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Die Erfindung betrifft einen Rotor einer elektrischen Maschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Die gattungsgemäße Schrift
DE 102004060379 A1 beschreibt einen Rotor einer elektrischen Maschine mit Permanentmagneten, Rotorkern und Rotorträger, die miteinander vergossen sind. Die Permanentmagnete sind durch eine Vergussmasse mit dem Rotorkern fest verbunden. Der Rotorträger ist als Rotorwelle ausgeführt, die fest mit dem Rotorkern verbunden ist. Als Vergussmasse wird insbesondere Epoxidharz verwendet, welches bei niedrigen Temperaturen verarbeitbar.
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Zur Stabilisierung der Vergussmasse und des Rotors ist die Vergussmasse von einer Bandage umgeben.
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Dem gegenüber ist es die Aufgabe der Erfindung, einen Rotor für eine elektrische Maschine vorzuschlagen, der einfach und kostengünstig auch bei hohen Verarbeitungstemperaturen einer Vergussmasse herzustellen ist.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Rotor einer elektrischen Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß verfügt der Rotor über einen Rotorträger, einen Rotorkern und einen Permanentmagneten mit thermischer Isolationsschicht, die miteinander vergossen sind. Die thermische Isolationsschicht ist derart ausgestaltet, dass eine maximale Temperatur des Permanentmagneten beim Vergießen mit einer metallischen Vergussmasse immer kleiner als eine kritische Belastungstemperatur des Permanentmagneten ist.
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Permanentmagnete, insbesondere aus gesintertem Material, haben eine kritische Belastungstemperatur, oberhalb der sich strukturellen Defekte des Permanentmagneten ergeben.
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Bei einer Temperatur des Permanentmagneten oberhalb eines eutektischen Punktes, beginnt der Permanentmagnet zu schmelzen.
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Die thermische Isolationsschicht um den Permanentmagneten ermöglicht es, eine Vergussmasse mit hoher Verarbeitungstemperatur zu verwenden, da die thermische Isolationsschicht die Temperatur des Permanentmagneten gegenüber der Verarbeitungstemperatur der Vergussmasse abschirmt.
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Nach dem Vergießen des Rotors mit der Vergussmasse bei der Verarbeitungstemperatur sinkt die Temperatur der Vergussmasse schneller unter die kritische Belastungstemperatur des Permanentmagneten als der Wärmeübertrag durch die thermische Isolationsschicht die Temperatur des Permanentmagneten ansteigen lässt, so dass die Temperatur des Permanentmagneten beim Vergießen mit der Vergussmasse nie über die kritische Belastungstemperatur des Permanentmagneten ansteigt.
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Eine Ausgestaltung der thermischen Isolationsschicht des Permanentmagneten, insbesondere deren Dicke, ist abhängig von der Wärmeleitfähigkeit des Isolationsmateriales, der kritischen Belastungstemperatur des Permanentmagneten, der Verarbeitungstemperatur der Vergussmasse und der Abkühldauer der Vergussmasse unter die kritische Belastungstemperatur des Permanentmagneten nach dem Vergießen. Die thermische Isolationsschicht ist insbesondere derart ausgestaltet, dass eine metallische Vergussmasse, deren Schmelztemperatur oberhalb einer kritischen Belastungstemperatur eines Permanentmagneten liegt, als Vergussmasse verwendbar ist ohne dass der Permanentmagnet beim Vergießen beschädigt wird. So ist insbesondere auch ein Stahlverguss von aktuell bekannten gesinterten Permanentmagneten mit niedriger Belastungstemperatur möglich.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des Rotors verfügt der Rotorkern über ein Einzelsegment. Das Einzelsegment ist derart ausgestaltet, dass das Einzelsegment durch das Vergießen mit der Vergussmasse fest mit dem Rotorträger verbunden ist.
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Verfügt der Rotorkern über mehrere Einzelsegmente sind vorteilhaft alle Einzelsegmente gleich geformt. Die Vergussmasse verbindet die Einzelsegmente fest miteinander und mit dem Rotorträger, so dass der Rotor auftretenden Kräften, wie insbesondere große Zentrifugalkräfte eines sich schnell drehenden Rotors, widersteht.
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Eine Unterteilung des Rotorkerns in Einzelsegmente ermöglicht eine effektive Materialausnutzung. Kleine Teile sind in großer Stückzahl einfach und kostengünstig herzustellen.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des Rotors weist der Rotorkern und/oder das Einzelsegment des Rotorkerns mehreren Lagen gestanzten Bleches auf.
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Komplizierte Formen des Rotorkerns und oder des Einzelsegmentes des Rotorkerns sind einfach durch Stanzen aus einem Blechband zu erzeugen. Durch Paketieren mehrere Lagen gestanzter Bleche ergibt sich die axiale Länge des Rotorkerns. Eine Herstellung solcher Blechpakete ist einfach und kostengünstig.
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Vorteilhafte elektromagnetische Eigenschaften eines Blechbandes sind im Rotorkern erhalten. Eine Segmentierung des Rotorkerns in Einzelsegmente ermöglicht eine effektive Materialausnutzung des Blechbandes. Kleine Teile können in großer Stückzahl kostengünstig produziert werden.
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Eine Berücksichtigung einer Vorzugsrichtung der elektromagnetischen Eigenschaften des Blechbandes beim Orientieren der Stanzform der Einzelsegmente ermöglicht eine Optimierung der elektromagnetischen Eigenschaften des Rotorkerns.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des Rotors ist der Permanentmagnet an einer in radialer Richtung äußeren Oberfläche des Rotorkerns angeordnet.
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Der Permanentmagnet ist durch das Vergießen mit der Vergussmasse fest mit dem Rotorkern verbunden. Am Permanentmagneten angreifende Kräfte werden von der Vergussmasse übernommen, so dass eine Anordnung der Permanentmagnete an der in radialer Richtung äußeren Oberfläche des Rotorkerns ohne zusätzliche Haltvorrichtungen möglich ist. Die Montage der Permanentmagnete am Rotor ist einfach und daher kostengünstig.
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Eine relative Positionierung der Permanentmagnete in Umfangsrichtung am Rotorkern ist möglich, so dass eine Schränkung der Permanentmagnete entlang der axialen Richtung des Rotors vor dem Vergießen bestimmbar ist.
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Ist der Permanentmagnet in radialer Richtung außen am Rotorkern angeordnet, übernimmt die Vergussmasse die Kräfteübernahme und eine Haltefunktion für den Permanentmagneten.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des Rotors ist eine in radiale Richtung äußere Oberfläche aus der Vergussmasse gebildet.
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Bildet die Vergussmasse die in radiale Richtung äußere Oberfläche des Rotors, überdeckt die Vergussmasse alle Permanentmagnete und den Rotorkern in Umfangsrichtung im Wesentlichen vollständig, was eine hohe Stabilität ergibt und die Permanentmagnete und den Rotorkern schützt.
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Durch Abdrehen der Vergussmasse auf einen Radius größer als die äußerste radiale Ersteckung eines Permanentmagneten im Rotor ist eine Kreisform erzeugbar und produktionsbedingte Abweichungen korrigierbar. Bei einem im Wesentlichen zylinderförmigen Rotor bildet die Vergussmasse die Mantelfläche des Zylinders.
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Die Vergussmasse übernimmt die auftretenden Kräfte und verteilt diese entlang der Oberfläche um den Rotor herum, so dass die Vergussmasse die Permanentmagnete und den Rotorkern fest miteinander verbindet.
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Die Vergussmasse überdeckt die Permanentmagnete vollständig und schützt die Permanentmagnete vor äußeren Einflüssen, wie insbesondere mechanischer Belastung, elektromagnetischen Störfeldern und/oder Korrosion.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung des Rotors bildet die Vergussmasse im Wesentlichen den Rotorträger.
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Der Rotorträger bildet eine mechanische Verbindung zur Drehmomentübertragung zwischen dem Rotorkern und einer Ausgangswelle. Der elektromagnetische Fluss fließt durch den Rotorkern, so dass elektromagnetischen Eigenschaften des Rotorträger unbedeutend sind. Für die Funktion des Rotorträgers sind die mechanischen Eigenschaften der Vergussmasse von Bedeutung. Weist die Vergussmasse beim Vergießen des Rotorkerns, insbesondere mit einer metallischen Vergussmasse, mechanische Eigenschaften auf, die eine Drehmomentübertragung ermöglichen, so übernimmt die Vergussmasse die Funktion des Rotorträgers und überträgt das Drehmoment vom Rotorkern zu einer Ausgangswelle.
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Es ist kein eigenständiges Bauteil für den Rotorträger notwendig, so dass die Herstellung eines eigenständigen Rotorträgers und Montage in den Rotor entfällt, was Kosten spart.
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Weitere Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus der Beschreibung und der Zeichnung hervor. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Die Erfindung wird anhand der folgenden Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer axialen Ansicht eines Rotors mit Rotorträger und mit eingegossenen außenliegenden Permanentmagneten
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2 eine schematische Darstellung einer axialen Ansicht eines Rotors mit Rotorträger und mit eingegossenen innenliegenden Permanentmagneten
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3 eine schematische Darstellung einer axialen Ansicht eines Rotors mit eingegossenen außenliegenden Permanentmagneten
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4 eine schematische Darstellung einer axialen Ansicht eines Rotors mit eingegossenen innenliegenden Permanentmagneten
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer axialen Ansicht eines Rotors 101 einer elektrischen Maschine mit einem Rotorträger 102, einem Rotorkern 103 und mehreren Permanentmagneten 104, die durch eine Vergussmasse 106 verbunden sind.
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Der Rotor 101 ist als Innenläufer einer Synchronmaschine ausgeführt und hat eine zylindrische Form, so dass die axiale Ansicht die Grundform eines Kreises hat.
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In radialer Richtung von innen nach außen ist innen der Rotorträger 102 angeordnet, dann der ringförmige Rotorkern 103, an einer in radialer Richtung äußeren Oberfläche 108 des Rotorkernes 103 liegen die Permanentmagnete 104 an und die Vergussmasse 106 umschließt den Rotorkern 103 und die Permanentmagnete 104 nach außen hin vollständig.
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Der Permanentmagnet 104 verfügt an seiner Oberfläche über eine thermische Isolationsschicht 107, so dass der Permanentmagnet 104 nicht direkt mit Vergussmasse 106 in Kontakt steht, sondern nur die thermische Isolationsschicht 107 mit der Vergussmasse 106 in Kontakt steht. Beim Vergießen mit der Vergussmasse 106 schützt die thermische Isolationsschicht 107 den Permanentmagneten 104 vor der Verarbeitungstemperatur der Vergussmasse 106, so dass eine Temperatur des Permanentmagneten 104 unterhalb einer kritischen Belastungstemperatur des Permanentmagneten 107 bleibt.
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Durch Abdrehen der Vergussmasse 106 zur äußersten radialen Ersteckung des Rotors 101 bildet die Vergussmasse in radialer Richtung die Oberfläche 109 des Rotors 101. Die Oberfläche 109 der Vergussmasse 106 bildet so die Mantelfläche des zylinderförmigen Rotors 101.
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Der Rotorkern 103 weist im Wesentlichen eine Ringform auf und ist in Einzelsegmente 110 unterteilt, die alle gleich ausgeführt sind. Jedes Einzelsegment 110 ist aus einem Blechpaket aufgebaut und weist eine Ausnehmung 105 auf, die in radialer Richtung außen am Blechpaket angeordnet ist. Die Ausnehmung 105 nimmt den Permanentmagneten 104 auf, wobei sich die äußerste radiale Ersteckung des Permanentmagneten 104 außerhalb der äußersten radialen Ersteckung des Rotorkerns 103 befindet. So ist der Permanentmagnet 104 in Umfangsrichtung nicht vollständig vom Rotorkern 103 eingeschlossen und die Vergussmasse 106 bildet in Unfangsrichtung eine Brücke zwischen zwei benachbarten Permanentmagneten 104. Die Ausnehmung 105 weist eine ebene Fläche auf, so dass der im Wesentlichen quaderförmige Permanentmagnet 104 eine möglichst große Kontaktfläche entlang der Ausnehmung 105 mit dem Einzelsegment 110 bildet. Der elektromagnetische Fluss fließt durch den Rotorkern 103 und über einen Luftspalt außerhalb des Rotors 101, wobei der elektromagnetische Fluss über die Brücke aus Vergussmaterial 106 zwischen benachbarten Permanentmagneten 104 gehemmt ist.
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Der Rotor 101 ist rotationssymmetrisch ausgeführt und alle Einzelsegmente sind gleich aufgebaut, so dass die Beschreibung eines Einzelsegmentes 110 ausreicht und auf andere Einzelsegmente übertragbar ist.
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Die Vergussmasse 106 verbindet alle Einzelsegmente 110 und Permanentmagnete 104 mit einander und mit dem Rotorträger 102, so dass ein stabiler Rotor 101 entsteht, der auch großen Zentrifugalkräften schnell drehender elektrischer Maschinen widerstehen kann.
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In 2 ist eine alternative Ausführung der Erfindung dargestellt und zeigt eine schematische Darstellung einer axialen Ansicht eines Rotors 201 einer elektrischen Maschine mit einem Rotorträger 202, einem Rotorkern 203 und mehreren Permanentmagneten 204, die durch eine Vergussmasse 206 verbunden sind.
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Der Rotor 201 ist als Innenläufer einer Synchronmaschine ausgeführt und hat eine zylindrische Form, so dass die axiale Ansicht die Grundform eines Kreises hat.
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Die gleichen oder gleichwirkenden Komponenten, die in 1 schon beschrieben wurden, werden für diese Darstellung übernommen und nicht explizit nochmals aufgeführt. Der Rotorkern 203 weist im Wesentlichen eine Ringform auf und ist in Einzelsegmente 210 unterteilt, die alle als gleichförmige Blechpakete ausgeführt sind. Das Einzelsegment 210 verfügt über eine Ausnehmung 205, die eine Tasche in axiale Richtung zur Aufnahme des Permanentmagneten 204 bildet. Die Ausnehmung 205 ist zwischen der innersten radialen Erstreckung des Einzelsegmentes 210 und der äußersten radialen Ersteckung des Einzelsegmentes 210 angeordnet und ist derart ausgestaltet, dass der Permanentmagneten 204 in axiale Richtung in die Ausnehmung 205 im Wesentlichen vollständig einbringbar ist. Eine Oberfläche 208 des Rotorkernes 203 bildet eine in radiale Richtung äußere Oberfläche 209 des Rotors 201, mit der die Ausnehmung 205 keinen Kontakt aufweist.
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Die Vergussmasse 206 füllt ein Restvolumen in der Ausnehmung 205 aus, dass sich zwischen dem eingefügtem Permanentmagneten 204 und der Ausnehmung 205 bildet und fixiert den Permanentmagneten 204 in der Ausnehmung 205 des Einzelsegmentes 210. Der Permanentmagnet 204 verfügt über eine thermische Isolationsschicht 207, die den Permanentmagneten vor der Verarbeitungstemperatur der Vergussmasse 206 beim Vergießen abschirmt und so eine maximale Temperatur des Permanentmagneten 204 unter einer kritischen Belastungstemperatur des Permanentmagneten 204 hält.
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In 3 ist eine Ausführung eines Rotors 301 einer elektrischen Maschine dargstellt, die zur Ausführung des Rotors 101 aus 1 Ähnlichkeiten aufweist.
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Die gleichen oder gleichwirkenden Komponenten, die in 1 schon beschrieben wurden, werden für diese Darstellung übernommen und nicht explizit nochmals aufgeführt. Unterschiede zwischen dem Rotor 101 aus 1 und dem Rotor 301 aus 3 sind im Folgenden beschrieben.
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Eine metallische Vergussmasse 306 verbindet einen Rotorkern 303 und mehrere Permanentmagnete 304 fest miteinander. Der Permanentmagnet 304 verfügt über eine thermische Isolationsschicht 307, welche den Permanentmagneten 304 beim Vergießen vor Wärme einer Schmelztemperatur der metallischen Vergussmasse 306 schützt.
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Eine Drehmomentübertragung vom Rotor 301 zu einer nicht dargestellten Ausgangwelle findet über einen Rotorträger 302 statt. Der Rotorträger 302 ist aus der Vergussmasse 306 beim Vergießen des Rotorkernes 303 und der Permanentmagnete 304 gebildet. Die Vergussmasse 306 bildet eine in radiale Richtung äußere Oberfläche 309 des Rotors 301 und den Rotorträger 302, der in radialer Richtung im inneren des Rotorkernes 303 angeordnet ist.
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Mechanische Eigenschaften der metallischen Vergussmasse 306 ermöglichen sehr große Drehmomentübertragung vom Rotor 301 auf eine Ausgangswelle.
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In 4 ist eine Ausführung eines Rotors 401 einer elektrischen Maschine dargstellt, die zur Ausführung des Rotors 201 aus 2 Ähnlichkeiten aufweist.
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Die gleichen oder gleichwirkenden Komponenten, die in 2 schon beschrieben wurden, werden für diese Darstellung übernommen und nicht explizit nochmals aufgeführt. Unterschiede zwischen dem Rotor 201 aus 2 und dem Rotor 401 aus 4 sind im Folgenden beschrieben.
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Eine metallische Vergussmasse 406 verbindet einen Rotorkern 403 und mehrere Permanentmagnete 404 fest miteinander. Der Permanentmagnet 404 verfügt über eine thermische Isolationsschicht 407, welche den Permanentmagneten 404 beim Vergießen vor Wärme einer Schmelztemperatur der metallischen Vergussmasse 406 schützt.
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Eine Drehmomentübertragung vom Rotor 401 zu einer nicht dargestellten Ausgangwelle findet über einen Rotorträger 402 statt. Der Rotorträger 402 ist aus Vergussmasse 406 beim Vergießen des Rotorkernes 403 und der Permanentmagnete 404 gebildet.
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Mechanische Eigenschaften der metallischen Vergussmasse 406 ermöglichen sehr große Drehmomentübertragung vom Rotor 401 auf eine Ausgangswelle.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004060379 A1 [0002]
