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Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine und insbesondere die Befestigung von magnetischen Mitteln am Rotor.
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Zum Antrieb von Luftfahrzeugen, bspw. für Flugzeuge oder Helikopter, oder auch für elektrisch angetriebene Wasserfahrzeuge etc. werden als Alternative zu den gebräuchlichen Verbrennungskraftmaschinen Konzepte beruhend auf elektrischen Antriebssystemen untersucht und eingesetzt. Ein derartiges elektrisches oder hybrid-elektrisches Antriebssystem weist in der Regel eine oder mehrere elektrische Maschinen auf, die je nach Verwendungszweck im Antriebssystem als Generator und/oder als Elektromotor konfiguriert sein können.
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Die für derartige mobile Anwendungen einzusetzenden elektrischen Antriebe sowie die entsprechenden Maschinen müssen sich, um die benötigten Leistungen erzeugen zu können, durch extrem hohe Leistungsdichten auszeichnen. Während für viele technische Anwendungen Leistungsdichten in Größenordnungen bis zu 2kW/kg ausreichend sind, werden bspw. für die Elektrifizierung der Luftfahrt, d.h. für elektrisch oder hybridelektrisch angetriebene Luftfahrzeuge, aber auch für andere - insbesondere mobile- Anwendungen elektrische Maschinen mit Leistungsdichten von mindestens 20kW/kg angestrebt.
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Für die genannten mobilen Anwendungen werden demnach hochleistungsdichte, elektrische Maschinen benötigt, wobei mit steigender Leistungsdichte teilweise extreme Anforderungen an die Komponenten der elektrischen Maschine gestellt werden. Bspw. ist davon auszugehen, dass die Rotoren der elektrischen Maschinen mit hohen Drehzahlen betrieben werden, was zur Folge hat, dass entsprechend hohe Zentrifugalkräfte auf die an der Rotoroberfläche positionierten Magnete wirken. Diese müssen daher mit entsprechendem Aufwand am Rotor gehalten werden, was die Dimensionierung der Maschine und ggf. des Luftspalts und/oder das Gewicht der Anordnung negativ beeinflusst. Dies wirkt sich in der Folge negativ auf die Leistungsdichte aus.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine alternative Möglichkeit für einen Rotor für eine hochleistungsdichte elektrische Maschine anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch den in Anspruch 1 beschriebenen Rotor für eine elektrische Maschine sowie durch das in Anspruch 6 beschriebene Herstellverfahren gelöst. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen.
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Der Rotor weist einen im Wesentlichen zylindrischen Rotorgrundkörper mit einer radial äußeren Umfangsfläche auf, wobei der Rotorgrundkörper in axialer Richtung voneinander beabstandet angeordnete und gegenüber der Umfangsfläche in radialer Richtung nach außen vorstehende Kragen umfasst. Desweiteren weist der Rotor zumindest einen, typischerweise aber mehrere in axialer Richtung zwischen den Kragen angeordnete Permanentmagnete auf. Zwischen einem jeweiligen Kragen und dem Permanentmagneten ist jeweils ein Zwischenraum gebildet, der eine axiale Ersteckung aufweist, wobei in einen jeweiligen Zwischenraum zwischen einem jeweiligen Kragen und dem Permanentmagneten ein Material eingebracht ist, welches in festem Zustand ein größeres Volumen aufweist als in flüssigem Zustand.
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Dadurch, dass das Material in flüssigem Zustand eingebracht wird und sich anschließend verfestigt, ergibt sich dass die Permanentmagnete aufgrund der Volumenvergrößerung des Materials zwischen den Kragen mechanisch eingeklemmt werden, so dass die bei drehendem Rotor auftretende Zentrifugalkraft zumindest teilweise kompensiert wird.
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Man kann sich die Kragen als in Umfangsrichtung durchgehende, ringförmige Strukturen vorstellen, deren Innenraudius dem Außenradius des Rotorgrundkörpers entspricht und deren Außenradius um eine Differenz D größer ist als der Außenradius des Rotorgrundkörpers. Für den ebenfalls vorgesehenen Fall, dass der Rotorgrundkörper und die Kragen als einstückiges, integrales Bauteil zur Verfügung gestellt werden, welches bspw. mit Hilfe des Verfahrens der additiven Fertigung hergestellt werden kann („Additive Manufacturing“), sind diese Innen- und Außenradien natürlich nicht konkret vorhanden, sondern der Rotorgrundkörper weist einen Bereich mit einem geringeren Außenradius auf, der in axialer Richtung von zwei Bereichen mit größerem Außenradius benachbart ist. Als Größenordnung für Differenz D kann bspw. die Dicke der Permanentmagnete herangezogen werden, d.h. die Erstreckung der Permanentmagnete in radialer Richtung. Um das hier angestrebte optimale
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Jeder der Kragen weist eine dem jeweils anderen Kragen und dem Permanentmagenten zugewandte Kragenoberfläche auf, die derart beschaffen ist, dass sie mit dem Material zumindest in festem Zustand einen erhöhten Reibschluss eingeht. Der Permanentmagnet weist zwei axiale Enden auf, wobei der Permanentmagnet an jedem dieser axialen Enden eine jeweilige Magnetoberfläche aufweist. Jede der Magnetoberflächen ist einer jeweiligen Kragenoberfläche zugewandt, so dass sich zwischen einander zugewandten Kragen- und Magnetoberflächen in dem jeweiligen Zwischenraum Material befindet, und wobei die Magnetoberflächen derart beschaffen sind, dass sie mit dem Material zumindest in festem Zustand ebenfalls einen erhöhten Reibschluss eingehen. Hierbei soll der Begriff „erhöhter“ Reibschluss dahingehend zu verstehen sein, dass die genannten Oberflächen bspw. aufgerauht und nicht glatt sind. Der erhöhte Reibschluss bewirkt eine verbesserte Kompensation der Zentrifugalkraft.
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Die Kragenoberflächen, die Magnetoberflächen und das Material sind insbesondere derart gewählt und ausgebildet, dass bei einem Betrieb des Rotors zumindest unter Normalbedingungen, also bei rotierendem Rotor und bei normalem, störungsfreiem Betrieb der elektrischen Maschine, eine auf den Permanentmagneten aufgrund der Rotation wirkende Zentrifugalkraft durch die Reibschlüsse zwischen dem Permanentmagneten und dem Material sowie zwischen den Kragen und dem Material zumindest teilweise kompensiert wird.
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Bezüglich der Forderung nach einem Auftreten eines Reibschlusses sei angemerkt, dass streng genommen natürlich immer einen Reibschluss auftritt, wenn die Oberflächen von zwei Materialien miteinander in Kontakt kommen. An dieser Stelle ist natürlich gemeint, dass der Reibschluss zwischen der jeweiligen Kragenoberfläche und dem Material derart groß bzw. „erhöht“ ist, dass die bei Rotation des Rotors auftretende Zentrifugalkraft auf das Material und letztlich auch auf den Permanentmagneten durch den Reibschluss zumindest teilweise kompensiert wird.
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Das Material ist derart im jeweiligen Zwischenraum angeordnet, dass es in bestimmten Bereichen der Umfangsfläche mit der Umfangsfläche in Kontakt ist. Zudem ist es derart gewählt bzw. weist die Eigenschaft auf, dass es in den bestimmten Bereichen an der Umfangsfläche haftet. Diese Haftung des Materials an der Umfangsfläche trägt ebenfalls zur Kompensation der im Betrieb auftretenden Zentrifugalkraft bei.
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Das Material kann bspw. ein Mehrkomponentenkleber sein, insbesondere ein Zweikomponentenkleber.
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Zur Herstellung eines solchen Rotors wird in einem ersten Verfahrensschritt der im Wesentlichen zylindrische Rotorgrundkörper mit den Kragen bereitgestellt wird. In einem zweiten Verfahrensschritt wird der Permanentmagnet zwischen den Kragen derart angeordnet, dass sich zwischen dem Permanentmagneten und dem jeweiligen Kragen jeweils einer der Zwischenräume befindet. In einem dritten Verfahrensschritt wird in jeden der Zwischenräume eine vorgegebene Menge des Materials in flüssigem Zustand gegeben, woraufhin in einem vierten Verfahrensschritt das bestimmte Material verfestigt wird, d.h. es wird ein Phasenübergang vom flüssigen in den festen Zustand bewirkt.
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Die Kragen stehen gegenüber der Umfangsfläche in radialer Richtung um einen Betrag D vor und der Permanentmagnet weist eine vorgegebene Dicke B, d.h. eine Erstreckung in radiale Richtung, auf. In dem dritten Verfahrensschritt wird in jeden der Zwischenräume nur soviel flüssiges Material gegeben, dass eine dabei entstehende radiale Füllhöhe H des Materials sowohl geringer ist als der Betrag D als auch geringer ist als die Dicke B, d.h H<D, H<B. Die genaue Füllhöhe hängt davon ab, wie stark sich das Volumen vergrößert, wenn das Material den Phasenübergang von flüssig zu fest ausführt. Bspw. kann angestrebt sein, dass die Füllhöhe H nach Verfestigung so groß ist wie der kleinere der beiden Parameter B, D. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Füllhöhe H nach Verfestigung so groß ist wie der größere der beiden Parameter B, D.
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Alternativ hierzu kann in dem dritten Verfahrensschritt die vorgegebene Menge des Materials derart gewählt sein, dass die Zwischenräume bis zu einer Füllhöhe H des Materials in flüssigem Zustand aufgefüllt werden, für die im Wesentlichen gilt H=B=D. Nach dem dritten Verfahrensschritt, aber vor dem vierten Verfahrensschritt wird eine Abdeckung am Rotor über den Zwischenräumen platziert, die ein Austreten des Materials aus den Zwischenräumern verhindert, wobei die Abdeckung nach dem vierten Verfahrensschritt wieder entfernt wird. Aufgrund der Abdeckung wird eine Ausdehnung des Materials in radialer Richtung unterbunden, so dass die Ausdehnung weitestgehd homogen in alle Raumrichtungen und damit insbesondere auch verstärkt in axialer Richtung erfolgt, womit das Einklemmen der Permanentmagente in effizienterer Weise erfolgt, vergleichbar mit den Auswirkungen einer Presspassung.
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In einer ersten Ausführung ist das Material derart gewählt, dass es sich bei einer ersten Temperatur T1 in dem flüssigen Zustand und bei einer zweiten Temperatur T2 mit T2<T1 in dem festen Zustand befindet, wobei die zweite Temperatur T2 im Wesentlichen zumindest der Temperatur TB des Rotors bzw. in der elektrischen Maschine bei Normalbedingungen entspricht, also T2≈TB, oder sogar höher ist, also T2>TB, um sicherzustellen, dass das Material in dem festen Zustand verbleibt, auch wenn die Betriebstemperatur zeitweise über die normale Betriebstemperatur ansteigt. In dem dritten Verfahrensschritt wird die vorgegebene Menge des Materials bei der ersten, höheren Temperatur T1 in die Zwischenräume gegeben. In dem vierten Verfahrensschritt kann das Material zur Beschleunigung der Verfestigung aktiv gekühlt werden. Dies kann bspw. durch Zuführen eines Kühlmediums, bspw. Luft, erfolgen.
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Der Verfahrensschritt des Verfestigens kann in dieser Ausführungsform des Verfahrens also dadurch realisiert werden, dass das Material abgekühlt wird. Das Abkühlen kann entweder aktiv vorangetrieben werden oder es wird abgewartet, bis die Temperatur von selbst in die gewünschten Größenordnung gefallen ist. Dementsprechend würde das Material beim Einbringen in die freien Bereiche, wenn es also in flüssigem Zustand vorliegen muss, mit entsprechend erhöhter Temperatur T1 eingebracht werden. Hieraus folgt auch, dass das Material derart gewählt sein muss, dass es bei den typischen Betriebstemperaturen TB des Rotors in fester Form vorliegt.
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In einer alternativen Ausführung ist das Material derart gewählt, dass es aus zumindest einer ersten und einer zweiten Komponente besteht. Bspw. kann das Material ein Mehrkomponentenkleber, bspw. ein Zweikomponentenkleber sein. Diese Komponenten liegen ursprünglich separaten und in flüssigem Zustand vor. Die Komponenten sind derart gewählt, dass, wenn sie sich miteinander vermischen, das somit gebildete Gemisch vom flüssigen in den festen Zustand übergeht. In dem dritten Verfahrensschritt wird daher in der alternativen Ausführung zunächst die erste und anschließend die zweite Komponente in die Zwischenräume gegeben und dafür gesorgt, dass die Komponenten sich miteinander vermischen. Alternativ könnten die Komponenten vermischt werden, unmittelbar bevor das Gemisch bzw. das Material in noch flüssigem Zustand in die Zwischenräume gegeben wird. Dabei muss sichergestellt sein, dass die zum Einfüllen in die Zwischenräume benötigte Zeitspanne kürzer ist, als die Zeit, die das Gemisch zum Verfestigen benötigt.
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Weitere Vorteile und Ausführungsformen ergeben sich aus den Zeichnungen und der entsprechenden Beschreibung.
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Im Folgenden werden die Erfindung und beispielhafte Ausführungsformen anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dort werden gleiche Komponenten in verschiedenen Figuren durch gleiche Bezugszeichen gekennzeichnet. Es ist daher möglich, dass sich bei der Beschreibung einer zweiten Figur zu einem bestimmten Bezugszeichen, welches bereits im Zusammenhang mit einer anderen, ersten Figur erläutert wurde, keine näheren Erläuterungen finden. In einem solchen Fall kann bei der Ausführungsform der zweiten Figur davon ausgegangen werden, dass die dort mit diesem Bezugszeichen gekennzeichnete Komponente auch ohne nähere Erläuterung im Zusammenhang mit der zweiten Figur die gleichen Eigenschaften und Funktionalitäten aufweist, wie im Zusammenhang mit der ersten Figur erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine bekannte elektrische Maschine,
- 2 einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Rotors zu einem späteren Zeitpunkt des Herstellungsprozesses,
- 3 einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Rotors zu einem früheren Zeitpunkt des Herstellungsprozesses,
- 4 einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Rotors für einen alternativen Herstellungsprozess.
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Es sei angemerkt, dass sich Begriffe wie „axial“, „radial“, „tangential“ etc. auf die in der jeweiligen Figur bzw. im jeweils beschriebenen Beispiel zum Einsatz kommende Welle bzw. Achse beziehen. Mit anderen Worten beziehen sich die Richtungen axial, radial, tangential stets auf eine Drehachse des Läufers. Dabei beschreibt „axial“ eine Richtung parallel zur Rotationsachse, „radial“ beschreibt eine Richtung orthogonal zur Rotationsachse, auf diese zu oder auch von ihr weg, und „tangential“ ist eine Bewegung bzw. Richtung, die in konstantem radialen Abstand zur Rotationsachse und bei konstanter Axialposition kreisförmig um die Rotationsachse herum gerichtet ist.
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Begriffe wie „oben“, „unten“, „oberhalb“, „unterhalb“ etc. beziehen sich auf die Richtung der Gravitationswirkung, die in den Figuren wo nötig mit einem mit „g“ gekennzeichneten Pfeil symbolisiert ist. Ein „oben“ befindlicher Gegenstand befindet sich also in größerer Entfernung von der Erdoberfläche, als ein „unten“ befindlicher Gegenstand. Analog beziehen sich auch die Begriffe „vertikal“ und „horizontal“ auf die Richtung der Gravitationswirkung.
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Weiterhin soll der Begriff „axial“ im Zusammenhang mit einer Fläche, bspw. einer Oberfläche, bedeuten, dass der Normalenvektor dieser Fläche in axialer Richtung orientiert ist.
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Die 1 zeigt exemplarisch eine als Elektromotor ausgebildete elektrische Maschine 100. Es sei erwähnt, dass die elektrische Maschine 100 in ähnlichem Aufbau grundsätzlich auch als Generator betrieben werden kann. Weiterhin sei angemerkt, dass der Aufbau der im Folgenden beschriebenen Maschine stark vereinfacht ist und insbesondere die im Zusammenhang mit den weiteren Figuren erläuterten Details nicht zeigt, sondern lediglich zur Veranschaulichung der Funktionsweise des Elektromotors dient. Es kann als bekannt vorausgesetzt werden, dass je nach Ausbildung der elektrischen Maschine als Generator oder als Elektromotor und/oder als bspw. Radial- oder Axialflussmaschine mit einem als Innen- oder auch als Außenläufer ausgebildeten Rotor etc. die verschiedenen Komponenten der Maschine unterschiedlich angeordnet sein können.
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Der Elektromotor 100 weist einen Stator 120 sowie einen als Innenläufer ausgebildeten Rotor 110 auf, wobei der Rotor 110 innerhalb des Stators 120 angeordnet ist und im Betriebszustand des Elektromotors 100 um eine Rotationsachse rotiert. Der Rotor 110 ist drehfest mit einer Welle 130 verbunden, so dass eine Rotation des Rotors 110 über die Welle 130 auf eine nicht dargestellte anzutreibende Komponente, bspw. auf einen Propeller eines Flugzeugs, übertragbar ist.
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Der Stator 120 weist erste magnetische Mittel 121 auf, die bspw. als Statorwicklungen 121 realisiert sein können. Jede der Wicklungen 121 wird durch einen elektrischen Leiter gebildet, der im Betriebszustand des Elektromotors 100 von einem elektrischen Strom durchflossen wird. Der Rotor 110 weist zweite magnetische Mittel 111 auf, die bspw. als Permanentmagnete oder als erregte bzw. erregbare Wicklungen ausgebildet sein können. Im Folgenden wird angenommen, dass es sich um Permanentmagnete 111 handelt. Die ersten und die zweiten magnetischen Mittel 111, 121 sind derart ausgebildet und durch einen Luftspalt voneinander beabstandet zueinander angeordnet, dass sie im Betriebszustand des Elektromotors 100 elektromagnetisch miteinander wechselwirken. Dieses Konzept einschließlich der Bedingungen für die Ausbildung und genaue Anordnung der magnetischen Mittel 111, 121 bzw. von Rotor 110 und Stator 120 sind an sich bekannt und werden daher im Folgenden nicht näher erläutert. Es sei lediglich erwähnt, dass zum Betreiben der elektrischen Maschine 100 als Elektromotor die Statorwicklungen 121 mit Hilfe einer nicht dargestellten Stromquelle mit einem elektrischen Strom beaufschlagt werden, der bewirkt, dass die Wicklungen 121 dementsprechende Magnetfelder erzeugen, welche mit den Magnetfeldern der Permanentmagnete 111 des Rotors 110 in elektromagnetische Wechselwirkung treten. Dies resultiert bekanntermaßen darin, dass bei geeigneter Ausbildung und Anordnung der genannten Komponenten zueinander der Rotor 110 und mit ihm die Welle 130 sowie der genannte Propeller in Rotation versetzt werden.
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Zum Betreiben der elektrischen Maschine 100 als Generator wird anstelle der Spannungsquelle ein elektrischer Verbraucher elektrisch mit den Statorwicklungen 121 verbunden. Der Rotor 110 wird mit Hilfe der Welle 130 in Rotation versetzt, so dass durch die elektromagnetische Wechselwirkung zwischen den Permanentmagneten 111 und den Statorwicklungen 121 elektrische Spannungen in den Wicklungen 121 induziert werden. Diese können über entsprechende, jedoch nicht dargestellte Kontakte abgegriffen und dem elektrischen Verbraucher zur Verfügung gestellt werden.
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Die 2, 3 zeigen den in 1 mit „II“ gekennzeichneten Schnitt. Der Stator 120 mit seinen Komponenten ist in den 2, 3 nicht dargestellt. Desweiteren ist in den 2, 3 aus Symmetriegründen nur eine Hälfte des Rotors 110 dargestellt.
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Der in 2 dargestellte Rotor 110 umfasst einen im Wesentlichen zylindrischen Rotorgrundkörper 112, welcher drehfest auf der Welle 130 angeordnet ist. An der radial äußeren Umfangsfläche 113 des Rotorgrundkörpers 112 sind die Permanentmagnete 111 derart befestigt, dass sie bei Rotation des Rotors 110 mit rotieren. Die Permanentmagnete 111 müssen dabei insbesondere derart drehfest am Grundkörper 112 befestigt sein, dass sie das durch die elektromagnetische Wechselwirkung mit den stromdurchflossenen Statorwicklungen 121 erzeugte Drehmoment auf den Rotorgrundkörper 112 übertragen können.
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Der Rotorgrundkörper 112 weist an seinen axialen Enden jeweils von der Umfangsfläche 113 radial nach außen vorstehende Kragen 114, 115 auf. Man kann sich die Kragen 114, 115 demnach als in Umfangsrichtung durchgehende, für sich gesehen ringförmige Strukturen vorstellen, deren Innenradien R114i, R115i dem Außenradius R112a des Rotorgrundkörpers 112 entspricht und deren Außenradien R114a, R115a um eine Differenz D größer ist als der Außenradius R112a des Rotorgrundkörpers 112. Für den ebenfalls vorgesehenen und bevorzugten Fall, dass der Rotorgrundkörper 112 mit den Kragen 114, 115 als einstückiges, integrales Bauteil zur Verfügung gestellt werden, welches bspw. mit Hilfe des Verfahrens der additiven Fertigung hergestellt werden kann („Additive Manufacturing“), sind diese Innen- und Außenradien R112a, R114i, R115i, R114a, R115a natürlich nicht konkret vorhanden, sondern der Rotorgrundkörper 112 weist einen Bereich mit einem geringeren Außenradius auf, der von zwei in axialer Richtung voneinander beabstandeten Bereichen mit größerem Außenradius benachbart ist. Als Größenordnung für die Differenz D kann bspw. die Dicke B der Permanentmagnete 111 herangezogen werden, d.h. die Erstreckung B der Permanentmagnete 111 in radialer Richtung.
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Die Permanentmagnete 111 sind in axialer Richtung mittig zwischen den Kragen 114, 115 angeordnet, wobei die axiale Erstreckung L der Permanentmagnete 111 und der axiale Abstand A der Kragen 114, 115 derart aufeinander abgestimmt sind, dass die Erstreckung L kleiner ist als der Abstand A, so dass jeweils zwischen den Permanentmagneten 111 und dem jeweiligen Kragen 114 bzw. 115 ein Zwischenraum 116 gebildet ist. Um die oben bereits erwähnte Befestigung der Permanentmagnete 111 am Rotor 110 zu bewerkstelligen, die zum Einen erlaubt, dass das Drehmoment auf den Rotor 110 übertragen wird, und die zum Anderen bewirkt, dass die Permanentmagnete 111 bei Rotation des Rotors 110 nicht aufgrund der Zentrifugalkraft vom Rotor 110 weggeschleudert werden, wird bei der Herstellung des Rotors 110, insbesondere beim Herstellungsschritt der Befestigung der Permanentmagnete 111 am Rotor 110, in die Zwischenräume 116 ein Material 117 in flüssigem Zustand eingebracht, welches die besondere Eigenschaft aufweist, dass es in festem Zustand ein größeres Volumen aufweist als in flüssigem Zustand. Das Material 117 ist dabei insbesondere derart gewählt, dass es sich im normalen Betriebszustand des Elektromotors 100 in festem Zustand befindet. Dementsprechend verfestigt sich das Material 117, wenn es sich in den Zwischenräumen 116 befindet, wobei die Volumenvergrößerung ihrerseits ein Einklemmen der Permanentmagnete 111 zwischen den Kragen 114, 115 und damit die angestrebte Befestigung der Permanentmagnete 111 am Rotor 110 bewirkt.
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Bspw. kann das Material 117 ein Mehrkomponentenkleber, bspw. ein Zweikomponentenkleber sein. Die beiden Kleberkomponenten werden nacheinander und jeweils in flüssigem Zustand in die Zwischenräume 116 gegeben und vermischen sich miteinander. Aufgrund der Vermischung und der chemischen Wechselwirkung zwischen den Kleberkomponenten verfestigt sich das Gemisch einhergehend mit der oben erwähnten Volumenvergrößerung. Alternativ könnten die Komponenten auch miteinander vermischt werde, bevor das dabei entstehende Gemisch in die Zwischenräume 116 gegeben wird. Hierbei muss jedoch sichergestellt werden, dass der zum Vermischen der Komponenten und insbesondere der zum Verbringen der Gemisches in die Zwischenräume 116 benötigte Zeitraum kürzer ist, als der materialspezifische Zeitraum zur Verfestigung.
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Alternativ kann das Material 117 auch derart gewählt sein, dass es sich beim Einbringen in die Zwischenräume 116 aufgrund einer zu diesem Zeitpunkt gegenüber der normalen Betriebstemperatur erhöhten Temperatur in flüssigem Zustand befindet. Nach dem Einbringen kühlt das Medium 117 ab und verfestigt sich dabei, wobei sich wiederum das Volumen vergrößert. Das Abkühlen kann entweder aktiv vorangetrieben werden oder es wird abgewartet, bis die Temperatur von selbst in die gewünschten Größenordnung gefallen ist. Dementsprechend würde das Material 117 beim Einbringen in die Zwischenräume 116, wenn es also in flüssigem Zustand vorliegen muss, mit entsprechend erhöhter Temperatur eingebracht werden. Hieraus folgt, dass das Material 117 derart gewählt sein muss, dass es bei den typischen Betriebstemperaturen des Elektromotors 100 definitiv in fester Form vorliegt.
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Grundsätzlich kann das Material 117 auch die zusätzliche Eigenschaft aufweisen, dass es in dem Bereich, in dem es mit der Umfangsfläche 113 des Rotorgrundkörpers 112 in Kontakt ist, an der Umfangsfläche 113 haftet bzw. klebt. Dieses Haften des Materials 117 an der Umfangsfläche 113 trägt ebenfalls zur Kompensation der im Betrieb auftretenden Zentrifugalkraft bei.
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Unabhängig von der Art des Materials 117 bzw. vom zum Einsatz kommenden Prinzip der Volumenvergrößerung werden also bei der Herstellung des Rotors 110 zunächst die Permanentmagnete 111 an den vorgesehenen Positionen an der äußeren Umfangsfläche 113 und mittig zwischen den Kragen 114, 115 positioniert, so dass die Zwischenräume 116 gebildet werden. Anschließend wird eine vorgegebene Menge des zu diesem Zeitpunkt flüssigen Materials 117 in die Zwischenräume 116 gegeben. Dieser Schritt des Hinzugebens des flüssigen Materials 117 kann zumindest für den Fall, dass das Material 117 der erwähnte Mehrkomponentenkleber ist, aus mehreren Teilschritten bestehen, wobei in jedem Teilschritt eine der Kleberkomponenten in den jeweiligen Zwischenraum 116 gegeben wird. Nach der Verfestigung des Materials 117 in den Zwischenräumen 116 können ggf. weitere Schritte zu Herstellung und/oder Montage des Rotors 110 ausgeführt werden.
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Die vorgegebene Menge des Materials 117 und damit die Füllhöhe der Zwischenräume 116 mit flüssigem Material 117 hängt letztlich von der Dimensionierung der Kragen 114, 115 und der Permanentmagnete 111 ab, d.h. von den Größen der Zwischenräume 116. Wie oben erwähnt stehen die Kragen 114, 115 um eine Differenz D in radialer Richtung gegenüber der Umfangsfläche 113 vor. Die Permanentmagnete 111 weisen eine Dicke B auf. Dabei sind die Kragen 114, 115 und die Permanentmagente 111 idealerweise, aber nicht notwendigerweise, derart dimensioniert, dass gilt D=B. Insbesondere wird in jeden der Zwischenräume 116 nur soviel flüssiges Material 117 gegeben, dass eine dabei entstehende radiale Füllhöhe H des Materials 117 sowohl geringer ist als der Betrag B als auch geringer ist als die Dicke D, d.h H<B, H<D. Die genaue Füllhöhe H mit flüssigem Material 117 hängt davon ab, wie stark sich das Volumen vergrößert, wenn das Material 117 den Phasenübergang von flüssig zu fest ausführt. Es ist davon auszugehen, dass die Füllhöhe H' nach der Verfestigung größer sein wird, als die Füllhöhe H mit flüssigem Material, d.h. H'>H. Bspw. kann angestrebt sein, dass die Füllhöhe H' nach der Verfestigung so groß ist wie der kleinere der beiden Parameter B, D. Alternativ kann vorgesehen sein, dass die Füllhöhe H' nach Verfestigung so groß ist wie der größere der beiden Parameter B, D. Im oben genannten Idealfall mit B=D sollte für die Füllhöhe H' mit verfestigtem Material 117 gelten H'=B=D.
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Die 3 zeigt zur Veranschaulichung den Zustand unmittelbar nach Einfüllen der vorgegebenen Menge des flüssigen Materials 117 bis zur Füllhöhe H. Der Übersichtlichkeit wegen ist ein Großteil der Bezugszeichen in der 3 nicht dargestellt. Die 2 zeigt den zu einem späteren Zeitpunkt vorliegenden Zustand nach Verfestigung des Materials 117, bei dem sich aufgrund der Volumenvergrößerung eine Füllhöhe H'>H ergeben hat.
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Die 4 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der der Prozess der Verfestigung und des einhergehenden Einklemmens der Permanentmagnete 111 alternativ gehandhabt wird. Wie in 3 ist auch in 4 der Übersichtlichkeit wegen ein Großteil der Bezugszeichen nicht dargestellt. Das Material 117 wird hier in flüssigem Zustand bis zu einer Höhe H in die Zwischenräume 116 gefüllt, die im Wesentlichen den Parametern B, D entspricht. Die Zwischenräume 116 werden also weitestgehend voll aufgefüllt. Anschließend werden die Zwischenräume 116 mit einer Abdeckung 140, bspw. eine Bandage, radial außen abgedeckt. Die Abdeckung 140 weist also die Form eines Hohlzylinders auf. Die Verfestigung des Materials 117 mit der einhergehenden Volumenvergrößerung würde wie in der in den 2, 3 beschriebenen Ausführung dazu führen, dass sich das Material 117 im Wesentlichen in radialer Richtung ausdehnt. Aufgrund der Abdeckung 140 wird eine Ausdehnung in radialer Richtung unterbunden und damit automatisch eine homogenere Ausdehnung erreicht, insbesondere eine stärkere Ausdehnung in axialer Richtung, so dass das Einklemmen der Permanentmagente 111 in effizienterer Weise erfolgt, vergleichbar mit den Auswirkungen einer Presspassung.
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Jeder Kragen 114, 115 weist eine dem jeweils anderen Kragen 115, 114 und dem zwischen den Kragen 114, 115 liegenden Permanentmagenten 111 zugewandte Kragenoberfläche 118 auf. Die Permanentmagnete 111 weisen zwei axiale Enden auf, an denen die Permanentmagnete 111 eine jeweilige Magnetoberfläche 119 aufweisen. Jede dieser Magnetoberflächen 119 ist einer jeweiligen Kragenoberfläche 118 zugewandt, so dass zwischen einander zugewandten Kragen- und Magnetoberflächen 118, 119 die bereits erläuterten Zwischenräume 116 ausgebildet sind, in denen sich das Material 117 befindet. Diese Kragenoberflächen 118 und/oder die Magnetoberflächen 119 sind derart beschaffen, dass sie mit dem Material 117 zumindest dann, wenn es sich in festem Zustand befindet, einen erhöhten Reibschluss eingehen. Bspw. können diese Kragenoberflächen 118 und/oder Magnetoberflächen 119 aufgerauht sein. Diese Maßnahme hat zur Folge, dass die auf die Permanentmagnete 111 ausgeübte Wirkung zur Kompensation der Zentrifugalkraft vergrößert ist. Bezüglich der Forderung nach einem Auftreten eines Reibschlusses sei angemerkt, dass streng genommen natürlich stets ein Reibschluss auftritt, wenn die Oberflächen von zwei Materialien miteinander in Kontakt kommen. An dieser Stelle ist natürlich gemeint, dass der Reibschluss zwischen der jeweiligen Kragenoberfläche 118 und dem Material 117 bzw. zwischen der jeweiligen Magnetoberfläche 119 und dem Material 117 derart groß ist, dass die bei Rotation des Rotor 110 auftretende Zentrifugalkraft auf die Permanentmagnete 111 durch den Reibschluss im Zusammenwirken mit der erläuterten Volumenvergrößerung signifikant kompensiert wird.
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Die Kragenoberflächen 118, die Magnetoberflächen 119 und das Material 117 selbst sind bzgl. ihrer Dimensionierung und ihrer Art derart gewählt und ausgebildet, dass bei einem Betrieb des Rotors 110 in sämtlichen Betriebszuständen eine auf die Permanentmagnete 111 aufgrund der Rotation des Rotors 110 wirkende Zentrifugalkraft durch die Reibschlüsse zwischen dem Permanentmagneten 111 und dem Material 117 sowie zwischen den Kragen 114, 115 und dem Material 117 zumindest teilweise kompensiert wird.
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Zusätzlich zu der Verwendung des Materials 117 können die Permanentmagnete 111 bspw. auch noch mit Hilfe eines gängigen Klebers o.ä. an der Umfangsfläche 113 fixiert sein.
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Wie bereits erwähnt sein darauf hingewiesen, dass der beschriebene Rotor in gleicher Weise auch für den Fall vorteilhaft einsetzbar ist, bei dem die elektrische Maschine 100 nicht als Elektromotor sondern als Generator ausgebildet ist.
