EP3827503A1 - Rotor, elektromotor, verfahren zur herstellung eines rotors sowie verwendung eines rotors bzw. elektromotors - Google Patents

Rotor, elektromotor, verfahren zur herstellung eines rotors sowie verwendung eines rotors bzw. elektromotors

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EP3827503A1
EP3827503A1 EP19742735.4A EP19742735A EP3827503A1 EP 3827503 A1 EP3827503 A1 EP 3827503A1 EP 19742735 A EP19742735 A EP 19742735A EP 3827503 A1 EP3827503 A1 EP 3827503A1
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EP
European Patent Office
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rotor
shaft
recesses
electric motor
opening
Prior art date
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Pending
Application number
EP19742735.4A
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English (en)
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Inventor
Mathias Schröder
Roland BUOL
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ThyssenKrupp AG
Thyssenkrupp Dynamic Components GmbH
Original Assignee
ThyssenKrupp AG
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Filing date
Publication date
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Pending legal-status Critical Current

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    • F16D2001/103—Quick-acting couplings in which the parts are connected by simply bringing them together axially the torque is transmitted via splined connections

Definitions

  • the present invention relates to a rotor according to the preamble of claim 1, an electric motor according to the preamble of claim 9, a method for producing a rotor according to the preamble of claim 10, and use of a rotor according to the preamble of claim 11, 12 or 15 ,
  • a rotor comprising a shaft and a rotor assembly attached to the shaft, is mostly used in electric motors.
  • the rotor package is usually a laminated core composed of individual laminations.
  • the individual sheet metal lamellae are arranged one behind the other in the axial direction.
  • the laminations as such can also be composed of individual laminated segments which are arranged and connected one behind the other in the circumferential direction.
  • the rotor package is non-rotatably connected to the shaft. As a rule, this is done using a press network.
  • a rotor package with an internal thread has become known, which is screwed onto a shaft provided with an external thread.
  • this measure can be used to improve the connection between the shaft and the rotor assembly, there is still a need for an improved rotor, in particular a connection between the shaft and the rotor assembly, which represents a secure connection even at high speeds.
  • the rotor should also be easy to manufacture.
  • this object is achieved by a rotor with the characterizing features of claim 1. Due to the fact that the shaft is a hollow shaft with a wall, the wall of the shaft on its side facing the opening being provided with recesses running in the longitudinal direction, the circumferential rigidity can be reduced.
  • the shaft acts as a compressed spring and can follow the pre-compressed path when the rotor assembly is expanded. Due to the centrifugal forces also acting on the shaft (albeit lower centrifugal forces than with the rotor package), the shaft is also expanded beyond the normal diameter.
  • the recesses are aligned parallel to the longitudinal axis of the shaft and / or parallel to one another.
  • the recess is designed as an elongated hole in the wall of the hollow shaft.
  • the design of the recess as an elongated hole can advantageously be produced in terms of production technology, for example by milling the elongated hole out of the wall of a hollow shaft.
  • other manufacturing processes are also conceivable.
  • the elongated hole extends over a section of the shaft, in particular over a section which is received in the opening of the rotor assembly.
  • the recess is designed as a groove.
  • the configuration of the recess as a groove differs from the configuration as an elongated hole essentially in that the groove has a groove bottom.
  • Such a structure can preferably by profiling the wall of the Hollow shaft can be made.
  • the wall preferably has a constant wall thickness.
  • the shaft is equipped with contact surfaces which abut the inner surface of the opening, the recesses being arranged between the contact surfaces.
  • the shaft is formed from a soft magnetic material.
  • the rotor package has cutouts, in particular triangular cutouts, which in particular directly adjoin the cutouts, so that the cutouts and cutouts together form a continuous flow barrier.
  • cutouts in particular triangular cutouts, which in particular directly adjoin the cutouts, so that the cutouts and cutouts together form a continuous flow barrier.
  • Another object of the present invention is to propose an improved electric motor.
  • this object is achieved by an electric motor with the characterizing features of claim 9. Because the rotor is a rotor proposed according to the invention, an improved connection between the shaft and the rotor assembly can be provided, which can ensure a reliable connection between the shaft and the rotor assembly even at high speeds.
  • Another object of the present invention is to propose an advantageous production method for a rotor according to the invention.
  • this object is achieved by a method having the characterizing features of claim 10.
  • the recess or the recesses is produced by material-separating processes, in particular milling or punching, or shaping processes, in particular pressing or hammering, depending on which Embodiment is selected for the recess or the recesses, the recesses are made in a manner that is advantageous in terms of production technology.
  • Another object of the present invention is to propose an advantageous use of a rotor according to the invention, in particular an electric motor according to the invention with a rotor according to the invention.
  • this object is achieved by use with the characterizing features of claim 11. Because the shaft acts as a compressed spring, the shaft can follow the pre-compressed path when the rotor package is expanded.
  • Another object of the present invention is to propose an advantageous use of a rotor according to the invention, in particular an electric motor according to the invention with a rotor according to the invention.
  • the shaft serves to guide a magnetic flux
  • the recesses being used as flow barriers for guiding this magnetic flux
  • the recesses can have a multiple function accordingly, in particular as a function of an improved connection between the shaft and the rotor package, and also as flow barriers for steering of a magnetic field.
  • the recesses in the shaft can be designed as a groove or as an elongated hole.
  • the shaft is also made of soft magnetic material, so that the shaft serves as a magnetic conductor, in particular for the magnetic short-circuiting of two poles of two magnets of a rotor package having magnets. This can save material in the rotor, in particular for reducing the rotor yoke.
  • the rotor assembly preferably has further flow barriers in the form of cutouts, in particular essentially triangular cutouts. These cutouts directly adjoin the cutouts, so that the cutouts and cutouts each form a coherent flow barrier. This can further save material in the rotor package.
  • Another object of the present invention is to propose an advantageous use of a rotor according to the invention, in particular an electric motor according to the invention with a rotor according to the invention.
  • this object is achieved by use according to the characterizing features of claim 15.
  • Effective cooling of the rotor can be carried out by applying a cooling medium to the recesses.
  • the recesses can be assigned the functions already outlined above, so that, for example, three functions are combined in one recess, which in turn can contribute to a compact construction of the rotor or electric motor.
  • FIG. 1 shows an electric motor according to the invention with a rotor according to the invention in a schematic cross-sectional illustration
  • FIG. 2a shows a shaft of a rotor according to the invention in a perspective view
  • FIG. 2b shows a shaft of a rotor according to the invention in a top view
  • FIG. 3 shows a rotor according to the invention in a perspective view
  • FIG. 4 shows a rotor according to the invention in a front view
  • FIG. 5 shows an exemplary comparison of the transmissible torque as a function of the rotational speed for different rotor packet / shaft constellations
  • FIG. 6a shows a further embodiment of a shaft for a rotor according to the invention in a first perspective illustration
  • FIG. 6b shows an embodiment of a shaft according to FIG. 6a for an inventive one
  • FIG. 7 shows a rotor according to the invention with a shaft according to FIGS. 6a and 6b in a perspective illustration
  • FIG. 8 shows a schematic illustration of magnetic flux lines in a rotor according to the invention
  • FIG. 9 shows a schematic illustration of magnetic flux lines in a rotor according to the invention.
  • a rotor R according to the invention essentially comprises a shaft 1 and a rotor package 2.
  • the rotor assembly 2 is twisted, but preferably also axially fixed, attached to the shaft 1.
  • the shaft 1 is a hollow shaft with a corresponding wall 11.
  • the shaft 1 has a corresponding longitudinal axis or axis of rotation L.
  • the rotor assembly 2 has at least one, preferably a plurality of annular sheet-metal laminations 21, which are assembled to form a hollow cylindrical rotor assembly 2.
  • the lamellae 21 are lined up one behind the other in the axial direction.
  • the sheet metal lamellae 21 as such can be composed of individual sheet metal lamella segments (not shown) which are arranged and connected one behind the other in the circumferential direction.
  • the rotor assembly 2 has an opening 22 through which the shaft 1 is inserted or in which the shaft 1 is received.
  • This opening 22 has a surface facing the shaft, which is referred to below as the inner surface.
  • the shaft 1 or its wall 11 has a surface facing the opening 22.
  • the surface of the shaft 1 facing the inner surface of the opening 22 is provided with recesses 12 running in the longitudinal direction L.
  • the recesses 12 are preferably aligned parallel to the longitudinal axis L of the shaft 1 and / or parallel to one another.
  • the recesses 12 can be designed as elongated holes in the wall 11 of the hollow shaft.
  • the elongated hole 12 preferably penetrates the wall 11 completely and is preferably produced by material-separating processes, such as milling or punching.
  • the recesses 12 of this embodiment preferably do not extend over the entire length of the shaft 1, but generally over the part of the shaft 1 which is located in the opening 22 of the rotor assembly 2.
  • the elongated holes 12 are open on one side. All openings on one side of the elongated holes can be arranged on one side of the shaft 1, but also alternately or alternately in a pattern with respect to the side of the shaft 1.
  • the wall 11 can be designed in a profiled manner, ie the recesses 12 are designed as grooves.
  • the groove 12 accordingly has a groove bottom, ie, in contrast to the elongated holes, the groove 12 does not completely penetrate the wall 11.
  • the groove or the profile is preferably produced by means of reshaping processes, such as presses.
  • a rotor shaft 1 with reduced circumferential rigidity is proposed, onto which a rotor package 2 is pressed directly.
  • the circumferential rigidity can be reduced by means of recesses 12, for example in the form of elongated holes and / or grooves.
  • the number I refers to an unprofiled hollow shaft, the number II to a hollow shaft with four grooves as recesses and the number III to a hollow shaft with eight grooves as recesses (Fig. 2 to 4).
  • the recesses 12 can at the same time be used as flow barriers for guiding a magnetic field, particularly in synchronous or hybrid synchronous machines.
  • the shaft 1 is made of soft magnetic material, so that a magnetic path leads through one or more elevations 13 of the shaft. As a result, the shaft short-circuits two poles of two magnets 16.
  • material in the rotor package 2 can be saved.
  • the rotor package has further flow barriers in the form of cutouts 15, here essentially triangular cutouts 15. These cutouts 15 directly adjoin the cutouts 12, so that the cutouts 12 and cutouts 15 together form a continuous flow barrier 4. As a result, the magnetic material can be used more effectively and material in the rotor assembly 2 can be saved. In particular are magnetically weakly used areas are cut out radially below magnets 16, so that the weight of the rotor can be reduced.
  • the recesses 12 can also serve as channels for a cooling medium which can come into direct contact with the rotor assembly.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor (R), umfassend eine Welle (1) mit einer Längsachse (L) und ein mindestens drehfest mit der Welle (1) verbundenes Rotorpaket (2), wobei das Rotorpaket (2) aus einzelnen Blechlamellen (21) zusammengesetzt ist, wobei das Rotorpaket (2) mit einer Öffnung (22) zur Aufnahme der Welle (1) ausgestattet ist, wobei es sich bei der Welle (1) um eine Hohlwelle mit einer Wandung (11) handelt, wobei die Wandung (11) der Welle (1) auf ihrer der Öffnung (22) zugewandten Seite mit in Längsrichtung verlaufenden Ausnehmungen (12) ausgestattet ist, einen Elektromotor, insbesondere Synchron- oder Hybridsynchronmaschine, umfassend einen Rotor (R) und einen Stator (S), gekennzeichnet durch einen Rotor (R) gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors (R) gemäß mindestens einem der vorausgegangenen Ansprüche, wobei die Ausnehmung (12) durch spanabhebende Verfahren, insbesondere Fräsen, oder umformende Verfahren, insbesondere Pressen, hergestellt wird, sowie eine Verwendung eines Rotors (R), insbesondere eines Elektromotors mit einem Rotor, gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei durch die Ausnehmungen (12) die Umfangssteifigkeit verringert wird, und/oder wobei die Ausnehmungen (12) als Flussbarrieren zur Lenkung eines magnetischen Feldes genutzt werden, und/oder wobei die Ausnehmungen (12) mit einem Kühlmedium beaufschlagt werden.

Description

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

Claims

Ansprüche
1. Rotor (R), umfassend eine Welle (1) mit einer Längsachse (L) und ein mindestens drehtest mit der Welle (1) verbundenes Rotorpaket (2), wobei
- das Rotorpaket (2) aus einzelnen Blechlamellen (21) zusammengesetzt ist, wobei - das Rotorpaket (2) mit einer Öffnung (22) zur Aufnahme der Welle (1) ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, dass
- es sich bei der Welle (1) um eine Hohlwelle mit einer Wandung (11) handelt, wobei
- die Wandung (11) der Welle (1) auf ihrer der Öffnung (22) zugewandten Seite mit in
Längsrichtung verlaufenden Ausnehmungen (12) ausgestattet ist.
2. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmungen (12) parallel zur
Längsachse (L) der Welle (1) und/oder parallel zueinander ausgerichtet sind.
3. Rotor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (12) als Langloch in der Wandung (11) der Welle (1) ausgestaltet ist.
4. Rotor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Langloch (12) über einen Abschnitt der Welle (1) erstreckt, insbesondere über einen Abschnitt, der in der Öffnung (22) des Rotorpaketes (2) aufgenommen ist.
5. Rotor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (12) als Nut ausgestaltet ist.
6. Rotor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (1) mit Kontaktflächen (13) ausgestattet ist, die an der Innenfläche der Öffnung (22) anliegen, wobei die Ausnehmungen (12) zwischen den Kontaktflächen (13) angeordnet sind.
7. Rotor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (1) aus einem weichmagnetischem Material ausgebildet ist.
8. Rotor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotorpaket (2) Aussparungen (15), insbesondere dreieckige Aussparungen (15), aufweist, die sich insbesondere unmittelbar an die Ausnehmungen (12) anschließen, so dass die Ausnehmungen (12) und Aussparungen (15) gemeinsam jeweils eine zusammenhängende Flussbarriere (4) bilden.
9. Elektromotor, insbesondere Synchron- oder Flybridsynchronmaschine, umfassend einen Rotor (R) und einen Stator (S), gekennzeichnet durch einen Rotor (R) gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche.
10. Verfahren zur Herstellung eines Rotors (R) gemäß mindestens einem der vorausgegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (12) durch materialtrennende Verfahren, insbesondere Fräsen oder Stanzen, oder umformende Verfahren, insbesondere Pressen oder Flämmern, hergestellt wird.
11. Verwendung eines Rotors (R) oder eines Elektromotors mit einem Rotor (R), gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass durch die Ausnehmungen (12) die Umfangssteifigkeit der Welle (1) verringert wird.
12. Verwendung eines Rotors (R) oder eines Elektromotors mit einem Rotor (R), gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die Welle (1) der Leitung eines magnetischen Flusses dient, wobei die Ausnehmungen (12) als Flussbarrieren (4) zur Lenkung dieses Flusses genutzt werden.
13. Verwendung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotorpaket (2) Aussparungen (15), insbesondere dreieckige Aussparungen (15), aufweist, die sich insbesondere unmittelbar an die Ausnehmungen (12) anschließen, so dass die Ausnehmungen (12) und Aussparungen (15) gemeinsam jeweils eine zusammenhängende Flussbarriere (4) bilden.
14. Verwendung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Ausnehmungen (12) ein ganzzahliges Vielfaches der Anzahl der Pole ist.
15. Verwendung eines Rotors (R) oder eines Elektromotors mit einem Rotor (R), gemäß mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet dadurch, dass die Ausnehmungen (12) mit einem Kühlmedium beaufschlagt werden.
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