten Seite mit in Längsrichtung verlaufenden Ausnehmungen ausgestattet ist, kann die Umfangssteifigkeit verringert werden. Hierdurch kann bei gleicher Aufpresskraft eine höhere Komprimierung der mit Ausnehmungen versehenen Welle gegenüber einer normalen Hohlwelle erreicht werden. Die Welle wirkt als komprimierte Feder und kann bei Aufweitung des Rotorpakets den vorkomprimierten Weg mitgehen. Durch die auch auf die Welle wirkenden Fliehkräfte (wenngleich geringere Fliehkräfte als beim Rotorpaket) erfolgt auch eine Aufweitung der Welle über den Normaldurchmesser hinaus.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorgeschlagenen Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Merkmalen der Unteransprüche. Die Gegenstände bzw. Merkmale der verschiedenen Ansprüche können grundsätzlich beliebig miteinander kombiniert werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Ausnehmungen parallel zur Längsachse der Welle und/oder parallel zueinander ausgerichtet sind.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Ausnehmung als Langloch in der Wandung der Hohlwelle ausgestaltet ist. Die Ausgestaltung der Ausnehmung als Langloch ist produktionstechnisch vorteilhaft herstellbar, beispielsweise durch Ausfräsen des Langlochs aus der Wandung einer Hohlwelle. Denkbar sind aber auch andere Herstellungsverfahren.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass sich das Langloch über einen Abschnitt der Welle erstreckt, insbesondere über einen Abschnitt, der in der Öffnung des Rotorpaketes aufgenommen ist. Hierdurch wird lediglich derjenige Bereich hinsichtlich seiner Umfangssteifigkeit verringert, der im Wesentlichen für die verbesserte Verbindung zwischen Welle und Rotorpaket notwendig ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Ausnehmung als Nut ausgestaltet ist. Die Ausgestaltung der Ausnehmung als Nut unterscheidet sich von der Ausgestaltung als Langloch im Wesentlichen dadurch, dass die Nut einen Nutboden aufweist. Eine derartige Struktur kann vorzugsweise durch eine Profilierung der Wandung der
Hohlwelle vorgenommen werden. Die Wandung weist dabei vorzugsweise eine konstante Wandstärke auf.
Ferner ergibt sich vorteilhafterweise, seien die Ausnehmungen als Langlöcher oder Nuten ausgestaltet, dass die Welle mit Kontaktflächen ausgestattet ist, die an der Innenfläche der Öffnung anliegen, wobei die Ausnehmungen zwischen den Kontaktflächen angeordnet sind.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Welle aus einem weichmagnetischem Material ausgebildet ist. Indem die Welle mit als magnetischer Leiter genutzt wird, kann Material im Rotorpaket eingespart werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Rotorpaket Aussparungen, insbesondere dreieckige Aussparungen, aufweist, die sich insbesondere unmittelbar an die Ausnehmungen anschließen, so dass die Ausnehmungen und Aussparungen gemeinsam jeweils eine zusammenhängende Flussbarriere bilden. Dadurch kann das magnetische Material effektiver genutzt werden und Material im Rotorpaket eingespart werden. Insbesondere sind magnetisch schwach genutzte Bereiche radial unterhalb von Magneten ausgespart, so dass das Gewicht des Rotors verringert werden kann
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, einen verbesserten Elektromotor vorzuschlagen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Elektromotor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Dadurch, dass es sich bei dem Rotor um einen erfindungsgemäß vorgeschlagenen Rotor handelt, kann eine verbesserte Verbindung zwischen der Welle und dem Rotorpaket bereitgestellt werden, die auch bei hohen Drehzahlen eine verlässliche Verbindung zwischen Welle und Rotorpaket sicherstellen kann.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, ein vorteilhaftes Herstellungsverfahren für einen erfindungsgemäßen Rotor vorzuschlagen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Dadurch, dass die Ausnehmung bzw. die Ausnehmungen durch materialtrennende Verfahren, insbesondere Fräsen oder Stanzen, oder umformende Verfahren, insbesondere Pressen oder Hämmern, hergestellt wird, können, je nachdem, welche
Ausführungsform für die Ausnehmung bzw. die Ausnehmungen gewählt wird, die Ausnehmungen auf jeweils herstellungstechnisch vorteilhafte Art und Weise hergestellt werden.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine vorteilhafte Verwendung eines erfindungsgemäßen Rotors, insbesondere eines erfindungsgemäßen Elektromotors mit einem erfindungsgemäßen Rotor, vorzuschlagen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Verwendung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Dadurch, dass die Welle als komprimierte Feder wirkt, kann die Welle bei Aufweitung des Rotorpakets den vorkomprimierten Weg mitgehen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine vorteilhafte Verwendung eines erfindungsgemäßen Rotors, insbesondere eines erfindungsgemäßen Elektromotors mit einem erfindungsgemäßen Rotor, vorzuschlagen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Verwendung gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Dadurch, dass die Welle der Leitung eines magnetischen Flusses dient, wobei die Ausnehmungen als Flussbarrieren zur Lenkung dieses magnetischen Flusses genutzt werden, kann den Ausnehmungen entsprechend eine Mehrfachfunktion zukommen, insbesondere in Funktion einer verbesserten Verbindung zwischen Welle und Rotorpaket, als auch als Flussbarrieren zur Lenkung eines magnetischen Feldes.
Die Ausnehmungen der Welle können dazu als Nut oder als Langloch ausgeführt sein. Die Welle ist dazu weiterhin aus weichmagnetischem Material ausgebildet, so dass die Welle als magnetischer Leiter dient, insbesondere zum magnetischen Kurzschließen zweier Pole zweier Magneten eines Magnete aufweisenden Rotorpaketes. Dadurch kann Material im Rotor, insbesondere zur Reduktion des Rotorjochs, eingespart werden.
Vorzugsweise weist das Rotorpaket weitere Flussbarrieren in Form von Aussparungen, insbesondere von im Wesentlichen dreieckigen Aussparungen, auf. Diese Aussparungen schließen sich unmittelbar an die Ausnehmungen an, so dass die Ausnehmungen und Aussparungen jeweils eine zusammenhängende Flussbarriere bilden. Dadurch kann weiter Material im Rotorpaket eingespart werden.
Vorzugsweise beträgt die Anzahl der Ausnehmungen ein ganzzahlig Vielfaches n (n = 1, 2, 3, ...) der Anzahl der Pole; besonders bevorzugt sind Anzahl von Ausnehmungen und Polen gleich (n=l). Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, eine vorteilhafte Verwendung eines erfindungsgemäßen Rotors, insbesondere eines erfindungsgemäßen Elektromotors mit einem erfindungsgemäßen Rotor, vorzuschlagen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Verwendung gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst. Dadurch, dass die Ausnehmungen mit einem Kühlmedium beaufschlagt werden, kann eine effektive Kühlung des Rotors vorgenommen werden. Zudem können den Ausnehmungen die bereits oben skizzierten Funktionen zukommen, so dass beispielsweise drei Funktionen in einer Ausnehmung vereint sind, was wiederum zu einer kompakten Bauweise des Rotors bzw. Elektromotors beitragen kann.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigen
Fig. 1 ein erfindungsgemäßer Elektromotor mit einem erfindungsgemäßen Rotor in einer schematischen Querschnittdarstellung;
Fig. 2a eine Welle eines erfindungsgemäßen Rotors in einer perspektivischen Darstellung;
Fig. 2b eine Welle eines erfindungsgemäßen Rotors in einer Draufsicht;
Fig. 3 ein erfindungsgemäßer Rotor in einer perspektivischen Darstellung;
Fig. 4 ein erfindungsgemäßer Rotor in einer Ansicht von Vorne;
Fig. 5 ein beispielhafter Vergleich des übertragbaren Drehmomentes in Abhängigkeit von der Drehzahl für verschiedene Rotorpaket-Wellen-Konstellationen;
Fig. 6a eine weitere Ausführungsform einer Welle für einen erfindungsgemäßen Rotor in einer ersten perspektivischen Darstellung;
Fig. 6b eine Ausführungsform einer Welle gemäß Fig. 6a für einen erfindungsgemäßen
Rotor in einer anderen perspektivischen Darstellung;
Fig. 7 ein erfindungsgemäßer Rotor mit einer Welle gemäß Fig. 6a bzw. 6b in einer perspektivischen Darstellung;
Fig. 8 eine schematische Darstellung von Magnetflusslinien in einem erfindungsgemäßen Rotor;
Fig. 9 eine schematische Darstellung von Magnetflusslinien in einem erfindungsgemäßen Rotor.
Zunächst wird auf Fig. 1 Bezug genommen.
Ein erfindungsgemäßer Rotor R umfasst im Wesentlichen eine Welle 1 und ein Rotorpaket 2.
Das Rotorpaket 2 ist verdrehtest, vorzugsweise aber auch axial fixiert, auf der Welle 1 angebracht.
Bei der Welle 1 handelt es sich um eine Hohlwelle mit einer entsprechenden Wandung 11. Die Welle 1 weist eine entsprechende Längsachse bzw. Rotationsachse L auf.
Das Rotorpaket 2 weist mindestens ein, vorzugweise mehrere, ringförmige Blechlamellen 21 auf, die zu einem hohlzylinderförmigen Rotorpaket 2 zusammengesetzt sind. Entsprechend sind die Blechlamellen 21 in axialer Richtung hintereinander aufgereiht. Aber auch die Blechlamellen 21 als solches können aus einzelnen Blechlamellensegmenten (nicht dargestellt) zusammengesetzt sein, die in Umfangsrichtung hintereinander angeordnet und verbunden sind.
Das Rotorpaket 2 weist eine Öffnung 22 auf, durch welche die Welle 1 hindurchgesteckt bzw. in welcher die Welle 1 aufgenommen ist. Diese Öffnung 22 weist eine der Welle zugewandte Oberfläche auf, die nachfolgend als Innenfläche bezeichnet werden soll.
Die Welle 1 bzw. deren Wandung 11 weist entsprechend eine der Öffnung 22 zugewandte Oberfläche auf.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die der Innenfläche der Öffnung 22 zugewandte Oberfläche der Welle 1 mit in Längsrichtung L verlaufenen Ausnehmungen 12 versehen ist. Vorzugsweise sind die Ausnehmungen 12 parallel zur Längsachse L der Welle 1 und/oder parallel zueinander ausgerichtet.
In einer ersten Ausführungsform, die beispielsweise in den Abbildungen Fig. 6 dargestellt ist, können die Ausnehmungen 12 als Langlöcher in der Wandung 11 der Hohlwelle ausgestaltet sein. Das Langloch 12 durchdringt die Wandung 11 vorzugsweise vollständig und wird vorzugsweise durch materialtrennende Verfahren, wie beispielsweise Fräsen oder Stanzen, hergestellt. Insofern erstrecken sich die Ausnehmungen 12 dieser Ausführungsform vorzugsweise nicht über die gesamte Länge der Welle 1, in der Regel aber über den Teil der Welle 1, welcher sich in der Öffnung 22 des Rotorpaketes 2 befindet. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass die Langlöcher 12 einseitig geöffnet sind. Alle einseitigen Öffnungen der Langlöcher können auf einer Seite der Welle 1, aber auch alternierend bzw. in einem Muster alternierend bzgl. der Seite der Welle 1 angeordnet sein.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Wandung 11 profiliert ausgestaltet sein, d.h. die Ausnehmungen 12 sind als Nuten ausgestaltet. Die Nut 12 weist entsprechend einen Nutboden auf, d.h. im Gegensatz zu den Langlöchern durchdringt die Nut 12 die Wandung 11 nicht vollständig. Die Nut bzw. die Profilierung wird vorzugsweise mittels umformenden Verfahren, wie beispielsweise Pressen, hergestellt.
In beiden Ausführungsformen ergeben sich letztendlich Kontaktflächen 13 zwischen den Ausnehmungen 12 der Welle 1, welche an der Innenfläche der Öffnung 22 anliegen. Vorzugsweise sind diese Kontaktflächen 13 in Umfangsrichtung durch die Ausnehmungen 12 voneinander getrennt.
Im Ergebnis wird eine Rotorwelle 1 mit verringerter Umfangssteifigkeit vorgeschlagen, auf welche ein Rotorpaket 2 unmittelbar aufgepresst ist. Die Verringerung der Umfangssteifigkeit kann durch Ausnehmungen 12, beispielsweise in Form von einbrachten Langlöcher und/oder Nuten, erfolgen.
Zur Verdeutlichung dieses Effektes sind in der Fig. 5 übertragbares Drehmoment über Rotordrehzahl an verschiedenen Beispielen aufgetragen. Die Ziffer I bezieht sich auf eine unprofilierte Hohlwelle, die Ziffer II auf eine Hohlwelle mit vier Nuten als Ausnehmungen und die Ziffer III auf eine Hohlwelle mit acht Nuten als Ausnehmungen (Fig. 2 bis 4).
In einer Weiterentwicklung der Erfindung bzw. im Hinblick auf eine vorteilhafte Verwendung können die Ausnehmungen 12 zugleich als Flussbarrieren zur Lenkung eines magnetischen Feldes genutzt werden, besonders bei Synchron- oder Hybridsynchron-Maschinen. Die Anzahl der Ausnehmungen 12 beträgt vorteilhafterweise ein ganzzahlig Vielfaches n (n=l,2,3...) der Anzahl der Pole. Zur Illustration dieses Effektes sind Magnetflusslinien 3 und die als Flussbarriere 4 wirkenden Ausnehmungen 12 in den Fig. 8 (mit gleicher Anzahl von Polen und Ausnehmungen, d.h. n=l) und Fig. 9 (mit doppelter Anzahl von Ausnehmungen, d.h. n=2) dargestellt.
Die Welle 1 ist dazu aus weichmagnetischem Material ausgebildet, so dass ein magnetischer Pfad durch eine oder mehrere Erhebungen 13 der Welle führt. Die Welle schließt hierdurch jeweils zwei Pole zweier Magneten 16 kurz. Indem die Welle 1 mit als magnetischer Leiter genutzt wird, kann Material im Rotorpaket 2 eingespart werden.
Das Rotorpaket weist weitere Flussbarrieren in Form von Aussparungen 15, hier im Wesentlichen dreieckigen Aussparungen 15, auf. Diese Aussparungen 15 schließen sich unmittelbar an die Ausnehmungen 12 an, so dass die Ausnehmungen 12 und Aussparungen 15 gemeinsam jeweils eine zusammenhängende Flussbarriere 4 bilden. Dadurch kann das magnetische Material effektiver genutzt werden und Material im Rotorpaket 2 eingespart werden. Insbesondere sind
magnetisch schwach genutzte Bereiche radial unterhalb von Magneten 16 ausgespart, so dass das Gewicht des Rotors verringert werden kann.
In einer Weiterentwicklung der Erfindung bzw. im Hinblick auf eine vorteilhafte Verwendung können die Ausnehmungen 12 auch als Kanäle für ein Kühlmedium dienen, welches in direkten Kontakt mit dem Rotorpaket treten kann.
Es gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben sind selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Rotor bzw. Elektromotor und umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird bzw. werden kann. Außerdem kann das erfindungsgemäße Verfahren mit dem erfindungsgemäßen Rotor bzw. Elektromotor durchgeführt werden.
Folgende Bezugszeichen werden in den Abbildungen verwendet:
S Stator
R Rotor
L Längsachse / Rotationsachse
1 Welle
2 Rotorpaket
3 Magnetflusslinien
4 Flussbarriere
11 Wandung / Oberfläche
12 Ausnehmung
13 Kontaktfläche
15 Aussparung
16 Magnet
21 Blechlamellen
22 Öffnung / Innenfläche