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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Maschine, ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine und ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Maschine.
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Turbomaschinen können durch einen Elektromotor angetrieben werden oder selbst einen Generator antreiben. Beispielsweise kann ein solcher Elektromotor in einen Rotor der Turbomaschine integriert sein. Dadurch kann sich eine Dynamik des Rotors ändern.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit der vorliegenden Erfindung eine verbesserte elektrische Maschine, ein Verfahren zum Betreiben einer solchen elektrischen Maschine sowie ein Verfahren zum Herstellen einer solchen elektrischen Maschine gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Der vorliegende Ansatz beruht auf der Erkenntnis, dass ein Rotor einer elektrischen Maschine mithilfe eines Axiallagers daran gehindert werden kann, unerwünschte Bewegungen in axialer Richtung auszuführen. Vorteilhafterweise kann ein solches Axiallager unter Verwendung des Rotors sowie eines Stators der elektrischen Maschine realisiert werden. Hierbei kann ein quer zu einer Drehachse des Rotors angeordneter Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator als axiales Luftlager dienen. Dadurch kann einerseits eine Dynamik des Rotors verbessert werden und andererseits auf zusätzliche Axiallagerkonstruktionen verzichtet werden, was Kosten und Gewicht spart.
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Es wird eine elektrische Maschine mit folgenden Merkmalen vorgestellt:
einem Stator;
einem um eine Drehachse drehbar gelagerten Rotor; und
einem Luftspalt zum Lagern des Rotors in axialer Richtung in Bezug auf die Drehachse, wobei der Luftspalt quer zur Drehachse zwischen einer Rotoroberfläche des Rotors und einer Statoroberfläche des Stators angeordnet ist.
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Unter einer elektrischen Maschine kann eine Maschine zum Wandeln elektrischer Energie in mechanische Energie oder zum Wandeln mechanischer Energie in elektrische Energie verstanden werden. Unter einem Stator kann ein feststehender Teil der elektrischen Maschine, unter einem Rotor ein um eine Drehachse drehbarer Teil der elektrischen Maschine verstanden werden. Unter einer Drehachse kann eine Gerade verstanden werden, um die eine Drehung des Rotors erfolgen kann. Der Rotor kann in dem Stator drehbar gelagert sein. Hierbei kann der Stator beispielsweise in Form eines Gehäuses der elektrischen Maschine ausgeführt sein. Ferner kann umgekehrt der Stator zwischen dem Rotor angeordnet sein. Unter einem Luftspalt kann ein geringer luftgefüllter Abstand zwischen einer Rotor- und einer Statoroberfläche verstanden werden. Die Rotor- und die Statoroberfläche können hierbei einander zugewandt sein. Beispielsweise kann der Luftspalt ausgebildet sein, um einen magnetischen Fluss zwischen dem Rotor und dem Stator zu führen. Der Luftspalt kann quer zur Drehachse des Rotors angeordnet sein. Beispielsweise kann eine Ausdehnung des Luftspalts in Querrichtung des Luftspalts um ein Vielfaches größer sein als eine Ausdehnung des Luftspalts in Längsrichtung der Drehachse. Vorteilhafterweise kann der Luftspalt ausgebildet sein, um die Funktion eines Luftlagers zum Lagern des Rotors entlang der Drehachse zu erfüllen.
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Ein solcher Aufbau kann für Turbomaschinen eingesetzt werden, die durch einen Elektromotor angetrieben werden oder selbst einen Generator antreiben. Vor allem bei kleinen, hochdrehenden Turbomaschinen kann durch eine Integration eines Elektromotors in einen Rotor der Turbomaschine eine Rotordynamik ungünstig beeinflusst werden. Durch eine Kombination eines Läufers der elektrischen Maschine mit einem Axiallager der Turbomaschine kann dem entgegengewirkt werden.
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Durch die Kombination des Läufers der elektrischen Maschine mit dem Axiallager der Turbomaschine kann die Dynamik des Rotors verbessert werden. Ferner können dadurch im Vergleich zu einer herkömmlichen Maschine eine Verkürzung des Rotors, eine Reduzierung eines Lagerabstands sowie eine Gewichtsreduktion erreicht werden.
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Gemäß einer Ausführungsform des vorliegenden Ansatzes kann die Rotoroberfläche und/oder die Statoroberfläche eine aerodynamische Struktur aufweisen, die ausgebildet sein kann, um zum Lagern des Rotors einen Luftfilm in dem Luftspalt zu erzeugen, wenn der Rotor in eine Drehbewegung versetzt wird. Bei der aerodynamischen Struktur kann es sich beispielsweise um eine Mehrzahl nebeneinander angeordneter Rillen oder um eine sonstige reliefartige Struktur der Rotor- und/oder der Statoroberfläche handeln. Unter einem Luftfilm kann ein dünnes Luftpolster verstanden werden, das ab einer bestimmten Drehzahl des Rotors durch die aerodynamische Struktur in dem Luftspalt erzeugt wird. Dadurch kann eine besonders reibungsarme und effiziente axiale Lagerung des Rotors realisiert werden.
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Des Weiteren kann der Luftspalt Teil eines aerostatischen Lagers sein. Unter einem aerostatischen Lager kann ein Luftlager verstanden werden, bei dem der zum axialen Lagern des Rotors erforderliche Luftfilm mittels Druckluft erzeugt wird. Hiezu kann der Stator in einem Bereich des Luftspalts beispielsweise einen Druckluftanschluss aufweisen, durch den die Druckluft zum Erzeugen des Luftfilms in den Luftspalt eingeleitet werden kann. Das aerostatische Lager hat den Vorteil, dass der Luftfilm unabhängig von einer Drehzahl des Rotors erzeugt werden kann. Dadurch kann eine hohe Zuverlässigkeit der axialen Lagerung gewährleistet werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des vorliegenden Ansatzes kann die elektrische Maschine zumindest eine Anlaufscheibe aufweisen, die ausgebildet ist, um die Rotor- und die Statoroberfläche in einem Bereich des Luftspalts in einem vorgegebenen Mindestabstand zueinander zu halten. Unter einer Anlaufscheibe kann eine Scheibe aus einem reibungsmindernden Material wie beispielsweise Grafit oder einem speziellen Kunststoff verstanden werden. Die Anlaufscheibe kann beispielsweise im Bereich des Luftspalts zwischen der Rotor- und der Statoroberfläche angeordnet sein und ausgebildet sein, um entlang der Drehachse wirkende Kräfte aufzunehmen. Dadurch kann ein unerwünschter Kontakt zwischen der Rotor- und der Statoroberfläche verhindert werden. Unter einem vorgegebenen Mindestabstand kann eine minimale Breite des Luftspalts verstanden werden, bei der sich die Rotor- und die Statoroberfläche nicht berühren. Der vorgegebene Mindestabstand kann etwa durch eine Dicke der Anlaufscheibe eingestellt werden. Mittels der Anlaufscheibe kann eine freie Bewegung des Rotors, insbesondere bei niedrigen Drehzahlen des Rotors, sichergestellt werden.
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Ferner kann die Rotor- und/oder die Statoroberfläche in einem Bereich des Luftspalts zumindest teilweise mit einer Hartstoffschicht bedeckt sein. Unter einer Hartstoffschicht kann eine Schicht aus einem besonders harten und verschleißfesten Material wie beispielsweise Kohlenstoff verstanden werden. Mittels der Hartstoffschicht kann ebenfalls mit hoher Zuverlässigkeit verhindert werden, dass die Rotor- und die Statoroberfläche einander berühren.
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Die elektrische Maschine kann zudem einen scheibenförmigen Rotor aufweisen. Bei dem scheibenförmigen Rotor kann es sich beispielsweise um einen Scheibenläufer eines Scheibenläufermotors oder -generators handeln. Dadurch, dass der scheibenförmige Rotor eine verhältnismäßig große Rotoroberfläche aufweist und somit auch der Luftspalt eine entsprechend große Ausdehnung quer zur Drehachse des Rotors aufweist, kann eine hohe Robustheit des durch den Luftspalt gebildeten Luftlagers gegenüber axialen Kräften gewährleistet werden. Ferner bietet der scheibenförmige Rotor den Vorteil einer hohen Laufruhe und Leistungsdichte.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des vorliegenden Ansatzes kann die elektrische Maschine zumindest ein Radiallager aufweisen, das ausgebildet ist, um den Rotor ausschließlich in radialer Richtung zu lagern. Unter einem Radiallager kann ein ringförmiges Lager verstanden werden, das ausgebildet ist, um eine Bewegung des Rotors quer zur Drehachse zu verhindern und eine Bewegung des Rotors entlang der Drehachse zuzulassen. Beispielsweise kann es sich bei dem Radiallager um ein Gleitlager handeln. Durch das Radiallager kann gemäß einer nachfolgend beschriebenen Ausführungsform eine um die Drehachse drehbare Rotorwelle hindurchgeführt sein. Ein solches Radiallager kann sehr kostengünstig bereitgestellt werden. Ferner bietet es den Vorteil eines geringen Wartungsaufwands.
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Darüber hinaus kann die elektrische Maschine ein Verdichterrad und eine um die Drehachse drehbare Rotorwelle aufweisen. Hierbei können das Verdichterrad und der Rotor je verdrehfest mit der Rotorwelle verbunden sein. Unter einem Verdichterrad kann beispielsweise ein mit Flügeln oder Schaufeln besetztes Rad verstanden werden, das ausgebildet ist, um bei einer Drehbewegung der Rotorwelle einen Druckunterschied zwischen einem Bereich vor dem Verdichterrad und einem Bereich hinter dem Verdichterrad zu erzeugen. Unter einer Rotorwelle kann eine entlang der Drehachse ausgedehnte Welle verstanden werden, durch die der Rotor und das Verdichterrad um die Drehachse gedreht werden können. Beispielsweise kann das Verdichterrad ausgebildet sein, um von dem Rotor mittels der Rotorwelle angetrieben zu werden. Dadurch kann elektrische Energie in mechanische Energie gewandelt werden. Umgekehrt kann der Rotor ausgebildet sein, um von dem Verdichterrad mittels der Rotorwelle angetrieben zu werden. Dadurch kann mechanische Energie in elektrische Energie gewandelt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des vorliegenden Ansatzes kann die elektrische Maschine einen weiteren Luftspalt zum Lagern des Rotors in axialer Richtung aufweisen. Dabei kann der weitere Luftspalt quer zur Drehachse zwischen einer weiteren Rotoroberfläche des Rotors und einer weiteren Statoroberfläche des Stators angeordnet sein. Beispielsweise kann der Rotor zwischen dem Luftspalt und dem weiteren Luftspalt angeordnet sein. Dadurch kann eine axiale Bewegung des Rotors in zwei Richtungen verhindert werden.
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Der vorliegende Ansatz schafft zudem ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine, die einen Stator, einen um eine Drehachse drehbar gelagerten Rotor und einen quer zur Drehachse zwischen einer Rotoroberfläche des Rotors und einer Statoroberfläche des Stators angeordneten Luftspalt aufweist. Hierbei wird ein Luftlager in dem Luftspalt ausgebildet, um den Rotor in axialer Richtung zu lagern.
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Schließlich schafft der vorliegende Ansatz ein Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Maschine, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Bereitstellen eines Stators und eines um eine Drehachse drehbaren Rotors; und
Zusammenfügen des Stators und des Rotors, wobei das Zusammenfügen derart erfolgt, dass quer zur Drehachse zwischen einer Rotoroberfläche des Rotors und einer Statoroberfläche des Stators ein Luftspalt zum Lagern des Rotors in axialer Richtung erzeugt wird.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine sehr vereinfachte schematische Darstellung einer elektrischen Maschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 eine Querschnittsdarstellung einer Turbomaschine mit einer elektrischen Maschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben einer elektrischen Maschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer elektrischen Maschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer elektrischen Maschine 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die elektrische Maschine 100 umfasst einen Stator 105, einen Rotor 110 sowie einen Luftspalt 115. Der Rotor 110 ist um eine Drehachse 120 drehbar gelagert. Eine Drehrichtung des Rotors 110 um die Drehachse 120 ist mit einem Pfeil gekennzeichnet.
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Der Stator 105 weist eine Statoroberfläche 125, der Rotor 110 eine Rotoroberfläche 130 auf. Die Oberflächen 125, 130 sind einander zugewandt und verlaufen gemäß diesem Ausführungsbeispiel je quer, also senkrecht zur Drehachse 120. Ferner sind die Oberflächen 125, 130 durch den Luftspalt 115 voneinander getrennt.
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Gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel sind die Oberflächen 125, 130 nicht senkrecht zur Drehachse 120 ausgerichtet, sondern sind als Flächen ausgeführt, die in einem flacheren Winkel, also schräg, zur Drehachse 120 verlaufen. Beispielsweise kann ein Scheibenläufer mit einem solchen Axiallager derart gestaltet sein.
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Der Luftspalt 115 ist ausgebildet, um eine magnetische Wechselwirkung zwischen dem Stator 105 und dem Rotor 110 zu ermöglichen. Gleichzeitig dient der Luftspalt 115 als axiales Luftlager des Rotors 110, um eine Bewegung des Rotors 110 entlang der Drehachse 120 während einer Drehbewegung des Rotors 110 zu verhindern. Die elektrische Maschine 100 ist entweder als Elektromotor oder als Generator ausgebildet.
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Das beschriebene Prinzip lässt sich auf verschiedene bürstenlose elektrische Maschinen übertragen, wird nachfolgend jedoch anhand eines Scheibenläufers demonstriert.
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2 zeigt eine Querschnittsdarstellung einer Turbomaschine 200 mit einer elektrischen Maschine 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Turbomaschine 200 weist die elektrische Maschine 100 auf.
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Gemäß dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Rotor 110 als eine rotationssymmetrische Scheibe ausgebildet. Ferner weist die Turbomaschine eine Rotorwelle 210 auf. Die Rotorwelle 210 verläuft durch ein Zentrum des Rotors 110 und ist verdrehfest mit dem Rotor 110 verbunden. Ein Endbereich der Rotorwelle 210 ist verdrehfest mit einem Verdichterrad 215 verbunden. Das Verdichterrad 215 weist einen konischen Querschnitt mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende auf, wobei das erste Ende einen minimalen und das zweite Ende einen maximalen Durchmesser des Verdichterrads 215 repräsentiert. Das erste Ende des Verdichterrads 215 schließt bündig mit der Rotorwelle 210 ab.
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Die Rotorwelle 210 ist ausgebildet, um eine Drehbewegung des Rotors 110 und des Verdichterrads 215 um die Drehachse 120 zu ermöglichen. Die Drehachse 120 ist in 2 mit einer entlang der Rotorwelle 210 verlaufenden gestrichelten Linie gekennzeichnet. Eine Drehrichtung der Rotorwelle 210 ist mit einem Pfeil dargestellt. Das Verdichterrad 215 ist beispielsweise ausgebildet, um die elektrische Maschine 100 zum Erzeugen einer elektrischen Spannung anzutreiben. Hierbei wird das Verdichterrad 215 durch einen auf das Verdichterrad gelenkten Luftstrom in eine Drehbewegung versetzt. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die elektrische Maschine 100 ausgebildet, um das Verdichterrad 215 anzutreiben. Dadurch kann ein Luftstrom beschleunigt werden.
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Der Stator 105 der elektrischen Maschine 100 ist in 2 in Form eines Gehäuses der Turbomaschine 200 realisiert. Hierbei weist der Stator 105 eine Rotoraussparung 225, eine Rotorwellenaussparung 230 sowie eine Verdichteraussparung 235 auf. In der Rotoraussparung 225 ist der Rotor 110, in der Rotorwellenaussparung 230 die Rotorwelle 210 und in der Verdichteraussparung 235 das Verdichterrad 215 angeordnet. Ein Durchmesser der Rotoraussparung 225 ist geringfügig größer als ein Außendurchmesser des Rotors 110, sodass eine Außenkante des Rotors 110 durch einen umlaufenden Hohlraum von einem der Außenkante gegenüberliegenden Wandbereich der Rotoraussparung 225 getrennt ist. Die Verdichteraussparung 235 ist beispielhaft über eine dem ersten Ende des Verdichterrads 215 gegenüberliegende Öffnung mit einer Außenumgebung der Turbomaschine 200 verbunden.
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Eine quer zur Rotorwelle 210 angeordnete Seitenfläche des Rotors 110 bildet die Rotoroberfläche 130. Ein der Rotoroberfläche 130 gegenüberliegender Wandbereich der Rotoraussparung 225 ist als die Statoroberfläche 125 ausgebildet. Hierbei ist die Statoroberfläche 125 Teil einer ersten elektrisch leitfähigen Spule 240 der elektrischen Maschine 100. Die Oberflächen 125, 130 sind wie in 1 durch den Luftspalt 115 voneinander getrennt. Ferner weist der Rotor 110 eine weitere Rotoroberfläche 245 auf. Die weitere Rotoroberfläche 245 ist durch eine der Rotoroberfläche 130 abgewandte Seitenfläche des Rotors 100 gebildet. Ein der weiteren Rotoroberfläche 245 gegenüberliegender weiterer Wandbereich der Rotoraussparung 225 ist als eine weitere Statoroberfläche 250 ausgebildet. Hierbei ist die weitere Statoroberfläche 250 Teil einer zweiten elektrisch leitfähigen Spule 255 der elektrischen Maschine 100. Die Spulen 240, 255 verlaufen je ringförmig um die Rotorwelle 210. Die weiteren Oberflächen 245, 250 sind wie die Oberflächen 125, 130 quer zur Drehachse 120 angeordnet und durch einen weiteren Luftspalt 260 voneinander getrennt. Die Luftspalte 115, 260 sind durch den umlaufenden Hohlraum miteinander verbunden. Der umlaufende Hohlraum kann gegebenenfalls mit der Umgebung verbunden sein oder eine Verbindung zu einem erforderlichen Fluid aufweisen. Zwischen den Luftspalten 115, 260 ist der Rotor 110 angeordnet. Der Rotor 110 wird durch die Luftspalte 115, 260 axial gelagert. Die Rotoroberflächen 130, 245 können auch als Laufflächen des Rotors 110 bezeichnet werden.
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Die Rotoroberflächen 130, 245 sind gemäß diesem Ausführungsbeispiel je mit einer aerodynamischen Struktur ausgeführt (in 2 nicht sichtbar). Die Struktur kann beispielsweise als Spiralrillenstruktur (Spiralrillenlager mit Herringbone, Magnetlager, Kippsegmentlager, Folienlager oder auch deren Kombination) ausgeführt sein. Generell können alle Arten von „Luftlagern“ verwendet werden, auch in Kombination, die auf der Funktion des Luftspaltes aufbauen (Tragfähigkeit und Dämpfung durch Luftspalt). Funktional liegt im Stillstand die Axiallagerscheibe gegebenenfalls auf (Kontakt). Die Drehung der Welle führt dazu, dass sich der Luftspalt ausbildet und nur noch Luftreibung vorhanden ist. Dies ist bei hohen Drehzahlen unabdingbar, da ansonsten die Reibleistung zu hoch wäre.
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Die aerodynamische Struktur ist ausgebildet, um zum axialen Lagern des Rotors 110 je einen Luftfilm in den Luftspalten 115, 260 zu erzeugen. Dadurch, dass der Luftfilm auf beiden Seiten des Rotors 110 erzeugt wird, kann ein Hin-und-her-Bewegen des Rotors 110 entlang der Drehachse 120 verhindert werden. Alternativ oder zusätzlich können auch die Statoroberflächen 125, 250 mit der aerodynamischen Struktur ausgeführt sein.
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Die Rotorwelle 210 ist ferner durch ein erstes Radiallager 265 und ein zweites Radiallager 270 hindurchgeführt. Die Radiallager 265, 270 sind in der Rotorwellenaussparung 230 benachbart zum Rotor 110 angeordnet, wobei der Rotor 110 zwischen den Radiallagern 265, 270 angeordnet ist. Das erste Radiallager 265 ist von der Rotoroberfläche 130 durch den Luftspalt 115 getrennt. Das zweite Radiallager 270 ist von der weiteren Rotoroberfläche 245 durch den weiteren Luftspalt 260 getrennt. Die Luftspalte 115, 260 sind in einem Bereich der Radiallager 265, 270 deutlich breiter ausgeführt als in einem Bereich der Spulen 240, 255. Die Radiallager 265, 270 sind ausgebildet, um eine Bewegung der Rotorwelle 210 quer zur Drehachse 120 zu verhindern. Die Radiallager 265, 270 können als reine Radiallager ausgeführt sein. Alternativ können die Radiallager 265, 270 als Radiallager ausgeführt sein, die nur einen Bruchteil einer tatsächlichen Belastung durch axiale Kräfte am Rotor 110 aufnehmen können.
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Die elektrische Maschine 100 weist einen optionalen Anlaufbereich A mit einer ersten Anlaufscheibe 275 und einer zweiten Anlaufscheibe 280 auf. Der Anlaufbereich A ist mit einem Kreis markiert. Die Anlaufscheiben 275, 280 sind in der Rotoraussparung 225 angeordnet und verlaufen rings um die Rotorwelle 210. Die erste Anlaufscheibe 275 ist zwischen dem ersten Radiallager 265 und dem Rotor 110 angeordnet. Die zweite Anlaufscheibe 280 ist zwischen dem zweiten Radiallager 270 und dem Rotor 110 angeordnet. Ein jeweiliger Innendurchmesser der Anlaufscheiben 275, 280 ist geringfügig größer als ein jeweiliger Außendurchmesser der Radiallager 265, 270. Ferner ist die erste Anlaufscheibe 275 zwischen der ersten Spule 240 und dem ersten Radiallager 265 angeordnet und die zweite Anlaufscheibe 280 zwischen der zweiten Spule 255 und dem zweiten Radiallager 270 angeordnet. Die Anlaufscheiben 275, 280 sind derart in der Rotoraussparung 225 angeordnet, dass ein Abstand zwischen der ersten Anlaufscheibe 275 und der Rotoroberfläche 130 geringfügig kleiner ist als eine Breite des Luftspalts 115 und ein Abstand zwischen der zweiten Anlaufscheibe 280 und der weiteren Rotoroberfläche 245 geringfügig kleiner ist als eine Breite des weiteren Luftspalts 260. Die Anlaufscheiben 275, 280 sind ausgebildet, um insbesondere bei niedrigen Drehzahlen des Rotors 110 einen Kontakt der Statoroberflächen 125, 250 mit den Rotoroberflächen 130, 245 zu verhindern. Zu diesem Zweck sind die Anlaufscheiben 275, 280 beispielsweise aus Grafit oder einem ähnlich widerstandsfähigen und reibungsmindernden Material gefertigt.
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Gemäß dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Rotor 110 in einem Bereich der Spulen 240, 255 mit einem oder mehreren Permanentmagneten 285 ausgestattet oder als Permanentmagnet 285 ausgeführt. Der Rotor 110 kann dementsprechend auch als Trägerscheibe bezeichnet werden.
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Rings um das Verdichterrad 215 ist ferner ein Luftkanal 290 in dem Stator 105 ausgebildet. Der Luftkanal 290 ist über einen quer zur Rotorwelle 210 verlaufenden Verbindungsspalt mit der Verdichteraussparung 235 verbunden. Der Luftkanal 290 ist beispielsweise über eine (in 2 nicht dargestellte) Luftkanalöffnung mit der Außenumgebung oder einem weiterführenden Luftkanal verbunden. Der Luftkanal 290 ist ausgebildet, um ein zum Betreiben der Turbomaschine 200 erforderliches Fluid in die Verdichteraussparung 235 einzuleiten und/oder daraus abzuleiten.
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Zur besseren Übersicht ist in 2 nur eine obere Hälfte der Turbomaschine 200 dargestellt. Eine untere Hälfte kann als Spiegelung der oberen Hälfte an der Drehachse 120 hinzugedacht werden.
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Ein in 2 gezeigtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist einen Scheibenläufer 110 mit Axiallagerfunktion auf. Der Scheibenläufer 110 kann auch als Rotor 110, Anker 110, Läufer oder Laufrad bezeichnet werden. Der Scheibenläufer 110 ist zwischen den Radiallagern 265, 270 angebracht. Der Scheibenläufer 110 kann als Generator oder Motor genutzt werden, gleichzeitig dient er als Axiallager. Das Axiallager ist hierbei in einem axialen Luftspalt 115, 260 der elektrischen Maschine 100 untergebracht.
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Im Anlaufbereich A ist links und rechts des Ankers 110 eine Anlaufscheibe 275, 280 vorgesehen, beispielsweise ein Grafitring, der bei geringer Drehzahl einen Kontakt mit dem Gehäuse 105 (auch Stator 105 genannt) verhindert. Alternativ ist eine Kohlenstoffschicht auf dem Anker 110 und/oder dem Gehäuse 105 vorgesehen.
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Bei höherer Drehzahl übernimmt eine aerodynamische Struktur (auch Luftlagerstruktur genannt) auf dem Anker 110 und/oder dem Gehäuse 105 die Axiallagerfunktion und hält gleichzeitig die Luftspalte 115, 260 für die elektrische Maschine 100 vor. Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel kann die aerodynamische Struktur durch ein (in 2 nicht gezeigtes) aerostatisches Lager (druckluftgespeist) in den Luftspalten 115, 260 ersetzt werden.
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3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 300 zum Betreiben einer elektrischen Maschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Hierbei weist die elektrische Maschine einen Stator, einen um eine Drehachse drehbar gelagerten Rotor und einen quer zur Drehachse zwischen einer Rotoroberfläche des Rotors und einer Statoroberfläche des Stators angeordneten Luftspalt auf. In einem Schritt 305 wird ein Luftlager in dem Luftspalt ausgebildet, um den Rotor in axialer Richtung zu lagern.
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4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 400 zum Herstellen einer elektrischen Maschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In einem Schritt 405 werden ein Stator und ein um eine Drehachse drehbarer Rotor bereitgestellt. Anschließend erfolgt in einem Schritt 410 das Zusammenfügen des Stators und des Rotors, wobei das Zusammenfügen derart erfolgt, dass quer zur Drehachse zwischen einer Rotoroberfläche des Rotors und einer Statoroberfläche des Stators ein Luftspalt zum Lagern des Rotors in axialer Richtung erzeugt wird.
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Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
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Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
