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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Rotorträgers
für eine elektrische Maschine gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie einen Rotorträger gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 8.
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Stand der Technik
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Bei
Rotoren von großformatigen elektrischen Maschinen, wie
zum Beispiel von elektrischen Maschinen von Hybridantrieben von
Kraftfahrzeugen, wird der Rotor häufig von einem hohlen
Rotorträger statt von einer massiven Rotorwelle getragen,
so dass im Inneren des Rotors bzw. des Rotorträgers Bauraum
für weitere Komponenten der elektrischen Maschine oder
für Komponenten angrenzender Bauteile des Hybridantriebs,
wie beispielsweise einer Kupplung, geschaffen wird. Wie bei kleineren
elektrischen Maschinen besteht der Rotor aus einem Lamellen- oder
Rotorblechpaket, das auf einer zylindrischen äußeren
Umfangsfläche des Rotorträgers befestigt ist,
sowie einer Rotorwicklung oder Permanentmagneten, die in Aufnahmenuten
des Lamellen- oder Rotorblechpakets untergebracht sind. Der Rotorträger
besteht normalerweise aus einem hohlzylindrischen Umfangswandteil
und einem drehfest mit dem Umfangswandteil verbundenen, im Umriss kreisförmigen
Bodenwandteil. Der Bodenwandteil kann entweder an einem Stirnende
des Umfangswandteils angeordnet sein, so dass der topfförmige Rotorträger
einen in axialer Richtung einseitig offenen zylindrischen Hohlraum
umschließt, oder kann näher bei der Mitte des
Umfangswandteils angeordnet sein, so dass der doppelt topfförmige
Rotorträger zwei nach entgegengesetzten Seiten offene zylindrische
Hohlräume umschließt. Derartige einstückig ausgebildete
Rotorträger werden bisher in der Regel durch Gießen
oder durch Umformen aus einem Vollmaterial und durch eine anschließende
spanabhebende Bearbeitung hergestellt, was jedoch im Hinblick auf
den relativ großen Bauraumbedarf und die relativ hohen Investitionskosten
der zur Herstellung benötigten Einrichtungen von Nachteil
ist. Außerdem gestatten es die bekannten Verfahren nicht,
für verschiedene Teile des Rotorträgers unterschiedliche, an
die jeweiligen Anforderungen angepasste Materialien zu verwenden.
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Ausgehend
hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
und einen Rotorträger der eingangs genannten Art dahingehend
zu verbessern, dass eine Fertigung des Rotorträgers aus mehreren,
gegebenenfalls aus unterschiedlichen Materialien bestehenden Einzelteilen
ermöglicht wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,
dass der Rotorträger aus mindestens zwei Teilen zusammengefügt
wird, die durch Reibschweißen fest miteinander verbunden
werden.
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Der
Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, den Rotorträger nicht
durch Gießen oder Umformen aus einem Vollmaterial und durch
eine anschließende spanabhebende Bearbeitung herzustellen,
sondern statt dessen aus mehreren Einzelteilen, die zuvor getrennt
durch Gießen, Umformen, Stanzen und/oder spanabhebende
Bearbeitung gefertigt worden sind und die dann zur Montage des Rotorträgers durch
Reibschweißen fest miteinander verbunden werden. Dadurch
können die Einzelteile auch aus unterschiedlichen Materialien
hergestellt werden, die optimal an die jeweiligen Anforderungen
in verschiedenen Teilbereichen des Rotorträgers angepasst sind.
Zum Beispiel kann eines der Teile aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung
hergestellt werden, um die rotierende Masse des Rotorträgers
so klein wie möglich zu halten, während ein anderes
der Teile, das hohen Beanspruchungen ausgesetzt ist, aus Stahl hergestellt
werden kann.
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Eine
bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass es sich bei
den durch Reibschweißen verbundenen Teile zum einen um
einen hohlzylindrischen Umfangswandteil des Rotorträgers handelt,
auf dem das Lamellen- oder Rotorblechpaket mit der Rotorwicklung
befestigt ist, sowie zum anderen um einen Boden- und/oder Zwischenwandteil, der
den vom Umfangswandteil begrenzten Hohlraum an einem Stirnende des
Rotorträgers verschließt oder näher bei
dessen Mitte in zwei getrennte Hohlräume unterteilt. In
diesem Fall entfallen die sonst erforderlichen Biegeradien am Übergang
zwischen dem Umfangswandteil und dem Boden- oder Zwischenwandteil,
wodurch bei gleicher Länge und gleichem Durchmesser des
Rotors ein größerer Bauraum im Inneren des Rotorträgers
bereitgestellt werden kann.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung werden die beiden
Teile beim Reibschweißen unter gegenseitiger Anpressung
in Bezug zueinander um eine Drehachse gedreht, die der Drehachse
des späteren Rotors entspricht. Dabei ist es einerseits
möglich, eines der beiden Teile ortsfest zu fixieren und
das andere der beiden Teile in Drehung zu versetzen und gegen das
fixierte Teil anzupressen. Alternativ kann jedoch auch eines der
Teile um die Drehachse in Drehung versetzt und das andere Teil in
axialer Richtung der Drehachse gegen das in Drehung versetzte Teil
angepresst werden, oder es können beide Teile mit umgekehrter
Drehrichtung in Drehung versetzt und axial gegeneinander angepresst
werden.
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Vorzugsweise
werden die Teile mit zwei gegenüberliegenden ring- oder
kreisförmige Stirnflächen gegeneinander angepresst,
um mindestens eines der beiden Teile im Bereich dieser Flächen
durch die entstehende Reibungswärme aufzuschmelzen und
beim Erstarren des aufgeschmolzenen Materials stumpf zu verschweißen.
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Jedoch
ist es alternativ auch möglich, die beiden Teile entlang
zweier in Bezug zur Drehachse rotationssymmetrischer Umfangsflächen
miteinander zu verschweißen, indem man der nach außen
weisenden Umfangsfläche des einen Teils einen etwas größeren
Durchmesser verleiht als der nach innen weisenden Umfangsfläche
des anderen Teil und die Teile dann unter gegenseitiger Drehung
in axialer Richtung der Drehachse gegeneinander anpresst. Diese
axiale Anpressung der beiden Teile im Bereich ihrer Umfangsflächen
führt dann dazu, dass bei mindestens einem der Teile ein
an die Umfangsfläche angrenzender Wandbereich aufgeschmolzen
wird. Durch das Erweichen dieses Wandbereichs nähern sich
die Teile infolge der anhaltenden axialen Anpressung zunehmend weiter
aneinander an, bis die nach außen weisende Umfangsfläche
vollständig von der nach innen weisenden Umfangsfläche
umgeben ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand einiger in der Zeichnung dargestellter
Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
schematische perspektivische Ansicht eines Rotorträgers
einer elektrischen Maschine;
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2 eine
Längsschnittansicht des Rotorträgers aus 1;
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3 eine
vergrößerte Ansicht des Ausschnitts III aus 2;
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4 eine
schematische perspektivische Ansicht eines etwas anderen Rotorträgers;
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5 eine
Längsschnittansicht des Rotorträgers aus 4;
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6 eine
vergrößerte Ansicht des Ausschnitts VI aus 5;
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7 eine
Längsschnittansicht eines weiteren Rotorträgers.
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Ausführungsformen
der Erfindung
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Die
in der Zeichnung nur schematisch und vereinfacht dargestellten Rotorträger 2 dienen
zur Abstützung eines Rotors (nicht dargestellt) einer großformatigen
elektrischen Maschine für einen Hybridantrieb eines Kraftfahrzeugs.
Der Rotor besteht in bekannter Weise aus einem oder mehreren Lamellen-
oder Rotorblechpaketen, die drehfest auf einer zylindrischen äußeren
Umfangsfläche 4 der Rotorträger 2 befestigt
werden, sowie einer Rotorwicklung oder Permanentmagneten, die nach
der Montage des oder der Lamellen- oder Rotorblechpakete in Aufnahmenuten
desselben bzw. derselben eingebracht werden.
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Um
im Inneren der Rotorträger 2 Platz für weitere
Komponenten der elektrischen Maschine oder für andere Komponenten
des Hybridantriebs zu schaffen, wie beispielsweise für
Kupplungen, mit deren Hilfe der Rotorträger 2 mit
eine Abtriebswelle der elektrischen Maschine gekuppelt werden kann,
begrenzen die Rotorträger 2 einen in axialer Richtung einseitig
offenen zylindrischen Hohlraum 6 (1 und 2)
oder zwei voneinander getrennte, in entgegengesetzten axialen Richtungen
offene zylindrische Hohlräume 8, 10 (3).
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Der
in den 1 bis 3 dargestellte Rotorträger 2 besteht
im Wesentlichen aus einem durch ein Gieß- oder Umformverfahren
einstückig aus einem metallischen Werkstoff hergestellten
hohlzylindrischen Umfangswandteil 12, auf dessen äußerer
Umfangsfläche 4 der Rotor befestigt wird, sowie einem
durch ein spanabhebendes Verfahren aus demselben oder einem anderen
metallischen Werkstoff hergestellten, im Umriss kreisförmigen
ebenen Bodenwandteil 14, der den Hohlraum 6 an
einem Stirnende des Rotorträgers 2 verschließt.
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Der
Bodenwandteil 14 liegt dort mit einem radial äußeren
Rand 16 seiner dem Umfangswandteil 12 zugewandten
vordere Breitseitenfläche 18 gegen eines der beiden
Stirnenden des Umfangswandteils 12 an und ist entlang des
gesamten äußeren Randes 16 fest mit dem
Umfangswandteil 12 verbunden.
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Über
die vom Hohlraum 6 abgewandte hintere Breitseitenfläche 20 des
Bodenwandteils 14 steht ein Wellenstumpf 22 über,
der starr mit dem Bodenwandteil 14 verbunden ist und ebenso
wie der Umfangswandteil 12 und der Bodenwandteil 14 koaxial zu
einer Drehachse 24 des Rotors ausgerichtet ist.
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Die
Herstellung der starren drehfesten Verbindung zwischen dem äußeren
Rand 16 des Bodenwandteils 14 und dem benachbarten
Stirnende des Umfangswandteils 12 erfolgt durch Reibschweißen. Dabei
wird der Umfangswandteil 12 mit einer in den Hohlraum 6 eingeführten,
radial aufweitbaren Spannvorrichtung (nicht dargestellt) fixiert,
um eine Axial- und/oder Drehbewegung des Umfangswandteils 12 zu
verhindern. Der über den Bodenwandteil 14 überstehende
Wellenstumpf 22 wird in einem axial beweglichen Spannfutter
(nicht dargestellt) mit Drehantrieb eingespannt. Anschließend
wird das Spannfutter in Drehung versetzt und durch eine Axialbewegung
des Spannfutters der Bodenwandteil 14 mit dem Rand 16 der
Breitseitenfläche 18 gegen das Stirnende des Umfangswandteils 12 angepresst.
Die bei der Drehung des Bodenwandteils 14 in Bezug zum
Umfangswandteil 12 an der Kontaktfläche 16 zwischen
den beiden Teilen 12, 14 entstehende Reibungswärme
bewirkt, dass der metallische Werkstoff des Umfangswandteils 12 und/oder
des Bodenwandteils 14 entlang der Kontaktfläche 16 schmilzt.
Sobald die Drehbewegung des Bodenwandteils 14 angehalten
wird, kühlt sich der aufgeschmolzene Werkstoff wieder ab,
wobei er sich verfestigt und den Bodenwandteil 14 starr
mit dem Umfangswandteil 12 verbindet.
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Um
zu gewährleisten, dass die durch Reibschweißen
hergestellte Schweißverbindung die Übertragung
großer Drehmomente gestattet, können der äußere
Rand 16 des Bodenwandteils 14 und die ihm gegenüberliegende
Stirnfläche des Umfangswandteils 12 vor dem Verschweißen
der beiden Teile 12, 14 mit komplementären
umlaufenden Rillen bzw. Rippen 26, 28 versehen
werden, die einen im Wesentlichen keilförmigen Querschnitt
besitzen, wie in 3 dargestellt. Diese Rippen 26, 28 greifen
bei der Annäherung der beiden Teile 12, 14 fingerartig
ineinander, was nicht nur zu einer zusätzlichen Zentrierung
der beiden Teile im Bereich der Schweißnaht führt,
sondern darüber hinaus nach dem Kontakt der beiden Teile 12, 14 eine
erhebliche Vergrößerung der Kontaktfläche 16 und
infolge der Flankenneigung der Rippen 26, 28 auch
eine Vergrößerung der Anpresskraft und damit der
Reibkräfte bedingt.
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Als
Alternativen zu einer Drehung des Bodenwandteils 14 in
Bezug zum feststehenden Umfangswandteil 12 kann auch der
Umfangswandteil 12 zusammen mit der Spannvorrichtung in
Drehung versetzt und gegen den feststehenden Bodenwandteil 14 angepresst
werden, oder es können beide Teile 12, 14 mit
entgegengesetzter Drehrichtung angetrieben und dabei in axialer
Richtung gegeneinander angepresst werden.
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Der
in den 4 bis 6 dargestellte Rotorträger 2 weist
neben einem aus Metall bestehenden hohlzylindrischen Umfangswandteil 12 ebenfalls
einen ebenen, kreisförmigen, aus demselben oder einem anderen
Metall bestehenden Bodenwandteil 14 auf, der in der Nähe
des einen Stirnendes des Umfangswandteils 12, jedoch in
einem geringen axialen Abstand von dessen Stirnfläche 30 drehfest mit
dem Umfangswandteil 12 verschweißt ist.
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Um
die beiden Teile 12, 14 durch Reibschweißen
miteinander zu verbinden, wird hier der Außendurchmesser
des Bodenwandteils 14 so gewählt, dass er geringfügig
größer als der Innendurchmesser des Umfangswandteils 12 ist.
Anschließend werden die beiden Teile 12, 14 wieder
koaxial zur Drehachse 24 ausgerichtet, woraufhin der Bodenwandteil 14 um
die Drehachse 24 in Drehung versetzt und in axialer Richtung
der Drehachse 24 gegen das benachbarte Stirnende des Umfangswandteils 12 angepresst
wird. Dabei tritt ein äußerster Rand 32 des Bodenwandteils 14 am
Stirnende des Umfangswandteils 12 mit dessen Innenwand 34 in
Kontakt, wodurch die Innenwand 34 infolge der Reibungswärme im
Bereich des Kontakts aufgeschmolzen wird, sofern der Umfangswandteil
einen niedrigeren Schmelzpunkt aufweist. Das Aufschmelzen der Innenwand 34 führt
zusammen mit der auf den Bodenwandteil 14 ausgeübten
anhaltenden axialen Druckkraft dazu, dass sich der Bodenwandteil 14 zunehmend
weiter in den vom Umfangswandteil 12 begrenzten Hohlraum 6 hinein
bewegt, bis seine äußere Umfangsfläche 38 vollständig
vom Umfangswandteil 12 umgeben und seine hintere Breitseitenfläche 20 in einem
Abstand von der Stirnfläche 30 des Umfangswandteils 12 angeordnet
ist, wie in 5 und 6 dargestellt.
Bei der Bewegung wird geschmolzenes Metall vom äußersten
Rand 16 verdrängt, wobei sich ein größerer
Teil dieses Materials infolge von Zentrifugal- und Adhäsionskräften
in einem Zwickel 36 zwischen der Innenwand 34 und
der Breitseitenfläche 18 sammelt, während
ein kleinerer Teil an der Umfangsfläche 38 des
Bodenwandteils 14 vorbei zu dessen hinterer Breitseite 20 gelangt
und sich in einem entsprechenden Zwickel 40 sammelt. Wenn
die Drehung des Bodenteils 14 in dieser Stellung angehalten wird,
sind die beiden Teile 12, 14 nicht nur entlang
der Umfangsfläche 38 des Bodenteils 14 miteinander verschmolzen,
sondern auch im Bereich der Zwickel 36, 40, die
den Bodenteil 14 in axialer Richtung zusätzlich
festhalten und infolge der größeren Kontaktfläche
zwischen den beiden Teilen für eine festere Verbindung
sorgen.
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Wie
bei dem Rotorträger aus 1 und 2 können
entweder der Bodenwandteil 14 oder der Umfangswandteil 12 oder
beide Teile 12, 14 in Drehung versetzt werden,
bevor sie gegeneinander angepresst werden.
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Eine
Kombination der unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 bzw. 4 bis 6 beschriebenen
Verfahren ist ebenfalls möglich, wenn ein Bodenwandteil 14 mit
einem stufenförmigen Rand (nicht dargestellt) verwendet
wird, der nach dem Verschweißen sowohl in radialer und
in axialer Richtung gegen das benachbarte Stirnende des Umfangswandteils 12 anliegt.
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Der
in 7 dargestellte Rotorträger 2 besteht
aus zwei zuvor durch Umformen aus einem Vollmaterial hergestellten,
einstückig ausgebildeten topfförmigen Teilen 46, 48,
deren ebene, einander zugewandte und zur Drehachse 24 koaxiale
kreisförmige Bodenwandteile 50, 52 durch
Reibschweißen drehfest miteinander verbunden sind und eine
zwischen den beiden Hohlräumen 8, 10 angeordnete Trennwand
bilden.
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Die
Herstellung der Schweißverbindung erfolgt in entsprechender
Weise, wie zuvor für den Rotorträger 2 in
den 1 bis 3 beschrieben, indem die beiden
Teile 46, 48 in Bezug zueinander gedreht und die
gegenüberliegenden Stirnflächen der Bodenwandteile 50, 52 axial
gegeneinander angepresst werden.
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Nach
dem Verschweißen der beiden Teile 12, 14 bzw. 46, 48 werden
diese bei Bedarf zuerst in einem Ofen spannungsarm geglüht,
bevor sie gegebenenfalls einer spanabhebenden Bearbeitung unterzogen
werden, um geforderte Fertigungstoleranzen des Rotorträgers 2 zu
gewährleisten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005040771
A1 [0003]