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DE102017011989A1 - Rotor für eine Elektromaschine - Google Patents

Rotor für eine Elektromaschine Download PDF

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DE102017011989A1
DE102017011989A1 DE102017011989.9A DE102017011989A DE102017011989A1 DE 102017011989 A1 DE102017011989 A1 DE 102017011989A1 DE 102017011989 A DE102017011989 A DE 102017011989A DE 102017011989 A1 DE102017011989 A1 DE 102017011989A1
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Germany
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rotor
rotor shaft
laminated core
receiving
electric machine
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DE102017011989.9A
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Inventor
Cornelius Hentrich
Torben Schulze
Rainer Sigle
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Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
Daimler AG
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Publication date
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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/28Means for mounting or fastening rotating magnetic parts on to, or to, the rotor structures
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    • H02K1/27Rotor cores with permanent magnets
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    • H02K1/272Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis
    • H02K1/274Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets
    • H02K1/2753Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets the rotor consisting of magnets or groups of magnets arranged with alternating polarity
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    • H02K1/2766Magnets embedded in the magnetic core, e.g. interior permanent magnets [IPM] having a flux concentration effect
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    • H02K17/02Asynchronous induction motors
    • H02K17/16Asynchronous induction motors having rotors with internally short-circuited windings, e.g. cage rotors
    • H02K17/20Asynchronous induction motors having rotors with internally short-circuited windings, e.g. cage rotors having deep-bar rotors
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    • H02K2201/06Magnetic cores, or permanent magnets characterised by their skew

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

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine Elektromaschine, umfassend zwei aus mehreren Rotorsegment-Subpaketen (13) bestehende Blechpakete (9, 11), die auf einer Rotorwelle (1) gelagert sind. Bei einem Rotor, welcher auch bei hohen Geschwindigkeiten und Drehzahlen einsetzbar ist und trotzdem kostengünstig herstellbar ist, weist die Rotorwelle (1) eine Außenverzahnung (3) zur Aufnahme der beiden Blechpakete (9, 11) auf, deren nebeneinander sich axial erstreckenden schräg verlaufenden Aufnahmerillen (5, 7) gespiegelt sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine Elektromaschine, umfassend mindestens ein Blechpaket, das auf einer Rotorwelle gelagert ist.
  • Aus der DE 10 2015 215 614 A1 ist ein Rotor für eine elektrische Maschine bekannt, welche eine Rotorwelle aufweist, auf der ein Blechpaket angeordnet ist, das aus einer Mehrzahl von in axialer Richtung aufeinander angeordneten Rotorsegment-Subpaketen besteht. Der Rotor weist einen Läuferkäfig auf, der aus einer Mehrzahl von in axialer Richtung verlaufender Stäbe und zwei an axialen Enden des Blechpakets angeordneten Kurzschlussringen besteht, wobei das Blechpaket Öffnungen aufweist, die durch Stanzen der Rotorsegment-Subpaketen erzeugt sind und in denen die Stäbe aufgenommen sind, wobei die Stäbe durch Eingießen eines Gussmaterials in die Öffnungen und die Kurzschlussringe durch Angießen des Gussmaterials an das Blechpaket erzeugt werden.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, einen Rotor für eine Elektromaschine anzugeben, welcher mit einem möglichst geringen Aufwand herzustellen ist und trotzdem sehr hohe Drehzahlen erreicht, ohne dass ein Versagen der Elektromaschine infolge von auftretenden Fliehkräften auftritt.
  • Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, sowie der Erläuterung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren dargestellt sind.
  • Die Aufgabe ist mit einem Rotor dadurch gelöst, dass die Rotorwelle eine Außenverzahnung zur Aufnahme der beiden Blechpakete aufweist, deren nebeneinander sich axial erstreckenden schräg zueinander verlaufenden Aufnahmerillen gespiegelt sind. Dies hat den Vorteil, dass ein einfaches Montieren von zwei gegenläufig verdrehten Blechpaketen auf der Rotorwelle möglich ist. Die symmetrische Außenverzahnung der Rotorwelle erlaubt somit einen Wuchtvorteil bei gleichzeitiger präziser Zentrierung der Elektrolamellen durch Funktionstrennung. Die erste Funktion besteht in einer zuverlässigen Verzahnung für die Drehmomentübertragung, während als zweite Funktion der Restzylinder für das Zentrieren benutzt wird. Somit ist eine kostengünstige Verzahnung für die Rotorwelle einsetzbar. Weiterhin sorgt der Formschliss zwischen Rotorwelle und Blechpaket für die Darstellung der Rotorschrägung.
  • Vorteilhafterweise ist ein Betrag eines Schrägwinkels beider Aufnahmerillen gleich groß. Der Schrägwinkel der beiden Aufnahmerillen unterscheidet sich nur im Vorzeichen, wobei der Schrägwinkel frei wählbar ist, was eine größere Flexibilität mit sich bringt. Durch diese Anordnung sind höhere Drehzahlen und höhere Drehmomente möglich, was einen größeren Funktionsvorteil für die Elektromaschine bringt.
  • In einer Alternative weichen die Beträge des Schrägwinkels der nebeneinander verlaufenden Aufnahmerillen voneinander ab. Ein solcher asymmetrischer Rotor wird bei schwierigen NVH (Geräusch Vibration Rauigkeit)-Verhältnissen eingesetzt.
  • In einer Ausgestaltung ist das erste Blechpaket von einer Seite auf die Rotorwelle aufgesetzt und in der ersten Aufnahmerille schraubenförmig geführt, während das zweite Blechpaket von einer entgegengesetzten Seite auf die Rotorwelle aufgesetzt ist und in der zweiten, sich axial neben der ersten Aufnahmerille erstreckenden zweiten Aufnahmerille schraubenförmig geführt ist. Diese schraubenförmige Führung erlaubt eine in Umfangsrichtung versetzte Verzahnung, wobei alle Rotorlamellen des Blechpaketes identisch ausgebildet sind. Durch diese Gleichteile-Strategie können Kosten reduziert werden. Da die Positionierung der segmentierten Blechpakete über einen Formschluss erfolgt, ist ein Verdrehen der Rotorsegment-Subpakete während des Betriebes des Rotors nicht möglich. Dadurch können auch höhere Drehzahlen der Elektromaschine realisiert werden.
  • In einer Variante sind die einzelnen Rotorsegment-Subpakete jedes Blechpaketes zur Bildung einer schraubenförmigen Innenverzahnung tordiert vororientiert und fixiert. Dies erlaubt eine besonders einfache schraubenförmige Montage der Rotorsegment-Subpakete der Blechpakete auf der Rotorwelle. Eine solche Vortodierung ist aber nicht zwingend notwendig.
  • In einer Ausführungsform erstrecken sich die mindestens zwei Aufnahmerillen der Außenverzahnung bis zur Mitte der Rotorwelle. Durch diese verkürzten Aufnahmerillen wird die Montage der einzelnen Blechpakete von den zwei entgegengesetzten Seiten der Rotorwelle unterstützt. Dabei können sich die Aufnahmerillen auch kreuzen.
  • In einer Weiterbildung sind die Blechpakete beiderseitig axial über je ein Sicherungselement fixiert. Eine solche axiale Fixierung unterstützt den Formschluss der Blechpakete mit der Rotorwelle und verhindert ein Abheben der Blechpakete bei hohen Drehzahlen.
  • Vorteilhafterweise ist zur Verwendung bei einer permanent erregten Elektromaschine das Sicherungselement als übergriffener Sicherungsring ausgebildet, wobei der Übergriff durch eine die Innenverzahnung aufweisende Anschlagscheibe erfolgt. Mittels dieser Anschlagscheibe wird das Blechpaket zuverlässig axial zentriert und gleichzeitig beim Betrieb des Rotors in seiner Position gehalten. Der Sicherungsring bildet dabei den Anschlag der Rotorwelle 1 für das Blechpaket.
  • In einer Alternative ist zur Verwendung bei einer Asynchronmaschine das Sicherungselement durch ein Druckgießen eines Kurzschlusskäfigs realisiert. Das verfestigte Gussmaterial, welches in Öffnungen der Rotorsegment-Subpakete der Blechpakete eingebracht wurde, wirkt als Zuganker, so dass über die gegenläufige Verzahnung beider Blechpakete diese axial fixiert sind.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der - gegebenenfalls unter Bezug auf die Zeichnung - zumindest ein Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben ist. Beschriebene und/oder bildlich dargestellte Merkmale können für sich oder in beliebiger, sinnvoller Kombination den Gegenstand der Erfindung bilden, gegebenenfalls auch unabhängig von den Ansprüchen, und können insbesondere zusätzlich auch Gegenstand einer oder mehrerer separater Anmeldung/en sein. Gleiche, ähnliche und/oder funktionsgleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Es zeigen:
    • 1 ein Ausführungsbeispiel einer Rotorwelle des erfindungsgemäßen Rotors,
    • 2 ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Rotors mit zwei Blechpaketen,
    • 3 ein Ausführungsbeispiel eines Blechpaketes für eine permanent erregte Elektromaschine,
    • 4 ein Ausführungsbeispiel für einen Asynchronmotor.
  • In 1a ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Rotorwelle 1 dargestellt, welche eine Außenverzahnung 3 aufweist, die in axialer Richtung schräg zueinander verlaufende Aufnahmerillen 5, 7 aufweist. Diese schräg zueinander verlaufenden Aufnahmerillen 5, 7 bilden eine gespiegelte Schrägverzahnung.
  • 1b zeigt eine Draufsicht auf die Rotorwelle 1 in einer vergrößerten Darstellung, bei welcher die Schrägstellung der Aufnahmerillen 5, 7 der Außenverzahnung 3 deutlicher gezeigt ist. Beispielsweise hat die erste Außenrille 5 einen Schrägwinkel von -2°, während die zweite Aufnahmerille 7 einen Schrägwinkel von +2° aufweist. Diese Aufnahmerillen 5, 7 können sich bei einer entsprechenden Verzahnungslänge auf der Rotorwelle 1 auch kreuzen. In der 1c ist ein Querschnitt durch die doppelt verzahnte Rotorwelle 1 dargestellt, aus welcher diese unterschiedlichen Schrägwinkel deutlicher hervorgehen. Dabei sind die erste und die zweite Aufnahmerille 5, 7 alternierend ausgebildet.
  • 2 zeigt das Ausführungsbeispiel der Rotorwelle 1, auf welcher zwei Blechpakete 9, 11 aufgesetzt sind. Die Blechpakete 9, 11 werden von unterschiedlichen Seiten auf die Rotorwelle 1 aufgebracht. Das linke Blechpaket 9, welches aus vier Rotorsegment-Subpaketen 13 besteht, wird von der linken Seite auf die Rotorwelle 1 in die Aufnahmerille 5 aufgepresst und in der Schrägverzahnung schraubenförmig geführt. Das ebenfalls aus vier Rotorsegment-Subpaketen 13 bestehende rechte Blechpaket 11 ist spiegelbildlich schraubenförmig ausgeführt und wird von rechts in die Aufnahmerille 7 schraubenförmig eingepresst. In der Mitte der Rotorwelle 1 treffen das rechte und das linke Blechpaket 9, 11 aufeinander und liegen aneinander an. Die Außenverzahnung 3 der Rotorwelle 1 kann durch umformende oder spanabhebende Verfahren, wie Wälzverfahren oder Fräsen oder bei sehr kleinen, sich kreuzenden Verzahnungen durch Rändelfräsen in die Rotorwelle 1 eingebracht werden.
  • Um die schraubenförmige Ausgestaltung zu realisieren, weisen die Blechpakete 9, 11 eine Innenverzahnung 15 auf, bei welcher die einzelnen Rotorsegment-Subpaketen 13 tordiert vororientiert sind. Dies kann beispielsweise mit Backlack oder Stanzpaketieren erfolgen. 2b zeigt das nach links tordierte Blechpaket 11, welches in die nach links tordierte Außenverzahnung 3 eingreift. In 2c ist das zweite Blechpaket 9 dargestellt, welches nach rechts tordiert ist und die nach rechts tordierte Außenverzahnung 3 eingreift.
  • In 3 ist ein Ausführungsbeispiel eines Blechpaketes 17 für eine permanent erregte Elektromaschine dargestellt, welche tordierte Rotorsegment-Subpakete 19 aufweist. Dies ist daran zu erkennen, dass die Innenverzahnung 15 der Rotorsegment-Subpakete 19 gegeneinander versetzt ist (3a). In 3b ist das Blechpaket 17 des permanent erregten Elektromotors nach rechts tordiert, während in 3c ein Blechpaket 17 der permanent erregten Elektromaschine dargestellt ist, welches nach links tordiert ist.
  • Bei nicht-tordierten Rotorsegment-Subpaketen 13 werden das erste Rotorsegment-Subpaket an der einen Verzahnungsflanke und das zweite Rotorsegment-Subpaket 13 an der gegenüberliegenden Verzahnungsflanke zur Drehmomentübertragung angelegt. Ist dies der Fall, dann können auch Magnete mit kostengünstiger rechteckiger Grundform eingesetzt werden, die sich auch besser axial sichern lassen. Eine solche Axialsicherung erfolgt bei einer permanent erregten Elektromaschine mit übergriffenen Sicherungsringen, wobei der Übergriff durch abgesetzte Anschlag- bzw. Wuchtscheiben erfolgt, die ebenfalls eine Innenverzahnung aufweisen. Bei diesen Dickblechteilen wird die Innenverzahnung vorzugsweise mit einem Feinschneidverfahren schräg gestanzt.
  • Alternativ ist auch ein gerades Blechpaket 9, 11 mit tordierter Innenverzahnung 15 denkbar.
  • In 4 ist ein Asynchronmotor dargestellt, welcher ebenfalls die gegenläufig tordierten Blechpakete 9, 11 aufweist, die durch die gegeneinander tordierten Aufnahmerillen 5, 7 der Außenverzahnung 3 der Rotorwelle 1 positioniert sind. Dabei stellt der Kurzschluss kä21 eine integrierte Axialsicherung dar. Ein solcher Kurzschlusskä21 ist in 4b näher verdeutlicht. Durch Druckgießen der durch die Öffnungen 23 der Blechpakete 9, 11 geführten Kurzschlussstäbe 25 wird ein Kurzschlusskä21 mit einer V-Form erzeugt. Die dabei mittig geknickten Kurzschlussstäbe 25 dienen als Zuganker. Der Druckguss kann durch Aluminium oder Kupfer ausgeführt werden. Die dabei angegossenen äußeren Kurzschlussscheiben 27 verbinden sich mit den Kurzschlussstäben 25 zu dem Kurzschlusskä 21. Zum Verringern der Bearbeitungsdauer beim Fräsen oder Walzen beider Außenverzahnungen 3 sind diese jeweils nur bis zur Mitte der Rotorwelle 1 eingebracht und weisen einen Bearbeitungsauslauf in Form eines Werkzeugradius auf, der bis unter die gegenüberliegenden Rotorsegment-Subpakete verlaufen kann.
  • Die beschriebene Lösung erlaubt eine kostengünstige Verzahnung der Blechpakete an der Rotorwelle.
  • Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und erläutert wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Es ist daher klar, dass eine Vielzahl von Variationsmöglichkeiten existiert. Es ist ebenfalls klar, dass beispielhaft genannte Ausführungsformen wirklich nur Beispiele darstellen, die nicht in irgendeiner Weise als Begrenzung etwa des Schutzbereichs, der Anwendungsmöglichkeiten oder der Konfiguration der Erfindung aufzufassen sind. Vielmehr versetzen die vorhergehende Beschreibung und die Figurenbeschreibung den Fachmann in die Lage, die beispielhaften Ausführungsformen konkret umzusetzen, wobei der Fachmann in Kenntnis des offenbarten Erfindungsgedankens vielfältige Änderungen beispielsweise hinsichtlich der Funktion oder der Anordnung einzelner, in einer beispielhaften Ausführungsform genannter Elemente vornehmen kann, ohne den Schutzbereich zu verlassen, der durch die Ansprüche und deren rechtliche Entsprechungen, wie etwa weitergehenden Erläuterungen in der Beschreibung, definiert wird.
  • Bezugszeichenliste
  • 1
    Rotorwelle
    3
    Außenverzahnung
    5
    Aufnahmerille
    7
    Aufnahmerille
    9
    Blechpaket
    11
    Blechpaket
    13
    Rotorsegment-Subpaket
    15
    Innenverzahnung
    17
    Blechpaket
    19
    Rotorsegment-Subpaket
    21
    Kurzschlusskäfig
    23
    Öffnungen
    25
    Kurzschlussstäbe
    27
    Kurzschlussscheibe
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102015215614 A1 [0002]

Claims (9)

  1. Rotor für eine Elektromaschine, umfassend zwei aus mehreren Rotorsegment-Subpaketen (13) bestehende Blechpakete (9, 11), die auf einer Rotorwelle (1) gelagert sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorwelle (1) eine Außenverzahnung (3) zur Aufnahme der beiden Blechpakete (9, 11) aufweist, deren nebeneinander sich axial erstreckenden schräg verlaufenden Aufnahmerillen (5, 7) gespiegelt sind.
  2. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Betrag eines Schrägwinkels der nebeneinander verlaufenden Aufnahmerillen (5, 7) gleich groß ist.
  3. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beträge des Schrägwinkels der nebeneinander verlaufenden Aufnahmerillen voneinander abweichen.
  4. Rotor nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Blechpaket (9) von einer Seite auf die Rotorwelle (1) aufgesteckt ist und in der ersten Aufnahmerille (5) schraubenförmig geführt ist, während das zweite Blechpaket (11) von einer entgegengesetzten Seite auf die Rotorwelle (1) aufgesetzt ist und in der zweiten, sich axial neben der ersten Aufnahmerille (5) erstreckenden Aufnahmerille (7) schraubenförmig geführt ist.
  5. Rotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Rotorsegment-Subpakete (13) jedes Blechpaketes (9, 11) zur Bildung einer schraubenförmigen Innenverzahnung (15) tordiert vororientiert und fixiert sind.
  6. Rotor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die mindestens zwei Aufnahmerillen (5, 7) der Außenverzahnung (3) der Rotorwelle (1) bis zur Mitte der Rotorwelle (1) erstrecken.
  7. Rotor nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Blechpakete (9, 11) beidseitig axial über je ein Sicherungselement (21, 27) fixiert sind.
  8. Rotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verwendung bei einer permanent erregten Elektromaschine das Sicherungselement als übergriffener Sicherungsring ausgebildet ist, wobei der Übergriff durch eine die Innenverzahnung (15) aufweisende Anschlagscheibe erfolgt.
  9. Rotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verwendung bei einer Asynchronmaschine das Sicherungselement durch ein Druckgießen eines Kurzschlusskäfigs (21) realisiert ist.
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