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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine mit einem Rotorschutzrohr. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine bürstenlose, permanentmagneterregte elektrische Maschine mit dem Rotor.
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Der Rotor von permanentmagneterregten elektrischen Maschinen weist üblicherweise mehrere durch Permanentmagneten gebildete Pole auf. Die Permanentmagneten sind dabei oftmals auf den Rotor aufgeklebt. Bei den auftretenden Zentrifugalkräften in der elektrischen Maschine können sich die Permanentmagneten oder Splitter davon lösen. Deshalb werden üblicherweise Rotorschutzrohre auf die Rotoren aufgesetzt. Problematisch ist allerdings die Wirbelstrombildung in diesen Rotorschutzrohren. Diese Wirbelstrombildungen in den Rotorschutzrohren führen zur Reduzierung der Wirkungsgrade der elektrischen Maschinen sowie zur Erwärmung und damit einer einhergehenden Verspannung der Rotorschutzrohre.
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1 zeigt die abgewickelte Mantelfläche eines Rotorschutzrohres 20 nach dem Stand der Technik. Auf allen Figuren dieser Beschreibung ist ein einheitliches Koordinatensystem eingezeichnet. Dieses zeigt bezüglich des Rotors bzw. der gesamten elektrischen Maschine eine Umfangsrichtung θ, eine Axialrichtung z und eine Radialrichtung r. 1 zeigt den Verlauf des entstehenden Wirbelstroms 21 im Rotorschutzrohr 20. Im Wesentlichen erstreckt sich der Wirbelstrom 21 in der Axialrichtung z.
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2 zeigt eine vorbekannte Möglichkeit zur Reduzierung der Wirbelströme 21 im Rotorschutzrohr 20. Üblicherweise wird das Rotorschutzrohr 20 entlang der Trennlinien 23 in einzelne, separate Abschnitte 22 unterteilt. Hierbei erfolgt eine vollständige Trennung des Rotorschutzrohres 20 in vier einzelne, nicht miteinander verbundene Ringe. Diese vorbekannte Lösung ist sowohl aufwendig in der Herstellung als auch in der Montage, da separate Abschnitte 22 hergestellt und montiert werden müssen.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Rotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 mit Rotorschutzrohr ist sehr viel günstiger in der Herstellung und Montage. Das gesamte Rotorschutzrohr wird einstückig gefertigt, so dass nur ein Bauteil montiert werden muss. Gleichzeitig ermöglicht das Rotorschutzrohr des erfindungsgemäßen Rotors eine signifikante Reduzierung der Wirbelstrombildung im Rotorschutzrohr. Infolgedessen wird der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine verbessert und eine thermische Erwärmung und entsprechende Verspannung des Rotorschutzrohres verhindert. Alle diese Vorteile werden erreicht durch den erfindungsgemäßen Rotor für eine, insbesondere bürstenlose permanentmagneterregte, elektrische Maschine, umfassend ein Rotorschutzrohr. Dieses Rotorschutzrohr weist zumindest zwei ringförmige Abschnitte auf, die zur Reduzierung von Wirbelströmen voneinander abgegrenzt sind. Diese Abgrenzung der zumindest zwei Abschnitte erfolgt durch eine voll umfängliche Aneinanderreihung von Ausnehmungen und Stegen, wobei die Stege die zwei benachbarten Abschnitte jeweils zwischen zwei Ausnehmungen verbinden. Durch diese Stege sind die ringförmigen Abschnitte untereinander verbunden und das Rotorschutzrohr kann infolgedessen einstückig gefertigt werden. Die Stege sind möglichst klein ausgebildet und dienen lediglich zur Fixierung der einzelnen ringförmigen Abschnitte aneinander. Durch die Ausnehmungen wird soweit als möglich der Wirbelstrom zwischen zwei der ringförmigen Abschnitte unterbrochen und somit gehemmt. Die Ausnehmungen sind durchgehende Löcher in dem Rotorschutzrohr. Insbesondere werden im Herstellungsprozess die Ausnehmungen aus einem Blech ausgestanzt oder ausgeschnitten. Daraufhin wird das Blech zum Rotorschutzrohr zusammengerollt und verschweißt.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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In bevorzugter Ausführung umfasst der Rotor mehrere durch Permanentmagneten gebildete Pole, wobei das Rotorschutzrohr rotationsfest auf diesen Polen angeordnet ist. Besonders bevorzugt umfasst die Aneinanderreihung zumindest 1 bis 5, insbesondere 1 bis 2, Ausnehmungen pro Pol und jeweils einen Steg zwischen den Ausnehmungen. Die 1 bis 5, insbesondere 1 bis 2, Ausnehmungen pro Pol, sind für eine voll-umfängliche Aneinanderreihung vorgegeben. Wie später erläutert wird, kann das Rotorschutzrohr auch in mehr als zwei ringförmige Abschnitte durch mehr als zwei vollumfängliche Aneinanderreihungen unterteilt werden. In diesem Fall umfasst bevorzugt jede der Aneinanderreihungen 1 bis 5, insbesondere 1 bis 2 Ausnehmungen pro Pol.
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In bevorzugter Ausführung ist vorgesehen, dass eine erste Länge der Ausnehmung in Umfangsrichtung länger ist als eine zweite Länge der Stege in Umfangsrichtung. Dadurch wird sichergestellt, dass die Stege ausreichend klein sind, um einen Fluss des Wirbelstroms zwischen zwei benachbarten ringförmigen Abschnitten zu vermeiden. Insbesondere ist vorgesehen, dass die erste Länge zumindest das Doppelte, insbesondere zumindest das Dreifache, der zweiten Länge beträgt.
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Bevorzugt ist die erste Länge der Ausnehmungen in Umfangsrichtung größer einer Breite der Ausnehmung in Axialrichtung. Die Ausnehmungen sind somit als längliche Schlitze ausgebildet. Diese länglichen Schlitze erstrecken sich in Umfangsrichtung des Rotorschutzrohrs.
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Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass die Breite der Ausnehmungen in Axialrichtung gemessen zwischen 0,5 mm und 5 mm, insbesondere zwischen 1 mm und 3 mm, liegt. Durch eine relativ kleine Breite der Ausnehmungen in Axialrichtung wird sichergestellt, dass das Rotorschutzrohr insgesamt stabil genug bleibt und trotzdem die Wirbelstrombildung ausreichend reduziert wird.
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In bevorzugter Ausführung ist vorgesehen, dass das Rotorschutzrohr mehr als zwei ringförmige Abschnitte umfasst. Dabei sind jeweils zwei benachbarte ringförmige Abschnitte durch eine vollumfängliche Aneinanderreihung der Ausnehmungen und Stege abgegrenzt. Je breiter das Rotorschutzrohr in Axialrichtung ist, umso mehr einzelne ringförmige Abschnitte werden benötigt, um die Wirbelstrombildung effektiv zu unterdrücken.
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Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass die Ausnehmungen zweier benachbarter Aneinanderreihungen versetzt zueinander angeordnet sind, so dass in Axialrichtung betrachtet die Stege nicht fluchten. Insbesondere ist vorgesehen, dass jede zweite Aneinanderreihung um eine halbe erste Länge der Ausnehmung in Umfangsrichtung versetzt ist.
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Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass die Mantelfläche des Rotorschutzrohres im abgewickelten Zustand symmetrisch bezüglich einer sich in Axialrichtung erstreckenden Mittellinie ist. Diese Mittellinie ist dabei mittig auf der Mantelfläche des Rotorschutzrohres. Des Weiteren ist bevorzugt vorgesehen, dass jede Ausnehmung vollständig vom Material des Rotorschutzrohres umschlossen ist. Dies bedeutet, dass keine der Ausnehmungen seitlich offen ist. Dadurch wird sichergestellt, dass die Mantelfläche des Rotorschutzrohres eine durchgehende geschlossene Außenkante aufweist. Insbesondere wenn eine der Aneinanderreihungen in Umfangsrichtung versetzt angeordnet wird, führt dies zu nur halb so langen Ausnehmungen an den beiden Enden der Mantelfläche des Rotorschutzrohres. Um nun ein ausgewuchtetes Rohr zu erzeugen, wird bevorzugt bei diesen versetzten Aneinanderreihungen die mittlere Ausnehmung, beispielsweise zweigeteilt, ausgebildet. Letztendlich gibt es zur Ausbildung des ausgewuchteten Rotorschutzrohres diverse Möglichkeiten. Allgemein wird deshalb definiert, dass die Mantelfläche des Rotorschutzrohres im abgewickelten Zustand symmetrisch bezüglich einer sich in Axialrichtung erstreckenden Mittellinie ist.
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Die Erfindung umfasst des Weiteren eine bürstenlose, permanentmagneterregte elektrische Maschine mit einem soeben beschriebenen Rotor. Die bezüglich des Rotors beschriebenen vorteilhaften Ausgestaltungen finden entsprechend vorteilhafte Anwendung auf die erfindungsgemäße elektrische Maschine.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. Dabei zeigt:
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1 eine Mantelfläche eines Rotorschutzrohres gemäß dem Stand der Technik,
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2 eine weitere Mantelfläche eines Rotorschutzrohres gemäß dem Stand der Technik,
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3 eine erfindungsgemäße elektrische Maschine mit einem erfindungsgemäßen Rotor gemäß allen Ausführungsbeispielen,
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4 eine Detailansicht aus 3,
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5 eine Mantelfläche eines Rotorschutzrohres des erfindungsgemäßen Rotors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
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6 eine Mantelfläche eines Rotorschutzrohres des erfindungsgemäßen Rotors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
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7 eine Mantelfläche eines Rotorschutzrohres des erfindungsgemäßen Rotors gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, und
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8 eine Mantelfläche eines Rotorschutzrohres des erfindungsgemäßen Rotors gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel.
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Ausführungsformen der Erfindung
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Im Folgenden wird anhand der 3 und 4 der Aufbau einer bürstenlosen, permanentmagneterregten elektrischen Maschine 2 mit einem Rotor 1 gemäß allen Ausführungsbeispielen vorgestellt.
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3 zeigt einen axialen Schnitt der elektrischen Maschine 2. Die elektrische Maschine 2 umfasst einen Rotor 1 und einen Stator 3. Der Rotor 1 sitzt drehbeweglich auf einer Rotorwelle 5. Am Außenumfang des Rotors 1 befinden sich mehrere Pole 6. Diese Pole 6 sind durch Permanentmagneten gebildet. Um eine sichere Fixierung der Pole 6 auf dem Rotor 1 zu gewährleisten, umfasst der Rotor 1 ein Rotorschutzrohr 4.
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4 zeigt einen Detailausschnitt aus 3. Hier ist gut zu sehen, wie das Rotorschutzrohr 4 rotationsfest auf dem Rotor 1 sitzt und somit die Pole 6 sichert.
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Das einheitliche Koordinatensystem in allen Figuren zeigt die Umfangsrichtung θ, welche der Drehrichtung des Rotors 1 entspricht. Senkrecht zur Umfangsrichtung θ erstreckt sich die Axialrichtung z entlang der Rotorwelle 5. Senkrecht zur Umfangsrichtung θ und senkrecht zur Axialrichtung z erstreckt sich die Radialrichtung r.
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5 zeigt eine abgewickelte Mantelfläche des Rotorschutzrohres 4 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Das Rotorschutzrohr umfasst vier ringförmige Abschnitte 7. Die jeweils benachbarten ringförmigen Abschnitte 7 sind durch Aneinanderreihungen 8 von Ausnehmungen 9 und Stegen 10 voneinander abgegrenzt. Diese abwechselnde Aneinanderreihung 8 erstreckt sich voll umfänglich in Umfangsrichtung θ. Im hier gezeigten Beispiel weist jede Aneinanderreihung 8 zehn Ausnehmungen 9 auf. Jeweils drei in Axialrichtung z nebeneinander angeordnete Ausnehmungen 9 bilden eine Überdeckung 11. Im montierten Zustand befindet sich jeweils eine der Überdeckungen 11 über einem der Pole 6. Die entsprechenden Stege 10 verlaufen jeweils zwischen zwei benachbarten Polen 6 des Rotors 1.
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Im ersten Ausführungsbeispiel sind alle Ausnehmungen 9 und Stege 10 gleich groß ausgebildet. Die Ausnehmungen 9 weisen eine erste Länge 13 in Umfangsrichtung θ gemessen auf. Die Stege 10 weisen eine zweite Länge 14 in Umfangsrichtung θ gemessen auf. Die erste Länge 13 ist wesentlich größer als die zweite Länge 14. Des Weiteren weisen die Ausnehmungen 9 eine Breite 12 in Axialrichtung z gemessen auf. Die Breite 12 misst 0,5 mm bis 5 mm, insbesondere 1 mm bis 3 mm.
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6 zeigt die Mantelfläche des Rotorschutzrohrs 4 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel. Gleiche bzw. funktional gleiche Bauteile sind in allen Ausführungsbeispielen mit denselben Bezugszeichen versehen. Im zweiten Ausführungsbeispiel ist das Rotorschutzrohr 4 in acht ringförmige Abschnitte 7 unterteilt. Zwischen den ringförmigen Abschnitten 7 befindet sich jeweils eine Aneinanderreihung 8 von Ausnehmungen 9 und Stegen 10. Genauso wie im ersten Ausführungsbeispiel sind auch im zweiten Ausführungsbeispiel die Ausnehmungen 9 und die Stege 10 jeweils gleich groß. Die Überdeckung 11 eines Pols 6 ist hier gebildet durch sieben Ausnehmungen 9, die nebeneinander in Axialrichtung z angeordnet sind.
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7 zeigt die Mantelfläche des Rotorschutzrohres 4 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind in allen Ausführungsbeispielen mit denselben Bezugszeichen versehen. Das dritte Ausführungsbeispiel umfasst genauso wie das erste Ausführungsbeispiel vier ringförmige Abschnitte 7 mit entsprechend drei Aneinanderreihungen 8. Im dritten Ausführungsbeispiel ist die mittlere Aneinanderreihung 8 in Umfangsrichtung θ um eine halbe erste Länge 13 verschoben. Dadurch fluchten in Axialrichtung z betrachtet die Stege 10 nicht mehr. Diese Verschiebung der mittleren Aneinanderreihung 8 ermöglicht eine weitergehende Reduzierung des Wirbelstroms zwischen den einzelnen ringförmigen Abschnitten 7.
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7 zeigt des Weiteren eine Außenkante 15 der Mantelfläche des Rotorschutzrohres 4. Zur Herstellung des fertigen Rotorschutzrohres 4 wird die dargestellte Mantelfläche zusammengerollt und an diesen Außenkanten 15 verschweißt. Hierzu ist es insbesondere von Vorteil, dass diese Außenkanten 15 durchgehend sind und nicht durch Ausnehmungen 9 unterbrochen werden. Deshalb werden bei der versetzten Aneinanderreihung 8 an den Außenkanten 15 zwei kurze Ausnehmungen 16 vorgesehen. Diese kurzen Ausnehmungen 16 sind in etwa halb so lang in Umfangsrichtung θ wie die restlichen Ausnehmungen 9. Um ein ausgewuchtetes Rotationsverhalten des Rotorschutzrohrs 4 und des gesamten Rotors 1 zu erreichen, werden in der Mitte der Mantelfläche des Rotorschutzrohres 4 ebenfalls zwei kurze Ausnehmungen 16 angeordnet. Durch diese zwei kurzen Ausnehmungen 16 in der Mitte wird sichergestellt, dass die Mantelfläche des Rotorschutzrohrs 4 symmetrisch ist bezüglich der eingezeichneten Mittellinie 17. Durch diese symmetrische Ausbildung ist ein ausgewuchtetes Rotationsverhalten möglich. Die Mittellinie 17 erstreckt sich parallel zur Axialrichtung z und befindet sich in der Mitte zwischen den beiden Außenkanten 15 der Mantelfläche des Rotorschutzrohrs 4.
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8 zeigt die Mantelfläche des Rotorschutzrohrs 4 gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel. Gleiche bzw. funktional gleiche Teile sind in allen Ausführungsbeispielen mit denselben Bezugszeichen versehen. In 8 sind acht ringförmige Abschnitte 7 ausgebildet. Dementsprechend weist dieses Ausführungsbeispiel sieben Aneinanderreihungen 8 von Ausnehmungen 9 und Stegen 10 auf. Jede zweite Aneinanderreihung 8 ist um eine halbe erste Länge 13 in Umfangsrichtung θ verschoben. Zur Gewährleistung einer durchgehenden Außenkante 15 sind bei den verschobenen Aneinanderreihungen die außenliegenden Ausnehmungen wieder als kurze Ausnehmungen 16 ausgebildet. Für ein ausgewogenes Rotationsverhalten sorgen kurze Ausnehmungen 16 in der Mitte der Mantelfläche des Rotorschutzrohrs 4 in den verschobenen Aneinanderreihungen 8.
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Die vorgestellten Ausführungsbeispiele zeigen allesamt Mantelflächen für Rotorschutzrohre 4, die einstückig ausgebildet sind. Die einzelnen ringförmigen Abschnitte 7 sind durch Aneinanderreihungen 8 voneinander abgetrennt. Dadurch wird die Wirbelstrombildung im Rotorschutzrohr 4 weitgehend vermieden. Versuche haben gezeigt, dass mit einem Rotorschutzrohr 4 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel eine ähnliche Reduzierung der Wirbelstrombildung wie bei Rotorschutzrohren 20 gemäß dem Stand der Technik in 2 erreicht wird. Erfindungsgemäß sind die Rotorschutzrohre einstückig gefertigt und es muss somit nur ein Bauteil montiert werden. Dies führt zu einem erheblichen Kostenvorteil gegenüber den vorbekannten Anordnungen.
