DE102007047715A1

DE102007047715A1 - Rotor, für eine elektrische Maschine sowie elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102007047715A1
Application number: DE102007047715A
Authority: DE
Inventors: Barlas Turgay; Andreas Herzberger
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-10-05
Filing date: 2007-10-05
Publication date: 2009-04-09
Also published as: WO2009047094A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rotor (2) für eine elektrische Maschine, mit einer Rotorwelle (4), einer drehfest mit der Rotorwelle (4) verbundenen Rotornabe (6), sowie mindestens einem auf der Rotornabe (6) montierten, mit einer Rotorwicklung, Permanentmagneten oder einem Kurzschlusskäfig bestückten Lamellen- oder Rotorblechpaket (8). Die Erfindung betrifft weiter eine elektrische Maschine mit einem solchen Rotor (2). Es ist vorgesehen, dass die Rotornabe (6) wenigstens zu einem überwiegenden Teil aus einem nichtmetallischen Werkstoff hergestellt ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Rotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie eine elektrische Maschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
Stand der Technik
Rotoren von elektrischen Maschinen umfassen in der Regel eine in einem Gehäuse der elektrischen Maschine drehbar gelagerte Rotorwelle und mehrere drehfest mit der Rotorwelle verbundene Lamellen- oder Rotorblechpakete, die mit einer Rotorwicklung, Permanentmagneten oder bei Asynchronmaschinen mit einem Kurzschlusskäfig bestückt sind. Während die Lamellen- oder Rotorblechpakete bei kleineren elektrischen Maschinen in der Regel direkt auf der Rotorwelle befestigt sind, umfassen Rotoren von großen elektrischen Maschinen, wie zum Beispiel von elektrischen Maschinen für Hybridantriebe von Kraftfahrzeugen, neben der Rotorwelle gewöhnlich noch eine hohle Rotornabe, die starr mit der Rotorwelle verbunden ist und an ihrem Umfang die Lamellen- oder Rotorblechpakete trägt. Bei Außenläufern dient der im hohlen Inneren der Rotornabe geschaffene Platz zur Aufnahme der Statorwicklung, während er bei Innenläufern zur Unterbringung von weiteren Komponenten der elektrischen Maschine oder von Komponenten angrenzender Bauteile des Hybridantriebs, wie beispielsweise einer Kupplung, genutzt werden kann. Die Rotornabe ist das tragende Element des Rotors, durch das in den meisten Betriebsarten des Hybridantriebs, wie Starten, Start-Stopp, Boosten, elektrischer Fahrbetrieb und Rekuperieren die Momente übertragen werden. Die Rotornabe muss gegenüber mechanischen Schwingungen und Stößen im Antriebsstrang dauerfest sein und alle Anforderungen der in der Bauraumumgebung vorhandenen Medien bzw. herrschenden Temperaturen erfüllen.
Bei Rotoren bekannter elektrischer Maschinen für Hybridantriebe von Kraftfahrzeugen wird die Rotornabe aus Metall hergestellt. Die Verwendung eines metallischen Werkstoffs hat jedoch zur Folge, dass der Rotor eine große rotierende Masse und die elektrische Maschine ein beträchtliches Gesamtgewicht besitzt. Während die große rotierende Masse des Rotors eine höhere Belastung der Rotorlagerung und damit eine Reduzierung der Laufleistung und der nutzbaren Leistung der elektrischen Maschine verursacht, führt das hohe Gesamtgewicht der elektrischen Maschine infolge seines Einflusses auf das Fahrzeuggewicht zur einem erhöhten Kraftstoffverbrauch.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Rotor und eine elektrische Maschine der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass eine Reduzierung der rotierenden Masse des Rotors und des Gesamtgewichts der elektrischen Maschine ermöglicht wird.
Offenbarung der Erfindung
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Rotornabe mindestens zu einem überwiegenden Teil aus einem nichtmetallischen Werkstoff hergestellt ist.
Da nicht-metallische Werkstoffe in der Regel ein erheblich niedrigeres spezifisches Gewicht als die bisher für Rotornaben verwendeten metallischen Werkstoffe aufweisen, kann durch die Verwendung eines nichtmetallischen Werkstoff zur Herstellung der Rotornabe sowohl die rotierende Masse des Rotors als auch das Gesamtgewicht der elektrischen Maschine verkleinert werden. Das erstere ermöglicht eine Reduzierung der Belastung der Rotorlager sowie der Reibverluste in den Rotorlagern, womit zugleich eine Erhöhung der Laufleistung und eine Steigerung der Nutzleistung der elektrischen Maschine, d. h. der nutzbaren Antriebsleistung beim Einsatz als Elektromotor und der erzeugten elektrischen Leistung beim Einsatz als Generator verbunden ist. Wenn die elektrische Maschine einen Teil eines Hybridantriebs eines Kraftfahrzeugs bildet, führt das letztere zu einer nicht unerheblichen Verringerung des Fahrzeuggewichts, so dass entweder dessen Kraftstoffverbrauch verringert wird oder alternativ bei gleichem Fahrzeuggewicht bzw. Kraftstoffverbrauch der Einbau weiterer Technikkomponenten möglich ist. Darüber hinaus weist der Antriebsstrang eines in seinem Hybridantrieb mit einer oder zwei erfindungsgemäßen elektrischen Maschinen ausgestatteten Kraftfahrzeugs infolge der Verringerung des Rotorgewichts um bis zu 30% im Vergleich zu Rotoren mit metallischen Rotornaben ein geringeres Massenträgheitsmoment auf.
Außer dem geringeren spezifischen Gewicht weisen die zur Herstellung der Rotornabe geeigneten nichtmetallischen Werkstoffe im Vergleich zu metallischen Werkstoffen häufig auch ein größeres Schwingungsdämpfungsvermögen auf, wodurch es beim Einsatz der elektrischen Maschine in einem Hybridantrieb im Bereich der von der Verbrennungsmaschine des Hybridantriebs verursachten kritischen Schwingungsfrequenzen bis 400 Hz weniger leicht zum Auftreten von zerstörerischen Resonanzen kommt.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass eine elektrische Maschine mit einer Rotornabe aus einem nichtmetallischen Werkstoff für elektromagnetische Störfelder weniger anfällig ist, so dass das Regelverhalten der elektrischen Maschine verbessert werden kann.
Die erfindungsgemäße Lösung eignet sich nicht nur für solche Einsatzfälle, bei denen der Rotor ein Innenläufer ist, bei dem die Lamellen- oder Rotorblechpakete am äußeren Umfang der Rotornabe angebracht sind, sondern in gleicher Weise auch für Rotoren in Form von Außenläufern, bei denen die Lamellen- oder Rotorblechpakete am inneren Umfang der Rotornabe angebracht sind.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Rotornabe aus einem faserverstärkten Verbundwerkstoff besteht, der aus einer Matrix aus einem härtbaren Kunststoff sowie in die Matrix eingebetteten, zur Verstärkung dienenden Fasern besteht.
Der härtbare Kunststoff ist vorzugsweise ein duroplastischen Kunststoff, wie zum Beispiel Epoxidharz (EP) oder Phenol-Formaldehydharz (PF), kann jedoch auch ein thermoplastischen Kunststoff sein, wie zum Beispiel Polyetheretherketon (PEEK), Polyphenylensulfid (PPS) oder Polyetherimid (PEI), während die in die Matrix eingebetteten Fasern vorteilhaft Glasfasern, Kohlefasern oder Aramidfasern sind.
Bei Verwendung von duroplastischen Kunststoffen werden die Fasern zweckmäßig in Form von Fasersträngen, Faservliesen oder Fasergeweben durch ein Wickel- oder Handlaminierverfahren in die flüssige Matrix eingebracht, bevor diese anschließend in einem Wärmeofen gehärtet wird. Alternativ können auch vorimprägnierte Halbzeuge verwendet werden, die aus einem mit Flüssigkunststoff getränkten Faservlies oder Fasergewebe bestehen, das um einen Formkern herum gewickelt oder auf den Formkern aufgelegt und dann gehärtet wird.
Diese Vorgehensweise ermöglicht es gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung beim Aufwickeln oder Auflegen der Faserstränge oder Gewebebänder metallische Versteifungselemente oder Verbindungselemente für Schraubverbindungen in das faserverstärkte Flüssigharz einzubringen, indem diese Elemente während der Fertigung der Rotornabe zwischen benachbarte Schichten des Verbundwerkstoffs eingelegt werden.
Ähnliches gilt für die Lamellen- oder Rotorblechpakete und/oder für die Rotorwelle, die während der Fertigung der Rotornabe in den Verbundwerkstoff der Rotornabe eingebettet und dadurch entweder fest mit der Rotornabe verbunden oder wenigstens in formschlüssigen Eingriff mit der Rotornabe gebracht werden können, so dass nach der Aushärtung des Verbundwerkstoffs nur noch eine drehfeste Verbindung zwischen dem Verbundwerkstoff der Rotornabe und den Lamellen- oder Rotorblechpaketen bzw. der Rotorwelle hergestellt werden braucht.
Bei Verwendung eines thermoplastischen Kunststoffs zur Herstellung der Rotornabe können die Fasern dem Kunststoff beigemischt und die Mischung durch Spritzgießen in die gewünschte Form für die Rotornabe gebracht werden. Dadurch lassen sich zum einen geometrisch sehr komplexe Formen herstellen. Zum andern ist es möglich, den gesamten Rotor in einem Arbeitsschritt herzustellen, indem die Rotorwelle und die Lamellen- oder Rotorblechpakete in eine Spritzgussform eingelegt und an den gewünschten Stellen mit dem faserverstärkten Kunststoff der Rotornabe umspritzt werden, um sämtliche Komponenten einstückig miteinander zu verbinden. Dabei kann auch eine drehfeste Verbindung zwischen den Komponenten hergestellt werden, indem man in der Rotorwelle bzw. in den Lamellen- oder Rotorblechpaketen Öffnungen oder Durchbrüche vorsieht, die beim Spritzgießen mit Kunststoff gefüllt werden.
Als Alternative zu einem faserverstärkten Verbundwerkstoff eignen sich jedoch grundsätzlich auch andere nichtmetallische Werkstoffe zur Herstellung der Rotornabe, insbesondere keramische Werkstoffe, bei denen zwar die Stoßfestigkeit und die Gewichtsersparnis geringer ist, die jedoch auf der anderen Seite insbesondere bei höheren Temperaturen eine bessere Formbeständigkeit aufweisen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im folgenden wird die Erfindung anhand einiger in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen:
1: eine schematische Längsschnittansicht eines Rotors einer großen elektrischen Maschine;
2: eine perspektivische Ansicht einer Sektorteils einer ersten Ausführungsform einer nicht-metallischen Rotornabe des Rotors;
3: eine perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform einer nichtmetallischen Rotornabe;
4: eine weitere perspektivische Ansicht der Rotornabe aus 3;
5: eine perspektivische Ansicht eines zur Anbindung der Rotornabe an einen Zwischenwellenflansch der Rotorwelle dienenden Metalleinsatzes;
6: eine weggeschnittene perspektivische Ansicht eines Teils der Rotornabe, des Metalleinsatzes und des Zwischenwellenflanschs der Rotorwelle;
7 eine vereinfachte Ansicht der Rotornabe aus 3 und 4 nach der Anbringung der Lamellen- oder Rotorblechpakete.
Ausführungsformen der Erfindung
Der in 1 schematisch und vereinfacht dargestellte, als Innenläufer ausgebildete Rotor 2 einer elektrischen Maschine für einen Hybridantrieb eines Kraftfahrzeugs besteht im Wesentlichen aus einer Rotorwelle 4, einer drehfest mit der Rotorwelle 4 verbundenen topfförmigen Rotornabe 6, sowie mehreren nebeneinander am äußeren Umfang der Rotornabe 6 angebrachten Lamellenoder Rotorblechpaketen 8, die nach der Montage des Rotors 2 im Gehäuse der elektrischen Maschine gegenüber von einem ortsfesten Stator 10 angeordnet und durch einen Luftspalt 12 vom Stator 10 getrennt sind.
Die durch spanabhebende Bearbeitung aus Stahl hergestellte Rotorwelle 4 weist mehrere Wellenabschnitte 14, 16, 18 auf, deren Außendurchmesser ausgehend von dem zur Aufnahme eines Rotorlagers (nicht dargestellt) dienenden Wellenabschnitt 14 in Richtung eines scheibenförmigen Zwischenwellenflanschs 20 am freien Stirnende der Rotorwelle 4 zunehmen.
Die aus einem faserverstärkten Verbundwerkstoff hergestellte Rotornabe 6 besteht im Wesentlichen aus einem ringförmigen Stirn- oder Bodenwandteil 22 und einem einstückig mit dem Stirn- oder Bodenwandteil verbundenen, im Wesentlichen holzylindrischen Umfangswandteil 24. Der zu ihrer Herstellung verwendete faserverstärkte Verbundwerkstoff besteht aus einer Matrix aus einem duroplastischen oder thermoplastischen Kunststoff, der eine hohe Stoßfestigkeit und gute schwingungsdämpfende Eigenschaften besitzt, sowie kurzen Fasern, zum Beispiel Kohlefasern, die in der Matrix enthalten sind.
Wenn der verwendete Kunststoff ein duroplastischer Kunststoff ist, wie zum Beispiel ein Epoxidharz (EP), erfolgt die Herstellung der Rotornabe 6 vorzugsweise durch ein Wickelverfahren oder ein Handlaminierverfahren, während bei Verwendung eines thermoplastischen Kunststoffs, wie zum Beispiel Polyphenylensulfid (PPS), vorzugsweise ein Spritzgießverfahren zum Einsatz kommt.
Die Lamellen- oder Rotorblechpakete 8 sind jeweils ringförmig ausgebildet, wobei jedes Lamellen- oder Rotorblechpaket 8 aus einer Mehrzahl von identischen, übereinander gestapelten dünnen Dynamoblechen besteht, die zum Beispiel durch Verprägen starr mit den beiden benachbarten Blechen verbunden sind, um das Lamellen- oder Rotorblechpaket 8 zusammenzuhalten.
Die Lamellen- oder Rotorblechpakete 8 enthalten um den Umfang des Rotors 2 verteilte Aufnahmenuten (nicht dargestellt), in die nach der Fertigstellung des Rotors 2 in Abhängigkeit vom jeweiligen Typ der elektrischen Maschine entweder Teile einer Rotorwicklung oder Permanentmagnete eingesetzt werden.
Um die Lamellen- oder Rotorblechpakete 8 bei der Herstellung der Rotornabe 6 formschlüssig und drehfest mit der Nabe 6 zu verbinden, werden bei der in 2 dargestellten Ausführungsform die Lamellen- oder Rotorblechpakete 8 in den Umfangswandteil 24 eingebettet, so dass sie ein Stück weit über dessen äußere Umfangsfläche 26 überstehen, wie in 1 dargestellt. Um das Verdrehen der Lamellen- oder Rotorblechpakete 8 auf der Rotornabe 6 zu verhindern, sind die Lamellen- oder Rotorblechpakete 8 an ihrem inneren Umfang mit axialen, an beiden Stirnenden offenen Bohrungen (nicht dargestellt) versehen, in die beim Formen der Rotornabe 6 der flüssige Verbundwerkstoff eindringt. Nach der Fertigstellung der Nabe 6 sind die Bohrungen mit dem ausgehärteten zylindrischen Verbundwerkstoff 28 gefüllt, wie in 2 dargestellt, so dass die Lamellen- oder Rotorblechpakete 8 einen Verbund mit der Nabe 6 bilden.
Da sich die Lamellen- oder Rotorblechpakete 8 bei hohen Drehzahlen in radialer Richtung etwas aufweiten und sich wegen ihrer höheren Dichte etwas von der Nabe 6 abheben, wodurch der ausgehärtete Verbundwerkstoffs 28 in den Bohrungen an deren Stirnenden hohen Scherspannungen unterworfen ist, weist die Rotornabe 6 bei der in den 3 bis 6 dargestellten Ausführungsform am äußeren Umfang axiale, in radialer Richtung offene Nuten 30 auf. Diese Nuten dienen zur Aufnahme von passfederähnlichen Zähnen 32, die über den inneren Umfang der Lamellen- oder Rotorblechpakete 8 überstehen und formschlüssig in die Nuten 30 eingreifen, wie in 7 dargestellt. Die Anzahl dieser Nuten 30 wird entsprechend der jeweiligen Drehmomentanforderung festgelegt, wobei ihre Querschnittsform und die dazu komplementäre Querschnittsform der Zähne 32 z. B. auch schwalbenschwanzförmig oder auf andere Weise hinterschnitten sein kann.
Zur Anbindung der Rotornabe 6 an die Rotorwelle 4 durch Schraubverbindungen werden beim Formen der Nabe 6 in den Stirn- oder Bodenwandteil 22 mehrere Metalleinsätze 34 eingebettet, die zur Aufnahme von Befestigungsschrauben 36 zum reibschlüssigen Verbinden des Stirn- oder Bodenwandteils 22 der Nabe 6 mit dem Zwischenwellenflansch 20 dienen. Mit den Metalleinsätzen 34, die sich in axialer Richtung ganz durch den Stirn- oder Bodenwandteil 22 hindurch erstrecken, wird vermieden, dass aufgrund hoher Schraubenanzugskräfte, die für den zur Drehmomentübertragung erforderliche Reibschluss zwischen den Teilen 20 und 22 notwendig sind, an der vom Zwischenwellenflansch 20 abgewandten Stirnseite 38 des Stirn- oder Bodenwandteils 22 unzulässige Flächenpressungen auftreten.
Wie am besten in den 5 und 6 dargestellt, weisen die Metalleinsätze 34 jeweils eine zylindrische Bohrung 40 auf, die mit einer entsprechenden Durchgangsbohrung 42 (1) im Zwischenwellenflansch 20 fluchtet. An ihrem äußeren Umfang sind die Metalleinsätze 34 mit radial überstehenden, durch Nuten 44 getrennten Zähnen 46 versehen, die formschlüssig in das Material des Stirn- oder Bodenwandteils 22 eingebettet werden, wie am besten in 3 dargestellt. An einem Stirnende jedes Metalleinsatzes 34 ist ein radial über die Zähne 46 überstehender ringförmiger Bund 48 vorgesehen, der nach der Fertigstellung der Nabe 6 axial über die Stirnseite 38 des Stirn- oder Bodenwandteils 22 übersteht und als Anlagefläche für eine Schraubenmutter 50 (1) zum Festziehen der zugehörigen Befestigungsschraube 36 dient.

Claims

Rotor für eine elektrische Maschine, mit einer Rotorwelle, einer drehfest mit der Rotorwelle verbundenen Rotornabe, sowie mindestens einem auf der Rotornabe montierten, mit einer Rotorwicklung, Permanentmagneten oder einem Kurzschlusskäfig bestückten Lamellen- oder Rotorblechpaket, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotornabe (6) wenigstens zu einem überwiegenden Teil aus einem nichtmetallischen Werkstoff hergestellt ist.
Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der nichtmetallische Werkstoff ein faserverstärkter Verbundwerkstoff ist.
Rotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der nichtmetallische Werkstoff einen duroplastischen oder thermoplastischen Kunststoff umfasst.
Rotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotornabe (6) in den nichtmetallischen Werkstoff integrierte Verbindungselemente (34) für Schraubverbindungen enthält.
Rotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (34) formschlüssig in den nichtmetallischen Werkstoff eingebettet sind.
Rotor nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (34) einen Stirn- oder Bodenwandteil (22) der Rotornabe (6) in axialer Richtung durchsetzen.
Rotor nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungselemente (34) einen Bund (48) aufweisen, der gegen eine Stirnfläche (38) der Rotornabe (6) anliegt.
Rotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Lamellen- oder Rotorblechpaket (8) teilweise in den nichtmetallischen Werkstoff der Rotornabe (6) eingebettet ist.
Rotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Lamellen- oder Rotorblechpaket (8) formschlüssig mit dem nichtmetallischen Werkstoff der Rotornabe (6) im Eingriff steht.
Elektrische Maschine, insbesondere für einen Hybridantrieb, mit einem Gehäuse und einem stationär im Gehäuse untergebrachten Statur, gekennzeichnet durch einen im Gehäuse drehbar gelagerten Rotor (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche.