WO2019001992A1 - Rotor für eine elektromaschine - Google Patents

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WO2019001992A1
WO2019001992A1 PCT/EP2018/065993 EP2018065993W WO2019001992A1 WO 2019001992 A1 WO2019001992 A1 WO 2019001992A1 EP 2018065993 W EP2018065993 W EP 2018065993W WO 2019001992 A1 WO2019001992 A1 WO 2019001992A1
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WO
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rotor
shaft
spring element
rotor magnet
magnet assembly
Prior art date
Application number
PCT/EP2018/065993
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English (en)
French (fr)
Inventor
Volker EHLERS
Martin KÖNIG
Original Assignee
Ebm-Papst St. Georgen Gmbh & Co. Kg
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Publication date
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Priority to DE212018000250.9U priority patent/DE212018000250U1/de
Priority to CN201890000911.6U priority patent/CN211151651U/zh
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    • 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
    • H02K1/28—Means for mounting or fastening rotating magnetic parts on to, or to, the rotor structures
    • 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

Definitions

  • the invention relates to a rotor for an electric machine and an electric machine with such a rotor.
  • a ring magnet can be glued to the shaft. This is the standard procedure for neodymium-iron-drilling magnet magnets because they are very brittle.
  • an adhesive must cure, and an uneven adhesive distribution can lead to an imbalance of the rotor.
  • curing takes a set time, and assembly lines where an electric machine is completed every two to four seconds require very long assembly lines because of the curing time.
  • a corresponding rotor can be mounted quickly and no gluing or screwing is required.
  • the components can be easily formed, and this allows a slight imbalance of the rotor.
  • the spring element makes it possible to compensate for different coefficients of expansion of the materials used, which lead to different lengths at different temperatures.
  • the ring member allows the transmission of torque from the connection assembly to the shaft.
  • the rotor has a second fastening arrangement, which is adapted to a movement of
  • Rotor magnet arrangement to limit in at least one axial direction. This allows a resilient clamping connection of the rotor magnet assembly and thus a torque transmission from the rotor magnet assembly to the shaft via a frictional connection with axial pressure.
  • the second fastening arrangement has a spring element and a ring element and is arranged at least in sections around the shaft.
  • the ring element is fixed to the shaft by means of a press-fit connection and limits movement of the spring element in at least one axial direction.
  • the spring element is designed to prevent movement of the
  • Rotor magnet assembly to limit in the axial direction. This allows holding the rotor magnet assembly via two spring elements of one each
  • the rotor magnet arrangement is at least partially between the first mounting arrangement and the second
  • the mounting arrangements can therefore be axially spaced from each other, and this facilitates assembly.
  • the rotor magnet assembly has a clearance fit on the shaft. The risk of excessive mechanical stresses between the rotor magnet assembly and the shaft is thereby reduced compared to a press-fit connection, but it is still possible radial guidance.
  • the shaft is in the range of
  • Rotor magnet arrangement formed circular cylindrical. Such waves can be made very accurately and are suitable for high speeds.
  • the press-fit connection between the ring element and the shaft is provided in a predetermined first axial region, which axial axial region of the rotor magnet assembly is spaced. This reduces the risk of a negative effect of the press-fit connection on the area of the rotor magnet arrangement.
  • the shaft is formed in the region of the ring member is cylindrical with a circular or polygonal cross-section.
  • Such a wave can be made very accurately and has good balancing properties.
  • the ring element is formed as a hollow cylinder with a circular or polygonal cross-section. This facilitates the joining with the shaft and it can also be used cylindrical waves.
  • the ring element has teeth directed towards the shaft, which teeth cooperate with the shaft to form the press-fit connection.
  • the strength of the press-fit connection and the joining force can be influenced as desired by the size and shape of the teeth.
  • the spring element is at least partially elastically deformed. This elastic deformation leads to a higher force and thus to a better connection.
  • the spring element is designed as a plate spring.
  • Disc springs can transmit forces well, and they can be well calculated.
  • Rotor magnet assembly are connected to each other with a frictional connection to a torque transmission between the rotor assembly and the
  • Rotor magnet arrangement and can also be used for very brittle magnets.
  • the spring element is designed to allow a contact with an end face of the rotor magnet arrangement. This allows via the clamping action a force in the axial direction, in the radial direction and in the circumferential direction.
  • the rotor magnet arrangement has a jacket surface, and the spring element is designed to allow contact with the jacket surface. This allows both a backup of
  • Rotor magnet arrangement can be achieved in the circumferential direction and in the axial direction and in the radial direction.
  • the spring element and the rotor magnet arrangement on positive-locking elements, which together a
  • the spring element has slots which divide the spring element into segments which are at least partially decoupled from each other in their spring action.
  • Ring element firmly connected to each other or integrally formed.
  • the one-piece design facilitates the joining of the rotor, since fewer components are present.
  • Ring element formed in several parts. For the production of the elements, this leads to a simplification.
  • the ring element is designed as a collar on the spring element. This design facilitates the handling of the fastening arrangement, since the ring element is arranged on the spring element.
  • Mounting arrangement formed non-ferromagnetic. That reduces one
  • Mounting arrangement formed of a material containing chromium and nickel. Such a material is good for a press-fit connection and for a
  • Fastening arrangement formed as a deep-drawn part or as a rotating part. This production has proven to be advantageous for connection to the shaft.
  • Rotor magnet assembly exclusively on the at least one
  • Rotor magnet arrangement an inner surface and the shaft on an outer surface adjacent to this inner surface, wherein a maximum of 20% of the inner surface of the recess is in contact with the outer surface of the shaft, more preferably at most 10% and more preferably at most 5%. This reduces the risk of damage due to mechanical stress between the components.
  • the rotor magnet assembly and the shaft are not in direct contact.
  • stresses are avoided, which can occur, for example, at different thermal expansion coefficients.
  • a corresponding direct connection is not required, as the Rotor magnet assembly via the mounting assembly is indirectly connected to the shaft.
  • a hollow-cylindrical cavity is provided between the rotor magnet arrangement and the shaft.
  • the rotor magnet assembly contains neodymium, iron and boron. Magnets with neodymium-iron-boron alloys are particularly strong but also very brittle. Therefore, they are usually attached by gluing. The resilient clamp connection has proven to be a good alternative.
  • no adhesive bond is provided between the rotor magnet assembly and the shaft.
  • Adhesive bonds are the standard process for many types of magnets, but they require drying time to produce, and the solvents commonly used are out
  • the invention allows a connection without adhesive.
  • the object is also achieved by an electric machine with a stator, a bearing arrangement and a rotatably mounted on the bearing assembly rotor.
  • the rotor can be used advantageously.
  • the bearing arrangement has at least one rolling bearing with an inner ring and an outer ring, wherein the inner ring rests against the ring element.
  • the ring element can thus be used on at least one side as a spacer.
  • FIG. 1 shows a shaft and a rotor magnet arrangement
  • 2 shows in a longitudinal section the shaft and magnet arrangement of FIG. 1 with a first fastening arrangement
  • Fig. 3 in a longitudinal section a rotor with the shaft, rotor magnet assembly and first mounting arrangement of Fig. 2 and a second
  • Fig. 5 is a plan view of an embodiment of the rotor with teeth on the
  • FIG. 6 is a plan view of an embodiment of the rotor with a shaft having a polygonal cross-section
  • FIG. 7 is a plan view of an embodiment of the rotor with slots in the first connection arrangement
  • FIG. 8 shows a longitudinal section through the embodiment of the rotor of FIG. 3 with a schematic representation of the deformation of the spring element, FIG.
  • FIG. 9 shows in a longitudinal section a further embodiment of the rotor with a multi-part first connection arrangement
  • Fig. 10 in a longitudinal section an embodiment of the rotor with
  • FIG. 13 is a longitudinal section of an embodiment of the rotor
  • Fig. 14 in a longitudinal section an embodiment of the rotor
  • FIG. 15 shows an electric machine with the rotor of FIG. 2.
  • Fig. 1 shows a shaft 22 and a rotor magnet assembly 30, which is to be added to the rotor shaft 22.
  • the rotor shaft 22 has a first shaft end 221 and a second shaft end 222.
  • the shaft ends 221, 222 preferably each have a phase 223, 224 to a
  • the rotor magnet arrangement 30 has a first end face 31, a second end face 32, a lateral surface 33 and a recess 34.
  • the recess 34 serves to enable the rotor magnet arrangement 30 to be pushed onto the shaft 22.
  • Rotor magnet arrangement 30 has, by way of example, four rotor poles 301, 302, 303, 304, but other pole numbers are also possible, for example 2, 6, 8, etc.
  • the rotor magnet arrangement 30 can be produced, for example, from a permanent magnetic material, it can also be produced from a plastic with embedded magnetic particles, or a plurality of individual magnets can be fastened to a carrier component. In the production of one
  • a permanent magnetic material for example, a production via sintering or sawing from a magnetic material is possible.
  • a permanent magnetic material may be used which contains neodymium, iron and boron. Neodymium iron boron alloys are magnetically very strong
  • the neodymium-iron-boron alloy is preferably added further elements.
  • other rare earth elements such as dysprosium and erbium increase the temperature stability of the magnetization, and cobalt can be added to increase the corrosion resistance.
  • the shaft 22 is preferably circular-cylindrical in the area of the rotor magnet arrangement 30, since such a shaft 22 can be produced easily and with high accuracy. However, it is also possible a polygonal cross section or another cross section. After pushing the rotor magnet assembly 30 on the shaft 22, this is already performed relative to the shaft 22. For a complete attachment of the
  • Rotor magnet arrangement must be considered as remaining degrees of freedom in particular axial forces and a relative torque occurring during acceleration between the rotor magnet assembly 30 and the shaft 22.
  • Fig. 2 shows in a longitudinal section the shaft 22 which extends through the recess 34 of the rotor magnet assembly 30 therethrough.
  • Attachment assembly 41 attached to the shaft 22.
  • the fastening arrangement 41 has a spring element 51 and a ring element 52 and is arranged at least in sections around the shaft 22.
  • the ring member 52 has an inner surface 521 defining a recess 522 and is fixed to the shaft 22 by a press-fit connection 226.
  • a press-fit connection there is a press fit or interference fit between the shaft 22 and the rotor magnet arrangement 30, ie the dimension of the shaft 22 in the region of the press fit is at least partially greater than the corresponding dimension of the recess 522 before the components are joined.
  • the inner surface 521 is formed at least partially hollow cylindrical with a circular cross section, but it can also be a polygonal
  • the shaft 22 is preferably also formed in the region of the ring member 52 is cylindrical with a circular or polygonal cross-section.
  • the spring element 51 is designed in the manner of a plate spring.
  • the spring element 51 preferably has the shell shape of a truncated cone.
  • the shape of the spring element 51 may also be referred to as disk-shaped.
  • the spring member 51 is internally connected to the ring member 52, and formed integrally therewith, and externally, it may contact the rotor magnet assembly 30 in contact. If the
  • Rotor magnet assembly 30 is moved towards the mounting assembly 41, the spring element 51 springs in and becomes flatter.
  • the spring element 51 can thus limit a movement of the rotor magnet arrangement 30 in the first axial direction 241.
  • the rotor magnet assembly 30 preferably has a clearance fit 227 on the shaft 22. Permanent magnet materials often have brittle material properties and therefore should preferably not be exposed to extreme stresses.
  • Tolerances for the clearance fit on the shaft are preferably narrowly specified in one embodiment.
  • the rotor magnet arrangement 30 may be provided with a transition fit or an interference fit.
  • the spring element 51 and the ring element 52 are integrally formed. But it can also be provided a fixed connection between the separated before the joining spring element 51 and ring member 52.
  • the ring element 52 is formed in the embodiment as a collar on the spring element 51.
  • FIG. 3 shows in a longitudinal section the rotor 20, wherein, in contrast to FIG. 2, a second fastening arrangement 42 is additionally provided, which is designed to limit a movement of the rotor magnet arrangement 30 at least in the second axial direction 242.
  • the second fastening arrangement 42 is constructed in the embodiment in the same way as the first fastening arrangement 41, and the embodiments in Fig. 2 apply accordingly.
  • the spring element 51 may be a movement of the
  • the rotor magnet arrangement 30 is arranged at least in sections between the first fastening arrangement 41 and the second fastening arrangement 42. This enables a good assembly, in which the first fastening arrangement 41 and the second fastening arrangement 42 can be pushed onto the shaft 22 from different sides. Sections of the rotor magnet assembly 30 may overlap axially with portions of the mounting assembly 41 and 42, respectively. By clamping the rotor magnet assembly 30 between the
  • Rotor magnet assembly 30 This allows a torque transmission between the rotor assembly 30 and the spring member 51.
  • the spring member 51 In addition, the
  • Embodiment very small spring travel and thus a compact design of the rotor 20.
  • the mounting assembly 41 is still in the relaxed state, since the rotor magnet assembly is not yet acted upon with a force to the left.
  • the mounting assembly 41 is spring-loaded.
  • Rotor magnet assemblies 30 with neodymium, iron and boron are brittle and are therefore usually glued. Experiments have shown that attachment of neodymium-iron-boron magnets via the mounting assemblies 41, 42 works well and allows very high speeds without destroying the rotor magnet assembly 30.
  • FIG. 4 shows the rotor 20 with a first bearing 81 and a second bearing 82, wherein the first fastening arrangement 41, the rotor magnet arrangement 30 and the second fastening arrangement 42 are arranged between the two bearings 81, 82.
  • the bearings 81, 82 are formed as rolling bearings, and they each have an inner ring 83 and an outer ring 84.
  • the inner ring 83 is at least at one of the bearings 81, 82 against the associated mounting assembly 41, 42 at.
  • the bearings 81, 82 may additionally be provided a spring between this and the mounting arrangement to form a floating bearing.
  • the inner ring 83 may be one or both
  • Mounting arrangements 41, 42 are arranged on the ring member 52, and this allows a very compact design in the axial direction.
  • the ring element 52 is preferably formed at least partially cylindrical on the lateral surface in order to push the inner ring 83 well.
  • a bearing 81, 82 can of course be used other types of bearings such as plain bearings.
  • FIG 5 shows a plan view of the rotor 20 with a further embodiment of the first fastening arrangement 41.
  • a plurality of teeth 53 are provided on the inner surface 521 of the ring member 52 so as to form the press-fit connection 226 with the shaft 22.
  • the teeth 53 may also be provided in a plurality of axially spaced-apart planes.
  • FIG. 6 shows a plan view of a further embodiment of the rotor 20 with the first fastening arrangement 41, wherein both the shaft 22 and the inner surface 521 have a polygonal cross-section.
  • the cross section is hexagonal, but it may, for example, also be formed pentagonal or with a different number of corners. Mixed forms are also possible in which the inner surface 521 is polygonal and the shaft 22 is circular, or vice versa.
  • FIG. 7 shows a plan view of a further embodiment of the rotor 20.
  • a plurality of slots 54 are provided on the spring element 51.
  • the spring element 51 is divided into a plurality of segments 51 A, 51 B, 51 C, 51 D, which are at least partially decoupled from each other in their spring action. This allows
  • Bumps on the front side of the rotor magnet assembly 30 are better balanced, and there is a softer spring behavior.
  • Fig. 8 shows a longitudinal section of a fragmentary embodiment of the rotor 20.
  • the first connection assembly 41 is mounted on the shaft 22, and the
  • Rotor magnet assembly 30 is pressed against the spring member 51.
  • Clarification of the spring action is the unpressed form of the spring element 51 with 51 ', and the embedded form with 51. It can be seen how the spring element 51 through the rotor magnet assembly 30 to the first shaft end 221 out is deformed.
  • the deformation of the spring element 51 is preferably at least
  • the spring element 51 has on the rotor magnet assembly 30 side facing in the radially outer region compressive stress and in the radially inner region of the tensile stress.
  • This embodiment enables a simple configuration of the spring element 51, since it can be connected directly to the ring element 52 in the radially inner region and comes into contact externally with the rotor magnet arrangement 30, which enables good torque transmission.
  • the spring element 51 may for example be formed such that it extends from the ring element 52 in a first portion radially outward and then extends radially inwardly in a second portion. In this case, the spring member 51 radially inwardly enters the rotor magnet assembly 30 in contact.
  • this embodiment is less well suited to a torque transmission between the
  • the first fastening arrangement 41 is formed in two parts or generally in several parts, the ring element 52 abutting against the spring element 51 at a point 55, so that a further displacement of the radially inner region of the Spring element 51 is prevented in the axial direction 241.
  • the spring element 51 can thus spring in the direction 241 during a movement of the rotor magnet arrangement 30.
  • the spring element 51 is in contact with the lateral surface 33 of FIG.
  • Connection arrangement 41 allows.
  • the spring element 51 and the rotor magnet arrangement 30 have positive-locking elements 51 1, 305, which together form an anti-twist device for the transmission of torque.
  • Spring element 51 has a pin or hook 51 1, and the rotor magnet assembly a matching recess 305. These elements can also be arranged reversed, or both components 30, 51 may have pins that act together. On the other hand, such a spring element 41 can also absorb forces in the axial direction 242, and with a fixed connection between the spring element 51 and the ring element 52, a configuration without a second spring element 42 is possible. The absorption of forces in both axial directions 241, 242 is also possible via other types of connection, for example via a screw, the
  • FIG. 10 shows an embodiment of the rotor 20 in which the spring element 51 and the rotor magnet arrangement 30 have positive-locking elements 51 1, 305, which together provide an anti-rotation lock between the spring element 51 and the rotor
  • Rotor magnet assembly 30 form for the transmission of torque.
  • the spring element 51 has a pin 51 1, and the rotor magnet assembly has a matching recess for this, so that the pin 51 1 can engage in the recess.
  • the spring element 51 may have a recess and the rotor magnet arrangement 30 may have a pin.
  • FIG. 11 shows the rotor 20 with a spring element 51, which is indeed designed as a plate spring, wherein it is flatter in the radially inner region than in the radially outer region.
  • the spring element has figuratively speaking a kink, with this kink disappearing more and more, the stronger the plate spring is tensioned.
  • FIG. 12 shows the rotor 20 with a first fastening arrangement 41, which has the spring element 51 and ring element 52.
  • the second mounting arrangement 42 has a simpler structure and is designed as a rod, which is inserted through a recess in the shaft and limits a movement of the rotor magnet arrangement 30 in the axial direction 242.
  • the spring action is achieved in this embodiment only by the spring element 51 of the first fastening arrangement 41.
  • Fig. 13 shows the rotor 20, which is formed by the basic structure as the rotor 20 of Fig. 3.
  • the rotor magnet assembly 30 is spaced from the shaft 22.
  • the recess 34 of the rotor magnet assembly 30 is thus larger than the shaft 22, and there remains a gap 35 between the shaft 22 and the rotor magnet assembly 30.
  • the rotor magnet assembly 30 is thus held by the mounting assemblies 41, 42 both in the axial and in the radial direction, without the shaft 22 in direct contact with the
  • Rotor magnet assembly 30 occurs.
  • This embodiment can be assembled by aligning the rotor magnet assembly 30 with the assembly relative to the shaft. After mounting the
  • Embodiments are also possible in which the rotor magnet assembly 30 is largely spaced from the shaft 22, but in a few places has contact.
  • the shaft 22 has an adjacent to the inside of the recess 34 surface. Quantitatively, it is advantageous if this is a maximum of 20% of this
  • FIG. 14 shows another embodiment of the rotor 20.
  • the press-fit connection 226 between the ring element 52 and the shaft 22 is provided in a predetermined first axial region 523.
  • This first axial region 523 is of the
  • Rotor magnet assembly 30 axially spaced.
  • the ring element 52 and the spring element 51 are connected to each other by a connecting element 56, wherein the connecting element 56 is at least partially spaced from the shaft 22.
  • the embodiment shown is advantageous because the ring element 52 is usually at least partially plastically deformed in the region of the press-fit connection 226. If the ring element 52 and the spring element 51 directly adjoin one another, this can also lead to a plastic deformation in the region of the spring element 51. This does not have to be critical for the spring action of the spring element, but it makes the calculation or design of the spring element more difficult. In the In contrast to the embodiment of FIG. 14, the spring element 51 and the ring element 52 are largely unaffected or decoupled from one another, and the calculation of the spring element 51 and the ring element 52 is quite possible.
  • Fig. 15 shows schematically an electric machine 10 with the rotor 20. Die
  • Electric machine 10 may be designed as a motor or as a generator.
  • Electric machine 10 has a housing 12, a stator 14 with a stator core 16 and a winding arrangement 18.
  • the winding arrangement 18 is connected to a control device 15 for activation.
  • the rotor 20 is rotatably supported via the first bearing 81 and the second bearing 82.
  • the bearings 8, 82 form a bearing arrangement 81, 82.
  • An application 19 is fastened to at least one end of the shaft 22, for example a fan wheel, a toothed wheel or a drive wheel of a generator.
  • the at least one fastening arrangement 41, 42 is preferably formed from a non-ferromagnetic material, more preferably from a non-magnetic or non-magnetic material.
  • Useful flow is not influenced by the fastening arrangement 41, 42.
  • a material which contains chromium and nickel has proved to be positive. But it is also another material possible, for example, a metal, a metal alloy, a
  • Plastic or a plastic composite Plastic or a plastic composite.
  • a preparation of the first or second fastening arrangement 41, 42 as a deep-drawn part or as a rotating part is advantageously possible and allows a favorable mass production.
  • the training as a deep-drawn part is advantageous due to the geometrically simple shape. Assembly of the rotor
  • the shaft 22 is fixed, and the first attachment assembly 41 is pressed from the first shaft end 221 to a predetermined position on the shaft. Subsequently, the
  • Fastening assembly 42 from the second shaft end 222 of pressed onto the shaft 22, see. Fig. 3. Either the second fastening assembly 42 can be pressed to a predetermined position on the shaft 42, or it can during
  • Rotor magnet assembly 30 between the two mounting arrangements 41, 42 is sufficiently clamped. If the rotor magnet arrangement 30 has flat end faces, there is no need to align the components in the circumferential direction, and this facilitates assembly.
  • Rotor magnet arrangement 30 are preferably formed without adhesive. Basically, a joining of the spring element 51 and the ring element 52 by a
  • the assembly of the bearing assembly 81, 82 can be done in the usual way, for example by sliding the bearings 81, 82 on the shaft.
  • the rotor 20 may be formed without the second attachment assembly 42. For this purpose, however, it is necessary that the first fastening arrangement 41 the
  • Movement of the rotor magnet assembly 30 limited in both axial directions. This can be achieved, for example, by connecting the first fastening arrangement 41 to the rotor magnet arrangement 30, for example by means of a positive connection, or that the first fastening assembly 41 is bonded to the rotor magnet assembly 30.
  • the rotor magnet assembly 30 has a cylindrical shell in the embodiments. It is also possible to use rotor magnet arrangements 30 with other geometries, for example with elliptical, angular or flattened ones

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  • Permanent Field Magnets Of Synchronous Machinery (AREA)
  • Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)

Abstract

Ein Rotor (20) für eine Elektromaschine (10) hat eine Welle (22), eine Rotormagnetanordnung (30) und mindestens eine erste Befestigungsanordnung (41). Die Rotormagnetanordnung (30) hat eine Aussparung (34), durch welche Aussparung (34) sich die Welle (22) erstreckt. Die erste Befestigungsanordnung (41) hat ein Federelement (51) und ein Ringelement (52) und ist zumindest abschnittsweise um die Welle (22) herum angeordnet. Das Ringelement (52) ist mittels einer Presspassverbindung (226) an der Welle (22) befestigt und begrenzt eine Bewegung des Federelements (51) in zumindest eine axiale Richtung (241, 242). Das Federelement (51) ist dazu ausgebildet, eine Bewegung der Rotormagnetanordnung (30) in die zumindest eine axiale Richtung (241, 242) zu begrenzen.

Description

Rotor für eine Elektromaschine
Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine Elektromaschine und eine Elektromaschine mit einem solchen Rotor.
Bei der Befestigung einer Rotormagnetanordnung auf einer Welle sind verschiedene Möglichkeiten bekannt. Beispielsweise kann ein Ringmagnet auf der Welle verklebt werden. Dies ist das Standard-Verfahren für Magnete aus Neodym-Eisen-Bohr- Legierungen, da diese sehr spröde sind. Ein solcher Kleber muss jedoch aushärten, und eine ungleiche Klebeverteilung kann zu einer Unwucht des Rotors führen. Zudem benötigt das Aushärten eine vorgegebene Zeit, und bei Montagestraßen, bei denen alle zwei bis vier Sekunden eine Elektromaschine fertig gestellt wird, sind wegen der Aushärtezeit sehr lange Montagestraßen erforderlich.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, einen neuen Rotor für eine Elektromaschine und eine neue Elektromaschine bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand des Anspruchs 1 .
Ein entsprechender Rotor kann schnell montiert werden, und es ist kein Kleben oder Schrauben erforderlich. Zudem können die Bauteile einfach ausgebildet werden, und dies ermöglicht eine geringe Unwucht des Rotors. Das Federelement ermöglicht einerseits einen Ausgleich von unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien, die bei unterschiedlichen Temperaturen zu unterschiedlichen Längen führen. Das Ringelement ermöglicht die Übertragung eines Drehmoments von der Verbindungsanordnung auf die Welle. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der Rotor eine zweite Befestigungsanordnung auf, welche dazu ausgebildet ist, eine Bewegung der
Rotormagnetanordnung in zumindest eine axiale Richtung zu begrenzen. Dies ermöglicht eine federnde Klemmverbindung der Rotormagnetanordnung und damit eine Drehmomentübertragung von der Rotormagnetanordnung auf die Welle über eine reibschlüssige Verbindung mit axialem Druck.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die zweite Befestigungsanordnung ein Federelement und ein Ringelement auf und ist zumindest abschnittsweise um die Welle herum angeordnet. Das Ringelement ist mittels einer Presspassverbindung an der Welle befestigt und begrenzt eine Bewegung des Federelements in zumindest eine axiale Richtung. Das Federelement ist dazu ausgebildet, eine Bewegung der
Rotormagnetanordnung in die axiale Richtung zu begrenzen. Dies ermöglicht ein Halten der Rotormagnetanordnung über zwei Federelemente von jeweils einer
Befestigungsanordnung.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Rotormagnetanordnung zumindest abschnittsweise zwischen der ersten Befestigungsanordnung und der zweiten
Befestigungsanordnung angeordnet. Die Befestigungsanordnungen können also axial voneinander beabstandet sein, und das erleichtert die Montage.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform hat die Rotormagnetanordnung eine Spielpassung auf der Welle. Die Gefahr von zu großen mechanischen Spannungen zwischen der Rotormagnetanordnung und der Welle wird hierdurch gegenüber einer Presspassverbindung verringert, es ist aber weiterhin eine radiale Führung möglich.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Welle im Bereich der
Rotormagnetanordnung kreiszylindrisch ausgebildet. Solche Wellen können sehr genau hergestellt werden und sind für hohe Drehzahlen geeignet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Presspassverbindung zwischen dem Ringelement und der Welle in einem vorgegebenen ersten axialen Bereich vorgesehen, welcher erste axiale Bereich von der Rotormagnetanordnung axial beabstandet ist. Hierdurch wird die Gefahr einer negativen Auswirkung der Presspassverbindung auf den Bereich der Rotormagnetanordnung verringert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die Welle im Bereich des Ringelements zylindrisch mit kreisrundem oder polygonalem Querschnitt ausgebildet. Eine solche Welle kann sehr genau hergestellt werden und hat gute Wuchteigenschaften.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Ringelement hohlzylindrisch mit kreisrundem oder polygonalem Querschnitt ausgebildet. Dies erleichtert das Fügen mit der Welle und es können auch zylindrische Wellen genutzt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Ringelement zur Welle gerichtete Zähne auf, welche Zähne zur Bildung der Presspassverbindung mit der Welle zusammen wirken. Die Stärke der Presspassverbindung und die Fügekraft können über die Größe und Form der Zähne nach Wunsch beeinflusst werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Federelement zumindest bereichsweise elastisch verformt ist. Diese elastische Verformung führt zu einer höheren Kraft und damit zu einer besseren Verbindung.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Federelement als Tellerfeder ausgebildet. Über Tellerfedern können gut Kräfte übertragen werden, und sie können gut berechnet werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind das Federelement und die
Rotormagnetanordnung mit einer reibschlüssigen Verbindung miteinander verbunden sind, um eine Drehmomentübertragung zwischen der Rotoranordnung und dem
Federelement zu ermöglichen. Diese Verbindung ist schonend für die
Rotormagnetanordnung und kann auch für sehr spröde Magnete verwendet werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Federelement dazu ausgebildet, einen Kontakt mit einer Stirnseite der Rotormagnetanordnung zu ermöglichen. Dies ermöglicht über die Klemmwirkung eine Krafteinleitung in axialer Richtung, in radialer Richtung und in Umfangsrichtung. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Rotormagnetanordnung eine Mantelfläche auf, und das Federelement ist dazu ausgebildet, einen Kontakt mit der Mantelfläche zu ermöglichen. Hierdurch kann sowohl eine Sicherung der
Rotormagnetanordnung in Umfangsrichtung als auch in axialer Richtung als auch in radialer Richtung erzielt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weisen das Federelement und die Rotormagnetanordnung Formschlusselemente auf, welche zusammen eine
Verdrehsicherung für die Drehmomentübertragung bilden. Bei besonders
leistungsstarken Anwendungen wird die Gefahr einer Verschiebung in
Umfangsrichtung verringert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Federelement Schlitze auf, welche das Federelement in Segmente unterteilen, die zumindest teilweise in ihrer Federwirkung von einander entkoppelt sind. Hierdurch können Unebenheiten besser ausgeglichen und die Klemmwirkung besser verteilt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind das Federelement und das
Ringelement fest miteinander verbunden oder einstückig ausgebildet. Durch die einstückige Ausbildung wird die Fügung des Rotors erleichtert, da weniger Bauteile vorhanden sind.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind das Federelement und das
Ringelement mehrteilig ausgebildet. Für die Herstellung der Elemente führt dies zu einer Vereinfachung.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Ringelement als Kragen am Federelement ausgebildet. Diese Ausbildung erleichtert die Handhabung der Befestigungsanordnung, da das Ringelement am Federelement angeordnet ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind das Ringelement und das
Federelement durch ein Verbindungselement miteinander verbunden, wobei das Verbindungselement zumindest bereichsweise von der Welle beabstandet ist. Dies erleichtert die Berechnung der Befestigungsanordnung, da die Wechselwirkung zwischen dem Ringelement und dem Federelement verringert wird.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die mindestens eine
Befestigungsanordnung nicht-ferromagnetisch ausgebildet. Das verringert eine
Beeinflussung des magnetischen Nutz-Flusses des Rotors.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die mindestens eine
Befestigungsanordnung aus einem Werkstoff ausgebildet, welcher Chrom und Nickel enthält. Ein solcher Werkstoff ist gut für eine Presspassverbindung und für ein
Federelement geeignet.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist die mindestens eine
Befestigungsanordnung als Tiefziehteil oder als Drehteil ausgebildet. Diese Herstellung hat sich als vorteilhaft für die Verbindung mit der Welle erwiesen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform sind die Verbindung zwischen der
Befestigungsanordnung und der Welle und die Verbindung zwischen der
Befestigungsanordnung und der Rotormagnetanordnung (30) klebstofffrei ausgebildet. Dies ermöglicht eine umweltfreundliche Fügung, da die Befestigung der
Rotormagnetanordnung ausschließlich über die mindestens eine
Befestigungsanordnung erfolgen kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Aussparung der
Rotormagnetanordnung eine Innenfläche und die Welle eine zu dieser Innenfläche benachbarte Außenfläche auf, wobei maximal 20 % der Innenfläche der Aussparung in Kontakt mit der Außenfläche der Welle ist, weiter bevorzugt maximal 10 % und besonders bevorzugt maximal 5 %. Hierdurch wird die Gefahr einer Beschädigung durch mechanische Spannung zwischen den Bauteilen verringert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform stehen die Rotormagnetanordnung und die Welle nicht in direktem Kontakt. Hierdurch werden Spannungen vermieden, die beispielsweise bei unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten auftreten können. Eine entsprechende direkte Verbindung ist nicht erforderlich, da die Rotormagnetanordnung über die Befestigungsanordnung indirekt mit der Welle verbunden ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist zwischen der Rotormagnetanordnung und der Welle ein hohlzylinderförmiger Hohlraum vorgesehen ist. Hierdurch wird zum einen Gewicht gespart, und zum anderen wird ein direkter Kontakt vermieden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform enthält die Rotormagnetanordnung Neodym, Eisen und Bor. Magnete mit Neodym-Eisen-Bor-Legierungen sind besonders stark aber auch sehr spröde. Daher werden sie in der Regel durch Verkleben befestigt. Die federnde Klemmverbindung hat sich als gute Alternative erwiesen.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist zwischen der Rotormagnetanordnung und der Welle keine Klebeverbindung vorgesehen. Klebeverbindungen sind zwar für viele Magnetarten das Standardverfahren, sie sind benötigen aber bei der Herstellung Zeit für die Trocknung, und die häufig verwendeten Lösungsmittel sind aus
Umweltgründen nachteilig. Die Erfindung ermöglicht eine Verbindung ohne Klebemittel.
Die Aufgabe wird auch gelöst durch eine Elektromaschine mit einem Stator, einer Lageranordnung und einem an der Lageranordnung drehbar gelagerten Rotor. Für eine solche Elektromaschine kann der Rotor vorteilhaft genutzt werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist die Lageranordnung mindestens ein Wälzlager mit einem Innenring und einem Außenring auf, wobei der Innenring gegen das Ringelement anliegt. Das Ringelement kann somit auf mindestens einer Seite als Abstandhalter genutzt werden.
Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen und in den Zeichnungen dargestellten, in keiner Weise als Einschränkung der Erfindung zu verstehenden Ausführungsbeispielen, sowie aus den Unteransprüchen. Es zeigt:
Fig. 1 eine Welle und eine Rotormagnetanordnung, Fig. 2 in einem Längsschnitt die Welle und Magnetanordnung von Fig. 1 mit einer ersten Befestigungsanordnung,
Fig. 3 in einem Längsschnitt einen Rotor mit der Welle, Rotormagnetanordnung und ersten Befestigungsanordnung von Fig. 2 und einer zweiten
Befestigungsanordnung,
Fig. 4 in einer raumbildlichen Darstellung den Rotor von Fig. 3 mit zwei Lagern,
Fig. 5 in einer Draufsicht eine Ausführungsform des Rotors mit Zähnen an der
ersten Befestigungsanordnung,
Fig. 6 in einer Draufsicht eine Ausführungsform des Rotors mit einer Welle mit polygonalem Querschnitt,
Fig. 7 in einer Draufsicht eine Ausführungsform des Rotors mit Schlitzen in der ersten Verbindungsanordnung,
Fig. 8 einen Längsschnitt durch die Ausführungsform des Rotors von Fig. 3 mit schematischer Darstellung der Verformung des Federelements,
Fig. 9 in einem Längsschnitt eine weitere Ausführungsform des Rotors mit einer mehrteiligen ersten Verbindungsanordnung,
Fig. 10 in einem Längsschnitt eine Ausführungsform des Rotors mit
Formschlusselementen,
Fig. 1 1 in einem Längsschnitt eine Ausführungsform des Rotors,
Fig. 12 in einem Längsschnitt den Rotor von Fig. 3 mit einer abgeänderten zweiten
Verbindungsanordnung,
Fig. 13 in einem Längsschnitt eine Ausführungsform des Rotors, Fig. 14 in einem Längsschnitt eine Ausführungsform des Rotors, und
Fig. 15 eine Elektromaschine mit dem Rotor von Fig. 2.
Fig. 1 zeigt eine Welle 22 und eine Rotormagnetanordnung 30, welche mit der Rotorwelle 22 zu fügen ist.
Die Rotorwelle 22 hat ein erstes Wellenende 221 und ein zweites Wellenende 222. Die Wellenenden 221 , 222 haben bevorzugt jeweils eine Phase 223, 224, um ein
Aufschieben von Bauteilen zu erleichtern.
Die Rotormagnetanordnung 30 hat eine erste Stirnseite 31 , eine zweite Stirnseite 32, eine Mantelfläche 33 und eine Aussparung 34. Die Aussparung 34 dient dazu, dass die Rotormagnetanordnung 30 auf die Welle 22 aufgeschoben werden kann. Die
Rotormagnetanordnung 30 hat beispielhaft vier Rotorpole 301 , 302, 303, 304, es sind jedoch auch andere Polzahlen möglich, bspw. 2, 6, 8 etc.
Die Rotormagnetanordnung 30 kann bspw. aus einem permanentmagnetischen Werkstoff hergestellt werden, sie kann auch aus einem Kunststoff mit eingebetteten Magnetpartikeln hergestellt werden, oder es können mehrere Einzelmagnete an einem Trägerbauteil befestigt werden. Bei der Herstellung aus einem
permanentmagnetischen Werkstoff ist beispielsweise eine Herstellung über Sintern oder durch Sägen aus einem Magnetmaterial möglich. Besonders bevorzugt kann ein permanentmagnetischer Werkstoff verwendet werden, der Neodym, Eisen und Bor enthält. Neodym-Eisen-Bor-Legierungen sind magnetisch besonders starke
Seltenerdmagnete. Der Neodym-Eisen-Bor-Legierung werden bevorzugt weitere Elemente hinzugefügt. Insbesondere weitere Seltenerdelemente wie Dysprosium und Erbium erhöhen die Temperaturstabilität der Magnetisierung, und Kobalt kann zur Erhöhung der Korrosionsbeständigkeit hinzugefügt werden.
Die Welle 22 ist bevorzugt im Bereich der Rotormagnetanordnung 30 kreiszylindrisch ausgebildet, da eine solche Welle 22 einfach und mit hoher Genauigkeit herstellbar ist. Es ist jedoch auch ein polygonaler Querschnitt oder ein anderer Querschnitt möglich. Nach dem Aufschieben der Rotormagnetanordnung 30 auf die Welle 22 ist diese bereits relativ zur Welle 22 geführt. Für eine vollständige Befestigung der
Rotormagnetanordnung müssen als verbleibende Freiheitsgrade insbesondere axiale Kräfte und ein bei Beschleunigungen auftretendes relatives Drehmoment zwischen der Rotormagnetanordnung 30 und der Welle 22 betrachtet werden.
Fig. 2 zeigt in einem Längsschnitt die Welle 22, die sich durch die Aussparung 34 der Rotormagnetanordnung 30 hindurch erstreckt. Zusätzlich ist eine erste
Befestigungsanordnung 41 an der Welle 22 befestigt.
Die Befestigungsanordnung 41 hat ein Federelement 51 und ein Ringelement 52 und ist zumindest abschnittsweise um die Welle 22 herum angeordnet.
Das Ringelement 52 hat eine Innenfläche 521 , die eine Aussparung 522 definiert, und es ist mittels einer Presspassverbindung 226 an der Welle 22 befestigt. Bei einer Presspassverbindung besteht eine Presspassung bzw. Übermaßpassung zwischen der Welle 22 und der Rotormagnetanordnung 30, das Maß der Welle 22 im Bereich der Presspassung ist also vor dem Fügen der Bauteile zumindest bereichsweise größer als das entsprechende Maß der Aussparung 522.
Bevorzugt ist die Innenfläche 521 zumindest abschnittsweise hohlzylindrisch mit kreisrundem Querschnitt ausgebildet, sie kann aber auch einen polygonalen
Querschnitt haben.
Die Welle 22 ist im Bereich des Ringelements 52 bevorzugt ebenfalls zylindrisch mit kreisrundem oder polygonalem Querschnitt ausgebildet.
Das Federelement 51 ist nach Art einer Tellerfeder ausgebildet. Das Federelement 51 hat bevorzugt die Mantelform eines Kegelstumpfes. Die Form des Federelements 51 kann auch als scheibenförmig bezeichnet werden. Das Federelement 51 ist innen mit dem Ringelement 52 verbunden, bzw. einstückig mit diesem ausgebildet, und außen kann es mit der Rotormagnetanordnung 30 in Kontakt treten. Wenn die
Rotormagnetanordnung 30 in Richtung zur Befestigungsanordnung 41 bewegt wird, federt das Federelement 51 ein und wird flacher. Das Federelement 51 kann somit eine Bewegung der Rotormagnetanordnung 30 in die erste axiale Richtung 241 begrenzen.
Die Rotormagnetanordnung 30 hat bevorzugt eine Spielpassung 227 auf der Welle 22. Permanentmagnetische Werkstoffe haben häufig spröde Werkstoffeigenschaften und sollten daher bevorzugt nicht extremen Spannungen ausgesetzt werden. Die
Toleranzen für die Spielpassung auf der Welle werden in einem Ausführungsbeispiel bevorzugt eng vorgegeben. Alternativ zur Spielpassung 227 kann in Abhängigkeit vom verwendeten Werkstoff oder Werkstoffverbund der Rotormagnetanordnung 30 eine Übergangspassung oder eine Presspassung vorgesehen werden.
Das Federelement 51 und das Ringelement 52 sind einstückig ausgebildet sein. Es kann aber auch eine feste Verbindung zwischen dem vor der Fügung getrennten Federelement 51 und Ringelement 52 vorgesehen sein.
Das Ringelement 52 ist im Ausführungsbeispiel als Kragen am Federelement 51 ausgebildet.
Fig. 3 zeigt in einem Längsschnitt den Rotor 20, wobei im Unterschied zu Fig. 2 zusätzlich eine zweite Befestigungsanordnung 42 vorgesehen ist, welche dazu ausgebildet ist, eine Bewegung der Rotormagnetanordnung 30 zumindest in die zweite axiale Richtung 242 zu begrenzen.
Die zweite Befestigungsanordnung 42 ist im Ausführungsbeispiel auf die gleiche Art aufgebaut wie die erste Befestigungsanordnung 41 , und die Ausführungen in Fig. 2 gelten entsprechend. Das Federelement 51 kann eine Bewegung der
Rotormagnetanordnung 30 in die zweite axiale Richtung 242 begrenzen.
Die Rotormagnetanordnung 30 ist zumindest abschnittsweise zwischen der ersten Befestigungsanordnung 41 und der zweiten Befestigungsanordnung 42 angeordnet. Dies ermöglicht eine gute Montage, bei der die erste Befestigungsanordnung 41 und die zweite Befestigungsanordnung 42 von unterschiedlichen Seiten auf die Welle 22 aufgeschoben werden können. Abschnitte der Rotormagnetanordnung 30 können dabei axial mit Abschnitten der Befestigungsanordnung 41 bzw. 42 überlappen. Durch die Klemmung der Rotormagnetanordnung 30 zwischen den
Befestigungsanordnungen 41 , 42 bzw. zwischen den Federelementen 51 entsteht eine reibschlüssige Verbindung zwischen den Federelementen 51 und der
Rotormagnetanordnung 30. Dies ermöglicht eine Drehmomentübertragung zwischen der Rotoranordnung 30 und dem Federelement 51. Zudem ermöglicht die
Ausführungsform sehr kleine Federwege und damit eine kompakte Bauweise des Rotors 20. Im direkten Vergleich ist in Fig. 2 die Befestigungsanordnung 41 noch im entspannten Zustand, da die Rotormagnetanordnung noch nicht mit einer Kraft nach links beaufschlagt ist. In Fig. 3 ist die Befestigungsanordnung 41 dagegen eingefedert.
Rotormagnetanordnungen 30 mit Neodym, Eisen und Bor sind spröde und werden daher üblicherweise geklebt. Versuche haben ergeben, dass eine Befestigung von Neodym-Eisen-Bor-Magneten über die Befestigungsanordnungen 41 , 42 gut funktioniert und sehr hohen Drehzahlen ohne Zerstörung der Rotormagnetanordnung 30 ermöglicht.
Fig. 4 zeigt den Rotor 20 mit einem ersten Lager 81 und einem zweiten Lager 82, wobei die erste Befestigungsanordnung 41 , die Rotormagnetanordnung 30 und die zweite Befestigungsanordnung 42 zwischen den beiden Lagern 81 , 82 angeordnet sind.
Im Ausführungsbeispiel sind die Lager 81 , 82 als Wälzlager ausgebildet, und sie haben jeweils einen Innenring 83 und einen Außenring 84. Bevorzugt liegt der Innenring 83 zumindest bei einem der Lager 81 , 82 gegen die zugehörige Befestigungsanordnung 41 , 42 an. Bei einem der Lager 81 , 82 kann zusätzlich eine Feder zwischen diesem und der Befestigungsanordnung vorgesehen werden, um ein Loslager zu bilden.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Innenring 83 einer oder beider
Befestigungsanordnungen 41 , 42 auf dem Ringelement 52 angeordnet werden, und dies ermöglicht eine sehr kompakte Bauweise in axialer Richtung. Hierzu ist das Ringelement 52 bevorzugt zumindest bereichsweise auf der Mantelfläche zylindrisch ausgebildet, um den Innenring 83 gut aufschieben zu können. Als Lager 81 , 82 können naturgemäß auch andere Lagertypen wie Gleitlager verwendet werden.
Fig. 5 zeigt in einer Draufsicht den Rotor 20 mit einer weiteren Ausführungsform der ersten Befestigungsanordnung 41 .
An der Innenfläche 521 des Ringelements 52 ist eine Mehrzahl von Zähnen 53 vorgesehen. Die Zähne 53 sind zur Welle 22 hin gerichtet, um so mit der Welle 22 zusammen die Presspassverbindung 226 zu bilden. Insbesondere bei großen Rotoren 20 kann über die Ausbildung der Zähne 53 (Größe, Anzahl) definiert werden, wie stark die Presspassverbindung 226 ausgebildet ist. Die Zähne 53 können auch in mehreren axial voneinander beabstandeten Ebenen vorgesehen werden.
Fig. 6 zeigt in einer Draufsicht eine weitere Ausgestaltung des Rotors 20 mit der ersten Befestigungsanordnung 41 , wobei sowohl die Welle 22 als auch die Innenfläche 521 einen polygonalen Querschnitt haben. Im Ausführungsbeispiel ist der Querschnitt hexagonal, er kann aber bspw. auch pentagonal oder mit einer anderen Anzahl von Ecken ausgebildet sein. Es sind auch Mischformen möglich, bei denen die Innenfläche 521 polygonal und die Welle 22 kreisrund ausgebildet sind, oder umgekehrt.
Fig. 7 zeigt in einer Draufsicht eine weitere Ausführungsform des Rotors 20. Am Federelement 51 ist eine Mehrzahl von Schlitzen 54 vorgesehen. Hierdurch wird das Federelement 51 in mehrere Segmente 51 A, 51 B, 51 C, 51 D unterteilt, die zumindest teilweise in ihrer Federwirkung voneinander entkoppelt sind. Hierdurch können
Unebenheiten an der Stirnseite der Rotormagnetanordnung 30 besser ausgeglichen werden, und es ergibt sich ein weicheres Federverhalten.
Fig. 8 zeigt in einem Längsschnitt ausschnittsweise eine Ausführungsform des Rotors 20. Die erste Verbindungsanordnung 41 ist auf der Welle 22 montiert, und die
Rotormagnetanordnung 30 ist gegen das Federelement 51 gepresst. Zur
Verdeutlichung der Federwirkung ist die unverpresste Form des Federelements 51 mit 51 ' gekennzeichnet, und die eingebettete Form mit 51 . Es ist zu sehen, wie das Federelement 51 durch die Rotormagnetanordnung 30 zum ersten Wellenende 221 hin verformt ist. Die Verformung des Federelements 51 ist bevorzugt zumindest
bereichsweise elastisch, sie kann aber auch zum Teil plastisch sein.
Das Federelement 51 hat auf der der Rotormagnetanordnung 30 zugewandten Seite im radial äußeren Bereich Druckspannung und im radial weiter innen gelegenen Bereich Zugspannung. Diese Ausführungsform ermöglicht eine einfache Ausgestaltung des Federelements 51 , da es im radial inneren Bereich direkt mit dem Ringelement 52 verbunden sein kann und außen in Kontakt mit der Rotormagnetanordnung 30 tritt, was eine gute Drehmomentübertragung ermöglicht. Alternativ kann das Federelement 51 bspw. derart ausgebildet werden, dass es sich vom Ringelement 52 aus in einem ersten Abschnitt radial nach außen erstreckt und anschließend in einem zweiten Abschnitt wieder radial nach innen erstreckt. In diesem Fall tritt das Federelement 51 radial weiter innen mit der Rotormagnetanordnung 30 in Kontakt. Diese Ausgestaltung ist jedoch weniger gut geeignet, eine Drehmomentübertragung zwischen der
Rotormagnetanordnung 30 und dem Federelement 51 zu ermöglichen.
Fig. 9 zeigt in einem Längsschnitt eine weitere Ausführungsform des Rotors 20. Die erste Befestigungsanordnung 41 ist zweiteilig bzw. allgemein mehrteilig ausgebildet, wobei das Ringelement 52 an einer Stelle 55 gegen das Federelement 51 anliegt, so dass eine weitere Verschiebung des radial inneren Bereichs des Federelements 51 in die axiale Richtung 241 verhindert wird. Das Federelement 51 kann somit bei einer Bewegung der Rotormagnetanordnung 30 in die Richtung 241 einfedern.
Beispielhaft ist das Federelement 51 in Kontakt mit der Mantelfläche 33 der
Rotormagnetanordnung 30.
Dies ermöglicht zum einen in einfacher Weise einen Formschluss, der eine sichere Drehmomentübertragung von der Rotormagnetanordnung auf die
Verbindungsanordnung 41 ermöglicht. Hierzu haben das Federelement 51 und die Rotormagnetanordnung 30 Formschlusselemente 51 1 , 305 aufweisen, welche zusammen eine Verdrehsicherung für die Drehmomentübertragung bilden. Das
Federelement 51 hat einen Zapfen bzw. Haken 51 1 , und die Rotormagnetanordnung eine passende Aussparung 305. Diese Elemente können auch vertauscht angeordnet werden, oder beide Bauteile 30, 51 können Zapfen haben, die zusammen wirken. Zum anderen kann ein solches Federelement 41 auch Kräfte in die axiale Richtung 242 aufnehmen, und bei einer festen Verbindung zwischen dem Federelement 51 und dem Ringelement 52 ist eine Ausgestaltung ohne zweites Federelement 42 möglich. Die Aufnahme von Kräften in beide axiale Richtungen 241 , 242 ist auch über andere Verbindungsarten möglich, beispielsweise über eine Schraube, die die
Verbindungsanordnung 41 mit der Magnetanordnung 30, verbindet.
Fig. 10 zeigt eine Ausführungsform des Rotors 20, bei welcher das Federelement 51 und die Rotormagnetanordnung 30 Formschlusselemente 51 1 , 305 aufweisen, welche zusammen eine Verdrehsicherung zwischen dem Federelement 51 und der
Rotormagnetanordnung 30 für die Drehmomentübertragung bilden. Das Federelement 51 hat einen Zapfen 51 1 , und die Rotormagnetanordnung eine zu diesem passende Aussparung, so dass der Zapfen 51 1 in die Aussparung eingreifen kann. Alternativ kann auch das Federelement 51 eine Aussparung und die Rotormagnetanordnung 30 einen Zapfen haben.
Fig. 11 zeigt den Rotor 20 mit einem Federelement 51 , das zwar als Tellerfeder ausgebildet ist, wobei es im radial inneren Bereich flacher verläuft als im radial äußeren Bereich. Das Federelement hat bildlich gesprochen einen Knick, wobei dieser Knick immer mehr verschwindet, je stärker die Tellerfeder gespannt wird.
Fig. 12 zeigt den Rotor 20 mit einer ersten Befestigungsanordnung 41 , welche das Federelement 51 und Ringelement 52 aufweist. Die zweite Befestigungsanordnung 42 ist einfacher aufgebaut und als Stab ausgebildet, der durch eine Aussparung in der Welle gesteckt ist und eine Bewegung der Rotormagnetanordnung 30 in die axiale Richtung 242 begrenzt. Die Federwirkung wird bei dieser Ausführungsform nur durch das Federelement 51 der ersten Befestigungsanordnung 41 erzielt.
Fig. 13 zeigt den Rotor 20, welcher vom Grundaufbau wie der Rotor 20 von Fig. 3 ausgebildet ist. Im Unterschied zu Fig. 3 ist die Rotormagnetanordnung 30 jedoch beabstandet von der Welle 22. Die Aussparung 34 der Rotormagnetanordnung 30 ist also größer als die Welle 22, und es verbleibt ein Zwischenraum 35 zwischen der Welle 22 und der Rotormagnetanordnung 30. Die Rotormagnetanordnung 30 wird somit durch die Befestigungsanordnungen 41 , 42 sowohl in axialer als auch in radialer Richtung gehalten, ohne dass die Welle 22 in direkten Kontakt mit der
Rotormagnetanordnung 30 tritt.
Diese Ausführungsform kann montiert werden, indem die Rotormagnetanordnung 30 bei der Montage relativ zur Welle ausgerichtet wird. Nach der Montage der
Befestigungsanordnungen 41 , 42 wird die Rotormagnetanordnung ausreichend von den Befestigungsanordnungen 41 , 42 fixiert. Versuche haben ergeben, dass die Unwucht bei dieser Ausführungsform noch geringer ist als bei der Ausführungsform der Fig. 3. Das war für den Fachmann nicht zu erwarten.
Es sind auch Ausführungsformen möglich, bei denen die Rotormagnetanordnung 30 in großen Teilen von der Welle 22 beabstandet ist, jedoch an wenigen Stellen einen Kontakt hat. Die Welle 22 hat eine zur Innenseite der Aussparung 34 benachbarte Fläche. Quantitativ ist es vorteilhaft, wenn hierbei an maximal 20 % dieser
benachbarten Fläche der Welle 22 ein Kontakt zur Rotormagnetanordnung 30 besteht, bevorzugt an maximal 10 %, weiter bevorzugt an maximal 5 % und besonders bevorzugt überhaupt kein direkter Kontakt.
Fig. 14 zeigt eine weitere Ausführungsform des Rotors 20. Die Presspassverbindung 226 zwischen dem Ringelement 52 und der Welle 22 ist in einem vorgegebenen ersten axialen Bereich 523 vorgesehen. Dieser erste axiale Bereich 523 ist von der
Rotormagnetanordnung 30 axial beabstandet.
Anders ausgedrückt sind das Ringelement 52 und das Federelement 51 durch ein Verbindungselement 56 miteinander verbunden, wobei das Verbindungselement 56 zumindest bereichsweise von der Welle 22 beabstandet ist.
Die gezeigte Ausführungsform ist vorteilhaft, da das Ringelement 52 üblicherweise im Bereich der Presspassverbindung 226 zumindest teilweise plastisch verformt wird. Wenn das Ringelement 52 und das Federelement 51 direkt aneinander anschließen, kann dies auch zu einer plastischen Verformung im Bereich des Federelements 51 führen. Dies muss nicht kritisch für die Federwirkung des Federelements sein, es erschwert jedoch die Berechnung bzw. Auslegung des Federelements. Bei der Ausführungsform von Fig. 14 sind das Federelement 51 und das Ringelement 52 dagegen weitgehend unbeeinflusst voneinander bzw. entkoppelt, und die Berechnung des Federelements 51 und des Ringelements 52 ist gut möglich.
Fig. 15 zeigt schematisch eine Elektromaschine 10 mit dem Rotor 20. Die
Elektromaschine 10 kann als Motor oder als Generator ausgebildet sein. Die
Elektromaschine 10 hat ein Gehäuse 12, einen Stator 14 mit einem Statorkern 16 und einer Wicklungsanordnung 18. Die Wicklungsanordnung 18 ist zur Ansteuerung mit einer Steuervorrichtung 15 verbunden. Der Rotor 20 ist über das erste Lager 81 und das zweite Lager 82 drehbar gelagert. Die Lager 8 , 82 bilden eine Lageranordnung 81 , 82. An mindestens einem Ende der Welle 22 ist eine Applikation 19 befestigt, beispielsweise ein Lüfterrad, ein Zahnrad oder ein Antriebsrad eines Generators.
Mit der Elektromaschine 10 wurden unter Verwendung des Rotors 20 von Fig. 2
Versuche mit einer Drehzahl von 62.000 min"1 durchgeführt. Die Befestigung über eine reine Klemmung hat gut funktioniert, und an der Rotormagnetanordnung 30, an den Befestigungsanordnungen 41 , 42 und an der Welle 22 sind keine Beschädigungen aufgetreten. Die Rotorunwucht war zufriedenstellend.
Herstellung der Befestigungsanordnung
Die mindestens eine Befestigungsanordnung 41 , 42 ist bevorzugt aus einem nicht- ferromagnetischen Werkstoff ausgebildet ist, weiter bevorzugt aus einem nichtmagnetischen bzw. unmagnetischen Werkstoff. Hierdurch wird der magnetische
Nutzfluss nicht durch die Befestigungsanordnung 41 , 42 beeinflusst.
Für die Herstellung der ersten oder zweiten Befestigungsanordnung 41 , 42 hat sich ein Werkstoff als positiv erwiesen, der Chrom und Nickel enthält. Es ist aber auch ein anderer Werkstoff möglich, beispielsweise ein Metall, eine Metalllegierung, ein
Kunststoff oder ein Kunststoffverbund.
Eine Herstellung der ersten oder zweiten Befestigungsanordnung 41 , 42 als Tiefziehteil oder als Drehteil ist vorteilhaft möglich und ermöglicht eine günstige Massenproduktion. Insbesondere die Ausbildung als Tiefziehteil ist auf Grund der geometrisch einfachen Form vorteilhaft. Montage des Rotors
Für die Montage des Rotors 20 folgt ein beispielhafter Ablauf. Die Welle 22 wird fixiert, und die erste Befestigungsanordnung 41 wird vom ersten Wellenende 221 aus bis zu einer vorgegebenen Position auf die Welle aufgepresst. Anschließend kann die
Rotormagnetanordnung vom zweiten Wellenende 222 aus auf die Welle 22
aufgeschoben werden, vgl. Fig. 2. Im nächsten Schritt wird die zweite
Befestigungsanordnung 42 vom zweiten Wellenende 222 aus auf die Welle 22 gepresst, vgl. Fig. 3. Entweder kann die zweite Befestigungsanordnung 42 bis zu einer vorgegebenen Position auf die Welle 42 gepresst werden, oder es kann beim
Aufpressen eine Überwachung der Presskraft erfolgen, und bei Erreichen einer vorgegebenen Mindestpresskraft kann davon ausgegangen werden, dass die
Rotormagnetanordnung 30 zwischen den beiden Befestigungsanordnungen 41 , 42 hinreichend verklemmt ist. Sofern die Rotormagnetanordnung 30 flache Stirnseiten hat, muss keine Ausrichtung der Bauteile in Umfangsrichtung erfolgen, und dies erleichtert die Montage.
Die Verbindung zwischen der Befestigungsanordnung 41 , 42 und der Welle 22 und die Verbindung zwischen der Befestigungsanordnung 41 , 42 und der
Rotormagnetanordnung 30 sind bevorzugt klebstofffrei ausgebildet. Grundsätzlich wäre ein Fügen des Federelements 51 und des Ringelements 52 durch eine
Klebstoffverbindung möglich, da diese vor der Montage des Rotors 20 erfolgen kann.
Die Montage der Lageranordnung 81 , 82 kann auf übliche Art erfolgen, beispielsweise durch Aufschieben der Lager 81 , 82 auf die Welle.
Naturgemäß sind im Rahmen der Erfindung vielfältige Modifikationen und
Abwandlungen möglich.
Der Rotor 20 kann ohne die zweite Befestigungsanordnung 42 ausgebildet werden. Hierzu ist es jedoch erforderlich, dass die erste Befestigungsanordnung 41 die
Bewegung der Rotormagnetanordnung 30 in beide axiale Richtungen begrenzt. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die erste Befestigungsanordnung 41 mit der Rotormagnetanordnung 30 verbunden ist, beispielsweise durch eine formschlüssige Verbindung, oder dass die erste Befestigungsanordnung 41 mit der Rotormagnetanordnung 30 verklebt ist.
Die Rotormagnetanordnung 30 hat in den Ausführungsbeispielen einen zylindrischen Mantel. Es können auch Rotormagnetanordnungen 30 mit anderen Geometrien verwendet werden, beispielsweise mit elliptischer, eckiger oder abgeflachter
Geometrie.
Bezugszeichenliste:
10 Elektromaschine
12 Gehäuse
14 Stator
15 Steuervorrichtung
16 Statorkern
18 Wicklung
0 Rotor
2 Welle
4 Drehachse
0 Rotormagnetanordnung
1 erste Stirnseite
2 zweite Stirnseite
3 Mantelfläche
4 Aussparung für Welle
5 Spalt
1 erste Befestigungsanordnung
2 zweite Befestigungsanordnung
1 Federelement
2 Ringelement
3 Zähne
4 Schlitze
5 Anlegestelle
21 erstes Wellenende
22 zweites Wellenende
23 erste Fase
24 zweite Fase
26 Presspassverbindung
27 Spielpassung
41 erste axiale Richtung
42 zweite axiale Richtung
01-304 Rotorpole
05 Aussparung
21 Innenfläche
22 Aussparung der Befestigungsanordnung23 axialer Bereich

Claims

Patentansprüche
1 . Rotor (20) für eine Elektromaschine (10),
welcher Rotor (20) eine Welle (22), eine Rotormagnetanordnung (30) und mindestens eine erste Befestigungsanordnung (41) aufweist,
welche Rotormagnetanordnung (30) eine Aussparung (34) aufweist, durch welche Aussparung (34) sich die Welle (22) erstreckt,
welche erste Befestigungsanordnung (41) ein Federelement (51 ) und ein
Ringelement (52) aufweist und zumindest abschnittsweise um die Welle (22) herum angeordnet ist,
welches Ringelement (52) mittels einer Presspassverbindung (226) an der Welle (22) befestigt ist und eine Bewegung des Federelements (51 ) in zumindest eine axiale Richtung (241 , 242) begrenzt,
und welches Federelement (51) dazu ausgebildet ist, eine Bewegung der
Rotormagnetanordnung in die zumindest eine axiale Richtung (241 , 242) zu begrenzen, bei welchem die Rotormagnetanordnung (30) zumindest
abschnittsweise zwischen der ersten Befestigungsanordnung (41) und der zweiten Befestigungsanordnung (42) angeordnet ist und die
Rotormagnetanordnung (30) eine Spielpassung (227) auf der Welle (22) hat und ferner die Presspassverbindung (226) zwischen dem Ringelement (52) und der Welle (22) in einem vorgegebenen ersten axialen Bereich (523) vorgesehen ist, welcher erste axiale Bereich (523) von der Rotormagnetanordnung (30) axial beabstandet ist.
2. Rotor nach Anspruch 1 , welcher eine zweite Befestigungsanordnung (42)
aufweist, welche dazu ausgebildet ist, eine Bewegung der
Rotormagnetanordnung (30) in zumindest eine axiale Richtung (241 , 242) zu begrenzen.
3. Rotor nach Anspruch 2, bei welcher die zweite Befestigungsanordnung(42) ein Federelement (51) und ein Ringelement (52) aufweist und zumindest
abschnittsweise um die Welle (22) herum angeordnet ist,
welches Ringelement (52) mittels einer Presspassverbindung (226) an der Welle (22) befestigt ist und eine Bewegung des Federelements (51) in zumindest eine axiale Richtung (241 , 242) begrenzt,
und welches Federelement (51) dazu ausgebildet ist, eine Bewegung der
Rotormagnetanordnung (30) in die axiale Richtung (241 , 242) zu begrenzen.
4. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Welle (22) im Bereich der Rotormagnetanordnung (30) kreiszylindrisch ausgebildet ist.
5. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Welle (22) im Bereich des Ringelements (52) zylindrisch mit kreisrundem oder polygonalem Querschnitt ausgebildet ist.
6. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Ringelement (52) hohlzylindrisch mit kreisrundem oder polygonalem Querschnitt ausgebildet ist.
7. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Ringelement (52) zur Welle (22) gerichtete Zähne (23) aufweist, welche Zähne (23) zur Bildung der Presspassverbindung (226) mit der Welle (22) zusammen wirken.
8. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das
Federelement (51) zumindest bereichsweise elastisch verformt ist.
9. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das
Federelement (51) als Tellerfeder ausgebildet ist.
10. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das
Federelement (51) und die Rotormagnetanordnung (30) mit einer reibschlüssigen Verbindung miteinander verbunden sind, um eine Drehmomentübertragung zwischen der Rotoranordnung (30) und dem Federelement (51 ) zu ermöglichen.
1 1 . Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Federelement (51) dazu ausgebildet ist, einen Kontakt mit einer Stirnseite (31 , 32) der Rotormagnetanordnung (30) zu ermöglichen.
12. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die
Rotormagnetanordnung (30) eine Mantelfläche (33) aufweist, und bei welchem das Federelement (31 ) dazu ausgebildet ist, einen Kontakt mit der Mantelfläche (33) zu ermöglichen.
13. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das
Federelement (51) und die Rotormagnetanordnung (30) Formschlusselemente (51 1 , 305) aufweisen, welche zusammen eine Verdrehsicherung für die
Drehmomentübertragung bilden.
14. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das
Federelement (51) Schlitze (54) aufweist, welche das Federelement (51 ) in Segmente (51 A, 51 B, 51 C, 51 D) unterteilen, die zumindest teilweise in ihrer Federwirkung von einander entkoppelt sind.
15. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das
Federelement (51 ) und das Ringelement (52) fest miteinander verbunden sind oder einstückig ausgebildet sind.
16. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 15, bei welchem das Federelement (51) und das Ringelement (52) mehrteilig ausgebildet sind.
17. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Ringelement (52) als Kragen am Federelement (51) ausgebildet ist.
18. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem das Ringelement (52) und das Federelement (51 ) durch ein Verbindungselement (56) miteinander verbunden sind, wobei das Verbindungselement (56) zumindest bereichsweise von der Welle (22) beabstandet ist.
19. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die mindestens eine Befestigungsanordnung (41 ; 42) nicht-ferromagnetisch ausgebildet ist.
20. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die mindestens eine Befestigungsanordnung (41 ; 42) aus einem Werkstoff ausgebildet ist, welcher Chrom und Nickel enthält.
21. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die mindestens eine Befestigungsanordnung (41 ; 42) als Tiefziehteil oder als Drehteil ausgebildet ist.
22. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Verbindung zwischen der Befestigungsanordnung (41 ; 42) und der Welle (22) und die
Verbindung zwischen der Befestigungsanordnung (41 ; 42) und der
Rotormagnetanordnung (30) klebstofffrei ausgebildet sind.
23. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Aussparung (34) der Rotormagnetanordnung (30) eine Innenfläche aufweist und die Welle (22) eine zu dieser Innenfläche benachbarte Außenfläche aufweist, wobei maximal 20 % der Innenfläche der Aussparung in Kontakt mit der Außenfläche der Welle (22) ist.
24. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die
Rotormagnetanordnung (30) und die Welle (22) nicht in direktem Kontakt stehen.
25. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem zwischen der Rotormagnetanordnung (30) und der Welle (22) ein hohlzylinderförmiger
Hohlraum vorgesehen ist.
26. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die
Rotormagnetanordnung (30) Neodym, Eisen und Bor enthält.
27. Elektromaschine (10) mit einem Stator (14), einer Lageranordnung (81 , 82) und einem an der Lageranordnung (81 , 82) drehbar gelagerten Rotor (20) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Elektromaschine nach Anspruch 27, bei welcher die Lageranordnung (81 , 82) mindestens ein Wälzlager (81 , 82) mit einem Innenring (83) und einem Außenring (84) aufweist, wobei der Innenring (83) gegen das Ringelement (52) anliegt.
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