EP4659329A1 - Rotor und elektrische maschine - Google Patents

Rotor und elektrische maschine

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Publication number
EP4659329A1
EP4659329A1 EP23837154.6A EP23837154A EP4659329A1 EP 4659329 A1 EP4659329 A1 EP 4659329A1 EP 23837154 A EP23837154 A EP 23837154A EP 4659329 A1 EP4659329 A1 EP 4659329A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rotor
leg
spring
rotor body
leg spring
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23837154.6A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Martin HÄSSLER
László Sarkadi
Alain Rusch
Michael Kessler
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Schaeffler Technologies AG and Co KG filed Critical Schaeffler Technologies AG and Co KG
Publication of EP4659329A1 publication Critical patent/EP4659329A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H02K2213/12—Machines characterised by the modularity of some components

Definitions

  • the present invention relates to a rotor for an electric machine, in particular for use within a drive train of a hybrid or fully electric motor vehicle, wherein the rotor has at least a first rotor body with a first group of permanent magnets and a second rotor body with a second group of permanent magnets, wherein the first rotor body and the second rotor body can be rotated relative to one another against the effect of a first torsional stiffness about a common axis of rotation by means of a mechanical field weakening mechanism.
  • the invention further relates to an electric machine.
  • Electric motors are increasingly being used to power motor vehicles in order to create alternatives to combustion engines that require fossil fuels.
  • Considerable efforts have already been made to improve the suitability of electric drives for everyday use and to offer users the same driving comfort they are used to.
  • An example of such an electrical machine with iron losses which can be used within the drive train of a hybrid or fully electric motor vehicle, is the so-called permanent magnet synchronous machine. Due to its high power density compared to other machine types, it is preferably used in the field of electromobility, where the available installation space is often a limiting factor.
  • the excitation field of the machine is usually generated by permanent magnets arranged in the rotor of the machine. Slip ring contact, which is necessary in electrically excited synchronous machines in order to supply an excitation coil arranged on the rotor with power, can be dispensed with in the permanent magnet synchronous machine.
  • An effective method for reducing iron losses in electrical machines is the targeted weakening of the magnetic field between stator and rotor for operating points with high speeds, since the losses due to high-frequency remagnetization are reduced at a weaker magnetic field. are lower.
  • there are also mechanical approaches for targeted field weakening From the patents US58211710, FR2831345, EP1085644, EP11867030, DE1012011708670, DE1012016103470, CN104600929 and CN 105449969, a rotor of a radial flux machine is known which is divided perpendicular to the axis of rotation into several rotor disks equipped with permanent magnets and which can be rotated relative to one another.
  • the rotor Depending on the relative rotation between the rotor disks, the rotor provides the full magnetic field in a position with the magnetic poles aligned in the axial direction and a weakened magnetic field in a position rotated relative to it. Active or passive mechanisms are described which claim to be able to switch between these two positions depending on the rotor speed or torque and thus enable more efficient operation of the electric machine over the entire engine characteristic map.
  • DE 10 12021 101 898 describes an arrangement in which the rotor of a radial flow machine is divided into two partial rotors, the individual rotor disks of which alternate in the axial direction.
  • One partial rotor is connected to the rotor shaft directly, the other partial rotor is connected to the rotor shaft in a torque-transmitting manner via a torsional rigidity.
  • the torsional rigidity is selected in such a way that at low torque the partial rotors are in a torsional position with a weakened magnetic field and at high torque the partial rotors are in a torsional position with a full magnetic field.
  • DE 10 12021 101 904 claims a structurally designed mechanical module that can be inserted into the interior of the permanent magnet-equipped rotor disks, creates the described connections of the partial rotors to the rotor shaft and allows an adjustment characteristic to be defined via the torsional rigidity, which is implemented with springs and roller-equipped cam gears.
  • the object of the present invention is to provide an electrical machine with an improved mechanical field weakening.
  • a rotor for an electric machine in particular for use within a drive train of a hybrid or fully electric motor vehicle, wherein the rotor has at least a first rotor body with a first group of permanent magnets and a second rotor body with a second group of permanent magnets, wherein the first rotor body and the second rotor body can be rotated relative to one another against the effect of a first torsional stiffness about a common axis of rotation by means of a mechanical field weakening mechanism, wherein the first torsional stiffness is designed as a first leg spring arrangement with a first leg spring which is coaxial to the axis of rotation and arranged between the first rotor body and the second rotor body or between one of the rotor bodies and a rotor shaft such that the rotation of one of the rotor bodies which occurs when the field weakening mechanism is adjusted causes an opening or closing actuation of the first leg spring.
  • a torsional stiffness as a leg spring arrangement to define an adjustment characteristic for weakening the magnetic field by a relative rotation of the rotor bodies allows in particular the reduction of the centrifugal force influence on the adjustment characteristic and its hysteresis.
  • leg spring enables a particularly compact design of the mechanical field weakening mechanism.
  • the electrical machine can be designed in particular as a rotary machine.
  • electrical machines designed as rotary machines a distinction is made in particular between radial flux machines and axial flux machines.
  • a radial flux machine is characterized in that the magnetic field lines in the air gap formed between the rotor and stator extend in the radial direction, while in the case of an axial flux machine the magnetic field lines in the air gap formed between the rotor and stator extend in the axial direction.
  • the electrical machine it is possible for the electrical machine to be configured as a radial flux machine or an axial flux machine.
  • a rotor is the rotating part of an electrical machine.
  • the rotor comprises in particular a rotor shaft and one or more rotor bodies formed from rotor laminations arranged on the rotor shaft in a rotationally fixed manner.
  • the rotor shaft can be hollow, which on the one hand results in a weight saving and on the other hand allows the supply of lubricant or coolant to the rotor body.
  • a rotor body is understood to mean the rotor without a rotor shaft.
  • the rotor body is therefore composed in particular of a rotor lamination stack and the permanent magnets inserted into the pockets of the rotor lamination stack or fixed circumferentially to the rotor lamination stack as well as any axial cover parts present for closing the pockets.
  • the permanent magnets can preferably be introduced into the pockets of the rotor core.
  • a single larger rotor magnet designed as a bar magnet or several smaller rotor magnets designed as permanent magnet elements can be provided per pocket.
  • the rotor has a plurality of rotor bodies.
  • the rotor bodies are particularly preferably formed from essentially the same parts, in particular essentially identical. It is highly preferred that the rotor bodies are formed from identical, in particular essentially identical rotor laminations.
  • the rotor bodies are therefore particularly preferably formed from a rotor lamination stack, which is composed of a plurality of laminated individual laminations or rotor laminations, usually made from electrical sheet metal, which are layered and packaged one above the other to form a stack, the so-called rotor lamination stack.
  • the individual laminations can remain held together in the rotor lamination stack by gluing, welding or screwing.
  • a rotor lamination stack can in particular also have permanent magnets introduced into the pockets of the rotor lamination stack or fixed circumferentially to the rotor lamination stack.
  • Mechanical field weakening mechanisms are generally known from the prior art. Mechanical field weakening mechanisms that are particularly preferred in connection with this invention are described in the as yet unpublished DE102022106 944 and DE102022106945 as well as in the patent publications DE102021101904B3, DE102021101898A1 and DE102021101900A1 and are hereby added to the disclosure content of this application by reference.
  • the first leg spring arrangement has a second leg spring, which coaxial to the axis of rotation of the rotor and arranged between the first rotor body and the second rotor body or between one of the rotor bodies and the rotor shaft in such a way that the rotation of one of the rotor bodies that occurs when the field weakening mechanism is adjusted causes the second leg spring to be actuated in the same way as the first leg spring.
  • the advantage of this design is that a second leg spring makes the adjustment characteristic particularly easy to model and precisely adjustable.
  • the leg springs can be designed to be essentially identical or different from one another, depending on which application-specific requirements have to be implemented by the desired adjustment characteristic.
  • the leg springs can be connected in series or parallel to one another.
  • the first leg spring has a first spring leg extending radially into the first rotor body and/or a second spring leg extending radially into the second rotor body
  • the first leg spring has a first spring leg extending axially into the first rotor body and/or a second spring leg extending axially into the second rotor body
  • the second leg spring has a first spring leg extending radially into the first rotor body and/or a second spring leg extending radially into the second rotor body
  • the second leg spring has a first spring leg extending axially into the first rotor body and/or a second spring leg extending axially into the second rotor body.
  • first leg spring and the second leg spring are designed essentially in the same part and are arranged rotated relative to each other about the axis of rotation, so that the first spring leg and the second spring legs of the first leg spring point in a common radial and/or axial direction and the first spring leg and the second spring leg of the second leg spring are oriented in an opposite radial and/or axial direction.
  • the advantageous effect of this design is that transverse forces that occur when the leg springs are actuated and a structural imbalance in the rotating rotor can be avoided or at least reduced.
  • a package of two identically constructed opening and closing leg springs can then be formed by screwing the first and second leg springs into one another, made possible by a corresponding coil spacing, and finally arranging them twisted relative to one another.
  • the leg springs preferably have a coil spacing that is slightly larger than the wire thickness of the leg springs in the axial direction.
  • leg springs are preferably arranged opposite each other in pairs, which helps to further reduce imbalance of the rotor.
  • the leg springs can have any number of turns, although it is preferred that the leg springs have identical numbers of turns.
  • the electric machine has a second torsional stiffness, which is designed as a second leg spring arrangement with a third leg spring, which is arranged coaxially to the axis of rotation and between a third rotor body and a fourth rotor body or between one of these rotor bodies and the rotor shaft, such that the rotation of one of these rotor bodies that occurs when the field weakening mechanism is adjusted causes an opening or closing actuation of the third leg spring, wherein the third rotor body and the second rotor body are preferably arranged axially adjacent in the rotor and the first leg spring arrangement and the second leg spring arrangement have a different actuation orientation from one another.
  • This can in particular achieve the effect that a compensation of the influence of the centrifugal force occurring during operation on the adjustment characteristic of the mechanical field weakening mechanism can be achieved. Furthermore, this can also be achieved by the torsional rigidity opens and closes to the same extent, and axial force compensation can also be achieved.
  • the specified coaxiality may shift slightly during operation of the rotor, so that the specified coaxiality here always refers to the rotor at rest.
  • the first leg spring arrangement and the second leg spring arrangement are further preferably arranged rotated by approximately 90° about the axis of rotation relative to one another, whereby an imbalance compensation can be realized, which in particular allows the operation of the rotor at high speeds, for example >15,000 rpm.
  • the invention can also be further developed in such a way that the leg springs of the first leg spring arrangement and the second leg spring arrangement have a similar winding direction for the two actuation orientations. In this case, it must then be ensured, for example by appropriately connecting the leg spring arrangement to the rotor body, that the two leg spring arrangements have an opposite actuation orientation, so that when one leg spring arrangement opens, the other closes and vice versa.
  • leg springs of the first leg spring arrangement and the second leg spring arrangement can also have an opposite winding direction for the two actuation orientations.
  • at least one, preferably all, leg springs are wound from a spring wire with a substantially rectangular cross-section.
  • leg springs This makes it possible to increase the energy content of the leg springs in their installation space and to facilitate the bending moment-transmitting and transverse force-free suspension of the spring ends designed as legs in recesses of discs, which form a structural unit with the partial rotors or the rotor shaft for the transmission of torque.
  • leg springs are installed pre-tensioned.
  • the advantage that can be achieved in this way is that a moment can be defined at which the adjustment process should begin.
  • the leg springs in the arrangement can then be installed pre-tensioned by a certain angle of rotation, for example.
  • the leg springs are made of essentially identical parts. This makes it possible to achieve particularly cost-efficient production of the leg springs. Furthermore, production and assembly are made easier by a higher degree of identical parts.
  • the invention can also be advantageously designed such that the rotor bodies are each constructed in two parts, with an inner ring disk and an outer ring disk coupled to the inner ring disk in a torque-transmitting manner, wherein the permanent magnets are arranged only in the outer ring disk.
  • the advantage that results from this is in particular that the mechanical field weakening mechanism can thus be manufactured independently of the magnetic region of a rotor body, which can improve the flexibility in the design and manufacture of the electrical machine.
  • the object of the invention is further achieved by an electric machine, in particular for use within a drive train of a hybrid or fully electric motor vehicle, comprising a stator and a rotor separated from the stator by an air gap, wherein the rotor is designed according to one of claims 1-10.
  • Figure 1 shows an electrical machine in a cross-sectional view
  • Figure 2 is a schematic block diagram of a rotor with a mechanical field weakening mechanism
  • Figure 3 shows a first embodiment of a torsional stiffness in a perspective view
  • Figure 4 shows a second embodiment of a torsional stiffness in a perspective view
  • Figure 5 shows a rotor in a cross-sectional view
  • Figure 6 shows a detailed view of the rotor in a cross-sectional view
  • Figure 7 shows a first embodiment of a leg spring arrangement with two rotor bodies in a perspective exploded view
  • Figure 8 shows a first embodiment of a leg spring arrangement with two rotor bodies in an assembled state in a perspective view
  • Figure 9 shows a rotor body with a leg spring arrangement on it in a detailed enlargement.
  • Figure 1 shows an electric machine 1, in particular for use within a drive train of a hybrid or fully electric motor vehicle.
  • the electric machine 1 configured as a radial flux machine, comprises a stator 2 and a rotor 4 separated from the stator 2 by an air gap 3, wherein the rotor 4 has at least a first rotor body 5 with a first group of permanent magnets 6 and a second rotor body 7 with a second group of permanent magnets 8, which can be clearly understood from the combination of Figure 1 with Figure 2.
  • the first rotor body 5 and the second rotor body 7 can be rotated relative to one another against the effect of a first torsional stiffness 9 about a common axis of rotation 10 by means of a mechanical field weakening mechanism 11.
  • the two rotor bodies 5, 7 are essentially formed from identical rotor laminations, wherein the position and the number of the permanent magnets 6 of the first group and the number of the permanent magnets 8 of the second group in the rotor bodies 5, 7 are identical.
  • the field weakening mechanism 11 shown as an example in Figure 2 comprises a lever element (not specified in more detail) that can be pivoted about a pivot point, wherein the first rotor body 5 can be coupled to a first lever section and the second rotor body 7 to a second lever section of the lever element.
  • the first lever section and the second lever section are arranged on opposite sides of the lever, so that the first rotor body 5 and the second rotor body 7 can be rotated relative to one another in a targeted manner by tilting the lever element for a desired adjustment of the mechanical field weakening mechanism 11.
  • This field weakening mechanism 11 is described in detail in DE102022106944 and DE102022106945, so that reference is made here to this document to avoid repetition.
  • the first torsional stiffness 9 is designed as a first leg spring arrangement 12 with a first leg spring 13, which is arranged coaxially to the axis of rotation 10 and between the first rotor body 5 and the second rotor body 7 in such a way that the rotation of one of the rotor bodies 5, 7 that occurs when the field weakening mechanism 11 is adjusted causes an opening or closing actuation of the first leg spring 13. Even if it is not shown in Figures 2-3, it is still possible for the first leg spring 13 to be arranged between one of the rotor bodies 5, 7 and the rotor shaft 16 in a torque-transmitting manner.
  • the first leg spring arrangement 12 has a second leg spring 14 which is arranged coaxially to the axis of rotation 15 of the rotor 4 and between the first rotor body 5 and the second rotor body 7 in such a way that the rotation of one of the rotor bodies 5, 7 which occurs when the field weakening mechanism 11 is adjusted causes an opening or closing actuation of the second leg spring 14.
  • first leg spring 13 and the second leg spring 14 are designed to be essentially identical and are arranged rotated relative to one another about the axis of rotation 10, so that the first spring leg 17 and the second spring leg 18 of the first leg spring 13 point in a common radial direction and the first spring leg 19 and the second spring leg 20 of the second leg spring 14 are oriented in an opposite radial direction.
  • first leg spring 13 has a first spring leg 17 extending radially into the first rotor body 5 and a second spring leg 18 extending radially into the second rotor body 7.
  • second leg spring 14 also has a first spring leg 19 extending radially into the first rotor body 5 and a second spring leg 20 extending radially into the second rotor body 7.
  • Figure 3 further shows that the electric machine 1 in the embodiment shown has a second torsional stiffness 21, which is designed as a second leg spring arrangement 22 with a third leg spring 23, which is coaxial with the axis of rotation 10 and thus between a third rotor body 25 and a fourth rotor body 27, such that the rotation of one of these rotor bodies 25, 27 that occurs during the adjustment of the field weakening mechanism 11 causes an opening or closing actuation of the third leg spring 23.
  • the first leg spring arrangement 12 and the second leg spring arrangement 22 are rotated by approximately 90° to one another about the axis of rotation 10.
  • the third rotor body 25 and the second rotor body 7 are arranged axially adjacent in the rotor 4. It would also be conceivable for the second rotor body 7 and the third rotor body 25 to be designed as one piece.
  • This variant is shown in Figure 4.
  • the first leg spring arrangement 12 and the second leg spring arrangement 22 have different actuation orientations from one another, which is also indicated by the arrows in Figure 3.
  • the first leg spring arrangement 12 is actuated to close, while the second leg spring arrangement 22 is actuated to open, which contributes to speed neutrality in relation to the torque.
  • leg springs 13, 14, 23 can be designed as radially or axially extending legs by means of appropriate bends.
  • Figure 3 shows an embodiment with radially extending legs and
  • Figure 4 shows one with axially extending legs.
  • the ends of the leg springs engage in radial grooves 26 provided for them in a form-fitting manner and essentially without play.
  • the first leg spring 13 in the embodiment of Figure 4 has a first spring leg 17 extending axially into the first rotor body 5 and a second spring leg 18 extending axially into the second rotor body 7.
  • the second leg spring 14 also has a first spring leg 19 extending axially into the first rotor body 5 and a second spring leg 20 extending axially into the second rotor body 7.
  • the ends of the leg springs then engage in axial grooves 24 provided for them in a form-fitting manner and essentially without play.
  • the Essentially identical rotor bodies 5,7,25,27 have a total of four circumferentially equidistantly distributed, identical axial grooves 24.
  • leg springs 13, 14, 23 are wound from a spring wire with a substantially rectangular cross-section and are essentially made of the same parts. All leg springs 13, 14, 23 are also installed pre-tensioned.
  • the rotor bodies 5, 7, 25, 27 are each constructed in two parts, with an inner annular disk 28 and an outer annular disk 29 coupled to the inner annular disk 28 in a torque-transmitting manner, wherein the permanent magnets 6, 8 are arranged only in the outer annular disk 29.
  • the rotor bodies 5, 7 are each constructed in two parts, comprising an inner ring disk 28 connected to a rotor shaft 16 in a torque-transmitting manner and an outer ring disk 29 coupled to the inner ring disk 28 in a torque-transmitting manner, wherein the permanent magnets 6, 8 are arranged only in the outer ring disk 29 formed from an electrical sheet.
  • the inner ring disk 28 is made of a steel, in particular a hardened steel.
  • Figure 5 shows an embodiment in which the inner ring disk 28 and the outer ring disk 29 are positively connected to one another in a torque-transmitting manner.
  • the inner ring disk 28 has an external toothing 51 on its outer surface 50, which engages in a corresponding internal toothing 52 on an inner surface 53 of the outer ring disk 29.
  • the external toothing 51 and the internal toothing 52 are designed as plug-in toothing in this embodiment. To make it easier to join this plug-in toothing, the external toothing 51 and/or the internal toothing 52 can have a chamfer.
  • External teeth 51 each have a first undercut 55.
  • the Teeth 56 of the internal gearing 52 have a second undercut 57, the first undercut 55 and the second undercut 57 being designed such that a force can be transmitted in the radial direction between the meshing internal gearing 52 and external gearing 51.
  • the teeth 54 of the external gearing 51 and the teeth 56 of the internal gearing 52 have a dovetail-like cross-section.
  • the two ring disks 28, 29 only touch on the oblique flanks of the dovetail-shaped teeth 54, 56.
  • the high accuracy of the tooth shape for a positive connection is therefore limited to the oblique flanks.
  • the external toothing 51 also has a groove 58 with a groove base 59 between two circumferentially adjacent teeth 54, into which a tooth 56 of the internal toothing 52 engages with a tooth head 60, the tooth head 60 having a clearance relative to the groove base 59, which can be clearly seen from the gap shown in Figure 4.
  • an overlap can be deliberately provided in the tooth flanks of the meshing teeth 54, 56, which leads to a pre-stress of the inner ring disk 28 with the outer ring disk 29 inwards during assembly and thus further reduces the stresses in the ring disks 28, 29 under rotational speed.
  • the permanent magnets 6,8 are arranged in pairs in a V-shape in cross-section distributed over the circumference of an outer ring disk 29, wherein the free legs 61 of the V-shaped arrangement extend radially inwards, and the V-shaped arrangement has a radially extending mirror axis 62 which runs coaxially to a radially extending mirror axis 63 of a tooth 54,56 of the internal toothing 52 or external toothing 51.
  • a radially extending mirror axis 64 which runs coaxially to a radially extending mirror axis 65 of a tooth 56 of the internal toothing 52 or external toothing 51.
  • the first rotor body 5 and the second rotor body 7 can be rotated relative to one another against the effect of a first torsional stiffness 9 about a common axis of rotation 10 by means of a mechanical field weakening mechanism 11.
  • the first torsional stiffness 9 is designed as a first leg spring arrangement 12 with a first leg spring 13, which is coaxial with the axis of rotation 10 and is arranged between the first rotor body 5 and the second rotor body 7 in such a way that the rotation of one of the rotor bodies 5, 7 that begins when the field weakening mechanism 11 is adjusted causes the first leg spring 13 to open or close. Even if it is not shown in the figures, it is still possible for the first leg spring 13 to be arranged between one of the rotor bodies 5, 7 and the rotor shaft 16 in a torque-transmitting manner.
  • the first leg spring arrangement 12 has a second leg spring 14, which is arranged coaxially to the axis of rotation 10 of the rotor 4 and between the first rotor body 5 and the second rotor body 7 in such a way that the rotation of one of the rotor bodies 5, 7 that occurs when the field weakening mechanism 11 is adjusted causes an opening or closing actuation of the second leg spring 14.
  • the first leg spring 13 and the second leg spring 14 are essentially made of the same parts and are arranged rotated relative to one another about the axis of rotation 10, so that the first spring leg 17 and the second spring leg 18 of the first leg spring 13 point radially outwards, offset by 90° in the circumferential direction, and the first spring leg 19 and the second spring leg 20 of the second leg spring 14 are also oriented radially outwards, offset by 90° in the circumferential direction.
  • first leg spring 13 has a first spring leg 17 extending radially into the first rotor body 5 and a second spring leg 18 extending radially into the second rotor body 7.
  • second leg spring 14 also has a first spring leg 19 extending radially into the first rotor body 5 and a second spring leg 20 extending radially into the second rotor body 7.
  • the first spring leg 17 of the first leg spring 13 is held in a first receiving shoe 30, which in turn is received in a first receiving pocket 31 of the first rotor body 5 and is fixed to the first rotor body 5 in such a way that the first spring leg 17 of the first leg spring 13 is coupled to the first rotor body 5 without play in the axial and circumferential directions.
  • the first receiving shoe 30 can be inserted into the first receiving pocket 31 with play.
  • Figure 7 also shows that the first receiving shoe 30 has a first receiving groove 32 in which the first spring leg 17 of the first leg spring 13 is arranged without play, for example by means of a press fit.
  • the first spring leg 17 of the first leg spring 13 protrudes from the first receiving groove 32, with the section 33 protruding from the first receiving groove 32 resting against a wall 34 of the first receiving pocket 31, which can also be clearly seen when viewed together with Figure 9.
  • the wall 34 of the first receiving pocket 31 has a convex contour protruding into the first receiving pocket 31, which can also be clearly seen from the detailed illustration in Figure 7.
  • Figure 9 further shows that the first receiving shoe 30 has a first opening 35 through which a first fastening means 36 passes, by means of which the first receiving shoe 30 is fixed to the first rotor body 5.
  • Figure 7 also shows that the second spring leg 18 of the first leg spring 13 is held in a second receiving shoe 37, which in turn is received in a second receiving pocket 38 of the second rotor body 7 and is fixed to the first rotor body 7 in such a way that the second spring leg 18 of the first leg spring 13 is coupled to the second rotor body 7 without play in the axial and circumferential directions relative to the latter.
  • the first spring leg 19 of the second leg spring 14 is also held in an analogous manner in a third receiving shoe 39, which in turn is received in a third receiving pocket of the first rotor body 5 and is fixed to the first rotor body 5 in such a way that the first spring leg 19 of the second leg spring 14 is coupled to the first rotor body 5 without play in the axial and circumferential directions relative to the latter.
  • the second spring leg 20 of the second leg spring 14 is also held in a fourth receiving shoe 41, which in turn is received in a fourth receiving pocket 42 of the second rotor body 7 and is fixed to the second rotor body 7 in such a way that the second spring leg 20 of the second leg spring 14 is coupled to the second rotor body 7 without play in the axial and circumferential directions relative to the latter.
  • first receiving shoe 30, the second receiving shoe 37, the third receiving shoe 39 and the fourth receiving shoe 41 are of identical design.
  • receiving shoes 30,37,39,41 elements are arranged between the spring legs 17,18,19,20 and the rotor bodies 5, which can be adjusted and fixed in their position within a receiving pocket 31,38,42.
  • the receiving shoes 30,37,39,41 are pressed onto the spring legs 17,18,19,20, for example by a corresponding excess so that they are fixed to one another without play.
  • the spring legs 17,18,19,20 with the pre-assembled receiving shoes 30,37,39,41 can be positioned in the rotor bodies 5,7 using an assembly tool (not shown).
  • the location or position of the receiving shoes 30,37,39,41 in the receiving pockets 31,38,42 can be adjusted.
  • the receiving shoes 30,37,39,41 then positioned in the receiving pockets 31,38,42 can then be fixed using the fastening means 36. These are shown as screws in the figures. However, they can also be designed as rivets or the fastening element 36 can be a soldering or welding point.
  • Figure 8 shows the arrangement known from Figure 7 in an assembled state.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine (1 ), insbesondere für die Verwendung innerhalb eines Antriebsstrangs eines hybrid- oder vollelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, umfassend einen Stator (2) und einen durch einen Luftspalt (3) vom Stator (2) getrennten Rotor (4), wobei der Rotor (4) wenigstens einen ersten Rotorkörper (5) mit einer ersten Gruppe von Permanentmagneten (6) und einen zweiten Rotorkörper (7) mit einer zweiten Gruppe von Permanentmagneten (8) aufweist, wobei der erste Rotorkörper (5) und der zweite Rotorkörper (7) relativ zueinander entgegen der Wirkung einer ersten Verdrehsteifigkeit (9) um eine gemeinsame Drehachse (10) mittels eines mechanischen Feldschwächungsmechanismus (11 ) verdrehbar sind, wobei die erste Verdrehsteifigkeit (9) als eine erste Schenkelfederanordnung (12) mit einer ersten Schenkelfeder (13) ausgebildet ist, welche koaxial zur Drehachse (10) und so zwischen dem ersten Rotorkörper (5) und dem zweiten Rotorkörper (7) oder zwischen einem der Rotorkörper (5,7) und einer Rotorwelle (16) angeordnet ist, dass die bei der Verstellung des Feldschwächungsmechanismus (11) einsetzende Verdrehung eines der Rotorkörper (5,7) eine öffnende oder schließende Betätigung der ersten Schenkelfeder (13) bewirkt.

Description

Rotor und elektrische Maschine
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine, insbesondere für die Verwendung innerhalb eines Antriebsstrangs eines hybridöder vollelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, wobei der Rotor wenigstens einen ersten Rotorkörper mit einer ersten Gruppe von Permanentmagneten und einen zweiten Rotorkörper mit einer zweiten Gruppe von Permanentmagneten aufweist, wobei der erste Rotorkörper und der zweite Rotorkörper relativ zueinander entgegen der Wirkung einer ersten Verdrehsteifigkeit um eine gemeinsame Drehachse mittels eines mechanischen Feldschwächungsmechanismus verdrehbar sind. Die Erfindung betrifft ferner eine elektrische Maschine.
Bei Kraftfahrzeugen werden für den Antrieb verstärkt Elektromotoren eingesetzt, um Alternativen zu Verbrennungsmotoren zu schaffen, die fossile Brennstoffe benötigen. Um die Alltagstauglichkeit der Elektroantriebe zu verbessern und zudem den Benutzern den gewohnten Fahrkomfort bieten zu können, sind bereits erhebliche Anstrengungen unternommen worden.
Eine ausführliche Darstellung zu einem Elektroantrieb ergibt sich aus einem Artikel der Zeitschrift ATZ 113. Jahrgang, 05/2011 , Seiten 360-365 von Erik Schneider, Frank Fickl, Bernd Cebulski und Jens Liebold mit dem Titel: Hochintegrativ und Flexibel Elektrische Antriebseinheit für E-Fahrzeuge, der wohl den nächstkommenden Stand der Technik bildet. In diesem Artikel wird eine Antriebseinheit für eine Achse eines Fahrzeugs beschrieben, welche einen E-Motor umfasst, der koaxial zu einem Kegelraddifferenzial angeordnet ist. Derartige Antriebseinheiten werden auch als E-Achsen oder elektrisch betreibarer Antriebsstrang bezeichnet.
Elektrische Maschinen unterliegen bei ihrem Betrieb Verlusten durch Ummagnetisierungen, die als Eisenverluste zusammengefasst werden und den Maschinenwirkungsgrad herabsetzen. In mobilen Anwendungen bedeutet ein niedriger Wirkungsgrad der elektrischen Maschine eine geringere Reichweite des Fahrzeugs bzw. erhöhten Bedarf an Batteriekapazität. Es ist daher vor allem in mobilen Anwendungen mit rein elektrischem Antrieb ein ständiges Ziel, die beschriebenen Eisenverluste zu minimieren.
Beispielhaft für eine derartige, Eisenverluste aufweisende elektrische Maschine, wie sie innerhalb eines Antriebsstrang eines hybrid- oder vollelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs verwendet werden kann, ist die sogenannte permanenterregte Synchronmaschine. Aufgrund ihrer im Vergleich zu anderen Maschinentypen hohen Leistungsdichte wird sie bevorzugt gerade im Bereich der Elektromobilität verwendet, wo der zur Verfügung stehende Bauraum häufige eine limitierende Größe darstellt. Das Erregerfeld der Maschine wird in der Regel von Permanentmagneten erzeugt, die im Rotor der Maschine angeordnet sind. Auf eine Schleifringkontaktierung, die bei elektrisch erregten Synchronmaschinen notwendig ist, um eine am Rotor angeordnete Erregerspule mit Strom zu versorgen, kann bei der permanenterregten Synchronmaschine verzichtet werden.
Ein Nachteil der Permanenterregung besteht jedoch darin, dass das Erregerfeld nicht ohne Weiteres modifiziert werden kann. Grundsätzlich kann eine Synchronmaschine über ihre Nenndrehzahl hinaus betrieben werden, indem der sogenannte Feldschwächbereich angesteuert wird. In diesem Bereich wird die Maschine mit der maximalen Nennleistung betrieben, wobei mit zunehmender Drehzahl das von der Maschine abgegebene Drehmoment reduziert wird. Elektrisch erregte Synchronmaschinen können sehr einfach im Feldschwächbereich betrieben werden, indem der Erregerstrom reduziert wird. Zwar sind auch bei permanenterregten Maschinen Möglichkeiten bekannt, über eine geeignete Bestromung des Ständers der Maschine eine Luftspaltfeldkomponente zu erzeugen, die dem von den Permanentmagneten erzeugten Erregerfeld entgegenwirkt und dieses somit schwächt. Jedoch bewirkt eine derartige Ansteuerung der Maschine erhöhte Verluste, sodass die Maschine in diesem Bereich nur mit einem reduzierten Wirkungsgrad betrieben werden kann.
Eine wirksame Methode zur Reduktion der Eisenverluste von elektrischen Maschinen besteht in der gezielten Schwächung des magnetischen Feldes zwischen Stator und Rotor für Betriebspunkte mit hohen Drehzahlen, da die Verluste durch hochfrequente Ummagnetisierungen bei schwächerem Magnetfeld geringer sind. Für eine gezielte Feldschwächung existieren neben elektrischen, auch mechanische Ansätze. Aus den Patentschriften US58211710, FR2831345, EP1085644, EP11867030, DE1012011708670, DE1012016103470, CN104600929 und CN 105449969 ist ein senkrecht zur Rotationsachse in mehrere permanentmagnetbestückte, zueinander verdrehbare Rotorscheiben aufgeteilter Rotor einer Radialflussmaschine bekannt, der abhängig von der Relativverdrehung zwischen den Rotorscheiben in einer Stellung mit in axialer Richtung ausgerichteten Magnetpolen das volle Magnetfeld und in einer dazu verdrehten Stellung ein geschwächtes Magnetfeld zur Verfügung stellt. Es sind aktive oder passive Mechanismen beschrieben, die vorgeben, abhängig von Rotordrehzahl oder Moment ein Umschalten zwischen diesen beiden Stellungen bewirken zu können und damit über das gesamte Motorkennfeld betrachtet einen effizienteren Betrieb der elektrischen Maschine zu ermöglichen.
In der DE 10 12021 101 898 ist eine Anordnung beschrieben, in der der Rotor einer Radialflussmaschine in zwei Teilrotoren aufgeteilt ist, deren einzelne Rotorscheiben sich in axialer Richtung abwechseln. Ein Teilrotor ist hierbei direkt, der andere Teilrotor über eine Verdrehsteifigkeit verdrehbar momentübertragend mit der Rotorwelle verbunden. Die Verdrehsteifigkeit ist hierbei so gewählt, dass bei niedrigem Moment eine Verdrehlage der Teilrotoren mit geschwächtem und bei hohem Moment eine Verdrehlage der Teilrotoren mit vollem Magnetfeld herrscht. Die DE 10 12021 101 904 beansprucht ein konstruktiv ausgeführtes mechanisches Modul, das in das Innere der permanentmagnetbestückten Rotorscheiben eingebracht werden kann, die beschriebenen Verbindungen der Teilrotoren zur Rotorwelle herstellt und über die Verdrehsteifigkeit, die mit Federn und rollenbestückten Kurvengetrieben ausgeführt ist, eine Verstellkennlinie definieren lässt.
Alle zuvor genannten passiven Lösungen, die ein Moment als Sensorgröße verwenden, um eine Relativverdrehung zwischen zwei Teilrotoren gegen eine Verdrehsteifigkeit auszulösen, gehen davon aus, dass sich das durch die Statorbestrom ung insgesamt erzeugte elektromagnetische Moment im Fall der initial feldgeschwächten Stellung bei nicht ausgerichteten Magnetpolen in einfacher Weise auf die beiden Teilrotoren aufteilt, etwa entsprechend ihres Anteils an der Gesamtlänge und entsprechend ihrer jeweiligen Phasenlage zum Statorfeld, unabhängig von der Gegenwart des jeweils anderen Teilrotors. Nur dann nämlich könnte ein dem Gesamtmoment proportionales Teilmoment ohne weiteres gegen eine Verdrehsteifigkeit zwischen den Teilrotoren oder einem der Teilrotoren und der Rotorwelle gerichtet werden und die mit steigendem Moment gewünschte Verdrehung in die Stellung mit vollem Magnetfeld bei ausgerichteten Magnetpolen bewirken. Versuche und Modellierungen der Anmelderin haben jedoch gezeigt, dass die tatsächlichen Verhältnisse weit komplizierter sind.
Bereits im unbestromten Fall gibt es Wechselwirkungen zwischen den Rotorscheiben der beiden Teilrotoren in Gestalt magnetischer Abstoßmomente. Die Stellung mit vollem Magnetfeld bei ausgerichteten Magnetpolen stellt ein labiles Gleichgewicht mit verschwindendem Abstoßmoment dar. Mit beginnender Verdrehung aus dieser Gleichgewichtslage kommt ein Abstoßmoment auf, das mit zunehmender Verdrehung wächst, bis es ein Maximum erreicht, um dann bei weiterer Verdrehung wieder abzunehmen. Der Verlauf des Abstoßmoments über den Verdrehwinkel innerhalb einer elektrischen Periode, die Höhe des Maximums und der Verdrehwinkel, bei dem es auftritt, hängen stark von der gewählten Art der Anordnung der Permanentmagnete innerhalb der Rotorscheiben ab. Nichtlinear ist der Verlauf über eine elektrische Periode betrachtet grundsätzlich.
Im Fall der angestrebten effizienten Statorbestrom ung für verschiedene Drehzahlen erhöhen sich diese magnetischen Abstoßmomente drehzahlabhängig in unterschiedlicher Weise zum Teil um ein Vielfaches. Insgesamt resultieren Teilmomente, die in keinem Fall geeignet sind, ohne weiteres gegen eine Verdrehsteifigkeit zwischen den Teilrotoren oder einem der Teilrotoren und der Rotorwelle gerichtet zu werden, um eine Verdrehung der Teilrotoren in die Stellung mit vollem Magnetfeld zu bewirken, da sie wegen des hohen Anteils der magnetischen Abstoßmomente hierfür nicht in die richtige Richtung weisen.
Für ein zuverlässiges Verstellverhalten ist es unter anderem erforderlich, dass die Vestellkennlinie der mechansichen Feldschwächung über dem Motorkennfeld sich weder unerwünscht ändert noch eine zu hohe Hysterese aufweist. Bei den Drehzahlen heutiger Traktionsmaschinen im automobilen Bereich entsteht jedoch durch Fliehkraftwirkung, insbesondere auf die vorhandenen Verdrehsteifigkeiten, die beispielsweise als Druckfeder ausgebildet sein können, eine unerwünscht hohe Verschiebung der Verstellkennlinie hin zu höheren Momenten. Zunehmende Reibungen an Führungselementen der Verdrehsteifigkeiten können ferner zu einer zu hohen Hysterese in der Verstellkennlinie führen.
Um eine funktionsfähige Anordnung im Sinne der zuvor genannten passiven Lösungen zur momentadaptiven Feldschwächung des Rotors einer elektrischen Maschine darzustellen, ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine elektrische Maschine mit einer verbesserten mechanischen Feldschwächung bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Rotor für eine elektrische Maschine, insbesondere für die Verwendung innerhalb eines Antriebsstrangs eines hybridöder vollelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, wobei der Rotor wenigstens einen ersten Rotorkörper mit einer ersten Gruppe von Permanentmagneten und einen zweiten Rotorkörper mit einer zweiten Gruppe von Permanentmagneten aufweist, wobei der erste Rotorkörper und der zweite Rotorkörper relativ zueinander entgegen der Wirkung einer ersten Verdrehsteifigkeit um eine gemeinsame Drehachse mittels eines mechanischen Feldschwächungsmechanismus verdrehbar sind, wobei die erste Verdrehsteifigkeit als eine erste Schenkelfederanordnung mit einer ersten Schenkelfeder ausgebildet ist, welche koaxial zur Drehachse und so zwischen dem ersten Rotorkörper und dem zweiten Rotorkörper oder zwischen einem der Rotorkörper, und einer Rotorwelle angeordnet ist, dass die bei der Verstellung des Feldschwächungsmechanismus einsetzende Verdrehung eines der Rotorkörper, eine öffnende oder schließende Betätigung der ersten Schenkelfeder bewirkt.
Hierdurch wird der Vorteil erzielt, dass eine elektrische Maschine mit einer rein mechanischen Feldschwächungsvorrichtung realisiert werden kann, welche die zu einer bedarfsgerechten Feldschwächung erforderlichen Stellungen von Permanentmagneten innerhalb des Rotors in Abhängigkeit von den Betriebszuständen Drehmoment und Drehzahl zuverlässig und kostengünstig einstellt. Grundsätzlich vermeidet die Erfindung somit auch die Notwendigkeit einer von außen auf oder in den Rotor eingreifenden Aktorik.
Die Ausbildung einer Verdrehsteifigkeit als eine Schenkelfederanordnung zur Definition einer Verstellkennlinie zur Schwächung des Magnetfelds durch eine Relativverdrehung der Rotorkörper erlaubt insbesondere die Reduktion des Zentrifugalkrafteinflusses auf die Verstellkennlinie und deren Hysterese.
Weitere Vorteile dieser Ausgestaltung sind eine vergleichsweise geringe Anzahl an individuellen Bauteilen zur Bereitstellung der Verdrehsteifigkeit und eine damit einhergehende vereinfachte Montage. Ferner wird durch die Schenkelfeder ein besonders kompakter Aufbau des mechanischen Feldschwächungsmechanismus ermöglicht.
Die elektrische Maschine kann insbesondere als Rotationsmaschine ausgebildet sein. Im Falle von als Rotationsmaschinen ausgebildeten elektrischen Maschinen wird insbesondere zwischen Radialflussmaschinen und Axialflussmaschinen unterschieden. Dabei zeichnet sich eine Radialflussmaschine dadurch aus, dass die Magnetfeldlinien in dem zwischen Rotor und Stator ausgebildeten Luftspalt, sich in radialer Richtung erstrecken, während im Falle einer Axialflussmaschine sich die Magnetfeldlinien in dem zwischen Rotor und Stator gebildeten Luftspalt in axialer Richtung erstrecken. Es ist im Zusammenhang mit dieser Erfindung möglich, dass die elektrische Maschine als Radialflussmaschine oder Axialflussmaschine konfiguriert ist.
Ein Rotor ist der sich drehende (rotierende) Teil einer elektrischen Maschine. Der Rotor umfasst insbesondere eine Rotorwelle und einen oder mehrere drehfest auf der Rotorwelle angeordnete, aus Rotorblechpaketen gebildete Rotorkörper. Die Rotorwelle kann hohl ausgeführt sein, was zum einen eine Gewichtsersparnis zur Folge hat und was zum anderen die Zufuhr von Schmier- oder Kühlmittel zum Rotorkörper erlaubt.
Unter einem Rotorkörper wird im Sinne der Erfindung der Rotor ohne Rotorwelle verstanden. Der Rotorkörper setzt sich demnach insbesondere zusammen aus einem Rotorblechpaket sowie den in die Taschen des Rotorblechpakets eingebrachten oder den umfänglich an dem Rotorblechpaket fixierten Permanentmagneten sowie ggf. vorhandenen axialen Deckelteilen zum Verschließen der der Taschen.
Die Permanentmagnete können bevorzugt in die Taschen des Rotorblechpakets eingebracht sein. Dabei kann pro Tasche ein einziger größerer, als Stabmagnet ausgebildeter Rotormagnet oder mehrere kleinere Permanentmagnetelemente ausgebildete Rotormagnete vorgesehen werden.
Der Rotor weist eine Mehrzahl von Rotorkörpern auf. Besonders bevorzugt sind die Rotorkörper im Wesentlichen gleichteilig, insbesondere im Wesentlichen identisch, ausgebildet. Höchst bevorzugt ist es, dass die Rotorkörper aus gleichteiligen, insbesondere im Wesentlichen identischen Rotorblechen gebildet sind. Die Rotorkörper sind also insbesondere bevorzugt aus einem Rotorblechpaket gebildet, welche aus einer Mehrzahl von in der Regel aus Elektroblech hergestellten laminierten Einzelblechen bzw. Rotorblechen zusammengesetzt sind, die übereinander zu einem Stapel, dem sog. Rotorblechpaket geschichtet und paketiert sind. Die Einzelbleche können in dem Rotorblechpaket durch Verklebung, Verschweißung oder Verschraubung zusammengehalten bleiben. Ein Rotorblechpaket kann insbesondere auch in die Taschen des Rotorblechpakets eingebrachte oder den umfänglich an dem Rotorblechpaket fixierte Permanentmagnete aufweisen.
Mechanische Feldschwächungsmechanismen sind grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannt. Im Zusammenhang mit dieser Erfindung besonders bevorzugte mechanische Feldschwächungsmechanismen sind in der noch nicht veröffentlichten DE102022106 944 und DE102022106945 sowie in den Patentpublikationen der DE102021101904B3, der DE102021101898A1 und der DE102021101900A1 beschrieben und werden hiermit durch Bezugnahme dem Offenbarungsgehalt dieser Anmeldung hinzugefügt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die erste Schenkelfederanordnung eine zweite Schenkelfeder aufweist, welche koaxial zur Rotationsachse des Rotors und so zwischen dem ersten Rotorkörper und dem zweiten Rotorkörper oder zwischen einem der Rotorkörper, und der Rotorwelle angeordnet ist, dass die bei der Verstellung des Feldschwächungsmechanismus einsetzende Verdrehung eines der Rotorkörper, eine gleichwirkend zur ersten Schenkelfeder orientierte Betätigung der zweiten Schenkelfeder bewirkt. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass durch eine zweite Schenkelfeder die Verstellkennlinie besonders modellierbar sowie exakt einstellbar wird. Hierbei können die Schenkelfedern im Wesentlichen identisch wie auch voneinander verschieden ausgebildet sein, je nachdem, welche anwendungsspezifischen Erfordernis durch die gewünschte Verstellkennlinie umgesetzt werden müssen. Die Schenkelfedern können hierbei in Reihe oder parallel zueinander verschaltet sein.
Es kann gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass die erste Schenkelfeder einen sich radial in den ersten Rotorkörper hineinerstreckenden ersten Federschenkel und/oder einen sich radial in den zweiten Rotorkörper hineinerstreckenden zweiten Federschenkel aufweist, und/oder die erste Schenkelfeder einen sich axial in den ersten Rotorkörper hineinerstreckenden ersten Federschenkel und/oder einen sich axial in den zweiten Rotorkörper hineinerstreckenden zweiten Federschenkel aufweist, und/oder die zweite Schenkelfeder einen sich radial in den ersten Rotorkörper hineinerstreckenden ersten Federschenkel und/oder einen sich radial in den zweiten Rotorkörper hineinerstreckenden zweiten Federschenkel aufweist, und/oder die zweite Schenkelfeder einen sich axial in den ersten Rotorkörper hineinerstreckenden ersten Federschenkel und/oder einen sich axial in den zweiten Rotorkörper hineinerstreckenden zweiten Federschenkel aufweist. Es kann hierdurch erreicht werden, dass sich in Abhängigkeit einer gegebenen Bauraumsituation radial oder axial besonders kompakt bauende Verdrehsteifigkeiten realisieren lassen.
Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass die erste Schenkelfeder und die zweite Schenkelfeder im Wesentlichen gleichteilig ausgeführt und um die Drehachse verdreht zueinander angeordnet sind, so dass der erste Federschenkel und der zweite Federschenkel der ersten Schenkelfeder in eine gemeinsame radiale und/oder axiale Richtung weisen sowie der erste Federschenkel und der zweite Federschenkel der zweiten Schenkelfeder in eine davon entgegengesetzte radiale und/oder axiale Richtung orientiert sind. Die vorteilhafte Wirkung dieser Ausgestaltung ist darin begründet, dass auftretende Querkräfte bei der Betätigung der Schenkelfedern und eine konstruktive Unwucht im rotierenden Rotor vermeiden oder zumindest reduziert werden können. So kann dann beispielsweise jeweils ein Paket zweier baugleicher sich öffnender bzw. schließender Schenkelfedern gebildet werden, in dem die erste und die zweite Schenkelfeder, ermöglicht durch einen entsprechenden Windungsabstand, ineinander geschraubt und schließlich verdreht zueinander angeordnet werden. Die Schenkelfedern weisen hierzu bevorzugt einen Windungsabstand auf, der etwas größer ist als die Drahtdicke der Schenkelfedern in axialer Richtung.
Die Enden der Schenkelfedern stehen sich bevorzugt paarweise gegenüber, was eine Unwucht des Rotors weiter reduzieren hilft. Grundsätzlich können die Schenkelfedern eine beliebige Anzahl von Windungen aufweisen, wobei es bevorzugt ist, dass die Schenkelfedern identische Windungsanzahlen besitzen.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die elektrische Maschine eine zweite Verdrehsteifigkeit aufweist, welche als eine zweite Schenkelfederanordnung mit einer dritten Schenkelfeder ausgebildet ist, welche koaxial zur Drehachse und so zwischen einem dritten Rotorkörper und einem vierten Rotorkörper oder zwischen einem dieser Rotorkörper, und der Rotorwelle angeordnet ist, dass die bei der Verstellung des Feldschwächungsmechanismus einsetzende Verdrehung eines dieser Rotorkörper, eine öffnende oder schließende Betätigung der dritten Schenkelfeder bewirkt, wobei der dritte Rotorkörper und der zweite Rotorkörper bevorzugt axial benachbart im Rotor angeordnet sind und die erste Schenkelfederanordnung und die zweite Schenkelfederanordnung eine voneinander verschiedene Betätigungsorientierung aufweisen. Hierdurch lässt sich insbesondere der Wirkung erzielen, dass eine Kompensation des Einflusses der im Betrieb auftretenden Fliehkraft auf die Verstellkennlinie des mechanischen Feldschwächungsmechanismus realisierbar ist. Ferner kann auch dadurch, dass die Verdrehsteifigkeit in einem gleichen Maß öffnet und schließt, auch ein Axialkraftausgleich bewirkt werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass sich die spezifizierte Koaxialität mit Betrieb des Rotors leicht verschieben kann, so dass die spezifizierte Koaxialität hier stets im Ruhezustand des Rotors gemeint ist.
Die erste Schenkelfederanordnung und die zweite Schenkelfederanordnungen sind ferner bevorzugt um etwa 90° um die Drehachse verdreht zueinander angeordnet, wodurch ein Umwuchtausgleich realisierbar ist, was insbesondere den Betrieb des Rotors bei hohen Drehzahlen, beispielsweise >15.000 1/min, erlaubt.
Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass die Schenkelfedern der ersten Schenkelfederanordnung und der zweiten Schenkelfederanordnung für die beiden Betätigungsorientierungen einen gleichgerichteten Windungssinn aufweisen. Hierbei muss dann, beispielsweise über eine entsprechende Anbindung der Schenkelfederanordnung an die Rotorkörper, sichergestellt werden, dass die beiden Schenkelfederanordnungen eine voneinander entgegengesetzten Betätigungsorientierung aufweisen, so dass wenn eine Schenkelfederanordnung öffnet, die andere schließt und umgekehrt.
Alternativ können die Schenkelfedern der ersten Schenkelfederanordnung und der zweiten Schenkelfederanordnung für die beiden Betätigungsorientierungen auch einen entgegengerichteten Windungssinn aufweisen. Auch hierbei muss dann, beispielsweise über eine entsprechende Anbindung der Schenkelfederanordnung an die Rotorkörper, sichergestellt werden, dass die beiden Schenkelfederanordnungen eine voneinander entgegengesetzten Betätigungsorientierung aufweisen, so dass wenn eine Schenkelfederanordnung öffnet, die andere schließt und umgekehrt. In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass wenigstens eine, bevorzugt alle Schenkelfedern aus einem Federdraht mit einem im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt gewunden sind.
Hierdurch kann erreicht werden, dass der Energiegehalt der Schenkelfedern in ihrem Einbauraum gesteigert und die biegemomentübertragende und querkraftfreie Einhängung der als Schenkel ausgebildeten Federenden in Aussparungen von Scheiben erleichtert werden kann, die zur Übertragung von Drehmoment eine bauliche Einheit mit den Teilrotoren bzw. der Rotorwelle bilden.
Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass wenigstens eine, bevorzugt alle Schenkelfedern vorgespannt verbaut sind. Der Vorteil, der sich hierdurch realisieren lässt, ist, dass hierdurch ein Moment definierbar ist, bei dem der Verstellvorgang einsetzen soll. Hierzu können die Schenkelfedern in der Anordnung dann beispielsweise um einen bestimmten Verdrehwinkel vorgespannt eingebaut sein.
Gemäß einer weiteren zu bevorzugenden Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann vorgesehen sein, dass die Schenkelfedern im Wesentlichen gleichteilig ausgeführt sind. Hierdurch kann eine besonders kosteneffiziente Herstellung der Schenkelfedern erreicht werden. Ferner wird die Fertigung und Montage durch einen erhöhten Grad an Gleichteilen erleichtert.
Schließlich kann die Erfindung auch in vorteilhafter Weise dahingehend ausgeführt sein, dass die Rotorkörper jeweils zweiteilig aufgebaut sind, mit einer inneren Ringscheibe und einer drehmomentübertragend mit der inneren Ringscheibe gekoppelten äußeren Ringscheibe, wobei die Permanentmagneten, lediglich in der äußeren Ringscheibe angeordnet sind.
Der Vorteil, der sich hierdurch ergibt, ist insbesondere, dass der mechanische Feldschwächungsmechanismus somit unabhängig von dem magnetischen Bereich eines Rotorkörpers herstellbar ist, was die Flexibilität in der Auslegung wie Herstellung der elektrischen Maschine verbessern kann. Die Aufgabe der Erfindung wird ferner gelöst durch eine elektrische Maschine, insbesondere für die Verwendung innerhalb eines Antriebsstrangs eines hybridöder vollelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, umfassend einen Stator und einen durch einen Luftspalt vom Stator getrennten Rotor, wobei der Rotor nach einem der Ansprüche 1-10 ausgeführt ist.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
Es zeigt:
Figur 1 eine elektrische Maschine in einer Querschnittsansicht,
Figur 2 eine schematische Blockschaltansicht eines Rotors mit einem mechanischen Feldschwächungsmechanismus,
Figur 3 eine erste Ausführungsform einer Verdrehsteifigkeit in einer perspektivischen Ansicht,
Figur 4 eine zweite Ausführungsform einer Verdrehsteifigkeit in einer perspektivischen Ansicht,
Figur 5 einen Rotor in einer Querschnittsansicht,
Figur 6 eine Detailansicht des Rotors in einer Querschnittsdarstellung,
Figur 7 eine erste Ausführungsform einer Schenkelfederanordnung mit zwei Rotorkörpern in einer perspektivischen Explosionsdarstellung,
Figur 8 eine erste Ausführungsform einer Schenkelfederanordnung mit zwei Rotorkörpern in einem zusammengebauten Montagezustand in einer perspektivischen Ansicht, Figur 9 einen Rotorkörper mit einer an ihm Schenkelfederanordnung in einer Detailausschnittsvergrößerung.
Die Figur 1 zeigt eine elektrische Maschine 1 , insbesondere für die Verwendung innerhalb eines Antriebsstrangs eines hybrid- oder vollelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs. Die als Radialflussmaschine konfigurierte elektrische Maschine 1 umfasst einen Stator 2 und einen durch einen Luftspalt 3 vom Stator 2 getrennten Rotor 4, wobei der Rotor 4 wenigstens einen ersten Rotorkörper 5 mit einer ersten Gruppe von Permanentmagneten 6 und einen zweiten Rotorkörper 7 mit einer zweiten Gruppe von Permanentmagneten 8 aufweist, was sich gut aus der Zusammenschau von Figur 1 mit Figur 2 nachvollziehen lässt.
Der erste Rotorkörper 5 und der zweite Rotorkörper 7 sind relativ zueinander entgegen der Wirkung einer ersten Verdrehsteifigkeit 9 um eine gemeinsame Drehachse 10 mittels eines mechanischen Feldschwächungsmechanismus 11 verdrehbar. Die beiden Rotorkörper 5,7 sind im Wesentlichen aus identischen Rotorblechen ausgebildet, wobei die Position und die Anzahl der Permanentmagnete 6 der ersten Gruppe und die Anzahl der Permanentmagnete 8 der zweiten Gruppe in den Rotorkörpern 5,7 identisch sind.
Der in der Figur 2 exemplarisch gezeigte Feldschwächungsmechanismus 11 umfasst ein nicht näher bezeichnetes Hebelelement, das um einen Drehpunkt schwenkbar ist, wobei der erste Rotorkörper 5 mit einem ersten Hebelabschnitt und der zweite Rotorkörper 7 mit einem zweiten Hebelabschnitt des Hebelelements koppelbar ist. Der erste Hebelabschnitt und der zweite Hebelabschnitt sind auf entgegengesetzten Seiten des Hebels angeordnet, so dass der erste Rotorkörper 5 und der zweite Rotorkörper 7 durch ein Kippen des Hebelelements für eine gewünschte Verstellung des mechanischen Feldschwächungsmechanismus 11 zielführend, relativ zueinander verdrehbar sind. Dieser Feldschwächungsmechanismus 11 ist detailliert in der DE102022106944 und der DE102022106945 beschrieben, so dass hier zur Vermeidung von Wiederholungen auf diese Schrift verwiesen wird. Die erste Verdrehsteifigkeit 9 ist als eine erste Schenkelfederanordnung 12 mit einer ersten Schenkelfeder 13 ausgebildet, welche koaxial zur Drehachse 10 und so zwischen dem ersten Rotorkörper 5 und dem zweiten Rotorkörper 7 angeordnet ist, dass die bei der Verstellung des Feldschwächungsmechanismus 11 einsetzende Verdrehung eines der Rotorkörper 5,7 eine öffnende oder schließende Betätigung der ersten Schenkelfeder 13 bewirkt. Auch wenn es in den Figuren 2-3 nicht gezeigt wird, so ist es dennoch möglich, dass die erste Schenkelfeder 13 auch zwischen einem der Rotorkörper 5,7 und der Rotorwelle 16 drehmomentübertragend angeordnet wird.
Die erste Schenkelfederanordnung 12 weist eine zweite Schenkelfeder 14 auf, welche koaxial zur Rotationsachse 15 des Rotors 4 und so zwischen dem ersten Rotorkörper 5 und dem zweiten Rotorkörper 7 angeordnet ist, dass die bei der Verstellung des Feldschwächungsmechanismus 11 einsetzende Verdrehung eines der Rotorkörper 5,7 eine öffnende oder schließende Betätigung der zweiten Schenkelfeder 14 bewirkt. Wie in der Figur 1 dargestellt, sind die erste Schenkelfeder 13 und die zweite Schenkelfeder 14 im Wesentlichen gleichteilig ausgeführt und um die Drehachse 10 verdreht zueinander angeordnet, so dass der erste Federschenkel 17 und der zweite Federschenkel 18 der ersten Schenkelfeder 13 in eine gemeinsame radiale Richtung weisen sowie der erste Federschenkel 19 und der zweite Federschenkel 20 der zweiten Schenkelfeder 14 in eine davon entgegengesetzte radiale Richtung orientiert sind.
Hierbei verfügt die erste Schenkelfeder 13 über einen sich radial in den ersten Rotorkörper 5 hineinerstreckenden ersten Federschenkel 17 und einen sich radial in den zweiten Rotorkörper 7 hineinerstreckenden zweiten Federschenkel 18. Analog hierzu besitzt auch die zweite Schenkelfeder 14 einen sich radial in den ersten Rotorkörper 5 hineinerstreckenden ersten Federschenkel 19 und einen sich radial in den zweiten Rotorkörper 7 hineinerstreckenden zweiten Federschenkel 20.
Die Figur 3 zeigt des Weiteren, dass die elektrische Maschine 1 in der gezeigten Ausführungsform eine zweite Verdrehsteifigkeit 21 aufweist, welche als eine zweite Schenkelfederanordnung 22 mit einer dritten Schenkelfeder 23 ausgebildet ist, welche koaxial zur Drehachse 10 und so zwischen einem dritten Rotorkörper 25 und einem vierten Rotorkörper 27 angeordnet ist, dass die bei der Verstellung des Feldschwächungsmechanismus 11 einsetzende Verdrehung eines dieser Rotorkörper 25,27 eine öffnende oder schließende Betätigung der dritten Schenkelfeder 23 bewirkt. Die erste Schenkelfederanordnung 12 und die zweite Schenkelfederanordnung 22 sind hierbei um ca. 90° zueinander um die Drehachse 10 verdreht.
Hierbei sind der dritte Rotorkörper 25 und der zweite Rotorkörper 7 axial benachbart im Rotor 4 angeordnet. Es wäre auch denkbar, dass der zweite Rotorkörper 7 und der dritte Rotorkörper 25 einstückig ausgeführt sind. Diese Variante ist in der Figur 4 gezeigt. In der gezeigten Konfiguration weisen die erste Schenkelfederanordnung 12 und die zweite Schenkelfederanordnung 22 voneinander verschiedene Betätigungsorientierungen auf, was auch durch die Pfeile in der Figur 3 angedeutet ist. Dabei wird die erste Schenkelfederanordnung 12 schließend betätigt, während die zweite Schenkelfederanordnung 22 öffnend betätigt wird, was zu einer Drehzahlneutralität in Bezug auf das Moment beiträgt.
Die Federenden der Schenkelfedern 13,14,23 können durch entsprechende Biegungen als radial oder axial verlaufende Schenkel ausgebildet sein. In der Figur 3 ist eine Ausführungsform mit radial verlaufenden Schenkeln und in der Figur 4 eine mit axial verlaufenden Schenkeln gezeigt.
In der Ausführungsform der Figur 3 greifen die Enden der Schenkelfedern in dafür vorgesehene Radialnuten 26 formschlüssig und im Wesentlichen spielfrei ein.
Anders als in der Figur 3, verfügt die erste Schenkelfeder 13 in der Ausführungsform der Figur 4 über einen sich axial in den ersten Rotorkörper 5 hineinerstreckenden ersten Federschenkel 17 und einen sich axial in den zweiten Rotorkörper 7 hineinerstreckenden zweiten Federschenkel 18. Analog hierzu besitzt auch die zweite Schenkelfeder 14 einen sich axial in den ersten Rotorkörper 5 hineinerstreckenden ersten Federschenkel 19 und einen sich axial in den zweiten Rotorkörper 7 hineinerstreckenden zweiten Federschenkel 20. In der Ausführungsform der Figur 4 greifen die Enden der Schenkelfedern dann in dafür vorgesehene Axialnuten 24 formschlüssig und im Wesentlichen spielfrei ein. Die im Wesentlichen gleichteiligen Rotorkörper 5,7,25,27 besitzen insgesamt vier umfänglich äquidistant verteilte, identische Axialnuten 24 auf.
Was den Figuren 3-4 auch entnommen werden kann ist, dass alle Schenkelfedern 13,14,23 aus einem Federdraht mit einem im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt gewunden und im Wesentlichen gleichteilig ausgeführt sind. Alle Schenkelfedern 13,14,23 sind ferner vorgespannt verbaut.
Schließlich wird auch aus der Zusammenschau der Figuren 1-4 deutlich, dass die Rotorkörper 5,7,25,27 jeweils zweiteilig aufgebaut sind, mit einer inneren Ringscheibe 28 und einer drehmomentübertragend mit der inneren Ringscheibe 28 gekoppelten äußeren Ringscheibe 29, wobei die Permanentmagneten 6,8 lediglich in der äußeren Ringscheibe 29 angeordnet sind.
Wie bereits in der Figur 1 angedeutet, sind die Rotorkörper 5,7 jeweils zweiteilig aufgebaut, umfassend eine mit einer Rotorwelle 16 drehmomentübertragend verbundenen inneren Ringscheibe 28 und einer drehmomentübertragend mit der inneren Ringscheibe 28 gekoppelten äußeren Ringscheibe 29, wobei die Permanentmagnete 6,8 lediglich in der aus einem Elektroblech geformten äußeren Ringscheibe 29 angeordnet sind. Die innere Ringscheibe 28 ist aus einem Stahl, insbesondere einem gehärteten Stahl, gefertigt.
In der Figur 5 ist eine Ausführungsform gezeigt, bei der die innere Ringscheibe 28 und die äußere Ringscheibe 29 formschlüssig miteinander drehmomentübertragend verbunden sind. Hierzu weist die innere Ringscheibe 28 an ihrer äußeren Mantelfläche 50 eine Außenverzahnung 51 auf, die in eine korrespondierende Innenverzahnung 52 an einer inneren Mantelfläche 53 der äußeren Ringscheibe 29 eingreift. Die Außenverzahnung 51 und die Innenverzahnung 52 sind in diesem Ausführungsbeispiel als Steckverzahnung ausgebildet. Um das Fügen dieser Steckerzahnung zu erleichtern, kann die Außenverzahnung 51 und/oder die Innenverzahnung 52 eine Fase aufweisen.
Aus der Detaildarstellung der Figur 6 lässt sich erkennen, dass die Zähne 54 der
Außenverzahnung 51 jeweils einen ersten Hinterschnitt 55 aufweisen, Auch die Zähne 56 der Innenverzahnung 52 besitzen einen zweiten Hinterschnitt 57, wobei der erste Hinterschnitt 55 und der zweite Hinterschnitt 57 so ausgebildet sind, dass zwischen der im Eingriff stehenden Innenverzahnung 52 und Außenverzahnung 51 eine Kraft in radialer Richtung übertragbar ist. Um dies zu erreichen, sind die Zähne 54 der Außenverzahnung 51 sowie die Zähne 56 der Innenverzahnung 52 im Querschnitt schwalbenschwanzartig ausgeformt. Hierbei berühren sich die beiden Ringscheiben 28,29 nur auf den schrägen Flanken der in Schwalbenschwanzform ausgeführten Zähne 54,56. Die hohe Genauigkeit der Zahnform für eine formschlüssige Verbindung ist damit auf die schrägen Flanken beschränkt. Außerdem können dadurch in den Ringscheiben 28,29 größere Radien im Zahngrund verwendet werden. Dies reduziert die lokalen Spannungen und ermöglicht eine schnellere kostengünstigere Herstellung der Verzahnungen 51 ,52 z.B. durch Wahl eines Fräsers mit größerem Durchmesser. Der Hinterschnitt 55,57 entsteht somit durch die schrägen seitlichen Flanken der Zähne 54,56. Bei dieser Form sind die Öffnungen der Zahnlücken in den Ringscheiben 28,29 breiter, was eine einfachere und kostengünstigere Herstellung der Verzahnung ermöglicht, z.B. durch Räumen, Stoßen oder Fräsen.
Die Außenverzahnung 51 verfügt des Weiteren zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten Zähnen 54 jeweils eine Nut 58 mit einem Nutgrund 59, in welche ein Zahn 56 der Innenverzahnung 52 mit einem Zahnkopf 60 eingreift, wobei der Zahnkopf 60 gegenüber dem Nutgrund 59 spielbehaftet ist, was sich gut aus dem in der Figur 4 gezeigten Spalt nachvollziehen lässt. Bei dieser Konstruktion kann gezielt eine Überlappung in den Zahnflanken der im Eingriff stehenden Zähne 54,56 vorgesehen werden, die bei der Montage zu einer Vorspannung der inneren Ringscheibe 28 mit der äußeren Ringscheibe 29 nach innen führt und damit die Spannungen in den Ringscheiben 28,29 unter Drehzahl weiter reduziert.
Die Permanentmagnete 6,8 sind im Querschnitt paarweise V-förmig über den Umfang einer äußeren Ringscheibe 29 verteilt angeordnet, wobei sich die freien Schenkel 61 der V-förmigen Anordnung radial nach innen erstrecken, und die V- förmige Anordnung eine radial verlaufende Spiegelachse 62 aufweist, welche koaxial zu einer radial verlaufenden Spiegelachse 63 eines Zahns 54,56 der Innenverzahnung 52 oder Außenverzahnung 51 verläuft. Gleichzeitig ist zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten V-förmigen Anordnungen eine radial verlaufende Spiegelachse 64 definiert, welche koaxial zu einer radial verlaufenden Spiegelachse 65 eines Zahns 56 der Innenverzahnung 52 oder Außenverzahnung 51 verläuft. Aus der Figur 4 ist in diesem Zusammenhang auch gut zu erkennen, dass die im Eingriff stehenden Zähne 54 der Außenverzahnung 51 , durch welche die Spiegelachsen 62,63 hindurch verlaufen, in Umfangsrichtung breiter ausgeführt sind als die in Umfangsrichtung benachbarten Zähne 54 der Außenverzahnung 51. Gleiches gilt für die die im Eingriff stehenden Zähne 56 der Innenverzahnung 52, durch welche die Spiegelachsen 64,65 hindurch verlaufen. Hierdurch können die in diesen Bereichen durch die V-förmige Anordnung der Permanentmagnete 6,8 bedingten hohen Zentrifugalkrafteinwirkungen besser aufgenommen werden.
Der erste Rotorkörper 5 und der zweite Rotorkörper 7 sind relativ zueinander entgegen der Wirkung einer ersten Verdrehsteifigkeit 9 um eine gemeinsame Drehachse 10 mittels eines mechanischen Feldschwächungsmechanismus 11 verdrehbar. Dies wird nachfolgend anhand der Figur 7 nochmals näher erläutert. Wie man anhand der Figur 7 erkennen kann, ist die erste Verdrehsteifigkeit 9 als eine erste Schenkelfederanordnung 12 mit einer ersten Schenkelfeder 13 ausgebildet, welche koaxial zur Drehachse 10 und so zwischen dem ersten Rotorkörper 5 und dem zweiten Rotorkörper 7 angeordnet ist, dass die bei der Verstellung des Feldschwächungsmechanismus 11 einsetzende Verdrehung eines der Rotorkörper 5,7 eine öffnende oder schließende Betätigung der ersten Schenkelfeder 13 bewirkt. Auch wenn es in den Figuren nicht gezeigt wird, so ist es dennoch möglich, dass die erste Schenkelfeder 13 auch zwischen einem der Rotorkörper 5,7 und der Rotorwelle 16 drehmomentübertragend angeordnet wird.
Die erste Schenkelfederanordnung 12 weist eine zweite Schenkelfeder 14 auf, welche koaxial zur Drehachse 10 des Rotors 4 und so zwischen dem ersten Rotorkörper 5 und dem zweiten Rotorkörper 7 angeordnet ist, dass die bei der Verstellung des Feldschwächungsmechanismus 11 einsetzende Verdrehung eines der Rotorkörper 5,7 eine öffnende oder schließende Betätigung der zweiten Schenkelfeder 14 bewirkt. Wie in der Figur 5 bzw. 7 dargestellt, sind die erste Schenkelfeder 13 und die zweite Schenkelfeder 14 im Wesentlichen gleichteilig ausgeführt und um die Drehachse 10 verdreht zueinander angeordnet, so dass der erste Federschenkel 17 und der zweite Federschenkel 18 der ersten Schenkelfeder 13 in Umfangsrichtung um 90° versetzt radial nach außen weisen sowie der erste Federschenkel 19 und der zweite Federschenkel 20 der zweiten Schenkelfeder 14 ebenfalls um 90° in Umfangsrichtung versetzt radial nach außen orientiert sind.
Hierbei verfügt die erste Schenkelfeder 13 über einen sich radial in den ersten Rotorkörper 5 hineinerstreckenden ersten Federschenkel 17 und einen sich radial in den zweiten Rotorkörper 7 hineinerstreckenden zweiten Federschenkel 18. Analog hierzu besitzt auch die zweite Schenkelfeder 14 einen sich radial in den ersten Rotorkörper 5 hineinerstreckenden ersten Federschenkel 19 und einen sich radial in den zweiten Rotorkörper 7 hineinerstreckenden zweiten Federschenkel 20.
Der erste Federschenkel 17 der ersten Schenkelfeder 13 ist dabei in einem ersten Aufnahmeschuh 30 gehalten, welcher seinerseits so in einer ersten Aufnahmetasche 31 des ersten Rotorkörpers 5 aufgenommen und an dem ersten Rotorkörper 5 fixiert ist, dass der erste Federschenkel 17 der ersten Schenkelfeder 13 in axialer, wie in umfänglicher Richtung spielfrei gegenüber dem ersten Rotorkörper 5 mit diesem gekoppelt ist. Dabei ist der erste Aufnahmeschuh 30 spielbehaftet in die erste Aufnahmetasche 31 einsetzbar.
Der Figur 7 ist ferner entnehmbar, dass der erste Aufnahmeschuh 30 eine erste Aufnahmenut 32 aufweist, in welche der erste Federschenkel 17 der ersten Schenkelfeder 13 spielfrei angeordnet ist, beispielsweise durch eine Presspassung. Der erste Federschenkel 17 der ersten Schenkelfeder 13 ragt aus der ersten Aufnahmenut 32 heraus, wobei der aus der ersten Aufnahmenut 32 herausragende Abschnitt 33 an einer Wandung 34 der ersten Aufnahmetasche 31 anliegt, was sich auch gut aus der Zusammenschau mit der Figur 9 erkennen lässt. So kann ein Teil von der Schuhbelastung durch den Rotorkörper 5 aufgenommen werden. Die Wandung 34 der ersten Aufnahmetasche 31 besitzt eine in die erste Aufnahmetasche 31 hineinragende, konvexe Kontur, was sich auch gut aus der Detaildarstellung der Figur 7 entnehmen lässt. Damit kann beispielsweise sichergestellt werden, dass die Position des Federschenkels 17 auch in Drehrichtung einstellbar ist. In der Figur 9 ist ferner gezeigt, dass der erste Aufnahmeschuh 30 eine erste Öffnung 35 aufweist, welche von einem ersten Befestigungsmittel 36 durchgriffen ist, mittels dessen der erste Aufnahmeschuh 30 an dem ersten Rotorkörper 5 fixiert ist.
Auch ist in der Figur 7 gezeigt, dass der zweite Federschenkel 18 der ersten Schenkelfeder 13 in einem zweiten Aufnahmeschuh 37 gehalten ist, welcher seinerseits so in einer zweiten Aufnahmetasche 38 des zweiten Rotorkörpers 7 aufgenommen und an dem ersten Rotorkörper 7 fixiert ist, dass der zweite Federschenkel 18 der ersten Schenkelfeder 13 in axialer, wie in umfänglicher Richtung spielfrei gegenüber dem zweiten Rotorkörper 7 mit diesem gekoppelt ist.
Auch der erste Federschenkel 19 der zweiten Schenkelfeder 14 ist in analoger Weise in einem dritten Aufnahmeschuh 39 gehalten, welcher seinerseits so in einer dritten Aufnahmetasche des ersten Rotorkörpers 5 aufgenommen und an dem ersten Rotorkörper 5 fixiert ist, dass der erste Federschenkel 19 der zweiten Schenkelfeder 14 in axialer, wie in umfänglicher Richtung spielfrei gegenüber dem ersten Rotorkörper 5 mit diesem gekoppelt ist.
Schließlich ist auch der zweite Federschenkel 20 der zweiten Schenkelfeder 14 in einem vierten Aufnahmeschuh 41 gehalten, welcher seinerseits so in einer vierten Aufnahmetasche 42 des zweiten Rotorkörpers 7 aufgenommen und an dem zweiten Rotorkörper 7 fixiert ist, dass der zweite Federschenkel 20 der zweiten Schenkelfeder 14 in axialer, wie in umfänglicher Richtung spielfrei gegenüber dem zweiten Rotorkörper 7 mit diesem gekoppelt ist.
Ersichtlich ist aus der Figur 7 ferner, dass der erste Aufnahmeschuh 30, der zweite Aufnahmeschuh 37, der dritte Aufnahmeschuh 39 sowie der vierte Aufnahmeschuh 41 gleichteilig ausgebildet sind.
Mittels der Aufnahmeschuhe 30,37,39,41 werden also zwischen den Federschenkeln 17,18,19,20 und den Rotorkörpern 5, in ihrer Lage innerhalb einer Aufnahmetasche 31 ,38,42 einstellbare und fixierbare Elemente angeordnet. Die Aufnahmeschuhe 30,37,39,41 sind auf die Federschenkeln 17,18,19,20 gepresst, beispielsweise durch ein entsprechendes Übermaß, so dass diese spielfrei zueinander fixiert sind. Die Federschenkel 17,18,19,20 mit den vormontierten Aufnahmeschuhen 30,37,39,41 können in den Rotorkörpern 5,7 mit einem nicht abgebildeten Montagewerkzeug positioniert werden. Da ein Spalt zwischen den Aufnahmetaschen 31 ,38,42 und den Aufnahmeschuhe 30,37,39,41 ausgebildet ist, die Aufnahmeschuhe 30,37,39,41 also spielbehaftet in die Aufnahmetaschen 31 ,38,42 eingreifen, ist die Lage bzw. Position der Aufnahmeschuhe 30,37,39,41 in den Aufnahmetaschen 31 ,38,42 einstellbar. Die dann in den Aufnahmetaschen 31 ,38,42 positionierten Aufnahmeschuhe 30,37,39,41 können dann durch die Befestigungsmittel 36 fixiert werden. Diese sind in den Figuren als Schrauben dargestellt. Sie können jedoch auch als Niet ausgeführt sein oder das Befestigungsmittel 36 ist eine Löt- oder Schweißstelle.
Die Figur 8 zeigt die aus Figur 7 bekannte Anordnung in einem zusammengebauten Montagezustand.
Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung 'erste' und 'zweite' Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
Bezuqszeichenliste
1 elektrische Maschine
2 Stator
3 Luftspalt
4 Rotor
5 Rotorkörper
6 Permanentmagnete
7 Rotorkörper
8 Permanentmagnete
9 Verdrehsteifigkeit
10 Drehachse
11 Feldschwächungsmechanismus
12 Schenkelfederanordnung
13 Schenkelfeder
14 Schenkelfeder
15 Rotationsachse
16 Rotorwelle
17 Federschenkel
18 Federschenkel
19 Federschenkel
20 Federschenkel
21 Verdrehsteifigkeit
22 Schenkelfederanordnung
23 Schenkelfeder
24 Axialnuten
25 Rotorkörper
26 Radialnuten
27 Rotorkörper
28 Ringscheibe
29 Ringscheibe
30 Aufnahmeschuh
31 Aufnahmetasche 32 Aufnahmenut
33 Abschnitt
34 Wandung
35 Öffnung
36 Befestigungsmittel
37 Aufnahmeschuh
38 Aufnahmetasche
39 Aufnahmeschuh
41 Aufnahmeschuh
42 Aufnahmetasche
50 Mantelfläche
51 Außenverzahnung
52 Innenverzahnung
53 Mantelfläche
54 Zähne
55 Hinterschnitt
56 Zähne
57 Hinterschnitt
58 Nut
59 Nutgrund
60 Zahnkopf
61 Schenkel
62 Spiegelachse
63 Spiegelachse
64 Spiegelachse
65 Spiegelachse

Claims

Ansprüche
1 . Rotor (4) für eine elektrische Maschine (1 ), insbesondere für die Verwendung innerhalb eines Antriebsstrangs eines hybrid- oder vollelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, wobei der Rotor (4) wenigstens einen ersten Rotorkörper (5) mit einer ersten Gruppe von Permanentmagneten (6) und einen zweiten Rotorkörper (7) mit einer zweiten Gruppe von Permanentmagneten (8) aufweist, wobei der erste Rotorkörper (5) und der zweite Rotorkörper (7) relativ zueinander entgegen der Wirkung einer ersten Verdrehsteifigkeit (9) um eine gemeinsame Drehachse (10) mittels eines mechanischen Feldschwächungsmechanismus (11 ) verdrehbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Verdrehsteifigkeit (9) als eine erste Schenkelfederanordnung (12) mit einer ersten Schenkelfeder (13) ausgebildet ist, welche koaxial zur Drehachse
(10) und so zwischen dem ersten Rotorkörper (5) und dem zweiten Rotorkörper (7) oder zwischen einem der Rotorkörper (5,7) und einer Rotorwelle (16) angeordnet ist, dass die bei der Verstellung des Feldschwächungsmechanismus
(11 ) einsetzende Verdrehung eines der Rotorkörper (5,7) eine öffnende oder schließende Betätigung der ersten Schenkelfeder (13) bewirkt.
2. Rotor (4) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schenkelfederanordnung (12) eine zweite Schenkelfeder (14) aufweist, welche koaxial zur Rotationsachse (15) des Rotors (4) und so zwischen dem ersten Rotorkörper (5) und dem zweiten Rotorkörper (7) oder zwischen einem der Rotorkörper (5,7) und der Rotorwelle (16) angeordnet ist, dass die bei der Verstellung des Feldschwächungsmechanismus (11 ) einsetzende Verdrehung eines der Rotorkörper (5,7) eine gleichwirkend zur ersten Schenkelfeder (13) orientierte Betätigung der zweiten Schenkelfeder (14) bewirkt.
3. Rotor (4) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schenkelfeder (13) einen sich radial in den ersten Rotorkörper (5) hineinerstreckenden ersten Federschenkel (17) und/oder einen sich radial in den zweiten Rotorkörper (7) hineinerstreckenden zweiten Federschenkel (18) aufweist, und/oder die erste Schenkelfeder (13) einen sich axial in den ersten Rotorkörper (5) hineinerstreckenden ersten Federschenkel (17) und/oder einen sich axial in den zweiten Rotorkörper (7) hineinerstreckenden zweiten Federschenkel (18) aufweist, und/oder die zweite Schenkelfeder (14) einen sich radial in den ersten Rotorkörper (5) hineinerstreckenden ersten Federschenkel (19) und/oder einen sich radial in den zweiten Rotorkörper (7) hineinerstreckenden zweiten Federschenkel (20) aufweist, und/oder die zweite Schenkelfeder (14) einen sich axial in den ersten Rotorkörper (5) hineinerstreckenden ersten Federschenkel (19) und/oder einen sich axial in den zweiten Rotorkörper (7) hineinerstreckenden zweiten Federschenkel (20) aufweist.
4. Rotor (4) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Schenkelfeder (13) und die zweite Schenkelfeder (14) im Wesentlichen gleichteilig ausgeführt und um die Drehachse (10) verdreht zueinander angeordnet sind, so dass der erste Federschenkel (17) und der zweite Federschenkel (18) der ersten Schenkelfeder (13) in eine gemeinsame radiale und/oder axiale Richtung weisen sowie der erste Federschenkel (19) und der zweite Federschenkel (20) der zweiten Schenkelfeder (14) in eine davon entgegengesetzte radiale und/oder axiale Richtung orientiert sind.
5. Rotor (4) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (1) eine zweite Verdrehsteifigkeit (21 ) aufweist, welche als eine zweite Schenkelfederanordnung (22) mit einer dritten Schenkelfeder (23) ausgebildet ist, welche koaxial zur Drehachse (10) und so zwischen einem dritten Rotorkörper (25) und einem vierten Rotorkörper (27) oder zwischen einem dieser Rotorkörper (25,27) und der Rotorwelle (16) angeordnet ist, dass die bei der Verstellung des Feldschwächungsmechanismus (11 ) einsetzende Verdrehung eines dieser Rotorkörper (25,27) eine öffnende oder schließende Betätigung der dritten Schenkelfeder (23) bewirkt, wobei der dritte Rotorkörper (25) und der zweite Rotorkörper (7) bevorzugt axial benachbart im Rotor (4) angeordnet sind und die erste Schenkelfederanordnung (12) und die zweite Schenkelfederanordnung (22) eine voneinander verschiedene Betätigungsorientierung aufweisen.
6. Rotor (4) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schenkelfedern (13,14,23) der ersten Schenkelfederanordnung (12) und der zweiten Schenkelfederanordnung (22) für die beiden Betätigungsorientierungen einen gleichgerichteten Windungssinn aufweisen, oder die Schenkelfedern (13,14,23) der ersten Schenkelfederanordnung (12) und der zweiten Schenkelfederanordnung (22) für die beiden Betätigungsorientierungen einen entgegengerichteten Windungssinn aufweisen,
7. Rotor (4) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine, bevorzugt alle Schenkelfedern (13,14,23) aus einem Federdraht mit einem im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt gewunden sind.
8. Rotor (4) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine, bevorzugt alle Schenkelfedern (13,14,23) vorgespannt verbaut sind.
9. Rotor (4) nach einem der vorherigen Ansprüche 5-8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schenkelfedern (13,14,23) im Wesentlichen gleichteilig ausgeführt
10. Rotor (4) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorkörper (5,7,25,27) jeweils zweiteilig aufgebaut sind, mit einer inneren Ringscheibe (28) und einer drehmomentübertragend mit der inneren Ringscheibe (28) gekoppelten äußeren Ringscheibe (29), wobei die Permanentmagneten (6,8) lediglich in der äußeren Ringscheibe (29) angeordnet sind.
11 . Elektrische Maschine (1 ), insbesondere für die Verwendung innerhalb eines Antriebsstrangs eines hybrid- oder vollelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, umfassend einen Stator (2) und einen durch einen Luftspalt (3) vom Stator (2) getrennten Rotor (4), dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (4) nach einem der vorherigen Ansprüche ausgeführt ist.
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