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WO2019038072A1 - Rotor und elektrische maschine - Google Patents

Rotor und elektrische maschine Download PDF

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Publication number
WO2019038072A1
WO2019038072A1 PCT/EP2018/071292 EP2018071292W WO2019038072A1 WO 2019038072 A1 WO2019038072 A1 WO 2019038072A1 EP 2018071292 W EP2018071292 W EP 2018071292W WO 2019038072 A1 WO2019038072 A1 WO 2019038072A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
rotor
shaft
borne sound
metal foam
sound absorbing
Prior art date
Application number
PCT/EP2018/071292
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Holger Fröhlich
Nevzat Guener
Original Assignee
Continental Automotive Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Continental Automotive Gmbh filed Critical Continental Automotive Gmbh
Priority to CN201880053495.0A priority Critical patent/CN111052562A/zh
Publication of WO2019038072A1 publication Critical patent/WO2019038072A1/de
Priority to US16/795,295 priority patent/US20200186002A1/en

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    • H02K9/22—Arrangements for cooling or ventilating by solid heat conducting material embedded in, or arranged in contact with, the stator or rotor, e.g. heat bridges
    • H02K9/227—Heat sinks

Definitions

  • Rotor and electric machine The invention relates to a rotor for an electric machine. Furthermore, the invention relates to an electrical machine.
  • One of the main causes of noise in an electric axle drive is typically the nonuniformity of torque in an electric machine.
  • the non-uniformity of the torque in the electric machine is due to the design and can be influenced by the design of the electric machine.
  • the most efficient way of reducing noise is not to let the noise arise at all, or at least to reduce the formation of sound.
  • One approach is theoretical. The machine is thoughtfully broken down into its individual components and then arranged according to their machine-acoustic properties. The result of this study are assessment ⁇ tables for the sound sources, sound carriers and
  • Influence of a source or the more a body transmits or radiates, the sooner must be intervened at this point.
  • the components are marked with different strong lines depending on the size of their influence. The thicker such a line is, the more critical is the effect on it
  • This type of analysis is suitable for both designs and existing machines. It shows where the Intervention of an acoustician is necessary and useful. If several highly prioritized sound sources occur in the sound flow plan, this does not present a problem during the design phase, since there are still sufficient possibilities for planning noise reduction measures at this time.
  • At least one structure-borne sound absorbing element made of a cellular metallic material is arranged in a rotor and / or in the region of a bearing seat of an electrical machine.
  • the structure-borne sound absorbing element absorbs energy and contributes to the improvement of the utility value of the electric machine.
  • Structure-borne sound damping means, in particular, absorption of the vibration energy by thermal, magnetic or atomic rearrangements of the molecules of the applied damping material.
  • a characteristic for the absorption of structure-borne sound is the so-called "dissipation factor", which is a measure of the ability of the material in question to absorb energy under dynamic load (in particular under flexural vibration.)
  • Suitable materials for structure-borne sound attenuation for electrical machines are particularly cellular metallic materials , Which allow a high airborne sound attenuation and structure-borne sound damping and thus are particularly ideal as a passive damping elements in the construction of the electric machine or the rotor for the electric machine.
  • Force-excited components are typically in a closed power flow and are excited by elastic deformations to structure-borne sound vibrations (in particular a rotor and a rotor shaft of an electric machine, see the rotor for the electric machine according to the first aspect of the invention below).
  • structure-borne sound vibrations in particular a rotor and a rotor shaft of an electric machine, see the rotor for the electric machine according to the first aspect of the invention below.
  • speed-excited components are outside a force flow. They are not bearing parts. However, they are coupled with components in the power flow and are transmitted via a coupling point to structure-borne sound vibrations (for example the housing of an electrical machine, in particular in the region of bearings of a rotor shaft of the electrical machine, see the electric machine according to the second aspect of the invention).
  • force-excited and excited ⁇ -speed components can influence each other in terms of their structure-borne vibrations, so the structure-borne noise should be prevented as far as possible to its spread within the structure. This can be achieved by a structure-borne sound insulation and a structure-borne sound attenuation.
  • a reduction in structure-borne sound transmission through damping requires large internal losses in the materials used. Body-sound energy is converted into heat by friction at contact surfaces or by internal friction of the materials.
  • a rotor for an electric machine is provided.
  • At least one structure-borne sound absorbing element e.g. in the form of a shaped body, arranged from a cellular metallic material.
  • the rotor comprises a rotor shaft having a bore, wherein the structure-borne sound absorbing member is disposed within the bore of the rotor shaft.
  • the bore may in particular be a centric bore which extends in a longitudinal direction of the rotor shaft.
  • the rotor comprises a rotor laminated core with at least one groove, wherein the structure-borne sound absorbing element is arranged in the groove of the rotor laminated core.
  • the at least one groove may extend in particular parallel to a longitudinal direction of the rotor shaft.
  • a plurality of grooves may be provided, which are preferably spaced equidistant from one another in a circumferential direction.
  • the rotor comprises a first shaft journal, a second shaft journal, a rotor laminated core and a carrier for the rotor laminated core, wherein the carrier for the laminated rotor core is arranged between the first shaft journal and the second shaft journal.
  • the carrier, the first shaft journal and the second shaft journal may define a cavity therebetween, and the structure-borne sound absorbing member may be disposed within the cavity.
  • the cellular metallic material may be a metal foam, in particular an aluminum foam.
  • the metal foam, in particular the aluminum foam has structure-specific properties which make it possible to produce composite structures with improved rigidity, with significantly improved damping capacity and with the possibility of controlled energy absorption. Structures with integrated aluminum foam are also particularly easy to absorb energy and dampen particularly effective Vib ⁇ rations and noise.
  • the introduction or arranging the metal foam, in particular the aluminum foam, in Maschi ⁇ nenwel, which are carriers or Abstrahier of structure-borne noise, allows both a lightweight and a
  • the metal foam may comprise hollow sphere structures.
  • the hollow sphere structures may in particular be metallic.
  • the metal foam can be characterized by the combination of open and closed porosity and the hollow sphere structures can be formed by spherical cells with precisely adjustable cell dimensions and cell wall thicknesses.
  • the hollow sphere structures offer the possibility to use up vibration energy. Once a wavefront Hohlku ⁇ gel dishes reaches the start, the spherical shells to vibrate against each other. Vibrational energy is converted into heat by friction and partially elastic shocks. Since in the Kör ⁇ perschalldämpfung thus vibrational energy by internal friction
  • the hollow sphere structures enable high structure-borne sound damping and vibration damping for fast-moving machine parts, eg for the rotor of the electric machine, and under extreme conditions
  • Hollow sphere structures can be produced by special technologies and flexibly processed further. They can for example be cast in, but also be connected by gluing, soldering or sintering.
  • freely movable ceramic particles may be present in the interior of the hollow sphere structures described above.
  • the metal foam may comprise hollow sphere structures which are filled with particles, in particular with ceramic particles.
  • the particles, in particular the ceramic particles act as vibration dampers.
  • Sintered individual spheres can be filled into the structure-borne sound-absorbing element (for example in the form of a shaped body) and fixed there by gluing or soldering. The further processing of the moldings or of individual hollow sphere structures into sandwich structures or pouring into polymers or metals is likewise possible. If a component with particle-filled hollow sphere structures in
  • Vibrations are transferred, the movement of the basic material directs the energy into the particle bed.
  • the particles are thrown away from the cavity wall and take over the vibration energy. By impact and friction of the particles, the kinetic energy is converted into heat.
  • the attenuation values achieved in this way can be approximately ten times as high as those of aluminum foam, which can be used as a vibration-damping lightweight material (see above) at a comparable density.
  • an electric machine is provided.
  • the electric machine comprises a rotor shaft, two roller bearings and a respective bearing seat for one of the two rolling bearings, wherein the rotor shaft is rotatably mounted in the two rolling bearings, and wherein in the region of at least one of the two bearing seats a structure-borne sound absorbing member made of a cellular metallic material is arranged ,
  • the cellular metallic material may be a metal foam, in particular an aluminum foam.
  • the metal foam may comprise hollow sphere structures.
  • the metal foam comprises hollow sphere structures which are filled with particles, in particular with ceramic particles.
  • FIG. 2 is a longitudinal sectional view of a known rotor with a rotor shaft and with a rotor core
  • FIG. 5 is a longitudinal sectional view of a known rotor with a multi-part rotor shaft
  • Fig. 6 each a longitudinal sectional view of a
  • FIG. 7 shows an embodiment of a rotor according to the invention with a metal foam which absorbs structure-borne noise integrated in a cavity of a multi-part rotor shaft
  • Fig. 10 is a longitudinal sectional view of a part of a known electric machine having a rotor shaft, a rolling bearing and a housing forming a bearing seat for the rolling bearing, Fig. 11, respectively a longitudinal sectional view of a
  • FIG. 13 is a longitudinal sectional view of an embodiment of an electrical machine according to the invention with structure-borne sound absorbing metal foam in the range of positional seats and in the interior of a multi-part rotor shaft, and
  • the electric axle drive 1 shows an electric axle drive 1 of a motor vehicle 2.
  • the electric axle drive 1 comprises an electric machine 3 with a rotor laminated core 4, with a stator 5 and with a rotor shaft 6.
  • the stator 5 of the electric machine 3 is connected via an assembly bearing 7 coupled with springs and dampers to a chassis 8 of the motor vehicle 2.
  • the rotor shaft 6 is coupled to a transmission 9, which is coupled via a Ge ⁇ drive bearing 10 with a spring element to the vehicle 2.
  • One of the main sources of noise in the electric axle drive 1 is typically the non-uniformity of the
  • Torque in the electric machine 3 The non-uniformity of the torque in the electric machine 3 is due to the design and can be influenced by the design of the electric machine 3.
  • the non-uniformity of the torque can also be caused by the activation of the electric machine 3, if e.g. due to a too low switching frequency and a low stray inductance in the electric machine 3 significant harmonic currents arise, which can cause torque fluctuations 11, which are often referred to as so-called "torque tripple".
  • the nonuniformity of the torque of the electric machine 3 may contribute to noise generation in various ways.
  • the torque Trippel 11 can pass over the Ro ⁇ door shaft 6 in the gearbox 9 and generating gear noise there.
  • the torque tripple 11 via the unit bearing 7 (in case of insufficient damping) in the Chassis 8 of the vehicle 2 reach and provide for a vibration excitation ⁇ and associated noise.
  • a housing 12 of the stator 5 in the case of insufficient dimensioning
  • Fig. 2 shows a known rotor with a rotor shaft 6 and with a rotor core 4, which is rotatably mounted on the rotor shaft 6.
  • 3 and 4 each show a rotor according to the invention with a rotor shaft 6, which comprises a central bore 14 which extends in a longitudinal direction L of the rotor shaft 6.
  • a structure-borne sound absorbing member 15 is arranged, which may be made for example of a Me ⁇ tallschaum, in particular of an aluminum foam.
  • 5 shows a known rotor, which comprises a first shaft journal 16, a second shaft journal 17, a rotor laminated core 4 (magnetically relevant region) and a carrier 18 for the rotor laminated core 4.
  • the carrier 18 is arranged in a longitudinal direction L of the rotor between the first shaft journal 16 and the second shaft journal 17. Furthermore, the carrier 18, the first shaft journal 16 and the second shaft journal 17 define a cavity 19 between them.
  • the rotor laminated core 4 is supported in a rotationally fixed manner on the carrier 18.
  • 6 and 7 each show a rotor according to the invention, which has the same basic structure as the rotor of FIG. 5.
  • a structure-borne sound sublingually ⁇ -absorbing element 15 inside the cavity 19 of the rotor of FIG. 6 are arranged or 7, wherein the element 15, for example, a metal foam, in particular from an aluminum foam, may be made.
  • the structure-borne noise absorbing element 15 can completely fill the cavity 19.
  • 8 and 9 each show a rotor according to the invention with a rotor shaft 6 and with a rotor laminated core 4, which is rotatably mounted on the rotor shaft 6.
  • the rotor laminated core 4 comprises a plurality of circumferentially distributed grooves 20, which extend in the axial direction L through the individual sheets of the rotor terblechpers 4. Each represent a structure-borne sound sublingually ⁇ beer element 15 is arranged in one of the grooves 20th
  • the elements 15 may for example be made of a metal foam, in particular of an aluminum foam.
  • the grooves 20 extend in the embodiments shown by FIGS. 8 and 9 parallel to a longitudinal axis L of the rotor shaft 6.
  • FIG. 10 shows a part of a known electric machine 21 with a rotor shaft 6 and two rolling bearings 22, one of which is shown in FIG.
  • the electric machine 21 further comprises a housing 23 which forms two bearing seats 24, one of which is shown in FIG.
  • the rotor shaft 6 is rotatably supported in the two rolling bearings 22, and the two bearing seats 24 each receive a rolling bearing 22.
  • FIGS. 11 and 12 each show a part of an electric machine 21 according to the invention, which has the same basic construction as the electric machine according to FIG. However, according to the invention, a structure-borne sound absorbing element 15 is made of a cellular metallic material in the region of the two
  • FIG. 13 shows another electrical machine 21 according to the invention. Similar to FIGS. 11 and 12, a structure-borne sound absorbing element 15 made of a cellular metallic material is arranged in the region of two bearing seats 24. Similarly, as shown by Figs. 6 and 7, a structure-borne sound absorbing member 15 made of a cellular metallic material is disposed inside a cavity 19 of a multi-part rotor comprising a first shaft journal 16, a second journal 17, a rotor core 4 and a carrier 18 for the rotor laminated core 4 comprises.
  • the elements 15 may for example be made of a metal foam, in particular of an aluminum foam.
  • the electric machine 21 furthermore comprises a stator 25 and a transmission 26 integrated in the electric machine, within which a structure-borne sound absorbing element 15 may likewise be arranged made of a cellular metallic material.
  • FIG. 14 shows another electric machine 21 according to the invention. Similar to FIGS. 3 and 4, a rotor of the electric machine has a rotor shaft 6 with a central bore 14 which extends in a longitudinal direction L of the rotor shaft 6. Within the bore 14 a Kor ⁇ perschall absorbing element 15 is arranged. Similarly, as shown by FIGS. 8 and 9, a rotor core 4 of the rotor includes a plurality of circumferentially distributed grooves 20, each having a structure-borne sound absorbing member 15 disposed in one of the grooves 20.
  • the elements 15 may for example be made of a metal foam, in particular of an aluminum foam. According to the embodiment of FIG.
  • the electrical machine 21 further comprises a liquid-keitsgekühltes housing 23, a shutter 27 of the Ro ⁇ torblechpers 4, an end plate 28 and an inverter 29.
  • the metal foam shown in the figures described above may comprise hollow sphere structures, in particular hollow sphere structures, which are filled with particles, for example with ceramic particles.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine (21), wobei in den Rotor wenigstens ein Körperschall absorbierendes Element (15) aus einem zellularen metallischen Werkstoff angeordnet ist. Weiterhin betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine (21) umfassend eine Rotorwelle (6), zwei Wälzlager (22) und jeweils einen Lagersitz (24) für eines der zwei Wälzlager (22), wobei die Rotorwelle (6) in den zwei Wälzlagern (22) drehbar gelagert ist, und wobei im Bereich zumindest einer der zwei Lagersitze (24) ein Körperschall absorbierendes Element (15) aus einem zellularen metallischen Werkstoff angeordnet ist.

Description

Beschreibung
Rotor und elektrische Maschine Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine. Weiterhin betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine.
Eine der Hauptsachen für Geräusche in einem elektrischen Achsantrieb ist typischerweise die Ungleichförmigkeit des Drehmoments in einer elektrischen Maschine. Die Ungleichförmigkeit des Drehmoments in der elektrischen Maschine ist bauartbedingt und kann durch die Auslegung der elektrischen Maschine beeinflusst werden. Der effizienteste Weg der Lärmminderung ist, den Lärm gar nicht erst entstehen zu lassen oder zumindest schon die Entstehung des Schalls zu vermindern. Um eine Schallquelle zu identifizieren, gibt es verschiedene Möglichkeiten. Ein Ansatz ist theoretisch. Die Maschine wird dabei gedanklich in ihre Einzelkomponenten zerlegt und dann nach ihren maschinenakustischen Eigenschaften geordnet. Das Ergebnis dieser Untersuchung sind Bewertungs¬ tabellen für die Schallquellen, Schallüberträger und
Schallabstrahler. Sie münden in einen Schallflussplan, der grafisch veranschaulicht, an welchen Komponenten der Maschine mit der Lärmminderung begonnen werden muss. Je größer der
Einfluss einer Quelle ist, oder je stärker ein Körper überträgt bzw. abstrahlt, desto eher muss an dieser Stelle eingegriffen werden. Dazu werden die Bauteile je nach Größe ihres Einflusses mit verschieden starken Linien gekennzeichnet. Je dicker eine solche Linie ist, desto kritischer ist die Wirkung auf das
Geräusch und desto eher muss hier Lärmminderung betrieben werden.
Diese Art der Analyse eignet sich sowohl für Entwürfe als auch für bestehende Maschinen. Sie zeigt, an welchen Stellen der Eingriff eines Akustikers nötig und sinnvoll ist. Treten im Schallflussplan mehrere hoch priorisierte Schallquellen auf, so stellt dies während der Entwurfsphase noch kein Problem dar, da zu diesem Zeitpunkt noch genügend Möglichkeiten zur Planung von Lärmminderungsmaßnahmen bestehen.
Davon ausgehend ist es insbesondere eine Aufgabe der Erfindung, die Geräusche in einem elektrischen Achsantrieb auf alternative und einfache Weise zu vermindern.
Die Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der nachfolgenden Beschreibung sowie der Figuren .
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird wenigstens ein Körperschall absorbierendes Element aus einem zellularen metallischen Werkstoff in einem Rotor und/oder im Bereich eines Lagersitzes einer elektrischen Maschine angeordnet. Somit kann eine Dämpfung von Schwingungen durch gestalterische, Fügemaßnahmen oder werkstofftechnische Maßnahmen erreicht werden. Das Körperschall absorbierende Element absorbiert Energie und leistet einen Beitrag zur Verbesserung des Gebrauchswertes der elektrischen Maschine .
Körperschalldämpfung bedeutet insbesondere eine Absorption der Schwingungsenergie durch thermische, magnetische oder atomare Umordnungen der Moleküle des aufgebrachten Dämpfungsmaterials. Eine Kenngröße für die Absorption von Körperschall ist der sogenannte„Verlustfaktor", welcher ein Maß für die Fähigkeit des betreffenden Materials ist, bei dynamischer Beanspruchung (insbesondere bei Biegeschwingungen) Energie zu absorbieren. Als Materialien zur Körperschalldämpfung für elektrische Maschinen eignen sich besonders zellulare metallische Werkstoffe, welche eine hohe Luftschalldämpfung und Körperschalldämpfung ermöglichen und sich somit als passive Dämpfungselemente in der Konstruktion der elektrischen Maschine bzw. des Rotors für die elektrische Maschine besonders ideal sind.
Bei den in einer Wirkungskette einer Struktur liegenden Bauteilen kann zwischen Kraftanregung und Geschwindigkeitsanregung unterschieden werden. Krafterregte Bauteile befinden sich typischerweise in einem geschlossenen Kraftfluss und werden durch elastische Verformungen zu Körperschallschwingungen angeregt (insbesondere ein Rotor und eine Rotorwelle einer elektrischen Maschine, siehe den Rotor für die elektrische Maschine gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung weiter unten) . Geschwindigkeitserregte Bauteile hingegen liegen außerhalb eines Kraftflusses. Es sind keine tragenden Teile. Sie sind jedoch mit Bauteilen im Kraftfluss gekoppelt und werden über eine Koppelstelle in Körperschallschwingungen versetzt (beispielsweise das Gehäuse einer elektrischen Maschine, insbesondere im Bereich von Lagern einer Rotorwelle der elektrischen Maschine; siehe die elekt- rische Maschine gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung) .
In der Praxis können sich krafterregte und geschwindigkeits¬ erregte Bauteile hinsichtlich ihrer Körperschallschwingungen gegenseitig beeinflussen, weshalb der Körperschall an seiner Ausbreitung innerhalb der Struktur so weit wie möglich gehindert werden sollte. Dies kann erreicht werden durch eine Körperschalldämmung und eine Körperschalldämpfung.
Mit den Mitteln zur Körperschalldämmung lässt sich in vielen Fällen die zur Lärmbekämpfung erwünschte Vermeidung der Körperschallausbreitung nicht erzielen, weil ohne Dämpfung die Energie nicht aufgezehrt wird. „
Eine Minderung der Körperschallübertragung durch Dämpfung setzt große innere Verluste in den verwendeten Materialien voraus. Körperschallenergie wird durch Reibung an Kontaktflächen oder durch innere Reibung der Materialien in Wärme umgewandelt. Auch hier gilt, dass die Körperschalldämpfung umso wirksamer ist, je dichter sie an der Entstehungsstelle erfolgt (beispielsweise im Rotor bzw. in der Rotorwelle und besonders dicht am Lager der Rotorwelle) .
In diesem Sinne wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ein Rotor für eine elektrische Maschine bereitgestellt. In den Rotor ist wenigstens ein Körperschall absorbierendes Element, z.B. in Gestalt eines Formkörpers, aus einem zellularen metallischen Werkstoff angeordnet.
In einer Ausführungsform umfasst der Rotor eine Rotorwelle mit einer Bohrung, wobei das Körperschall absorbierende Element innerhalb der Bohrung der Rotorwelle angeordnet ist. Bei der Bohrung kann es sich insbesondere um eine zentrische Bohrung handeln, welche sich in einer Längsrichtung der Rotorwelle erstreckt .
In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Rotor ein Rotorblechpaket mit wenigstens einer Nut, wobei das Körperschall absorbierende Element in der Nut des Rotorblechpakets angeordnet ist. Die wenigstens eine Nut kann sich insbesondere parallel zu einer Längsrichtung der Rotorwelle erstrecken. Insbesondere können mehrere Nuten vorgesehen sein, welche in einer Um- fangsrichtung voneinander bevorzugt äquidistant beabstandet sind.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Rotor einen ersten Wellenzapfen, einen zweiten Wellenzapfen, ein Rotorblechpaket und einen Träger für das Rotorblechpaket, wobei der Träger für das Rotorblechpaket zwischen dem ersten Wellenzapfen und dem zweiten Wellenzapfen angeordnet ist. Der Träger, der erste Wellenzapfen und der zweite Wellenzapfen können zwischen sich einen Hohlraum begrenzen, und das Körperschall absorbierende Element kann innerhalb des Hohlraums angeordnet sein.
Der zellulare metallische Werkstoff kann ein Metallschaum sein, insbesondere ein Aluminiumschaum. Der Metallschaum, insbesondere der Aluminiumschaum, weist strukturspezifische Ei- genschaften auf, die es ermöglichen, dass Verbundstrukturen mit verbesserter Steifigkeit, mit einem deutlich verbesserten Dämpfungsvermögen sowie mit der Möglichkeit zur kontrollierten Energieabsorption hergestellt werden können. Konstruktionen mit integriertem Aluminiumschaum sind weiterhin besonders leicht, absorbieren viel Energie und dämpfen besonders effektiv Vib¬ rationen und Geräusche. Das Einbringen bzw. Anordnen des Metallschaums, insbesondere des Aluminiumschaums, in Maschi¬ nenteile, welche Überträger bzw. Abstrahier von Körperschall sind, ermöglicht sowohl einen Leichtbau als auch eine
Schalldämpfung bzw. Vibrationsdämpfung.
Weiterhin kann der Metallschaum Hohlkugelstrukturen umfassen. Die Hohlkugelstrukturen können insbesondere metallisch sein. Der Metallschaum kann sich durch die Kombination von offener und geschlossener Porosität auszeichnen und die Hohlkugelstrukturen können durch kugelförmige Zellen mit exakt einstellbaren Zellendurchmessen und Zellwandstärken gebildet sein.
Die Hohlkugelstrukturen bieten die Möglichkeit, Schwingungs- energie aufzubrauchen. Sobald eine Wellenfront die Hohlku¬ gelschalen erreicht, beginnen die Kugelschalen, gegeneinander zu schwingen. Schwingungsenergie wird dabei durch Reibung und teilelastische Stöße in Wärme umgewandelt. Da bei der Kör¬ perschalldämpfung somit Schwingungsenergie durch innere Reibung in Wärme umgewandelt wird, kann auch von „innerer Dämpfung" gesprochen werden. Mit den Hohlkugelstrukturen wird eine hohe Körperschalldämpfung und Vibrationsdämpfung für schnell bewegte Maschinenteile, z.B. für den Rotor der elektrischen Maschine, und unter extremen Bedingungen ermöglicht. Die metallischen
Hohlkugelstrukturen können durch spezielle Technologien hergestellt und flexibel weiterverarbeitet werden. Sie können beispielsweise eingegossen werden, aber auch durch Kleben, Löten oder Sintern verbunden werden.
In einer Weiterbildung können in dem Inneren der vorstehend beschriebenen Hohlkugelstrukturen frei bewegliche Keramikpartikel vorliegen. In diesem Sinne kann in einer weiteren Ausführungsform der Metallschaum Hohlkugelstrukturen umfassen, welche mit Partikeln, insbesondere mit Keramikpartikeln, gefüllt sind. Die Partikel, insbesondere die Keramikpartikel, wirken als Schwingungsdämpfer. Gesinterte Einzelkugeln können in das Körperschall absorbierende Element (z.B. in Gestalt eines Formkörpers) gefüllt werden, und dort durch Kleben oder Löten fixiert werden. Die Weiterverarbeitung der Formkörper oder auch von einzelnen Hohlkugelstrukturen zu Sandwichstrukturen oder das Eingießen in Polymere oder Metalle ist ebenso möglich. Wenn ein Bauteil mit Partikeln gefüllten Hohlkugelstrukturen in
Schwingungen versetzt wird, leitet die Bewegung des Grundma- terials die Energie in die Partikelschüttung . Die Partikel werden von der Hohlraumwand weggeschleudert und übernehmen dabei die Schwingungsenergie. Durch Stöße und durch Reibung der Partikel wird die Bewegungsenergie in Wärme umgewandelt. Die so erreichten Dämpfungswerte können bei vergleichbarer Dichte ca. zehnmal so hoch sein wie diejenigen von Aluminiumschaum, welcher als schwingungsdämpfender Leichtbauwerkstoff verwendet werden kann (siehe weiter oben) . Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine elektrische Maschine bereitgestellt. Die elektrische Maschine umfasst eine Rotorwelle, zwei Wälzlager und jeweils einen Lagersitz für eines der zwei Wälzlager, wobei die Rotorwelle in den zwei Wälzlagern drehbar gelagert ist, und wobei im Bereich zumindest einer der zwei Lagersitze ein Körperschall absorbierendes Element aus einem zellularen metallischen Werkstoff angeordnet ist.
Der zellulare metallische Werkstoff kann ein Metallschaum sein, insbesondere ein Aluminiumschaum. Weiterhin kann der Metallschaum Hohlkugelstrukturen umfassen. In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Metallschaum Hohlkugelstrukturen, welche mit Partikeln, insbesondere mit Keramikpartikeln, gefüllt sind. Bezüglich Effekten, Vorteilen und näheren Ausgestaltungen der in diesem Absatz beschriebenen Ausführungsformen wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obenstehenden Ausführungen im Zusammenhang mit dem Rotor nach dem ersten Aspekt der Erfindung verwiesen .
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der teilweise schematischen Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigt
Fig. 1 eine teilweise geschnittene Darstellung eines be¬ kannten elektrischen Achsantriebs,
Fig. 2 eine Längsschnittdarstellung eines bekannten Rotors mit einer Rotorwelle und mit einem Rotorblechpaket,
Fig. 3 jeweils eine Längsschnittdarstellung eines
und 4 Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Rotors mit einem in eine Rotorwelle integrierten Körperschall absorbierenden Metallschaum, Fig. 5 eine Längsschnittdarstellung eines bekannten Rotors mit einer mehrteiligen Rotorwelle,
Fig. 6 jeweils eine Längsschnittdarstellung eines
und 7 Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Rotors mit einem in einen Hohlraum einer mehrteiligen Rotorwelle integrierten Körperschall absorbierenden Metallschäum, Fig. 8 jeweils eine Längsschnittdarstellung eines
und 9 Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Rotors mit einem in Nuten eines Rotorblechpakets integrierten Körperschall absorbierenden Metallschaum, Fig. 10 eine Längsschnittdarstellung eines Teils einer bekannten elektrischen Maschine mit einer Rotorwelle, einem Wälzlager und einem Gehäuse, welches einen Lagersitz für das Wälzlager bildet, Fig. 11 jeweils eine Längsschnittdarstellung eines
und 12 Teils eines Ausführungsbeispiels einer erfindungs¬ gemäßen elektrischen Maschine mit einem Körperschall absorbierenden Metallschaum im Bereich eines Lagersitzes,
Fig. 13 eine Längsschnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine mit Körperschall absorbierendem Metallschaum im Bereich von Lagesitzen und im Inneren einer mehrteiligen Rotorwelle, und
Fig. 14 eine Längsschnittdarstellung eines Ausführungsbei¬ spiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine mit Körperschall absorbierendem Metallschaum im In- „
neren einer mehrteiligen Rotorwelle und in Nuten eines Rotorblechpakets .
Fig. 1 zeigt einen elektrischen Achsantrieb 1 eines Kraft- fahrzeugs 2. Der elektrische Achsantrieb 1 umfasst eine elektrische Maschine 3 mit einem Rotorblechpaket 4, mit einem Stator 5 und mit einer Rotorwelle 6. Der Stator 5 der elektrischen Maschine 3 ist über ein Aggregatslager 7 mit Federn und Dämpfern an ein Chassis 8 des Kraftfahrzeugs 2 gekoppelt. Die Rotorwelle 6 ist mit einem Getriebe 9 gekoppelt, welches über ein Ge¬ triebelager 10 mit einem Federelement an das Fahrzeug 2 gekoppelt ist .
Eine der Hauptsachen für Geräusche in dem elektrischen Achsantrieb 1 ist typischerweise die Ungleichförmigkeit des
Drehmoments in der elektrischen Maschine 3. Die Ungleichförmigkeit des Drehmoments in der elektrischen Maschine 3 ist bauartbedingt und kann durch die Auslegung der elektrischen Maschine 3 beeinflusst werden.
Die Ungleichförmigkeit des Drehmoments kann aber auch durch die Ansteuerung der elektrischen Maschine 3 entstehen, wenn z.B. aufgrund einer zu geringen Schaltfrequenz und einer geringen Streuinduktivität in der elektrischen Maschine 3 nennenswerte Oberschwingungsströme entstehen, welche Drehmomentschwankungen 11 verursachen können, die oftmals auch als sogenannte „Drehmomenttrippel" bezeichnet werden.
Die Ungleichförmigkeit des Drehmoments der elektrischen Maschine 3 kann auf verschiedene Arten zu einer Geräuschbildung beitragen. So kann beispielsweise der Drehmomenttrippel 11 über die Ro¬ torwelle 6 in das Getriebe 9 gelangen und dort Getriebegeräusche erzeugen. Weiterhin kann der Drehmomenttrippel 11 über das Aggregatslager 7 (bei nicht ausreichender Dämpfung) in das Chassis 8 des Fahrzeugs 2 gelangen und für eine Schwingungs¬ anregung sowie damit verbundene Geräusche sorgen. Außerdem kann auch ein Gehäuse 12 des Stators 5 (bei nicht ausreichender Dimensionierung) durch die umlaufenden Kraftquellen zu Kör- perschall 12 angeregt werden, welcher dann als Luftschall in Erscheinung treten kann.
Fig. 2 zeigt einen bekannten Rotor mit einer Rotorwelle 6 und mit einem Rotorblechpaket 4, welches drehfest auf der Rotorwelle 6 gelagert ist.
Fig. 3 und 4 zeigen jeweils einen erfindungsgemäßen Rotor mit einer Rotorwelle 6, welche eine zentrische Bohrung 14 umfasst, die sich in einer Längsrichtung L der Rotorwelle 6 erstreckt. Innerhalb der Bohrung 14 ist ein Körperschall absorbierendes Element 15 angeordnet, welches beispielsweise aus einem Me¬ tallschaum, insbesondere aus einem Aluminiumschaum, hergestellt sein kann. Fig. 5 zeigt einen bekannten Rotor, welcher einen ersten Wellenzapfen 16, einen zweiten Wellenzapfen 17, ein Rotorblechpaket 4 (magnetisch relevanter Bereich) und einen Träger 18 für das Rotorblechpaket 4 umfasst. Der Träger 18 ist in einer Längsrichtung L des Rotors zwischen dem ersten Wellenzapfen 16 und dem zweiten Wellenzapfen 17 angeordnet. Weiterhin begrenzen der Träger 18, der erste Wellenzapfen 16 und der zweite Wellenzapfen 17 zwischen sich einen Hohlraum 19. Ferner ist das Rotorblechpaket 4 drehfest auf dem Träger 18 gelagert. Fig. 6 und 7 zeigen jeweils einen erfindungsgemäßen Rotor, welcher den gleichen Grundaufbau wie der Rotor nach Fig. 5 aufweist. Erfindungsgemäß ist jedoch ein Körperschall absor¬ bierende Element 15 innerhalb des Hohlraums 19 des Rotors nach Fig. 6 bzw. 7 angeordnet, wobei das Element 15 beispielsweise aus einem Metallschaum, insbesondere aus einem Aluminiumschaum, hergestellt sein kann. Das Körperschall absorbierende Element 15 kann den Hohlraum 19 dabei vollständig ausfüllen. Fig. 8 und 9 zeigen jeweils einen erfindungsgemäßen Rotor mit einer Rotorwelle 6 und mit einem Rotorblechpaket 4, welches drehfest auf der Rotorwelle 6 gelagert ist. Das Rotorblechpaket 4 umfasst mehrere in Umfangsrichtung verteilte Nuten 20, welche in axialer Richtung L durch die einzelnen Bleche des Ro- torblechpakets 4 verlaufen. Jeweils ein Körperschall absor¬ bierendes Element 15 ist in einer der Nuten 20 angeordnet. Die Elemente 15 können beispielsweise aus einem Metallschaum, insbesondere aus einem Aluminiumschaum, hergestellt sein. Die Nuten 20 erstrecken sich in den durch Fig. 8 und 9 gezeigten Ausführungsbeispielen parallel zu einer Längsachse L der Rotorwelle 6.
Fig. 10 zeigt einen Teil einer bekannten elektrischen Maschine 21 mit einer Rotorwelle 6 und mit zwei Wälzlagern 22, von denen eines in Fig. 10 gezeigt ist. Die elektrische Maschine 21 umfasst ferner ein Gehäuse 23, welches zwei Lagersitze 24 bildet, von denen einer in Fig. 10 gezeigt ist. Die Rotorwelle 6 ist in den zwei Wälzlagern 22 drehbar gelagert, und die zwei Lagersitze 24 nehmen jeweils ein Wälzlager 22 auf.
Fig. 11 und 12 zeigen jeweils einen Teil einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 21, welche den gleichen Grundaufbau wie die elektrische Maschine nach Fig. 10 aufweist. Erfindungsgemäß ist jedoch jeweils ein Körperschall absorbierendes Element 15 aus einem zellularen metallischen Werkstoff im Bereich der zwei
Lagersitze 24 angeordnet (insbesondere kann das Element 15 um die zwei Lagersitze 24 herum angeformt sein) , wobei das Element 15 beispielsweise aus einem Metallschaum, insbesondere aus einem Aluminiumschaum, hergestellt sein kann. Fig. 13 zeigt eine weitere erfindungsgemäße elektrische Maschine 21. Ähnlich wie durch Fig. 11 und 12 gezeigt, ist jeweils ein Körperschall absorbierendes Element 15 aus einem zellularen metallischen Werkstoff im Bereich von zwei Lagersitzen 24 angeordnet. Ähnlich wie durch Fig. 6 und 7 gezeigt, ist weiterhin ein Körperschall absorbierendes Element 15 aus einem zellularen metallischen Werkstoff innerhalb eines Hohlraums 19 eines mehrteiligen Rotors angeordnet, welcher einen ersten Wellenzapfen 16, einen zweiten Wellenzapfen 17, ein Rotorblechpaket 4 und einen Träger 18 für das Rotorblechpaket 4 umfasst. Die Elemente 15 können beispielsweise aus einem Metallschaum, insbesondere aus einem Aluminiumschaum, hergestellt sein. Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 13 umfasst die elektrische Maschine 21 weiterhin einen Stator 25 und ein in die elektrische Maschine integriertes Getriebe 26, innerhalb welchem ebenfalls ein Körperschall absorbierendes Element 15 aus einem zellularen metallischen Werkstoff angeordnet sein kann.
Fig. 14 zeigt eine weitere erfindungsgemäße elektrische Maschine 21. Ähnlich wie durch Fig. 3 und 4 gezeigt, weist ein Rotor der elektrischen Maschine eine Rotorwelle 6 mit einer zentrischen Bohrung 14 auf, welche sich in einer Längsrichtung L der Rotorwelle 6 erstreckt. Innerhalb der Bohrung 14 ist ein Kör¬ perschall absorbierendes Element 15 angeordnet. Ähnlich wie durch Fig. 8 und 9 gezeigt, umfasst ein Rotorblechpaket 4 des Rotors mehrere in Umfangsrichtung verteilte Nuten 20, wobei jeweils ein Körperschall absorbierendes Element 15 in einer der Nuten 20 angeordnet ist. Die Elemente 15 können beispielsweise aus einem Metallschaum, insbesondere aus einem Aluminiumschaum, hergestellt sein. Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 14 umfasst die elektrische Maschine 21 weiterhin ein flüssig- keitsgekühltes Gehäuse 23, einen Verschluss 27 des Ro¬ torblechpakets 4, einen Lagerschild 28 und einen Inverter 29. Der in den vorstehend beschriebenen Figuren gezeigte Metallschaum kann Hohlkugelstrukturen umfassen, insbesondere Hohlkugelstrukturen, welche mit Partikeln, z.B. mit Keramikpartikeln, gefüllt sind.

Claims

Patentansprüche
1. Rotor für eine elektrische Maschine (21), wobei in den Rotor wenigstens ein Körperschall absorbierendes Element (15) aus einem zellularen metallischen Werkstoff angeordnet ist.
2. Rotor nach Anspruch 1, der Rotor umfassend eine Rotorwelle (6) mit einer Bohrung (14), wobei das Körperschall absorbierende Element (15) innerhalb der Bohrung (14) der Rotorwelle (6) angeordnet ist.
3. Rotor nach Anspruch 1 oder 2, der Rotor umfassend ein Rotorblechpaket (4) mit wenigstens einer Nut (20), wobei das Körperschall absorbierende Element (15) in der Nut (20) des Rotorblechpakets (4) angeordnet ist.
4. Rotor nach einem der vorstehenden Ansprüche, der Rotor umfassend einen ersten Wellenzapfen (16), einen zweiten Wellenzapfen (17), ein Rotorblechpaket (4) und einen Träger (18) für das Rotorblechpaket (4), wobei
- der Träger (18) für das Rotorblechpaket (4) zwischen dem ersten Wellenzapfen (16) und dem zweiten Wellenzapfen (17) angeordnet ist,
- der Träger (18), der erste Wellenzapfen (16) und der zweite Wellenzapfen (17) zwischen sich einen Hohlraum (19) begrenzen, und
- das Körperschall absorbierende Element (15) innerhalb des Hohlraums (19) angeordnet ist.
5. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der zellulare metallische Werkstoff ein Metallschaum ist, insbesondere ein Aluminiumschaum.
6. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Metallschaum Hohlkugelstrukturen umfasst.
7. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Metallschaum Hohlkugelstrukturen umfasst, welche mit Partikeln, insbesondere mit Keramikpartikeln, gefüllt sind.
8. Elektrische Maschine (21) umfassend eine Rotorwelle (6), zwei Wälzlager (22) und j eweils einen Lagersitz (24) für eines der zwei Wälzlager (22), wobei die Rotorwelle (6) in den zwei Wälzlagern (22) drehbar gelagert ist, und wobei im Bereich zumindest einer der zwei Lagersitze (24) ein Körperschall absorbierendes Element (15) aus einem zellularen metallischen Werkstoff angeordnet ist.
9. Elektrische Maschine nach Anspruch 8, wobei der zellulare metallische Werkstoff ein Metallschaum ist, insbesondere ein Aluminiumschaum.
10. Elektrische Maschine nach Anspruch 8 oder 9, wobei der Metallschaum Hohlkugelstrukturen umfasst.
11. Elektrische Maschine nach Anspruch 8 oder 9, wobei der Metallschaum Hohlkugelstrukturen umfasst, welche mit Partikeln, insbesondere mit Keramikpartikeln, gefüllt sind.
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