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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 hinsichtlich ihrer Polarität, 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 Umfang 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 8 und ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 9 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, bereitgestellt, mit mehreren nebeneinander angeordneten Rotorscheiben, jeweils mit einem ringförmigen Grundkörper, der sich um eine Mittellinie der Rotorscheibe herum erstreckt, von dem sich Finger radial nach außen erstrecken; einer Vielzahl von Magneten, die jeweils zwischen zwei benachbarten Fingern angeordnet sind, und einem Umfangsringelement, das die Magnete auf deren radial nach Außen weisenden Seiten umgibt. Durch dieses Ausführungsbeispiel wird ein Rotor geschaffen, dessen Rotorscheibe leicht ist und ein Stecksystem für die Anbringung der Magnete realisiert, welches die Lage dieser Magnete mit einfachen Mitteln definiert. Durch die Rotorscheiben in Sternform ist ein lagegenaues automatisierbares Einfügen der Magnete realisierbar, so dass diese auch in Serienfertigung genau positionierbar sind. Durch den beschriebenen Aufbau des Rotors werden alle Einzelkomponenten zumindest formschlüssig gesichert. Der Rotor zeichnet sich durch einen besonders einfachen Aufbau aus. Aufgrund dessen, dass sich die Magnete nur innerhalb eines sehr engen Toleranzbereichs in ihrer Lage ändern können, liefert dieser Aufbau den Vorteil einer geringen Drehmoment-Welligkeit. Dies erhöht sowohl die Bauteillebensdauer als auch den Komfort beim Einsatz in einem Kraftfahrzeug.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung haben die Rotorscheiben im Wesentlichen den gleichen Außendurchmesser.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Rotorscheiben identisch.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der Rotor ferner ein Paar Axialscheiben auf, die an den axial nach außen weisenden Seiten der außen angeordneten Rotorscheiben angeordnet sind und die Magnete bezüglich einer Axialrichtung fixieren. Durch die Axialscheiben werden dazwischen angeordneten Elemente fixiert.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist bei der Rotorscheibe der Übergangsbereich vom ringförmigen Grundkörper zu den Fingern abgerundet. Dies verhindert Kerbspannungen und erhöht die Lebensdauer des Rotors.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Rotorscheibe Kohlefasern auf oder ist aus Aluminium hergestellt. Diese Materialien ermöglichen die Bereitstellung einer leichten Rotorscheibe.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Umfangsringelement ringförmige Endloskohlefasern auf.
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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 Rotorscheibe eines Rotors gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
- 3 ist eine dreidimensionale Darstellung eines Rotorscheibenpakets aus mehreren nebeneinander angeordneten Rotorscheiben gemäß 2;
- 4 ist eine dreidimensionale Darstellung von Magneten, die jeweils zwischen benachbarten Fingern der Rotorscheiben des Rotorscheibenpakets gemäß 3 eingesetzt werden;
- 5 ist eine dreidimensionale Darstellung einer Axialscheibe, und
- 6 ist eine dreidimensionale Darstellung des erfindungsgemäßen Rotors.
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2 ist eine dreidimensionale Darstellung einer Rotorscheibe 10 eines Rotors gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Ein zusammengebauter Rotor 11 ist in 6 dargestellt. Der Rotor 11 ist der Rotor einer Transversalflussmaschine, bei der ein Antrieb des Rotors durch eine Stromspeisung entsprechender Spulenwicklungen eines Stators erfolgt, der benachbart zu dem Rotor angeordnet ist oder den Rotor ringartig umgibt. Vorzugsweise dient die Transversalflussmaschine zum Antrieb eines Hybrid- oder Elektrofahrzeugs. Die Rotorscheibe 10 besteht aus einem ringförmigen Grundkörper 12, der ringartig um eine Mittellinie 13 verläuft. Die Mittellinie 13 verläuft senkrecht zu einer Ebene, welche durch die Rotorscheibe 10 aufgespannt wird. Im Betrieb der Transversalflussmaschine ist die Rotorscheibe 10 und der Rotor 11 um die Mittellinie 13 drehbar gelagert, d.h. die Mittellinie 13 entspricht der Drehachse der Rotorscheibe 10 sowie des Rotors 11. Der ringförmige Grundkörper 12 bildet auf seiner radial (bzgl. der Mittellinie 13) nach innen weisenden Seite eine im Wesentlichen kreisrunde Öffnung 14 aus. Von der radial nach außen weisenden Seite des Grundkörpers 12 erstrecken sich Finger 15 (nur einige mit Bezugszeichen versehen). Die Finger 15 erstrecken sich vorzugsweise geradlinig entlang von Radiallinien (bzgl. der Mittellinie 13). Im Querschnitt (senkrecht zu diesen Radiallinien) sind die Finger 15 viereckig, insbesondere rechteckig mit kleinerer Abmessung in Axialrichtung als senkrecht dazu. Die Vielzahl an Fingern 15 der Rotorscheibe 10 sind in regelmäßigen Abständen entlang des Umfangs des Grundkörpers 12 verteilt. Jeweils zwischen zwei benachbarten Fingern 15 ist der Übergangsbereich vom Grundkörper 12 zu den Fingern 15 abgerundet. Entlang einer Radialrichtung ist die Materialdicke des Grundkörpers 12 kleiner als die Länge der Finger 15. Vorzugsweise sind alle der Finger 15 in radialer Richtung gleich lang. Die Unterscheidung zwischen Grundkörper und Fingern sollte der Beschreibung und Veranschaulichung dienen, wobei die Rotorscheibe vorzugsweise einstückig ausgebildet ist, d.h. ein mit der beschriebenen Form durchgängiges, materialunterbrechungsfreies Bauteil. Die Rotorscheibe ist beispielsweise aus Aluminium oder einem Kohlefaserverbundwerkstoff (beispielsweise kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff bei dem Kohlenstofffasern in eine Kunststoff-Matrix oder Epoxidharz-Matrix eingebettet sind), kann aber auch aus einem anderen Material hergestellt sein.
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3 ist eine dreidimensionale Darstellung von mehreren Rotorscheiben 10, wie in 2 dargestellt, die nebeneinander angeordnet sind. Alle der aneinander gereihten Rotorscheiben 10 bilden ein Rotorpaket 20 aus, wobei die Mittellinien (Drehachsen) aller Rotorscheiben 10 deckungsgleich sind und der Mittellinie 13 entsprechen. Vorzugsweise haben die Rotorscheiben 10 den gleichen oder im Wesentlichen, d.h. mit einer Abweichung von weniger als 5%, den gleichen Außendurchmesser. Vorzugsweise sind alle der aneinandergereihten Rotorscheiben 10 identisch. Im dargestellten Beispiel sind drei Rotorscheiben 10 aneinander gereiht, es könnten aber auch nur zwei, vier oder mehr als vier Rotorscheiben 10 aneinander gereiht sein. Die Rotorscheiben 10 sind vorzugsweise direkt aneinander gereiht, d.h. sie sind in Axialrichtung der Mittellinie 13 nacheinander so angeordnet, dass sich benachbarte Rotorscheiben 10 berühren. Die Finger 15 sind deckungsgleich ausgerichtet, so dass sich zwischen in Umfangsrichtung benachbarten Fingern 15 über alle Rotorscheiben 10 in Axialrichtung verlaufende Ausnehmungen 16 (nur einige mit Bezugszeichen versehen) zwischen den in Umfangsrichtung benachbarten Fingern 15 ergeben. Die Ausnehmungen 16 sind auf ihrer radial nach außen weisenden Seite nach außen hin offen.
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4 ist eine dreidimensionale Darstellung einer Vielzahl von Magneten 17 (nur einige mit Bezugszeichen versehen), von denen je einer zwischen in Umfangsrichtung (bzgl. der Mittellinie 13) benachbarten Fingern 15, d.h. in die Ausnehmungen 16, des Rotorscheibenpakets 20 gemäß 3 eingesetzt wird. Selbstverständlich wäre auch möglich, pro Ausnehmung 16 mehrere Magneten einzusetzen, wobei die Vielzahl der Magneten gleichmäßig auf alle Ausnehmungen verteilt werden. Die Magneten 17 sind in gleichmäßigen Abständen zueinander um die Mittellinie 13 herum angeordnet. Die beiden in Umfangsrichtung weisenden Seiten der Magnete 17 liegen jeweils an die in Umfangrichtung weisenden Flächen der Finger 15 an. Die einander zugewandten Seiten zweier benachbarter Magneten 17 haben jeweils gleiche Polarität (Südpol oder Nordpol). Die Magnete 17 haben einen rechteckigen Querschnitt (bzgl. einer Schnittebene senkrecht zu einer Radiallinie der Mittellinie 13). Entlang der Radialrichtung nach innen verjüngt sich eine Abmessung der Magnete 17, entlang einer Umfangsrichtung (bzgl. der Mittellinie 13) gemessen, kontinuierlich.
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5 ist eine dreidimensionale Darstellung einer Axialscheibe 18. Die Axialscheibe 18 ist eine Scheibe mit kreisrundem Außenumfang der hinsichtlich seines Radius im Wesentlichen dem der Rotorscheiben 10 entspricht und einer Öffnung im Zentrum die im Wesentlichen der Öffnung 14 entspricht. Ein Paar solcher Axialscheiben 18 wird an die axialen Enden des Rotorscheibenpakets 20 angebracht, um die Rotorscheiben 10 sowie die Magneten 17 zu fixieren. Dabei werden die beiden Axialscheiben 18 so miteinander verbunden, sodass die dazwischenliegenden Rotorscheiben 10 aneinandergedrückt werden. Die beiden Axialscheiben 18 werden beispielsweise miteinander durch Nieten oder Schrauben verbunden. Beispielsweise können dazu Durchgangslöcher 19 (nur einige mit Bezugszeichen versehen) in den Axialscheiben 18 vorgesehen sein, durch welche Schrauben (nicht dargestellt) eingefügt werden, mit denen beide Axialscheiben 18 aneinandergeschraubt werden. Zum Hindurchführen solcher Schrauben, Stifte oder Nieten sind in Axialrichtung zu den Durchgangslöchern 19 fluchtende Durchgangsöffnungen 21 (nur einige mit Bezugszeichen versehen) in den Rotorscheiben 10 vorgesehen. Die Axialscheiben 18 sind beispielsweise aus Aluminium.
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6 ist eine dreidimensionale Darstellung des zusammengebauten Rotors 11. Wie erkennbar ist, sind die Axialscheiben 18 beidseitig an das Rotorscheibenpaket 20 angebracht und die Magnete 17 in die Ausnehmungen 16 des Rotorscheibenpakets 20 eingesetzt. Ein Umfangsringelement (nicht dargestellt) umgibt das Rotorscheibenpaket 20 in Umfangsrichtung, so dass eine axial nach innen weisende Seite des Umfangsringelements axial nach außen weisende Seiten der Magneten 17 und der Finger 15 berührt. Das Umfangsringelement kann beispielsweise ein einstückiger, durchgängiger Ring oder zwei Halbringe sein. Beispielsweise haben der Ring oder die Halbringe einen rechteckigen Querschnitt (Schnittebene enthält die Mittellinie 13). Bei zwei Halbringen als Umfangsringelement müssen diese nach dem Anbringen miteinander verbunden werden (beispielsweise miteinander verschweißt werden) oder bandagiert werden wie nachfolgend erläutert. Ist das Umfangsringelement als Ring ausgebildet, kann dieser in Axialrichtung aufgepresst werden. Das Umfangsringelement 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 aufgeschoben werden. Zusätzlich zu diesen Maßnahmen könnte der Rotor 11 zumindest an seinem radialen Außenbereichen, dort wo die Magnete 17 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]
