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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Rotor für elektrische Maschine. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Fertigen eines solchen Rotors.
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Hintergrund der Erfindung
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Elektrische Maschinen werden als Motoren und/oder Generatoren für verschiedenste Anwendungen eingesetzt. Insbesondere als Traktionsantrieb bei Elektro- oder Hybridfahrzeugen werden leistungsstarke elektrische Maschinen eingesetzt.
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Es kommen je nach Anwendungszweck unterschiedliche Maschinenkonzepte zum Einsatz. Beispielsweise werden Synchronmaschinen oder Asynchronmaschinen eingesetzt, bei denen sich ein Rotor radial innerhalb eines ihn umgebenden Stators oder radial außerhalb eines von ihm umgebenen Stators drehen kann, und bei denen der magnetische Fluss im Wesentlichen in radialer Richtung verlaufen. Alternativ können sogenannte Transversalfluss- oder Axialflussmaschinen eingesetzt werden, bei denen ein drehbarer Rotor in Axialrichtung neben einem Stator angeordnet ist und der magnetische Fluss im Wesentlich in axialer Richtung verlaufen.
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Bei permanenterregten Maschinenkonzepten sind am oder im Rotor Permanentmagnete vorgesehen, deren Magnetfeld mit einem vom Stator erzeugten Magnetfeld wechselwirken soll, um auf diese Weise ein Drehmoment auf den Rotor zu erzeugen.
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Beim Betrieb einer elektrischen Maschine erwärmt sich diese. Dies ist beispielsweise durch elektrische Ströme begründet, welche durch Spulen des Stators fließen und Wirbelströme in den Magneten des Rotors erzeugen, welche als Verluste einen Wärmeeintrag in die Maschine einbringen können. Eine übermäßige Erwärmung von Komponenten der elektrischen Maschine muss vermieden werden, um beispielsweise eine geforderte Dauerperformance zu gewährleiten bzw. um die einzelnen Komponenten nicht dauerhaft zu schädigen. Beispielsweise können Magnete bei Überschreiten einer bestimmten Temperatur dauerhaft geschädigt werden.
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Der zumeist außenliegende Stator kann im Regelfall einfach gekühlt werden. Beispielsweise ist eine aktive Kühlung, d.h. eine konvenktionsbasierte Kühlung, mithilfe von den Stator durchströmendem Kühlfluid möglich. Bei dem drehenden Rotor erweist sich eine aktive Kühlung meist als schwieriger zu realisieren, sodass der Rotor herkömmlich in der Regel lediglich passiv, d.h. beispielsweise durch Wärmeableitung durch eine ihn durchlaufende Welle oder hin zum aktiv gekühlten Stator, gekühlt wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können in vorteilhafter Weise einen aktiv kühlbaren Rotor für eine elektrische Maschine ermöglichen.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Rotor für eine elektrische Maschine vorgeschlagen, der einen Rotorkörper, mehrere Magnete und eine Welle aufweist. Der Rotorkörper weist einen Außenumfang und einen eine zentrale Ausnehmung umgebenden Innenumfang auf und kann beispielsweise rotationssymmetrisch, insbesondere zylindrisch, ausgestaltet sein. Die Welle ist in der zentralen Ausnehmung des Rotorkörpers aufgenommen. Beispielsweise kann der Rotorkörper auf die Welle aufgepresst sein. In dem Rotorkörper sind mehrere Magnetaufnahmetaschen beispielsweise in Form von Aussparungen oder Hohlräumen vorgesehen, in denen jeweils einer der Magnete aufgenommen ist. Der Rotor zeichnet sich dadurch aus, dass in dem Rotorkörper ferner erste Fluidverbindungskanäle zwischen dem Innenumfang und jeweils einer der Magnetaufnahmetaschen sowie zweite Fluidverbindungskanäle zwischen dem Außenumfang und jeweils einer der Magnetaufnahmetaschen vorgesehen sind.
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Ideen zu Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können unter anderem als auf den nachfolgend beschriebenen Gedanken und Erkenntnissen beruhend angesehen werden.
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Ausgestaltungen des hierin vorgeschlagenen Rotors sind speziell mit Fluidkanälen versehen, durch die ein Kühlfluid wie z.B. ein Gas wie beispielsweise Luft oder eine Flüssigkeit wie beispielsweise Wasser oder Öl strömen kann und dabei den entstehenden Wärmeeintrag aus dem Rotor aufnehmen und ableiten kann. Aufgrund der ersten und zweiten Fluidkanäle kann der Rotor daher während des Betriebs der elektrischen Maschine aktiv gekühlt werden. Die aktive Kühlung kann helfen, eine Überhitzung des Rotors zu vermeiden und kann somit den Wirkungsgrad der elektrischen Maschine insbesondere bei starker bzw. kontinuierlicher Leistungsabgabe verbessern sowie eine längere Lebensdauer der elektrischen Maschine gewährleisten.
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Dabei können gemäß einer Ausführungsform die Magnetaufnahmetaschen derart ausgebildet sein und die Magnete jeweils derart in einer der Magnetaufnahmetaschen aufgenommen sein, dass Fluid vom Innenumfang kommend durch einen der ersten Fluidverbindungskanäle, dann durch eine der Magnetaufnahmetaschen an dem darin aufgenommenen Magneten vorbei und schließlich durch einen der zweiten Fluidverbindungskanäle hin zum Außenumfang strömen kann. Mit anderen Worten kann der Innenumfang des Rotorkörpers über die ersten und zweiten Fluidkanäle sowie die Magnetaufnahmetaschen mit dem Außenumfang des Rotorkörpers in Fluidverbindung stehen, sodass ein kühlendes Fluid von radial innen nach radial außen durch den Rotorkörper hindurch geleitet werden kann. Dabei kann das Fluid insbesondere an den Magneten, welche Wärmequelle darstellen, vorbeigeleitet werden und diese aktiv kühlen. Außerdem werden die ohnehin in dem Rotorkörper zur Aufnahme der Magneten vorzusehenden Taschen ergänzend dazu genutzt, um das kühlende Fluid von innen nach außen gelangen zu lassen, d.h. es brauchen z.B. keine eigens hierfür vorgesehenen, komplett durch den Rotorkörper durchgehenden Kühlrohre vorgesehen werden.
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Gemäß einer Ausführungsform sind an dem Rotorkörper in die Magnetaufnahmetaschen hineinragende Vorsprünge ausgebildet, die dazu ausgestaltet sind, jeweils in einer Magnetaufnahmetasche aufgenommene Magnete beabstandet zu einer Innenwand der Magnetaufnahmetasche zu halten.
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Mit anderen Worten können an dem Rotorkörper die Magnetaufnahmetaschen derart ausgebildet sein, dass die darin aufzunehmenden Magnete nicht plan an einer Innenwand anliegen, sondern durch Vorsprünge von dieser auf Abstand gehalten werden, sodass sich zwischen der Innenwand und einer Oberfläche des Magneten ein Spalt bildet, durch den kühlendes Fluid strömen kann. Prinzipiell ist auch vorstellbar, die auf Abstand haltenden Vorsprünge nicht bzw. nicht ausschließlich an der Innenwand der Magnetaufnahmetaschen vorzusehen sondern entsprechende Vorsprünge an der Oberfläche der Magnete vorzusehen.
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Gemäß einer Ausführungsform ist der Rotorkörper als einstückiger Rotorgrundkörper ausgebildet. Anders ausgedrückt ist der Rotorkörper vorzugsweise nicht aus mehreren Komponenten zusammengesetzt sondern wird als einzelnes integrales Bauteil vorgesehen.
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Alternativ kann der Rotorkörper aus einem oder mehreren Rotorgrundkörpern sowie einer Verstärkungsstruktur zusammengesetzt sein. In dem Rotorgrundkörper können dabei die Fluidverbindungskanäle und die Magnetaufnahmetaschen ausgebildet sein. Die Verstärkungsstruktur kann eine höhere mechanische Festigkeit aufweisen als der Rotorgrundkörper und dadurch dem gesamten Rotorkörper zu einer ausreichenden mechanischen Stabilität verhelfen. Beispielsweise kann die Verstärkungsstruktur aus faserverstärktem Kunststoff bestehen.
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Der Rotorgrundkörper kann vorteilhaft mittels eines additiven Fertigungsverfahrens ausgebildet werden. Additive Fertigungsverfahren, welche teilweise auch als generative Fertigungsverfahren bezeichnet werden, sind eine verallgemeinernde Bezeichnung für bisher oft als Rapid Prototyping bezeichnete Verfahren zur schnellen und kostengünstigen Fertigung von Modellen, Mustern, Prototypen, Werkzeugen, Endprodukten, etc. Diese Fertigungsverfahren erfolgen in der Regel direkt auf Basis rechnerinterner Datenmodelle aus formlosem Material, beispielsweise in Form von Flüssigkeiten, Pulver u.ä., oder formneutralem Material, beispielsweise band- oder drahtförmigem Material, mittels chemischer und/oder physikalischer Prozesse. Obwohl es sich um urformende Verfahren handelt, sind für ein konkretes Erzeugnis keine speziellen Werkzeuge wie zum Beispiel Gussformen erforderlich, die die jeweilige Geometrie des Werkstückes vorgeben.
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Mithilfe additiver Fertigungsverfahren lassen sich auch Bauteile mit komplizierter Geometrie fertigen. Insbesondere lassen sich auch in einem Bauteil innenliegende Hohlräume wie z.B. die oben genannten Magnetaufnahmetaschen oder Kanäle wie z.B. die ersten und zweiten Fluidkanäle einfach herstellen. Im Gegensatz zu Fertigungsverfahren wie Urformen, Umformen oder subtraktiven Fertigungsverfahren wie z.B. Trennen erhöht sich bei additiven Fertigungsverfahren die Wertschöpfung mit steigender Komplexität der Bauteilgeometrie.
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Zu den additiven Fertigungsverfahren gehören unter anderem Stereolithografie, selektives Laserschmelzen, selektives Lasersintern, Fused Deposition Modeling, Laminated Object Modelling und 3D Printing sowie Kaltgasspritzen. Alle diese Verfahren eignen sich dazu, Bauteile wie den hier vorgeschlagenen Rotor mit komplexer Geometrie auszubilden. Selektives Lasersintern oder Stereolithografie werden als besonders vorteilhaft angenommen.
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Zu verarbeitende Materialien können je nach gewähltem Fertigungsverfahren variieren, wobei der fertiggestellte Rotorgrundkörper letztendlich aus einem jeweiligen, mittels eines additiven Herstellungsverfahrens verarbeitbaren Material besteht. Beispielsweise kann der Rotorgrundkörper aus einem spritzbaren Kunststoff, einem Faserverbundwerkstoff oder Edelstahl bestehen.
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Gemäß einer Ausführungsform weist der Rotor Deckscheiben auf. Diese Deckscheiben können als Basiseinleger dienen und den mit den Kühlkanälen versehenen Rotorkörper sandwich-artig zwischen sich aufnehmen. Die Deckscheiben können aus einem spritzbaren Kunststoff, einem Faserverbundwerkstoff oder Edelstahl bestehen und der mechanischen Stabilität des Rotors dienen.
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Der hierin beschriebene Rotor lässt besondere Vorteile zu, wenn er als Scheibenläufer für eine elektrische Maschine in Form einer Transversalflussmaschine oder einer Axialflussmaschine ausgebildet ist. Die Scheibe des Rotors dient als Aufnahme der Magnete und bildet eine Schnittstelle zu einer Nabe der elektrischen Maschine. Eine Hauptfunktion besteht in der Übertragung eines Drehmoments an eine Welle. Eine thermische Leitfähigkeit ist beim Stand der Technik nicht gegeben. In der hier dargestellten Ausführung wird die zusätzliche Funktion der Wärmeleitfähigkeit mit in die Scheibe integriert.
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Es wird darauf hingewiesen, dass einige der möglichen Merkmale und Vorteile der Erfindung hierin mit Bezug auf unterschiedliche Ausführungsformen beschrieben sind. Ein Fachmann erkennt, dass die Merkmale in geeigneter Weise kombiniert, angepasst oder ausgetauscht werden können, um zu weiteren Ausführungsformen der Erfindung zu gelangen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei weder die Zeichnungen noch die Beschreibung als die Erfindung einschränkend auszulegen sind.
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1 zeigt eine als Axialflussmaschine ausgebildete elektrische Maschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie A-A durch einen Rotor der in 1 dargestellten elektrischen Maschine.
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Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in den Figuren gleiche oder gleichwirkende Merkmale.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine elektrische Maschine 1 in Form einer Axialflussmaschine. Ein Rotor 3 und ein Stator 5 sind in einem Maschinengehäuse 11 angeordnet. Der Stator 5 ist mithilfe von Befestigungsmitteln 13 an dem Gehäuse 11 fixiert. An dem Rotor 3 ist eine Nabe bzw. Welle 9 angebracht, welche zusammen mit dem Rotor 3 um eine Rotationsachse 10 drehbar ist. Die Welle 9 ist bezüglich des Gehäuses 11 mithilfe eines Lagers 15 gelagert. Der Stator 5 und der Rotor 3 sind koaxial und bezogen auf die Rotationsachse 10 nebeneinander angeordnet. Sowohl der Stator 5 als auch der Rotor 3 sind im Wesentlichen zylinderförmig und weisen ähnliche Außendurchmesser auf. Der Rotor 3 weist einen Rotorkörper 7 auf, der zwischen Deckscheiben 17, 19 an seinen Stirnflächen aufgenommen ist.
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Wie in 2 im Querschnitt dargestellt weist der Rotorkörper 7 in seinem Zentrum, d.h. um die Rotationsachse herum, eine Ausnehmung 8 auf. Durch diese Ausnehmung 8 hindurch verläuft die Welle 9. Im dargestellten Beispiel ist die Welle 9 als Hohlwelle ausgeführt.
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Der Rotorkörper 7 weist ferner mehrere Magnetaufnahmetaschen 25 auf. Diese Magnetaufnahmetaschen 25 sind als Hohlräume in dem in dieser Ausführungsform durch einen einstückig ausgebildeten Rotorgrundkörper 12 realisierten Rotorkörper 7 vorgesehen. Alternativ kann der Rotorkörper 7 einen oder mehrere Rotorgrundkörper 12 aufweisen, in dem bzw. denen die Magnetaufnahmetaschen 25 ausgebildet sind, und zusätzlich können in dem Rotorkörper 7 Verstärkungsstrukturen 10 (in 2 lediglich gestrichelt dargestellt) beispielsweise aus faserverstärktem Kunststoff vorgesehen sein, die dem Rotorkörper die erforderliche mechanische Stabilität geben können. Die Verstärkungsstrukturen 10 können dabei aufgrund ihres Materials und/oder ihrer geometrischen Ausgestaltung eine höhere mechanische Festigkeit aufweisen als der Rotorgrundkörper 12. In jeder der Magnetaufnahmetaschen 25 ist jeweils ein Magnet 27 aufgenommen. Eine Geometrie der Magnete 27 entspricht dabei im Wesentlichen einer Geometrie der Magnetaufnahmetaschen 25. Im dargestellten Beispiel sind die Magnete 27 wie auch die Magnetaufnahmetaschen 25 näherungsweise keilstumpfförmig.
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Allerdings sind die Magnete 27 geringfügig kleiner als die Magnetaufnahmetaschen 25, sodass die Magnete 27 mit einem gewissen Spiel Platz in den Magnetaufnahmetaschen 25 finden. Damit sich die Magnete 27 innerhalb der Magnetaufnahmetaschen 25 nicht unbeabsichtigt verlagern können, sind an Innenwänden 26 der Magnetaufnahmetaschen 25 Vorsprünge 35 vorgesehen (lediglich exemplarisch für eine 25‘ der Magnetaufnahmetaschen 25 dargestellt). Diese Vorsprünge 35 sind derart dimensioniert, dass die Magnete 27 fest innerhalb der Magnetaufnahmetaschen 25 fixiert sind. Dabei werden die Magnete 27 zu den Innenwänden 26 der Magnetaufnahmetaschen 25 beabstandet gehalten, sodass sich zwischen den Innenwänden 26 und einer Oberfläche der Magnete 27 ein Spalt 30 bildet.
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In dem Rotorkörper 7 bzw. dessen Rotorgrundkörper 12 sind ferner mehrere erste Fluidverbindungskanäle 29 vorgesehen. Diese Fluidverbindungskanäle 29 erstrecken sich als längliche Hohlräume jeweils zwischen einem an die zentrale Ausnehmung 8 angrenzenden Innenumfang des Rotorkörpers 7 und einer der Magnetaufnahmetaschen 25.
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Ferner sind in dem Rotorkörper 7 bzw. dessen Rotorgrundkörper 12 mehrere zweite Fluidverbindungskanäle 31 vorgesehen. Diese Fluidverbindungskanäle 31 erstrecken sich als ebenfalls längliche Hohlräume jeweils zwischen einer der Magnetaufnahmetaschen 25 und einem Außenumfang des Rotorkörpers 7.
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Aufgrund der in dem Rotorkörper 7 ausgebildeten ersten und zweiten Fluidverbindungskanäle 29, 31 sowie den dazwischen angeordneten und mit diesen verbundenen Magnetaufnahmetaschen 25 und den darin speziell beabstandet gehaltenen Magneten 27 kann ein kühlendes Fluid von radial innen nach radial außen durch den Rotorkörper 7 strömen. Das Fluid kann dabei von der beispielsweise hohl ausgebildeten Welle 9 durch in deren Mantelfläche vorgesehene Öffnungen hin zu den ersten Fluidverbindungskanälen 29 fließen. Von dort aus kann es, wie mit den Pfeilen 33 angedeutet, in eine angrenzende Magnetaufnahmetasche 25 strömen. Dort kann es durch den zwischen dem Magneten 27 und der Innenwand 26 vorgesehenen Spalt 30 an dem Magneten 27 vorbei strömen. Dabei kann es vorteilhaft sein, den Magneten 27 derart auszugestalten und innerhalb der Magnetaufnahmetasche 25 zu fixieren, dass der Magnet 27 möglichst von mehreren Seiten her umströmt wird. Nach radial außen hin kann das Fluid schließlich durch den an die Magnetaufnahmetasche 25 angrenzenden zweiten Fluidverbindungskanal 31 abgeleitet werden.
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Aus dem Rotorkörper 7 nach außen austretendes Fluid kann dann von dem umgebenden Gehäuse 11 beispielsweise über eine Leitung 23 hin zu einem Wärmetauscher 21 gelangen, in dem ihm Wärme entzogen wird. Alternativ kann das Fluid durch eine aktive Kühlung des Stators 5 wieder gekühlt und durch eine Pumpe wieder zurück in die Nabe bzw. Welle 9 transportiert werden.
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Der Rotorkörper 7 mit seinen Fluidverbindungskanälen 29, 31 und Magnetaufnahmetaschen 25 kann nicht problemlos mittels herkömmliche Fertigungsverfahren wie z.B. Spitzgussverfahren hergestellt werden. Stattdessen wird vorgeschlagen, zumindest den Rotorgrundkörper 12 des Rotorkörpers 7 mithilfe eines additiven Verfahrens wie zum Beispiel selektivem Lasersintern oder Stereolithographie zu fertigen. Hierdurch lässt sich der Rotorkörper 7 auch mit einer komplexen Geometrie einstückig herstellen.
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Abschließend ist darauf hinzuweisen, dass Begriffe wie „aufweisend“, „umfassend“, etc. keine anderen Elemente oder Schritte ausschließen und Begriffe wie „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
