EP4732406A1 - E-maschine multistack transfermolden - mehrteilige endkappe - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rotorkörper für eine elektrische Maschine, aufweisend mehrere axiale Ausnehmungen, welche zur Aufnahme von Magneten ausgebildet sind, und welche sich in axialer Richtung von einer ersten axialen Seite zu einer zweiten axialen Seite, welche der ersten axialen Seite gegenüber liegt, erstrecken, wobei die axialen Ausnehmungen jeweils vollständig mit einem Vergussmaterial gefüllt sind, das Vergussmaterial an der ersten axialen Seite eine erste Endkappe ausbildet, welche mit dem Vergussmaterial von mindestens zwei der axialen Ausnehmungen verbunden ist, das Vergussmaterial an der zweiten axialen Seite eine zweite Endkappe ausbildet, wobei die zweite Endkappe lediglich mit dem Vergussmaterial einer der axialen Ausnehmungen verbunden ist. Weiter betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine.

Description

E-Maschine Multistack Transfermolden - Mehrteilige Endkappe

Die Erfindung betrifft einen Rotorkörper für eine elektrische Maschine. Weiter betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine umfassend einen entsprechenden Rotorkörper.

Elektrische Maschinen werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Zunehmend werden elektrische Maschinen in der Automobilindustrie als Antrieb für Kraftfahrzeuge genutzt. Beispielhaft für eine 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.

Insbesondere im Hinblick auf Anwendungen von elektrischen Maschinen in der Automobilindustrie in Fahrzeugen mit Elektro- oder Hybridantrieb werden diese nicht nur bezüglich ihres Wirkungsgrades und/ oder bezüglich ihrer Leistung und/oder bezüglich eines maximal erzeugbaren Drehmoments sondern auch hinsichtlich effizienter Produktionsweise kontinuierlich weiterentwickelt. Es besteht somit auch das Bedürfnis, elektrischen Maschinen auch in großindustriellem Maßstab kostengünstig, in hoher Qualität und in einer großen Stückzahl fertigen zu können.

Dies erfordert mit Blick auf die Herstellung des Rotors der elektrischen Maschine ein möglichst genaues Positionieren, Ausrichten und Fügen der Rotormagnete in den Magnettaschen des Rotorblechpaketes. Durch den hohen Integrationsgrad ist der Bauraum für alle Komponenten und konstruktive Lösungen stark begrenzt, was regelmäßig auch entsprechend bauraumgünstige Lösungen bei der Anordnung und Fixierung der Rotormagnete erfordert. Verschiedene Arten zur Befestigung von Magneten an Blechpaketen zur Bildung eines Rotors sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt. Neben der Möglichkeit, Magnete in die entsprechenden Kavitäten einzupressen oder darin zu verstemmen, ist es auch bekannt die Rotormagnete in den Magnettaschen des Rotorblechpakets mittels Transfer-Moulding oder auch durch ein Verkleben zu fixieren. Insbesondere die Verwendung von Kunststoffen, insbesondere spritzgießbarer Kunststoff in Form von thermoplastischen und/oder duroplastischer Kunststoffe ist bekannt.

So zeigt beispielsweise die DE102015203018 A1 eine elektrische Maschine umfassend einen Rotorkörper, welcher axiale Ausnehmungen zur Aufnahme von Magneten aufweist. Die axialen Ausnehmungen sind mit einem Vergussmaterial gefüllt, wobei das Vergussmaterial jeweils an den axialen Seiten einen Ring ausbildet, welcher mit dem Vergussmaterial jeder der axialen Ausnehmungen verbunden ist.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die aus dem Stand der Technik bekannten Probleme zu reduzieren oder vollständig zu vermeiden und einen Rotorkörper für eine elektrische Maschine bereitzustellen, der in hoher Qualität und in einer großen Stückzahl fertigbar ist. Es ist ferner die Aufgabe der Erfindung eine verbesserte elektrische Maschine bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die in den unabhängigen Ansprüchen beschriebenen Merkmale. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den abhängigen Patentansprüchen zu entnehmen.

Gemäß einem Aspekt weist ein Rotorkörper für eine elektrische Maschine mehrere axiale Ausnehmungen auf, welche zur Aufnahme von Magneten ausgebildet sind. Die axialen Ausnehmungen erstrecken sich in axialer Richtung von einer ersten axialen Seite zu einer zweiten axialen Seite, welche der ersten axialen Seite gegenüber liegt. Die axialen Ausnehmungen sind jeweils vollständig mit einem Vergussmaterial gefüllt, wobei das Vergussmaterial an der ersten axialen Seite eine erste Endkappe ausbildet, welche mit dem Vergussmaterial von mindestens zwei der axialen Ausnehmungen verbunden ist. Weiter bildet das Vergussmaterial an der zweiten axialen Seite eine zweite Endkappe aus, wobei die zweite Endkappe lediglich mit dem Vergussmaterial einer der axialen Ausnehmungen verbunden ist.

Durch die Ausgestaltung der Endkappe an der ersten axialen Seite, über welche das Vergussmaterial in mehrere Ausnehmungen eingebracht wird, sowie der Ausgestaltung der zweiten Endkappe an der zweiten axialen Seite, über welche überschüssiges Vergussmaterial aus der zu der zweiten Endkappe korrespondierenden einen Ausnehmung abgeführt wird, wird sichergestellt, dass keine Lufteinschlüsse in der korrespondierenden Ausnehmung verbleibt. Insbesondere für Ausnehmungen, welche kleinere Querschnitte als andere Ausnehmungen oder innerhalb der Ausnehmung Eng- stellen beispielsweise bei zueinander verschränkten Blechpaketen aufweisen, wird durch die zuvor beschriebenen Ausgestaltungen vermieden, dass es aufgrund geringerer Fließgeschwindigkeiten der Vergussmasse in der einen Ausnehmung zu Lufteinschlüssen in der einen Ausnehmungen kommt. In anderen Worten wird durch die beschriebenen Ausgestaltungen vermieden, dass Vergussmaterial sowohl von der ersten axialen Seite als auch von der zweiten axialen Seite in eine Ausnehmung einströmt und einen Lufteinschluss ausbildet. Besonders vorteilhaft dient somit am Rotorkörper die ausgebildete zweite Endkappe als Indikator, dass die eine Ausnehmung beziehungsweise die mit der zweiten Endkappe korrespondierende Ausnehmung vollständig mit Vergussmaterial gefüllt ist. Unter vollständig mit Vergussmaterial gefüllt wird im Sinne der Anmeldung eine Füllung der Ausnehmungen durch das Vergussmaterial von mindestens 90 %Vol. verstanden.

Unter einem Rotorkörper wird im Sinne der Erfindung der Rotor ohne Rotorwelle verstanden. Der Rotorkörper setzt sich demnach insbesondere bevorzugt zusammen aus einem Rotorblechpaket sowie den in die Ausnehmungen des Rotorblechpakets eingebrachten und/oder den umfänglich an dem Rotorblechpaket fixierten Magnetelementen sowie ggf. vorhandenen axialen Deckelteilen zum Verschließen der der Taschen.

Als Magnetelement, Rotormagnet oder kurz Magnet werden die in die Taschen des Rotorblechpakets einzubringenden Permanentmagnete verstanden. Dabei kann pro Tasche ein einziger größerer, als Stabmagnet ausgebildeter Rotormagnet oder als mehrere kleinere Permanentmagnetelemente ausgebildete Rotormagnete vorgesehen werden.

Gemäß einer Ausgestaltung sind mehrere der axialen Ausnehmungen dazu ausgebildet, einen magnetischen Pol des Rotorkörpers auszubilden, wobei die erste Endkappe mit dem Vergussmaterial aller den magnetischen Pol ausbildenden axialen Ausnehmungen verbunden ist.

Durch die beschriebene Ausgestaltung wird vorteilhafterweise der Einsatz von Vergussmaterial reduziert.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist die Vergussmasse jeder der den magnetischen Pol ausbildenden axialen Ausnehmungen jeweils mit einer zweiten Endkappe verbunden.

Vorteilhafterweise ergibt sich somit für jede Ausnehmung ein visueller Indikator, dass jede der Ausnehmungen vollständig mit Vergussmaterial gefüllt ist.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist die zweite Endkappe lediglich mit dem Vergussmaterial einer der den magnetischen Pol ausbildenden axialen Ausnehmungen verbunden, wobei eine dritte Endkappe an der zweiten axialen Seite mit dem Vergussmaterial mehrerer der anderen den magnetischen Pol ausbildenden axialen Ausnehmungen verbunden ist.

Vorteilhafterweise kann so mittels der zweiten Endkappe ein visueller Indikator für eine Ausnehmung realisiert werden, welche ohne eine korrespondierende zweite Endkappe zur Ausbildung von Lufteinschlüssen bilden würde, insbesondere da bei einer alle Ausnehmungen verbindenden Endkappe Vergussmaterial sowohl von der ersten axialen Seite als auch von der zweiten axialen Seite in die eine Ausnehmung einströmt und einen Lufteinschluss ausbildet. Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Rotorkörper aus mehreren zueinander verschränkten axialen Abschnitten ausgebildet.

Vorteilhafterweise kann durch die verschränkte Anordnung der Rotorkörper eine Glättung der Momentencharakteristik der elektrischen Maschine derart beeinflusst werden, dass sog. Drehmoment-Ripple reduziert oder unterdrückt werden.

Gemäß einer Ausgestaltung umfasst jeder axiale Abschnitt axiale Ausnehmungen zur Aufnahme von Magneten, wobei die axialen Abschnitte benachbarter Ausnehmungen zueinander derart angeordnet sind, dass sich eine im wesentlichen axiale Ausnehmung bezogen auf den Rotorkörper ergibt.

Vorteilhafterweise sind die Ausnehmungen in den einzelnen axialen Abschnitten des Rotorkörpers derart ausgebildet, dass diese miteinander kommunizierende Volumina ausbilden. Somit ist sichergestellt, dass das Vergussmaterial von der ersten axialen Seite zur zweiten axialen Seite befüllt werden kann. Eine im wesentlichen axiale Ausnehmung im Sinne der vorliegenden Erfindung liegt vor, wenn eine gedachte Linie zwischen den jeweiligen Schwerpunkten von miteinander kommunizierenden Ausnehmungen zweier benachbarter axialer Abschnitte eine betragsmäßige Abweichung von bis zu 15° bezüglich der Rotationsachse des Rotorkörpers aufweist.

Gemäß einer Ausgestaltung weist der Rotorkörper ein Lamellenpaket mit in axialer Richtung übereinander gestapelten Blechlamellen auf.

Als Rotorblechpaket werden eine Mehrzahl von in der Regel aus Elektroblech hergestellten laminierten Einzelblechen bzw. Rotorblechen verstanden, die übereinander zu einem Stapel, dem sog. Rotorblechpaket geschichtet und paketiert sind. Die Einzelbleche können dann in dem Blechpaket beispielsweise durch Stanzpaketierung, Verklebung, Verschweißung oder Verschraubung zusammengehalten bleiben.

Ein Rotorblech kann eine oder mehrere Ausnehmungen aufweisen, die auch als Aussparung oder Öffnung bezeichnet werden können, wobei die einzelnen Ausnehmun- gen der einzelnen Rotorbleche in ihrer Gesamtheit in einem Rotorblechpaket eine in axialer Richtung ausgebildete Tasche zur Aufnahme von Magnetelementen bilden. Die derart ausgebildete Tasche wird auch als Ausnehmung bezeichnet.

Gemäß einer Ausgestaltung ist die Vergussmasse ein spritzgiessbarer Kunststoff.

Unter spritzgießbarer Kunststoff wird im Sine der vorliegenden Anmeldung ein Kunststoff bezeichnet, der sich während des Produktionsschrittes des Befüllens der Kanäle in einem hochfließfähigen Zustand befinden kann, so dass die Kanäle vollständig in einem Kunststoffspritzgussverfahren, etwa einem Transfermolding-Verfahren, befüllt werden können.

Weiter kann sich der spritzgießbare Kunststoff dadurch auszeichnen, dass er verhältnismäßig schnell aushärten kann und im ausgehärteten Zustand eine hohe mechanische Stabilität aufweist. Der spritzgießbare Kunststoff kann etwa ein thermoplastischer oder ein duroplastischer Kunststoff sein.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist der spritzgiessbare Kunststoff ein Duroplast.

Vorteilhafterweise zeichnen sich Duroplaste durch ihre Härte und Steifigkeit aus. Der geringe Ausdehnungskoeffizient bringt eine hohe Maßstabilität. Weiter kennen Duroplaste keinen Erweichungsbereich, der Werkstoff behält auch bei hohen Temperaturen seine Festigkeit und verfügt über eine hohe Wärmeformbeständigkeit.

Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst eine elektrische Maschine einen Rotorkörper gemäß dem zuvor beschriebenen Aspekt und Ausgestaltungen.

Elektrische Maschinen dienen zur Umwandlung elektrischer Energie in mechanische Energie und/oder umgekehrt, und umfassen in der Regel einen als Stator, Ständer oder Anker bezeichneten ortsfesten Teil sowie einen als Rotor oder Läufer bezeichneten und gegenüber dem ortsfesten Teil beweglich angeordneten Teil. Der Rotor umfasst bevorzugt eine Rotorwelle und einen oder mehrere drehtest auf der Rotorwelle angeordnete 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.

Die elektrische Maschine ist insbesondere als Rotationsmaschine ausgebildet. Es ist im Zusammenhang mit dieser Erfindung besonders bevorzugt, dass die elektrische Maschine als Radialflussmaschine konfiguriert ist. Dabei zeichnet sich eine Radialflussmaschine dadurch aus, dass die Magnetfeldlinien in dem zwischen Rotor und Stator ausgebildeten Luftspalt, sich in radialer Richtung erstrecken.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.

Es zeigt:

Figur 1 einen Rotorkörper im Schnitt wobei eine erste axiale Seite sichtbar ist Figur 2 den Rotorkörper gemäß Figur 1 mit Blick auf eine zweite axiale Seite Figur 3 den Rotorkörper gemäß Figur 2 mit angepassten Endkappen

Die Figur 1 zeigt einen Rotorkörper 1 im Schnitt, wobei eine erste axiale Seite 2 sichtbar ist. Der Rotorkörper 1 umfasst mehrere axiale Abschnitte 11 , hier als Lamellenpakete 4 ausgeführt, welche wiederum mehrere Blechlamellen aufweisen. Innerhalb der Lamellenpakete 4 erstrecken sich von der ersten axialen Seite 2 zu einer weiten axialen Seite 3 mehrere Ausnehmungen 5, wobei die axialen Abschnitte 11 bzw. Lamellenpakete 4 axial benachbarter Ausnehmungen 5 zueinander derart angeordnet sind, dass sich eine im wesentlichen axiale Ausnehmung bezogen auf den Rotorkörper 1 ergibt. In den Ausnehmungen 5 sind jeweils mehrere in axialer Richtung segmentierte Magnete 6 angeordnet. Die Magnete 6 sind mittels eines Vergussmaterials 7 in den Ausnehmungen 5 fixiert. Das Vergussmaterial 7 bildet an der ersten axialen Seite 2 mehrere erste Endkappen 8 aus. Dads Vergussmaterial 7 wird von der ersten axialen Seite 2 in den Rotorkörper 1 eingebracht, weshalb zentral auf den ersten Endkappen 8 ein entsprechender Angussabschnitt ersichtlich ist. Das Vergussmaterial 7 der ersten Endkappe 8 ist mit dem Vergussmaterial 7 aller Magnete 6 aufweisenden Aussparungen 5 eines magnetischen Pols des Rotorkörpers 1 verbunden und überdeckt diese vollständig. Die ersten Endkappen 8 überdecken somit die Magnete 6 aufweisende Aussparungen 5 sowohl in radialer als auch in umfänglicher Richtung. Anders ausgedrückt ist der Querschnitt der ersten Endkappe in axialer Richtung gesehen größer als eine Fläche welche durch eine alle Magnete 6 aufweisenden Aussparungen 5 eines magnetischen Pols umspannende gedachte Umfangslinie gebildet wird.

Die Figur 2 zeigt den Rotorkörper 1 gemäß Figur 1 mit Blick auf eine zweite axiale Seite 3, gemäß dem Stand der Technik. Die zweite axiale Seite 3 ist dabei der ersten axialen Seite 2 des Rotorkörpers 1 gegenüberliegend. In Figur 2 a ist der Rotorkörper 1 dargestellt, wobei alle Magnete 6 aufweisende Aussparungen 5 eines magnetischen Pols mittels einer ersten Endkappe 8 überdeckt sind. Somit ist das Vergussmaterial 7 jeder der Magnete 6 aufweisende Aussparungen 5 eines magnetischen Pols mit der Vergussmasse der ersten Endkappe 2, welche auf der zweiten axialen Seite 3 des Rotorkörpers angeordnet ist, verbunden. Figur 2b zeigt beispielshaft einen alle Magnete 6 aufweisende Aussparungen 5 eines magnetischen Pols. Die gezeigte Anordnung der Magnete 6, eine sogenannte Delta-Anordnung, ist dabei exemplarisch zu verstehen. Ebenso möglich sind Anordnungen wie V-Anordnung, V-Anordnung mit einem dritten in Umfangsrichtung ausgerichteten Magneten 6, sog. T-Magnet etc.

Die Aussparungen 5 weisen einen größeren Querschnitt in axialer Richtung auf als die Magnete 6. Die somit resultierenden, an die Magnete 6 angrenzenden Volumina in den Aussparungen 5 sind vollständig mit der Vergussmasse 7 gefüllt. Insbesondere bei zueinander verschränkten axialen Abschnitten des Rotorkörpers, hier bei zueinander verschränkten Lamellenpaketen, bilden die Aussparungen eine im wesentlichen axiale Ausnehmung bezogen auf den Rotorkörper, in welcher die an die Magnete 6 angrenzenden Volumina miteinander derart verbunden sind, dass die Vergussmasse von der ersten axialen Seite 2 zur zweiten axialen Seite 3 in den Rotorkörper 1 über die gesamte axiale Erstreckung des Rotorkörpers eingebracht werden kann, so dass die verbleibenden Volumina der alle Magnete 6 aufweisende Aussparungen 5 mit der Vergussmasse vollständig gefüllt sind.

Die Figur 3 zeigt den Rotorkörper 1 gemäß Figur 2 mit angepassten Endkappen 9,10. Hierbei ist jeweils die die Vergussmasse 7 drei der Magnete 6 aufweisende Aussparungen 5 des magnetischen Pols aus Figur 2b, die in der Ansicht linke Aussparung, die rechte Aussparung sowie die untere Aussparung, mit der Vergussmasse 7 einer dritten Endkappe 10 verbunden. Die dritte Endkappe 10 überdeckt aus axialer Richtung gesehen die drei Aussparungen vollständig. Eine zweite Endkappe 9 überdeckt alleinig die vierte Magnete 6 aufweisende Aussparung 5 des magnetischen Pols aus Figur 2b, die in der Ansicht oben liegende Aussparung, vollständig. Somit ist die Vergussmasse 7 der zweiten Endkappe 9 an der zweiten axialen Seite 3 lediglich mit der Vergussmasse 7 einer Aussparung 5 verbunden. Die Vergussmasse 7 der zweiten Endkappe ist mit der Vergussmasse der dritten Endkappe 10 auf der zweiten axialen Seite nicht verbunden.

Bezuqszeichenliste Rotorkörper erste axiale Seite zweite axiale Seite Lamellenpaket Ausnehmung Magnet Vergussmaterial erste Endkappe zweite Endkappe dritte Endkappe axialer Abschnitt

Claims

Patentansprüche

1 . Rotorkörper (1 ) für eine elektrische Maschine, aufweisend mehrere axiale Ausnehmungen (5), welche zur Aufnahme von Magneten (6) ausgebildet sind, und welche sich in axialer Richtung von einer ersten axialen Seite (2) zu einer zweiten axialen Seite (3), welche der ersten axialen Seite (2) gegenüber liegt, erstrecken, wobei die axialen Ausnehmungen (5) jeweils vollständig mit einem Vergussmate- rial (7) gefüllt sind, das Vergussmaterial (7) an der ersten axialen Seite (2) eine erste Endkappe (8) ausbildet, welche mit dem Vergussmaterial (7) von mindestens zwei der axialen Ausnehmungen (5) verbunden ist, das Vergussmaterial an der zweiten axialen Seite (3) eine zweite Endkappe (9) ausbildet, wobei die zweite Endkappe (9) lediglich mit dem Vergussmaterial (7) einer der axialen Ausnehmungen (5) verbunden ist.

2. Rotorkörper (1 ) gemäß Anspruch 1 , wobei mehrere der axialen Ausnehmungen (5) dazu ausgebildet sind, einen magnetischen Pol des Rotorkörpers auszubilden, wobei die erste Endkappe (8) an der ersten axialen Seite (2) mit dem Vergussmaterial (7) aller den magnetischen Pol ausbildenden axialen Ausnehmungen (5) verbunden ist.

3. Rotorkörper (1 ) gemäß Anspruch 2, wobei das Vergussmaterial (7) jeder der den magnetischen Pol ausbildenden axialen Ausnehmungen (5) an der zweiten axialen Seite (3) jeweils mit einer zweiten Endkappe (9) verbunden ist.

4. Rotorkörper (1 ) gemäß Anspruch 2, wobei die zweite Endkappe (9) an der zweiten axialen Seite (3) lediglich mit dem Vergussmaterial (7) einer der den magnetischen Pol ausbildenden axialen Ausnehmungen (5) verbunden ist, wobei eine dritte Endkappe (10) an der zweiten axialen Seite (3) mit dem Vergussmate- rial (7) mehrerer der anderen den magnetischen Pol ausbildenden axialen Ausnehmungen (5) verbunden ist.

5. Rotorkörper (1 ) gemäß Anspruch 1 , wobei der Rotorkörper (1 ) aus mehreren zueinander verschränkten axialen Abschnitten (11 ) ausgebildet ist.

6. Rotorkörper (1 ) gemäß Anspruch 5, wobei jeder axiale Abschnitt (11 ) axiale Ausnehmungen (5) zur Aufnahme von Magneten (6) umfasst, wobei die axialen Abschnitte (11 ) axial benachbarter Ausnehmungen (5) zueinander derart angeordnet sind, dass sich eine im wesentlichen axiale Ausnehmung (5) bezogen auf den Rotorkörper (1 ) ergibt.

7. Rotorkörper (1 ) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Rotorkörper (1 ) ein Lamellenpaket (4) mit in axialer Richtung übereinander gestapelten Blechlamellen aufweist.

8. Rotorkörper (1 ) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Vergussmasse (7) ein spritzgiessbarer Kunststoff ist.

9. Rotorkörper gemäß (7) Anspruch 8, wobei der spritzgiessbare Kunststoff ein Duroplast ist.

10. Elektrische Maschine umfassend einen Rotorkörper (1 ) gemäß einem der vorherigen Ansprüche.