EP4659332A1 - Rotor für eine elektrische maschine, eine elektrische maschine, sowie verfahren zum herstellen eines solchen rotors - Google Patents

Rotor für eine elektrische maschine, eine elektrische maschine, sowie verfahren zum herstellen eines solchen rotors

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Publication number
EP4659332A1
EP4659332A1 EP24701869.0A EP24701869A EP4659332A1 EP 4659332 A1 EP4659332 A1 EP 4659332A1 EP 24701869 A EP24701869 A EP 24701869A EP 4659332 A1 EP4659332 A1 EP 4659332A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rotor
magnets
sleeve
rotor magnets
rotor sleeve
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
EP24701869.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Stefan Marke
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.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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 Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP4659332A1 publication Critical patent/EP4659332A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/27—Rotor cores with permanent magnets
    • H02K1/2706—Inner rotors
    • H02K1/272—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis
    • H02K1/274—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets
    • H02K1/2753—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets the rotor consisting of magnets or groups of magnets arranged with alternating polarity
    • H02K1/278—Surface mounted magnets; Inset magnets

Definitions

  • the invention relates to a rotor for an electrical machine, as well as to an electrical machine and to a method for producing such a rotor according to the preamble of the independent claims.
  • DE 10 2007 029 719 A1 discloses a rotor of an electrical machine in which "buried magnets" are arranged in magnet pockets of the rotor that are closed radially outwards.
  • the magnetic poles of the rotor are determined by the shape of the radially outer tangential web that closes the magnet pocket radially outwards. Therefore, in this design, the exact positioning of the magnets within the magnet pocket in the tangential direction is relatively uncritical and does not have a major influence on the cogging torque of the rotor.
  • CN 104659941 A is another rotor in which the magnets are positioned on the surface of the rotor body using radial retaining webs. A tape is then glued onto the magnets and pressed onto the curved peripheral surface of the magnets.
  • the assembly process for attaching the tape is very complicated, as gluing processes in the assembly line quickly lead to contamination. This disadvantage is to be eliminated by the solution according to the invention.
  • the device according to the invention and the method according to the invention with the features of the independent claims have the advantage that the local heating of limited areas of the rotor sleeve after it has cooled creates a tensile residual stress in the sleeve material, which causes the rotor sleeve to contract radially.
  • the rotor sleeve which can previously be pushed onto the rotor magnets in particular with a clearance fit, is pressed radially against the rotor magnets after the thermally treated areas have been formed.
  • the limited areas of the rotor sleeve are preferably heated to such an extent that the material of the rotor sleeve melts, so that the shrinking process of the rotor sleeve when the dissolved material resolidifies reduces the inner diameter of the rotor sleeve to such an extent that the rotor magnets are pressed against the base body and thus remain securely fixed during operation of the electrical machine.
  • the measures listed in the dependent claims enable advantageous further developments and improvements of the designs specified in the independent claims.
  • the limited thermally treated areas are formed as heat seams that extend in the axial direction parallel to the rotor axis. If these heat seams extend essentially over the entire axial length of the rotor sleeve, the inner diameter of the rotor sleeve is reduced evenly over its entire axial length, whereby the rotor sleeve conforms evenly to the surface of the rotor magnet.
  • the rotor magnets extend essentially over the entire axial extent of the rotor base body.
  • the rotor sleeve extends essentially over the entire axial length of the base body.
  • the axial heat seams are particularly advantageously formed in the circumferential direction between two adjacent rotor magnets so that the rotor magnets are not damaged when the sleeve material is heated. The axial heat seams are thus formed radially directly above the base body - or above the radial webs that are formed on the base body - whereby heating of the base body has no damaging effects.
  • radial retaining webs are formed on the latter, on which the rotor magnets can be supported in the circumferential direction.
  • spring elements can also be formed on the retaining webs, which can compensate for manufacturing tolerances and temperature fluctuations.
  • the radial retaining webs and/or the spring elements can be punched out of the sheet metal laminations in one piece, which is particularly easy.
  • the radial expansion of the radial webs is less than the maximum radial expansion of the rotor magnets, so that the rotor sleeve rests firmly radially on the outer surface of the rotor magnets when its diameter is reduced.
  • the cross section of the rotor magnets is particularly advantageously shaped in such a way that the radial circumferential surfaces are curved or circular.
  • the radial inner surfaces of the magnets are preferably designed as straight, flat base surfaces that lie completely against the flat contact surfaces of the rotor base body.
  • the cross section of the rotor magnets transverse to the axial direction is advantageously designed in the form of a "loaf of bread", in which the curved radial outer surface is connected to the flat radial inner surface by means of two tangentially opposite side surfaces. These side surfaces preferably run approximately perpendicular to the base surface, but can alternatively also extend approximately in the radial direction to the base body.
  • Two opposite side surfaces of two adjacent magnets can be supported on the base body in the tangential direction in order to reliably position and fix the rotor magnets with respect to the tangential direction.
  • the rotor sleeve lies at least with respect to the circumferential direction in the central area of the radially outer surface of the rotor magnets in order to press the rotor magnets radially against the contact surfaces.
  • the rotor sleeve can be manufactured using a deep-drawing process that is particularly simple and cost-effective. A metal sheet is used for this, the thickness of which is selected such that the desired radial shrinkage of the rotor sleeve is generated after the localized thermally treated areas have cooled.
  • the material of the rotor sleeve can also be selected accordingly in order to achieve sufficient shrinkage of its inner diameter.
  • the rotor sleeve can be made of steel or aluminum, but in particular of a magnetically non-conductive metal.
  • the rotor base advantageously has radial webs that extend radially from a central hub to an outer yoke ring.
  • the hub can be pushed onto the rotor shaft - preferably pressed on.
  • the contact surfaces - particularly flat ones - for the rotor magnets are formed on the outer circumference of the yoke ring.
  • the radial retaining webs are arranged on the tangential areas between two adjacent rotor magnets and are preferably located in the circumferential areas of the radial webs.
  • the rotor according to the invention is particularly suitable for use in an electrically commutated EC motor, in which the rotor is designed as an internal rotor motor.
  • the rotor is arranged within a stator, in which an electrical winding that can be electronically commutated is arranged within a stator housing.
  • the rotor sleeve according to the invention ensures that the rotor magnets remain reliably positioned on the rotor and are protected from being thrown away.
  • the rotor sleeve is pushed onto the rotor in the cold state in the axial direction, on whose base body the rotor magnets have previously been positioned. Then, in the locally limited areas of the rotor sleeve, the material is heated by means of an external heat source so that heated to such an extent that after cooling these localized areas, the material of the rotor sleeve contracts in these areas.
  • a shrinkage stress can be generated in the localized areas during cooling, which presses the rotor sleeve radially against the rotor magnets.
  • the material of the limited areas can be heated and, in particular, melted very precisely using a laser beam.
  • the laser beam can be guided along the surface of the rotor sleeve with many degrees of freedom in order to form appropriately shaped, thermally treated areas.
  • the energy introduced and the focus of the laser beam can be adapted accordingly to the sleeve material or the material thickness of the rotor sleeve.
  • the laser beam is guided in the axial direction, preferably over the entire axial length of the rotor sleeve, in order to form axial heat seams on it.
  • These heat seams are preferably formed between two rotor magnets in the circumferential direction, with an axial heat seam being formed between all rotor magnets, for example.
  • a shrinkage residual stress can be generated in particular in the tangential direction between the rotor magnets, which causes the inner diameter of the rotor sleeve to shrink more at these points than in the area of the maximum radial expansion of the rotor magnets.
  • the rotor sleeve can be designed particularly conveniently without an insertion phase, as the rotor sleeve can be pushed onto the radially outer surfaces of the rotor magnets with some clearance.
  • the rotor has a smaller outer diameter after assembly, and material processing during the insertion phase after the rotor sleeve has been pushed on can be omitted.
  • circumferential stresses can be generated after pushing on, so that on the one hand the rotor sleeve can be pushed onto the rotor magnets with a clearance fit.
  • a sufficient radial contact pressure can be generated on the rotor magnets by locally melting the rotor sleeve.
  • the degree of the radial contact pressure of the rotor sleeve can be influenced by the number and the area of the heat seams. Since the rotor magnets are preferably already radially magnetized, they are held on the contact surfaces of the rotor base body by the magnetic force when the rotor sleeve is pushed on. The magnetic properties of the rotor magnets are not impaired by melting the material of the rotor sleeve using a laser beam.
  • the locally limited areas of the rotor sleeve can be heated inductively, whereby, for example, several limited thermally treated areas can be created on the rotor sleeve at the same time.
  • the power of the inductive heating can be set so high that the corresponding material of the rotor sleeve is melted.
  • Fig. 1 is a sectional view of a first embodiment of a rotor according to the invention in longitudinal section
  • Fig. 2 is a side view of the embodiment according to Fig. 1 .
  • Fig. 3 shows another embodiment of a rotor in an electrical machine in cross section.
  • Fig. 1 shows a rotor 10 of an electrical machine 12 which has a base body 14 with contact surfaces 16 formed on its outer circumference 15.
  • Rotor magnets 20 are arranged on the contact surfaces 16 and preferably extend over the entire axial length 13 of the base body 14.
  • the rotor magnets 20 are arc-shaped in the circumferential direction 9 and have an inner base surface 26 and a radial outer surface 24.
  • a rotor sleeve 30 rests against the radial outer surfaces 24 and serves as anti-skid protection for the rotor magnets 20.
  • the rotor sleeve 30 is made, for example, from sheet metal, in particular by means of a deep-drawing process.
  • the rotor sleeve 30 is first pushed with play onto the radial outer surfaces 24 of the rotor magnets 20 in the axial direction 8. Then, locally limited areas 32 are thermally treated in such a way that they contract when cooled and generate a tensile residual stress. This reduces the inner diameter 29 of the rotor sleeve 30, whereby the rotor sleeve 30 is pressed in the radial direction 7 against the radial outer surface 24 of the rotor magnets 20. As a result, the rotor magnets 20 are pressed radially at their base surface 26 against the contact surfaces 16 of the base body 14.
  • a laser beam 40 is used as the heat source 42 for the thermal treatment of the limited areas 32, by means of which the locally limited areas 32 are preferably melted. If the laser beam 40 is guided from the outside over the rotor sleeve 30, so-called heat seams 34 are formed thereon, which preferably extend in the axial direction 8 of the rotor sleeve 30.
  • a plurality of heat seams 34 are formed as limited thermally treated areas 32, as shown for example in Fig. 2.
  • the heat seams 34 preferably extend over the entire axial length 31 of the rotor sleeve 30.
  • the number of these heat seams 34 can influence the radial contact force with which the rotor sleeve 30 presses onto the rotor magnets 20.
  • the heat seams 34 are each formed between two rotor magnets 20 with respect to the circumferential direction 9. This can prevent the magnetic material of the rotor magnets 20 from being affected during the thermal treatment of the rotor sleeve 30.
  • Fig. 3 shows a cross section through an electrical machine 12 as a further exemplary embodiment.
  • the rotor 10 is arranged within a stator 11, which preferably has an electrically commutable winding that interacts with the rotor magnets 20 of the rotor 10.
  • the rotor body 14 here has a hub 54 that is arranged on the rotor shaft 57.
  • Radial webs 56 extend radially outwards from the hub 54 to a yoke ring 55 that is closed in the circumferential direction 9.
  • Recesses 52 are formed between the radial webs 56, which reduce the weight of the rotor 10.
  • the base body 14 can, for example, be composed of individual sheet metal laminations that are arranged axially one above the other and connected to one another - in particular by means of stamped packages 51.
  • the contact surfaces 16 for the rotor magnets 20 are formed as flat surfaces in the circumferential direction 9.
  • the rotor magnet 20 is placed on this flat contact surface 16 with its flat base surface 26.
  • the rotor magnets 20 preferably have a "loaf-shaped" cross-section 23, with side surfaces 25 being formed between a curved radial outer surface 24 and the flat inner base surface 26.
  • radial holding webs 22 are formed on the base body 14 between the rotor magnets 20.
  • These radial holding webs 22 serve to correctly position the rotor magnets 20 and can optionally also be designed as spring elements 21 which fix the rotor magnets 20 between the holding webs 22 in the circumferential direction 9.
  • the rotor magnets 20 are preferably magnetized in the radial direction 7, with adjacent rotor magnets 20 then forming opposite magnetic poles.
  • the yoke ring 55 serves as a magnetic return between two adjacent rotor magnets 20. In the embodiment in Fig. 3, the curvature of the radial outer surface 24 of the rotor magnets 20 deviates from a circular ring around the center 50 of the rotor 10.
  • the radial extension of the radial retaining webs 22 is less than the radial extension of the side surfaces 25 of the rotor magnets 20. If the limited thermally treated areas 32 are formed tangentially between the rotor magnets 20 after the axial sliding of the rotor sleeve 30, these generate a shrinkage stress. which presses the rotor sleeve 30 in the radial direction 7 against the rotor magnets 20. The rotor sleeve 30 rests radially on the rotor magnets 20 in the area of the curved radial outer surfaces 24.
  • the delimited thermally treated areas 32 of the rotor sleeve 30 are at a radial distance from the radial holding webs 22. Due to the residual shrinkage stress of the thermally treated areas 32, the rotor sleeve 30 nestles radially against the surface of the rotor 10, as a result of which the rotor sleeve 30 in particular deviates from an exact circular shape around the center point 50 after its thermal treatment.
  • the delimited thermally treated areas 32 are also preferably designed here as axial heat seams 34 which extend along the side surfaces 25 of the rotor magnets 20 in the axial direction 8.
  • the material of the rotor sleeve 30 is preferably magnetically non-conductive so that the magnetic field lines of the rotor poles extend radially outward from the rotor magnets 20 to the stator 11.
  • An air gap is formed between the outer circumference of the rotor sleeve 30 and the stator 11 so that the rotor 10 can rotate unhindered within the stator 11.
  • An axial heat seam 34 is preferably formed between all rotor magnets 20, the rotor 10 having, for example, six or ten or twelve or eighteen rotor magnets 20 which extend essentially over the entire axial extent 13 of the base body 14.
  • the electric machine 12 is designed, for example, as an electrically commutated EC motor in which an output element is arranged on the rotor shaft 57.
  • the rotor magnets 20 remain securely fixed to the base body 14 by the rotor sleeve 30, even if the rotor magnets 20 are damaged during operation.
  • the specific design and arrangement of the contact surfaces 16 and the rotor magnets 20 can be varied.
  • the rotor magnets 20 can be designed in a bowl-shaped or cuboid-shaped manner instead of having a loaf of bread cross-section.
  • the specific design and the number of radial retaining webs 22 can also be adapted to the requirements of the electrical machine 12.
  • the formability - and thus the contact forces generated thereby - of the rotor sleeve 30 can be adjusted by the material used and its wall thickness and by the number and extent of the limited thermally treated areas 32.
  • the thermally treated areas 32 can also be created by means of an inductive heater, in which in particular several heat seams 34 can be formed simultaneously.
  • the invention is particularly suitable for use in an EC motor designed as an internal rotor, in particular for the rotary drive of components or the adjustment of parts in the motor vehicle, but is not limited to this application.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Permanent Field Magnets Of Synchronous Machinery (AREA)

Abstract

Rotor (10) für eine elektrische Maschine (12), elektrische Maschine (12), und Verfahren zur Herstellung eines solchen Rotors (10), mit einem Grundkörper (14), an dessen radial äußerem Umfang (15) mehrere Rotormagnete (20) angeordnet sind, wobei die Rotormagnete (20) mittels einer Rotorhülse (30) aus Metall auf dem Grundkörper (14) fixiert sind, wobei die Rotorhülse (30) begrenzte thermisch behandelte Bereiche (32) aufweist, die die Rotorhülse (30) auf dem Grundkörper (14) radial verspannen.

Description

Beschreibung
Titel
Rotor für eine elektrische Maschine, eine elektrische Maschine, sowie Verfahren zum Herstellen eines solchen Rotors
Die Erfindung bezieht sich auf einen Rotor für eine elektrische Maschine, sowie auf eine elektrische Maschine und auf ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Rotors nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche.
Stand der Technik
Mit der DE 10 2007 029 719 A1 ist ein Rotor einer elektrischen Maschine bekannt geworden, bei dem „vergrabene Magnete“ in radial nach außen geschlossenen Magnettaschen des Rotors angeordnet sind. Dabei werden die Magnetpole des Rotors durch die Form des radial äußeren tangentialen Stegs bestimmt, der die Magnettasche radial nach außen abschließt. Daher ist bei dieser Ausführung die exakte Positionierung der Magnete innerhalb der Magnettasche in Tangentialrichtung relativ unkritisch, und hat keinen großen Einfluss auf das Rastmoment des Rotors.
Mit der CN 104659941 A ist ein weiterer Rotor bekannt geworden, bei der die Magnete an der Oberfläche des Rotorgrundkörpers mittels radialen Haltestegen positioniert werden. Danach wird ein Band auf die Magnete aufgeklebt und an die gewölbte Umfangsfläche der Magneten angedrückt. Bei dieser Ausführung ist der Montageprozess für das Befestigen des Bandes sehr umständlich, da Klebeprozesse in der Montagelinie schnell zu Verschmutzungen führen. Dieser Nachteil soll durch die erfindungsgemäße Lösung behoben werden.
Offenbarung der Erfindung Vorteile der Erfindung
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche haben demgegenüber den Vorteil, dass durch die lokale Erhitzung von begrenzten Bereichen der Rotorhülse nach deren Abkühlung eine Zugeigenspannung des Hülsenmaterials erzeugt wird, die dazu führt, dass sich die Rotorhülse radial zusammenzieht. Dadurch wird die Rotorhülse, die zuvor insbesondere mit einer Spielpassung auf die Rotormagnete aufgeschoben werden kann, nach der Ausbildung der thermisch behandelten Bereiche radial gegen die Rotormagnete gepresst. Dies hat den Vorteil, dass die Rotorhülse ohne Pressung auf die Rotormagnete aufgeschoben werden kann, wodurch auch keine Einführphase an einem axialen Ende der Rotorhülse notwendig ist. Durch das Weglassen der Einführphase kann der maximale Außendurchmesser der Rotorhülse verringert werden, bzw. auf eine Nachbearbeitung der Einführphase verzichtet werden. Dabei werden die begrenzten Bereiche der Rotorhülse bevorzugt so stark erhitzt, dass das Material der Rotorhülse aufschmilzt, so dass der Schrumpfprozess der Rotorhülse beim Wiedererstarren des aufgeschlossenen Materials den Innendurchmesser der Rotorhülse so stark reduziert, dass die Rotormagnete gegen den Grundkörper gepresst werden, und dadurch während dem Betrieb der elektrischen Maschine sicher fixiert bleiben.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den unabhängigen Ansprüchen vorgegebenen Ausführungen möglich. Damit sich der Innendurchmesser der Rotorhülse möglichst stark reduziert, sind die begrenzten thermisch behandelten Bereiche als Wärmenähte ausgeformt, die sich in Axialrichtung parallel zur Rotorachse erstrecken. Erstrecken sich diese Wärmenähte im Wesentlichen über die gesamte axiale Länge der Rotorhülse, wird der Innendurchmesser der Rotorhülse über deren gesamter axialer Länge gleichmäßig reduziert, wodurch sich die Rotorhülse gleichmäßig an die Oberfläche der Rotormagnet anschmiegt.
In einer bevorzugten Ausführung erstrecken sich die Rotormagnete im Wesentlichen über die gesamte axiale Erstreckung des Rotorgrundkörpers. Ebenso er- streckt sich dabei die Rotorhülse im Wesentlichen über die gesamte axiale Länge des Grundkörpers. Bei dieser Ausführung werden die axialen Wärmenähte besonders vorteilhaft bezüglich der Umfangsrichtung jeweils zwischen zwei benachbarten Rotormagneten ausgebildet, damit die Rotormagnete bei der Erhitzung des Hülsen-Materials nicht beschädigt werden. Somit werden die axialen Wärmenähte radial unmittelbar über dem Grundkörper - bzw. über den radialen Stegen, die am Grundkörper angeformt sind - ausgebildet, wobei eine Erwärmung des Grundkörpers keine schädigende Auswirkungen hat.
Zur exakten Positionierung der Rotormagnete auf dem Grundkörper, sind am letzteren radiale Haltestege angeformt, an denen sich die Rotormagnete in Umfangsrichtung abstützen können. Dabei können besonders günstig an den Haltestegen auch Federelemente ausgebildet werden, die Fertigungstoleranzen und Temperaturschwankungen ausgleichen können. Die radialen Haltestege und/oder die Federelemente können besonders einfach direkt aus den Blechlamellen einstückig mit ausgestanzt werden. Die radiale Ausdehnung der radialen Stege ist geringer als die maximale radiale Ausdehnung der Rotormagnete, damit die Rotorhülse bei deren Durchmesserverringerung radial fest an der äußeren Oberfläche der Rotormagnete anliegt.
Dabei ist der Querschnitt der Rotormagnete besonders günstig derart ausgeformt, dass die radialen Umfangsflächen gewölbt, bzw. kreisförmig ausgebildet sind. Die radialen Innenflächen der Magnete sind hingegen bevorzugt als gerade, ebene Grundflächen ausgebildet, die vollflächig an den ebenen Anlageflächen des Rotorgrundkörpers anliegen. Der Querschnitt der Rotormagnete quer zur Axialrichtung ist hierbei vorteilhaft in Form eines „Brotlaibs“ ausgebildet, bei dem die gewölbte radiale Außenfläche mit der ebenen radialen Innenfläche mittels zwei tangential gegenüberliegender Seitenflächen miteinander verbunden ist. Diese Seitenflächen verlaufen bevorzugt näherungsweise etwa senkrecht zur Grundfläche, können sich alternativ jedoch auch etwa in Radialrichtung zum Grundkörper erstrecken. Zwei gegenüberliegenden Seitenflächen zweier benachbarter Magnete können sich in Tangentialrichtung am Grundkörper abstützen, um die Rotormagnete bezüglich der Tangentialrichtung zuverlässig zu positionieren und zu fixieren. Die Rotorhülse liegt zumindest bezüglich der Umfangs- richtung im zentralen Bereich der radial äußeren Oberfläche der Rotormagnete an, um die Rotormagnete radial gegen die Anlageflächen zu drücken.
Verfahrenstechnisch besonders einfach und kostengünstig kann die Rotorhülse mittels einem Tiefzieh-Verfahren hergestellt werden. Dazu wird ein Metallblech verwendet, dessen Materialstärke derart gewählt wird, dass die gewünschte radiale Schrumpfung der Rotorhülse nach dem Abkühlen der lokal begrenzten thermisch behandelten Bereiche erzeugt wird. Ebenso kann das Material der Rotorhülse entsprechend gewählt werden, um ein ausreichendes Schrumpfen deren Innendurchmessers zu erreichen. Beispielsweise kann die Rotorhülse aus Stahl oder Aluminium hergestellt werden, jedoch insbesondere aus einem magnetisch nicht leitenden Metall.
Für die Gewichtseinsparung und den optimalen magnetischen Fluss des Rotors weist der Rotorgrundkörper vorteilhaft Radialstege auf, die sich von einer zentralen Nabe radial zu einem äußeren Jochring erstrecken. Dabei kann die Nabe auf die Rotorwelle aufgeschoben - bevorzugt aufgepresst - werden. Am äußeren Umfang des Jochrings sind die - insbesondere ebenen - Anlageflächen für die Rotormagnete angeformt. An den tangentialen Bereichen zwischen zwei benachbarten Rotormagneten sind die radialen Haltestege angeordnet, die bevorzugt in den Umfangsbereichen der Radialstege liegen.
Der erfindungsgemäße Rotor eignet sich insbesondere für die Verwendung in einem elektrisch kommutierten EC-Motor, bei dem der Rotor als Innenläufermotor ausgebildet ist. Dabei ist der Rotor innerhalb eines Stators angeordnet, bei dem innerhalb eines Statorgehäuses eine elektrische Wicklung angeordnet ist, die elektronisch kommutierbar ist. Durch die erfindungsgemäße Rotorhülse bleiben die Rotormagnete zuverlässig auf dem Rotor positioniert und sind vorm Wegschleudern geschützt.
Zur Montage des erfindungsgemäßen Rotors wird die Rotorhülse in kaltem Zustand in Axialrichtung auf den Rotor aufgeschoben, auf dessen Grundkörper zuvor die Rotormagnete positioniert wurden. Danach wird in den lokal begrenzten Bereichen der Rotorhülse deren Material mittels einer externen Wärmequelle so stark erhitzt, dass nach dem Abkühlen dieser lokal begrenzten Bereiche sich das Material der Rotorhülse in diesen Bereichen zusammenzieht. Durch die entsprechende Anordnung der lokal begrenzten thermisch behandelten Bereiche kann somit bei der Abkühlung eine Schrumpfeigenspannung in den lokal begrenzten Bereichen erzeugt werden, die die Rotorhülse radial gegen die Rotormagnete presst.
Besonders günstig kann das Material der begrenzten Bereiche sehr präzise mittels eines Laserstrahls erhitzt, und insbesondere aufgeschmolzen werden. Der Laserstrahl kann mit vielen Freiheitsgraden entlang der Oberfläche der Rotorhülse geführt werden, um entsprechend ausgeformte thermisch behandelte Bereiche auszubilden. Dabei kann die eingebrachte Energie und der Fokus des Laserstrahls entsprechend an das Hülsenmaterial, bzw. die Materialstärke der Rotorhülse angepasst werden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Laserstrahl in Axialrichtung bevorzugt über die gesamte axiale Länge der Rotorhülse geführt wird, um auf dieser axiale Wärmenähte auszubilden. Bevorzugt werden diese Wärmenähte bezüglich der Umfangsrichtung zwischen zwei Rotormagneten ausgebildet, wobei beispielsweise jeweils zwischen allen Rotormagneten eine axiale Wärmenaht ausgebildet wird. Dabei kann insbesondere jeweils in Tangentialrichtung zwischen den Rotormagneten eine Schrumpfeigenspannung erzeugt werden, die an diesen Stellen den Innendurchmesser der Rotorhülse stärker schrumpfen lässt, als im Bereich der maximalen radialen Ausdehnung der Rotormagnete.
Die Rotorhülse kann bei diesen Montageverfahren besonders günstig ohne Einführphase ausgebildet werden, da die Rotorhülse mit Spiel auf die radial äußeren Oberflächen der Rotormagnete aufgeschoben werden kann. Durch den Verzicht auf die Einführphase weist der Rotor nach der fertigen Montage einen kleineren Außendurchmesser auf, bzw. es kann auf eine Materialbearbeitung der Einführphase nach dem Aufschieben der Rotorhülse verzichtet werden. Im Unterschied zu dem gewöhnlichen Schrumpfpressen einer Hülse, können so nachträglich nach dem Aufschieben Umfangspannungen erzeugt werden, so dass einerseits die Rotorhülse mit einer Spielpassung auf die Rotormagnete aufgeschoben wer- den kann, und danach durch das lokale Aufschmelzen der Rotorhülse eine ausreichende radiale Anpresskraft auf die Rotormagnete erzeugt werden kann. Das Maß für die radiale Anpresskraft der Rotorhülse kann dabei durch die Anzahl und die flächige Ausdehnung der Wärmenähte beeinflusst werden. Da die Rotormagnete bevorzugt schon zuvor radial magnetisiert sind, werden diese beim Aufschieben der Rotorhülse durch die Magnetkraft auf den Anlageflächen des Rotorgrundkörpers gehalten. Durch das Aufschmelzen des Materials der Rotorhülse mittels eines Laserstrahls werden die magnetischen Eigenschaften der Rotormagnete nicht beeinträchtigt.
In einer alternativen Ausführung können die lokal begrenzten Bereiche der Rotorhülse induktiv erhitzt werden, wobei gleichzeitig beispielsweise mehrere beschränkte thermisch behandelte Bereiche auf der Rotorhülse erzeugt werden können. Dabei kann die Leistung der induktiven Heizung so hoch eingestellt werden, dass das entsprechende Material der Rotorhülse aufgeschmolzen wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rotors im Längsschnitt,
Fig. 2 eine Seitenansicht der Ausführung gemäß Fig. 1 , und
Fig. 3 eine weitere Ausführungsform eines Rotors in einer elektrischen Maschine im Querschnitt. In Fig. 1 ist ein Rotor 10 einer elektrischen Maschine 12 dargestellt, der einen Grundkörper 14 aufweist, an dessen äußerem Umfang 15 Anlageflächen 16 angeformt sind. An den Anlageflächen 16 sind Rotormagnete 20 angeordnet, die sich bevorzugt über die gesamte axiale Länge 13 des Grundkörpers 14 erstrecken. Die Rotormagnete 20 sind in Umfangsrichtung 9 bogenförmig ausgebildet und weisen eine innere Grundfläche 26 und eine radiale Außenfläche 24 auf. An den radialen Außenflächen 24 liegt eine Rotorhülse 30 an, die als Schleuderschutz für die Rotormagnete 20 dient. Die Rotorhülse 30 ist beispielsweise aus einem Metallblech hergestellt, insbesondere mittels eines Tiefziehen-Verfahren. Zur Montage wird die Rotorhülse 30 zuerst mit Spiel auf die radialen Außenflächen 24 der Rotormagnete 20 in Axialrichtung 8 aufgeschoben. Danach werden lokal begrenzte Bereiche 32 derart thermisch behandelt, dass sich diese beim Abkühlen zusammenziehen und eine Zugeigenspannung erzeugen. Dadurch reduziert sich der Innendurchmesser 29 der Rotorhülse 30, wodurch die Rotorhülse 30 in Radialrichtung 7 gegen die radiale Außenfläche 24 der Rotormagnete 20 gepresst wird. Dadurch werden die Rotormagnete 20 an ihrer Grundfläche 26 radial gegen die Anlageflächen 16 des Grundkörpers 14 gepresst. Dadurch können die Rotormagnete 20 sicher auf dem Grundkörper 14 fixiert werden, ohne dass die Rotorhülse 30 mittels einer Presspassung auf die Rotormagnete 20 aufgeschoben werden muss. In Fig. 1 wird als Wärmequelle 42 für die thermische Behandlung der begrenzten Bereiche 32 ein Laserstrahl 40 verwendet, mittels dem die lokal begrenzten Bereiche 32 bevorzugt aufgeschmolzen werden. Wird der Laserstrahl 40 von außen über die Rotorhülse 30 geführt, werden an dieser sogenannte Wärmenähte 34 ausgebildet, die sich bevorzugt in Axialrichtung 8 der Rotorhülse 30 erstrecken.
Über den Umfang verteilt werden als begrenzte thermisch behandelte Bereiche 32 mehrere Wärmenähte 34 ausgebildet, wie dies beispielsweise in Fig. 2 dargestellt ist. Bevorzugt erstrecken sich die Wärmenähte 34 über die gesamte axiale Länge 31 der Rotorhülse 30. Durch die Anzahl dieser Wärmenähte 34 kann die radiale Anpresskraft beeinflusst werden, mit der die Rotorhülse 30 auf die Rotormagnete 20 drückt. Beispielsweise werden die Wärmenähte 34 jeweils bezüglich der Umfangsrichtung 9 zwischen zwei Rotormagneten 20 ausgebildet. Dadurch kann verhindert werden, dass das Magnetmaterial der Rotormagnete 20 bei der thermischen Behandlung der Rotorhülse 30 beeinträchtigt wird.
In Fig. 3 ist als weiteres Ausführungsbeispiel ein Querschnitt durch eine elektrische Maschine 12 dargestellt. Der Rotor 10 ist dabei innerhalb eines Stators 11 angeordnet, der bevorzugt eine elektrisch kommutierbare Wicklung aufweist, die mit den Rotormagneten 20 des Rotors 10 zusammenwirkt. Der Rotorkörper 14 weist hier eine Nabe 54 auf, die auf der Rotorwelle 57 angeordnet ist. Von der Nabe 54 erstrecken sich Radialstege 56 radial nach außen bis zu einem in Umfangsrichtung 9 geschlossenen Jochring 55. Zwischen den Radialstegen 56 sind Aussparungen 52 ausgebildet, die das Gewicht des Rotors 10 reduzieren. Der Grundkörper 14 kann beispielsweise aus einzelnen Blechlamellen zusammengesetzt sein, die axial übereinander angeordnet und miteinander verbunden sind - insbesondere mittels Stanzpaketierungen 51. Am äußeren Umfang 15 des Jochrings 55 sind hier die Anlageflächen 16 für die Rotormagnete 20 als in Umfangsrichtung 9 ebene Flächen ausgebildet. Auf dieser ebenen Anlagefläche 16 ist der Rotormagnet 20 mit seiner ebenen Grundfläche 26 angelegt. Der Rotormagnete 20 weisen hier bevorzugt einen „Brotlaib-förmigen“ Querschnitt 23 auf, wobei zwischen einer gewölbten radialen Außenfläche 24 und der ebenen inneren Grundfläche 26 jeweils Seitenflächen 25 ausgebildet sind. In Umfangsrichtung 9 sind zwischen den Rotormagneten 20 radiale Haltestege 22 am Grundkörper 14 ausgebildet. Diese radialen Haltestege 22 dienen zur korrekten Positionierung der Rotormagnete 20 und können optional auch als Federelemente 21 ausgebildet sein, die die Rotormagnete 20 zwischen den Haltestegen 22 in Umfangsrichtung 9 fixieren. Die Rotormagnete 20 sind bevorzugt in Radialrichtung 7 magnetisiert, wobei benachbarte Rotormagnete 20 dann entgegengesetzte Magnetpole ausbilden. Dabei dient der Jochring 55 als magnetischer Rückschluss zwischen zwei benachbarten Rotormagneten 20. Bei der Ausführung in Fig. 3 weicht die Wölbung der radialen Außenfläche 24 der Rotormagnete 20 von einem Kreisring um den Mittelpunkt 50 des Rotors 10 ab. Die radiale Ausdehnung der radialen Haltestege 22 ist hierbei geringer als die radiale Ausdehnung der Seitenflächen 25 der Rotormagnete 20. Werden nun nach dem axialen Aufschieben der Rotorhülse 30 tangential zwischen den Rotormagneten 20 die begrenzten thermisch behandelten Bereiche 32 ausgebildet, erzeugen diese eine Schrumpfeigenspan- nung, die die Rotorhülse 30 in Radialrichtung 7 gegen die Rotormagnete 20 presst. Dabei liegt die Rotorhülse 30 im Bereich der gewölbten radialen Außenflächen 24 radial an den Rotormagneten 20 an. Im tangentialen Umfangsbereich zwischen zwei benachbarten Rotormagneten 20 weisen die begrenzten thermisch behandelten Bereiche 32 der Rotorhülse 30 einen radialen Abstand zu den radialen Haltestege 22 auf. Durch die Schrumpfeigenspannung der thermisch behandelten Bereiche 32 schmiegt sich die Rotorhülse 30 radial an die Oberfläche des Rotors 10 an, wodurch insbesondere die Rotorhülse 30 nach deren thermischer Behandlung von einer exakten Kreisform um den Mittelpunkt 50 abweicht. Die begrenzten thermisch behandelten Bereiche 32 sind hier ebenfalls bevorzugt als axiale Wärmenähte 34 ausgebildet, die sich entlang der Seitenflächen 25 der Rotormagnete 20 in Axialrichtung 8 erstrecken. Das Material der Rotorhülse 30 ist bevorzugt magnetisch nicht leitfähig, damit sich die Magnetfeldlinien der Rotorpole von den Rotormagneten 20 radial nach außen zum Stator 11 hin erstrecken. Zwischen dem Außenumfang der Rotorhülse 30 und dem Stator 11 ist ein Luftspalt ausgebildet, damit sich der Rotor 10 ungehindert innerhalb des Stators 11 drehen kann. Bevorzugt ist zwischen allen Rotormagneten 20 eine axiale Wärmenaht 34 ausgebildet, wobei der Rotor 10 beispielsweise sechs oder zehn oder zwölf oder achtzehn Rotormagnete 20 aufweist, die sich im Wesentlichen über die gesamte axiale Ausdehnung 13 des Grundkörpers 14 erstrecken. Die elektrische Maschine 12 ist beispielsweise als elektrisch kommutierter EC-Motor ausgebildet, bei dem auf der Rotorwelle 57 ein Abtriebselement angeordnet ist. Die Rotormagnete 20 bleiben durch die Rotorhülse 30 sicher auf dem Grundkörper 14 fixiert, selbst wenn die Rotormagnete 20 im Betrieb beschädigt werden.
Es sei angemerkt, dass hinsichtlich der in den Figuren und in der Beschreibung gezeigten Ausführungsbeispiele vielfältige Kombinationsmöglichkeiten der einzelnen Merkmale untereinander möglich sind. So kann beispielsweise die konkrete Ausbildung und Anordnung der Anlageflächen 16 und der Rotormagnete 20 variiert werden. Beispielsweise können die Rotormagnete 20 anstelle mit einem Brotlaib-Querschnitt auch schalenförmig oder quaderförmig ausgebildet sein. Ebenso kann die konkrete Ausbildung, sowie die Anzahl der radialen Haltestege 22 den Anforderungen der elektrischen Maschine 12 angepasst werden. Die Ver- formbarkeit - und damit die dadurch erzeugten Anpresskräfte - der Rotorhülse 30 kann durch das verwendete Material und dessen Wandstärke und durch die Anzahl und Ausdehnung der begrenzten thermisch behandelten Bereiche 32 eingestellt werden. Als Alternative Wärmequelle 42 können die thermisch behandelten Bereiche 32 auch mittels einer induktiven Heizung erzeugt werden, bei der insbesondere mehrere Wärmenähte 34 gleichzeitig ausgebildet werden können. Die Erfindung eignet sich in besonderer Weise für die Verwendung in einem als Innenläufer ausgebildeten EC-Motor, insbesondere für den Drehantrieb von Komponenten oder die Verstellung von Teilen im Kraftfahrzeug, ist jedoch nicht auf diese Anwendung beschränkt.

Claims

Ansprüche
1 . Rotor (10) für eine elektrische Maschine (12), mit einem Grundkörper (14), an dessen radial äußerem Umfang (15) mehrere Rotormagnete (20) angeordnet sind, wobei die Rotormagnete (20) mittels einer Rotorhülse (30) aus Metall auf dem Grundkörper
(14) fixiert sind, wobei die Rotorhülse (30) begrenzte thermisch behandelte Bereiche (32) aufweist, die die Rotorhülse (30) auf dem Grundkörper (14) radial verspannen.
2. Rotor (10) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die thermisch behandelten Bereiche (32) als axiale Wärmenähte (34) ausgebildet sind, die sich insbesondere über die gesamte axiale Länge (31) der Rotorhülse (30) erstrecken.
3. Rotor (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Rotormagnete (20) im Wesentlichen über die gesamte axiale Länge (13) des Grundkörpers (14) erstrecken und die axialen Wärmenähte (34) in Umfangsrichtung (9) zwischen zwei benachbarten Rotormagneten (20) angeordnet sind.
4. Rotor (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Umfangsrichtung (9) zwischen ebenen Anlageflächen (16) für die Rotormagnete (20) am Grundkörper (14) radiale Haltestege (22) für die Rotormagneten (20) ausgebildet sind, die insbesondere jeweils tangential an gegenüberliegenden Seitenflächen (25) zweier benachbarter Rotormagnete (20) anliegen.
5. Rotor (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotormagnete (20) einen „Brotlaibförmigen“ Querschnitt (23) aufweisen und jeweils mit einer Grundfläche (26) flächig an den Anlageflächen (16) anliegen, und eine radiale Außenfläche (24) gewölbt ausgebildet ist, an der bogenförmigen Abschnitte (36) der Rotorhülse (30) radial anlie- gen, und die Rotormagnete (20) radial gegen die Anlageflächen (16) pressen.
6. Rotor (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorhülse (30) in Umfangsrichtung (9) als ununterbrochener Ring gefertigt ist, und insbesondere mittels Tiefziehen hergestellt ist.
7. Rotor (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (14) eine zentrale Nabe (54) aufweist, die auf eine Rotorwelle (57) aufgepresst ist, und einen umlaufenden Jochring (55) aufweist, an dessen Außenseite die Anlageflächen (16) für die Rotormagneten (20) angeformt sind - wobei sich insbesondere zwischen der Nabe (54) und dem Jochring (55) Radialstege (56) erstrecken.
8. Elektrische Maschine (12) mit einem Rotor (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, der drehbar innerhalb eines eine elektronisch kommutierte Wicklung aufweisenden Stators (11) angeordnet ist.
9. Verfahren zur Herstellung eines Rotors (10) für eine elektrische Maschine (12) vorzugsweise nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Schritte:
- Axiales Aufschieben der Rotorhülse (30) über die Rotormagnete (20)
- Lokales Erhitzen der Rotorhülse (30) zur Ausbildung der begrenzten thermisch behandelten Bereiche (32)
- Abkühlen der Rotorhülse (30), wobei die thermisch behandelten
Bereiche (32) eine Schrumpfeigenspannung erzeugen, die die Rotormagnete (20) in Radialrichtung (8) gegen die Anlageflächen (16) pressen.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die thermisch behandelten Bereiche (32) mittels eines Laserstrahls (40) erhitzt - insbesondere lokal aufgeschmolzen - werden.
11 . Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (40) radial von außen entlang der axialen Erstreckung (31) der Rotorhülse (30) geführt wird, um die axialen Wärmenähte (34) auszubilden.
12. Verfahren nach Anspruch 9 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorhülse (30) ohne Einführphase mit einer Spielpassung auf die Rotormagnete (20) aufgeschoben wird, und sich erst nach dem lokalen Erhitzen der thermisch behandelten Bereiche der Rotorhülse (30) eine Presspassung zwischen der Rotorhülse (30) und den Rotormagneten (20) ausbildet.
13. Verfahren nach Anspruch 9 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die begrenzten thermisch behandelten Bereiche (32) mittels einer induktiven Heizung erhitzt werden - insbesondere mehrere axiale Wärmenähte (34) gleichzeitig.
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