-
Die
Erfindung betrifft einen Rotor für
einen Elektromotor, mit einem Rotorkörper und einer den Rotorkörper tragenden
Welle.
-
Stand der Technik
-
Elektromotoren,
insbesondere Gleichstrommotoren, umfassen typischerweise eine rotierende Welle,
an der der Rotorkörper
angeordnet ist. Diese besteht im Allgemeinen aus Stahl oder aus
einer Stahllegierung und weist eine Geometrie zur Aufnahme des Rotors
und/oder zur Aufnahme von zum Rotor gehörigen und/oder nach außen führenden
Verbindungen auf. Die Komponenten dieser Armatur sind im Regelfall
zur Ausbildung einer drehfesten Verbindung mit der Welle aufgepresst
oder in einer anderen Weise drehfest aufgebracht, um die elektromagnetischen
Kräfte
in eine mechanische Bewegung, insbesondere nämlich in eine Drehbewegung mit
entsprechendem Drehmoment übertragen
zu können.
Die Armaturkomponenten, die in direktem Kontakt mit der Welle stehen,
bestehen üblicherweise
aus platten Lamellen des Rotors, die Schlitzisolierungen zur Aufnahme
der Wicklung aufweisen, der Wicklung selbst, und einen Kommutator.
Die Welle muss hierbei nicht nur diese genannten Komponenten aufnehmen,
sondern auch eine gewisse Eigensteifigkeit aufweisen, um eine gewisse
Lauftoleranz und, in bestimmten Ausführungsformen, Lagerflächen bereitzustellen,
die einem Dauerbetrieb über die
Produktlebensdauer Stand halten. Diese im Stand der Technik allgemein
bekannten Ausführungsformen
sind teuer in der Herstellung und relativ schwer.
-
Aufgabe
der Erfindung ist es, entsprechend den Anforderungen des technischen
Fortschrittes und insbesondere der Automobilindustrie einen solchen
Rotor für
einen Elektromotor bereitzustellen, der eine größere Leistungsfähigkeit
bei Größen-, Gewichts-
und Kostenvorteilen aufweist.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Hierzu
wird ein Rotor für
einen Elektromotor vorgeschlagen, mit einem Rotorkörper und
einer den Rotorkörper
tragenden Welle. Es ist vorgesehen, dass die Welle zumindest teilweise
aus einem Kunststoff besteht. Anders als im Stand der Technik wird hierbei
die Welle nicht aus Stahl oder einer Stahllegierung gefertigt, sondern
zumindest teilweise aus einem Kunststoff. Die Fertigung aus Kunststoff
ergibt Kosten- und Gewichtsvorteile, daneben müssen mit der Welle in Berührkontakt
stehende Teile nicht isoliert werden, um unerwünschte elektrische Auswirkungen
zu verhindern.
-
In
einer weiteren Ausführungsform
besteht die Welle vollständig
aus Kunststoff. Die Welle enthält
hierbei keine Komponenten aus anderen Materialien außer Kunststoff.
-
In
einer weiteren Ausführungsform
ist die Welle eine Vollwelle oder eine Hohlwelle. Die Welle kann
als Vollwelle ausgebildet sein, also mit über ihre Axialerstreckung geschlossenem
Querschnitt, oder als Hohlwelle, also mit einem zumindest über einen Abschnitt
ihrer Axialerstreckung offenem Querschnitt. Insbesondere die Ausbildung
als Hohlwelle ermöglicht
weitere Gewichtsvorteile.
-
In
einer anderen Ausführungsform
weist die Welle mindestens einen mit Kunststoff ummantelten Wellenkern
auf. Der Wellenkern besteht hierbei aus einem insbesondere über die
Axialerstreckung der Welle Stabilität verleihenden Material, wobei
dieses Material mit Kunststoff überzogen,
nämlich
ummantelt ist. Ummantelung bedeutet hierbei nicht zwingend das vollständige Umgebendes
Wellenkerns mit Kunststoff; es ist vielmehr auch denkbar, dass die Welle
beispielsweise endseitig oder abschnittsweise offen ist.
-
In
einer weiteren Ausführungsform
besteht der Wellenkern aus Metall, insbesondere aus ferromagnetischem
Metall. Der Wellenkern wird hierbei als Metallkern ausgebildet,
wobei der Metallkern im Gegensatz zur Ausbildung der Welle vollständig aus Metall
(wie aus dem Stand der Technik bekannt) deutliche Gewichtsvorteile
bei gleich guter oder verbesserter Steifigkeit und Stabilität bringt.
In einer Ausführungsform
ist der Wellenkern aus nichtmagnetischem Metall, in einer anderen
aus ferromagnetischem Metall. Im letzteren Fall lässt sich
der magnetische Fluss durch die Welle beeinflussen.
-
In
einer anderen, bevorzugten Ausführungsform
besteht der Wellenkern aus demselben oder aus einem anderen Kunststoff
als die Welle. Es ist hierbei möglich,
durch Wahl geeigneter Kunststoffe insbesondere die Biegesteifigkeit
der Welle entsprechend den Anforderungen des Elektromotors und des
Einsatzgebietes des Rotors zu bestimmen. Hierbei ist vorteilhaft,
dass eine Ausbildung der Wellenkerne aus einem Kunststoff keinen
Einfluss auf den magnetischen Fluss durch den Rotorkörper hat.
-
In
einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform
sind mehrere Wellenkerne – im
Querschnitt gesehen – kreisförmig angeordnet.
Bei der aus dem Stand der Technik bekannten Ausführung der Welle aus Stahl oder
einem anderen, ferromagnetischen Material kann durch das Verlaufen
der elektrischen Feldlinien innerhalb der Wicklungen durch den Wellenkern
beziehungsweise die aus Stahl bestehende Welle eine Sättigung
der magnetischen Flussdichte im Bereich der Welle auftreten. Dies
ist unerwünscht. Aus
diesem Grunde ist hier vorgesehen, dass mehrere Wellenkerne kreisförmig angeordnet
sind, also dergestalt, dass keiner der Wellenkerne in der Drehachse
der Welle liegt, sondern jeder Wellenkern einen radialen Abstand
zur Drehachse aufweist. Hierdurch stehen optimierte magnetische
Flusswege zur Verfügung,
die eine Sättigung
der magnetischen Flussdichte im Bereich der Welle weitgehend vermeiden
oder ausschließen.
Es kann hierbei auch eine Geometrie der Wicklungsschlitze vorgesehen
werden, die einen geringeren Abstand des Schlitzbodens zur Drehachse
aufweisen, wodurch sich größere Wicklungen
einbringen lassen, ohne dass Platzprobleme innerhalb des Schlitzes
herrschen und ohne dass die Gefahr der magnetischen Sättigung
im Bereich der Welle relevant wird. Hierdurch lässt sich die Leistungsfähigkeit
des Elektromotors in sehr vorteilhafter Weise bei unveränderter
Bauform erhöhen. Es
ist hierbei möglich,
die Welle in einer außerordentlichen
stabilen und steifen Ausführung
herzustellen, die durch die Wellenkerne unterstützt beziehungsweise bewirkt
wird, die in die Welle eingebracht sind.
-
Bevorzugt
ist die Welle im Spritzgussverfahren hergestellt. Im Spritzgussverfahren,
wie es aus dem Stand der Technik für andere Anwendungen hinreichend
bekannt ist, lassen sich Bauteile mit hoher Präzision kostengünstig fertigen.
Insbesondere lassen sich hierbei auch die Geometrien der Welle,
die den vorstehend beschriebenen Anforderungen Rechnung tragen,
einfach und kostengünstig
direkt im Herstellungsvorgang der Welle selbst herstellen und müssen nicht
nachträglich
durch nachfolgende Bearbeitungsschritte eingebracht werden.
-
In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
wird die Welle im Spritzgussverfahren in einen Durchbruch des Rotorkörpers eingespritzt.
Der Rotorkörper,
beispielsweise aus einem Stapel einzelner Lamellen, insbesondere
in laminierter Form, bestehend, weist hierzu einen Durchbruch auf,
bevorzugt nämlich
einen zentralen Durchbruch im Bereich der Drehachse des Rotors,
in den die Welle im Spritzgussverfahren eingespritzt wird. Die Welle
geht hierbei bereits bei ihrer Herstellung eine innige Verbindung
mit dem Rotorkörper
ein, so dass keine weiteren Maßnahmen
zur Befestigung des Rotorkörpers auf
der Welle getroffen werden müssen.
-
In
einer besonders bevorzugten Ausführung weist
der Durchbruch zumindest eine von einer Kreisform abweichende Erhöhung oder
Vertiefung auf. Diese von der Kreisform abweichende Erhöhung oder
Vertiefung dient hierbei als Drehmitnahmeeinrichtung, die verhindert,
dass bei Momentbeaufschlagung des Rotors, wie dies im Betrieb des
Elektromotors durch das elektromagnetische Feld bestimmungsgemäß erfolgt,
der Rotor auf der Welle durchrutschen kann. Insbesondere wird hierdurch
die Aufgabe der drehfesten Verbindung des Rotorkörpers mit der Welle gelöst. Bevorzugt
geschieht dies dadurch, dass in der geometrischen Ausbildung der Welle
und/oder des Durchbruchs von der Kreisform abgewichen wird. Wird
die Welle demzufolge im Spritzgussverfahren in den Rotorkörper, nämlich im Bereich
von dessen Durchbruch, eingespritzt, lässt sich vorteilhaft diese
Erhöhung
oder Vertiefung durch Ausbildung einer entsprechenden Geometrie
im Durchbruch des Rotorkörpers
darstellen. Einer Bearbeitung der Welle bedarf es hierbei nicht,
diese wird bereits im Moment ihrer Herstellung im Spritzgussverfahren
mit der dem Durchbruch entsprechenden Geometrie versehen und auf
diese Weise drehfest mit dem Rotor verbunden.
-
In
einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform besteht der Durchbruch
zumindest abschnittsweise aus mehreren Durchbruchausnehmungen, die
zumindest bereichsweise radial zu einer Drehachse des Rotors beabstandet
und zueinander beabstandet sind. Bevorzugt liegen diese Durchbruchsausnehmungen
auf einem Kreis, der konzentrisch zur Drehachse liegt. Ein zentraler
Durchbruch, also ein solcher, dessen Querschnitt die Drehachse selbst
umgreift, ist hierbei nicht erforderlich. Dies erlaubt die Ausgestaltung
von im Bereich der Drehachse geschlossenen Lamellen des Rotorkörpers, wodurch
der magnetische Fluss in den Lamellen und letztlich im Rotorkörper verbessert
werden kann.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
wird als Kunststoff glasfaserverstärktes Polyphenylsulfid (PPS)
verwendet, das für
derartige Anwendungen geeignete Spezifikationen aufweist und hierbei
beträchtliche
Gewichtsvorteile gegenüber
im Stand der Technik bekannten Wellen bietet.
-
In
einer weiteren Ausführungsform
weist die Welle eine Wicklungsbefestigung auf. Hiermit ist gemeint,
dass die zur Kontaktierung der Wicklungen, wie sie auf den Rotorkörper einzubringen
sind, dienenden mechanischen und/oder elektrischen Komponenten an
der Welle ausgebildet sind, beispielsweise in einem Endbereich der
Welle benachbart zu dem Rotorkörper.
Hierdurch lässt
sich in vorteilhafter Weise die elektrische Kontaktierung der Wicklungen bewirken.
-
In
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
wird die Wicklungsbefestigung zusammen mit der Welle im Kunststoffspritzgussverfahren
hergestellt. Es werden demzufolge keine weiteren Komponenten zur
Ausbildung der Wicklungsbefestigung benötigt; diese wird vielmehr bereits
bei Herstellung der Welle miterzeugt.
-
In
einer weiteren, ganz besonders bevorzugten Ausführungsform ist die Welle zumindest
abschnittsweise aus mehreren, zueinander beabstandeten Wellenstäben gebildet.
Die Welle ist folglich nicht durchgehend mit demselben Querschnitt
versehen, sondern ist beispielsweise anfangs- und endseitig als Vollwelle
oder als Hohlwelle, wie bereits vorstehend beschrieben, ausgebildet,
wohingegen sie in einem anderen Abschnitt, insbesondere im Bereich des
Rotorkörpers,
aus den zueinander beabstandeten Wellenstäben gebildet ist. Diese Wellenstäbe verbinden
hierbei Anfangsseite und Endseite der Welle und sind bevorzugt in
den aus Durchbruchsausnehmungen gebildeten Durchbruch des Rotorkörpers eingebracht.
Hierdurch lässt
sich die Ausbildung der Welle bei im Bereich der Drehachse geschlossenen Lamellen
des Rotorkörpers
verwirklichen. Gleichzeitig bilden die beabstandeten Wellenstäbe ein sehr gut
wirksames Drehmitnahmemittel zur drehfesten Verbindung des Rotorkörpers mit
der Welle.
-
In
einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform sind die Wellenstäbe, insbesondere
auf einem Kreis um die Drehachse des Rotors, zumindest abschnittsweise
in den Rotorkörper
eingebracht. Bevorzugt bilden sie hierbei, im Querschnitt betrachtet,
einen Kreis um die Drehachse; die Wellenstäbe weisen hierbei einen gleichbleibenden
Radialabstand zur Drehachse auf.
-
Weiter
wird hierzu ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors für einen
Elektromotor, mit einem Rotor und einer den Rotorkörper tragenden
Welle vorgeschlagen. Hierbei ist vorgesehen, dass die Welle in mindestens
einen in Axialerstreckung des Rotorkörpers verlaufenden Durchbruch
eingespritzt wird. Es ist weiter vorgesehen, dass als Wellenmaterial mindestens
ein Kunststoff verwendet wird. Die Welle wird in diesem Verfahren
aus Kunststoff ausgebildet, nämlich
mindestens bereichsweise aus Kunststoff ausgebildet und dadurch
hergestellt, dass sie in den Durchbruch eingespritzt wird. Dies
geschieht bevorzugt in einem Spritzgussverfahren.
-
In
einer weiteren, bevorzugten Verfahrensausbildung wird beim Einspritzen
die Welle innerhalb und außerhalb
des Rotorkörpers
ausgebildet. Es werden also auch die Wellenabschnitte, die nicht vom
Rotorkörper
umgriffen werden, beim Einspritzen der Welle in demselben Spritzvorgang
hergestellt.
-
In
einer weiteren, besonders bevorzugten Verfahrensausbildung werden
beim Einspritzen mehrere, den Rotorkörper ausbildende Lamellen zu
dem Rotorkörper
verbunden. Die Lamellen können
folglich zu Beginn des Einspritzens noch lose aufeinander gestapelt
vorliegen. Ihre mechanische Fixierung zueinander und untereinander
wird beim Einspritzen beziehungsweise im Zuge des Spritzgussvorganges bewirkt,
nämlich
insbesondere dadurch, dass die Wellengeometrie innerhalb und außerhalb
des Rotorkörpers
liegende Wellenabschnitte vorsieht, wobei außerhalb des Rotorkörpers liegende
Wellenabschnitte als Axialsicherungen der einzelnen Lamellen und
des Lamellenpakets wirken. Dies lässt sich sehr vorteilhaft insbesondere
mit einer Ausbildung der Wellengeometrie als Drehmitnahmeeinrichtung
zur drehfesten Verbindung des Rotorkörpers auf der Welle verbinden,
wenn beispielsweise die Welle, wie bereits vorstehend beschrieben,
von dem kreisförmigen
Querschnitt abweichende Querschnittsausbildungen aufweist. Insbesondere
dann, wenn der Querschnitt von Wellenabschnitten außerhalb
des Rotorkörpers
gegenüber
solchen innerhalb des Rotorkörpers
vergrößert ist,
lässt sich
sehr leicht eine Axialsicherung der einzelnen Lamellen und des Rotorkörpers als
solchem darstellen.
-
Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
ergeben sich aus den Unteransprüchen
und aus Kombinationen derselben sowie aus der Beschreibung nachfolgender
Ausführungsbeispiele.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, ohne
jedoch hierauf beschränkt
zu sein.
-
Es
zeigen
-
1 einen
Rotor für
einen Elektromotor mit einer Welle;
-
2a bis 2d mehrere
Ausführungsformen
der Welle;
-
3 eine
Welle mit einer Wicklungsbefestigung und
-
4 eine
Darstellung des optimierten magnetischen Flusses bei Ausbildung
der Welle mit mehreren Wellenkernen.
-
Ausführungsform(en)
der Erfindung
-
1 zeigt
einen Rotor 1 für
einen nicht dargestellten Elektromotor, der auf einer Welle 2 einen Rotorkörper 3 aufweist.
Der Rotorkörper 3 wird
von einem laminierten Stapel 4 von Lamellen 5 gebildet, die
in Schlitzen 6, nämlich
Lamellennuten 7, eine hier nicht dargestellte Wicklung
zur Ausbildung eines magnetischen Feldes aufnehmen. Die Welle 2 weist,
abhängig
von konstruktiven Vorgaben und ihrem Einsatzzweck, an einem ersten
Wellenende 8 eine Abplattung 9 und an einem diesem
gegenüberliegenden,
zweiten Wellenende 10 umfangsseitig eine Lagerlauffläche 11 zur
Lagerung der Welle 2 auf. Die Welle 2 besteht
aus einem, Kunststoff 12, der bei Herstellung der Welle 2 in
einem Spritzgussverfahren in einen zentral in den Rotorkörper 3 eingebrachten Durchbruch 13,
der konzentrisch zu einer Drehachse 14 des Rotors ausgebildet
ist, eingespritzt wurde.
-
2 zeigt mehrere Ausführungsformen der Welle 2,
nämlich 2a eine
Ausbildung der Welle 2 als Vollwelle 15, wobei
die Vollwelle 15 vollständig aus
dem Kunststoff 12 besteht. 2b zeigt
eine Ausbildung der Welle 2 als Hohlwelle 16,
bei der die Welle 2 einen offenen Querschnitt 17 konzentrisch zur
Drehachse 14 aufweist. Die Hohlwelle 16 wird demzufolge
von einem Mantel 18 aus Kunststoff 12 gebildet,
der einen zur Drehachse 14 konzentrischen Hohlraum 19 einschließt. 2c zeigt
eine Ausbildung der Welle 2 mit einem in den aus dem Kunststoff 12 bestehenden
Mantel 18 eingebrachten, insbesondere eingespritzten Wellenkern 20.
Der Wellenkern 20 liegt hierbei konzentrisch in der Drehachse 14,
mithin zentral im Querschnitt der Welle 2. Der Wellenkern 20 ist
hierbei am ersten Wellenende 8 mit dem Kunststoff 12 umspritzt,
während
das zweite Wellenende 10 offen ist, der Wellenkern 20 demzufolge
am zweiten Wellenende 10 zu Tage tritt. Der Wellenkern 20 besteht
vorliegend aus einem Metall 21 oder aus einem anderen Kunststoff 22.
Es ist hierbei nämlich
ohne Weiteres möglich,
verschiedene Eigenschaften unterschiedlicher Kunststoffe vorteilhaft
zu kombinieren. 2d zeigt die Welle 2,
die, um einen Radialabstand 23 zu der Drehachse 14 nach
außen radial
versetzt mehrere Wellenkerne 20 aufweist. Die Wellenkerne 20 liegen
hierbei nicht konzentrisch zur Drehachse 14, sondern um
den erwähnten
Radialabstand 23 in der Kunststoff 12 der Welle 2 in
Richtung deren Außenumfang 24 versetzt.
Die Welle 2 ist hierbei, von den Wellenkernen 20 ausgehend
in Richtung Drehachse 14, beispielsweise als Hohlwelle 16 ausgebildet.
Sie schließt
folglich den offenen Querschnitt 17 ein. Auch hier werden
die Wellenkerne 20 bevorzugt bereits bei Herstellung der
Welle 2 in einem Spritzgussverfahren eingebracht. Der Kunststoff 12 ist
bevorzugt glasfaserverstärktes
Polyphenylsulfid (PPS) 25.
-
3 zeigt
die Welle, die in einem Endbereich 26 nahe dem zweiten
Wellenende 10 eine Wicklungsbefestigung 27 aufweist.
Die Wicklungsbefestigung 27 ist hierbei einstückig mit
der Welle 2 ausgebildet, insbesondere nämlich in demselben Herstellungsverfahren,
bevorzugt einem Spritzgussverfahren, hergestellt. Die Wicklungsbefestigung 27 dient
mit in sie eingebrachten Drahtaufnahmen 28 der Kontaktierung
der auf dem in 3 nicht dargestellten Rotorkörper 3 (vergleiche 1)
aufgebrachten Wicklungen untereinander und gegebenenfalls zu weiteren,
hier nicht dargestellten Armaturen, wie beispielsweise einem Kommutator.
-
4 zeigt
schematisch und vereinfacht einen Querschnitt durch den Rotor 1,
der innerhalb eines von zwei als Zylinderabschnitte 29 ausgebildeten Permanentmagneten 30 drehbar
gelagert ist. Auf dem Rotorkörper 3 zum
Betrieb des Elektromotors erforderliche Wicklungen sind der besseren Übersicht
halber nicht dargestellt. Diese Wicklungen werden in Nuten 34 des
aus einzelnen Lamellen 35 gebildeten Rotorkörpers 3 eingebracht.
Der hier dargestellte Querschnitt zeigt eine Lamelle 35 in
Aufsicht, diese sind axial auf der Drehachse 14 des Rotors 1 hintereinander
angebracht. Der Rotorkörper 3 ist
auf der Welle 2 angeordnet, die, abweichend von den zuvor
beschriebenen Ausführungsbeispielen,
aus sechs um den Radialabstand 23 radial zur Drehachse 14 beabstandeten
Wellenstäben 36 gebildet
ist. Der Rotorkörper 3,
nämlich
die axial hintereinander angeordneten Lamellen 35, weisen
einen aus sechs Durchbruchausnehmungen 37 bestehenden Durchbruch 13 auf,
wobei diese um den Radialabstand 23 zur Drehachse 14 beabstandet
kreisförmig
um die Drehachse 14 angeordnet sind. Die Welle 2 wird
im Bereich des Rotorkörpers 3 folglich
aus den sechs Wellenstäben 36 gebildet.
Auf diese Weise weisen die Lamellen 35 keine zentral (etwa
in der Drehachse 14) gelegene Ausnehmung auf. Es ist daher
möglich, die
Feldlinien 31 und den magnetischen Fluss 32 durch
das Zentrum des Rotorkörpers 3 verlaufen
zu lassen, insbesondere im Bereich der Drehachse 14. Anders
als im Stand der Technik findet im Bereich zwischen der Nut 34 und
der Drehachse 14 aufgrund der durch die im Stand der Technik übliche Einbringung
einer Metallwelle erforderlichen Ausnehmung keine Sättigung
des magnetischen Feldes statt. Das magnetische Feld wird im magnetischen
Fluss 32 mit zusätzlichen
magnetischen Flusswegen 33, insbesondere direkt durch die
Drehachse 14, in einer optimierten Art und Weise geführt. Insbesondere
ist es möglich,
die Lamellen 35 in weitaus größerem Umfang als bislang als
magnetische Flusswege 33 zu verwenden. Hierdurch lassen
sich stärkere
elektromagnetische Felder bewirken, so dass die Effizienz des Elektromotors
deutlich gesteigert werden kann, ohne seine Baugröße vergrößern zu
müssen.
Eine Ausbildung der Wellenstäbe 36 aus
dem Kunststoff 12 erlaubt hierbei eine weitgehende Freiheit
in der Ausgestaltung der magnetischen Flusswege 33.