DE102018219244A1

DE102018219244A1 - Rotoreinheit für eine elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102018219244A1
Application number: DE102018219244.8A
Authority: DE
Inventors: Gustavo Esteves Albieri; Karl-Martin Fritsch; Thorsten Grelle; Christoph Schmülling
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2018-11-12
Filing date: 2018-11-12
Publication date: 2020-05-14
Also published as: CN111181270A; US20200153296A1

Abstract

Rotoreinheit (1) für eine elektrische Maschine (2), mit wenigstens einem Rotorträger (3) und mehreren im Wesentlichen identischen Rotorsegmenten (4), wobei ein Rotorsegment (4) wenigstens eine Ausnehmung (5) zur Durchführung des Rotorträgers (3) aufweist, wobei in Umfangsrichtung entlang einer Umfangskontur (6) der Ausnehmung (5) eines Rotorsegmentes (4) zueinander beabstandete axiale Nutabschnitte (7) vorgesehen sind, deren Anzahl wenigstens der Anzahl der Rotorsegmente (4) entspricht, wobei der Rotorträger (3) einen Führungsabschnitt (8) aufweist, der in einen Nutabschnitt (7) eines jeden Rotorsegmentes (4) eingreift, um eine drehfeste Verbindung zwischen dem Rotorträger (3) und diesem Rotorsegment (4) auszubilden, wobei über die Auswahl des Nutabschnittes (7) eines Rotorsegment (4), in den der Führungsabschnitt (8) eingreift, diskrete Winkelstellungen des Rotorsegmentes (4) um eine Axialachse (9) des Rotorträgers (3) auswählbar sind, wobei die Rotorsegmente (4) in unterschiedlichen Winkelstellungen um die Axialachse (9) des Rotorträgers (3) angeordnet sind.

Description

Zu diesen elektrischen Maschinen, wie z.B. Elektromotoren und/oder Generatoren, zählen beispielsweise Gleichstrommaschinen oder auch Synchronmaschinen, die eine Statoreinheit und eine Rotoreinheit aufweisen, die zueinander drehbar gelagert sind. Im Fahrzeugbau werden solche elektrischen Maschinen in den meisten Fällen so ausgebildet, dass die Statoreinheit ein zeitlich variierendes Magnetfeld erzeugt, welches auf die Rotoreinheit wirkt, die mit Permanentmagneten bestückt ist. Hierdurch kann elektrische Energie, die der Statoreinheit zugeführt wird, in eine mechanische Drehbewegung der Rotoreinheit umgewandelt werden. Die Statoreinheit kann hierfür elektrische Leitungswindungen bzw. Spulen aufweisen, die über eine Steuereinrichtung in einer geeigneten Weise bestromt werden, um ein zeitlich variierendes Magnetfeld zu erzeugen. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Rotoreinheit mechanisch angetrieben wird und ein zeitlich variierendes Magnetfeld erzeugt, das einen elektrischen Stromfluss in der Statoreinheit induziert. Solche permanentmagneterregten Maschinen werden in einer großen Stückzahl im Fahrzeugbau eingesetzt und können beispielsweise als Stellmotoren ausgebildet sein.
Aus dem Stand der Technik ist bekannt, dass sich durch eine Wechselwirkung des Magnetfeldes der Statoreinheit und des Magnetfeldes der Rotoreinheit unerwünschte magnetische Störfelder ausbilden können. Diese Störfelder führen zu Rastmomenten, die auf die Rotoreinheit wirken und zu einer unruhigen Drehbewegung der Rotoreinheit sowie zu einer kürzeren Lebensdauer der elektrischen Maschine führen. Der Entstehung dieser Rastmomente kann durch eine sogenannte Schrägung der Rotoreinheit entgegengewirkt werden, bei der die Rotoreinheit mehrere Rotorsegmente aufweist, die auf einem Rotorträger mit einer Axialachse angeordnet sind, wobei die Rotorsegmente jeweils zueinander um die Axialachse verdreht ausgerichtet sind bzw. einen Winkelversatz aufweisen.
Aus der DE 10 2017 102 242 A1 ist eine Rotoreinheit mit einer Schrägung bekannt, wobei das jeweilige Rotorsegment eine Ausnehmung zur Durchführung des Rotorträgers aufweist. Die Ausnehmung kann zwei diametral zueinander angeordnete Verbindungsabschnitte aufweisen, die jeweils in eine Keilnut des Rotorträgers eingreifen können. Durch eine solche Ausgestaltung des Rotorträgers ist die Ausbildung einer Schrägung der Rotoreinheit nur möglich, wenn unterschiedliche Rotorsegmente eingesetzt werden, bei denen jeweils in Umfangsrichtung die Position der Verbindungsabschnitte zu der Position der Permanentmagnete variiert. Eine solche Ausgestaltung ist kostenintensiv, da die jeweiligen Rotorsegmente unterschiedlich ausgebildet sein müssen und eigene Fertigungswerkzeuge benötigen oder eine Umprogrammierung der Fertigungswerkzeuge erfordern.
Die DE 10 2015 007 138 A1 schlägt vor, dass identische Rotorsegmente eingesetzt werden, wobei die Rotorsegmente in Umfangsrichtung eine Vielzahl von Langlöchern aufweisen, wobei korrespondierende Langlöcher mehrerer Rotorsegmente eine axiale Ausnehmung ausbilden, in die jeweils ein Schraubenelement eingeführt ist, um die Rotorsegmente miteinander und mit dem Rotorträger zu verbinden. Bei dieser Ausgestaltung lassen sich die Rotorsegmente im Bereich der Abmessungen der Langlöcher kontinuierlich gegeneinander verdrehen, sodass eine Schrägung der Rotoreinheit einstellbar ist. Nachteilig an dieser Ausgestaltung ist, dass eine Vielzahl von Schraubenelementen erforderlich ist, die keinen elektromagnetischen Nutzen innerhalb der elektrischen Maschine aufweisen und das Gewicht der elektrischen Maschine erhöhen. Zusätzlich wird durch die Verteilung der Schraubenelemente das Trägheitsmoment der Rotoreinheit beeinflusst. Ferner führen die Schraubenelemente zu erhöhten Herstellungskosten. Ein weiterer Nachteil einer solchen Ausgestaltung mit Langlöchern ist, dass die Verdrehung der einzelnen Rotorsegmente zueinander kontinuierlich erfolgt und eine entsprechende Überwachung bzw. Regelung erfordert, um eine gewünschte Verdrehung zwischen zwei Rotorsegmenten zu erzielen.
Auch die DE 10 2010 044 521 A1 und die DE 10 2008 020 778 A1 sehen Rotorsegmente vor, die in Umfangsrichtung eine Vielzahl von Langlöchern aufweisen. Auch hier ergeben sich die oben aufgeführten Nachteile.
Die EP 2 451 049 A1 schlägt vor, dass ein Rotorsegment aus mehreren identischen Rotorschichten ausgebildet sein kann, um beispielsweise Wirbelstromverluste zu reduzieren, wobei die jeweiligen Rotorsegmente unterschiedlich ausgebildet sind, um eine Schrägung der Rotoreinheit zu erzielen. Hierbei ist vorgesehen, dass die einzelnen Rotorschichten Bohrungen aufweisen, in die Schraubbolzen eingeführt werden können, um das jeweilige Rotorsegment zusammenzuhalten. Das jeweilige Rotorsegment weist eine Ausnehmung zur Durchführung des Rotorträgers auf, wobei die Ausnehmung drei um 120° in Umfangsrichtung der Ausnehmung versetzte Zungen aufweist, die jeweils in eine entsprechende Nut des Rotorträgers eingreifen kann. Eine solche Ausgestaltung führt zu den bereits oben aufgeführten Nachteilen.
Die DE 10 2008 020 779 A1 sieht Rotorsegmente vor, die in Umfangsrichtung eine Vielzahl von Langlöchern aufweisen, wobei die Langlöcher eine Kontur aufweisen können, die so ausgebildet ist, dass ein Befestigungsmittel innerhalb des Langlochs nicht kontinuierlich, sondern schrittweise bzw. diskret verschiebbar ist. Hierdurch wird die Verdrehung der Rotorsegmente um einen bestimmten Winkel vereinfacht, wobei jedoch weiterhin die oben aufgeführten Nachteile vorhanden sind, die dadurch entstehen, dass zusätzliche Schraubenelemente durch die Langlöcher geführt werden müssen.
Die DE 195 43 919 C1 sieht ein Verfahren vor, bei dem Rotorsegmente mit dem Rotorträger im Rahmen eines Kunststoffspritzvorganges starr verbunden werden. Nachteilig hieran ist der Einsatz des Kunststoffspritzvorganges, der die Herstellungskosten der Rotoreinheit erhöht.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Rotoreinheit der eingangs genannten Art anzugeben, die einfacher und kostengünstiger herstellbar ist.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, dass im Wesentlichen identische Rotorsegmente eingesetzt werden, wobei über Nutabschnitte der Rotorsegmente diskrete Winkelstellungen des jeweiligen Rotorsegmentes um eine Axialachse des Rotorträgers auswählbar ist, um eine Schrägung der Rotoreinheit auszubilden.
Die erfindungsgemäße Rotoreinheit für eine elektrische Maschine, bei der es sich bevorzugt um einen Elektromotor handelt, sieht wenigstens einen Rotorträger und mehrere im Wesentlichen identische Rotorsegmente vor. Der Rotorträger kann beispielsweise als Hohlwelle und/oder Vollwelle ausgebildet sein, wobei der Rotorträger auch entsprechende Lagereinheiten umfassen kann.
Unter dem Begriff identisch ist zu verstehen, dass die Rotorsegmente innerhalb der Fertigungstoleranzen im Wesentlichen die gleiche geometrischen Ausgestaltungen aufweisen. Somit ist es möglich, dass alle für die Rotoreinheit erforderlichen Rotorsegmente mit einer einzigen Werkzeugkonfiguration herstellbar sind, um die Produktionskosten der Rotoreinheit bzw. der elektrischen Maschine zu reduzieren.
Ein Rotorsegment kann mehrere im Wesentlichen identische Rotorschichten aufweisen, zwischen denen elektrisch isolierende Schichten vorgesehen sein können, um Wirbelstromverluste zu minimieren. Auch zwischen den Rotorsegmenten können elektrisch isolierende Schichten vorgesehen sein.
Das Rotorsegment weist wenigstens eine Ausnehmung zur Durchführung des Rotorträgers auf, wobei in Umfangsrichtung entlang einer Umfangskontur der Ausnehmung zueinander beabstandete axiale Nutabschnitte vorgesehen sind, deren Anzahl wenigstens der Anzahl der Rotorsegmente entspricht. Ein axialer Nutabschnitt kann komplementär zum Führungsabschnitt ausgebildet sein, um eine formschlüssige Verbindung auszubilden. Der axiale Nutabschnitt kann eine sich axial erstreckende Nut aufweisen.
Der Rotorträger weist einen Führungsabschnitt auf, der in einen Nutabschnitt eines jeden Rotorsegmentes eingreift, um eine drehfeste Verbindung zwischen dem Rotorträger und diesem Rotorsegment auszubilden. Über die Auswahl des Nutabschnittes eines Rotorsegmentes, in den der Führungsabschnitt eingreift, sind diskrete Winkelstellungen des Rotorsegmentes um eine Axialachse des Rotorträgers auswählbar. Hierbei ist es vorgesehen, dass die Rotorsegmente in unterschiedlichen Winkelstellungen um die Axialachse des Rotorträgers angeordnet sind. Eine diskrete Winkelstellung kann dadurch erreicht werden, dass der Führungsabschnitt und der jeweilige Nutabschnitt innerhalb der Fertigungstoleranzen so ausgebildet ist, dass zwar zwischen dem jeweiligen Nutabschnitt und dem Führungsabschnitt eine lösbare Verbindung herstellbar ist, wobei das Spiel zwischen dem jeweiligen Nutabschnitt und den Führungsabschnitt innerhalb der Fertigungstoleranzen minimiert ist. Hierbei kann vorgesehen sein, dass die Fertigungstoleranzen so ausgewählt sind, dass die Rotorsegmente auf den Rotorträger bei Raumtemperatur, also beispielsweise im Temperaturbereich von 0 °C bis 30 °C, positioniert werden können.
Eine Ausbildung einer gewünschten Schrägung der Rotoreinheit wird anhand des folgenden Beispiels erläutert. Eine beispielhafte Rotoreinheit umfasst fünf Rotorsegmente, sodass jedes Rotorsegment jeweils fünf Nutabschnitte aufweist. Der Führungsabschnitt des Rotorträgers greift im ersten Rotorsegment in den ersten Nutabschnitt, im zweiten Rotorsegment in den zweiten Nutabschnitt, im dritten Rotorsegment in den dritten Nutabschnitt, im vierten Rotorsegment in den vierten Nutabschnitt und im fünften Rotorsegment in den fünften Nutabschnitt ein. Somit greift der Führungsabschnitt pro Rotorsegment lediglich in einen der fünf Nutabschnitte ein. Hierdurch weisen die identisch ausgebildeten Rotorsegmente unterschiedliche Winkelstellungen um die Axialachse des Rotorträgers auf und bilden eine gewünschte Schrägung der Rotoreinheit aus. Hierbei erfolgt die Auswahl der Winkelstellung des Rotorsegmentes zum Rotorträger diskret und nicht kontinuierlich. Dieses Beispiel kann auf eine beliebige Anzahl von N Rotorsegmenten mit jeweils N Nutabschnitten erweitert werden.
Durch eine solche Ausgestaltung der Rotorsegmente kann auf den Einsatz von Langlöchern mit entsprechenden Verbindungselementen verzichtet werden, sodass die Herstellung der Rotoreinheit vereinfacht wird, wobei zusätzlich das Gesamtgewicht und die Herstellungskosten der elektrischen Maschine reduziert werden.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass jeweils zwei direkt benachbarte Rotorsegmente jeweils zueinander einen im Wesentlichen identischen Teilwinkelversatz um die Axialachse des Rotorträgers aufweisen. Zwei Rotorsegmente sind direkt benachbart, wenn sich ihre Stirnseiten gegenüberliegen.
Eine Ausbildung einer gewünschten Schrägung der Rotoreinheit wird anhand des folgenden Beispiels erläutert. Eine beispielhafte Rotoreinheit umfasst fünf Rotorsegmente, bei der zwischen dem ersten Rotorsegment und dem zweiten Rotorsegment ein Teilwinkelversatz um die Axialachse des Rotorträgers vorgesehen ist. Zwischen dem zweiten Rotorsegment und dem dritten Rotorsegment, zwischen dem dritten Rotorsegment und dem vierten Rotorsegment, zwischen dem vierten Rotorsegment und dem fünften Rotorsegment ist jeweils ein Teilwinkelversatz um die Axialachse des Rotorträgers vorgesehen, wobei der Teilwinkelversatz zwischen allen direkt benachbarten Rotorsegmenten im Rahmen der Fertigungstoleranzen identisch ist.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass ein erstes Rotorsegment vorgesehen ist, das nur ein direkt benachbartes Rotorsegment aufweist, dass ein letztes Rotorsegment vorgesehen ist, das nur ein direkt benachbartes Rotorsegment aufweist und vom ersten Rotorsegment beabstandet ist, wobei zwischen dem ersten Rotorsegment und dem letzten Rotorsegment ein Winkelversatz vorliegt, der ein Vielfaches des Teilwinkelversatzes ist. Da der Teilwinkelversatz zwischen allen direkt benachbarten Rotorsegmenten identisch ist, wird eine gleichmäßige Schrägung der Rotoreinheit ausgebildet, die zu einem ruhigeren Laufverhalten der Rotoreinheit und zu einer längeren Lebensdauer der elektrischen Maschine führt.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass die Rotoreinheit für eine elektrische Maschine mit einer Statoreinheit mit SN Statornuten ausgebildet ist, wobei der Winkelversatz im Wesentlichen 360°/SN entspricht. Eine solche Ausgestaltung wirkt der Entstehung von Rastmomenten besonders gut entgegen.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass N Rotorsegmente vorgesehen sind, wobei ein jedes Rotorsegment P magnetische Polpaare ausbildet. Die Polpaare können beispielsweise durch entsprechende in das Rotorsegment eingesetzte und/oder eingegrabene Permanentmagnete ausgebildet sein. Die Rotoreinheit ist für eine elektrische Maschine mit einer Statoreinheit mit SN Statornuten ausgebildet, wobei ein Rotorsegment K Nutabschnitte aufweist, wobei K ≥ N gilt. Da nur diskrete Winkelstellungen der Rotorsegmente um die Axialachse des Rotorträgers möglich sind, ist wenigstens K=N auszuwählen, um eine gleichmäßige Schrägung der Rotoreinheit zu erzielen. Mit k=1 bis K wird der k-te Nutabschnitt referenziert, wobei der Nutabschnitt mit k=1 einen Referenzpunkt auf der Umfangskontur der Ausnehmung des Rotorsegmentes ausbildet. Da die Rotorsegmente im Wesentlichen identisch ausgebildet sind, weist jedes Rotorsegment entsprechende Nutabschnitte k=1 bis K auf. Der Winkelabstand W(k) bei einem vorgegebenen Drehsinn zwischen dem Referenzpunkt und dem k-ten Nutabschnitt ist gemäß $W (k) = [(k - 1) * 360 ° * {1 / (SN * N) + 1 / P}] mod 360 °$
ausgebildet. Der Drehsinn kann im oder auch gegen den Uhrzeigersinn festgelegt sein, wobei nach einer Festlegung des Drehsinns dieser beizubehalten ist. Der Winkelabstand W(k) beschreibt die Position des k-ten Nutabschnittes in Umfangsrichtung entlang einer Umfangskontur der Ausnehmung des Rotorsegmentes relativ zum Referenzpunkt.
Die Winkeldifferenz WD bei einem vorgegebenen Drehsinn zwischen dem k+1-ten Nutabschnitt und dem k-ten Nutabschnitt beträgt WD=360°*{1/(SN*N)+1/P}.
Es kann vorgesehen sein, dass die Summe der Winkeldifferenzen WD kein Vielfaches von 360° ist.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass N=5 Rotorsegmente vorgesehen sind, wobei ein jedes Rotorsegment P=4 magnetische Polpaare ausbildet, wobei die Rotoreinheit für eine elektrische Maschine mit einer Statoreinheit mit SN=48 Statornuten ausgebildet ist, wobei ein Rotorsegment K ≥ 5 Nutabschnitte aufweist, wobei k=1 bis K den k-ten Nutabschnitt referenziert, wobei der Nutabschnitt mit k=1 einen Referenzpunkt auf der Umfangskontur der Ausnehmung des Rotorsegmentes ausbildet, wobei die Winkeldifferenz WD bei einem vorgegebenen Drehsinn zwischen dem k+1-ten Nutabschnitt und dem k-ten Nutabschnitt $WD = 360 ° * {1 / (SN * N) + 1 / P} = 91,5 °$
beträgt.
Eine solche Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Rotoreinheit bietet einen breiten Einsatzbereich innerhalb des Fahrzeugbaus, sodass elektrische Maschinen mit solchen Rotoreinheiten in einer großen Stückzahl gefertigt und eingesetzt werden können.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass jedes Rotorsegment eine Mehrzahl im Wesentlicher identischer Rotorschichten aufweist, um Wirbelstromverluste zu reduzieren.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass jedes Rotorsegment Taschenbereiche zur Aufnahme von Magnetelementen aufweist. Die Taschenbereiche, die für die Bildung eines magnetischen Poles des Rotorsegment des eingesetzt werden, können beispielsweise v-förmig und/oder doppel-v-förmig ausgebildet sein.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist vorgesehen, dass der Führungsabschnitt eine Längsnut am Rotorträger aufweist, in die ein Passstiftelement eingebracht ist, das in den jeweiligen Nutabschnitt eines Rotorsegmentes eingreift. Das Passstiftelement kann im Wesentlichen der Länge der Längsnut entsprechen, wobei auch mehrere Passstiftelemente denkbar sind, die im Wesentlichen der Länge eines Rotorsegmentes entsprechen. Durch den Einsatz von Passstiftelementen lässt sich der Führungsabschnitt einfach und kostengünstig herstellen.
Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine elektrische Maschine mit einer Statoreinheit mit Statornuten, wobei eine erfindungsgemäße Rotoreinheit vorgesehen ist, wobei die Rotoreinheit und die Statoreinheit gegeneinander drehbar gelagert sind.
Die elektrische Maschine kann beispielsweise als Gleichstrommaschine oder als Synchronmaschine ausgebildet sein. Es kann vorgesehen sein, dass die Statoreinheit ein zeitlich variierendes Magnetfeld erzeugt, welches auf die Rotoreinheit wirkt, die mit Permanentmagneten bestückt ist. Hierdurch kann elektrische Energie, die der Statoreinheit zugeführt wird, in eine mechanische Drehbewegung der Rotoreinheit umgewandelt werden. Die Statoreinheit kann hierfür elektrische Leitungswindungen bzw. Spulen aufweisen, die über eine Steuereinrichtung in einer geeigneten Weise bestromt werden, um ein zeitlich variierendes Magnetfeld zu erzeugen. Es kann auch vorgesehen sein, dass die Rotoreinheit mechanisch angetrieben wird und ein zeitlich variierendes Magnetfeld erzeugt, das einen elektrischen Stromfluss in der Statoreinheit induziert.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
Dabei zeigen, jeweils schematisch,

1 eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Rotoreinheit,
2 eine Seitenansicht der Rotoreinheit aus 1,
3 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Rotorträgers und eines erfindungsgemäßen Rotorsegmentes,
4 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Rotorträgers mit angeordneten Rotorsegmenten,
5 eine Ansicht auf eine Stirnseite eines erfindungsgemäßen Rotorsegmentes,
6 eine Ansicht auf eine Stirnseite einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine.

In der 1 ist eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Rotoreinheit 1 gezeigt, wobei die Rotoreinheit 1 fünf im Wesentlichen identische Rotorsegmente 4 aufweist, die auf einem Rotorträger 3 angeordnet sind. Hierfür weisen die Rotorsegmente 4 jeweils wenigstens eine Ausnehmung 5 zur Durchführung des Rotorträgers 3 auf. In der 2 ist eine Seitenansicht der Rotoreinheit 1 aus 1 gezeigt.
Der Rotorträger 3 ist wenigstens teilweise als Hohlwelle ausgebildet und weist eine Axialachse 9 auf, die im Wesentlichen parallel zur Längserstreckung des Rotorträgers 3 ausgerichtet ist. Die Rotorsegmente 4 sind entlang dieser Axialachse 9 angeordnet, wobei an einem ersten Rotorsegment 10 eine erste Wuchtscheibe 19 und an einem letzten Rotorsegment 11 eine zweite Wuchtscheibe 20 vorgesehen ist. Die erste Wuchtscheibe 19 und die zweite Wuchtscheibe 20 können zum Ausgleich einer Unwucht der Rotoreinheit 1 eingesetzt werden.
Zwischen den Rotorsegmenten 4 und dem Rotorträger 3 wird eine drehfeste Verbindung hergestellt, indem ein Führungsabschnitt 8 in eine Nutabschnitt 7 des jeweiligen Rotorsegmentes 4 eingreift. Wie in der 3 und 4 dargestellt, kann der Führungsabschnitt 8 eine Längsnut 17 umfassen, die sich wenigstens teilweise entlang einer Außenoberfläche des Rotorträgers 3 erstreckt, wobei in dieser Längsnut 17 ein Passstiftelement 18 eingesetzt werden kann, welches eine formschlüssige Verbindung zwischen der Längsnut 17 und dem entsprechenden Nutabschnitt 7 des Rotorsegmentes 4 ausbildet. Das Passstiftelement 18 kann wie in 3 dargestellt eine Länge aufweisen, die im Wesentlichen der Länge des Rotorsegmentes 4 entspricht.
Zwischen den einzelnen Rotorsegmenten 4 als auch zwischen dem ersten Rotorsegment 10 und der ersten Wuchtscheibe 19 sowie zwischen dem letzten Rotorsegment 11 und der zweiten Wuchtscheibe 20 kann jeweils eine Isolatorscheibe 21 vorgesehen sein, die aus einem im Wesentlichen elektrisch isolierenden Material ausgebildet sein kann.
Über die Auswahl des Nutabschnittes 7 eines Rotorsegmentes 4, in den der Führungsabschnitt 8 eingreift, können diskrete Winkelstellungen des Rotorsegmentes 4 um die Axialachse 9 des Rotorträgers 3 ausgewählt werden, wobei die Rotorsegmente 4 in unterschiedlichen Winkelstellungen um die Axialachse 9 des Rotorträgers 3 angeordnet sind, um eine Schrägung der Rotoreinheit 1 zu erzielen.
In der 5 ist eine Ansicht auf eine Stirnseite eines erfindungsgemäßen Rotorsegmentes 4 dargestellt. Die Stirnseite des Rotorsegmentes 4 weist eine ringscheiben-förmige Kontur auf. Das Rotorsegment 4 umfasst eine Vielzahl von Taschenbereichen 15 zur Aufnahme von Magnetelementen 16. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Magnetelemente 16 doppel-v-förmig angeordnet, sodass vier Polpaare ausgebildet werden.
In einer Einbauposition des Rotorsegmentes 4, die in den 1 bis 4 gezeigt ist, durchstößt die Axialachse 9 des Rotorträgers 3 im Wesentlichen den Flächenschwerpunkt der Ausnehmung 5. In der 5 erstreckt sich die Axialachse 9 parallel zum Normalenvektor der Zeichnungsebene. Die Ausnehmung 5 weist eine Umfangskontur 6 auf, die fünf Nutabschnitte vorsieht, da die Rotoreinheit 1 in diesem Ausführungsbeispiel fünf Rotorsegmente 4 umfasst.
Der erste Nutabschnitt 71 bildet in diesem Beispiel einen Referenzpunkt aus und der Drehsinn 14 ist in der folgenden Betrachtung stets im Uhrzeigersinn festgelegt. Zwischen dem ersten Nutabschnitt 71 und einem zweiten Nutabschnitt 72 ist eine Winkeldifferenz 221 entlang der Umfangskontur 6 vorgesehen. Zwischen dem zweiten Nutabschnitt 72 und einem dritten Nutabschnitt 73 ist eine Winkeldifferenz 222 entlang der Umfangskontur 6 vorgesehen. Zwischen dem dritten Nutabschnitt 73 und einem vierten Nutabschnitt 74 ist eine Winkeldifferenz 223 entlang der Umfangskontur 6 vorgesehen. Zwischen dem vierten Nutabschnitt 74 und einem fünften Nutabschnitt 75 ist eine Winkeldifferenz 224 entlang der Umfangskontur 6 vorgesehen. Die Winkeldifferenzen 221, 222, 223, 224 weisen im Wesentlichen den gleichen Winkeldifferenzwert auf, wobei in dieser Ausführungsform der Winkeldifferenzwert 91,5° entspricht. Die Summe der Winkeldifferenzen entspricht in diesem Ausführungsbeispiel 366° und ist somit kein Vielfaches von 360°.
Der Winkelabstand des zweiten Nutabschnittes 72 relativ zum Referenzpunkt (erster Nutabschnitt 71) beträgt 91,5° entlang der Umfangskontur 6 gemäß des Drehsinns 14. Der Winkelabstand des dritten Nutabschnittes 73 relativ zum Referenzpunkt (erster Nutabschnitt 71) beträgt 183° entlang der Umfangskontur 6 gemäß des Drehsinns 14. Der Winkelabstand des vierten Nutabschnittes 74 relativ zum Referenzpunkt (erster Nutabschnitt 71) beträgt 274,5° entlang der Umfangskontur 6 gemäß des Drehsinns 14. Der Winkelabstand des fünften Nutabschnittes 75 relativ zum Referenzpunkt (erster Nutabschnitt 71) beträgt 6° entlang der Umfangskontur 6 gemäß des Drehsinns 14.
In der 6 ist eine Stirnansicht einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 2 gezeigt. Die elektrische Maschine 2 umfasst eine Statoreinheit 12 mit Statornuten 13, wobei nur ein Teilsegment der Statoreinheit 12 dargestellt ist. Die erfindungsgemäße Rotoreinheit 1 bzw. jedes Rotorsegment 4 ist so gelagert, dass eine relative Drehbewegung gegenüber der Statoreinheit 12 ausführbar ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102017102242 A1 [0003]
DE 102015007138 A1 [0004]
DE 102010044521 A1 [0005]
DE 102008020778 A1 [0005]
EP 2451049 A1 [0006]
DE 102008020779 A1 [0007]
DE 19543919 C1 [0008]

Claims

Rotoreinheit (1) für eine elektrische Maschine (2), - mit wenigstens einem Rotorträger (3) und mehreren im Wesentlichen identischen Rotorsegmenten (4), - wobei ein Rotorsegment (4) wenigstens eine Ausnehmung (5) zur Durchführung des Rotorträgers (3) aufweist, - wobei in Umfangsrichtung entlang einer Umfangskontur (6) der Ausnehmung (5) eines Rotorsegmentes (4) zueinander beabstandete axiale Nutabschnitte (7) vorgesehen sind, deren Anzahl wenigstens der Anzahl der Rotorsegmente (4) entspricht, - wobei der Rotorträger (3) einen Führungsabschnitt (8) aufweist, der in einen Nutabschnitt (7) eines jeden Rotorsegmentes (4) eingreift, um eine drehfeste Verbindung zwischen dem Rotorträger (3) und diesem Rotorsegment (4) auszubilden, - wobei über die Auswahl des Nutabschnittes (7) eines Rotorsegment (4), in den der Führungsabschnitt (8) eingreift, diskrete Winkelstellungen des Rotorsegmentes (4) um eine Axialachse (9) des Rotorträgers (3) auswählbar sind, - wobei die Rotorsegmente (4) in unterschiedlichen Winkelstellungen um die Axialachse (9) des Rotorträgers (3) angeordnet sind.
Rotoreinheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei direkt benachbarte Rotorsegmente (4) jeweils zueinander einen im Wesentlichen identischen Teilwinkelversatz um die Axialachse (9) des Rotorträgers (3) aufweisen.
Rotoreinheit (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, - dass ein erstes Rotorsegment (10) vorgesehen ist, das nur ein direkt benachbartes Rotorsegment (4) aufweist, - dass ein letztes Rotorsegment (11) vorgesehen ist, das nur ein direkt benachbartes Rotorsegment (4) aufweist und vom ersten Rotorsegment (10) beabstandet ist, - wobei zwischen dem ersten Rotorsegment und dem letzten Rotorsegment ein Winkelversatz vorliegt, der ein Vielfaches des Teilwinkelversatzes ist.
Rotoreinheit (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, - dass die Rotoreinheit (1) für eine elektrische Maschine (2) mit einer Statoreinheit (12) mit SN Statornuten (13) ausgebildet ist, - dass der Winkelversatz im Wesentlichen 360°/SN entspricht.
Rotoreinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, - dass N Rotorsegmente (4) vorgesehen sind, - dass ein jedes Rotorsegment (4) P magnetische Polpaare ausbildet, - wobei die Rotoreinheit (1) für eine elektrische Maschine (2) mit einer Statoreinheit (12) mit SN Statornuten (13) ausgebildet ist, - dass ein Rotorsegment (4) K Nutabschnitte (7) aufweist, wobei K ≥ N gilt, - wobei k=1 bis K den k-ten Nutabschnitt (7) referenziert, - wobei der Nutabschnitt (7) mit k=1 einen Referenzpunkt auf der Umfangskontur (6) der Ausnehmung (5) des Rotorsegmentes (4) ausbildet, - wobei der Winkelabstand W(k) bei einem vorgegebenen Drehsinn zwischen dem Referenzpunkt und dem k-ten Nutabschnitt (7) gemäß $W (k) = [(k - 1) * 360 ° {1 / (SN * N) + 1 / P}] mod 360 °$
ausgebildet ist.
Rotoreinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, - dass N=5 Rotorsegmente (4) vorgesehen sind, - dass ein jedes Rotorsegment (4) P=4 magnetische Polpaare ausbildet, - wobei die Rotoreinheit (1) für eine elektrische Maschine (2) mit einer Statoreinheit (12) mit SN=48 Statornuten (13) ausgebildet ist, - dass ein Rotorsegment (4) K ≥ 5 Nutabschnitte aufweist, - wobei k=1 bis K den k-ten Nutabschnitt (7) referenziert, - wobei der Nutabschnitt (7) mit k=1 einen Referenzpunkt auf der Umfangskontur (6) der Ausnehmung (5) des Rotorsegmentes (4) ausbildet, - wobei die Winkeldifferenz WD bei einem vorgegebenen Drehsinn (14) zwischen dem k+1-ten Nutabschnitt (7) und dem k-ten Nutabschnitt (7) $WD = 360 ° * {1 / (SN * N) + 1 / P} = 91,5 °$
beträgt.
Rotoreinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Rotorsegment (4) eine Mehrzahl im Wesentlicher identischer Rotorschichten aufweist.
Rotoreinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Rotorsegment (4) Taschenbereiche (15) zur Aufnahme von Magnetelementen (16) aufweist.
Rotoreinheit (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Führungsabschnitt (8) eine Längsnut (17) am Rotorträger (3) aufweist, in die ein Passstiftelement (18) eingebracht ist, das in den jeweiligen Nutabschnitt (7) eines Rotorsegmentes (4) eingreift.
Elektrische Maschine (2), insbesondere Elektromotor und/oder Generator, - mit einer Statoreinheit (12) mit Statornuten (13), - mit einer Rotoreinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, - wobei die Rotoreinheit (1) und die Statoreinheit (12) gegeneinander drehbar gelagert sind.