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Die vorliegende Erfindung geht aus von einer elektrischen Maschine,
- – wobei die elektrische Maschine einen Rotor aufweist, der um eine Rotationsachse rotierbar ist,
- – wobei der Rotor radial außen von einem Stator umgeben ist,
- – wobei in den Rotor Ausnehmungen eingebracht sind,
- – wobei je zwei in Umfangsrichtung um die Rotationsachse herum gesehen unmittelbar benachbarte Ausnehmungen V-förmig angeordnet sind, so dass die Spitze des V der Rotationsachse zugewandt ist und die Schenkel des V zum Stator hin weisen,
- – wobei bezüglich der je ein V bildenden Paare von Ausnehmungen jeweils mindestens eine der Ausnehmungen einen Ausläufer aufweist, über den die jeweilige Ausnehmung nach radial außen hin offen ist.
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Eine elektrische Maschine der vorstehend genannten Art ist aus der
DE 199 15 664 A1 bekannt.
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Aus der
WO 2013/135377 A2 ist eine elektrische Maschine bekannt, die einen Rotor mit V-förmigen Ausnehmungen aufweist. Die Ausnehmungen sind radial nach außen hin offen und sind zur Aufnahme von Permanentmagneten vorgesehen. Ansätze im Bereich des radial außen liegenden Teils der Ausnehmungen halten die Permanentmagnete zurück. Insbesondere bei schneller Rotation wirken auf die Permanentmagnete Fliehkräfte radial nach außen, so dass die Ansätze, die jeden einzelnen der Permanentmagnete halten, beträchtlichen Kräften ausgesetzt sind.
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In der
DE 10 2013 020 461 A1 ist ein Rotor für eine elektrische Maschine beschrieben, der einen Rotorrahmen und Permanentmagnete umfasst. Die Permanentmagnete sind in Taschen angeordnet, die in azimutaler Richtung im Rotorrahmen eingebracht sind. Ausnehmungen im Rotorrahmen dienen der Formung des Magnetflusses der Permanentmagnete. Die Ausnehmungen sind ganz oder teilweise mit einem dia- oder paramagnetischen Füllmaterial, insbesondere mit einem Kunststoff, ausgefüllt.
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Beim Betrieb von permanenterregten Synchronmaschinen als Traktionsmotor für ein Elektrofahrzeug wird vom Hersteller des Elektrofahrzeugs oftmals die Forderung aufgestellt, dass der Rotor der elektrischen Maschine mit sehr hoher Drehzahl rotieren können muss. Insbesondere bei permanenterregten Synchronmaschinen mit im Rotor eingebetteten Permanentmagneten muss das Rotorblechpaket derart ausgelegt sein, dass es die auf die Permanentmagnete wirkenden Fliehkräfte aufnehmen kann. Ferner darf der Rotor sich weder plastisch verformen noch reißen oder brechen.
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Im Stand der Technik werden üblicherweise für den Rotor hochfeste Elektrobleche verwendet. Ferner wird die Rotorstruktur derart gewählt, dass die im Betrieb auftretenden Materialspannungen zulässige Grenzwerte nicht überschreiten. In der Praxis hat dies üblicherweise zur Folge, dass die Bereiche um die Ausnehmungen herum hinreichend stark dimensioniert werden. Aus elektromagnetischer Sicht sollten jedoch gerade diese Bereiche (Stege) möglichst dünn ausgeführt werden, da hierdurch der magnetische Streufluss und der magnetische Kurzschlussfluss minimiert werden. Stärkere Stege bedingen im Gegenzug wiederum mehr Magnetmaterial, wodurch die Kosten erhöht werden. Durch die im Betrieb auftretenden, unter anderem auf die Permanentmagnete wirkenden Fliehkräfte dehnen sich weiterhin die Innenstege, das heißt diejenigen Bereiche des Rotors, welche sich zwischen je zwei in Umfangsrichtung um die Rotationsachse herum gesehen unmittelbar benachbarten, ein V bildenden Ausnehmungen an der schmälsten Stelle befinden. Der Rotor neigt daher dazu, sich aufzuweiten. Das Aufweiten wird jedoch von den Außenstegen verhindert, das heißt von denjenigen Bereichen des Rotors, welche sich zwischen zwei je ein V bildenden Paaren von Ausnehmungen befinden. Dort wirken auf den Rotor jedoch hohe Tangentialspannungen.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine elektrische Maschine der eingangs genannten Art derart auszugestalten, dass insbesondere die Tangentialspannungen reduziert werden.
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Die Aufgabe wird durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder des Anspruchs 2 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der elektrischen Maschine sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 3 bis 8. Anspruch 9 nennt bevorzugte Verwendungen der elektrischen Maschine.
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Erfindungsgemäß wird eine elektrische Maschine der eingangs genannten Art in einer ersten Variante dadurch ausgestaltet, dass in Umfangsrichtung um die Rotationsachse herum gesehen auf jede nach radial außen hin offene Ausnehmung jeweils genau eine nach radial außen geschlossene Ausnehmung folgt.
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Erfindungsgemäß wird eine elektrische Maschine der eingangs genannten Art in einer zweiten Variante dadurch ausgestaltet, dass in Umfangsrichtung um die Rotationsachse herum gesehen auf je zwei nach radial außen hin offene Ausnehmungen jeweils genau zwei nach radial außen geschlossene Ausnehmungen folgen.
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Bei den beiden Varianten der Erfindung wird eine Dehnung der Innenstege und damit ein geringfügiges Aufweiten des Rotors zugelassen, ohne dass es zu unzulässig hohen Tangentialspannungen am Rotorumfang kommt. Aufgrund des Umstands, dass pro Magnetpol einer der Außenstege verbleibt, ist der entsprechende Magnetpol weiterhin tangential abgestützt bzw. fixiert.
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Vorzugsweise ist in die Ausläufer ein unmagnetisches Füllmaterial eingebracht, das elektrisch isolierend oder schlechter leitend als der Rotor ist. Dadurch können auf besonders einfache Weise tangential wirkende Kräfte abgefangen bzw. das wirkende Drehmoment von den Magnetpolen auf den Rotor übertragen werden. Bei dem Füllmaterial kann es sich beispielsweise um GFK (= glasfaserverstärkten Kunststoff) oder CFK (= kohlefaserverstärkten Kunststoff handeln.
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Es ist möglich, dass die Ausnehmungen leer sind. In diesem Fall ist die elektrische Maschine als Reluktanzmaschine ausgebildet. In der Regel sind in den Ausnehmungen jedoch Permanentmagnete angeordnet. In diesem Fall ist die elektrische Maschine als mit Permanentmagneten erregte Synchronmaschine mit innenliegenden Magneten (IPM) ausgebildet.
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Im Falle der Ausbildung der elektrischen Maschine als Synchronmaschine weisen die Ausnehmungen und die Permanentmagnete vorzugsweise in von der Rotationsachse abgewandten Endbereichen aufeinander abgestimmte Konturen auf, über die aufgrund des Rotierens des Rotors auf den in der jeweiligen Ausnehmung angeordneten Permanentmagnet wirkende Kräfte zumindest teilweise direkt in Bereiche des Rotors eingeleitet werden, welche sich zwischen zwei je ein V bildenden Paaren von Ausnehmungen befinden. Dadurch können die Innenstege, das heißt diejenigen Bereiche des Rotors, welches sich zwischen je zwei in Umfangsrichtung um die Rotationsachse herum gesehen unmittelbar benachbarten, ein V bildenden Ausnehmungen an der schmälsten Stelle befinden, entlastet werden.
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Die aufeinander abgestimmten Konturen können nach Bedarf bestimmt sein. Eine einfache Ausgestaltung ergibt sich dadurch, dass die Permanentmagnete quaderförmig ausgebildet sind und die Ausnehmungen in ihren von der Rotationsachse abgewandten Endbereichen einen Anschlag aufweisen.
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In der Regel besteht der Rotor aus einer Vielzahl von Rotorblechen, die in Richtung der Rotationsachse gesehen aufeinander gestapelt sind. Durch diese Ausgestaltung können insbesondere Wirbelströme im Rotor reduziert werden.
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Die elektrische Maschine kann prinzipiell auf beliebige Art und Weise eingesetzt werden. Vorzugsweise wird sie jedoch als Traktionsmotor eines nicht schienengebundenen Landfahrzeugs, insbesondere eines Elektroautos, oder als eine Luftschraube eines Luftfahrzeugs antreibender Elektromotor verwendet.
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Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Hierbei zeigen in schematischer Darstellung:
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1 einen Längsschnitt durch eine elektrische Maschine,
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2 eine Teilansicht eines Querschnitts durch den Rotor der elektrischen Maschine von 1,
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3 eine Teilansicht eines Querschnitts durch eine alternative Ausgestaltung des Rotors der elektrischen Maschine,
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4 ein Landfahrzeug und
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5 ein Luftfahrzeug.
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Gemäß 1 weist eine allgemein mit dem Bezugszeichen 1 versehene elektrische Maschine einen Stator 2 und einen Rotor 3 auf. Im Stator 2 ist, wie allgemein üblich, ein Wicklungssystem angeordnet. Von dem Wicklungssystem sind in 1 lediglich die Wicklungsköpfe erkennbar. Beispielsweise kann die elektrische Maschine 1 als Synchronmaschine ausgebildet sein.
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Gemäß der Darstellung in 1 ist der Rotor 3 über eine Rotorwelle 4 und Lager 5 in einem Gehäuse 6 der elektrischen Maschine 1 gelagert. Der Rotor 3 ist dadurch um eine Rotationsachse 7 rotierbar. Der Rotor 3 ist vom Stator 2 radial außen umgeben. Die elektrische Maschine 1 ist somit als Innenläufer ausgebildet.
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Soweit vorstehend und auch nachstehend die Begriffe axial, radial und tangential verwendet werden, sind sie stets auf die Rotationsachse 7 bezogen. Axial ist eine Richtung parallel zur Rotationsachse 7. Radial ist eine Richtung orthogonal zur Rotationsachse 7 auf die Rotationsachse 7 zu oder von ihr weg. Tangential ist eine Richtung, die sowohl zur Axialrichtung als auch zur Radialrichtung orthogonal verläuft. Tangential bedeutet also eine Richtung, die bei konstanter Axialposition und konstantem radialem Abstand von der Rotationsachse 7 kreisförmig um die Rotationsachse 7 herum gerichtet ist.
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Der Rotor 3 besteht entsprechend der Darstellung in 1 in der Regel aus einer Vielzahl von Rotorblechen 8, die in Axialrichtung aufeinandergestapelt sind. In die Rotorbleche 8 (bzw. allgemein in den Rotor 3) sind gemäß den 1 und 2 Ausnehmungen 9 eingebracht. In den Ausnehmungen 9 können Permanentmagnete 10 angeordnet sein.
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In Tangentialrichtung gesehen sind je zwei unmittelbar benachbarte Ausnehmungen 9 V-förmig angeordnet. Paare von Ausnehmungen 9 bilden somit jeweils ein V. Die Spitze des V liegt radial innen, ist also der Rotationsachse 7 zugewandt. Die Schenkel des V zeigen zum Stator 2 hin.
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Falls die Permanentmagneten vorhanden sind, werden die Ausnehmungen 9 von den Permanentmagneten 10 nicht vollständig ausgefüllt. Die nicht ausgefüllten Bereiche der Ausnehmungen 9 bilden einerseits radial innere Taschen 11 und andererseits radial äußere Ausläufer 12. Die Gestaltung der Taschen 11 und der Ausläufer 12 ist in der Regel derart optimiert, dass möglichst viel magnetischer Fluss über den Luftspalt zwischen Stator 2 und Rotor 3 in den Stator 3 fließt. Bezüglich der je ein V bildenden Paare von Ausnehmungen 9 ist einer der Ausläufer 12 des jeweiligen Paares nach radial außen hin offen. Über den entsprechenden Ausläufer 12 ist somit auch die jeweilige Ausnehmung 9 selbst nach radial außen hin offen.
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2 zeigt eine Darstellung, bei der tangential gesehen auf jede nach radial außen hin offene Ausnehmung 9 jeweils genau eine nach radial außen geschlossene Ausnehmung 9 folgt. Bei der Ausgestaltung von 2 ist also bezüglich der je ein V bildenden Paare von Ausnehmungen 9 nur eine nach radial außen hin offen.
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3 zeigt eine Ausgestaltung, bei der ebenfalls bezüglich der je ein V bildenden Paare von Ausnehmungen 9 nur eine nach radial außen hin offen ist. Im Gegensatz zur Ausgestaltung gemäß 2 folgen bei der Ausgestaltung gemäß 3 jedoch tangential gesehen auf je zwei nach radial außen hin offene Ausnehmungen 9 jeweils genau zwei nach radial außen geschlossene Ausnehmungen 9.
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Die nach radial außen hin offenen Ausnehmungen 12 bei den Ausgestaltungen gemäß den 2 und 3 können mit dem Füllmaterial 13 gefüllt sein. Insbesondere bei dieser Ausgestaltung ist in die Ausläufer 12 das Füllmaterial 13 eingebracht. Das Füllmaterial 13 ist unmagnetisch und vorzugsweise elektrisch isolierend. Falls es elektrisch leitend ist, weist es eine geringere elektrische Leitfähigkeit auf als der Rotor 3 bzw. dessen einzelne Rotorbleche 8. Die elektrische Leitfähigkeit kann beispielsweise unter 20% der elektrischen Leitfähigkeit des Rotors 3 bzw. der einzelnen Rotorbleche 8 des Rotors 3 liegen. Insbesondere kann sie unter 10%, unter 5% und sogar unter 2% oder unter 1% der Leitfähigkeit des Rotors 3 bzw. der einzelnen Rotorbleche 8 des Rotors 3 liegen.
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Die Bereiche 14 zwischen den jeweils ein V bildenden Paaren von Ausnehmungen 9 bilden jeweils einen Magnetpol des Rotors 3. Die Bereiche 14 sind über je einen Innensteg 15 mit dem Innenbereich 16 des Rotors 3 verbunden. Bei jeder der Ausgestaltungen gemäß den 2 und 3 wirken im Betrieb der elektrischen Maschine 1 aufgrund des Rotierens des Rotors 3 auf die Innenstege 15 erhebliche Fliehkräfte. Ein Teil dieser Fliehkräfte wird durch die Bereiche 14 als solche hervorgerufen. Falls die Permanentmagnete 10 vorhanden sind, wird ein weiterer Teil dieser Fliehkräfte durch die Permanentmagnete 10 hervorgerufen. Der durch die Bereiche 14 als solche hervorgerufene Teil der Fliehkräfte muss stets über die Innenstege 15 in den Innenbereich 16 des Rotors 3 abgeführt werden. Der durch die Permanentmagnete 10 hervorgerufene Teil der Fliehkräfte kann jedoch teilweise direkt – d. h. unter Umgehung der Innenstege 15 – in den Innenbereich 16 des Rotors 3 eingeleitet werden. Zu diesem Zweck weisen die Ausnehmungen 9 und die Permanentmagnete 10 in radial außen liegenden Endbereichen der Ausnehmungen 9 aufeinander abgestimmte Konturen 18, 19 auf. Über diese Konturen 18, 19 können die Kräfte, welche aufgrund des Rotierens des Rotors 3 auf den in der jeweiligen Ausnehmung 9 angeordneten Permanentmagnet 10 wirken, zwar in der Regel nicht vollständig, zumindest jedoch teilweise direkt in Bereiche 20 des Rotors 3 eingeleitet werden, welche sich zwischen zwei je ein V bildenden Paaren von Ausnehmungen 9 befinden. Die Konturen 18, 19 können beispielsweise dadurch aufeinander abgestimmt sein, dass die Permanentmagnete 10 quaderförmig ausgebildet sind und die Ausnehmungen 9 in ihren radial außen gelegenen Endbereichen einen Anschlag aufweisen.
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4 zeigt eine bevorzugte Verwendung der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 1. Insbesondere zeigt 4 ein nicht schienengebundenes Landfahrzeug 21, also ein Straßenfahrzeug. Die erfindungsgemäße elektrische Maschine 1 wird gemäß 4 als Traktionsmotor des Landfahrzeugs 21 verwendet. Das Landfahrzeug 21 kann insbesondere als Elektroauto ausgebildet sein.
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5 zeigt eine weitere bevorzugte Verwendung der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 1. Insbesondere zeigt 5 ein Luftfahrzeug 22. Die erfindungsgemäße elektrische Maschine 1 wird gemäß 5 als Elektromotor verwendet, der eine Luftschraube 23 des Luftfahrzeugs 22 antreibt. Bei dem Luftfahrzeug 22 kann es sich um ein konventionelles Flugzeug handeln. In diesem Fall ist die Luftschraube 23 als Zug- oder Druckpropeller ausgebildet. Alternativ kann es sich um einen Helikopter handeln. In diesem Fall ist die Luftschraube 23 als Hauptrotor des Helikopters ausgebildet.
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Zusammengefasst betrifft die vorliegende Erfindung somit folgenden Sachverhalt:
Eine elektrische Maschine 1 weist einen Rotor 3 auf, der um eine Rotationsachse 7 rotierbar ist. Der Rotor 3 ist radial außen von einem Stator 2 umgeben. In den Rotor 3 sind Ausnehmungen 9 eingebracht. Je zwei in Umfangsrichtung um die Rotationsachse 7 herum gesehen unmittelbar benachbarte Ausnehmungen 9 sind V-förmig angeordnet, so dass die Spitze des V der Rotationsachse 7 zugewandt ist und die Schenkel des V zum Stator 2 hin weisen. Bezüglich der je ein V bildenden Paare von Ausnehmungen 9 weist jeweils mindestens eine der Ausnehmungen 9 einen Ausläufer 12 auf, über den die jeweilige Ausnehmung 9 nach radial außen hin offen ist. In Umfangsrichtung um die Rotationsachse 7 herum gesehen folgt auf jede nach radial außen hin offene Ausnehmung 9 jeweils genau eine nach radial außen geschlossene Ausnehmung 9, oder es folgen auf je zwei nach radial außen hin offene Ausnehmungen 9 jeweils genau zwei nach radial außen geschlossene Ausnehmungen 9.
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Die vorliegende Erfindung weist viele Vorteile auf. Insbesondere wird durch das Vorhandensein der nach radial außen hin offenen Ausläufer 12 und Ausnehmungen 9 die Tangentialbelastung des Rotors 3 deutlich verringert. Es kann zwar unter Umständen erforderlich sein, die Innenstege 15 geringfügig stärker auszugestalten. Dies ist jedoch problemlos möglich und unkritisch. Der erfindungsgemäße Rotor 3 weist weiterhin deutlich reduzierte magnetische Kurzschlusspfade auf. Dadurch ist eine effizientere Nutzung des eingesetzten Magnetmaterials möglich. Es können somit gegenüber einer elektrischen Maschine des Standes der Technik entweder Magnetmaterial eingespart werden oder bei gleicher Menge an Magnetmaterial bessere Leistungsdaten erreicht werden. Aufgrund der Abstimmung der Konturen 18, 19 aufeinander ist es möglich, die Innenstege 15 zu entlasten. Pendelbewegungen der Magnetpole (d. h. der Bereiche 14) werden durch den Teil des Rotors 3 im Bereich der nach radial außen hin nicht offenen Ausnehmungen 9 und/oder durch das Füllmaterial 13 verhindert. Durch das Füllmaterial 13 entstehen keine zusätzlichen Wirbelstromverluste und wird weiterhin auch der magnetische Feldverlauf nicht beeinträchtigt.
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Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
