WO2022253622A1 - Rotor für eine elektrische maschine - Google Patents

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WO2022253622A1
WO2022253622A1 PCT/EP2022/063963 EP2022063963W WO2022253622A1 WO 2022253622 A1 WO2022253622 A1 WO 2022253622A1 EP 2022063963 W EP2022063963 W EP 2022063963W WO 2022253622 A1 WO2022253622 A1 WO 2022253622A1
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WO
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rotor
opening
rotor shaft
surface sections
shaft
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PCT/EP2022/063963
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Inventor
Martin Kuhn
Original Assignee
Valeo Eautomotive Germany Gmbh
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    • 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
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    • H02K15/00—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines
    • H02K15/02—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines of stator or rotor bodies
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    • H02K2213/03—Machines characterised by numerical values, ranges, mathematical expressions or similar information

Definitions

  • the invention relates to a rotor for an electrical machine, an electrical machine with a rotor and a method for producing a rotor.
  • Electric machines are increasingly being used in electrically powered vehicles and hybrid vehicles, primarily as electric motors for driving a wheel or an axle of such a vehicle.
  • the electric motors can be, inter alia, synchronous motors or asynchronous motors.
  • Such an electric motor is usually mechanically coupled to a gear for speed adjustment.
  • the electric motor is usually electrically connected to an inverter, which converts a DC voltage supplied by a battery into an AC voltage for the operation of the
  • Electric motor generates, for example, a multi-phase AC voltage.
  • the rotor of an electrical machine typically has a rotor shaft surrounded by a cylindrical rotor stack formed from stacked electrical laminations.
  • the electric machine usually has a stator, in relation to which the rotor can rotate.
  • the stator usually has a stator core that is formed from stacked electrical laminations.
  • the stator can have windings of electrical conductors, for example as coil windings, Flat wire windings (hairpin windings) or hairpin windings.
  • the machine can be equipped with a housing in which the rotor and the stator are housed.
  • the rotor shaft is guided through a central passage opening or bore in the rotor stack and connected to the rotor stack in a torque-proof manner. The connection must also withstand high speeds, so that the transmission of torque from the rotor core to the rotor shaft is ensured.
  • the through-opening running axially can widen, so that its diameter increases.
  • the size of the widening is typically around 0.2 mm. This can lead to a weakening of the connection between the rotor core and the rotor shaft, causing the rotor core to slip on the rotor shaft. In other words, an undesired relative movement occurs between the rotor core and the rotor shaft. In order to avoid slipping, the rotor shaft relative to the
  • the rotor core can first be heated. As a result, the through-opening of the rotor core is widened, so that the rotor shaft can be guided through the through-opening despite the oversize. During the subsequent cooling of the rotor core, the rotor core shrinks onto the rotor shaft. As an alternative to heating the rotor core, the rotor shaft can be cooled. As a result, the diameter of the rotor shaft is reduced, so that the rotor shaft can be guided through the through-opening despite the oversize. It is also possible to combine heating of the rotor stack with cooling of the rotor shaft.
  • both the heating of the rotor core and the cooling of the rotor shaft increase the manufacturing time. Furthermore, the particularly large oversize and the temperature changes cause undesirable mechanical stresses in the rotor core or deformation of the rotor core, which can lead to an increased reject rate, operational disruptions and more difficult recycling.
  • An electric machine can be operated both in a normal speed range, which is provided for the intended use in the vehicle, and in an increased speed range, which is provided for test purposes.
  • the torque to be transmitted in the increased speed range is typically lower than the torque to be transmitted in the normal speed range.
  • the invention is based on the object of specifying a rotor for an electrical machine, the rotor core of which is sufficiently firmly connected to the rotor shaft even at high speeds, without the rotor core having to be heated or the rotor shaft cooled during manufacture.
  • the rotor of the present invention includes a rotor shaft having a plurality of axially extending knurled surface portions spaced circumferentially from one another.
  • the rotor includes a rotor stack a central through hole through which the rotor shaft passes, the through hole being splined to the knurled surface portions.
  • knurled surface sections refers to surface sections that are each provided with a surface structure known as “knurling”.
  • the knurling has elevations and depressions and can be produced inexpensively using a manufacturing process known as "knurling”.
  • knurling a round tool is pressed against a round workpiece (rotor shaft) and rolled, with both turning.
  • a profile of the tool is transferred to the workpiece by pressing the elevations of the profile into the surface of the workpiece.
  • toothing denotes a form-fitting connection in which peripheral areas of the knurled surface sections engage in the through-opening or its inner surface. If the through-hole widens as a result of the speed, the depth of the engagement is reduced somewhat (typically from approx. 0.4 mm to approx. 0.3 mm), but the engagement remains. This prevents the rotor stack from twisting in relation to the rotor shaft over the entire speed range.
  • the toothing can be created by pressing the rotor shaft into the rotor core or pressing the rotor core onto the rotor shaft, with the knurled surface sections each cutting or digging a corresponding contour into the rotor core. It is not necessary to heat up the rotor stack or cool down the rotor shaft. Instead, pressing in or pressing on can be carried out at normal ambient temperature. Thus, on the
  • the knurled surface sections are hardened so that the corresponding contour can be cut or dug into the rotor core particularly well.
  • the knurled surface sections should be harder than the inner surface of the through hole.
  • the entire surface of the rotor shaft can be hardened.
  • the rotor stack can be designed in the shape of a cylinder, so that it has a circular cross section.
  • the rotor shaft can be cylindrical, at least in the area of the rotor stack.
  • the rotor shaft can also have a different cross section.
  • the rotor core is preferably formed from stacked electrical laminations or individual laminations. The electrical laminations can be glued to one another, welded to one another and/or insulated from one another.
  • the rotor stack can have cavities in which permanent magnets are inserted.
  • aluminum or copper can be introduced into the cavities using the die-casting method.
  • coil windings can be inserted into the rotor core.
  • the number of knurled surface sections is, for example, two, three, four, five, six, seven or eight. However, a larger number of knurled surface sections can also be used. Furthermore, the number of knurled surface sections can correspond to the number of pole pairs of the rotor or to a multiple of the number of pole pairs.
  • Each of the surface portions extends axially along the outside of the rotor shaft.
  • the surface sections are preferably of identical design and/or arranged equidistant from one another.
  • the knurled surface sections of the rotor shaft can each have a constant or constant surface in the axial direction
  • cross-sectional profile This means that cross sections of a surface section arranged at different axial positions match or correspond to one another.
  • the production of such a cross-sectional profile is particularly simple.
  • a surface section with such a cross-sectional profile can be interlocked particularly well with the through-opening.
  • one or more of the knurled surface sections can each have an axial interruption. Consequently, the respective surface section has a knurled first section in the axial direction, an unknurled (e.g. smooth) second section adjoining the first section and a knurled third section adjoining the second section. This allows dirt to be removed particularly well from the knurled area.
  • a particularly secure hold between the rotor shaft and the rotor stack results when one or more of the cross-sectional profiles each have a plurality of radially outwardly pointing prongs.
  • a prong can be in the form of a triangle, with one corner of the triangle pointing radially outwards.
  • the corner can be acute, right or obtuse.
  • the legs of the triangle ending at the corner can be of the same length or of different lengths.
  • a depression can be arranged between adjacent prongs, for example with a round cross section.
  • the number of prongs in a surface section is preferably two to ten. However, more than ten prongs per surface section can also be provided. A number of four prongs per surface section is particularly advantageous. It is also possible for the surface sections to differ from one another in terms of the number of their prongs. With the prongs, a contour corresponding to the cross-sectional profile can be cut or dug into the rotor stack particularly well.
  • the elevations of a cross-sectional profile can also have a different shape, for example rounded off or each have an indentation.
  • the surface sections or cross-sectional profiles described can also be produced using another technology as an alternative to knurling.
  • the rotor shaft may have smooth surface portions disposed between the knurled surface portions.
  • the rotor shaft can first be produced with a circular cross section. The knurled surface sections can then be produced by knurling.
  • Surface sections of the rotor shaft may be associated with an axial opening arranged peripherally in the rotor stack, which is radially aligned with the surface section. That is, the opening is located radially outward of the surface portion. This avoids unwanted mechanical stresses in the rotor core and deformation of the rotor core, which could otherwise occur when the rotor shaft is pressed into the rotor core or the rotor core is pressed onto the rotor shaft when the rotor shaft is at its smoothest Surface sections has oversize compared to the through hole of the rotor core.
  • the axial opening in the rotor core can be designed as an elongated hole, the longitudinal direction of which corresponds to the circumferential direction.
  • the opening can also have a different shape.
  • the non-positive attachment of the rotor core to the rotor shaft is designed with particular advantage such that the smooth surface sections of the rotor shaft are non-positively connected to the through-opening of the rotor core as long as a speed of the rotor does not exceed a predetermined speed threshold value.
  • the speed threshold can have an upper limit on the normal speed range in which the electric machine is operated as intended. This design ensures that a high torque can be transmitted from the rotor stack to the rotor shaft in the normal speed range.
  • the rotor shaft can be made by suitably dimensioning the outer diameter of the rotor shaft and/or the inner diameter of the through hole (on the smooth surface sections of the rotor shaft) (the outer diameter must be larger than the inner diameter, for example approx. 0.1 mm).
  • the width of the smooth surface portions in the circumferential direction can be appropriately varied for design.
  • the rotor stack can have a number of rotor segments, which are lined up in a row in the axial direction, for example, and are each formed from stacked electrical laminations.
  • the rotor segments are therefore sub-assemblies of the rotor assembly.
  • one or more of the rotor segments can be rotated by a specified angle relative to one or two adjacent rotor segments in the circumferential direction, so that the rotor stack is staggered.
  • the rotor according to the invention is characterized in that the rotor segments can be manufactured identically, ie as identical parts, despite the twisting. This is due to the fact that the rotor segments are only geared and thus individualized when they are pressed onto the rotor shaft in accordance with the desired rotation.
  • the invention relates to an electrical machine with such a rotor. The machine is characterized by the advantages associated with the rotor.
  • the invention also relates to a method for producing a rotor of the type described.
  • the rotor shaft is pressed into the central through-opening of the rotor core in such a way that the through-opening is interlocked with the knurled surface sections of the rotor shaft.
  • each of the knurled surface sections can cut or dig a contour into the through-opening that corresponds to the surface section.
  • the rotor core can also be pressed onto the rotor shaft.
  • rotor segments of the rotor stack can each be pressed separately onto the rotor shaft.
  • FIG. 1 a perspective view of a rotor
  • FIG. 2 is a perspective view of the rotor shaft of the rotor
  • FIG. 3 is an axial view of the rotor shaft
  • FIG. 4 is an enlarged view of the connection between the rotor shaft and a rotor stack of the rotor
  • FIG 5 shows an electrical machine according to the invention.
  • FIG. 1 is a perspective view of a rotor 1 for an electrical machine, having a rotor shaft 2 pressed into a cylindrical rotor core 3 .
  • the rotor stack 3 consists of five rotor segments 4, each rotor segment 4 being composed of stacked electrical laminations. Furthermore, each rotor segment 4 is rotated by a fixed angle relative to an adjacent rotor segment 4 in the circumferential direction.
  • the rotor core 3 is provided with an end plate 5, 6 at each of its axial ends.
  • the end plates 5, 6 are held together with bolts 7 and nuts 8 passed through the rotor segments 4.
  • the rotor core 3 is pressed together with the end plates 5, 6.
  • the end plates and/or the screws and nuts can also be dispensed with.
  • FIG. 2 shows the rotor shaft 2 in a perspective view
  • FIG. 3 shows the rotor shaft 2 in an axial view
  • the rotor shaft 2 has a cylindrical basic shape.
  • a section of the rotor shaft 2, on which the rotor core 3 is located in the assembled state, has a plurality of axially extending knurled edges
  • Surface sections 9 which are spaced apart from one another in the circumferential direction, the distances between the surface sections 9 being equal.
  • the surface sections 9 each have an axially constant cross-sectional profile, ie a constant cross-section in the axial direction.
  • a knurled surface section 9 or its cross-sectional profile has a plurality of prongs 10 pointing outwards.
  • prongs 10 there are four prongs 10 each, which protrude to different extents radially outwards.
  • Such a prong 10 can enclose an internal angle of approximately 60° to 120°.
  • FIG. 4 is an enlarged view of the connection between the rotor shaft 2 and the rotor core 3. It can be seen there that the rotor core 3 has a central passage opening 11 into which the rotor shaft 2 is pressed.
  • the through-opening 11 has a depression 12 on its inner surface.
  • the depression 12 is designed as a recess, so that the diameter of the through-opening 11 is enlarged there. In other words, the inner surface is offset radially outward there.
  • Each knurled surface section 9 has an associated indentation 12 in the through-opening 11 of the rotor core 3 which covers the surface section 9 radially. An axially extending gap is thus formed between the rotor core 3 and the rotor shaft 2 . Between the knurled surface portions 9 are smooth
  • the rotor shaft 2 is pressed into the through opening 11 of the rotor core 3 during the production of the rotor 1 .
  • the wells 12 interlock
  • the outer diameter of the rotor shaft at the teeth is slightly larger than the inner diameter of the rotor core 3 at the indentations 12.
  • the teeth 10 dig into the indentations 12 of the rotor core 3 when pressed in a.
  • Fig. 5 shows schematically an electric machine 14 with a housing 15 in which a stator 16 and the rotor 1 are accommodated.
  • the housing 15 can also be dispensed with.
  • the rotor can also be centered in the stator by other components or constructive solutions.
  • the electric machine 14 can be used, among other things, to drive a wheel or an axle of an electric vehicle or a hybrid vehicle.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)

Abstract

Rotor (1) für eine elektrische Maschine (14), mit einer Rotorwelle (2), die mehrere sich axial erstreckende gerändelte Oberflächenabschnitte (9) aufweist, die in Umfangsrichtung voneinander beabstandet sind, und einem Rotorpaket (3), das eine zentrale Durchgangsöffnung (11) aufweist, durch welche die Rotorwelle (2) verläuft, wobei die Durchgangsöffnung (11) mit den gerändelten Oberflächenabschnitten (9) verzahnt ist. Daneben betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine (14) und ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors (1).

Description

Rotor für eine elektrische Maschine
Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine, eine elektrische Maschine mit einem Rotor und ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors.
Elektrische Maschinen werden in zunehmendem Maße in elektrisch angetriebenen Fahrzeugen und Hybridfahrzeugen eingesetzt, überwiegend als Elektromotoren für den Antrieb eines Rads oder einer Achse eines solchen Fahrzeugs. Bei den Elektromotoren kann es sich unter anderem um Synchronmotoren oder Asynchronmotoren handeln.
Ein solcher Elektromotor ist zumeist mechanisch mit einem Getriebe zur Drehzahlanpassung gekoppelt. Daneben ist der Elektromotor in der Regel elektrisch mit einem Wechselrichter verbunden, der aus einer von einer Batterie gelieferten Gleichspannung eine Wechselspannung für den Betrieb des
Elektromotors erzeugt, beispielsweise eine mehrphasige Wechselspannung.
Es ist auch möglich, eine solche elektrische Maschine als Generator zur Rekuperation von Bewegungsenergie eines Fahrzeugs zu betreiben. Hierzu wird die Bewegungsenergie zunächst in elektrische Energie und dann in chemische Energie einer Fahrzeugbatterie umgewandelt.
Der Rotor einer elektrischen Maschine verfügt normalerweise über eine Rotorwelle, die von einem zylinderförmigen Rotorpaket umschlossen ist, das aus gestapelten Elektroblechen gebildet ist. Zusätzlich kann der Rotor in dem
Rotorpaket angeordnete Permanentmagnete, einen Rotorkäfig oder gewickelte Spulen aufweisen.
Neben dem Rotor verfügt die elektrische Maschine in der Regel über einen Stator, gegenüber dem der Rotor drehbar ist. Der Stator besitzt zumeist ein Statorpaket, das aus gestapelten Elektroblechen gebildet ist. Daneben kann der Stator Wicklungen elektrischer Leiter aufweisen, zum Beispiel als Spulenwicklungen, Flachdrahtwicklungen (Hairpin Windings) oder Haarnadelwicklungen. Optional kann die Maschine mit einem Gehäuse ausgestattet sein, in dem der Rotor und der Stator aufgenommen sind. Bei der Herstellung der elektrischen Maschine ist es erforderlich, das Rotorpaket auf der Rotorwelle zu befestigen. Dazu wird die Rotorwelle durch eine zentrale Durchgangsöffnung beziehungsweise Bohrung des Rotorpakets geführt und drehfest mit dem Rotorpaket verbunden. Die Verbindung muss auch hohen Drehzahlen standhalten, so dass die Übertragung eines Drehmoments von dem Rotorpaket auf die Rotorwelle sichergestellt ist.
Allerdings kann es bei hohen Drehzahlen aufgrund von Fliehkräften zu einer Aufweitung der axial verlaufenden Durchgangsöffnung kommen, so dass sich deren Durchmesser vergrößert. Die Größe der Aufweitung beträgt typischerweise ca. 0,2 mm. Das kann dazu führen, dass die Festigkeit der Verbindung des Rotorpakets mit der Rotorwelle nachlässt, wodurch das Rotorpaket auf der Rotorwelle verrutscht. Mit anderen Worten kommt es zu einer unerwünschten Relativbewegung zwischen dem Rotorpaket und der Rotorwelle. Um das Verrutschen zu vermeiden, kann die Rotorwelle gegenüber der
Durchgangsöffnung des Rotorpakets (im unmontierten Zustand) ein besonders großes Übermaß besitzen. Dadurch ist das Rotorpaket (im montierten Zustand) besonders fest mit der Rotorwelle verbunden, wobei die Verbindung auch hohen Drehzahlen standhält.
Zum Herstellen der Verbindung mit dem besonders großen Übermaß kann das Rotorpaket zunächst erwärmt werden. Dadurch wird die Durchgangsöffnung des Rotorpakets aufgeweitet, so dass sich die Rotorwelle trotz des Übermaßes durch die Durchgangsöffnung führen lässt. Beim anschließenden Abkühlen des Rotorpakets schrumpft das Rotorpaket auf die Rotorwelle auf. Alternativ zum Erwärmen des Rotorpakets kann die Rotorwelle abgekühlt werden. Dadurch wird der Durchmesser der Rotorwelle verringert, so dass sich die Rotorwelle trotz des Übermaßes durch die Durchgangsöffnung führen lässt. Ebenso ist es möglich das Erwärmen des Rotorpakets mit dem Abkühlen der Rotorwelle zu kombinieren.
Allerdings verlängern sowohl das Erwärmen des Rotorpakets als auch das Abkühlen der Rotorwelle die Herstellungszeit. Ferner bewirken das besonders große Übermaß und die Temperaturänderungen unerwünschte mechanische Spannungen im Rotorpaket oder eine Deformation des Rotorpakets, die zu einer erhöhten Ausschussquote, Betriebsstörungen und einem erschwerten Recycling führen können.
Eine elektrische Maschine kann sowohl in einem normalen Drehzahlbereich, der für den bestimmungsgemäßen Einsatz im Fahrzeug vorgesehen ist, als auch in einem erhöhten Drehzahlbereich, der für Testzwecke vorgesehen ist, betrieben werden. Das in dem erhöhten Drehzahlbereich zu übertragende Drehmoment fällt typischerweise geringer aus, als das in dem normalen Drehzahlbereich zu übertragende Drehmoment.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Rotor für eine elektrische Maschine anzugeben, dessen Rotorpaket auch bei hohen Drehzahlen ausreichend fest mit dessen Rotorwelle verbunden ist, ohne dass bei der Herstellung des Rotors ein Erwärmen des Rotorpakets oder Abkühlen der Rotorwelle erforderlich ist.
Zur Lösung der Aufgabe ist ein Rotor mit den Merkmalen von Anspruch 1 vorgesehen. Der erfindungsgemäße Rotor umfasst eine Rotorwelle, die mehrere sich axial erstreckende gerändelte Oberflächenabschnitte aufweist, die in Umfangsrichtung voneinander beabstandet sind. Daneben umfasst der Rotor ein Rotorpaket mit einer zentralen Durchgangsöffnung, durch welche die Rotorwelle verläuft, wobei die Durchgangsöffnung mit den gerändelten Oberflächenabschnitten verzahnt ist.
Der Begriff „gerändelte Oberflächenabschnitte“ bezeichnet Oberflächenabschnitte, die jeweils mit einer als „Rändelung“ bezeichneten Oberflächenstruktur versehen sind. Die Rändelung weist Erhebungen und Senken auf und ist mit einem als „Rändeln“ bezeichneten Fertigungsverfahren kostengünstig herstellbar. Beim Rändeln wird ein rundes Werkzeug gegen ein rundes Werkstück (Rotorwelle) gepresst und abgewälzt, wobei sich beide drehen. Dabei wird ein Profil des Werkzeugs auf das Werkstück übertragen, indem die Erhebungen des Profils in die Oberfläche des Werkstückes eingedrückt werden.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Verzahnung der gerändelten Oberflächenabschnitte mit der Durchgangsöffnung besteht eine drehfeste Verbindung des Rotorpakets mit der Rotorwelle. Der Begriff „Verzahnung“ bezeichnet eine formschlüssige Verbindung, bei der periphere Bereiche der gerändelten Oberflächenabschnitte in die Durchgangsöffnung beziehungsweise deren Innenfläche eingreifen. Bei einer drehzahlbedingten Aufweitung der Durchgangsöffnung wird zwar die Tiefe des Eingriffs etwas vermindert (typischerweise von ca. 0,4 mm auf ca. 0,3 mm), trotzdem bleibt der Eingriff bestehen. Dadurch wird ein Verdrehen des Rotorpakets bezüglich der Rotorwelle über den gesamten Drehzahlbereich vermieden.
Die Verzahnung kann durch Einpressen der Rotorwelle in das Rotorpaket oder Aufpressen des Rotorpakets auf die Rotorwelle geschaffen werden, wobei die gerändelten Oberflächenabschnitte jeweils eine korrespondierende Kontur in das Rotorpaket einschneiden beziehungsweise eingraben. Hierzu ist kein Erwärmen des Rotorpakets beziehungsweise Abkühlen der Rotorwelle erforderlich. Stattdessen kann das Einpressen beziehungsweise Aufpressen bei normaler Umgebungstemperatur vorgenommen werden. Somit kann auf die
Verfahrensschritte Erwärmung des Rotorpakets beziehungsweise Abkühlung der Rotorwelle verzichtet werden. Dadurch lässt sich der erfindungsgemäße Rotor kostengünstiger als ein herkömmlicher Rotor hersteilen.
Vorteilhafterweise sind die gerändelten Oberflächenabschnitte gehärtet, damit sich die korrespondierende Kontur besonders gut in das Rotorpaket einschneiden beziehungsweise eingraben lässt. Insbesondere sollten die gerändelten Oberflächenabschnitte härter als die Innenfläche der Durchgangsöffnung sein. Optional kann die gesamte Oberfläche der Rotorwelle gehärtet sein. Das Rotorpaket kann zylinderförmig ausgebildet sein, so dass es einen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Ebenso kann die Rotorwelle zylinderförmig ausgebildet sein, zumindest im Bereich des Rotorpakets. Die Rotorwelle kann aber auch einen anderen Querschnitt besitzen. Bevorzugt ist das Rotorpaket aus gestapelten Elektroblechen beziehungsweise Einzelblechen gebildet. Die Elektrobleche können miteinander verklebt, miteinander verschweißt und/oder gegeneinander isoliert sein. Ferner kann das Rotorpaket Hohlräume besitzen, in die Permanentmagnete eingesetzt sind. Alternativ dazu kann in die Hohlräume Aluminium oder Kupfer im Druckgussverfahren eingebracht sein. Ferner können in das Rotorpaket Spulenwicklungen eingesetzt sein.
Die Anzahl der gerändelten Oberflächenabschnitte beträgt zum Beispiel zwei, drei, vier, fünf, sechs, sieben oder acht. Es ist aber auch eine größere Anzahl gerändelter Oberflächenabschnitte verwendbar. Ferner kann die Anzahl der gerändelten Oberflächenabschnitte der Polpaarzahl des Rotors oder einem Vielfachen der Polpaarzahl entsprechen. Jeder der Oberflächenabschnitte erstreckt sich in Axialrichtung entlang der Außenseite der Rotorwelle. Vorzugsweise sind die Oberflächenabschnitte identisch ausgebildet und/oder äquidistant voneinander angeordnet. Eine Weiterbildung des erfindungsgemäßen Rotors sieht vor, dass jedem der gerändelten Oberflächenabschnitte der Rotorwelle eine den Oberflächenabschnitt radial überdeckende Vertiefung der Innenfläche der Durchgangsöffnung des Rotorpakets gegenüberliegt. Folglich befindet sich die Vertiefung in Radialrichtung auswärts von dem Oberflächenabschnitt. Damit ist zwischen dem
Oberflächenabschnitt und dem Rotorpaket ein sich axial erstreckender Spalt gebildet, dessen radiale Ausdehnung typischerweise ca. 0,5 mm beträgt.
Weiterhin können die gerändelten Oberflächenabschnitte der Rotorwelle jeweils ein in Axialrichtung gleichbleibendes beziehungsweise konstantes
Querschnittsprofil aufweisen. Das heißt, an unterschiedlichen axialen Positionen angeordnete Querschnitte eines Oberflächenabschnittes stimmen überein beziehungsweise entsprechen einander. Die Herstellung eines derartigen Querschnittsprofils ist besonders einfach. Ferner lässt sich ein Oberflächenabschnitt mit einem solchen Querschnittsprofil besonders gut mit der Durchgangsöffnung verzahnen.
Davon abweichend können einer oder mehrere der gerändelten Oberflächenabschnitte jeweils eine axiale Unterbrechung aufweisen. Folglich besitzt der jeweilige Oberflächenabschnitt in Axialrichtung einen gerändelten ersten Teilabschnitt, einen sich an den ersten Teilabschnitt anschließenden ungerändelten (zum Beispiel glatten) zweiten Teilabschnitt und einen sich an den zweiten Teilabschnitt anschließenden gerändelten dritten Teilabschnitt. Damit kann Schmutz aus dem gerändelten Bereich besonders gut abgeführt werden.
Ein besonders sicherer Halt zwischen der Rotorwelle und dem Rotorpaket ergibt sich, wenn eines oder mehrere der Querschnittsprofile jeweils mehrere radial nach außen weisende Zacken besitzen. Eine solche Zacke kann in Form eines Dreiecks ausgebildet sein, wobei eine Ecke des Dreiecks radial nach außen weist. Die Ecke kann spitzwinklig, rechtwinklig oder stumpfwinklig sein. Ferner können die an der Ecke endenden Schenkel des Dreiecks gleichlang oder unterschiedlich lang sein. Zwischen benachbarten Zacken kann jeweils eine Senke angeordnet sein, zum Beispiel mit einem runden Querschnitt.
Vorzugsweise beträgt die Anzahl der Zacken eines Oberflächenabschnittes zwei bis zehn. Es können aber auch mehr als zehn Zacken pro Oberflächenabschnitt vorgesehen sein. Besonders vorteilhaft ist eine Anzahl von vier Zacken pro Oberflächenabschnitt. Ebenso ist es möglich, dass sich die Oberflächenabschnitte hinsichtlich der Anzahl ihrer Zacken voneinander unterscheiden. Mit den Zacken lässt sich eine mit dem Querschnittsprofil korrespondierende Kontur besonders gut in das Rotorpaket einschneiden beziehungsweise eingraben.
Alternativ zu der Zackenform beziehungsweise Dreiecksform können die Erhebungen eines Querschnittsprofils auch eine andere Form haben, zum Beispiel abgerundet sein oder jeweils eine Einbuchtung aufweisen. Zu bemerken ist, dass die beschriebenen Oberflächenabschnitte beziehungsweise Querschnittsprofile alternativ zum Rändeln auch mit einer anderen Technologie herstellbar sind. Außerdem kann die Rotorwelle zwischen den gerändelten Oberflächenabschnitten angeordnete glatte Oberflächenabschnitte aufweisen. Dazu kann die Rotorwelle zunächst mit einem kreisförmigen Querschnitt hergestellt werden. Anschließend können die gerändelten Oberflächenabschnitte durch Rändeln erzeugt werden. Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann jedem der glatten
Oberflächenabschnitte der Rotorwelle eine peripher im Rotorpaket angeordnete axiale Öffnung zugeordnet sein, die radial mit dem Oberflächenabschnitt fluchtet. Das heißt, die Öffnung befindet sich in Radialrichtung auswärts vom dem Oberflächenabschnitt. Damit werden unerwünschte mechanische Spannungen im Rotorpaket und eine Deformation des Rotorpakets vermieden, die ansonsten beim Einpressen der Rotorwelle in das Rotorpaket oder Aufpressen des Rotorpakets auf die Rotorwelle auftreten könnten, wenn die Rotorwelle an ihren glatten Oberflächenabschnitten gegenüber der Durchgangsöffnung des Rotorpakets Übermaß hat.
Die axiale Öffnung im Rotorpaket kann als Langloch ausgebildet sein, dessen Längsrichtung der Umfangsrichtung entspricht. Die Öffnung kann aber auch eine andere Form aufweisen.
Mit dem erwähnten Einpressen der Rotorwelle in das Rotorpaket beziehungsweise Aufpressen des Rotorpakets auf die Rotorwelle, wobei die Rotorwelle (an ihren glatten Oberflächenabschnitten) gegenüber der Durchgangsöffnung Übermaß hat, wird neben der von der Verzahnung bewirkten formschlüssigen Befestigung eine vom dem Übermaß bewirkte kraftschlüssige Befestigung des Rotorpakets an der Rotorwelle geschaffen. Wegen der formschlüssigen Befestigung kann die kraftschlüssige Befestigung aber vergleichsweise schwach ausgelegt werden. Insbesondere kann Kaltpressen ausreichen, wobei auf ein Erwärmen des Rotorpakets beziehungsweise Abkühlen der Rotorwelle verzichtet wird. Dadurch werden unerwünschte mechanische Spannungen im Rotorpaket beziehungsweise eine Deformation des Rotorpakets vermieden.
Mit besonderem Vorteil wird die kraftschlüssige Befestigung des Rotorpakets auf der Rotorwelle so ausgelegt, dass die glatten Oberflächenabschnitte der Rotorwelle kraftschlüssig mit der Durchgangsöffnung des Rotorpakets verbunden sind, solange eine Drehzahl des Rotors einen vorgegebenen Drehzahlschwellenwert nicht überschreitet.
Der Drehzahlschwellenwert kann den normalen Drehzahlbereich, in dem die elektrische Maschine bestimmungsgemäß betrieben wird, nach oben begrenzen. Mit dieser Auslegung ist sichergestellt, dass in dem normalen Drehzahlbereich ein hohes Drehmoment von dem Rotorpaket auf die Rotorwelle übertragen werden kann. Es ist insbesondere möglich, die kraftschlüssige Befestigung des Rotorpakets auf der Rotorwelle so auszulegen, dass die Befestigung bei oder nach Überschreiten des Drehzahlschwellenwertes gelockert beziehungsweise gelöst wird. Dann kann zwar kein hohes Drehmoment mehr übertragen werden, aufgrund der weiterhin bestehenden Verzahnung bleibt das Rotorpaket aber drehfest mit der Rotorwelle verbunden, so dass zum Beispiel ein vorgeschriebener Test der elektrischen Maschine absolvierbar ist. Die Auslegung der kraftschlüssigen Befestigung des Rotorpakets auf der
Rotorwelle lässt sich vornehmen, indem der Außendurchmesser der Rotorwelle und/oder der Innendurchmesser der Durchgangsöffnung (an den glatten Oberflächenabschnitten der Rotorwelle) geeignet dimensioniert werden (grundsätzlich muss der Außendurchmesser gegenüber dem Innendurchmesser ein Übermaß aufweisen, zum Beispiel ca. 0,1 mm). Außerdem kann für die Auslegung die Breite der glatten Oberflächenabschnitte in Umfangsrichtung in geeigneter Weise variiert werden.
Das Rotorpaket kann mehrere Rotorsegmente aufweisen, die zum Beispiel in Axialrichtung aneinandergereiht sind und jeweils aus gestapelten Elektroblechen gebildet sind. Somit handelt es sich bei den Rotorsegmenten um Teilpakete des Rotorpakets.
Optional können eines oder mehrere der Rotorsegmente gegenüber einem oder zwei benachbarten Rotorsegmenten in Umfangsrichtung um einen festgelegten Winkel verdreht sein, so dass das Rotorpaket gestaffelt ist. Der erfindungsgemäße Rotor zeichnet sich dadurch aus, dass die Rotorsegmente trotz der Verdrehung identisch, das heißt als Gleichteile, hergestellt werden können. Das liegt daran, dass die Rotorsegmente erst beim Aufpressen auf die Rotorwelle entsprechend der jeweils gewünschten Verdrehung verzahnt und damit individualisiert werden. Zusätzlich oder alternativ dazu ist es auch möglich, dass eines oder mehrere der Elektrobleche jeweils gegenüber einem oder zwei benachbarten Elektroblechen in Umfangsrichtung um einen festgelegten Winkel verdreht sind. Neben dem beschriebenen Rotor betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine mit einem solchen Rotor. Die Maschine zeichnet sich durch die mit dem Rotor verbundenen Vorteile aus.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors der beschriebenen Art. Bei dem Verfahren wird die Rotorwelle derart in die zentrale Durchgangsöffnung des Rotorpakets eingepresst, dass die Durchgangsöffnung mit den gerändelten Oberflächenabschnitten der Rotorwelle verzahnt wird. Dazu kann jeder der gerändelten Oberflächenabschnitte eine Kontur in die Durchgangsöffnung schneiden beziehungsweise graben, die mit dem Oberflächenabschnitt korrespondiert.
Zu bemerken ist, dass anstelle des Einpressens der Rotorwelle in das Rotorpaket auch das Rotorpaket auf die Rotorwelle aufgepresst werden kann. Insbesondere können Rotorsegmente des Rotorpakets jeweils separat auf die Rotorwelle auf gepresst werden.
Vorzugsweise werden beim Einpressen der Rotorwelle die glatten Oberflächenabschnitte der Rotorwelle kraftschlüssig mit der Durchgangsöffnung des Rotorpakets verbunden. Auf diese Weise wird zusätzlich zur von der Verzahnung bewirkten formschlüssigen Befestigung eine vom Übermaß der Rotorwelle an den glatten Oberflächenabschnitten bewirkte kraftschlüssige Befestigung des Rotorpakets auf der Rotorwelle geschaffen. Das ermöglicht das Übertragen besonders hoher Drehmomente von dem Rotorpaket auf die Rotorwelle. Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Die Figuren sind schematische Darstellungen und zeigen: Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Rotors,
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht der Rotorwelle des Rotors,
Fig. 3 eine axiale Ansicht der Rotorwelle, Fig. 4 eine vergrößerte Ansicht der Verbindung zwischen der Rotorwelle und einem Rotorpaket des Rotors, und
Fig. 5 eine erfindungsgemäße elektrische Maschine.
Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Rotor 1 für eine elektrische Maschine, der eine Rotorwelle 2 aufweist, die in ein zylinderförmiges Rotorpaket 3 gepresst ist. Das Rotorpaket 3 besteht aus fünf Rotorsegmenten 4, wobei jedes Rotorsegmente 4 aus gestapelten Elektroblechen zusammengesetzt ist. Ferner ist jedes Rotorsegment 4 gegenüber einem benachbarten Rotorsegment 4 in Umfangsrichtung um einen festgelegten Winkel verdreht.
Das Rotorpaket 3 ist an seinen axialen Enden jeweils mit einer Endplatte 5, 6 versehen. Die Endplatten 5, 6 werden mit durch die Rotorsegmente 4 geführten Schrauben 7 und Muttern 8 zusammengehalten. Optional wird das Rotorpaket 3 mit den Endplatten 5, 6 zusammengepresst. Auf die Endplatten und/oder die Schrauben und Muttern kann aber auch verzichtet werden.
Fig. 2 zeigt die Rotorwelle 2 in einer perspektivischen Ansicht und Fig. 3 zeigt die Rotorwelle 2 in einer axialen Ansicht. Die Rotorwelle 2 hat eine zylinderförmige Grundform. Ein Abschnitt der Rotorwelle 2, auf dem sich im montierten Zustand das Rotorpaket 3 befindet, besitzt mehrere sich axial erstreckende gerändelte Oberflächenabschnitte 9, die in Umfangsrichtung voneinander beabstandet sind, wobei die Abstände zwischen den Oberflächenabschnitte 9 gleich groß sind. Die Oberflächenabschnitte 9 besitzen jeweils ein axial gleichbleibendes Querschnittsprofil, also einen in Axialrichtung konstanten Querschnitt.
In Fig. 3 ist erkennbar, dass ein gerändelter Oberflächenabschnitt 9 beziehungsweise dessen Querschnittsprofil mehrere nach außen weisende Zacken 10 aufweist. In diesem Fall sind jeweils vier Zacken 10 vorhanden, welche unterschiedlich weit radial nach außen abstehen. Eine solche Zacke 10 kann einen Innenwinkel von etwa 60° bis 120° einschließen.
Weiterhin sind die gerändelten Oberflächenabschnitte 9 gehärtet, so dass sich die Zacken 10 gut in das Rotorpaket eingraben. Fig. 4 ist eine vergrößerte Ansicht der Verbindung zwischen der Rotorwelle 2 und dem Rotorpaket 3. Man erkennt dort, dass das Rotorpaket 3 eine zentrale Durchgangsöffnung 11 aufweist, in welche die Rotorwelle 2 eingepresst ist.
An jeder Stelle der Rotorwelle 2, wo sich ein gerändelter Oberflächenabschnitt 9 befindet, weist die Durchgangsöffnung 11 an ihrer Innenfläche eine Vertiefung 12 auf. Die Vertiefung 12 ist als Ausnehmung ausgebildet, so dass dort der Durchmesser der Durchgangsöffnung 11 vergrößert ist. Mit anderen Worten ist dort die Innenfläche radial nach außen versetzt. Jedem gerändelten Oberflächenabschnitt 9 liegt eine zugehörige Vertiefung 12 der Durchgangsöffnung 11 des Rotorpakets 3 gegenüber, welche den Oberflächenabschnitt 9 radial überdeckt. Damit ist zwischen dem Rotorpaket 3 und der Rotorwelle 2 ein axial verlaufender Spalt gebildet. Zwischen den gerändelten Oberflächenabschnitten 9 sind glatte
Oberflächenabschnitte 13 angeordnet. Da eine Vertiefung 12 in Umfangsrichtung breiter als der zugehörige gerändelte Oberflächenabschnitt 9 ausgebildet ist, erstreckt sich der zwischen dem Oberflächenabschnitt 9 und der Vertiefung 12 ausgebildete Spalt auch über einen Teil eines glatten Oberflächenabschnittes 13.
Die Rotorwelle 2 wird bei der Herstellung des Rotors 1 in die Durchgangsöffnung 11 des Rotorpakets 3 eingepresst. Dabei verzahnen sich die Vertiefungen 12 der
Durchgangsöffnung 11 des Rotorpakets 3 mit den gerändelten Oberflächenabschnitten 9. Hierzu ist der Außendurchmesser der Rotorwelle an den Zacken etwas größer ausgebildet, als der Innendurchmesser des Rotorpakets 3 an den Vertiefungen 12. Dadurch graben sich die Zacken 10 beim Einpressen in die Vertiefungen 12 des Rotorpakets 3 ein.
Fig. 5 zeigt schematisch eine elektrische Maschine 14 mit einem Gehäuse 15, in dem ein Stator 16 und der Rotor 1 aufgenommen sind. Auf das Gehäuse 15 kann aber auch verzichtet werden. Insbesondere lässt sich der Rotor auch durch andere Bauteile beziehungsweise konstruktive Lösungen im Stator zentrieren. Die elektrische Maschine 14 kann unter anderem zum Antreiben eines Rads oder einer Achse eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs dienen.
Bezugszeichenliste
1 Rotor
2 Rotorwelle 3 Rotorpaket
4 Rotorsegment
5 Endplatte
6 Endplatte
7 Schraube 8 Mutter
9 gerändelter Oberflächenabschnitt
10 Zacke
11 Durchgangsöffnung
12 Vertiefung 13 glatter Oberflächenabschnitt
14 elektrische Maschine
15 Gehäuse
16 Stator

Claims

Patentansprüche
1. Rotor (1 ) für eine elektrische Maschine (14), mit einer Rotorwelle (2), die mehrere sich axial erstreckende gerändelte Oberflächenabschnitte (9) aufweist, die in Umfangsrichtung voneinander beabstandet sind, und einem Rotorpaket (3), das eine zentrale Durchgangsöffnung (11) aufweist, durch welche die Rotorwelle (2) verläuft, wobei die Durchgangsöffnung (11) mit den gerändelten Oberflächenabschnitten (9) verzahnt ist.
2. Rotor nach Anspruch 1 , wobei das Rotorpaket (3) aus gestapelten Elektroblechen gebildet ist.
3. Rotor nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Anzahl der gerändelten Oberflächenabschnitte (9) der Polpaarzahl des Rotors (1) oder einem Vielfachen der Polpaarzahl entspricht.
4. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jedem der gerändelten Oberflächenabschnitte (9) eine den Oberflächenabschnitt radial überdeckende Vertiefung (12) einer Innenfläche der Durchgangsöffnung (11 ) gegenüberliegt.
5. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die gerändelten Oberflächenabschnitte (9) jeweils ein in Axialrichtung gleichbleibendes Querschnittsprofil aufweisen.
6. Rotor nach Anspruch 5, wobei eines oder mehrere der Querschnittsprofile jeweils mehrere nach außen weisende Zacken (10) aufweisen.
7. Rotor nach Anspruch 6, wobei die Anzahl der Zacken (10) vier beträgt.
8. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rotorwelle (2) zwischen den gerändelten Oberflächenabschnitten (9) angeordnete glatte Oberflächenabschnitte (13) aufweist.
9. Rotor nach Anspruch 8, wobei jedem der glatten Oberflächenabschnitte
(13) eine peripher im Rotorpaket (3) angeordnete Öffnung zugeordnet ist, die radial mit dem Oberflächenabschnitt (13) fluchtet.
10. Rotor nach Anspruch 9, wobei die Öffnung als Langloch ausgebildet ist, dessen Längsrichtung der Umfangsrichtung entspricht.
11. Rotor nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei die glatten Oberflächenabschnitte (13) kraftschlüssig mit der Durchgangsöffnung (11) verbunden sind, wenn eine Drehzahl des Rotors (1) einen vorgegebenen Drehzahlschwellenwert nicht überschreitet.
12. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Rotorpaket (3) mehrere Rotorsegmente (4) aufweist und eines der Rotorsegmente (4) gegenüber einem benachbarten der Rotorsegmente (4) in Umfangsrichtung um einen festgelegten Winkel verdreht ist.
13. Elektrische Maschine (14), mit einem Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
14. Verfahren zur Herstellung eines Rotors (1) nach einem der Ansprüche 1 bis
12, wobei die Rotorwelle (2) derart in das Rotorpaket (3) eingepresst wird, dass die Durchgangsöffnung (11) mit den gerändelten Oberflächenabschnitten (9) verzahnt wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei beim Einpressen der Rotorwelle (2) glatte Oberflächenabschnitte (13) der Rotorwelle (2) kraftschlüssig mit der Durchgangsöffnung (11) verbunden werden.
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