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Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Derartige Rotoren für elektrische Maschinen, insbesondere von Kraftfahrzeugen, sind aus dem allgemeinen Stand der Technik und insbesondere aus dem Serienfahrzeugbau bereits hinlänglich bekannt. Ein solcher Rotor weist eine Rotorwelle und wenigstens ein Blechpaket auf, welches auf der Rotorwelle angeordnet ist. Somit ist der Rotor ein Innenläufer und in der Folge für eine als Innenläufermaschine ausgebildete elektrische Maschine verwendbar. Das Blechpaket ist dabei mittels eines Presssitzes drehfest mit der Rotorwelle verbunden, wobei der Presssitz zumindest in jeweiligen Längenbereichen des Blechpaketes und der Rotorwelle ausgebildet ist. Mit anderen Worten ist das Blechpaket unter Bildung des Presssitzes auf die Rotorwelle aufgepresst, wobei der Presssitz in den Längenbereichen ausgebildet ist. Dadurch ist das Blechpaket über die Längenbereiche mit der Rotorwelle verpresst.
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Außerdem offenbart die
DE 10 2016 000 954 A1 ein Verfahren zum Herstellen eines Rotorträgers für einen elektrische Maschine. Dabei wird ein Rotorträger mit einem sich axial erstreckenden Rotormantel erzeugt, wobei an dem Rotormantel einstückig eine Mehrfachverzahnung zur Anordnung von wenigstens zwei Blechpaketen an dem Rotorträger erzeugt wird.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Rotor der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass besonders hohe Drehmomente zwischen dem Blechpaket und der Rotorwelle übertragen werden können.
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Diese Aufgabe wird durch einen Rotor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um einen Rotor der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass besonders hohe Drehmomente zwischen dem Blechpaket und der Rotorwelle übertragen werden können, insbesondere ohne dass es zu einer unerwünschten Relativdrehung zwischen der Rotorwelle und dem Blechpaket kommt, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Rotorwelle zumindest in dem Längenbereich der Rotorwelle eine Außenverzahnung aufweist, über welche die Rotorwelle drehfest mit dem Blechpaket verbunden ist.
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Der Erfindung liegt insbesondere die Erkenntnis zugrunde, dass mit der Anwendung alternativer Antriebe bei immer größeren Fahrzeugen der Trend bei elektrischen Maschinen, die zum Antreiben der Fahrzeuge verwendet werden, zu immer höheren Leistungen geht. Dabei ist die elektrische Maschine beispielsweise als Traktionsmaschine (TEM) oder als getriebeintegrierte elektrische Maschine (GEM) ausgebildet. Mit steigenden Leistungen steigen auch die Anforderungen für das Übertragen von sehr hohen Drehmomenten, insbesondere von dem Blechpaket auf die Rotorwelle, welche auch als Rotorträger bezeichnet wird. Darüber hinaus haben elektrische Maschinen der neusten Generation ein sehr hohes Drehzahlvermögen, sodass der Rotor beispielsweise während eines Betriebs der elektrischen Maschine Drehzahlen von mehr als 18000 Umdrehungen pro Minute aufweist. Dadurch wirken auf den Rotor, insbesondere auf das Blechpaket, sehr hohe Fliehkräfte, insbesondere in radialer Richtung der Rotorwelle nach außen. Diese hohen Fliehkräfte können dem Presssitz, welcher auch als Presspassungs-Verbindung bezeichnet wird, entgegenwirken, da beispielsweise das auf die Rotorwelle aufgebrachte Blechpaket von der Rotorwelle abheben kann. In der Folge können nur geringe Drehmomente zwischen dem Blechpaket und der Rotorwelle übertragen werden. Dies kann nun bei dem erfindungsgemäßen Rotor vermieden werden, da das Blechpaket mit der Rotorwelle über eine Welle-Nabe-Verbindung zumindest drehfest verbunden ist, die sowohl den Presssitz als auch die Außenverzahnung umfasst. Hierdurch ist eine Funktionsintegration, insbesondere bei einer Grundformgebung der Rotorwelle vorgesehen, da die Welle-Nabe-Verbindung bei dem erfindungsgemäßen Rotor nicht nur den Presssitz, sondern auch die Außenverzahnung umfasst.
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Üblicherweise ist beispielsweise das Blechpaket zumeist mit Überdeckung auf der auch als Rotorträger bezeichneten Rotorwelle aufgepresst beziehungsweise aufgeschrumpft.
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Dabei ist die erforderliche Überdeckung nur bis zu einem gewissen Grad realisierbar, da es bei einer übermäßig hohen Überdeckung zu unerwünschten Schäden des Rotors kommen kann, wenn beispielsweise das Blechpaket auf die Rotorwelle aufgepresst wird. Ferner können beispielsweise spezielle Formelemente wie Rillen, Nuten und/oder Flachschliffe zur Drehmomentübertragung zum Einsatz kommen. Diese Formelemente werden bei einigen Anwendungen mittels eines zusätzlichen Herstellprozesses gefertigt und sind aufgrund der geforderten Passungstoleranzen kostenintensiv. Weiterhin sind dafür sehr hohe Wanddicken am Rotor erforderlich, und durch einen zusätzlichen Materialabtrag wird gegebenenfalls die Wucht des Rotors verschlechtert. Zudem sind bei derartigen Verbindungen gegebenenfalls zusätzliche Axialsicherungen des Blechpakets erforderlich, was zu einem übermäßig hohen Bauraumbedarf des Rotors führen kann. Ferner kann es üblicherweise bei steigender Drehzahl und somit steigender Fliehkraft bei einer sehr steifen Rotorwelle zum Aufheben der Überdeckung zwischen der Rotorwelle und dem Blechpaket und damit zum Abheben des Blechpakets kommen, wodurch die elektrische Maschine Schaden nehmen kann. Diese Probleme und Nachteile können bei dem erfindungsgemäßen Rotor auf einfache und kosten- sowie bauraumgünstige Weise vermieden werden.
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Vorzugsweise ist die Außenverzahnung in einer Wand beziehungsweise in einem Wandungsbereich der Rotorwelle ausgebildet und somit einstückig mit der Rotorwelle ausgebildet. Insbesondere kann eine spezielle Verzahnung der Außenverzahnung vorgesehen werden, durch deren Gestaltung die radiale Steifigkeit gezielt eingestellt werden kann. Hierdurch lässt sich eine optimierte Funktionssicherheit für den Rotor schaffen, da die Außenverzahnung zur Drehmomentübertragung genutzt wird.
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Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn das Blechpaket in dem Längenbereich des Blechpakets eine mit der Außenverzahnung korrespondierende und in die Außenverzahnung eingreifende Innenverzahnung aufweist. Somit kann der Außenverzahnung bei Bedarf eine Innenverzahnung des Blechpakets gegenübergestellt werden, sodass mit einem mehr oder weniger Ineinandergreifen beider Verzahnungen beziehungsweise durch deren radialen Abstand zueinander die Steifigkeit vorgegeben werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann eine axiale Fixierung des Blechpakets relativ zur Rotorwelle durch integrierte Anschläge, insbesondere an der Rotorwelle und/oder an dem Blechpaket, vorgesehen sein. Mit anderen Worten ist das Blechpaket beispielsweise in axialer Richtung der Rotorwelle formschlüssig an der Rotorwelle gesichert. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Blechpaket in axialer Richtung der Rotorwelle durch Stanzprägen und/oder inkrementelles Radialprägen an der Rotorwelle gesichert ist.
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Beispielsweise beim Aufpressen des Blechpakets im kalten Zustand auf die Rotorwelle werden gegebenenfalls zusätzliche Maßnahmen zur axialen Fixierung des Blechpakets an der Rotorwelle vorgenommen. Bei einer solchen Maßnahme kann es sich um ein Stanzprägen fester Axialanschläge und/oder um ein Stanzprägen von Clipsen handeln. Ferner ist eine axiale Vorspannung denkbar, insbesondere optional in Verbindung mit einer Tellerfeder, mittels welcher eine axiale Vorspannung realisiert werden kann. Hierdurch ist eine Funktionstrennung darstellbar, welche eine separate Optimierung jedes Parameters ermöglicht. Hierdurch können bei üblichen Presssitzen beziehungsweise Presspassungen auftretende Zielkonflikte gelöst werden.
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Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, das Blechpaket durch inkrementelles Radialprägen von innen, insbesondere durch Innenschlagstempeln, an der Rotorwelle, insbesondere in axialer Richtung der Rotorwelle, zu fixieren. Dabei ist das Blechpaket beispielsweise am Außendurchmesser rund gespannt und im Rotorträger Zahn für Zahn geprägt.
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Beispielsweise sind Magnete, insbesondere Permanentmagnete, in jeweiligen Magnettaschen des Blechpakets zumindest teilweise, insbesondere zumindest überwiegend oder vollständig, aufgenommen. Dabei ist es denkbar, die Magnete durch Tellerfedern axial mit zu fixieren, sodass ein Sichern der Magnete durch üblicherweise zum Einsatz kommendes Verstemmen beziehungsweise Verkleben entfallen kann. Darüber hinaus ermöglicht ein Umformprozess anforderungsgerechte Wanddickenverteilungen, sodass das Gewicht des Rotors besonders gering gehalten werden kann. Das Radialprägen von innen ermöglicht im Vergleich zum Stand der Technik erstmals ein zusätzliches Fixieren des Blechpakets, nachdem es auf die Rotorwelle aufgepresst wurde.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
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1 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht eines Rotors gemäß einer ersten Ausführungsform für einen elektrische Maschine, mit einer Rotorwelle und mit wenigstens einem auf der Rotorwelle angeordneten Blechpaket, welches mittels eines zumindest in jeweiligen Längenbereichen des Blechpakets und der Rotorwelle ausgebildeten Presssitzes drehfest mit der Rotorwelle verbunden ist, wobei die Rotorwelle in dem Längenbereich der Rotorwelle eine Außenverzahnung aufweist, über welche die Rotorwelle drehfest mit dem Blechpaket verbunden ist;
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2 ausschnittsweise eine schematische Querschnittsansicht des Rotors gemäß 1;
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3 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht des Rotors gemäß einer zweiten Ausführungsform; und
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4 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht des Rotors gemäß einer dritten Ausführungsform.
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In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ausschnittsweise in einer schematischen Längsschnittansicht einen Rotor 10 für eine elektrische Maschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs. Dies bedeutet, dass die elektrische Maschine beispielsweise in einem Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs zum Einsatz kommt, welches beispielsweise als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen, ausgebildet ist. Dabei ist das Kraftfahrzeug beispielsweise mittels der elektrischen Maschine antreibbar, wobei die elektrische Maschine beispielsweise als Traktionsmaschine beziehungsweise als getriebeintegrierte elektrische Maschine ausgebildet ist.
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Die elektrische Maschine umfasst einen in den Fig. nicht erkennbaren Stator und den Rotor 10, welcher zumindest teilweise in dem Stator angeordnet und somit als Innenläufer ausgebildet ist. Dabei ist der Rotor 10 um eine Drehachse 12 relativ zu dem Stator drehbar. Die elektrische Maschine ist somit als Innenläufermaschine beziehungsweise Innenläufermotor ausgebildet. Die elektrische Maschine ist beispielsweise in einem Motorbetrieb und somit als Elektromotor betreibbar, mittels welchem das Kraftfahrzeug antreibbar ist.
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Der Rotor 10 umfasst eine Rotorwelle 14, welche auch als Rotorträger bezeichnet wird. Ferner umfasst der Rotor 10 wenigstens ein Blechpaket 16, welches aus Elektroblech gebildet ist und somit auch als Elektroblech-Paket bezeichnet wird. Aus 1 ist erkennbar, dass das Blechpaket 16 auf der Rotorwelle 14 angeordnet ist. Ferner sind die Rotorwelle 14 und das Blechpaket 16 mittels eines Presssitzes drehfest miteinander verbunden, wobei der Presssitz in jeweiligen Längenbereichen 18 und 20 der Rotorwelle 14 und des Blechpakets 16 ausgebildet ist. Mit anderen Worten ist das Blechpaket 10 Ober die Längenbereiche 18 und 20 mit der Rotorwelle 14 verpresst, wodurch das Blechpaket 16 drehfest mit der Rotorwelle 14 verbunden ist. Zur Herstellung des Rotors 10 wird beispielsweise das Blechpaket 16 auf die Rotorwelle 14 aufgepresst beziehungsweise aufgeschrumpft, sodass sich zumindest in den Längenbereichen 18 und 20 der genannte Presssitz beziehungsweise eine Presspassung zwischen der Rotorwelle 14 und dem Blechpaket 16 ausbildet.
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Um nun auch besonders hohe Drehmomente zwischen der Rotorwelle 14 und dem Blechpaket 16, insbesondere von dem Blechpaket 16 auf die Rotorwelle 14, übertragen zu können, weist die Rotorwelle 14 in dem Längenbereich 18 der Rotorwelle 14 eine Außenverzahnung 22 auf, über welche die Rotorwelle 14 drehfest mit dem Blechpaket 16 verbunden ist.
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Um dabei besonders hohe Drehmomente übertragen zu können, weist – wie besonders gut in Zusammenschau mit 2 erkennbar ist – das Blechpaket 16 in dem Längenbereich 20 des Blechpakets 16 eine mit der Außenverzahnung 22 korrespondierende Innenverzahnung 24 auf, welche beispielsweise in die Außenverzahnung 22 eingreift. Aus 2 ist besonders gut erkennbar, dass die Außenverzahnung 22 Zähne 26 und dazwischen angeordnete Zahnlücken 28 aufweist, wobei die korrespondierende Innenverzahnung 24 Zähne 30 und dazwischen angeordnete Zahnlücken 32 aufweist. Ferner ist beispielsweise ein in 2 mit x bezeichneter und sich in radialer Richtung der Rotorwelle 14 erstreckender Abstand zwischen der Außenverzahnung 22 und der Innenverzahnung 24 vorgesehen, sodass beispielsweise die Außenverzahnung 22 nur teilweise in die Innenverzahnung 24 eingreift beziehungsweise umgekehrt. Die Außenverzahnung 22 und die Innenverzahnung 24 werden auch einfach als Verzahnungen bezeichnet, wobei durch den Einsatz der Verzahnungen die radiale Steifigkeit gezielt eingestellt werden kann.
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Während 1 und 2 eine erste Ausführungsform des Rotors 10 zeigen, zeigt 3 eine zweite Ausführungsform des Rotors 10. Bei der zweiten Ausführungsform weist die Rotorwelle 14 wenigstens einen als Axialanschlag ausgebildeten Anschlag 34 auf, welcher beispielsweise durchgesetzt ist. Mittels des Anschlags 34 ist das Blechpaket 16 in axialer Richtung der Rotorwelle 14 zu wenigstens einer Seite hin an der Rotorwelle 14 gesichert. Dabei ist eine Anschlagscheibe 36 vorgesehen, welche zumindest teilweise in axialer Richtung der Rotorwelle 14 zwischen dem Anschlag 34 und dem Blechpaket 16 angeordnet ist. Dabei ist das Blechpaket 16 unter Vermittlung der Anschlagscheibe 36 an dem Anschlag 34 abgestützt und somit in axialer Richtung der Rotorwelle 14 an dieser zumindest zu einer Seite hin gesichert. Auf einer der genannten Seite in axialer Richtung der Rotorwelle 14 gegenüberliegenden, zweiten Seite weißt die Rotorwelle 14 einen als Clips ausgebildeten zweiten Anschlag 38 auf, mittels welchem das Blechpaket 16 in axialer Richtung der Rotorwelle 14 zur zweiten Seite hin an der Rotorwelle 14 gesichert ist. Der Anschlag 38 ist beispielsweise durch Freischneiden und/oder Anformen ausgebildet.
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Ferner ist ein als Tellerfeder 40 ausgebildetes Federelement vorgesehen, über welches das Blechpaket 16 in axialer Richtung der Rotorwelle 14 an dem Anschlag 38 abgestützt ist. Mittels der Tellerfeder 40 kann das Blechpaket 16 in axialer Richtung der Rotorwelle 14 gegen diese vorgespannt werden, wobei die Tellerfeder 40 zumindest mittelbar an dem Blechpaket 16 und zumindest mittelbar, insbesondere direkt, an dem Anschlag 38 abgestützt ist. Auf der zweiten Seite ist eine Anschlagscheibe 42 vorgesehen, unter deren Vermittlung das Blechpaket 16 in axialer Richtung an der Tellerfeder 40 abgestützt ist. Somit ist das Blechpaket 16 auf der zweiten Seite über die Anschlagscheibe 42 und die Tellerfeder 40 an dem Anschlag 38 abgestützt.
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Der Anschlag 38 ist beispielsweise federnd an einem Grundkörper der Rotorwelle 14 gehalten. Das Blechpaket 16 wird beispielsweise derart auf die Rotorwelle 14 aufgepresst, dass das Blechpaket 16 in axialer Richtung der Rotorwelle 14 relativ zu dieser in Richtung des Anschlags 34 so lange bewegt wird, bis das Blechpaket 16 unter Vermittlung der Anschlagscheibe 36 in Stützanlage mit dem Anschlag 34 kommt. Dabei wird zunächst der Anschlag 38 federnd in radialer Richtung nach innen relativ zu dem Grundkörper gedrückt. Kommt das Blechpaket 16 beispielsweise über die Anschlagscheibe 36 in Stützanlage mit dem Anschlag 34, so kann dann der Anschlag 38 in radialer Richtung nach außen zurückfedern, sodass dann das Blechpaket 16, insbesondere unter Vermittlung der Anschlagscheibe 42 und der Tellerfeder 40, auf der zweiten Seite an dem Anschlag 38 abstützbar beziehungsweise abgestützt ist. Das Blechpaket 16 weist ferner jeweilige Magnettaschen 44 auf, in welchen jeweils zumindest ein beispielsweise als Permanentmagnet ausgebildeter Magnet 46 zumindest teilweise, insbesondere zumindest überwiegend oder vollständig, aufgenommen ist.
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4 zeigt eine dritte Ausführungsform des Rotors 10. Bei der dritten Ausführungsform ist das Blechpaket 16 beispielsweise durch inkrementelles Radialprägen an der Rotorwelle 14 fixiert, wobei in 4 ein Bereich 48 für das inkrementelle Radialprägen veranschaulicht ist. Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, dass die Außenverzahnung 22, insbesondere durch einen Walzprozess, mit einer Balligkeit versehen ist. Die Außenverzahnung 22 fungiert als Mitnahmeverzahnung, über welche das Blechpaket 16 besonders drehfest mit der Rotorwelle 14 verbunden werden kann. Durch den genannten Walzprozess wird der Mitnahmeverzahnung optional eine zusätzliche Balligkeit, insbesondere CMC-gesteuert gegeben, sodass beispielsweise unterschiedliche Überdeckungsverhältnisse über die Bauteillänge in gewissen Grenzen kompensiert werden können.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016000954 A1 [0003]