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Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine permanentmagneterregte Transversalflussmaschine, eine Transversalflussmaschine mit solch einem Rotor sowie ein Kraftfahrzeug mit solch einer Transversalflussmaschine.
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Transversalflussmaschinen zeichnen sich durch eine kompakte Bauform bei gleichzeitig hoher Leistungsdichte aus. 1 veranschaulicht das Funktionsprinzip einer Transversalflussmaschine. Der magnetische Fluss 1 von Transversalflussmaschinen erstreckt sich dabei im Wesentlichen senkrecht zu der Drehrichtung 2 des Rotors. In permanentmagneterregten Transversalflussmaschinen ist eine Vielzahl von Permanentmagneten 3, 4 in dem Rotor der Maschine vorgesehen. Die Pole 3 sind dabei als Nordpole und die Pole 4 als Südpole ausgebildet. Somit gleichen sich benachbarte Pole, wie Bezugszeichen 5 angedeutet. Der Antrieb des Rotors erfolgt durch eine Stromspeisung entsprechender Spulenwicklungen eines Stators, der benachbart zu dem Rotor angeordnet ist.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Ausgestaltungen von Rotoren für elektrische Maschinen bekannt. Aus der
DE 10 2010 039 123 A1 ist ein Rotor bekannt, der eine Rotorscheibe aufweist, entlang deren Umfangsbereich eine Vielzahl von Permanentmagneten angeordnet ist. Dabei ist die Rotorscheibe ein Spritzgusskörper aus Kunststoff, in dem die Permanentmagnete eingebettet sind. Aus der
AT 13 246 U1 ist ein Rotor bekannt, dessen Rotorscheibe wechselseitig an beiden axialen Flächen ausgeführte Taschen aufweist, in die Magnete eingelegt sind.
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Durch die zunehmende Bedeutung von Elektroantrieben in Kraftfahrzeugen besteht jedoch Bedarf an einem Rotor der leicht ist, da die Elektroantriebe künftiger Kraftfahrzeuge hohen Drehzahlen bei Lastwechsel unterliegen. Ferner sollte er kostengünstig in einer Serienproduktion herzustellen sein.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Rotor für eine permanentmagneterregte Transversalflussmaschine bereitzustellen, der leicht ist sowie kostengünstig und in Serie herstellbar ist. Diese Aufgabe wird durch einen Rotor gemäß Anspruch 1, eine Transversalflussmaschine gemäß Anspruch 9 und ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird ein Rotor für eine permanentmagneterregte Transversalflussmaschine, insbesondere zum elektrischen Antrieb eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs, mit einer Matrixscheibe mit einer Drehachse und einer Vielzahl an in Umfangsrichtung um die Drehachse herum angeordneten und voneinander beabstandeten Öffnungen; einer Vielzahl von um die Drehachse herum angeordneten und voneinander beabstandeten Magneten, und einer Vielzahl von Flussleitelementen aus ferromagnetischem Material, die zwischen den Magneten angeordnet sind, wobei die Magnete und/oder die Flussleitelemente jeweils zweiteilig steckbar ausgebildet sind, wobei zwischen den beiden steckbaren Teilen die Matrixscheibe angeordnet ist und sich der gesteckte Magnet bzw. das gesteckte Flussleitelement durch eine der Öffnungen erstreckt. Der Vorteil dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, dass durch die Matrixscheiben die Magnete und Flussleitelemente passgenau in einer Radial- und Umfangsrichtung fixiert werden. Entweder werden diese Elemente direkt durch die Matrixscheibe passgenau fixiert oder sie werden indirekt durch die direkt an der Matrixscheibe fixierten Elemente fixiert. Das heißt, vorzugsweise sind die Magneten zweiteilig und steckbar, so dass die Magneten direkt an der Matrixscheibe befestigt und somit passgenau fixiert sind und die Flussleitelemente sind jeweils zwischen benachbarten Magneten angeordnet und somit über die Magneten auch gegenüber der Matrixscheibe passgenau positioniert. Es können aber auch nur die Flussleitelemente oder die Magneten und die Flussleitelemente direkt an der Matrixscheibe befestigt sein. Insgesamt bietet dieses Ausführungsbeispiel einen einfachen Aufbau der in einer Serienproduktion umsetzbar ist.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weisen die beiden steckbaren Teile ein mit einem Steckabschnitt versehenes erstes Teil und ein mit einem Buchsenabschnitt versehenes zweites Teil auf, wobei der Steckabschnitt in den Buchsenabschnitt steckbar ist, so dass die beiden Teile steckbar sind. Durch die Steckbarkeit wird eine einfach herzustellende und serientaugliche Möglichkeit der Befestigung an der Matrixscheibe realisiert.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung erstreckt sich jeweils der Steckabschnitt von einer Seite der Matrixscheibe durch eine der Öffnungen hindurch und es ist auf der anderen Seite der Matrixscheibe der Buchsenabschnitt auf den Steckabschnitt aufgesteckt.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Magneten zweiteilig und steckbar ausgebildet und die Flussleitelemente einteilig und nicht-steckbar ausgebildet, wobei die Flussleitelemente jeweils zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten Magneten angeordnet sind, oder es sind die Flussleitelemente zweiteilig und steckbar ausgebildet und die Magnete einteilig und nicht-steckbar ausgebildet, wobei die Magneten jeweils zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten Flussleitelementen angeordnet sind.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die nicht-steckbar ausgebildeten Magneten oder die nicht-steckbar ausgebildeten Flussleitelemente paarweise angeordnet, wobei die Matrixscheibe jeweils ein Paar teilt.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung hat der Rotor des Weiteren ein Umfangsringelement, das die Magnete und Flussleitelemente auf deren radial nach Außen weisenden Seiten umgibt. Das Umfangsringelement hält mit einfachen Mitteln die nicht-steckbar ausgebildeten Magneten oder Flussleitelemente in ihrer Position und stabilisiert zusätzlich die direkt an der Matrixscheibe befestigten Magnete und Flussleitelemente.
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Insbesondere weist das Umfangsringelement ringförmige Endloskohlefasern auf.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel hat der Rotor Axialscheiben, die an den axial nach außen weisenden Seiten der Matrixscheibe vorgesehen sind und deren radial nach außen weisende Flächen die radial nach innen weisenden Flächen der Magnete und/oder der Flussleitelemente berühren.
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Darüber hinaus stellt die vorliegende Erfindung eine Transversalflussmaschine mit solch einem Rotor sowie ein Kraftfahrzeug mit solch einer Transversalflussmaschine bereit.
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Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. In diesen Zeichnungen ist Folgendes dargestellt:
- 1 ist eine schematische Darstellung eines Funktionsprinzips einer Transversalflussmaschine;
- 2 ist eine dreidimensionale Darstellung einer Matrixscheibe des Rotors gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 3 ist eine schematische Darstellung eines zweiteilig und steckbar ausgeführten Magneten oder eines Flussleitelements;
- 4 ist eine dreidimensionale Darstellung einer Matrixscheibe mit von einer Seite eingesteckten Magnethälften;
- 5 ist eine dreidimensionale Darstellung der Matrixscheibe aus 4 mit angebrachten zweiteilig ausgeführten Magneten;
- 6 ist eine dreidimensionale Darstellung eines Rotors gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
- 7 eine Seitenansicht des Rotors.
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2 ist eine dreidimensionale Darstellung einer Matrixscheibe 10 eines Rotors 11 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der zusammengebaute Rotor 11 ist in den 6 und 7 dargestellt. Der Rotor 11 ist der Rotor einer Transversalflussmaschine, bei der ein Antrieb des Rotors 11 durch eine Stromspeisung entsprechender Spulenwicklungen eines Stators (nicht dargestellt) erfolgt, der benachbart zu dem Rotor 11 angeordnet ist oder den Rotor 11 ringartig umgibt. Vorzugsweise dient die Transversalflussmaschine zum Antrieb eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs.
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Die Matrixscheibe 10 hat die Form einer Scheibe mit kreisrundem Außenumfang und einer konzentrischen, zentralen und ebenfalls kreisrunden Wellenöffnung 12. In der Matrixscheibe 10 sind Öffnungen 13 ausgebildet (nur einige sind mit einem Bezugszeichen versehen), die in, vorzugsweise gleichmäßigen Abständen, in Umfangsrichtung voneinander beabstandet um eine Drehachse 14 angeordnet sind. Die Drehachse 14 enthält den Mittelpunkt der Matrixscheibe 10 und verläuft senkrecht zur Matrixscheibe 10. Im Betrieb der Transversalflussmaschine rotiert die Matrixscheibe 10 und der Rotor 11 um die Drehachse 14. Die Öffnungen 13 haben vorzugsweise alle den gleichen Abstand zur Drehachse 14. Die bevorzugte Form der Öffnungen 13 ist derart, dass sie länglich entlang der Radialrichtung (bzgl. der Drehachse 14) verlaufen. Genauer haben die Öffnungen 13 zwei Seitenflanken, die parallel zueinander verlaufen und zwischen denen mittig eine Radiallinie (bzgl. der Drehachse 14) verläuft. Die Enden dieser Seitenflanken sind halbkreisförmigen und nach außen (bzgl. der Seitenflanken) gewölbten Abschnitten verbunden. Selbstverständlich können die Öffnungen aber auch jede andere geeignete Form aufweisen, wobei eine längliche Form bevorzugt wird, so dass sich die später eingesetzten Magnete oder Flussleitelemente nicht drehen können, sondern genau positioniert sind. Die Öffnungen 13 sind innerhalb einer Ebene, welche durch die Matrixscheibe 10 aufgespannt wird, ringsum geschlossen. In einer Axialrichtung durchdringen die Öffnungen 13 die Matrixscheibe 10. Die Matrixscheibe 10 ist beispielsweise aus Aluminium, Stahl oder einem Kohlefaserverbundwerkstoff (beispielsweise kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff bei dem Kohlenstofffasern in eine Kunststoff-Matrix oder Epoxidharz-Matrix eingebettet sind). Die Matrixscheibe 10 kann je nach Material beispielsweise ausgestanzt werden oder im Fall von Kohlefaser entsprechend geformt werden.
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3 ist eine schematische Darstellung eines zweiteilig und steckbar ausgeführten Magneten 15 oder eines Flussleitelements. Erfindungsgemäß sind vorzugsweise die Magneten 15, wie in 3 dargestellt, als zweiteilig und ineinander steckbar ausgebildet. Es können aber anstatt der Magneten 15, die Flussleitelemente 16, so wie in 3 dargestellt und im Folgenden beschrieben, zweiteilig und steckbar ausgebildet sein. Ferner können sowohl die Magneten 15 als auch die Flussleitelemente 16 zweiteilig und steckbar ausgebildet sein. In den folgenden Figuren und der zugehörigen Beschreibung wird der Fall beschrieben, dass nur die Magneten 15 zweiteilig und steckbar ausgebildet sind.
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Wie in 3 dargestellt, weisen die Magneten 15 (und/oder die Flussleitelemente) einen ersten Teil 17, der mit einem Steckabschnitt 18 versehen ist, und einen zweiten Teil 19, der mit einem Buchsenabschnitt 20 versehen ist, auf. Der Steckabschnitt 18 ist passgenau oder mittels Presspassung in den Buchsenabschnitt 20 steckbar. Vorzugsweise entspricht eine Längsabmessung (entlang der Steckrichtung) des zweiten Teils 19 der Längsabmessung des ersten Teils 17 ohne dessen Steckabschnitt 18.
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4 ist eine dreidimensionale Darstellung der Matrixscheibe 10 mit von einer Seite eingesteckten Magnethälften. Genauer sind jeweils die ersten Teile 17 der Magneten 15, noch genauer die Steckabschnitte 18, in die Öffnungen 13 der Matrixscheibe 10 eingesteckt. Die Steckabschnitte 18 haben einen den Öffnungen 13 entsprechenden Querschnitt (senkrecht zur Axialrichtung der Drehachse 14). Im eingesteckten Zustand der ersten Teile 17 stehen jeweils Endabschnitte der Steckabschnitte 18 auf der gegenüberliegenden Seite der Matrixscheibe 10 über die Matrixscheibe 10 hervor. Auf diese überstehende Endabschnitte werden jeweils die zweiten Teile 19 aufgesteckt. Beispielsweise können die ersten und zweiten Teile jeweils mittels einer Presspassung oder beispielsweise mittels einer Klebeverbindung, einer Schweißverbindung oder ähnlichem verbunden sein.
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5 ist eine dreidimensionale Darstellung der Matrixscheibe aus 4 mit den angebrachten zweiteilig ausgeführten Magneten 15. Die Anzahl der Magneten 15 stimmt mit der Anzahl der Öffnungen 13 überein. Die Magneten 15 stehen beidseitig der Matrixscheibe 10, im vollständig ineinander gesteckten Zustand, um die gleiche Abmessung von der Matrixscheibe 10 hervor. Vorzugsweise sind die Magnete 15 keilförmig, d.h. eine Abmessung der Magnete 15 entlang einer Umfangsrichtung wird kontinuierlich kleiner in einer Richtung radial nach innen. Die radial nach innen und die radial nach außen weisenden Seiten der Magnete 15 sind jeweils flach ausgeführt. Bei der Vielzahl der Magnete 15 gilt, dass jeweils zwei in Umfangsrichtung benachbarte Magnete 15 mit ihren einander zugewandten Seiten den gleichen Pol (Nordpol, Südpol) ausbilden.
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6 ist eine dreidimensionale Darstellung des zusammengebauten Rotors 11 gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Wie in 6 dargestellt, wird jeweils zwischen zwei benachbarte Magnete 15 ein Paar Flussleitelemente 16 (nur einige sind mit einem Bezugszeichen versehen) eingefügt. Dabei wird ein Paar Flussleitelemente 16 durch die zwischen diesem Paar liegende Matrixscheibe 10 geteilt. Dabei berühren gegenüberliegende Seiten eines einzelnen Flussleitelements 16 die beiden benachbarten Magnete 15. Eine Länge (in Radialrichtung des Rotors 11) der Flussleitelemente 16 entspricht im Wesentlichen einer Länge (in Radialrichtung des Rotors 11) der Magnete 15. Die Flussleitelemente 16 sind vorzugsweise keilförmig, d.h. eine Abmessung der Flussleitelemente 16 entlang einer Umfangsrichtung wird kontinuierlich kleiner in einer Richtung radial nach innen. Die Flussleitelemente 16 sind aus ferromagnetischem Material, beispielsweise aus einem Eisenpulververbundwerkstoff. Sollten anstatt der Magnete die Flussleitelemente zweiteilig ausgebildet sein, dann werden hier analog zur vorhergehenden Beschreibung die Magnete zwischen zwei benachbarte Flussleitelemente eingefügt.
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Darüber hinaus zeigt 6 eine Axialscheibe 21. Der Rotor 11 weist insgesamt zwei Axialscheiben 21 auf, die jeweils an den axial nach außen weisenden Seiten der Matrixscheibe 10 vorgesehen sind und diese vorzugsweise berühren. Diese zu der Matrixscheibe 10 weisenden Seiten der Matrixscheibe 10 sind flach ausgebildet. Eine radial nach außen weisende Fläche der Axialscheiben 21 umgibt die Drehachse 14 kreisförmig und berührt die radial nach innen weisenden Flächen der Magnete 15 und/oder der Flussleitelemente 16. Eine zentrale Wellenöffnung der Axialscheibe entspricht der Wellenöffnung 12 der Matrixscheibe und dient der Aufnahme einer Rotorwelle.
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7 zeigt eine Seitenansicht des Rotors aus 6 zusätzlich mit einem Umfangsringelement 23. Wie erkennbar ist, sind die Axialscheiben 21 beidseitig an die Matrixscheibe 10 angebracht. Das Umfangsringelement 23 umgibt die Matrixscheibe 10 so, dass eine axial nach innen weisende Seite des Umfangsringelements axial nach außen weisende Seiten der Magneten 15 und der Flussleitelemente 16 berührt. Das Umfangsringelement 23 kann beispielsweise ein einstückiger, durchgängiger Ring oder zwei Halbringe sein. Beispielsweise haben der Ring oder die Halbringe einen rechteckigen Querschnitt (Schnittebene enthält die Drehachse 14). Bei zwei Halbringen als Umfangsringelement 23 müssen diese nach dem Anbringen miteinander verbunden werden (beispielsweise miteinander verschweißt werden) oder bandagiert werden wie nachfolgend erläutert. Ist das Umfangsringelement 23 als Ring ausgebildet, kann dieser in Axialrichtung aufgepresst werden. Das Umfangsringelement 23 kann auf der radial nach außen weisenden Seite umwickelt (bandagiert) werden, beispielsweise mit Kohlefasern. Dazu kann eine oder mehrere Kohlefasern oder ein Kohlefaserbündel um den Außenumfang gewickelt werden. Durch die Erhöhung der Reibung bei jeder Wicklung genügt eine leichte Fixierung des Strangendes mittels Klebstoff. Ebenso könnten ringförmige Endloskohlefasern auf das Umfangsringelement 23 aufgeschoben werden. Zusätzlich zu diesen Maßnahmen könnte der Rotor 11 zumindest an seinem radialen Außenbereichen, dort wo die Magnete 15 angeordnet sind, oder insgesamt mit Klebstoff, Harz oder dergleichen umgossen werden, was zusätzlich zur Stabilität beitragen könnte.
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Während die Erfindung detailliert in den Zeichnungen und der vorangehenden Beschreibung veranschaulicht und beschrieben wurde, ist diese Veranschaulichung und Beschreibung als veranschaulichend oder beispielhaft und nicht als beschränkend zu verstehen und es ist nicht beabsichtigt die Erfindung auf die offenbarten Ausführungsbeispiele zu beschränken. Die bloße Tatsache, dass bestimmte Merkmale in verschiedenen abhängigen Ansprüchen genannt sind, soll nicht andeuten, dass eine Kombination dieser Merkmale nicht auch vorteilhaft genutzt werden könnte.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010039123 A1 [0003]
- AT 13246 U1 [0003]
