DE102012101247A1

DE102012101247A1 - Elektromaschine

Info

Publication number: DE102012101247A1
Application number: DE201210101247
Authority: DE
Inventors: Marc Kluge
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2012-02-16
Filing date: 2012-02-16
Publication date: 2013-08-22

Abstract

Eine Elektromaschine, zum Einsatz in einem elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeug, mit einem Rotor umfassend einen auf einer Rotorachse angeordneten Rotorkern, sowie einem den Rotor umgebenden Stator umfassend einen Statorkern, ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Abstützung der einzigen Rotorachse (30) vermittels des Stators (10) derart vorgesehen ist, dass der Rotorkern des Rotors (20) in axialer Richtung aus wenigstens zwei Teilkernen (21, 22) gebildet ist, welche getrennt voneinander jeweils drehfest mit der Rotorachse verbunden sind und zwischen sich ein auf der Rotorachse angeordnetes Radiallager (40) tragen, wobei der Statorkern (13) einen feststehenden Verbindungsfinger (13’) aufweist der sich zwischen den beiden Teilkernen hindurch erstreckt und das Radiallager kontaktiert.

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektromaschine, zum Einsatz in einem elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeug, beispielsweise einem Hybrid- oder Elektrofahrzeug.
Derartige Elektromaschinen sind beispielsweise aus der US 7,843,100 B2 oder der DE 697 35 741 T2 bekannt. Sie weisen einen Rotor auf, der radial innerhalb eines feststehenden Stators angeordnet ist. Indem beide durch einen Radialspalt voneinander beabstandet sind, kann sich der Rotor innerhalb des Stators drehen. Der Rotor umfasst einen mit einer Rotorachse fest verbundenen Rotorkern, welcher Aussparungen aufweist in denen Permanentmagnete angeordnet sind. Der Stator umfasst einen Statorkern, welcher Nuten aufweist in denen Drahtwicklungen angeordnet sind. Typischerweise sind Rotorkern und Statorkern aus Eisenmetall gefertigt. Bei Bestromung der Drahtwicklungen wirkt eine magnetische Kraft zwischen den Permanentmagneten des Rotors und den Drahtwicklungen des Stators, was den Rotor gegenüber dem Stator dreht wenn die die Rotorachse in geeigneter Weise gelagert ist.
Weiterhin sind Elektromaschinen bekannt, bei denen innerhalb eines gemeinsamen Stators zwei komplett voneinander getrennte Rotoren angeordnet sind, siehe beispielsweise US 5,172,784 und JP 2011-188567 A . Solche Elektromaschinen haben nicht eine einzelne Rotorachse mit einem entsprechenden Rotorkern, sondern vielmehr zwei voneinander getrennte Rotorachsen. Jede der beiden Rotorachsen trägt einen eigenen Rotorkern, zur Ausbildung zweier voneinander getrennter Rotoren. Zwischen den beiden Rotorachsen ist ein Axiallager bzw. Drucklager angeordnet, um voneinander unabhängige Drehungen der beiden Rotorachsen bzw. Rotoren innerhalb des Stators zu ermöglichen. Diese Anordnung soll insbesondere eine einfache Möglichkeit zur unterschiedlichen Ansteuerung des linken und rechten Rades der Achse eines Fahrzeuges ermöglichen. Jedoch müssen die hier auftretenden, relativ großen Druckkräfte zwischen den beiden Rotorachsen von einem Drucklager aufgenommen werden das aufgrund der im Stator herrschenden Enge nur relativ klein dimensioniert werden kann.
Beim Einsatz einer Elektromaschine in einem elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeug sind einerseits eine hohe Endgeschwindigkeit und ein rasches Ansprechen auf Geschwindigkeitsänderungen, d.h. gute Beschleunigungswerte, wünschenswert. Hierfür ist es vorteilhaft, den Rotor der Elektromaschine in radialer Ausdehnung relativ klein zu halten. Auf der anderen Seite muss die Elektromaschine genügend Moment bereitstellen können, um das Kraftfahrzeug gerade auch in beladenem Zustand stets zuverlässig antreiben zu können. Hierfür sind Elektromaschinen mit entsprechend großen Abmessungen notwendig. Damit die radiale Ausdehnung der Elektromaschine nicht zu groß wird, muss also die Elektromaschine in axialer Richtung vergrößert werden. Dabei ergibt sich jedoch das Problem, das gerade bei hohen Geschwindigkeiten der Elektromaschine die Rotorachse zum Durchbiegen neigt. Damit besteht die Gefahr, dass der Abstand zwischen Rotor und Stator soweit verringert wird, das der Rotor mit einem radial äußeren Bereich den Stator in einem radial inneren Bereich berührt. Da dies zu schweren Beschädigungen der Elektromaschinen führen würde, muss eine solche Berührung unbedingt verhindert werden.
Erfindungsgemäß ist deshalb eine Abstützung der Rotorachse am Stator derart vorgesehen, dass der Rotorkern in axialer Richtung aus wenigstens zwei Teilkernen gebildet ist, welche getrennt voneinander jeweils drehfest mit derselben, einzigen Rotorachse verbunden sind und zwischen sich ein auf der Rotorachse angeordnetes Radiallager tragen, wobei der Statorkern einen feststehenden Verbindungsfinger aufweist welcher sich zwischen den beiden Teilkernen hindurch erstreckt und das Radiallager kontaktiert.
Durch die erfindungsgemäße Abstützung der Rotorachse über den Verbindungsfinger am Stator wird ein Durchbiegen der Rotorachse zuverlässig verhindert, wobei das Radiallager weiterhin eine ungestörte Drehung des Rotors gegenüber dem Stator sicherstellt. Selbst bei hohen Geschwindigkeiten der Elektromaschine, d.h. bei schneller Drehung der Rotorachse, führt eine entsprechend dimensionierte erfindungsgemäße Abstützung dazu, dass einer auftretenden Zentrifugalkraft zuverlässig entgegenwirkt wird.
Das Radial- oder Drehlager ist erfindungsgemäß auf der einzigen Rotorachse der Elektromaschine angeordnet, um eine Drehung der Rotorachse gegenüber dem feststehenden Verbindungsfinger des Stators zu ermöglichen und Bewegungen in radialer Richtung zuverlässig zu unterdrücken. Dies unterscheidet die erfindungsgemäße Elektromaschine von denen der US 5,172,784 bzw. der JP 2011-188567 A , wo stattdessen ein Axial- oder Drucklager vorgesehen ist. Denn hier ist ja gerade keine Abstützung einer einzigen Rotorachse gegen einen feststehenden Stator vorgesehen, sondern vielmehr eine gegenseitige Abstützung zwischen zwei Rotorachsen, die sich getrennt voneinander drehen.
Das erfindungsgemäß vorgesehene Radiallager kann dabei entweder als Gleitlager oder als Wälzlager ausgebildet sein. Während bei einem Gleitlager der feststehende Verbindungsfinger des Statorkerns einen direkten Kontakt zur einzigen Rotorachse aufweist, stützen sich beim Wälzlager die beiden über Wälzkörper aufeinander. Je nach Verwendungszweck bzw. Größe der Elektromaschine sind hier verschiedene Realisierungen möglich wie z.B. reibungsarme Materialpaarungen, Schmierung oder auch spezielle Wälzkörper.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn beide Teilkerne des Rotorkerns näherungsweise die gleichen Abmessungen aufweisen. Damit kann das Radiallager nahezu mittig auf der einzigen Rotorachse angeordnet werden, was aufgrund der Symmetrie eine besonders zuverlässige Abstützung ermöglicht. Natürlich können, etwa aufgrund entsprechender Bauraumanforderungen, auch andere Lösungen gewählt werden, wie beispielsweise ein asymmetrisch geteilter Rotorkern und/oder eine mehrfache Abstützung durch Verwendung von mehr als zwei Teilkernen samt entsprechenden Verbindungsfingern.
Vorzugsweise sind die Teilkerne so konfiguriert, das sie auf unterschiedliche Art mit der einzigen Rotorachse verbindbar sind. Dies kann nämlich die Fertigung der erfindungsgemäßen Elektromaschine erleichtern. Insbesondere ist dabei vorgesehen, wenigstens einen der Teilkerne auf die einzige Rotorachse aufpressbar vorzusehen. Dies ist vorzugsweise derjenige Teilkern, der zuerst drehfest mit der Rotorachse verbunden wird. Ein weiterer Teilkern kann dann per Steckverzahnung montierbar vorgesehen sein, vorzugsweise nachdem ein Verbindungsfinger des Statorkerns ein entsprechendes Radiallager kontaktiert hat.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der oder jeder Verbindungsfinger zwischen Radiallager und Statorkern orthogonal zur einzigen Rotorachse ausgerichtet. Indem auf schräge, d.h. von der Orthogonalen abweichende, Abstützungen verzichtet wird, ist das nutzbare Volumen der Teilkerne maximierbar. Dies ermöglicht eine besonders Platz sparende Anordnung der Abstützung. Ein Verbindungsfinger kann dennoch entsprechend stabil ausgestaltet werden, indem er beispielsweise als ein massiver Kreisbogen zwischen der einzigen Rotorachse und dem Statorkern ausgeführt wird. Alternativ sind auch Verbindungsfinger als Mehrzahl von Streben möglich, die zur einzigen Rotorachse orthogonal stehen, beispielsweise aus einer besonders stabilen Metalllegierung.
Mit Vorteil wird vorgeschlagen, den Statorkern im Bereich axial zwischen zwei Teilkernen bis hin zum Radiallager zu verlängern, um so einen Verbindungsfinger auszubilden. Indem nämlich der Verbindungsfinger quasi in den Statorkern integriert wird, ergibt sich eine besonders einfache Fertigung der erfindungsgemäßen Elektromaschine.
Günstig kann der Verbindungsfinger dann in den Statorkern integriert werden, wenn Abstützstatorbleche, als speziell gestaltete Statorbleche, für denjenigen Bereich des Statorkerns verwendet werden, der in axialer Richtung zwischen den Teilkernen des Rotors vorgesehen ist, um so einen Verbindungsfinger, zur Abstützung auf dem Radiallager, auszubilden.
Die Erfindung wird nun anhand einer Zeichnung näher dargestellt. Dabei zeigt die einzige Figur eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung.
Dargestellt ist eine Elektromaschine 1, umfassend einen feststehenden Stator 10 und einen darin drehbar angeordneten Rotor 20. Der Rotor 20 ist drehfest mit einer einzigen, durchgängigen Rotorachse 30 verbunden. Die Rotorachse 30 ist in zwei Radiallagern 31, 32 gelagert, die hier als Wälzlager ausgebildet sind. Die Außenringe der Wälzlager sind dabei, ebenso wie der Stator 10, feststehend. Hierfür sind sie in geeigneter, nicht näher dargestellter Art und Weise beispielsweise mit einem Gehäuse der Elektromaschine 1 verbunden.
Der Stator 10 der Elektromaschine 1 umfasst eine Vielzahl einzelner Statorbleche 13a, 13b, 13c, .... Diese Statorbleche werden in bekannter Weise geschichtet und anschließend miteinander fixiert, beispielsweise durch Verschweißen. Anschließend werden entsprechende Drahtwicklungen in (nicht näher dargestellte) Nuten eingebracht. Von diesen Drahtwicklungen sind lediglich die in axialer Richtung hervorstehenden Wickelköpfe 11, 12 dargestellt.
Zudem umfasst die Elektromaschine 1 einen Rotor 20 mit zwei Teilkernen 21 und 22. Beide Teilkerne 21, 22 sind drehfest mit derselben Rotorachse 30 verbunden. Die Rotorkerne umfassen jeweils eine Vielzahl einzelner Rotorbleche, mit Aussparungen in denen Permanentmagnete angeordnet sind (nicht dargestellt). Zwischen den beiden Teilkernen 21, 22 ist in axialer Richtung ein Spalt vorgesehen, der sich über die gesamte Querschnittsfläche der Teilkerne 21, 22 erstreckt. Anders ausgedrückt liegt zwischen den beiden Teilkernen 21, 22 ein kreisringförmiger Luftspalt, welcher sich von der Rotorachse 30 bis zum Stator 10 erstreckt.
Durch diesen Luftspalt greift nun ein Verbindungsfinger 13’ hindurch. Dieser wird gebildet aus drei Abstützstatorblechen 13x, 13y, 13z. Die drei Abstützstatorbleche 13x, 13y, 13z weisen in radialer Richtung die gleiche Außenkontur auf wie die anderen Statorbleche 13a, 13b, 13c, ... auch, haben jedoch einen sehr viel kleineren Innendurchmesser als diese. Der Innendurchmesser der Statorbleche 13a, 13b, 13c, ... ist so bemessen, dass er in radialer Hinsicht genügend Platz zur Aufnahme eines Teilkerns 21, 22, und auch noch eines entsprechenden Radialspalts zu diesem, ermöglicht. Demgegenüber ist der Innendurchmesser der drei Abstützstatorbleche 13x, 13y, 13z so gewählt, das sich diese bis in die Nähe der Rotorachse 30 erstreckt. Indem die drei Abstützstatorbleche 13x, 13y, 13z in axialer Richtung derart angeordnet sind, das sie gerade zwischen den beiden Teilkernen 21, 22 positioniert sind, d.h. im Bereich des entsprechenden Luftspalts, ist dies problemlos möglich. Hierbei sind insbesondere der axiale Abstand zwischen den Teilkern 21 und 22 und die Dicke der drei Abstützstatorbleche 13x, 13y, 13z so gewählt, das in axialer Richtung genügend Abstand zwischen einem äußeren Abstützstatorblech und der Oberfläche eines Teilkerns verbleibt. Anders ausgedrückt ist zwischen der linken Seite des Abstützstatorblechs 13x und dem Teilkern 21, und der rechten Seite des Abstützstatorblechs 13z und dem Teilkern 22, genügend Platz für eine ungestörte Drehbewegung des Rotors 20 auf der einzigen Rotorachse 30 im Stator 10 mit dem Verbindungsfinger 13’.
Auf der einzigen Rotorachse 30 ist nun ein Drehlager bzw. Radiallager vorgesehen, das hier als Wälzlager 40 ausgebildet ist. Der Innenring 41 des Wälzlagers 40 ist drehfest mit der Rotorachse 30 verbunden. Der Außenring 42 des Wälzlagers 40 ist drehfest mit dem aus den drei Abstützstatorblechen 13x, 13y, 13z gebildeten Verbindungsfinger 13’ verbunden. Zwischen Innenring 41 und Außenring 42 sind dabei (nicht dargestellte) Wälzkörper vorgesehen, um eine ungestörte Drehung des Innenrings 41, und damit der Rotorachse 30 bzw. des Rotors 20, gegenüber dem Außenring 42, und damit dem feststehenden Stator 10 bzw. dem Verbindungsfinger 13’, zu ermöglichen. Indem der Außenring 42 also mit den Abstützstatorblechen 13x, 13y, 13z drehfest verbunden ist, ist er ebenso feststehend wie der Stator 10 selbst. Somit wird eine ungestörte Drehung der Rotorachse 30 mit dem Rotor 20 gegenüber dem Stator 10 ermöglicht.
Selbst bei hohen Geschwindigkeiten der Elektromaschine 1 erfolgt nun kein Durchbiegen der einzigen Rotorachse 30 mehr. Denn an der Rotorachse 30 auftretenden Zentrifugalkräften wirkt nun die Abstützung in Form des aus den Abstützstatorblechen 13x, 13y, 13z gebildeten Verbindungsfingers 13’ und dem Radiallager 40 entgegen. Indem diese Abstützung auftretende Zentrifugalkräfte aufnimmt, ergibt sich auch bei hohen Geschwindigkeiten der Elektromaschine 1 kein Durchbiegen der Rotorachse 30 mehr.
Für eine einfache Herstellung der dargestellten Elektromaschine 1 ist vorgesehen, zunächst den ersten, linken Teilkern 21 in bekannter Weise auf die einzige Rotorachse 30 aufzupressen. Anschließend wird der Stator 10 mittels der Abstützstatorbleche 13x, 13y, 13z mit dem Außenring 42 des Drehlagers 40 drehfest verbunden. Da nunmehr der herausragende Stator 10 eine Montage des zweiten, rechten Teilkerns 22 der Elektromaschine 1 erschwert, ist vorgesehen diesen Teilkern 22 mittels einer Steckverzahnung 23 zu montieren. Dies ergibt einen drehfesten Sitz des zweiten, rechten Teilkerns 22 auf der Rotorachse 30. Die weiteren Schritte zur Herstellung der Elektromaschine 1 werden wieder in bekannter Weise durchgeführt. Insbesondere werden dabei Lager 31, 32 montiert, welche eine ungestörte Drehung der einzigen Rotorachse 30 erlauben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 7843100 B2 [0002]
DE 69735741 T2 [0002]
US 5172784 [0003, 0007]
JP 2011-188567 A [0003, 0007]

Claims

Elektromaschine, zum Einsatz in einem elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeug, mit einem Rotor umfassend einen auf einer Rotorachse angeordneten Rotorkern, sowie einem den Rotor umgebenden Stator umfassend einen Statorkern, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abstützung der einzigen Rotorachse (30) vermittels des Stators (10) derart vorgesehen ist, dass der Rotorkern des Rotors (20) in axialer Richtung aus wenigstens zwei Teilkernen (21, 22) gebildet ist, welche getrennt voneinander jeweils drehfest mit der Rotorachse verbunden sind und zwischen sich ein auf der Rotorachse angeordnetes Radiallager (40) tragen, wobei der Statorkern (13) einen feststehenden Verbindungsfinger (13’) aufweist der sich zwischen den beiden Teilkernen hindurch erstreckt und das Radiallager kontaktiert.
Elektromaschine nach Anspruch 1, wobei zwei Teilkerne mit näherungsweise gleichen Abmessungen vorgesehen sind.
Elektromaschine nach Anspruch 2, wobei die Teilkerne derart konfiguriert sind dass sie auf unterschiedliche Weise mit der Rotorachse verbindbar sind.
Elektromaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Verbindungsfinger sich im Wesentlichen orthogonal zur Rotorachse erstreckt.
Elektromaschine nach Anspruch 4, wobei der Statorkern, zur Ausbildung des Verbindungsfingers, im Bereich axial zwischen den Teilkernen bis hin zum Radiallager verlängert ist.
Elektromaschine nach Anspruch 5, wobei der Statorkern aus Statorblechen (13a, 13b, 13c, ...) und Abstützstatorblechen (13x, 13y, 13z) gebildet ist, wobei die Abstützstatorbleche für den Bereich axial zwischen den Teilkernen vorgesehen sind um den Verbindungsfinger auszubilden.
Verfahren zur Herstellung einer Elektromaschine (1), umfassend die Schritte: – Bereitstellung eines ersten Teilkerns (21) und eines zweiten Teilkerns (22) eines Rotors (20), wobei die Teilkerne jeweils Aussparungen aufweisen in denen Permanentmagnete angeordnet sind; – Bereitstellung eines Stators (10), umfassend einen Statorkern (13) aufweisend Nuten in denen Drahtwicklungen angeordnet sind, wobei der Statorkern aus Statorblechen (13a, 13b, 13c, ...) und Abstützstatorblechen (13x, 13y, 13z) gebildet ist, und wobei die Abstützstatorbleche einen Verbindungsfinger (13’) ausbilden; – Bereitstellen einer einzigen, durchgehenden Rotorachse (30) welche ein Radiallager (40) aufweist; – Verpressen des ersten Teilkerns mit der Rotorachse; – Kontaktieren des Verbindungsfingers mit dem Radiallager; – Steckverzahnen (23) des zweiten Teilkerns mit der Rotorachse.