DE102017207940A1

DE102017207940A1 - Rotor und elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102017207940A1
Application number: DE102017207940.1A
Authority: DE
Inventors: Jens Burghaus; David Philipp Morisco
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-05-11
Filing date: 2017-05-11
Publication date: 2018-11-15
Also published as: WO2018206312A1; CN110582924A; JP2020520219A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine. Dieser weist einen kreiszylinderförmigen Grundkörper (4) auf, der aus mindestens einem metallischen Glas besteht. Eine Mantelfläche (5) des Grundkörpers (4) weist mindestens eine Ausnehmung (82) auf. Weiterhin betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine. Diese weist den Rotor und einen Stator auf. Der Stator weist mindestens ein metallisches Glas auf.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine. Weiterhin betrifft sie eine elektrische Maschine, welche den Rotor enthält.
Stand der Technik
Bauteile aus magnetischen Materialien werden als Rotoren oder als Statoren in einer elektrischen Maschine eingesetzt. Diese müssen gute weichmagnetische Eigenschaften, insbesondere eine hohe Sättigungspolarisation, eine hohe Permeabilität und geringe Eisenverluste aufweisen.
Beim Betrieb einer elektrischen Maschine treten Wirbelströme im Rotor auf. Dies führt zu einer Erwärmung des Rotors.
Offenbarung der Erfindung
Der Rotor für eine elektrische Maschine weist einen kreiszylinderförmigen Grundkörper auf. Dieser besteht aus mindestens einem metallischen Glas (bulk metallic glass; BMG). Eine Mantelfläche des Grundkörpers weist mindestens eine Ausnehmung auf. Ein solcher Rotor kann in einem net-shape Verfahren, wie beispielsweise einem Spritzgussverfahren, gefertigt werden, da ein metallisches Glas hergestellt werden kann, indem amorphe Ausgangspulver und/oder Granulate durch eine induktive Heizung abhängig vom Verarbeitungsschritt konsolidiert werden. Hierfür sind Temperaturen oberhalb der Glastemperatur und unterhalb der Kristallisationstemperatur notwendig. Diese liegen insbesondere im Bereich von 400 °C bis 600 °C. Weiterhin sind generative bzw. additive Verfahren anwendbar, bei denen amorphe Pulver über Temperaturen, die oberhalb der Kristallisationtemperatur liegen, konsolidiert werden. Metallische Gläser weisen üblicherweise einen Schrumpf von weniger als 0,2 % während der thermischen Konsolidierung auf, da kein Phasenübergang stattfindet. Der Rotor fällt entsprechend endkonturnah an. Die mindestens eine Ausnehmung kann bereits im Herstellungsschritt ohne nachträgliche Bearbeitung erzeugt werden.
Metallische Gläser können abhängig von ihrer Zusammensetzung sowohl magnetisch wie auch amagnetisch hergestellt werden. Dadurch können amagnetische Trennungen im Rotor realisiert werden. Um eine optimale Anwendung in einer elektrischen Maschine zu ermöglichen, weist der Rotor in seinem Grundkörper allerdings bevorzugt mindestens ein ferritisches metallisches Glas mit einer magnetischen Maximalpermeabilität von mindestens 1000 auf. Dieses weist weiterhin eine Sättigungspolarisation von vorzugsweise mindestens 1 T auf. Hierzu kann als Ausgangsmaterial für das ferritische metallische Glas insbesondere eine ferritische Eisenbasislegierung genutzt werden. Diese magnetische Permeabilität liegt deutlich über jener von Elektroblechen, wie sie üblicherweise in derartigen Rotoren Verwendung finden.
Der Grundkörper kann beispielsweise mittels Laserschweißen oder Kleben an weitere Bestandteile des Rotors angebunden sein.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass der Rotor mindestens eine Kammer in seinem Grundkörper aufweist. In jeder Kammer ist mindestens ein Permanentmagnet angeordnet. Es können allerdings in jeder Kammer auch mehrere Permanentmagnete, insbesondere jeweils zwei Permanentmagnete angeordnet sein. Diese aus einem hartmagnetischen Material bestehenden Permanentmagnete verstärken die Wechselwirkung des Rotors mit dem Stator einer elektrischen Maschine. Die Kammern können bei der Herstellung des Grundkörpers aus dem metallischen Glas erzeugt werden und die Permanentmagnete werden dann in die Kammern eingesetzt.
Es ist besonders bevorzugt, dass ein kürzester Abstand zwischen der Mantelfläche und der Kammer im Bereich von 1 mm bis 10 mm, ganz besonders bevorzugt im Bereich von 2 mm bis 10 mm liegt. Hierdurch wird eine optimale magnetische Wechselwirkung mit dem Stator ermöglicht.
In einer Ausführungsform weist der Rotor in der Mantelfläche seines Grundkörpers mehrere Ausnehmungen auf, die als Rillen ausgeführt sind. Die Tiefe dieser Rillen liegt im Bereich von 1/70 des Durchmessers des Rotors bis 1/35 des Durchmessers des Rotors. Der Durchmesser des Rotors beträgt dabei insbesondere für Kleinstmaschinen mindestens 5 mm. Er kann in Abhängigkeit von der Anwendung bis zu mehrere hundert Millimeter betragen. Es ist weiterhin bevorzugt, dass die Tiefe im Bereich von 0,2 mm bis 5,0 mm liegt. Diese Rillen reduzieren Wirbelströme an der Oberfläche des Rotors signifikant. Außerdem wirken sie als Luftschaufeln und unterstützen so die Kühlung der elektrischen Maschine.
In einer anderen Ausführungsform weist der Rotor mehrere Ausnehmungen auf, die von der Mantelfläche bis in die Kammer durchgehen. Diese Ausnehmungen befinden sich vorzugsweise in Bereichen des Grundkörpers, welche aus einem weichmagnetischen metallischen Glas bestehen. Sie ermöglichen es, den Grundkörper an Stellen mit hohen magnetischen Verlusten im Magneten gezielt durch die Entnahme von weichmagnetischem Material zu schwächen. Hierdurch werden eine lokale Flussdichteschwächung und damit eine Reduktion der induzierten Wirbelströme realisiert.
Es ist in allen bisher beschriebenen Ausführungsformen des Rotors bevorzugt, dass sich mindestens eine Ausnehmung über mindestens 80 % der Länge des Rotors erstreckt, besonders bevorzugt über mindestens 90 % der Länge, ganz besonders bevorzugt über die gesamte Länge. Wenn die Ausnehmungen als Rillen ausgeführt sind, werden hierdurch die Reduktion von Wirbelströmen und die Luftschaufelwirkung maximiert. Von der Mantelfläche bis in die Kammer durchgehende Ausnehmungen, die nicht nur an einzelnen Stellen der Mantelfläche lokalisiert sind, sondern die sich über einen so großen Teil der Rotorlänge erstrecken, fungieren als Negativkonturen in der Polkontur. Dadurch werden Oberfelder innerhalb der Rotorfelder reduziert. Da diese im Wesentlichen für die Induktion von Wirbelströmen im Magnetmaterial verantwortlich sind, können durch diese Maßnahmen Magnetverluste reduziert werden. Zusätzlich lassen sich durch diese Maßnahmen Drehmomentwelligkeiten positiv beeinflussen.
In einer weiteren Ausführungsform weist der Rotor eine Ausnehmung auf, die sich als Negativprägung mit nicht-konstanter Kontur in axialer Richtung des Rotors über die gesamte Mantelfläche erstreckt. Hierzu wird insbesondere eine lineare Form, wie beispielsweise eine konstant parallel zur Rotationsachse liegende Kontur entsprechend splineförmiger quadratischer oder linearer Verläufe modifiziert. Auch auf diese Weise können durch Oberfelder induzierte Wirbelstromverluste im Magnetmaterial reduziert werden.
Die Verwendung mindestens eines metallischen Glases in dem Grundkörper ermöglicht es weiterhin Sicherheitsmerkmale in die Oberfläche zu integrieren. Dies kann beispielsweise durch Hinterlegung eines QR-Codes als Negativ in ein Presswerk zu erfolgen, mit dem der Grundkörper aus seinen Ausgangspulvern hergestellt wird.
Die elektrische Maschine weist den Rotor und einen Stator auf. Der Stator weist mindestens ein metallisches Glas auf. Vorzugsweise weist der Stator mindestens ein metallisches Glas auf, welches auch im Grundkörper des Rotors enthalten ist. Auf diese Weise wird der magnetische Fluss im Stator an den magnetischen Fluss im Rotor angeglichen.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung einer elektrischen Maschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
2a zeigt eine isometrische Darstellung eines Rotors gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
2b zeigt eine isometrische Darstellung eines Rotors gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
2c zeigt eine isometrische Darstellung eines Rotors gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
3a zeigt eine isometrische Darstellung eines aufgeschnittenen Ausschnitts eines Rotors gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
3b zeigt eine isometrische Darstellung eines aufgeschnittenen Ausschnitts eines Rotors gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
4a zeigt eine isometrische Darstellung eines aufgeschnittenen Ausschnitts eines Rotors gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
4b zeigt eine isometrische Darstellung eines aufgeschnittenen Ausschnitts eines Rotors gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Ausführungsbeispiele der Erfindung
1 zeigt einen Ausschnitt einer elektrischen Maschine 1, welche als permanenterregende Synchronmaschine ausgeführt ist. Diese weist einen kreiszylinderförmigen Rotor 2 und einen Stator 3 auf. In einem Grundkörper 4 des Rotors 2 befindet sich unterhalb seiner Mantelfläche 5 eine Kammer 6. Diese weist einen kürzesten Abstand A von der Mantelfläche 5 von 5 mm auf. In der Kammer 6 sind zwei Permanentmagnete 71, 72 angeordnet. Der Stator 3 und der Grundkörper 4 bestehen jeweils aus einem weichmagnetischen metallischen Glas auf der Grundlage einer ferritischen Eisenbasislegierung. Diese weist eine Sättigungspolarisation von mehr als 1,6 T und eine Maximalpermeabilität von mehr als 10.000 auf. Der Stator 3 und der Grundkörper 4 können jeweils in einem generativen Verfahren hergestellt werden oder durch ein Spritzgussverfahren, indem Ausgangspulver mittels Spritzgießens in eine Matrize eingebracht und anschließend verpresst und thermisch behandelt werden.
Die 2a bis 2c zeigen drei Ausführungsbeispiele des Rotors 2, der in seiner Mantelfläche Ausnehmungen 81 in Form von Rillen aufweist. Die Rotoren 2 haben jeweils einen Durchmesser von 100 mm und die Ausnehmungen 81 haben jeweils eine Tiefe von 1,5 mm. Alle Ausnehmungen erstrecken sich jeweils über die gesamte Länge des Rotors. Dabei verlaufen sie im ersten Ausführungsbeispiel gemäß 2a parallel zur Längsachse des Rotors 2. Im zweiten Ausführungsbeispiel gemäß 2b verlaufen sie kontinuierlich geschrägt. Im dritten Ausführungsbeispiel gemäß 2c verlaufen sie V-förmig.
In einem vierten Ausführungsbeispiel, das in 3a dargestellt ist, befindet sich an Stellen mit hohen magnetischen Verlusten kreisförmige Ausnehmungen 82 in der Mantelfläche 5, die bis in die Kammer 6 durchgehen. In einem fünften Ausführungsbeispiel, das in 3b dargestellt ist, haben Ausnehmungen 83 in der Mantelfläche 5 die Form von bis in die Kammer 6 durchgehenden Negativkonturen, die mit unregelmäßiger Form über mehr als 80 % der Länge des Rotors 2 verlaufen.
Die 4a und 4b zeigen weitere Ausführungsbeispiele des Rotors 2, in denen die Mantelfläche 5 jeweils eine Ausnehmung aufweist, die sich als Negativprägung mit nicht-konstanter Kontur in axialer Richtung des Rotors 2 über die gesamte Mantelfläche 5 erstreckt. In einem sechsten Ausführungsbeispiel gemäß 4a weist die Ausnehmung 84 die Form eines Splines ohne Knoten auf. In einem siebten Ausführungsbeispiel gemäß 4b weist die Ausnehmung 85 die Form eines Splines mit mehreren Knoten auf.

Claims

Rotor (2) für eine elektrische Maschine (1), aufweisend einen kreiszylinderförmigen Grundkörper (4), der aus mindestens einem metallischen Glas besteht, wobei eine Mantelfläche (5) des Grundkörpers (4) mindestens eine Ausnehmung (81, 82, 83, 84, 85) aufweist.
Rotor (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sein Grundkörper (4) mindestens ein ferritisches metallisches Glas mit einer magnetischen Maximalpermeabilität von mindestens 1000 aufweist.
Rotor (2) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass er mindestens eine Kammer (6) in seinem Grundkörper (4) aufweist, wobei in jeder Kammer (6) mindestens ein Permanentmagnet (71, 72) angeordnet ist.
Rotor (2) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein kürzester Abstand (A) zwischen der Mantelfläche (5) und der Kammer (6) im Bereich von 1 mm bis 10 mm liegt.
Rotor (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass er mehrere Ausnehmungen (81) aufweist, die als Rillen ausgeführt sind, deren Tiefe im Bereich von 1/70 des Durchmessers des Rotors (2) bis 1/35 des Durchmessers des Rotors (2) liegt.
Rotor (2) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass er mehrere Ausnehmungen (82, 83) aufweist, die von der Mantelfläche (5) bis in die Kammer (6) durchgehen.
Rotor (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich mindestens eine Ausnehmung (81, 83) über mindestens 80 % der Länge des Rotors (2) erstreckt.
Rotor (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Ausnehmung (84, 85) aufweist, die sich als Negativprägung mit nicht-konstanter Kontur in axialer Richtung des Rotors (2) über die gesamte Mantelfläche (5) erstreckt.
Elektrische Maschine (1), aufweisend einen Rotor (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und einen Stator (3), welcher mindestens ein metallisches Glas aufweist.
Elektrische Maschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (3) mindestens ein metallisches Glas aufweist, welches auch im Grundkörper (4) des Rotors (2) enthalten ist.