DE102022133741A1 - Rotor for an electrical machine with a concave end plate - Google Patents
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Abstract
Rotor (1) für eine elektrische Maschine (12), mit einer Rotorwelle (2), auf der ein Rotorblechpaket (3) angeordnet ist, das an beiden axialen Enden eine Endplatte (4, 5, 9, 10) aufweist, wobei eine erste Endplatte (5, 9, 10) an einer Schulter (6) der Rotorwelle (2) anliegt und eine zweite Endplatte (4) mit einer auf die Rotorwelle (2) geschraubten Mutter (7) fixiert ist, wobei wenigstens eine Endplatte (4, 5, 9, 10) derart konkav ausgebildet ist, dass ein radial äußerer Bereich des Rotorblechpakets (3) mit einer erhöhten Anpresskraft beaufschlagt wird. Daneben werden eine elektrische Maschine (12) mit einem derartigen Rotor (1) und ein Fahrzeug (11) mit einer derartigen elektrischen Maschine (12) beschrieben.Rotor (1) for an electrical machine (12), with a rotor shaft (2) on which a rotor laminated core (3) is arranged, which has an end plate (4, 5, 9, 10) at both axial ends, wherein a first end plate (5, 9, 10) rests on a shoulder (6) of the rotor shaft (2) and a second end plate (4) is fixed with a nut (7) screwed onto the rotor shaft (2), wherein at least one end plate (4, 5, 9, 10) is designed to be concave in such a way that a radially outer region of the rotor laminated core (3) is subjected to an increased contact force. In addition, an electrical machine (12) with such a rotor (1) and a vehicle (11) with such an electrical machine (12) are described.
Description
Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine, mit einer Rotorwelle, auf der ein Rotorblechpaket angeordnet ist, das an beiden axialen Enden eine Endplatte aufweist, wobei eine erste Endplatte an einer Schulter der Rotorwelle anliegt und eine zweite Endplatte mit einer auf die Rotorwelle geschraubten Mutter fixiert ist.The invention relates to a rotor for an electrical machine, with a rotor shaft on which a rotor laminated core is arranged, which has an end plate at both axial ends, wherein a first end plate rests on a shoulder of the rotor shaft and a second end plate is fixed with a nut screwed onto the rotor shaft.
Elektrische Maschinen mit einem derartigen Rotor werden in zunehmendem Maße bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen oder Hybridfahrzeugen verwendet. Die elektrische Maschine wird dabei überwiegend als Elektromotor für den Antrieb eines Rads oder einer Achse des Fahrzeugs eingesetzt. Der Elektromotor kann unter anderem als Synchronmotor oder Asynchronmotor ausgebildet sein.Electric machines with such a rotor are increasingly being used in electrically powered vehicles or hybrid vehicles. The electric machine is mainly used as an electric motor to drive a wheel or an axle of the vehicle. The electric motor can be designed as a synchronous motor or an asynchronous motor, among other things.
Der Elektromotor ist zumeist mechanisch mit einem Getriebe zur Drehzahlanpassung gekoppelt. Daneben ist der Elektromotor normalerweise elektrisch mit einem Wechselrichter verbunden, der aus einer von einer Batterie gelieferten Gleichspannung eine Wechselspannung für den Betrieb der elektrischen Maschine erzeugt, insbesondere eine mehrphasige Wechselspannung.The electric motor is usually mechanically coupled to a gearbox for speed adjustment. In addition, the electric motor is usually electrically connected to an inverter, which generates an alternating voltage for operating the electric machine from a direct current supplied by a battery, in particular a multi-phase alternating voltage.
Es ist auch möglich, die elektrische Maschine als Generator zur Rekuperation von Bewegungsenergie eines Fahrzeugs zu betreiben, wobei die Bewegungsenergie zunächst in elektrische Energie und dann in chemische Energie der Batterie umgewandelt wird.It is also possible to operate the electric machine as a generator to recuperate the kinetic energy of a vehicle, whereby the kinetic energy is first converted into electrical energy and then into chemical energy of the battery.
Der Stator einer elektrischen Maschine verfügt über ein Statorblechpaket und Statorwicklungen. Beim Anlegen eines Stroms an die Statorwicklungen wird ein elektrisches Drehfeld erzeugt, durch das der Rotor in Drehung versetzt wird.The stator of an electrical machine has a stator core and stator windings. When a current is applied to the stator windings, a rotating electrical field is generated, which causes the rotor to rotate.
Das Rotorblechpaket besteht aus einer Vielzahl von axial gestapelten Rotorblechen. Teilweise sind in den Rotorblechen Ausnehmungen vorhanden, die Taschen für Magnete bilden. Nach dem Einsetzen der Magnete in die Taschen wird eine Vergussmasse in das Rotorblechpaket eingebracht. Das Rotorblechpaket muss dabei mit einer bestimmten axialen Kraft beaufschlagt werden, um ein Auslaufen der flüssigen Vergussmasse zu verhindern. Diese Axialkraft kann durch die auf die Rotorwelle geschraubte Mutter zusammen mit der Schulter der Rotorwelle erzeugt werden.The rotor lamination stack consists of a large number of axially stacked rotor laminations. Some of the rotor laminations have recesses that form pockets for magnets. After the magnets are inserted into the pockets, a casting compound is introduced into the rotor lamination stack. The rotor lamination stack must be subjected to a certain axial force to prevent the liquid casting compound from leaking out. This axial force can be generated by the nut screwed onto the rotor shaft together with the shoulder of the rotor shaft.
Die Endplatten des Rotorblechpakets stützen sich einerseits an der Schulter der Rotorwelle und andererseits an der Mutter ab. Während des Betriebs einer den Rotor aufweisenden elektrischen Maschine verhindert die Axialkraft, dass sich einzelne Bleche des Rotorblechpakets bei hohen Drehzahlen des Rotors in Axialrichtung voneinander lösen. Die durch Verschrauben der Mutter mit der Rotorwelle erzeugte Axialkraft wirkt in erster Linie in unmittelbarer Umgebung der Rotorwelle, d. h. auf die radial inneren Bereiche der Endplatten, die einerseits die Schulter der Rotorwelle und andererseits die Mutter bzw. eine Unterlegscheibe berühren. In einem radial äußeren Bereich ist die Kraft hingegen geringer, was als nachteilig angesehen wird.The end plates of the rotor lamination stack are supported on the one hand by the shoulder of the rotor shaft and on the other hand by the nut. During operation of an electrical machine with the rotor, the axial force prevents individual laminations of the rotor lamination stack from separating from one another in the axial direction at high rotor speeds. The axial force generated by screwing the nut onto the rotor shaft acts primarily in the immediate vicinity of the rotor shaft, i.e. on the radially inner areas of the end plates, which touch the shoulder of the rotor shaft on the one hand and the nut or a washer on the other. In a radially outer area, however, the force is lower, which is considered to be disadvantageous.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Rotor für eine elektrische Maschine anzugeben, bei dem auch auf radial äußere Bereiche des Rotorblechpakets eine ausreichende Axialkraft ausgeübt werden kann.The invention is therefore based on the object of specifying a rotor for an electrical machine in which a sufficient axial force can also be exerted on radially outer regions of the rotor laminated core.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Rotor der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass wenigstens eine Endplatte derart konkav ausgebildet ist, dass ein radial äußerer Bereich des Rotorblechpakets mit einer erhöhten Anpresskraft beaufschlagt wird.To achieve this object, in a rotor of the type mentioned at the outset, it is provided according to the invention that at least one end plate is designed to be concave in such a way that a radially outer region of the rotor laminated core is subjected to an increased contact force.
Vorzugsweise ist eine von der Endplatte auf das Rotorblechpaket ausgeübte Anpresskraft in einem radial äußeren Bereich höher als in einem radial inneren Bereich.Preferably, a contact force exerted by the end plate on the rotor core is higher in a radially outer region than in a radially inner region.
Erfindungsgemäß ist wenigstens eine Endplatte konkav, d. h. nach innen gekrümmt, ausgebildet. Dadurch ergibt sich die Wirkung, dass ein radial äußerer Bereich des Rotorblechpakets im Vergleich zu einer herkömmlichen Endplatte, die eine konstante Dicke aufweist, stärker durch eine Axialkraft beaufschlagt wird. Die Axialkraft wird durch das Verschrauben der Mutter mit der Rotorwelle erzeugt. An dem der Mutter entgegengesetzten Ende des Rotorblechpakets weist die Rotorwelle eine Schulter auf, an der sich das Rotorblechpaket abstützt.According to the invention, at least one end plate is concave, i.e. curved inwards. This results in the effect that a radially outer region of the rotor laminated core is subjected to a greater axial force than a conventional end plate, which has a constant thickness. The axial force is generated by screwing the nut onto the rotor shaft. At the end of the rotor laminated core opposite the nut, the rotor shaft has a shoulder on which the rotor laminated core is supported.
Vorzugsweise weisen beide Seiten des Rotorblechpakets eine Endplatte auf.Preferably, both sides of the rotor core have an end plate.
Vorzugsweise sind beide Endplatten konkav ausgebildet, wodurch die Anpresswirkung auf radial äußere Bereiche des Rotorblechpakets verstärkt wird. Da auch in den äußeren Bereichen des Rotorblechpakets eine ausreichende Anpresskraft vorhanden ist, ist beim Einbringen der Vergussmasse in das Rotorblechpaket eine ausreichende Dichtheit gewährleistet. Daneben bewirkt die Axialkraft, dass einzelne Bleche des Rotorblechpakets sich auch bei hohen Drehzahlen nicht voneinander lösen können.Preferably, both end plates are concave, which increases the contact pressure on the radially outer areas of the rotor core. Since there is also sufficient contact pressure in the outer areas of the rotor core, sufficient tightness is ensured when the casting compound is introduced into the rotor core. In addition, the axial force ensures that individual sheets of the rotor core cannot separate from one another, even at high speeds.
Bei dem erfindungsgemäßen Rotor wird es bevorzugt, dass die Außenfläche der konkaven Endplatte rechtwinklig zur Axialrichtung angeordnet ist. Dementsprechend fluchtet die konkave Endplatte mit der Schulter der Rotorwelle beziehungsweise der Mutter oder einer Unterlegscheibe zwischen Endplatte und Mutter. Die Endplatte und die jeweils andere Komponente berühren einander somit formschlüssig und kraftschlüssig.In the rotor according to the invention, it is preferred that the outer surface of the concave end plate is arranged at right angles to the axial direction. Accordingly, the concave end plate is aligned with the shoulder of the rotor shaft or the nut or a washer between the end plate and the nut. The end plate and the other component thus touch each other in a form-fitting and force-fitting manner.
Eine erste Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Innenfläche einer konkaven Endplatte gegenüber der Außenfläche der Endplatte (beziehungsweise der benachbarten Stirnfläche des Rotorblechpakets) geneigt ist, beispielsweise zum Rotorblechpaket beziehungsweise dem radial äußeren Bereich der Stirnfläche hin), und der Neigungswinkel 0,5° bis 5° beträgt. Durch diese Neigung ergibt sich die konkave Form, die für die Erzeugung der gewünschten Anpresskraft erforderlich ist. Eine bevorzugte Variante sieht vor, dass der Neigungswinkel etwa 1° beträgt. Diese konkave Form hat die Wirkung, dass die von den Endplatten auf das Rotorblechpaket ausgeübte Anpresskraft im radial äußeren Bereich erhöht ist. Dadurch werden die Rotorbleche im Bereich des Außenumfangs stärker angepresst.A first embodiment of the invention provides that the inner surface of a concave end plate is inclined relative to the outer surface of the end plate (or the adjacent end face of the rotor laminated core), for example towards the rotor laminated core or the radially outer region of the end face), and the angle of inclination is 0.5° to 5°. This inclination results in the concave shape that is required to generate the desired contact pressure. A preferred variant provides that the angle of inclination is approximately 1°. This concave shape has the effect that the contact pressure exerted by the end plates on the rotor laminated core is increased in the radially outer region. This means that the rotor laminations are pressed more tightly in the area of the outer circumference.
Eine zweite, alternative Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Innenfläche einer konkaven Endplatte in einem radial inneren Bereich rechtwinklig zur Axialrichtung verläuft, insbesondere parallel zur benachbarten Stirnfläche beziehungsweise Stirnseite des Rotorblechpakets, und in einem radial äußeren Bereich zum Rotorblechpaket geneigt ist, insbesondere zum radial äußeren Bereich der Stirnfläche hin. Die Endplatte und der radial innere Bereich des Rotorblechpakets sind parallel angeordnet, in einem radial äußeren Bereich übt die Endplatte eine erhöhte Anpresskraft auf das Rotorblechpaket aus. Auch bei dieser Variante wird der radial äußere Bereich des Rotorblechpakets mit einer ausreichend großen Axialkraft beaufschlagt.A second, alternative embodiment of the invention provides that the inner surface of a concave end plate runs at right angles to the axial direction in a radially inner region, in particular parallel to the adjacent end face or front side of the rotor laminated core, and is inclined towards the rotor laminated core in a radially outer region, in particular towards the radially outer region of the end face. The end plate and the radially inner region of the rotor laminated core are arranged parallel, and in a radially outer region the end plate exerts an increased contact force on the rotor laminated core. In this variant, too, the radially outer region of the rotor laminated core is subjected to a sufficiently large axial force.
Eine dritte, alternative Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Innenfläche einer konkaven Endplatte in einem radial inneren Bereich zum Rotorblechpaket geneigt ist und in einem radial äußeren Bereich rechtwinklig zur Axialrichtung verläuft, insbesondere parallel zur benachbarten Stirnfläche des Rotorblechpakets. Eine derart konkav ausgebildete Endplatte übt in einem radial äußeren Bereich eine größere Axialkraft auf die gegenüberliegenden Bereiche des Rotorblechpakets aus, sodass dessen Bleche fest aneinandergepresst werden.A third, alternative embodiment of the invention provides that the inner surface of a concave end plate is inclined in a radially inner region to the rotor laminated core and in a radially outer region runs at right angles to the axial direction, in particular parallel to the adjacent end face of the rotor laminated core. An end plate designed to be concave in this way exerts a greater axial force on the opposite regions of the rotor laminated core in a radially outer region, so that its laminations are pressed firmly against one another.
Bei dem erfindungsgemäßen Rotor kann es vorgesehen sein, dass das Rotorblechpaket und die Rotorwelle über eine Presspassung miteinander verbunden sind. Alternativ können das Rotorblechpaket und die Rotorwelle auch über eine Spielpassung miteinander verbunden sein.In the rotor according to the invention, it can be provided that the rotor laminated core and the rotor shaft are connected to one another via a press fit. Alternatively, the rotor laminated core and the rotor shaft can also be connected to one another via a clearance fit.
Es liegt auch im Rahmen der Erfindung, dass eine Endplatte wenigstens eine Durchgangsöffnung zum Einbringen einer Vergussmasse aufweist. Zusätzlich kann eine Entlüftungsbohrung vorgesehen sein, durch die beim Einbringen der Vergussmasse Luft aus dem Rotorblechpaket entweichen kann.It is also within the scope of the invention that an end plate has at least one through-opening for introducing a casting compound. In addition, a vent hole can be provided through which air can escape from the rotor core when the casting compound is introduced.
Die Endplatten können aus einer Metalllegierung, vorzugsweise aus einer Aluminiumlegierung, hergestellt sein.The end plates may be made of a metal alloy, preferably an aluminum alloy.
Ferner kann das Rotorblechpaket mehrere axial aneinandergereihte Rotorblechpaketsegmente aufweisen, die um eine Rotationsachse des Rotors gegeneinander verdreht sind.Furthermore, the rotor lamination stack can have a plurality of axially arranged rotor lamination stack segments which are rotated relative to one another about a rotation axis of the rotor.
Daneben betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine, mit einem Rotor der beschriebenen Art, der von einem Stator umgeben ist.In addition, the invention relates to an electrical machine with a rotor of the type described, which is surrounded by a stator.
Die Erfindung betrifft auch ein Fahrzeug, mit wenigstens einer derartigen elektrischen Maschine, die zum Antrieb eines Rads oder einer Achse des Fahrzeugs konfiguriert ist.The invention also relates to a vehicle having at least one such electric machine configured to drive a wheel or an axle of the vehicle.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen:
-
1 eine geschnittene Ansicht eines erfindungsgemäßen Rotorblechpakets gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel; -
2 ein Detail eines erfindungsgemäßen Rotors im Bereich einer Endplatte in einer geschnittenen Ansicht gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel; -
3 ein Detail eines erfindungsgemäßen Rotors im Bereich einer Endplatte in einer geschnittenen Ansicht gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel; und -
4 ein erfindungsgemäßes Fahrzeug.
-
1 a sectional view of a rotor laminated core according to the invention according to a first embodiment; -
2 a detail of a rotor according to the invention in the region of an end plate in a sectional view according to a second embodiment; -
3 a detail of a rotor according to the invention in the region of an end plate in a sectional view according to a third embodiment; and -
4 a vehicle according to the invention.
Die Rotorwelle 2 und das Rotorblechpaket 3 sind über eine Presspassung miteinander verbunden. An dem in
Das Rotorblechpaket 3 stützt sich mit seiner Endplatte 5 axial an einer umlaufenden Schulter 6 der Rotorwelle 2 ab. An dem gegenüberliegenden Ende ist eine Mutter 7 auf ein Außengewinde der Rotorwelle 2 geschraubt. Über eine dazwischen angeordnete Unterlegscheibe 8 wird die Endplatte 4 des Rotorblechpakets 3 beim Festziehen der Mutter 7 mit einer axialen Anpresskraft beaufschlagt. In
Das Rotorblechpaket 3 umfasst eine Mehrzahl von in Axialrichtung gestapelten Rotorblechen. In
Die beiden Endplatten 4, 5 sind konkav ausgebildet. Während die jeweilige Außenfläche der Endplatten 4, 5 rechtwinklig zur Axialrichtung ausgebildet ist, ist die jeweilige Innenfläche der Endplatten 4, 5 geringfügig zum Rotorblechpaket 3 hin geneigt. Die Neigung beträgt in dem dargestellten Ausführungsbeispiel 1°, sie ist in der Zeichnung vergrößert dargestellt. Beide Endplatten 4, 5 besitzen somit im Bereich ihres Außenumfangs eine geringfügig größere Dicke als innen, in der Nähe ihrer Durchgangsöffnung.The two end plates 4, 5 are concave. While the respective outer surface of the end plates 4, 5 is formed at a right angle to the axial direction, the respective inner surface of the end plates 4, 5 is slightly inclined towards the
Beim Anziehen der Mutter 7 wird das Rotorblechpaket 3 mit den Endplatten 4, 5 axial zusammengepresst, so dass der in
Aufgrund der konkav ausgebildeten Endplatten 4, 5 wird in dem radial äußeren Bereich des Rotorblechpakets 3 eine erhöhte Anpresskraft, insbesondere im Unterschied zu herkömmlichen, nicht konkaven Endplatten. Dadurch ist sichergestellt, dass die Vergussmasse beim Vergießen der Magnete nicht zwischen der Außenrändern der Bleche des Rotorblechpakets 3 auslaufen kann. Daneben erhöht sich das von der Rotorwelle 2 auf das Rotorblechpaket 3 übertragbare Drehmoment durch die verbesserte axiale Pressung.Due to the concave end plates 4, 5, an increased contact pressure is applied in the radially outer area of the rotor laminated
Das teilweise dargestellte Rotorblechpaket 3 entspricht demjenigen des ersten Ausführungsbeispiels. Die Endplatte 9 ist auf eine andere Art als die in
Beim Anziehen der Mutter 7 wird das Rotorblechpaket 3 gegen die Schulter 6 der Rotorwelle 2 gepresst, bis die Innenseite der Endplatte 9 flächig an der Stirnfläche des Rotorblechpakets 3 anliegt. Durch die konkave Form der Endplatte 9 wird ihr radial äußerer Bereich besonders stark gegen das Rotorblechpaket 3 gepresst. Dieser Bereich wird im Vergleich zu einer herkömmlichen Endplatte mit planer Innenseite mit einer erhöhten Anpresskraft beaufschlagt. Nach dem Anziehen der Mutter 7 ist kein Spalt mehr zwischen der Endplatte 9 und dem Rotorblechpaket 3 vorhanden.When the nut 7 is tightened, the
Die Außenseite der Endplatte 10 liegt an der Schulter 6 der Rotorwelle 2 an. Die Innenseite der Endplatte 10 ist konkav ausgebildet, indem sie in einem radial inneren Bereich zum Rotorblechpaket 3 geneigt ist. In diesem Bereich ist die Endplatte 10 von der Außenseite des Rotorblechpakets 3 etwas beabstandet, so dass ein Spalt beziehungsweise Zwischenraum gebildet ist. Die konkave Form ist in
Wenn das Rotorblechpaket 3 durch Anziehen der Mutter 7 gegen die Schulter 6 der Rotorwelle 2 gedrückt wird, wird der radial äußere Bereich der Endplatten 10 durch deren konkave Form besonders stark gegen das Rotorblechpaket 3 gepresst, sodass entlang des Umfangs ein hoher Anpressdruck der Endplatte 10 gegen das Rotorblechpaket 3 vorhanden ist. Nach dem Anziehen der Mutter 7 ist der Spalt nicht mehr vorhanden.When the
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- Rotorrotor
- 22
- RotorwelleRotor shaft
- 33
- RotorblechpaketRotor lamination package
- 44
- EndplatteEnd plate
- 55
- EndplatteEnd plate
- 66
- Schultershoulder
- 77
- MutterMother
- 88th
- UnterlegscheibeWasher
- 99
- EndplatteEnd plate
- 1010
- EndplatteEnd plate
- 1111
- Fahrzeugvehicle
- 1212
- elektrische Maschineelectric machine
- 1313
- Statorstator
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Legal Events
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R163 | Identified publications notified |