Rotors und elektrische Rotationsmaschine

Die Erfindung betrifft einen Rotor einer elektrischen Rotationsmaschine, ein Verfahren zur Herstellung des Rotors sowie eine elektrische Rotationsmaschine mit dem Rotor.

Aus dem Stand der Technik sind in vielen industriellen Anwendungen elektrische Antriebsmaschinen bekannt, die auch zunehmend in der Automobilindustrie ihren Einsatz finden. Eine solche Maschine umfasst einen Stator und einen diesbezüglich drehbaren Rotor. Der Rotor umfasst üblicherweise eine Rotorwelle, Wuchtbleche, Rotorblechpakete und Magnete. Die Magnete sind im Allgemeinen in den Rotorblechpaketen fixiert.

Rotoren von Rotorlagesensoren benötigen eine feste Fixierung in Bezug zum Rotor, um mit hoher Genauigkeit die jeweilige Winkelposition des Rotors bzw. einzelner Bestandteile des Rotors detektieren zu können. Üblich ist es dabei, den Rotor des Rotorlagesensors an bzw. auf der mit dem Rotorkörper fest verbundenen Welle zu fixieren.

Insbesondere bei höheren Stückzahlen muss zur Wahrung der Wettbewerbsfähigkeit dafür gesorgt werden, dass der Rotor des Rotorlagesensors in einfacher, zeitsparender sowie kosteneffizienter Weise an bzw. auf der Rotorwelle befestigt werden kann. Allerdings ist gerade bei der Anwendung elektrischer Rotationsmaschinen in Kraftfahrzeug-Hybridmodulen oder auch in elektrischen Achsen der axial zur Verfügung stehende Bauraum sehr stark begrenzt. Entsprechend besteht die Forderung nach einem axial sehr kurz bauenden Design. Des Weiteren muss insbesondere in der Zulieferindustrie die Forderung erfüllt werden, dass die Anordnung des Rotors des Rotorlagesensors auch transportsicher erfolgt.

In einer herkömmlichen Ausführungsform ist der Rotor des Rotorlagesensors über eine Welle-Nabe-Verbindung mit der Rotorwelle verbunden und in axialer Richtung mittels eines Absatzes der Rotorwelle zumindest einseitig fixiert.

Alternative Befestigungsweisen des Rotors des Rotorlagesensors sehen vor, dass dieser auf der Rotorwelle aufgeschrumpft, geklebt oder geschweißt ist. Diese mechanischen Befestigungen müssen jedoch unterschiedlichen Belastungen standhalten, wie zum Beispiel sehr hohen Fliehkräften aufgrund hoher Drehzahl der mit dem Rotor ausgestatteten elektrischen Rotationsmaschine, gegebenenfalls bei hoher Betriebstemperatur.

Zudem ist es erforderlich, dass das Befestigungskonzept für unterschiedliche axiale Positionen des Rotors des Rotorlagesensors angewendet werden kann sowie auch für unterschiedliche Schnittstellen der Rotorwelle an ein anzutreibendes Aggregat, wie zum Beispiel ein Kraftfahrzeug-Getriebe, wobei insgesamt eine Baukasten-Lösung bevorzugt wird.

Die genannten Restriktionen führen in herkömmlichen Ausführungsformen oftmals dazu, dass der Rotor der elektrischen Rotationsmaschine nur mit einem relativ hohen Kosten- und Montageaufwand gefertigt werden kann, wobei bei einigen Befestigungsmethoden nicht ausgeschlossen werden kann, dass es zu einer ungewollten Verformung des Rotors des Rotorlagesensors und/oder zur Einbringung von Spannungen kommen kann.

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Rotor einer elektrischen Rotationsmaschine, ein Verfahren zur Herstellung des Rotors sowie die den Rotor umfassende elektrische Rotationsmaschine zur Verfügung zu stellen, die eine einfache, flexible, kosteneffiziente und Bauraum-kompakte Montage und axiale Sicherung aller Rotorkomponenten gewährleisten.

Diese Aufgabe wird gelöst durch den Rotor gemäß Anspruch 1 sowie durch das Verfahren zur Herstellung eines Rotors gemäß Anspruch 8. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Rotors sind in den Unteransprüchen 2 bis 7 angegeben. Ergänzend wird eine elektrische Rotationsmaschine mit dem Rotor gemäß Anspruch 9 zur Verfügung gestellt, wobei im Unteranspruch 10 eine vorteilhafte Ausgestaltung der elektrischen Rotationsmaschine angegeben ist.

Die Merkmale der Ansprüche können in jeglicher technisch sinnvollen Art und Weise kombiniert werden, wobei hierzu auch die Erläuterungen aus der nachfolgenden Beschreibung sowie Merkmale aus den Figuren hinzugezogen werden können, die ergänzende Ausgestaltungen der Erfindung umfassen.

Die Begriffe axial , radial und in Umfangsrichtung beziehen sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung immer auf die Rotationsachse des Rotors.

Die Erfindung betrifft einen Rotor einer elektrischen Rotationsmaschine, umfassend eine Rotorwelle und mit der Rotorwelle verbunden wenigstens einen Rotorkörper, der wenigstens ein Blechpaket aufweist, und einen an einer axialen Seite des Rotorkörpers auf der Rotorwelle mittels einer formschlüssig wirkenden Welle-Nabe- Verbindung angeordneten Rotor einer Rotorlagesensor-Einrichtung sowie eine Tellerfeder, die zwecks Positionierung des Rotors der Rotorlagesensor-Einrichtung dauerhaft eine axial wirkende Kraft auf den Rotor der Rotorlagesensor-Einrichtung ausübt. Der Rotor der Rotorlagesensor-Einrichtung stützt sich gegen die von der Tellerfeder bewirkte axial wirkende Kraft über ein der Tellerfeder axial gegenüberliegendes Stützelement an der Rotorwelle ab.

Durch die von der Tellerfeder bewirkte Kraft und die gegenüberliegende Abstützung des Rotors der Rotorlagesensor-Einrichtung wird im Wesentlichen der translatorische Freiheitsgrad des Rotors der Rotorlagesensor-Einrichtung entlang der Rotationsachse des Rotors blockiert, so dass der Rotor der Rotorlagesensor-Einrichtung im Wesentlichen axial spielfrei befestigt ist.

Dabei wird gleichzeitig eine axiale Beweglichkeit des Rotorkörpers über den Federweg der Tellerfeder zugelassen, wobei trotz Schwankungen von Abmaßen einzelner Segmente oder Elemente des Rotorkörpers im Betrieb bzw. trotz fertigungsbedingter Toleranzen in axialer Richtung in technologisch einfacher Weise der Rotor des Rotorlagesensor-Einrichtung an einer definierten axialen Position positioniert und fixiert werden kann. in einer vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Stützelement ein zumindest in axialer Richtung form- und/ oder kraftschlüssig mit der Rotorwelle fest verbundenes Sicherungselement ist, das in einer in Umfangsrichtung in der Rotorwelle verlaufenden Nut sitzt. Insbesondere ist das Sicherungselement als ein Sicherungsring ausgestaltet, der dazu geeignet ist, auch bei hohen Drehzahlen gegen die Einwirkung von Fliehkraft gesichert in der Nut zu verbleiben. In vorteilhafter Ausführungsform ist der Sicherungsring ein selbstsichernder Sicherungsring.

Insbesondere ist das Sicherungselement bzw. Stützelement in die Nut gepresst. Entsprechend ist dadurch das Stützelement form- und kraftschlüssig auf der Rotorwelle fixiert. Dies realisiert eine Fixierungswirkung des Stützelements in axialer Richtung als auch in Umfangsrichtung. Diese Konstruktion benötigt entsprechend keinen extra Absatz in der Rotorwelle zur Anordnung eines axial blockierenden Elements.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass sich die Tellerfeder axial an einem zwischen dem Blechpaket und dem Rotor der Rotorlagesensor-Einrichtung angeordneten Axial-Anlageelement abstützt.

Dieses Axial-Anlageelement wird auch als Sicherungsblech bezeichnet. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Axial-Anlageelement dazu ausgestaltet, die axiale Position des gesamten damit gekoppelten Blechpakets zu sichern.

Das Axial-Anlageelement kann an seinem radial äußeren Randbereich zur radial äußeren Umgebung der Tellerfeder eine Kröpfung aufweisen, wobei die Tellerfeder mit ihrer radial äußeren Seite in der Kröpfung sitzt. Die Kröpfung sichert insbesondere bei hohen Drehzahlen und damit verbundenen hohen Fliehkräften eine exakte Positionierung der Tellerfeder auf der Welle und in Bezug zum Rotor der Rotorlagesensor-Einrichtung.

Dieser Ausrichtung der Tellerfeder entsprechend liegt die Tellerfeder mit ihrer radial inneren Seite auf der Welle an dem Rotor der Rotorlagesensor-Einrichtung an.

Zwecks Minderung des benötigten Bauraums kann sich das Axial-Anlageelement zumindest bereichsweise an der radial inneren Seite wenigstens eines Blechpakets erstrecken, wobei das Axial-Anlageelement mit der Rotorwelle verstemmt ist. Derart kann in technologisch einfacher Weise das Axial-Anlageelement auf der Welle fixiert werden und dementsprechend auch das Blechpaket oder mehrere Blechpakete mittels des Axial-Anlageelements auf der Welle montiert werden. Die Welle-Nabe-Verbindung kann mittels wenigstens einer in Axial-Richtung verlaufenden Axialnut in der Rotorwelle sowie wenigstens einer radial in die Axialnut eingreifenden Nase am Rotor der Rotorlagesensor-Einrichtung realisiert sein.

Die Nase am Rotor der Rotorlagesensor-Einrichtung kann auch als Feder bezeichnet werden, die als integraler Bestandteil des Körpers des Rotors der Rotorlagesensor- Einrichtung ausgeführt ist. Die Nabe der Welle-Nabe-Verbindung ist damit der Rotor der Rotorlagesensor-Einrichtung selbst. Durch diese Welle-Nabe-Verbindung wird eine leichte Verschiebung über den Federweg der Tellerfeder auf der Rotorwelle zugelassen, sodass in einfacherWeise Toleranzen, insbesondere bei der Montage, aber auch beim Betrieb des Rotors bzw. einer damit ausgestatteten elektrischen Rotationsmaschine in axialer Richtung ausgeglichen werden können. Eine alternative Ausgestaltung dieser Welle-Nabe-Verbindung wäre eine Keilwellenverbindung.

Ein weiterer Aspekt ist ein Verfahren zur Fierstellung des Rotors der elektrischen Rotationsmaschine, bei dem eine Rotorwelle und mit der Rotorwelle zu verbindende Elemente eines Rotorkörpers, umfassend wenigstens ein Blechpaket, bereitgestellt werden, die Elemente des Rotorkörpers auf der Rotorwelle in einem Rotorkörper angeordnet werden, und an einer axialen Seite des Rotorkörpers auf der Rotorwelle mittels einer formschlüssig wirkenden Welle-Nabe-Verbindung ein Rotor einer Rotorlagesensor-Einrichtung angeordnet wird. Des Weiteren wird an derselben axialen Seite des Rotorkörpers eine Tellerfeder derart angeordnet, dass die Tellerfeder zwecks Positionierung des Rotors der Rotorlagesensor-Einrichtung dauerhaft eine axial wirkende Kraft auf den Rotor der Rotorlagesensor-Einrichtung ausübt. An der der Tellerfeder axial gegenüberliegenden Seite des Rotors der Rotorlagesensor-Einrichtung wird ein Stützelement angeordnet, zwecks Abstützung des Rotors der Rotorlagesensor-Einrichtung an der Rotorwelle gegen die von der Tellerfeder bewirkte axial wirkende Kraft.

Insbesondere kann dabei die Tellerfeder axial zwischen dem Rotorkörper und dem Rotor der Rotorlagesensor-Einrichtung positioniert sein, so dass die Kraft der Tellerfeder den Rotor der Rotorlagesensor-Einrichtung vom Rotorkörper weg in Richtung auf das Stützelement drückt. Die Montage kann dabei derart erfolgen, dass der Rotor der Rotorlagesensor- Einrichtung gegen die Kraft der Tellerfeder so weit auf der Rotorwelle verschoben wird, bis das Stützelement an einer definierten Position fest mit der Rotorwelle verbunden werden kann, so dass der Rotor der Rotorlagesensor-Einrichtung zwischen der Tellerfeder und dem Stützelement in axialer Richtung eingespannt ist. Dies ermöglicht auch nach der Montage eine geringfügige axiale Verlagerung des Rotors der Rotorlagesensor-Einrichtung gegen die Kraftwirkung der Tellerfeder in Richtung auf den Rotorkörper. Entsprechend wird allerdings auch eine Ausdehnung oder geringfügige axiale Bewegung des Rotorkörpers bzw. einzelner Segmente oder Elemente des Rotorkörpers in axialer Richtung auf den Rotor der Rotorlagesensor- Einrichtung ermöglicht, wodurch sich betriebsbedingte Maßänderungen und/oder Fertigungstoleranzen in einfacher Weise durch die Tellerfeder ausgleichen lassen. Zudem wird eine elektrische Rotationsmaschine zur Verfügung gestellt, welche einen Stator sowie einen oben beschriebenen Rotor aufweist. Am Stator der elektrischen Rotationsmaschine kann ebenfalls ein Stator der Rotorlagesensor-Einrichtung angeordnet oder ausgebildet sein.

Die elektrische Rotationsmaschine kann dabei als elektrische Achse zum unmittelbaren Antrieb eines Rades eines Kraftfahrzeuges ausgestaltet sein.

Die oben beschriebene Erfindung wird nachfolgend vor dem betreffenden technischen Hintergrund unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen, welche bevorzugte Ausgestaltungen zeigen, detailliert erläutert. Die Erfindung wird durch die rein schematischen Zeichnungen in keiner Weise beschränkt, wobei anzumerken ist, dass die in den Zeichnungen gezeigten Ausführungsbeispiele nicht auf die dargestellten Maße eingeschränkt sind. Es ist dargestellt in

Figur 1: der Rotor in teilweise geschnittener Ansicht,

Figur 2: ein vergrößerter Teilbereich der in Figur 1 gezeigten Darstellung,

Figur 3: der Rotor in Explosions-Darstellung, und Figur 4: der Rotor in perspektivischer Ansicht. Zunächst wird der allgemeine Aufbau des Rotors 1 anhand Figur 1 erläutert. Der Rotor 1 umfasst mehrere Wicklungen 2, die rotationssymmetrisch zu einer Rotorwelle 10 des Rotors 1 angeordnet sind. Bei Bestromung der Wicklungen 2 entstehen Magnetfelder, die in Zusammenwirkung mit Magneten an einem hier nicht dargestellten Stator einer den Rotor 1 elektrischen Rotationsmaschine die Rotorwelle 10 um die Rotationsachse 11 in Drehung versetzen.

Die Wicklungen 2 bilden zusammen mit zwei hier dargestellten Blechpaketen 21 sowie den in dieser Ausführungsform seitlich an den Blechpaketen 21 anliegenden Wuchtscheiben 22 den Rotorkörper 20 des Rotors 1 aus, wobei diese Elemente des Rotorkörpers 20 alle auf der Rotationswelle 10 angeordnet sind.

Die Rotorwelle 10 selbst ist über Rotationslager 5 in einem Gehäuse 4 einer den Rotor 1 umfassenden elektrischen Rotationsmaschine gelagert.

Axial seitlich neben dem Rotorkörper 20 befindet sich der Rotor einer Rotorlagesensor-Einrichtung 40. Dieser ist mit einer Welle-Nabe-Verbindung 30 auf der Rotorwelle 10 befestigt. Die Welle-Nabe-Verbindung 30 ist insbesondere durch eine hier nicht extra dargestellte, axial verlaufende Nut in der Rotorwelle 10 sowie eine entsprechend komplementär ausgestaltete, nach radial innen zeigende Nase am Rotor der Rotorlagesensor-Einrichtung 40, die in diese Nut eingreift, ausgebildet.

Eine derartige Welle-Nabe-Verbindung 30 erlaubt eine gewisse axiale Verschiebbarkeit des Rotors der Rotorlagesensor-Einrichtung 40.

Radial innerhalb eines von Wicklungsköpfen 3 der Wicklungen 2 radial begrenzten Raums und mit der Rotorwelle 10 mittels einer Verstemmung 72 verbunden befindet sich ein Axial-Anlageelement 70, welches auch als Sicherungsblech bezeichnet wird. Dieses Axial-Anlageelement 70 dient zur Abstützung einer auf der Rotationswelle 10 angeordneten, im Wesentlichen ringförmigen Tellerfeder 50. Dabei liegt der radial äußere Rand der Tellerfeder 50 an dem Axial-Anlageelement 70 an. Der radial innere Rand der Tellerfeder 50 liegt axial am Rotor der Rotorlagesensor-Einrichtung 40 an und bewirkt dadurch eine Abstützung des Rotors der Rotorlagesensor-Einrichtung 40 an dieser Seite. An der dem Axial-Anlageelement 70 gegenüberliegenden Seite des Rotors der Rotorlagesensor-Einrichtung 40 ist ein Stützelement 60 in Form eines Sicherungsrings angeordnet, wobei dieses Stützelement 60 in einer in der Rotorwelle 10 radial umlaufenden Nut 12 sitzt. Insbesondere ist vorgesehen, dass das Stützelement 60 in diese Nut 12 gepresst ist, sodass das Stützelement 60 fliehkraftgesichert ist.

Figur 2 zeigt die Elemente, die zur Abstützung des Rotors der Rotorlagesensor- Einrichtung 40 dienen, in vergrößerter Ansicht. Hier ist erkennbar, dass durch die Tellerfeder 50 durch deren Vorspannung eine axial wirkende Kraft 51 auf den Rotor der Rotorlagesensor-Einrichtung 40 ausgeübt wird. Diese axial wirkende Kraft 51 bewirkt, dass der Rotor der Rotorlagesensor-Einrichtung 40 so weit entlang der Richtung dieser axial wirkenden Kraft 51 geschoben wird, bis der Rotor der Rotorlagesensor-Einrichtung 40 an dem Stützelement 60 zur Anlage gelangt. Entsprechend wird von dem Stützelement 60 eine Gegenkraft 61 entgegen der axial wirkenden Kraft 51 auf den Rotor der Rotorlagesensor-Einrichtung 40 aufgebracht, sodass sich dieses axial im statischen Gleichgewicht befindet.

Um auch bei hohen Drehzahlen des Rotors 1 die volle Funktionsfähigkeit der Tellerfeder 50 zu gewährleisten, ist in der hier dargestellten Ausführungsform vorgesehen, dass das Axial-Anlageelement 70 an seinem radial äußeren Rand eine Kröpfung 71 aufweist, die radial außen den radial äußeren Rand der Tellerfeder 50 umgibt. Dadurch wird Ablösungserscheinungen der Tellerfeder 50 von der Rotorwelle 10 vorgebeugt.

Des Weiteren ist hier deutlich die Verstemmung 72 erkennbar, mittels derer das Axial- Anlageelement 70 in axialer Richtung als auch in Umfangsrichtung fest mit der Rotorwelle 10 verbunden ist.

Bei einer Montage des Rotors 1 können zunächst die Elemente des Rotorkörpers 20 auf der Rotorwelle 10 nacheinander sowie das Axial-Anlageelement 70 angeordnet werden. Danach kann die Tellerfeder 50 an dem Axial-Anlageelement 70 angelegt werden, und der Rotor der Rotorlagesensor-Einrichtung 40 kann auf die Rotorwelle 10 aufgeschoben werden. Danach kann das Stützelement 60 auf die Rotorwelle 10 aufgeschoben werden, bis es eine axiale Position erreicht, in der es in die Nut 12 in der Rotorwelle 10 eingreifen kann. Bei entsprechender Dimensionierung der genannten Bauelemente kann dabei eine Gegenkraft 61 auf den Rotor der Rotorlagesensor-Einrichtung 40 entgegen der von der Tellerfeder 50 aufgebrachten axial wirkenden Kraft 51 realisiert werden, sodass die Tellerfeder 50 in axialer Richtung verformt wird, bis der Eingriff des Stützelements 60 in die Nut 12 in der Rotorwelle 10 erfolgen kann.

Daraus ist ersichtlich, dass axiale Bauteiltoleranzen der genannten Bauelemente in einfacher Weise durch mehr oder weniger starke Verformung der Tellerfeder 50 ausgeglichen werden können. Figur 3 zeigt in Explosions-Darstellung noch einmal die genannten Elemente des Rotors 1. Hier ist ersichtlich, dass die Tellerfeder 50 nach radial innen weisende Federzungen aufweist.

Des Weiteren sind einzelne Verstemmpunkte 73 für die Verstemmung 72 am Axial- Anlageelement 70 erkennbar. Figur 4 zeigt den Rotor 1 in perspektivischer Darstellung.

Der hier vorgeschlagene Rotor, das Verfahren zur Herstellung des Rotors sowie die den Rotor umfassende elektrische Rotationsmaschine erlauben eine einfache, flexible, kosteneffiziente und Bauraum-kompakte Montage und gewährleisten eine axiale Sicherung aller Rotorkomponenten.

Bezuqszeichenliste

Rotor

Wicklung

Wicklungskopf

Gehäuse

Rotationslager

Rotorwelle

Rotationsachse

Nut

Rotorkörper

Blechpaket

Wuchtscheibe

Welle-Nabe-Verbindung

Rotor der Rotorlagesensor-Einrichtung

Tellerfeder axial wirkende Kraft

Stützelement

Gegenkraft

Axial-Anlageelement

Kröpfung

Verstemmung

Verstemmpunkt