Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors für eine elektrische Maschine und eine elektrische Maschine.

Elektrische Maschinen sind allgemein bekannt und umfassen unter anderem einen Rotor. Der Rotor kann beispielsweise permanenterregt sein. Permanenterregte Rotoren weisen Permanentmagnete auf, durch die ein Magnetfeld erzeugt wird. Der Selbstanlauf von Rotoren mit Permanentmagneten ist allerdings aufwendig, ein Freilauf ist bei permanenterregten Rotoren in der Regel nicht realisierbar und sie enthalten oft Seltenerdmaterialien (z.B. Neodym), die starken Preisschwankungen unterliegen und kostenintensiv sind. Zusätzlich ist der Abbau der Seltenerdmaterialien oftmals mit Umweltschäden verbunden und generell können derartige Materialien den CO2-Fussabdruck des Rotors gegenüber alternativen Konzepten verschlechtern.

Diese Nachteile können durch fremderregte Rotoren zumindest teilweise gemindert werden. Diese weisen zumindest eine stromdurchflossene Induktivität auf, mittels der das entsprechende Magnetfeld erzeugt wird. Die Induktivität wird durch zumindest eine Wicklung mit mehreren Windungen realisiert. Bei hohen Drehzahlen (bis zu 30.000 Umdrehungen pro Minute) muss eine Bewegung der Windungen durch auftretende Zentrifugalkräfte relativ zueinander verhindert werden, damit die elektrische Isolierung der Windungen nicht beschädigt wird. Typischerweise kommen Vergussmaterialien zum Einsatz, mit denen die Windungen vergossen werden. Vergussanlagen werden genutzt, um die Vergussmaterialien in ein Innenvolumen des Rotors einzubringen. Anschließend wird eine Heizvorrichtung der Vergussanlage genutzt, um die Temperatur des Rotors und des Vergussmaterials zu erhöhen. Dabei wird der Rotor von einer Außenoberfläche aus erwärmt. Die Außenoberfläche wird derart erwärmt, dass sich ein Temperaturgradient in axialer Richtung des Rotors einstellt. Ausgehend von der Angussstelle, an der das Vergussmaterial eingebracht wird, erhöht sich die Temperatur mit zunehmender Entfernung von der Angussstelle. Sobald das Vergussmaterial die Geliertemperatur erreicht, beginnen die Moleküle des Vergussmaterials zu gelieren. In anderen Worten vernetzen die zuvor separaten Moleküle und bilden ein viskoelastisches Netz (Makromolekül). Aufgrund des Gelierens des Vergussmatenals tritt aber Schwund auf, also eine Volumenreduktion. Das Ziel des Temperaturgradienten ist es, diese Volumenreduktion durch zusätzliches Vergussmaterial zu kompensieren. Deshalb soll das Gelieren zunächst in von der Angussstelle entfernten Bereichen und erst nachfolgend in Bereichen nahe der Angussstelle auftreten. Denn die erhöhte Temperatur in den entfernten Bereichen ermöglicht eine verringerte Viskosität, wodurch die beim Schwund auftretenden Fehlstellen ausgefüllt und kompensiert werden sollen. Durch die hohe Eisen- und Kupfermasse des Rotors wird der Temperaturgradient allerdings sehr schnell vom Rotor ausgeglichen, wodurch ein kontrolliertes Gelieren in Bereichen, die eigentlich eine höhere Temperatur aufweisen sollen, relativ zu den Bereichen, die eigentlich eine niedrigere Temperatur aufweisen sollen, verhindert wird. Also tritt das Gelieren im Wesentlichen gleichzeitig auf, wodurch der Schwund nur unzureichend kompensiert wird. Es ergeben sich Risse und Fehlstellen, die mechanische Spannungen hervorrufen. Ein Auffüllen der Fehlstellen mit weiterem Vergussmaterial ist dann nicht mehr möglich, da das Vergussmaterial auch in Bereichen nahe der Angussstelle bereits erstarrt sind. Das erstarrte Material verhindert die Realisierung eines Anspritzkanals für das Vergussmaterial ausgehend von Einspritzöffnungen in der Außenoberfläche des Rotors zu den Fehlstellen in weiter innenliegenden Teilbereichen. Somit können die Fehlstellen nicht kompensiert werden. Durch die Fehlstellen wird aber die mechanische Stabilität der Vergussmasse im Innenvolumen des Rotors nachteilig beeinflusst. Auch kann dadurch die gewünschte mechanische Stabilisierung einzelner Komponenten des Rotors, wie beispielsweise der Windungen verhindert sein. Einerseits können die Windungen dann Beschädigungen erleiden, zum Beispiel Beschädigungen der elektrischen Isolierung der Windungen, andererseits kann die Drehzahlfestigkeit des Rotors für die im Betrieb genutzten hohen Drehzahlen vermindert sein.

Es besteht daher ein Bedürfnis ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors und eine elektrische Maschine bereitzustellen, mittels denen die Nachteile bekannter Ansätze ausgeräumt oder zumindest verringert werden können.

Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Patentansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, von denen jeder für sich oder in (Sub-)Kombination Aspekte der Offenbarung darstellen kann. Einige Aspekte werden im Hinblick auf Vorrichtungen und andere im Hinblick auf Verfahren erläutert. Die Merkmale sind aber wechselseitig zu übertragen.

Gemäß einem Aspekt wird ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors für eine elektrische Maschine bereitgestellt, insbesondere eine fremderregte elektrische Maschine (EESM). Das Verfahren erfolgt zumindest wie nachfolgend beschrieben:

Es wird ein Rotorpaket bereitgestellt. Das Rotorpaket weist zumindest einen Rotorkern, mehrere sich von dem Rotorkern in radialer Richtung erstreckende Rotorpole und zwischen den Rotorpolen angeordnete Verschlussleisten (auch Poltrenner genannt) auf. Die Rotorpole sind mit einer Spule umwickelt. Zwei Endabdeckungen sind in axial gegenüberliegenden Richtungen angrenzend an den Rotorkern und die Verschlussleisten derart angeordnet, dass ein Innenvolumen des Rotors zumindest durch die Rotorpole, die Verschlussleisten und die Endabdeckungen abgedichtet ist. Die Spule wird mit einem Strom derart beaufschlagt, dass eine zumindest lokale temporäre Temperaturerhöhung gewährleistet wird. Insbesondere kann eine Temperaturerhöhung des Rotorkerns oder der Rotorpole oder des Rotorkerns und der Rotorpole gewährleistet werden. Anschließend werden Hohlräume des Innenvolumens des Rotors mit einem Vergussmaterial ausgefüllt.

Gemäß dem Verfahren wird das Rotorpaket also nicht durch eine Heizvorrichtung von außen her erwärmt. Vielmehr wird die Temperatur des Rotorpakets durch die ohnehin vorhandene Spule eingestellt. Schleifkontakte im Bereich einer Welle des Rotors können zur Kontaktierung der Spule genutzt werden Es stellt sich deshalb ein Temperaturgradient ein, der ausgehend vom Bereich der Spule hin zur Außenoberfläche des Rotors abfällt. Folglich ist es im Bereich der Spule und damit in innenliegenden Teilbereichen des Innenvolumens des Rotors am heißesten, wohingegen außenliegende Teilbereiche des Innenvolumens generell eine niedrigere Temperatur aufweisen. Das hat zur Folge, dass das eingebrachte Vergussmaterial zunächst in den innenliegenden Teilbereichen des Innenvolumens geliert. Der dann auftretende Schwund verursacht zwar nach wie vor Fehlstellen, aber diese sind noch durch zusätzlich eingebrachtes Vergussmaterial kompensierbar. Denn in den außenliegenden Teilbereichen des Innenvolumens geliert das Vergussmaterial erst zu einem späteren Zeitpunkt. Folglich können noch Anspritzkanäle zu den jeweiligen Fehlstellen realisiert werden um die Volumenänderung (Schwund) durch zusätzliches Vergussmaterial zu kompensieren. Der Grad der Verfüllung des Innenvolumens des Rotors kann dadurch erheblich gesteigert werden. Zusätzlich kann ein mit dem Vergussmaterial ausgefülltes Innenvolumen des Rotors realisiert werden, das im Wesentlichen keine Fehlstellen mehr aufweist. Dadurch ist die mechanische Stabilisierung, die durch das erstarrte Vergussmaterial bereitgestellt wird, verbessert. Einerseits bewirkt dies eine verbesserte Stabilisierung der einzelnen Bauteile des Rotors, beispielsweise der Spule, andererseits wird dadurch die Drehzahlfestigkeit des Rotors insgesamt erhöht.

Bevorzugt ist der Strom der Spule zeitlich variabel. Dadurch können während des Ausfüllens des Innenvolumens des Rotors mit dem Vergussmaterial unterschiedliche Temperaturen und Temperaturgradienten eingestellt werden. Der Strom kann auch zeitlich variabel während des Gelierens des Vergussmaterials sein. Zusätzlich kann der Strom zeitlich variabel während des Aushärtens des Vergussmaterials sein, oder während mehrerer dieser Zeiträume. So können in einfacher Weise unterschiedliche Temperaturen und Temperaturgradienten eingestellt werden, je nach den situationsabhängig gewünschten T emperaturbedingungen.

Optional können auch verschiedene Abschnitte einer Wicklung des Rotors einzeln und unabhängig voneinander bestromt werden, um einen gewünschten Temperaturgradienten in dem Innenvolumen des Rotors zu gewährleisten. Beispielsweise kann die Wicklung mehrere Spulen umfassen, die optional einzeln bestromt werden können. Es können aber auch alle Spulen gemeinsam bestromt werden, also die gesamte Wicklung des Rotors.

Bevorzugt wird das Verfahren in einer Vergussanlage oder Rundtaktmaschine ausgeführt.

Alternativ oder kumulativ kann die Vergussanlage oder Rundtaktmaschine auch zumindest eine zusätzliche Heizvorrichtung umfassen. Auch kann die Vergussanlage oder Rundtaktmaschine zumindest eine Kühlvorrichtung umfassen. Die Heizvorrichtung oder Kühlvorrichtung können im Außenraum des Rotors angeordnet sein. Somit kann der sich im Rotor einstellende Temperaturgradient unabhängig von der Bestromung der Spule des Rotors zusätzlich beeinflusst werden. Beispielsweise kann die Temperatur der Außenoberfläche des Rotors abgesenkt werden, um einen Temperaturgradienten mit betragsmäßig größerer Steigung bereitzustellen. Auch kann vorgesehen sein, dass lediglich bestimmte Teilbereiche der Außenoberfläche des Rotors durch eine äußere Vorrichtung bezüglich ihrer Temperatur beeinflusst werden. Ferner können unterschiedliche Teilbereiche der Außenoberfläche des Rotors je nach den gewünschten Temperaturbedingungen auch unabhängig voneinander bezüglich ihrer Temperatur beeinflusst werden. So kann ein maßgeschneiderter Temperaturgradient erzielt werden, der eine optimale Ausfüllung der Hohlräume des Innenvolumens des Rotors gewährleistet.

Vorteilhaft umfasst das Vergussmaterial zumindest ein Duroplast. Dadurch wird ein Vergussmaterial bereitgestellt, dass nach der Erstarrung formstabil ist. Typischerweise entstehen beim Betrieb des Rotors, beispielsweise durch die Beaufschlagung der Spule mit einem Strom, Wärmemengen. Da das Vergussmaterial ein Duroplast umfasst, haben Temperaturschwankungen aber keine Auswirkung auf die Formstabilität, sobald das Vergussmaterial erstarrt ist.

Besonders bevorzugt weist das Vergussmaterial eine Viskosität auf, die temperaturabhängig ist solange das Vergussmaterial nicht ausgehärtet ist. Insbesondere kann das Vergussmaterial bei Raumtemperatur eine erste Viskosität aufweisen, die durch Erwärmung zumindest temporär abgesenkt werden kann. Dadurch wird die Fließfähigkeit (Fluidität) des Vergussmaterials erhöht.

Optional füllt das Vergussmaterial die Hohlräume des Innenvolumens entlang eines Anspritzkanals ausgehend von einer Einspritzöffnung für das Vergussmaterial aus. Teilbereiche des Rotorpakets entlang des Anspritzkanals weisen dabei ausgehend von der Einspritzöffnung zumindest temporär während des Ausfüllens mit dem Vergussmaterial eine zunehmende lokale Temperatur auf. Das bedeutet, dass sich die Temperatur des Vergussmaterials in Abhängigkeit der Entfernung von einer in einer Außenoberfläche angeordneten Einspritzungsöffnung erhöht. In anderen Worten, je weiter das Vergussmaterial in das Innenvolumen des Rotors eindringt, desto höher steigt seine Temperatur. Der Anspritzkanal für das Vergussmaterial ist also im Wesentlichen entgegengesetzt zum sich einstellenden Temperaturgradienten orientiert. Das heißt, dass das Rotorpaket lokal derart erwärmt wird, dass er im Bereich der Einspritzöffnungen eine niedrigere Temperatur aufweist als in übrigen Bereichen des Innenvolumens. Dadurch kann Einfluss auf die Viskosität des Vergussmaterials genommen werden. Zudem kann Einfluss darauf genommen werden, in welchen Teilbereichen der Schwund zuerst auftritt.

Optional umfassen die Endabdeckungen Einspritzöffnungen, durch die das Vergussmaterial in das Innenvolumen des Rotors eingespritzt werden kann. Beispielsweise können die Einspritzöffnungen in axialen Stirnflächen der Endabdeckungen vorgesehen sein.

In einer besonderen Ausgestaltung wird der Rotor temporär lokal derart erwärmt, dass eine Viskosität des Vergussmaterials beim Ausfüllen eines ersten Abschnitts des Innenvolumens geringer ist als beim Ausfüllen eines zweiten Abschnitts des Innenvolumens. Durch die Bestromung der Spule können zumindest temporär lokale Temperaturbedingungen erzeugt werden, die die Viskosität des Vergussmaterials derart beeinflussen, dass ein optimales Ausfüllen des Innenvolumens gewährleistet wird. Insbesondere kann so erreicht werden, dass das Vergussmaterial in entfernten Abschnitten (Teilbereichen) des Innenvolumens eine erhöhte Fließfähigkeit aufweist. Folglich kann es dann verbliebene Hohlräume des Innenvolumens besser erreichen. Ferner kann dann gewährleistet werden, dass die Gelierung des Vergussmaterials in von der Einspritzöffnung entfernten Abschnitten zuerst einsetzt. Dadurch tritt auch zuerst in diesen Abschnitten der Schwund auf. Der Anspritzkanal ist dann aber derart orientiert, dass die durch den Schwund verursachten Fehlstellen noch erreichbar sind. Folglich können die Fehlstellen durch zusätzlich eingebrachtes Vergussmaterial kompensiert werden. Vorteilhaft wird dabei auch gewährleistet, dass die Fließfähigkeit des Vergussmaterials in den Abschnitten, in denen der Schwund zuerst auftritt, am höchsten ist. Folglich kann das Vergussmaterial die Fehlstellen besonders effizient erreichen und ausfüllen. Die zuletzt in außenliegenden Abschnitten auftretenden Fehlstellen können als letztes durch zusätzlich eingebrachtes Vergussmaterial kompensiert werden.

Bevorzugt werden Teilbereiche (Abschnitte) des Rotorpakets zumindest temporär zunächst auf eine Vorwärmtemperatur und anschließend zumindest temporär auf eine Geliertemperatur des Vergussmaterials erwärmt. Die Vorwärmtemperatur kann eine Absenkung der Viskosität des eingebrachten Vergussmaterials ermöglichen. Die Vorwärmtemperatur ist insbesondere niedriger als die Geliertemperatur. So kann gewährleistet werden, dass die Viskosität des Vergussmaterials abgesenkt wird, ohne dass das Risiko des Einsetzens des Gelierprozesses des Vergussmaterials eingegangen wird.

Alternativ oder kumulativ wird eine Restgasatmosphäre aus dem Innenvolumen des Rotors abgepumpt, bevor das Vergussmaterial bereitgestellt wird. Dadurch wird in dem Innenvolumen des Rotors ein Unterdrück geschaffen, sodass das bereitgestellte Vergussmaterial hineingesogen wird, um sämtliche Hohlräume des Innenvolumens auszufüllen.

Optional wird das Vergussmaterial während des Ausfüllens der Hohlräume des Innenvolumens mit einem Überdruck relativ zu einem herrschenden Druck in den Hohlräumen des Innenvolumens eingespritzt. Das bedeutet, dass das Vergussmaterial in die Hohlräume des Innenvolumens eingepresst wird. Das Ausfüllen des Innenvolumens des Rotors kann dann als automatisches Druck- Gelierungsverfahren (ADG-Verfahren) angesehen werden. Jedoch ist von Bedeutung, dass der Temperaturgradient nicht aus Richtung einer Außenoberfläche des Rotors eingestellt wird, sondern aus innenliegenden Teilbereichen des Rotors, insbesondere ausgehend von der Spule des Rotors, im Allgemeinen von der Wicklung.

Optional wird das Vergussmaterial ausgehärtet. Das bedeutet, dass der Strom durch die Spule derart angepasst werden kann, dass eine Aushärtetemperatur des Vergussmaterials erreicht wird. Auch hier wird deutlich, dass der Vergussmaterial zunächst in innenliegenden Teilbereichen des Innenvolumens des Rotors aushärtet. Dadurch wird verhindert, dass bereits ausgehärtetes Vergussmaterial einen Anspritzkanal zu auftretenden Fehlstellen blockiert. Sind sämtliche Fehlstellen durch Vergussmaterial kompensiert und ist das Vergussmaterial sämtlich ausgehärtet, so sind sämtliche Bauteile des Rotors durch das Vergussmaterial mechanisch stabil miteinander gekoppelt. Folglich kann auch gewährleistet werden, dass die bei hohen Drehzahlen des Rotors auftretenden Zentrifugalkräfte keine Bewegungen von Windungen der Wicklung relativ zueinander bewirken können. Somit ist die filigrane elektrische Isolierung der Windungen vor Beschädigungen geschützt. Bevorzugt werden die Hohlräume des Innenvolumens des Rotors derart ausgefüllt, dass ein bei einem Erstarren des Vergussmaterials auftretender Schwund im Wesentlichen kompensiert wird. Insbesondere wird der auftretende Schwund durch zusätzliches Vergussmaterial ausgeglichen. Zum Ausgleich der durch den Schwund auftretenden Fehlstellen darf der Anspritzkanal ausgehend von der Einspritzöffnung in der Außenoberfläche des Rotors in Richtung der auszufüllenden Fehlstellen nicht blockiert sein. Deshalb wird der Temperaturgradient derart eingestellt, dass er entgegengesetzt zum Anspritzkanal orientiert ist. So können die Fehlstellen durch zusätzliches Vergussmaterial kompensiert werden. Insbesondere kann der Temperaturgradient zumindest teilweise entlang der radialen Richtung ausgebildet sein.

Durch den erzielbaren höheren Grad der Verfüllung des Innenvolumens wird auch die Wärmeleitung im Betrieb des Rotors verbessert. Denn das Vergussmaterial transportiert durch den Betrieb des Rotors in den Spulen entstehende Wärmemengen an eine Außenoberfläche des Rotors ab. An der Außenoberfläche kann ein Kühlmechanismus vorgesehen sein. Beispielsweise können in gegenüberliegenden axialen Richtungen angeordnete Stirnflächen des Rotors mit einer Kühlflüssigkeit beaufschlagt werden. Dadurch, dass die durch den Schwund auftretenden Fehlstellen durch zusätzliches Vergussmaterial kompensiert werden, ist der Grad der Verfüllung des Innenvolumens des Rotors erhöht. Folglich sind die Wärmeleiteigenschaften zum Abtransport der entstehenden Wärmemengen verbessert.

Das Vergussmaterial kann insbesondere ein Vergussharz umfassen, beispielsweise ein Epoxidharz.

Optional kann das Vergussmaterial einen Verbundwerkstoff mit einer Matrix, die durch das Vergussmaterial bereitgestellt wird, und einer darin zumindest teilweise eingebetteten Verstärkungskomponente umfassen.

Der Verbundwerkstoff kann einen Teilchenverbundwerkstoff umfassen.

Alternativ kann der Verbundwerkstoff auch einen Faserverbundwerkstoff aufweisen.

Auch hybride Verbundwerkstoffe der genannten Werkstoffarten sind denkbar.

Solche Verbundwerkstoffe stellen mittels der umfassten Teilchen oder Fasern eine verbesserte mechanische Stabilität gegenüber herkömmlichen Vergussmaterialien bereit. Zudem sind sie verhältnismäßig kostengünstig und einfach zu verarbeiten.

Ferner können das Material der Matrix und das Material der Verstärkungskomponente insbesondere ähnliche Wärmeausdehnungskoeffizienten umfassen. Dann führen Temperaturschwankungen nicht zu mechanischen Spannungen zwischen der Matrix und der Verstärkungskomponente.

Auch kann zumindest das Vergussmaterial oder zumindest eines der Materialien der Matrix und der Verstärkungskomponente, bevorzugt beide, eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Dann können in oder an dem Rotorkern oder den Rotorpolen erzeugte Wärmemengen effektiv durch das Vergussmaterial, die Matrix oder die Verstärkungskomponente oder mehrere davon an eine Außenoberfläche des Rotors geleitet werden, beispielsweise eine Außenoberfläche der jeweiligen Endabdeckung. Dort kann ein Kühlmechanismus vorgesehen sein. Beispielsweise kann der Rotor stirnseitig mit Kühlflüssigkeit beaufschlagt werden. Derartige Wärmemengen entstehen beispielsweise durch die Bestromung der Spule, die die Rotorpole umgibt.

Das Vergussmaterial, bzw. der Verbundwerkstoff, kann auch Additive umfassen, um die Eigenschaften in gewünschter Weise einzustellen, beispielsweise Additive, die die Wärmeleitfähigkeit erhöhen.

Bevorzugt weisen der Rotorkern und die Rotorpole geschichtete Elektrobleche auf. Die einzelnen Lagen des Elektroblechs sind dabei gegeneinander elektrisch isoliert. Dadurch wird das Auftreten von Wirbelströmen im Wesentlichen vermieden. Derartige Wirbelströme können bei einem einstückig hergestellten Rotorkern und einstückig hergestellten Rotorpolen beispielsweise durch die Spule induziert werden, mit deren Windungen üblicherweise die einzelnen Rotorpole umwickelt sind. Die Windungen können mehrere Spulen der Wicklung ausbilden. Jeweils eine Spule kann einem Rotorpol zugeordnet sein.

In einer Ausgestaltung sind die Endabdeckungen mit dem Rotorkern mechanisch gekoppelt. Alternativ oder kumulativ können die Endabdeckungen auch mit den Rotorpolen mechanisch gekoppelt sein.

Ferner können die Endabdeckungen auch mit einer Rotorwelle mechanisch gekoppelt sein. Die mechanische Kopplung ermöglicht eine Fixierung der Position der Endabdeckungen. Somit wird ein guter mechanischer Kontakt zwischen dem Rotorkern und den Endabdeckungen gewährleistet. Der gute mechanische Kontakt geht mit guten Wärmeleiteigenschaften einher. Beispielsweise können ein oder mehrere Zuganker oder Bajonettverschlüsse zum Einsatz kommen, um die Position der Endabdeckungen festzulegen. Auch ist eine Klemmverbindung mittels eines Schrumpfsitzes möglich.

Ein erster Abschnitt kann radial näher an der Welle liegen, als ein zweiter Abschnitt. Der erste Abschnitt liegt folglich weiter innen.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Rotor für eine elektrische Maschine, insbesondere eine EESM bereitgestellt. Der Rotor kann nach dem zuvor beschriebenen Verfahren hergestellt sein. So wird ein Rotor geschaffen, dessen Hohlräume des Innenvolumens im Wesentlichen gänzlich (nahe 100%) mit dem Vergussmaterial ausgefüllt ist, der verbesserte Wärmeleiteigenschaften aufweist, der eine verbesserte Drehzahlfestigkeit aufweist und dessen Bauteilkomponenten in verbesserter Weise gegen Beschädigungen durch die im Betrieb des Rotors auftretenden Zentrifugalkräfte geschützt sind.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird auch eine elektrische Maschine bereitgestellt, insbesondere eine EESM. Die elektrische Maschine weist einen Rotor auf, der nach dem Verfahren wie zuvor beschrieben hergestellt ist.

Gemäß einem weiteren Aspekt wird auch ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug bereitgestellt, das eine elektrische Maschine wie zuvor beschrieben umfasst.

Im Sinne der vorliegenden Erfindung können zumindest teilweise elektrisch angetriebene Fahrzeuge insbesondere Landfahrzeuge umfassen, nämlich unter anderem Elektroroller, E-Scooter, Zweiräder, Motorräder, Dreiräder, Trikes, Quads, Gelände- und Straßenfahrzeuge wie Personenkraftwagen, Busse, Lastkraftwagen, Traktoren und andere Nutzfahrzeuge, Schienenfahrzeuge (Bahnen), aber auch Wasserfahrzeuge (Boote) und Luftfahrzeuge wie Hubschrauber, Multicopter, Propellerflugzeuge und Strahlflugzeuge, welche zumindest einen dem Vortrieb des Fahrzeugs dienenden Elektromotor und zumindest eine Energiespeichervorrichtung aufweisen. Fahrzeuge können bemannt oder unbemannt sein. Neben reinen Elektrofahrzeugen (BEV) können auch Plug-In-Hybride (PHEV) und Brennstoffzellenfahrzeuge (FCEV) umfasst sein.

Sämtliche im Hinblick auf die verschiedenen Aspekte erläuterten Merkmale sind einzeln oder in (Sub-)Kombination mit anderen Aspekten kombinierbar.

Die Offenbarung sowie weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen derselben werden im Folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Beispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine vereinfachte schematische Schnittansicht von Teilen des Rotors in einer Vergussanlage,

Fig. 2 eine vereinfachte schematische Darstellung eines Verfahrens zum Herstellen des Rotors,

Fig. 3 eine vereinfachte schematische Darstellung von Teilen des Rotors in einer Vergussanlage,

Fig. 4 eine vereinfachte schematische Darstellung von Parametern beim Herstellen des Rotors,

Fig. 5 eine vereinfachte schematische Darstellung einer elektrischen Maschine, und

Fig. 6 eine vereinfachte schematische Darstellung eines zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugs mit einer elektrischen Maschine.

Alle nachstehend in Bezug auf die Ausführungsbeispiele und/oder die begleitenden Figuren offengelegten Merkmale können allein oder in einer beliebigen Unterkombination mit Merkmalen der Aspekte der vorliegenden Offenbarung, einschließlich Merkmalen bevorzugter Ausführungsformen, kombiniert werden, vorausgesetzt, die sich ergebende Merkmalskombination ist für einen Fachmann auf dem Gebiet der Technik sinnvoll. Für die Zwecke der vorliegenden Offenbarung bedeutet die Formulierung "mindestens eines von A, B und C" beispielsweise (A), (B), (C), (A und B), (A und C), (B und C) oder (A, B und C), einschließlich aller weiteren möglichen Kombinationen, wenn mehr als drei Elemente aufgeführt sind. Mit anderen Worten, der Begriff "mindestens eines von A und B" bedeutet im Allgemeinen "A und/oder B", nämlich "A" allein, "B" allein oder "A und B".

Figur 1 zeigt eine vereinfachte schematische Schnittansicht von Teilen des Rotors 10 in einer Vergussanlage 12 entsprecht der Schnittlinie X-X (siehe Figur 3).

Das Rotorpaket 14 des Rotors 10 umfasst einen Rotorkern 16, der ein Durchgangsloch aufweist, in dem eine Welle 18 angeordnet ist. Hier ist die Welle 18 aber zur besseren Sichtbarkeit der übrigen Merkmale nicht gezeigt. Durch die Welle 18 sind die axiale Richtung, die radiale Richtung und die Umfangsrichtung des Rotors 10 festgelegt. Der Rotorkern 16 ist mit der Welle 18 mechanisch gekoppelt, beispielsweise durch einen Schrumpfsitz.

Mit Bezug auf die in Figur 3 gezeigte axial stirnseitige Seitenansicht auf den Rotor 10 umfasst das Rotorpaket 14 Rotorpole 20 mit Polabschnitten 22, die Polflächen 24 aufweisen. Vorliegend umfasst der Rotor 10 sechs Rotorpole 20. Andere Geometrien sind aber ebenso denkbar. Der Rotorkern 16 und die Rotorpole 20 sind aus geschichteten, gegeneinander elektrisch isolierten Elektroblechen gebildet. Zwischen den Rotorpolen 20 sind Zwischenräume 26 ausgebildet, die in radialer Richtung durch Verschlussleisten 28 verschlossen werden. Die Verschlussleisten 28 sind zwischen den Polabschnitten 22 von benachbarten Rotorpolen 20 angeordnet.

Die Figuren 1 und 3 zeigen zudem, dass die Rotorpole 20 zumindest teilweise mit einer Spule 30 umwickelt sind. Die Spule 30 umfasst Spulenköpfe 31 die die Rotorpole 20 in gegenüberliegenden axialen Richtungen stirnseitig im Bereich der Auflageflächen 32 umgeben. Die Spule 30 verläuft zumindest teilweise entlang der axialen Richtung in den Zwischenräumen 26. Die Spule 30 kann über Schleifkontakte im Bereich der Welle 18 kontaktierbar sein, um diese mit einem Strom zu beaufschlagen. Die einzelnen Windungen 34 der Spule 30 könnten sich im Betrieb des Rotors 10 generell durch die auftretenden Zentrifugalkräfte relativ zueinander bewegen. Dadurch könnte die elektrische Isolierung der Windungen 34 beschädigt werden, wodurch verkürzte elektrische Pfade auftreten könnten. Dies hätte eine Änderung des erzeugten Magnetfelds zur Folge oder würde eine geänderte Bestromung erfordern. Um dies zu verhindern, wird ein Innenvolumen 36 des Rotors 10 mit einem Vergussmaterial 38 ausgefüllt. Dadurch können die Windungen 34 und die Spule 30 insgesamt mechanisch stabilisiert werden, wenn das Vergussmaterial erstarrt ist. Dann können auftretende Zentrifugalkräfte keine Relativbewegung der Windungen 34 mehr verursachen.

Damit das Innenvolumen 36 des Rotorpakets 14 gegenüber einem Außenraum abgedichtet werden kann, wird das Rotorpaket 14 in gegenüberliegenden axialen Richtungen durch jeweils eine Endabdeckung 40 abgeschlossen. In Figur 3 ist die Endabdeckung 40 zur besseren Sichtbarkeit der übrigen Komponenten des Rotors 10 nicht gezeigt. Wiederum bezugnehmend auf Figur 1 umfasst die Endabdeckung 40 ein zentrales Durchgangsloch 42, in dem die Welle 18 angeordnet ist. Die Endabdeckung 40 weist zudem in der axialen außenliegenden Stirnfläche 44 Einspritzöffnungen 46 zum Einbringen des Vergussmaterials 38 in das Innenvolumen 36 des Rotors 10 auf. Ein radial außenliegender Wandabschnitt 48 ist vorgesehen, damit die Endabdeckung 40 Teile des Innenvolumens 36 des Rotors 10 überdecken kann, beispielsweise die Spule 30. Mittels des Wandabschnitts 48 wird die jeweilige Endabdeckung 40 an dem Rotorpaket 14 angebracht. Die Endabdeckungen 40 werden typischerweise an dem Rotorpaket 14 mechanisch fest montiert, beispielsweise durch Zuganker oder einen Bajonettverschluss. Alternativ oder kumulativ können die Endabdeckungen 40 ebenfalls an der Welle 18 montiert werden, beispielsweise durch einen Schrumpfsitz. Insgesamt werden zwei Endabdeckungen 40 aus gegenüberliegenden axialen Richtungen an dem Rotorpaket 14 montiert. Dadurch ist das Innenvolumen 36 des Rotors 10 zumindest durch die Rotorpole 20, die Verschlussleisten 28 und zumindest die Endabdeckungen 40 abgedichtet. Je nach Ausführung können auch der Rotorkern 16 und die Welle 18 zur Abdichtung des Innenvolumens 36 beitragen. Die Einspritzöffnungen 46 der Endabdeckungen 40 sind insofern in einer Außenoberfläche 50 des Rotors 10 angeordnet und ermöglichen dann generell den Eintritt des Vergussmaterials 38 in das Innenvolumen 36.

Die Vergussanlage 12 kann entsprechende Zuführleitungen für das Vergussmaterial 38 aufweisen. Zudem umfasst die Vergussanlage 12 entsprechend der Ausgestaltung der Figur 3 lokal positionierbare Heizvorrichtungen 52 und Kühlvorrichtungen 54.

Figur 2 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines Verfahrens 56 zum Herstellen des Rotors 10. Optionale Schritte sind gestrichelt dargestellt.

Im Schritt 58 wird ein Rotorpaket 14 in einer Vergussanlage 12 bereitgestellt, wobei das Rotorpaket 14 zumindest einen Rotorkern 16, mehrere sich von dem Rotorkern 16 in radialer Richtung erstreckende Rotorpole 20 und zwischen den Rotorpolen 20 angeordnete Verschlussleisten 28 aufweist. Die Rotorpole 20 sind mit einer Spule 30 umwickelt. Zwei Endabdeckungen 40 sind in axial gegenüberliegenden Richtungen angrenzend an den Rotorkern 16 und die Verschlussleisten 28 derart angeordnet, dass ein Innenvolumen 36 des Rotors 10 durch die Rotorpole 20, die Verschlussleisten 28 und die Endabdeckungen 40 abgedichtet ist.

Anschließend wird die Spule 30 im Schritt 60 mit einem Strom derart beaufschlagt, dass eine zumindest lokale temporäre Temperaturerhöhung gewährleistet wird. Insbesondere kann eine Temperaturerhöhung des Rotorkerns 16 gewährleistet werden. Alternativ oder kumulativ kann auch eine Temperaturerhöhung der Rotorpole 20 gewährleistet werden. Die Spule 30 kann beispielsweise über Schleifkontakte im Bereich der Welle 18 mit einer Spannung beaufschlagt werden. In anderen Worten, es werden also innenliegende Teilbereiche des Innenvolumens 36 des Rotors 10 durch die Bestromung der Spule 30 erwärmt. Dadurch stellt sich ein nach außen hin abfallender Temperaturgradient ein. Dies ist in den Figuren 1 und 3 schematisch durch den Pfeil 62 angedeutet. Im Bereich der Rotorpole 20 verläuft der Temperaturgradient im Wesentlichen in radialer Richtung des Rotors 10. Im Bereich der Endabdeckungen 40 ergibt sich ein Temperaturgradient, der außengehend von der axialen Richtung der Welle 18 mit zunehmendem Abstand von der Drehachse in Richtung der radialen Richtung schwenkt. Im Schritt 64 werden Hohlräume des Innenvolumens 36 des Rotors 10 mit einem Vergussmaterial 38 ausgefüllt. Es ergibt sich ein Anspritzkanal 66 ausgehend von den Einspritzöffnungen 46 in den Endabdeckungen 40. Der Anspritzkanal 66 repräsentiert im Wesentlichen die Ausbreitungsrichtung des eingebrachten Vergussmaterials 38. Der Anspritzkanal 66 weist eine Richtung auf (Pfeil 68), die im Wesentlichen entgegengesetzt zur Richtung 62 des Temperaturgradienten (in Richtung der abfallenden Temperatur) ausgebildet ist. Während der Temperaturgradient im Bereich der Rotorpole 20 eine radial nach außen orientierte Richtung 62 aufweist, ist die Richtung 68 des Anspritzkanals 66 radial nach innen orientiert. Dadurch wird die Möglichkeit geschaffen, die Hohlräume des Innenvolumens 36 des Rotors 10 mit einem höheren Verfüllungsgrad auszufüllen.

Das Verfahren 56 kann ferner weitergebildet werden, indem im optionalen Schritt 70 eine Restgasatmosphäre aus dem Innenvolumen 36 des Rotors 10 abgepumpt wird, bevor das Vergussmaterial 38 bereitgestellt wird. Dadurch kann ein Sogeffekt erzielt werden, der das Vergussmaterial 38 in sämtliche Hohlräume des Innenvolumens 36 zieht. Beispielsweise kann das Vergussmaterial 38 so auch mittels des Kapillareffekts in die Zwischenräume zwischen den Windungen 34 der Spule 30 gesogen werden. Folglich können alle Hohlräume des Innenvolumens 36 mit dem Vergussmaterial 38 ausgefüllt werden.

Das Verfahren 56 kann auch weitergebildet werden, indem im optionalen Schritt 72 die Spule 30 derart mit einem Strom beaufschlagt wird, dass Teilbereiche des Innenvolumens 36 auf eine Vorwärmtemperatur TV für ein erstes Zeitintervall t1 erwärmt werden.

In diesem Zusammenhang zeigt Figur 4 eine vereinfachte schematische Darstellung von Parametern beim Herstellen des Rotors 10. Auf der Ordinate 74 sind die Temperatur T (gepunktete Kurve), die Viskosität V (Strichkurve) und der Grad der Vernetzung GN (gestrichelte Kurve) gegenüber der Zeit t auf der Abszisse 76 schematisch dargestellt. Ausgehend von der Raumtemperatur RT wird der Strom durch die Spule 30 erhöht, um Teile des Rotors 10 auf die Vorwärmtemperatur TV zu erwärmen. Dadurch wird die Viskosität V des Vergussmaterial 38 beeinflusst. Ausgehend von der Viskosität bei Raumtemperatur V-RT wird die Viskosität V bei der Vorwärmtemperatur TV auf eine reduzierte Viskosität VF abgesenkt. Die Fließfähigkeit des Vergussmatenals 38 wird also erhöht. Eine Vernetzung der Moleküle des Vergussmatenals 38 findet zu diesem Zeitpunkt noch nicht statt. Deshalb ist der Grad der Vernetzung GN gleichbleibend null.

Optional kann das Verfahren 56 weitergebildet werden, in dem im Schritt 78 die Spule 30 derart mit einem Strom beaufschlagt wird, dass Teilbereiche des Innenvolumens 36 auf eine Geliertemperatur TG des Vergussmatenals 38 für ein zweites Zeitintervall t2 erwärmt werden. Bei der Gelierung des Vergussmatenals 38 vernetzen die zuvor separaten Moleküle des Vergussmatenals 38 und bilden ein viskoelastisches Netz aus (Makromolekül). Das hat zur Folge, dass die Viskosität V des Vergussmatenals 38 drastisch erhöht wird, auf die Gelier- Viskosität VG. Das bedeutet, dass die Fließfähigkeit des Vergussmaterial 38 sinkt. Mit dem eintretenden Gelierprozess steigt der Grad der Vernetzung GN entsprechend der Kurve 80. Die Vernetzung der zuvor separaten Moleküle des Vergussmatenals 38 geht mit einer Volumenreduktion einher. In anderen Worten, ein Schwund tritt in den Bereichen auf, in denen das Vergussmaterial 38 geliert. Durch den Schwund treten Fehlstellen im Vergussmaterial 38 im Innenvolumen 36 des Rotors 10 auf. Dies können beispielsweise Risse oder Hohlräume sein. Dadurch können mechanische Spannungen auftreten. Zudem wäre so die Drehzahlfestigkeit des Rotors 10 herabgesetzt. Außerdem wären die einzelnen Bauteile des Rotors 10 nicht vollumfänglich mit dem Vergussmaterial 38 vergossen.

Deshalb kann das Verfahren 56 den optionalen Schritt 82 aufweisen, in dem ein bei einem Erstarren des Vergussmatenals 38 auftretender Schwund im Wesentlichen kompensiert wird. Insbesondere kann der auftretende Schwund durch zusätzliches Vergussmaterial 38 ausgeglichen werden. Hier ist von Bedeutung, dass der Temperaturgradient entlang einer Richtung 62 orientiert ist, die im Wesentlichen entgegengesetzt zur Richtung 68 des Anspritzkanals 66 orientiert ist. Zur bedarfsgerechten Einstellung des Temperaturgradienten können weitere Heizvorrichtungen 52 oder Kühlvorrichtungen 54 der Vergussanlage 12 genutzt werden.

So wird gewährleistet, dass Vergussmaterial 38, welches durch die Einspritzungsöffnungen 46 in das Innenvolumen 36 des Rotors 10 eingebracht wird, nicht gleich im Bereich der Einspritzöffnungen 46 geliert und den Anspritzkanal 66 blockiert. Da die in den innenliegenden Teilbereichen des Innenvolumens 36 angeordnete Spule 30 zur Temperaturerhöhung genutzt wird, wird somit die Möglichkeit geschaffen, den Schwund, der in den innenliegenden Bereichen nahe der Spule 30 zuerst auftritt, durch zusätzliches Vergussmaterial 38 zu kompensieren. Vorteilhaft wird dabei die Viskosität des Vergussmaterials 38 entlang des Anspritzkanals 66 durch die lokal zunehmende Temperatur herabgesetzt. In anderen Worten wird die Fließfähigkeit des Vergussmaterials 38 entlang des Anspritzkanals 66 erhöht, sodass es die durch den Schwund verursachten Fehlstellen effizient erreichen und ausfüllen kann.

Abschließend kann das Verfahren 56 durch den optionalen Schritt 84 weitergebildet werden. Dann wird die Temperatur T auf die Aushärtetemperatur TH für ein drittes Zeitintervall t3 erhöht, um das Vergussmaterial 38 zumindest lokal auszuhärten. Sollte bereits das komplette Innenvolumen 36 des Rotors 10 mit Vergussmaterial 38 gefüllt sein und der entsprechende Schwund kompensiert sein, so kann auch das gesamte Vergussmaterial 38 auf einmal ausgehärtet werden. Die Viskosität V des Vergussmaterials 38 steigt dann exponentiell an. Der Grad der Vernetzung GN nähert sich also asymptotisch einer 100%-igen Vernetzung GN-MAX.

Figur 4 zeigt lediglich beispielhafte Verläufe der Temperatur, der Viskosität und des Grads der Vernetzung. Insbesondere die Temperaturniveaus, die Temperaturänderungen und die zugrundeliegenden Zeitintervalle können angepasst werden, um den Grad der Verfüllung des Innenvolumens 36 zu optimieren.

Vorzugsweise umfasst das Vergussmaterial 38 ein Duroplast. Nach dem Erstarren des Vergussmaterial 38 können dann nachfolgende Temperaturerhöhungen, beispielsweise beim Betrieb des Rotors 10, keine erneute Zunahme der Fließfähigkeit des Vergussmaterials 38 bewirken. Dadurch ist die mechanische Stabilisierung des Innenvolumens 36 des Rotors 10 dauerhaft gewährleistet. Dabei ist der Grad der Verfüllung des Innenvolumens 36 gegenüber bisherigen Ansätzen, die eine Beeinflussung der Temperatur ausschließlich durch äußere Heizvorrichtungen vorsehen, vorteilhaft erhöht. So entstehen weniger mechanische Spannungen und die Bauteile des Rotors 10 sind besser stabilisiert. Folglich sind beispielsweise die Windungen 34 der Spule 30 besser vor Beschädigungen geschützt.

Optional kann das Vergussmaterial 38 im Schritt 64 und im Schritt 82 mit einem Überdruck relativ zum herrschenden Druck im Innenvolumen 36 des Rotors 10 eingespritzt werden. Dadurch kann gewährleistet werden, dass das Vergussmaterial 38 sämtliche Hohlräume des Innenvolumens 36 erreicht. Somit wird ein Verfahren zum Ausfüllen des Innenvolumens 36 mit dem Vergussmaterial 38 im Sinne eines ADG-Verfahrens bereitgestellt.

Figur 5 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung einer elektrischen Maschine 86. Der Rotor 10 ist um die Welle 18 angeordnet und von dem Stator 88 umgeben. Der Rotor 10 kann insbesondere ein fremderregter Rotor sein. Insofern kann es sich bei der elektrischen Maschine 86 um eine fremderregte elektrische Maschine handeln. Die Spule 30 kann dann über Schleifkontakte im Bereich der Welle 18 mit einer Spannung beaufschlagt werden. Dadurch können Magnetfelder erzeugt werden, die einen Antrieb der Welle 18 bereitstellen.

Figur 6 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugs 90 mit einer elektrischen Maschine 86. Die elektrische Maschine 86 ist vorliegend mit Antriebsrädern 92 des Fahrzeugs 90 gekoppelt. Andere Verwendungen der elektrischen Maschine 86 sind ebenfalls denkbar, beispielsweise in Servoantrieben des Fahrzeugs 90.

In der vorliegenden Anmeldung kann auf Mengen und Zahlen Bezug genommen werden. Sofern nicht ausdrücklich angegeben, sind solche Mengen und Zahlen nicht als einschränkend zu betrachten, sondern als Beispiele für die möglichen Mengen oder Zahlen im Zusammenhang mit der vorliegenden Anmeldung. In diesem Zusammenhang kann in der vorliegenden Anmeldung auch der Begriff "Mehrzahl" verwendet werden, um auf eine Menge oder Zahl zu verweisen. In diesem Zusammenhang ist mit dem Begriff "Mehrzahl" jede Zahl gemeint, die größer als eins ist, z. B. zwei, drei, vier, fünf, usw. Die Begriffe "etwa", "ungefähr", "nahe" usw. bedeuten plus oder minus 5 % des angegebenen Wertes.

Obwohl die Offenbarung in Bezug auf eine oder mehrere Ausführungsformen dargestellt und beschrieben wurde, wird der Fachmann nach dem Lesen und Verstehen dieser Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen gleichwertige Änderungen und Modifikationen vornehmen können.