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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft elektrische Maschinen, wie beispielsweise für Antriebseinheiten von Kraftfahrzeugen, insbesondere elektrische Maschinen mit Scheibenläufer.
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Stand der Technik
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Mit Scheibenläufern ausgebildete elektrische Maschinen zeichnen sich durch eine hohe Leistungsdichte bei einem vergleichsweise geringen Gewicht aus. Beispielsweise ist aus der Druckschrift
WO 2009/115247 A1 eine Transversalflussmaschine mit einem Scheibenrotor bekannt. In eine Rotorscheibe des Scheibenrotors sind in konstantem Abstand von einer Drehachse Permanentmagnete eingebettet, die in Umfangsrichtung magnetisiert sind. Benachbarte Permanentmagnete sind zueinander entgegengesetzt magnetisiert, so dass die einander zugewandten Pole zweier benachbarter Permanentmagnete jeweils gleichartig sind. Die Feldlinien zwischen diesen gleichartigen Polen werden damit so überlagert, dass ein sich in axialer und radialer Richtung von dem Polzwischenraum ausbreitendes Rotormagnetfeld erzeugt wird.
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Der Scheibenrotor ist axial zwischen zwei Statoreinheiten angeordnet, die jeweils eine konzentrisch um eine Motorachse verlaufende Statorwicklung aufweisen. Zu jeder der Statorwicklungen radial nach innen und außen versetzt weist jede der Statoreinheiten sich in Umfangsrichtung erstreckende und in Richtung des Scheibenrotors hervorstehende innere und äußere Statorzähne auf.
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Bei der Bestromung der Statorwicklung einer Statoreinheit wirkt eine Kraft auf die Magnetpole des Scheibenrotors in Richtung des in Umfangsrichtung am nächsten gelegenen Magnetpols der Statoreinheiten, der eine zu dem betreffenden Magnetpol entgegengesetzte Magnetisierung aufweist. Dadurch kann ein von der Position des Scheibenrotors sowie von Betrag und Vorzeichen des Statorstroms abhängiges Drehmoment erzeugt werden.
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In derartigen Scheibenläufermaschinen kommt es aufgrund von Stromflüssen durch die elektrischen Leiter der Statorwicklung sowie durch an der Oberfläche des magnetischen Materials auftretenden Wirbelströme zu einer Wärmeentwicklung in den Statoreinheiten. Dazu sieht die Druckschrift
WO 2009/115247 vor, die Statorwicklung mit Hohlleitern auszuführen, durch die Kühlmittel geleitet wird, um eine Kühlung zu erreichen. Die Verwendung von Hohlleitern für die Statorwicklung bewirkt eine im Vergleich zu einer externen Kühlung sehr gute Wärmeabfuhr und ermöglicht dadurch zum Beispiel eine Erhöhung der maximalen Stromdichte.
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Jedoch wird im Betrieb der Scheibenläufermaschine durch magnetischen Verluste auch Wärme in der als Scheibenrotor ausgebildeten Läufereinheit erzeugt, die aufgrund des zwischen der Läufereinheit und den Statoreinheiten befindlichen Luftspalts nur ungenügend über eine etwaige Kühlung in den Statoreinheiten abgeführt wird. Zudem kann in der Läufereinheit entstehende Wärme nur sehr schwierig über die Läufereinheit abgeführt werden, da diese üblicherweise aus einem elektrisch und magnetisch nicht leitenden Material hergestellt wird, in das Permanentmagnete und/oder weichmagnetische Elemente eingebettet sind.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Läufereinheit zum Aufbau einer mehrphasigen elektrischen Maschine, insbesondere einer Scheibenläufermaschine, zur Verfügung zu stellen, die eine verbesserte Abfuhr der in der Läufereinheit durch magnetische Verluste erzeugten Wärme ermöglicht.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch die Läufereinheit für eine mehrphasige elektrische Maschine, insbesondere für eine Scheibenläufermaschine, gemäß Anspruch 1 sowie durch die mehrphasige elektrische Maschine gemäß dem nebengeordneten Anspruch gelöst.
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Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Gemäß einem ersten Aspekt ist eine Läufereinheit für eine mehrphasige elektrische Maschine vorgesehen, umfassend:
- – einen ringförmigen Scheibenläufer aus einem nicht leitenden und nicht-magnetischem Material;
- – eine sich in Umfangsrichtung erstreckende magnetisch aktive Anordnung, die an dem Scheibenläufer angeordnet oder in diesen eingebettet ist; und
- – einen Rotorträger zum Halten des Scheibenläufers,
wobei eine Wärmeableiteinrichtung zwischen einer radial nach außen gerichteten Fläche des Rotorträgers und einer radial nach innen gerichteten Fläche der magnetisch aktiven Anordnung angeordnet ist, um eine in der magnetisch aktiven Anordnung erzeugte Wärme in den Rotorträger abzuführen.
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Eine Idee der obigen Läufereinheit besteht darin, Wärme, die in magnetisch aktiven Magnetelementen der Läufereinheit entsteht, mihilfe einer Wärmeableiteinrichtung, die mit diesen in thermischem Kontakt steht, zu einem Läuferträger abzuleiten. Dadurch kann eine deutlich bessere Entwärmung der Magnetelemente erreicht werden, als dies bei den herkömmlichen aus Kunststoff bzw. Kohlefaserverbundmaterial gefertigten Läufereinheiten der Fall ist.
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Insbesondere bei Verwendung von Permanentmagneten als Magnetelemente kann dadurch, dass die Temperatur der Magnetelemente verringert wird, die Abnahme der Magnetisierung über die Lebensdauer verringert und insbesondere das Entmagnetisierungsverhalten verbessert werden. Folglich kann in der Läufereinheit günstigeres Magnetmaterial für die Permanentmagnete verwendet werden, z. B. SMC-Materialien anstelle von Seltenen-Erden-Materialien.
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Weiterhin kann die magnetisch aktive Anordnung einen elektrisch leitenden Rotorring oder jeweils voneinander in Umfangsrichtung beabstandete weichmagnetische Magnetelemente oder voneinander in Umfangsrichtung beabstandete Permanentmagnete aufweisen.
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Insbesondere kann die Wärmeableiteinrichtung ein ringförmiges Wärmeableitelement umfassen, das an der radial nach außen gerichteten Fläche des Rotorträgers anliegt und mit der radial nach innen gerichteten Fläche der magnetisch aktiven Anordnung in thermischen Kontakt ist.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Wärmeableiteinrichtung mehrere in Umfangsrichtung angeordnet einzelne Wärmeableitelemente umfasst, die jeweils an der radial nach außen gerichteten Fläche des Rotorträgers anliegen und mit der radial nach innen gerichteten Fläche der weichmagnetischen, voneinander in Umfangsrichtung beabstandeten Magnetelemente oder der voneinander in Umfangsrichtung beabstandeten Permanentmagnete in thermischem Kontakt sind.
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Gemäß einer Ausführungsform kann der Scheibenläufer mit einem Verbindungselement, insbesondere einem Flansch, versehen sein.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Verbindungselement zum Verbinden des Scheibenläufers mit dem Rotorträger an einer axial gerichteten Verbindungsfläche, insbesondere durch Kleben oder Verschrauben, ausgebildet ist, wobei das Verbindungselement so mit dem Rotorträger verbunden ist, dass die Wärmeableiteinrichtung in thermischem Kontakt mit der radial nach außen gerichteten Fläche des Rotorträgers steht.
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Der Rotorträger kann kreiszylindrisch, insbesondere tassen- oder glockenförmig, ausgebildet sein. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass der Rotorträger mit einem oder mehreren Kühlungsstrukturen versehen ist, die bei einer Drehung des Rotorträgers eine Wärmeabführung an die Umgebung ermöglichen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine mehrphasige elektrische Maschine vorgesehen, umfassend:
- – die obige Läufereinheit; und
- – mindestens eine Statoreinheit, die axial versetzt zu der Läufereinheit angeordnet ist, wobei die magnetisch aktive Anordnung und die Statorzähne einer ringförmigen Statorzahnanordnung der Statoreinheit einander in axialer Richtung gegenüberliegen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Querschnittsdarstellung einer mehrphasigen elektrischen Maschine mit einem Scheibenrotor;
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2 eine Draufsicht auf eine Schnittdarstellung durch einen Scheibenrotor für die elektrische Maschine der 1; und
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3 eine Draufsicht auf eine Schnittdarstellung durch einen weiteren Scheibenrotor für die elektrischen Maschine der 1.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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In 1 ist eine schematische Querschnittsdarstellung einer elektrischen Maschine 1 mit einer Läufereinheit gezeigt, die als ein Scheibenrotor 2, der einem Scheibenläufer entspricht, ausgebildet ist. Insbesondere kann die in 1 gezeigte elektrische Maschine 1 als Transversalflussmaschine oder Axialflussmaschine ausgebildet sein. Der Scheibenrotor 2 ist ringförmig und drehbeweglich um eine an einem Lager 3 gelagerte Rotorwelle 4 angeordnet.
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Der Scheibenrotor 2 ist zwischen zwei Statoreinheiten 5 angeordnet. Die Statoreinheiten 5 sind einander in axialer Richtung gegenüberliegend angeordnet, wobei der Scheibenrotor 2 frei drehbeweglich zwischen den Statoreinheiten 5 angeordnet ist.
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Die Statoreinheiten 5 weisen jeweils eine oder mehrere zu der axialen Richtung A der Rotorwelle 4 konzentrische Statorzahnanordnungen mit in Umfangsrichtung U zueinander benachbarten Statorzähnen 6 auf, die in axialer Richtung A von einem ringförmigen magnetischen Rückschlussbereich 7 abstehen. Die Statorzähne 6 bilden dadurch gemeinsam mit einem magnetischen Rückschlussbereich 7 einen Statorkörper aus magnetisch leitfähigem Material. Die Statorzähne 6 können an dem magnetischen Rückschlussbereich 7 angebracht bzw. einstückig mit diesem, z. B. durch Pressformen eines SMC-Materials, ausgebildet sein.
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Die Statorzähne 6 der Statoreinheiten 5 sind zueinander gewandt ausgerichtet. Die Statorzähne 6 können in geeigneter Weise einzeln, in Gruppen oder mit der Statorzahnanordnung umlaufend mit einer Statorwicklung (nicht gezeigt) bewickelt sein, um ein Wechselmagnetfeld zwischen einander gegenüberliegenden Statorzähnen 6 der einander gegenüberliegenden Statoreinheiten 5 auszubilden.
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Der Scheibenrotor 2 ist aus einem magnetisch und elektrisch nicht leitenden Material ausgebildet, wie beispielsweise aus einem Kunststoff oder einem Kohlefaserverbundwerkstoff oder dergleichen.
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Wie aus 2 ersichtlich ist, die eine Draufsicht auf eine Schnittdarstellung des Scheibenrotors 2 zeigt, können in dem Scheibenrotor 2 zueinander benachbarte und voneinander beabstandete Permanentmagnete 8 angeordnet oder eingebettet sein. Anstelle von Permanentmagneten 8 können auch weichmagnetische Magnetelemente vorgesehen bzw. angeordnet werden. Die Magnetelemente oder Permanentmagnete 8 sind entlang einer ringförmigen Magnetringanordnung in dem Scheibenrotor 2 angeordnet, wobei die Permanentmagnete 8 in der Magnetringanordnung in einer Umfangsrichtung U voneinander beabstandet sind.
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Die durch die Permanentmagnete 8 ausgebildeten Rotorpole verlaufen zwischen den Statorzähnen 6 der Statoreinheiten 5. Dadurch können die Rotorpole mit dem von den Statorzähnen 6 der Statoranordnungen in den Statoreinheiten 5 im Betrieb bewirkten Magnetfeld wechselwirken, so dass eine in Umfangsrichtung U wirkende Kraft auf den Scheibenrotor 2 ausgeübt wird.
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Der Scheibenrotor 2 ist an einem Rotorträger 9 befestigt, der direkt mit der Rotorwelle 4 verbunden sein kann. Der Rotorträger 9 kann beispielsweise scheibenförmig ausgebildet sein und in der Ebene des Scheibenrotors 2 diesen mit der Rotorwelle 4 verbinden.
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In einer alternativen in 1 dargestellten Ausführungsform kann der Rotorträger 9 kreiszylindrisch, insbesondere glockenförmig oder tassenförmig, ausgebildet sein, so dass der Rotorträger 9 an einer axialen Position mit der Rotorwelle 4 gekoppelt ist, die zu dem Scheibenrotor 2 in axialer Richtung A versetzt ist. Dadurch kann ein Bauraum geschaffen werden, der zur Aufnahme eines Getriebes oder sonstiger für ein Antriebssystem benötigter Komponenten, wie beispielsweise einer Kupplung oder dergleichen, geeignet ist. Insbesondere kann das Lager 3 im Inneren des glockenförmigen Rotorträgers 9 angeordnet sein.
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Der Scheibenrotor 2 ist mit dem Rotorträger 9 in geeigneter Weise, zum Beispiel über einen Flansch 10, verbunden, der an einer in die axiale Richtung A weisenden Stirnfläche 11 des zylinderförmigen Rotorträgers 9, z. B. durch eine Schraubverbindung mit einer oder mehreren Schrauben, befestigt ist. In weiteren Ausführungsformen kann über den Flansch 10 die Rotorscheibe 2 mit dem Rotorträger 9 durch Kleben verbunden werden.
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Der Flansch 10 ist axial zu dem Scheibenrotor 2 derart versetzt, dass beim Verbinden mit dem Rotorträger 9 der Scheibenrotor 2 mit einer Anlagefläche an einem Abschnitt der äußeren Mantelfläche 12 des Rotorträgers 9 anliegt.
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Zwischen den Permanentmagneten 8 und dem Rotorträger 9, insbesondere bei dem glockenförmigen Rotorträger 9 an der äußeren Mantelfläche 12 des Rotorträgers 9, ist eine Wärmeableiteinrichtung vorgesehen. Die Wärmeableiteinrichtung dient dazu, die entstehende Wärme mit einem geringem thermischen Widerstand von den Magnetelementen bzw. den Permanentmagneten 8 zu dem Rotorträger 9 zu übertragen. Dazu kann, wie in 2 gezeigt, die Wärmeableiteinrichtung als ein ringförmiges Wärmeableitelement 15 vorgesehen sein, so dass die radial innen liegenden Seitenflächen der weichmagnetischen Magnetelemente oder der Permanentmagnete 8 daran anliegen und thermisch mit dem Wärmeableitelement 15 verbunden sind.
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Das Wärmeableitelement 15 liegt weiterhin an der äußeren Mantelfläche 12 des Rotorträgers 9 an, so dass ein thermischer Kontakt zwischen dem Wärmeableitelement 15 und der äußeren Mantelfläche 12 erreicht wird und darüber eine Wärmeableitung von den Permanentmagneten 8 zu dem Rotorträger 9 gewährleistet werden kann.
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Das Wärmeableitelement 15 ist vorzugsweise aus einem thermisch leitfähigen Material, insbesondere einem Metall, beispielsweise Stahl oder Aluminium, ausgebildet. Insbesondere ist bevorzugt, das Wärmeableitelement 15 aus einem nicht magnetischen, metallischen Material, beispielsweise Aluminium, auszubilden, um einen magnetischen Rückschluss durch das Wärmeableitelement 15 zu vermeiden.
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Um die Aufnahme der Wärme zu ermöglichen, kann der Rotorträger 9 aus einem gut wärmeleitenden Material, wie z. B. ein Metall, ausgebildet sein. Um den Betrieb der elektrischen Maschine 1 nicht zu beeinflussen, sollte das Material weiterhin als nicht magnetisches Material gewählt werden. Weiterhin kann, um die Wärmeabführung durch den Rotorträger 9 über dessen Oberflächen weiterhin zu verbessern, dieser an sich bewegenden Flächen mit Kühlungsstrukturen 13 versehen sein, die von einer Fläche des Rotorkörpers abstehen, so dass sie bei einer Drehung des Rotorträgers 9 von Luft umströmt werden und damit zur Kühlung des Rotorträgers 9 beitragen. Insbesondere können die Kühlungsstrukturen 13 an einer inneren Mantelfläche 14 des Rotorträgers 9 und/oder an einer Stirnfläche des Rotorträgers 9 angeordnet sein.
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Alternativ kann statt der benachbarten Magnetelemente bzw. der zueinander benachbarten Permanentmagnete 8 auch ein umlaufender elektrisch leitender, z.B. metallischer Rotorring vorgesehen sein. In einer solchen Ausführungsform können in dem von den Statoreinheiten 5 bereitgestellten Wechselmagnetfeld Wirbelströme induziert werden, die wiederum ein Rotormagnetfeld bereitstellen, das mit dem von den Statoreinheiten 5 bereitgestellten Magnetfeld wechselwirkt. Ein solcher ringförmiger Rotorring kann dann an seiner innenseitigen Fläche thermisch mit dem oben beschriebenen ringförmigen Wärmeableitelement 15 gekoppelt sein.
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In 3 ist eine weitere Ausführungsform des Scheibenrotors 2 dargestellt. In der Ausführungsform der 3 ist die Wärmeableiteinrichtung aus einzelnen ringsegmentförmigen Wärmeableitelementen 16 ausgebildet, die an der radial nach innen gerichteten Seite der weichmagnetischen Magnetelemente bzw. der Permanentmagnete 8 angesetzt sind. Die einzelnen Wärmeableitelemente 16 sind voneinander in Umfangsrichtung U beabstandet angeordnet und verbinden jeweils einen der Magnetelemente bzw. Permanentmagnete 8 thermisch mit der äußeren Mantelfläche 12 des Rotorträgers 9.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2009/115247 A1 [0002]
- WO 2009/115247 [0005]
