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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von einem Rotor einer elektrischen Maschine nach der Gattung des Hauptanspruchs.
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Es sind schon Rotoren aus der
US 2007/0063607 A1 und der
US 2004/0217666 A1 bekannt, mit einem Lamellenpaket, das am Umfang des Rotors angeordnete Magnettaschen zur Aufnahme von Permanentmagneten aufweist, mit radial außerhalb von jeder Magnettasche gebildeten Rotorstegen, mit zumindest einem Auflager in jeder Magnettasche, an dem die Fliehkraft des Permanentmagneten zumindest mittelbar auf den Rotorsteg einwirkt. Bei einer Rotationsbewegung des Rotors um eine Rotationsachse üben die Permanentmagnete auf den Rotorsteg eine Flieh- bzw. Zentrifugalkraft auf. Die Permanentmagnete liegen dabei mit einer Oberseite der Permanentmagnete im wesentlichen großflächig an den Rotorstegen an. Die Zentrifugalkraft aufgrund der Masse des Permanentmagneten und die Zentrifugalkraft aufgrund der Masse des Rotorsteges führt zu Spannungen und Kräften innerhalb des Lamellenpaketes. Dabei treten die maximalen Spannungen, die aus der Masse des Rotorsteges und aus der Masse des Permanentmagneten resultieren, nur lokal in einem Bereich der Magnettaschen außerhalb einer Auflagefläche der Permanentmagneten am Ende des Rotorsteges innenseitig an den Magnettaschen auf. Diese maximalen Spannungen am Ende der Rotorstege können zu einer Überschreitung der Materialelastizitätsgrenze führen, so dass die maximale Drehzahl des Rotors dadurch begrenzt ist.
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Vorteile der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Rotor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass bei gleichem Material für das Lamellenpaket größere Drehzahlen des Rotors möglich oder bei einem Material mit einer geringeren Materialelastizitätsgrenze die gleichen Drehzahlen möglich sind wie bei einem Material mit einer höheren Materialelastizitätsgrenze, indem zumindest in einer Magnettasche zwei voneinander getrennte Auflager vorgesehen sind, wobei in Umfangsrichtung des Rotors gesehen zwischen den beiden Auflagern ein radialer Abstand zwischen dem Rotorsteg und dem Permanentmagneten vorgesehen ist. Durch die erfindungsgemäße Ausführung werden die Fliehkräfte der Permanentmagnete in Umfangsrichtung gesehen erst im Randbereich der Rotortaschen in die Rotorstege eingeleitet, wodurch die Permanentmagnete wegen der kleineren Hebelarme geringere Biegemomente auf die Rotorstege ausüben und diese damit mechanisch entlasten.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Rotors möglich.
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Weiterhin vorteilhaft ist, dass durch den radialen Abstand zwischen dem Rotorsteg und dem Permanentmagneten ein Spalt gebildet ist, der mit Luft, einem Klebstoff oder einem elastischen Material gefüllt ist. Durch den radialen Abstand wird verhindert, dass die Fliehkräfte der Permanentmagnete großflächig im Bereich der Mitte der Rotorstege auf diese übertragen wird.
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Sehr vorteilhaft ist es, wenn an den Auflagern einer Magnettasche zwischen dem Permanentmagneten und dem Rotorsteg ein elastisches Element, z. B. Kunststoff, Metall oder Papier, angeordnet, um Spannungsspitzen an den Auflageflächen zu reduzieren. Aufgrund der elastischen Eigenschaften dieses Werkstoffes werden somit unter anderem die auftretenden Spannungen auf eine größere Fläche verteilt, so dass dadurch die Spannungsspitzen reduziert werden können.
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Auch vorteilhaft ist, wenn an zumindest einem Auflager eine Auflagefläche vorgesehen ist, die einen Winkel zwischen 10 Grad und 45 Grad zu einer dem Permanentmagneten zugewandten und zu diesem beabstandeten Unterseite des Rotorsteges aufweist. Auf diese Weise weist die Auflagefläche eine Schrägung auf. Die Auflageflächentangente ist dabei bezüglich der Tangente um den spitzen Winkel dahingehend verschwenkt, dass sich aufgrund der Verschwenkung der Abstand zwischen der Auflageflächentangente und den Randseiten des Permanentmagneten verkleinert. Die Tangente bildet in einem Schnitt senkrecht zu der Rotationsachse eine Tangente an einen Kreis mit einem Mittelpunkt, der die Rotationsachse ist. Eine Gerade durch den Auflagepunkt der Tangente an den Kreis und die Rotationsachse bzw. den Kreismittelpunkt schneidet einen Mittelpunkt oder einen Schwerpunkt des Permanentmagneten.
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Gemäß vorteilhafter Ausführungen kann die Auflagefläche eben, gewölbt, beispielsweise konkav, polygonförmig oder elliptisch ausgeführt sein.
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In einer zusätzlichen Variante ist die Elektromaschine ein Elektromotor oder ein Generator.
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Zweckmäßig ist die Elektromaschine eine Synchronmaschine.
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In einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Elektromaschine eine elektronische Steuerschaltung zur Bestromung der Spulen am Stator.
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Zweckmäßig weist der Rotor Mittel zur Start-Positionierung des Rotors auf.
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In einer weiteren Variante ist der Rotor mittels einer Lagerung, insbesondere eine Gleitlagerung oder eine Wälzlagerung, gelagert.
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Zeichnung
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Im Nachfolgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:
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1 einen Längsschnitt einer Elektromaschine mit einem Rotor,
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2 eine Schnitt des Rotors senkrecht zu einer Rotationsachse,
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3 eine Detailansicht des Rotors gemäß 2 und
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4 eine stark vereinfachte Darstellung einer Hybridantriebseinrichtung.
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Beschreibung des Ausführungsbeispiels
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In 1 ist eine erfindungsgemäße Elektromaschine 1 dargestellt, die als Elektromotor 2 oder Generator 3, beispielsweise in einer Hybridantriebseinrichtung 21 mit einem Verbrennungsmotor 22 und der Elektromaschine 1, eingesetzt werden kann (4). Die Hybridantriebseinrichtung 21 kann beispielsweise zum Antrieb eines Hybridfahrzeuges (nicht dargestellt) eingesetzt werden und weist dann vorzugsweise zusätzlich Batterien 13 auf. Die Batterien 13 können beispielsweise bei einem Stillstand des nicht dargestellten Hybridfahrzeuges aufgeladen und mittels elektrischer Energie aus den Batterien 13 und der Elektromaschine 1 kann das Kraftfahrzeug bewegt werden. In einem nicht dargestellten Elektrofahrzeug ohne Verbrennungsmotor 22 kann die Elektromaschine 1 zum Antrieb des Elektrofahrzeuges eingesetzt werden.
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Die Elektromaschine 1 (1) weist eine um eine Rotationsachse 14 rotierende Welle 5 auf. An der Welle 5 bzw. einem Rotorkörper 24 aus Stahl sind von einer nicht dargestellten Isolierung umgebene Lamellen 16 in axialer Richtung der Rotationsachse 14 übereinander zu einem Lamellenpaket 7 angeordnet oder geschichtet. Die Lamellen 16 bzw. das Lamellenpaket 7 weisen dabei in axialer Richtung verlaufende Magnettaschen 6 bzw. Ausnehmungen auf, in denen Permanentmagnete 15 angeordnet sind. Ein Rotor 4 der Elektromaschine 1 umfasst somit die Welle 5, die Permanentmagnete 15, die Lamellen 16 bzw. das Lamellenpaket 7. Ein Gehäuse 20 der Elektromaschine 1 ist mittels einer Wälzlagerung 19 an der Welle 5 gelagert. An dem Gehäuse 20 ist ein Stator 17 mit Elektromagneten 18 (Spule bzw. Wicklung) angeordnet. Vorzugsweise ist die Welle 5 aus Stahl hergestellt und die Lamellen 16 aus Eisen. Dabei sind die Lamellen 16 mit einer Isolierung umgeben (nicht dargestellt). Die Isolierung wird auf die Lamellen 16 aufgebracht, bevor diese zu dem Lamellenpaket 7 verbunden werden.
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In 2 und 3 ist ein Schnitt senkrecht zu der Rotationsachse 14 des Rotors 4 dargestellt.
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Am Umfang des Rotors 4 sind Magnettaschen 6 zur Aufnahme von Permanentmagneten 15 vorgesehen. Durch die Magnettaschen 6 sind radial außerhalb von jeder Magnettasche 6 Rotorstege 32 gebildet, die beispielsweise kreissegmentförmig sind. In jeder Magnettasche 6 ist zumindest ein Auflager 25 vorgesehen, an dem die Fliehkraft des Permanentmagneten 15 zumindest mittelbar auf den Rotorsteg 32 einwirkt.
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Die Permanentmagnete 15 sind in den Magnettaschen 6 des Lamellenpaketes 7 angeordnet. Dabei weisen die Permanentmagnete eine Oberseite 10 eine Unterseite 11 und zwei Randseiten 12 in dem Schnitt gemäß 2 und 3 auf. Die Oberseite 10 ist dabei in radialer Richtung nach außen gerichtet und die Unterseite 11 in radialer Richtung nach innen ausgerichtet.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zumindest in einer Magnettasche 6 zwei voneinander getrennte Auflager 25 vorgesehen sind, wobei in Umfangsrichtung des Rotors 4 gesehen zwischen den beiden Auflagern 25 ein radialer Abstand 30 zwischen dem Rotorsteg 32 und dem Permanentmagneten 15 vorgesehen ist. Die Auflager 25 sind im Gegensatz zum Stand der Technik punktförmig bzw. in der Tiefe linienförmig oder zumindest kleinflächiger als im Stand der Technik ausgebildet.
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Zwischen der Oberseite 10 der Permanentmagnete 15 und dem Rotorsteg 32 ist ein Spalt 30 vorhanden. Aufgrund des Spaltes 30 wird zwischen der Oberseite 10 und dem Rotorsteg 32 bei einer Rotationsbewegung des Rotors 4 von dem Permanentmagneten 15 auf den Rotorsteg 32 keine Zentrifugalkraft übertragen, weil kein Kontakt zwischen dem Permanentmagneten 15 und dem Rotorsteg 32 vorhanden ist. Der Spalt 30 kann mit Luft, aber auch mit einem Klebstoff oder einem elastischen Material gefüllt sein. Selbst im Falle der Befüllung des Spaltes 30 mit einem Feststoff würde keine Fliehkraft vom Permanentmagneten auf den Rotorsteg 32 übertragen werden, da der Rotorsteg 32 sich bei der Rotation des Rotors 4 leicht nach außen vom Permanentmagneten 15 wegbewegt und einen Spalt zum Feststoff entstehen lässt.
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Zwischen den beiden Randseiten 12 und der Magnettasche 6 ist ein weiterer Spalt 30 vorhanden (3).
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Die Permanentmagnete 15 weisen jeweils vier Eckbereiche 23 auf, die einen Radius, eine Fase oder eine Schräge aufweisen. An diesen Eckbereichen 23 ist eine Auflagefläche 26 des Permanentmagneten 15 gebildet. In Umfangsrichtung des Rotors 4 gesehen am Ende des Rotorsteges 32 ist eine Auflagefläche 25 an der Magnettasche 6 vorhanden, die abschnittsweise das Auflager 25 bildet. Die Auflagefläche 25 des Lamellenpaketes 15 ist gemäß dem Ausführungsbeispiel eben ausgebildet und weist eine Schrägung auf. Die Auflagefläche 25 kann aber auch gewölbt, polygonförmig oder elliptisch ausgeführt sein. Die Schrägung bedeutet, dass sich zwischen einer Auflageflächentangente 33 an der ebenen Auflagefläche 25 und einer Tangente 31 (in 3 strichliert dargestellt) bezüglich der nicht in 3 dargestellten Rotationsachse 14 des Rotors 4 ein spitzer Winkel α zwischen 0° und 90°, vorzugsweise zwischen 10° und 45°, ausbildet. Dabei ist die Tangente 31 eine Tangente 31 an einem fiktiven Kreis (nicht dargestellt) mit dem Mittelpunkt der Rotationsachse 14 des Rotors 4, wobei eine fiktive Gerade (nicht dargestellt) den Auflagepunkt der Tangente 31 auf dem fiktiven Kreis, die Rotationsachse 14 bzw. Kreismittelpunkt und einen Mittelpunkt oder einen Schwerpunkt des Permanentmagneten 15 schneidet. Die Schrägung kann aber auch so ausgebildet sein, dass ein Winkel zwischen 10 Grad und 45 Grad zwischen der Schrägung und einer dem Permanentmagneten 15 zugewandten und zu diesem beabstandeten Unterseite des Rotorsteges 32 eingeschlossen ist.
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Zwischen dem Auflager 25 und der Auflagefläche 26 als Eckbereich 23 des Permanentmagneten 15 kann ein elastischer Werkstoff 27, beispielsweise aus Kunststoff oder Gummi, angeordnet sein. Die Permanentmagnete 15 liegen jeweils mit einer Kante entweder unmittelbar an dem entsprechenden Auflager 25 oder an dem elastischen Werkstoff 27 an, der dann an dem Auflager 25 vorgesehen ist.
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Die gesamte auf den Permanentmagneten 15 bei einer Rotationsbewegung des Rotors 4 wirkende Zentrifugalkraft wird dabei an den beiden Eckbereichen 23 über die Auflager 25 auf das Lamellenpaket 7 übertragen. Um dabei mögliche Spannungsspitzen zu reduzieren, kann zwischen den Auflagern 25 der Magnettasche 6 und der Auflagefläche 26 des Permanentmagneten 15 der elastische Werkstoff 27 angeordnet sein.
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Die Übertragung der Zentrifugalkraft des Permanentmagneten 15 erfolgt somit an einem Endabschnitt 8 der Permanentmagnete 15. Die Ausdehnung der Endabschnitte 8 der Permanentmagnete 15 in Umfangsrichtung betragen nur wenige Prozent einer Gesamtausdehnung 9 der Permanentmagnete 15 in Umfangsrichtung. Die Enden der Endabschnitte 8 sind in 3 mit einer strichlierten Gerade dargestellt, wobei die Ausdehnung der Endabschnitte 8 in 3 wesentlich größer dargestellt ist als tatsächlich, weil die Übertragung der Zentrifugalkräfte an den Eckebereichen 23 bezüglich einer Ausdehnung der Permanentmagnete 15 in Umfangsrichtung nur in einem sehr kleinen Bereich auftritt.
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In Umfangsrichtung betrachtet schließen sich an die ebene Auflagefläche 25 des Lamellenpaktes 7 ein erster Anschlussbereich 28 und ein zweiter Anschlussbereich 29 an. Der erste Anschlussbereich 28 ist gekrümmt mit einem Krümmungsradius ausgebildet und auch der zweite Anschlussbereich 29 ist gekrümmt mit einem Krümmungsradius ausgebildet. Der erste Anschlussbereich 28 ist dabei zwischen der Auflagefläche 25 und dem Rotorsteg 32 im Bereich der Oberseite 10 des Permanentmagneten 15 ausgebildet. Der zweite Anschlussbereich 29 ist dabei zwischen der Auflagefläche 25 des Lamellenpaketes 7 und dem Lamellenpaket 7 im Bereich der Randseite 12 ausgebildet. Die aus der Zentrifugalkraft resultierenden Kräfte führen zu Spannungsspitzen an dem Lamellenpaket 7 im Bereich des Endes an den Magnettaschen 6. Der Rotorsteg 32 des Lamellenpaketes 7 weist eine Masse auf, so dass aufgrund der Stegmasse des Rotorsteges 32 eine Zentrifugalkraft auftritt. Die daraus resultierenden Spannungsspitzen aufgrund der Stegmasse des Rotorsteges 32 treten dabei an dem ersten Anschlussbereich 28 auf. Die Spannungsspitzen aufgrund der auftretenden Zentrifugalkraft der Permanentmagnete 15 tritt an dem Lamellenpaket 7 an dem zweiten Anschlussbereich 29 auf. Die Zentrifugalkräfte des Permanentmagneten 15 werden ausschließlich an den Auflageflächen 25 des Lamellenpaketes 7 in das Lamellenpaket 7 eingeleitet. Dadurch können die Spannungsspitzen an dem Lamellenpaket 7 auf zwei Bereiche verteilt werden, nämlich dem gekrümmt ausgebildeten ersten Anschlussbereich 28 und dem ebenfalls gekrümmt ausgebildeten zweiten Anschlussbereich 29. Diese Aufteilung der Spannungsspitzen ist dabei insbesondere wegen der Schrägung der Auflagefläche 25 möglich. Damit können die auftretenden Spannungsspitzen reduziert werden, weil die Spannungsspitzen nicht nur an einem Bereich, sondern verteilt auf zwei Bereiche jeweils für die Masse des Rotorsteges 32 und die Masse des Permanentmagneten 15 verteilt werden kann. Dadurch können bei einer gleichen Materialelastizitätsgrenze des Lamellenpaketes 7 höherer Drehzahlen erreicht werden gegenüber einem großflächigen Einleiten der Zentrifugalkräfte des Permanentmagneten 15 wie im Stand der Technik an der Oberseite 10. Damit können mit dem gleichen Material für das Lamellenpaket 7 höherer Drehzahlen erreicht werden oder in vorteilhafterweise mit einem preiswerteren Material mit einer geringeren Materialelastizitätsgrenze die gleichen Drehzahlen erreicht werden.
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Insgesamt betrachtet sind mit dem erfindungsgemäßen Rotor 4 und der erfindungsgemäßen Elektromaschine 1 wesentliche Vorteile verbunden. Die auftretenden maximalen Spannungen aufgrund der Zentrifugalkräfte des Rotorsteges 32 und des Permanentmagneten 15 sind auf den ersten und zweiten Anschlussbereich 28 und 29 des Lamellenpaketes 7 verteilt. Die maximale Spannungen an dem Lamellenpaket 7 aufgrund der Zentrifugalkräfte des Rotorsteges 32 und des Permanentmagneten 15 können damit reduziert werden, weil diese auf zwei Teilbereiche, nämlich dem ersten und zweiten Anschlussbereich 28 und 29, verteilt sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2007/0063607 A1 [0002]
- US 2004/0217666 A1 [0002]
