Rotor und elektrische Maschine Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine. Weiterhin betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine.

Eine der Hauptsachen für Geräusche in einem elektrischen Achsantrieb ist typischerweise die Ungleichförmigkeit des Drehmoments in einer elektrischen Maschine. Die Ungleichförmigkeit des Drehmoments in der elektrischen Maschine ist bauartbedingt und kann durch die Auslegung der elektrischen Maschine beeinflusst werden. Der effizienteste Weg der Lärmminderung ist, den Lärm gar nicht erst entstehen zu lassen oder zumindest schon die Entstehung des Schalls zu vermindern. Um eine Schallquelle zu identifizieren, gibt es verschiedene Möglichkeiten. Ein Ansatz ist theoretisch. Die Maschine wird dabei gedanklich in ihre Einzelkomponenten zerlegt und dann nach ihren maschinenakustischen Eigenschaften geordnet. Das Ergebnis dieser Untersuchung sind Bewertungs ^¬ tabellen für die Schallquellen, Schallüberträger und

Schallabstrahler. Sie münden in einen Schallflussplan, der grafisch veranschaulicht, an welchen Komponenten der Maschine mit der Lärmminderung begonnen werden muss. Je größer der

Einfluss einer Quelle ist, oder je stärker ein Körper überträgt bzw. abstrahlt, desto eher muss an dieser Stelle eingegriffen werden. Dazu werden die Bauteile je nach Größe ihres Einflusses mit verschieden starken Linien gekennzeichnet. Je dicker eine solche Linie ist, desto kritischer ist die Wirkung auf das

Geräusch und desto eher muss hier Lärmminderung betrieben werden.

Diese Art der Analyse eignet sich sowohl für Entwürfe als auch für bestehende Maschinen. Sie zeigt, an welchen Stellen der Eingriff eines Akustikers nötig und sinnvoll ist. Treten im Schallflussplan mehrere hoch priorisierte Schallquellen auf, so stellt dies während der Entwurfsphase noch kein Problem dar, da zu diesem Zeitpunkt noch genügend Möglichkeiten zur Planung von Lärmminderungsmaßnahmen bestehen.

Davon ausgehend ist es insbesondere eine Aufgabe der Erfindung, die Geräusche in einem elektrischen Achsantrieb auf alternative und einfache Weise zu vermindern.

Die Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der nachfolgenden Beschreibung sowie der Figuren .

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird wenigstens ein Körperschall absorbierendes Element aus einem zellularen metallischen Werkstoff in einem Rotor und/oder im Bereich eines Lagersitzes einer elektrischen Maschine angeordnet. Somit kann eine Dämpfung von Schwingungen durch gestalterische, Fügemaßnahmen oder werkstofftechnische Maßnahmen erreicht werden. Das Körperschall absorbierende Element absorbiert Energie und leistet einen Beitrag zur Verbesserung des Gebrauchswertes der elektrischen Maschine .

Körperschalldämpfung bedeutet insbesondere eine Absorption der Schwingungsenergie durch thermische, magnetische oder atomare Umordnungen der Moleküle des aufgebrachten Dämpfungsmaterials. Eine Kenngröße für die Absorption von Körperschall ist der sogenannte„Verlustfaktor", welcher ein Maß für die Fähigkeit des betreffenden Materials ist, bei dynamischer Beanspruchung (insbesondere bei Biegeschwingungen) Energie zu absorbieren. Als Materialien zur Körperschalldämpfung für elektrische Maschinen eignen sich besonders zellulare metallische Werkstoffe, welche eine hohe Luftschalldämpfung und Körperschalldämpfung ermöglichen und sich somit als passive Dämpfungselemente in der Konstruktion der elektrischen Maschine bzw. des Rotors für die elektrische Maschine besonders ideal sind.

Bei den in einer Wirkungskette einer Struktur liegenden Bauteilen kann zwischen Kraftanregung und Geschwindigkeitsanregung unterschieden werden. Krafterregte Bauteile befinden sich typischerweise in einem geschlossenen Kraftfluss und werden durch elastische Verformungen zu Körperschallschwingungen angeregt (insbesondere ein Rotor und eine Rotorwelle einer elektrischen Maschine, siehe den Rotor für die elektrische Maschine gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung weiter unten) . Geschwindigkeitserregte Bauteile hingegen liegen außerhalb eines Kraftflusses. Es sind keine tragenden Teile. Sie sind jedoch mit Bauteilen im Kraftfluss gekoppelt und werden über eine Koppelstelle in Körperschallschwingungen versetzt (beispielsweise das Gehäuse einer elektrischen Maschine, insbesondere im Bereich von Lagern einer Rotorwelle der elektrischen Maschine; siehe die elekt- rische Maschine gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung) .

In der Praxis können sich krafterregte und geschwindigkeits ^¬ erregte Bauteile hinsichtlich ihrer Körperschallschwingungen gegenseitig beeinflussen, weshalb der Körperschall an seiner Ausbreitung innerhalb der Struktur so weit wie möglich gehindert werden sollte. Dies kann erreicht werden durch eine Körperschalldämmung und eine Körperschalldämpfung.

Mit den Mitteln zur Körperschalldämmung lässt sich in vielen Fällen die zur Lärmbekämpfung erwünschte Vermeidung der Körperschallausbreitung nicht erzielen, weil ohne Dämpfung die Energie nicht aufgezehrt wird. „

Eine Minderung der Körperschallübertragung durch Dämpfung setzt große innere Verluste in den verwendeten Materialien voraus. Körperschallenergie wird durch Reibung an Kontaktflächen oder durch innere Reibung der Materialien in Wärme umgewandelt. Auch hier gilt, dass die Körperschalldämpfung umso wirksamer ist, je dichter sie an der Entstehungsstelle erfolgt (beispielsweise im Rotor bzw. in der Rotorwelle und besonders dicht am Lager der Rotorwelle) .

In diesem Sinne wird gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ein Rotor für eine elektrische Maschine bereitgestellt. In den Rotor ist wenigstens ein Körperschall absorbierendes Element, z.B. in Gestalt eines Formkörpers, aus einem zellularen metallischen Werkstoff angeordnet.

In einer Ausführungsform umfasst der Rotor eine Rotorwelle mit einer Bohrung, wobei das Körperschall absorbierende Element innerhalb der Bohrung der Rotorwelle angeordnet ist. Bei der Bohrung kann es sich insbesondere um eine zentrische Bohrung handeln, welche sich in einer Längsrichtung der Rotorwelle erstreckt .

In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Rotor ein Rotorblechpaket mit wenigstens einer Nut, wobei das Körperschall absorbierende Element in der Nut des Rotorblechpakets angeordnet ist. Die wenigstens eine Nut kann sich insbesondere parallel zu einer Längsrichtung der Rotorwelle erstrecken. Insbesondere können mehrere Nuten vorgesehen sein, welche in einer Um- fangsrichtung voneinander bevorzugt äquidistant beabstandet sind.

In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Rotor einen ersten Wellenzapfen, einen zweiten Wellenzapfen, ein Rotorblechpaket und einen Träger für das Rotorblechpaket, wobei der Träger für das Rotorblechpaket zwischen dem ersten Wellenzapfen und dem zweiten Wellenzapfen angeordnet ist. Der Träger, der erste Wellenzapfen und der zweite Wellenzapfen können zwischen sich einen Hohlraum begrenzen, und das Körperschall absorbierende Element kann innerhalb des Hohlraums angeordnet sein.

Der zellulare metallische Werkstoff kann ein Metallschaum sein, insbesondere ein Aluminiumschaum. Der Metallschaum, insbesondere der Aluminiumschaum, weist strukturspezifische Ei- genschaften auf, die es ermöglichen, dass Verbundstrukturen mit verbesserter Steifigkeit, mit einem deutlich verbesserten Dämpfungsvermögen sowie mit der Möglichkeit zur kontrollierten Energieabsorption hergestellt werden können. Konstruktionen mit integriertem Aluminiumschaum sind weiterhin besonders leicht, absorbieren viel Energie und dämpfen besonders effektiv Vib ^¬ rationen und Geräusche. Das Einbringen bzw. Anordnen des Metallschaums, insbesondere des Aluminiumschaums, in Maschi ^¬ nenteile, welche Überträger bzw. Abstrahier von Körperschall sind, ermöglicht sowohl einen Leichtbau als auch eine

Schalldämpfung bzw. Vibrationsdämpfung.

Weiterhin kann der Metallschaum Hohlkugelstrukturen umfassen. Die Hohlkugelstrukturen können insbesondere metallisch sein. Der Metallschaum kann sich durch die Kombination von offener und geschlossener Porosität auszeichnen und die Hohlkugelstrukturen können durch kugelförmige Zellen mit exakt einstellbaren Zellendurchmessen und Zellwandstärken gebildet sein.

Die Hohlkugelstrukturen bieten die Möglichkeit, Schwingungs- energie aufzubrauchen. Sobald eine Wellenfront die Hohlku ^¬ gelschalen erreicht, beginnen die Kugelschalen, gegeneinander zu schwingen. Schwingungsenergie wird dabei durch Reibung und teilelastische Stöße in Wärme umgewandelt. Da bei der Kör ^¬ perschalldämpfung somit Schwingungsenergie durch innere Reibung in Wärme umgewandelt wird, kann auch von „innerer Dämpfung" gesprochen werden. Mit den Hohlkugelstrukturen wird eine hohe Körperschalldämpfung und Vibrationsdämpfung für schnell bewegte Maschinenteile, z.B. für den Rotor der elektrischen Maschine, und unter extremen Bedingungen ermöglicht. Die metallischen

Hohlkugelstrukturen können durch spezielle Technologien hergestellt und flexibel weiterverarbeitet werden. Sie können beispielsweise eingegossen werden, aber auch durch Kleben, Löten oder Sintern verbunden werden.

In einer Weiterbildung können in dem Inneren der vorstehend beschriebenen Hohlkugelstrukturen frei bewegliche Keramikpartikel vorliegen. In diesem Sinne kann in einer weiteren Ausführungsform der Metallschaum Hohlkugelstrukturen umfassen, welche mit Partikeln, insbesondere mit Keramikpartikeln, gefüllt sind. Die Partikel, insbesondere die Keramikpartikel, wirken als Schwingungsdämpfer. Gesinterte Einzelkugeln können in das Körperschall absorbierende Element (z.B. in Gestalt eines Formkörpers) gefüllt werden, und dort durch Kleben oder Löten fixiert werden. Die Weiterverarbeitung der Formkörper oder auch von einzelnen Hohlkugelstrukturen zu Sandwichstrukturen oder das Eingießen in Polymere oder Metalle ist ebenso möglich. Wenn ein Bauteil mit Partikeln gefüllten Hohlkugelstrukturen in

Schwingungen versetzt wird, leitet die Bewegung des Grundma- terials die Energie in die Partikelschüttung . Die Partikel werden von der Hohlraumwand weggeschleudert und übernehmen dabei die Schwingungsenergie. Durch Stöße und durch Reibung der Partikel wird die Bewegungsenergie in Wärme umgewandelt. Die so erreichten Dämpfungswerte können bei vergleichbarer Dichte ca. zehnmal so hoch sein wie diejenigen von Aluminiumschaum, welcher als schwingungsdämpfender Leichtbauwerkstoff verwendet werden kann (siehe weiter oben) . Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird eine elektrische Maschine bereitgestellt. Die elektrische Maschine umfasst eine Rotorwelle, zwei Wälzlager und jeweils einen Lagersitz für eines der zwei Wälzlager, wobei die Rotorwelle in den zwei Wälzlagern drehbar gelagert ist, und wobei im Bereich zumindest einer der zwei Lagersitze ein Körperschall absorbierendes Element aus einem zellularen metallischen Werkstoff angeordnet ist.

Der zellulare metallische Werkstoff kann ein Metallschaum sein, insbesondere ein Aluminiumschaum. Weiterhin kann der Metallschaum Hohlkugelstrukturen umfassen. In einer weiteren Ausführungsform umfasst der Metallschaum Hohlkugelstrukturen, welche mit Partikeln, insbesondere mit Keramikpartikeln, gefüllt sind. Bezüglich Effekten, Vorteilen und näheren Ausgestaltungen der in diesem Absatz beschriebenen Ausführungsformen wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf die obenstehenden Ausführungen im Zusammenhang mit dem Rotor nach dem ersten Aspekt der Erfindung verwiesen .

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der teilweise schematischen Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigt

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Darstellung eines be ^¬ kannten elektrischen Achsantriebs,

Fig. 2 eine Längsschnittdarstellung eines bekannten Rotors mit einer Rotorwelle und mit einem Rotorblechpaket,

Fig. 3 jeweils eine Längsschnittdarstellung eines

und 4 Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Rotors mit einem in eine Rotorwelle integrierten Körperschall absorbierenden Metallschaum, Fig. 5 eine Längsschnittdarstellung eines bekannten Rotors mit einer mehrteiligen Rotorwelle,

Fig. 6 jeweils eine Längsschnittdarstellung eines

und 7 Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Rotors mit einem in einen Hohlraum einer mehrteiligen Rotorwelle integrierten Körperschall absorbierenden Metallschäum, Fig. 8 jeweils eine Längsschnittdarstellung eines

und 9 Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Rotors mit einem in Nuten eines Rotorblechpakets integrierten Körperschall absorbierenden Metallschaum, Fig. 10 eine Längsschnittdarstellung eines Teils einer bekannten elektrischen Maschine mit einer Rotorwelle, einem Wälzlager und einem Gehäuse, welches einen Lagersitz für das Wälzlager bildet, Fig. 11 jeweils eine Längsschnittdarstellung eines

und 12 Teils eines Ausführungsbeispiels einer erfindungs ^¬ gemäßen elektrischen Maschine mit einem Körperschall absorbierenden Metallschaum im Bereich eines Lagersitzes,

Fig. 13 eine Längsschnittdarstellung eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine mit Körperschall absorbierendem Metallschaum im Bereich von Lagesitzen und im Inneren einer mehrteiligen Rotorwelle, und

Fig. 14 eine Längsschnittdarstellung eines Ausführungsbei ^¬ spiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine mit Körperschall absorbierendem Metallschaum im In- „

neren einer mehrteiligen Rotorwelle und in Nuten eines Rotorblechpakets .

Fig. 1 zeigt einen elektrischen Achsantrieb 1 eines Kraft- fahrzeugs 2. Der elektrische Achsantrieb 1 umfasst eine elektrische Maschine 3 mit einem Rotorblechpaket 4, mit einem Stator 5 und mit einer Rotorwelle 6. Der Stator 5 der elektrischen Maschine 3 ist über ein Aggregatslager 7 mit Federn und Dämpfern an ein Chassis 8 des Kraftfahrzeugs 2 gekoppelt. Die Rotorwelle 6 ist mit einem Getriebe 9 gekoppelt, welches über ein Ge ^¬ triebelager 10 mit einem Federelement an das Fahrzeug 2 gekoppelt ist .

Eine der Hauptsachen für Geräusche in dem elektrischen Achsantrieb 1 ist typischerweise die Ungleichförmigkeit des

Drehmoments in der elektrischen Maschine 3. Die Ungleichförmigkeit des Drehmoments in der elektrischen Maschine 3 ist bauartbedingt und kann durch die Auslegung der elektrischen Maschine 3 beeinflusst werden.

Die Ungleichförmigkeit des Drehmoments kann aber auch durch die Ansteuerung der elektrischen Maschine 3 entstehen, wenn z.B. aufgrund einer zu geringen Schaltfrequenz und einer geringen Streuinduktivität in der elektrischen Maschine 3 nennenswerte Oberschwingungsströme entstehen, welche Drehmomentschwankungen 11 verursachen können, die oftmals auch als sogenannte „Drehmomenttrippel" bezeichnet werden.

Die Ungleichförmigkeit des Drehmoments der elektrischen Maschine 3 kann auf verschiedene Arten zu einer Geräuschbildung beitragen. So kann beispielsweise der Drehmomenttrippel 11 über die Ro ^¬ torwelle 6 in das Getriebe 9 gelangen und dort Getriebegeräusche erzeugen. Weiterhin kann der Drehmomenttrippel 11 über das Aggregatslager 7 (bei nicht ausreichender Dämpfung) in das Chassis 8 des Fahrzeugs 2 gelangen und für eine Schwingungs ^¬ anregung sowie damit verbundene Geräusche sorgen. Außerdem kann auch ein Gehäuse 12 des Stators 5 (bei nicht ausreichender Dimensionierung) durch die umlaufenden Kraftquellen zu Kör- perschall 12 angeregt werden, welcher dann als Luftschall in Erscheinung treten kann.

Fig. 2 zeigt einen bekannten Rotor mit einer Rotorwelle 6 und mit einem Rotorblechpaket 4, welches drehfest auf der Rotorwelle 6 gelagert ist.

Fig. 3 und 4 zeigen jeweils einen erfindungsgemäßen Rotor mit einer Rotorwelle 6, welche eine zentrische Bohrung 14 umfasst, die sich in einer Längsrichtung L der Rotorwelle 6 erstreckt. Innerhalb der Bohrung 14 ist ein Körperschall absorbierendes Element 15 angeordnet, welches beispielsweise aus einem Me ^¬ tallschaum, insbesondere aus einem Aluminiumschaum, hergestellt sein kann. Fig. 5 zeigt einen bekannten Rotor, welcher einen ersten Wellenzapfen 16, einen zweiten Wellenzapfen 17, ein Rotorblechpaket 4 (magnetisch relevanter Bereich) und einen Träger 18 für das Rotorblechpaket 4 umfasst. Der Träger 18 ist in einer Längsrichtung L des Rotors zwischen dem ersten Wellenzapfen 16 und dem zweiten Wellenzapfen 17 angeordnet. Weiterhin begrenzen der Träger 18, der erste Wellenzapfen 16 und der zweite Wellenzapfen 17 zwischen sich einen Hohlraum 19. Ferner ist das Rotorblechpaket 4 drehfest auf dem Träger 18 gelagert. Fig. 6 und 7 zeigen jeweils einen erfindungsgemäßen Rotor, welcher den gleichen Grundaufbau wie der Rotor nach Fig. 5 aufweist. Erfindungsgemäß ist jedoch ein Körperschall absor ^¬ bierende Element 15 innerhalb des Hohlraums 19 des Rotors nach Fig. 6 bzw. 7 angeordnet, wobei das Element 15 beispielsweise aus einem Metallschaum, insbesondere aus einem Aluminiumschaum, hergestellt sein kann. Das Körperschall absorbierende Element 15 kann den Hohlraum 19 dabei vollständig ausfüllen. Fig. 8 und 9 zeigen jeweils einen erfindungsgemäßen Rotor mit einer Rotorwelle 6 und mit einem Rotorblechpaket 4, welches drehfest auf der Rotorwelle 6 gelagert ist. Das Rotorblechpaket 4 umfasst mehrere in Umfangsrichtung verteilte Nuten 20, welche in axialer Richtung L durch die einzelnen Bleche des Ro- torblechpakets 4 verlaufen. Jeweils ein Körperschall absor ^¬ bierendes Element 15 ist in einer der Nuten 20 angeordnet. Die Elemente 15 können beispielsweise aus einem Metallschaum, insbesondere aus einem Aluminiumschaum, hergestellt sein. Die Nuten 20 erstrecken sich in den durch Fig. 8 und 9 gezeigten Ausführungsbeispielen parallel zu einer Längsachse L der Rotorwelle 6.

Fig. 10 zeigt einen Teil einer bekannten elektrischen Maschine 21 mit einer Rotorwelle 6 und mit zwei Wälzlagern 22, von denen eines in Fig. 10 gezeigt ist. Die elektrische Maschine 21 umfasst ferner ein Gehäuse 23, welches zwei Lagersitze 24 bildet, von denen einer in Fig. 10 gezeigt ist. Die Rotorwelle 6 ist in den zwei Wälzlagern 22 drehbar gelagert, und die zwei Lagersitze 24 nehmen jeweils ein Wälzlager 22 auf.

Fig. 11 und 12 zeigen jeweils einen Teil einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 21, welche den gleichen Grundaufbau wie die elektrische Maschine nach Fig. 10 aufweist. Erfindungsgemäß ist jedoch jeweils ein Körperschall absorbierendes Element 15 aus einem zellularen metallischen Werkstoff im Bereich der zwei

Lagersitze 24 angeordnet (insbesondere kann das Element 15 um die zwei Lagersitze 24 herum angeformt sein) , wobei das Element 15 beispielsweise aus einem Metallschaum, insbesondere aus einem Aluminiumschaum, hergestellt sein kann. Fig. 13 zeigt eine weitere erfindungsgemäße elektrische Maschine 21. Ähnlich wie durch Fig. 11 und 12 gezeigt, ist jeweils ein Körperschall absorbierendes Element 15 aus einem zellularen metallischen Werkstoff im Bereich von zwei Lagersitzen 24 angeordnet. Ähnlich wie durch Fig. 6 und 7 gezeigt, ist weiterhin ein Körperschall absorbierendes Element 15 aus einem zellularen metallischen Werkstoff innerhalb eines Hohlraums 19 eines mehrteiligen Rotors angeordnet, welcher einen ersten Wellenzapfen 16, einen zweiten Wellenzapfen 17, ein Rotorblechpaket 4 und einen Träger 18 für das Rotorblechpaket 4 umfasst. Die Elemente 15 können beispielsweise aus einem Metallschaum, insbesondere aus einem Aluminiumschaum, hergestellt sein. Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 13 umfasst die elektrische Maschine 21 weiterhin einen Stator 25 und ein in die elektrische Maschine integriertes Getriebe 26, innerhalb welchem ebenfalls ein Körperschall absorbierendes Element 15 aus einem zellularen metallischen Werkstoff angeordnet sein kann.

Fig. 14 zeigt eine weitere erfindungsgemäße elektrische Maschine 21. Ähnlich wie durch Fig. 3 und 4 gezeigt, weist ein Rotor der elektrischen Maschine eine Rotorwelle 6 mit einer zentrischen Bohrung 14 auf, welche sich in einer Längsrichtung L der Rotorwelle 6 erstreckt. Innerhalb der Bohrung 14 ist ein Kör ^¬ perschall absorbierendes Element 15 angeordnet. Ähnlich wie durch Fig. 8 und 9 gezeigt, umfasst ein Rotorblechpaket 4 des Rotors mehrere in Umfangsrichtung verteilte Nuten 20, wobei jeweils ein Körperschall absorbierendes Element 15 in einer der Nuten 20 angeordnet ist. Die Elemente 15 können beispielsweise aus einem Metallschaum, insbesondere aus einem Aluminiumschaum, hergestellt sein. Gemäß dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 14 umfasst die elektrische Maschine 21 weiterhin ein flüssig- keitsgekühltes Gehäuse 23, einen Verschluss 27 des Ro ^¬ torblechpakets 4, einen Lagerschild 28 und einen Inverter 29. Der in den vorstehend beschriebenen Figuren gezeigte Metallschaum kann Hohlkugelstrukturen umfassen, insbesondere Hohlkugelstrukturen, welche mit Partikeln, z.B. mit Keramikpartikeln, gefüllt sind.