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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor für eine permanenterregte Synchronmaschine sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors für eine permanenterregte Synchronmaschine.
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Stand der Technik
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Im Bereich elektrischer Traktionsantriebe macht sich ein Trend zu immer höheren Drehzahlen bemerkbar, um sowohl die Leistungsdichte wie auch die Materialausnutzung zu optimieren. Dabei müssen immer mehr Kompromisse zwischen der Strukturfestigkeit und der effizienten Ausnutzung der elektromagnetischen Eigenschaften im Rotordesign eingegangen werden.
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Bei hochdrehenden elektrischen Maschinen, insbesondere hochdrehenden permanenterregten Synchronmaschinen, werden Materialaussparungen zur Aufnahme von Permanentmagneten und Sättigungsstege zwischen diesen Permanentmagneten eingesetzt, um die Festigkeit des Rotors gegenüber Fliehkräften sicherzustellen. Die Materialaussparungen reduzieren jedoch die Designfreiheiten bezüglich Elektromagnetik. Die Sättigungsstege vermindern die magnetische Ausnutzung der Permanentmagnete, denn ein Teil des magnetischen Flusses schließt sich über die Stege kurz, ohne etwas zur Drehmomentenbildung beizutragen.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist zum einen Aufgabe der Erfindung einen Rotor für eine elektrische Maschine, insbesondere eine permanenterregte Synchronmaschine, anzugeben, der sich durch ein streuflussreduziertes sowie strukturfestes Design auszeichnet. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung ein kosten- sowie zeiteffizientes Verfahren zur Herstellung eines eben solchen Rotors anzugeben.
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Die Lösung des ersten Aspekts der Aufgabe erfolgt durch einen Rotor für eine permanenterregte Synchronmaschine gemäß dem Anspruch 1; die Lösung des zweiten Aspekts der Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors für eine permanenterregte Synchronmaschine nach dem Anspruch 5.
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Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen angegeben.
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Der erfindungsgemäße Rotor umfasst einen Rotorkörper sowie zumindest zwei Permanentmagnete.
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In dem Rotorkörper ist erfindungsgemäß zumindest eine Ausnehmung, die sich im Wesentlichen in eine axiale Richtung zumindest teilweise durch den Rotorkörper erstreckt, ausgebildet.
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Die Begrifflichkeit „axial“ beschreibt eine Richtung entlang oder parallel zu einer zentralen Achse des Rotors.
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Die Begrifflichkeit „radial“ beschriebt eine Richtung normal auf die zentrale Achse des Rotors.
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Entsprechend der vorliegenden Erfindung weist die Ausnehmung zumindest zwei länglich verlaufende erste Bereiche und zumindest einen in eine radiale Richtung verlaufenden zweiten Bereich, der sich radial zwischen den beiden ersten Bereichen erstreckt, auf. In jeweils einem ersten Bereich ist erfindungsgemäß jeweils ein Permanentmagnet aufgenommen und in dem zweiten Bereich ist erfindungsgemäß ein Verbindungselement aufgenommen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung weist das Verbindungselement entsprechend der Kontur des zweiten Bereichs der Ausnehmung an seinen jeweiligen Enden eine geometrische Verbreiterung auf. Der zweite Bereich der Ausnehmung im Rotorkörper weist somit eine Kontur auf, die im Wesentlichen der Außenkontur des Verbindungselements entspricht - der zweite Bereich der Ausnehmung ist nämlich in Bezug auf seine radiale Erstreckung im Bereich seiner distalen Enden breiter ausgeführt als in seiner Mitte. Der zweite Bereich weist somit eine im Wesentlichen knochenförmige Kontur auf.
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Die erfindungsgemäße Ausbildung des Rotors offenbart eine Möglichkeit den anfangs angesprochenen Kompromiss zwischen der Strukturfestigkeit und der effizienten Ausnutzung der elektromagnetischen Eigenschaften im Rotordesign zu umgehen und einen streuflussreduzierten, strukturfesten und demnach leistungsoptimierten sowie zuverlässigen Rotor darzustellen.
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Die geometrische Verbreiterung an den jeweiligen Enden des Verbindungselements ist bevorzugt schwalbenschwanz- oder pilzförmig ausgebildet.
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Die Ausnehmung quer zu einer zentralen Achse des Rotors weist vorzugsweise eine V-förmige, eine rechteckige oder eine bogenförmige Grundfläche auf.
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Das Verbindungselement besteht vorzugsweise aus einem magnetisch nicht leitfähigem Material.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Rotors für eine permanenterregte Synchronmaschine geht von einem Rotor mit einem Rotorkörper und zumindest zwei Permanentmagneten aus. Im Rotorkörper ist zumindest eine axiale Ausnehmung ausgebildet, wobei die Ausnehmung zumindest zwei länglich verlaufende erste Bereiche und zumindest einen in eine radiale Richtung verlaufenden zweiten Bereich, der sich radial zwischen den beiden ersten Bereichen erstreckt, aufweist. In jeweils einem ersten Bereich ist jeweils ein Permanentmagnet aufnehmbar und in dem zweiten Bereich ist ein Verbindungselement aufnehmbar, wobei die Ausnehmung in Bezug auf die aufnehmbaren Permanentmagnete und das aufnehmbare Verbindungselement größer ausgebildet ist und das aufnehmbare Verbindungselement entsprechend der Kontur des zweiten Bereichs der Ausnehmung an seinen jeweiligen Enden eine geometrische Verbreiterung aufweist.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte:
- - Aufbringen einer in Richtung zu einer zentralen Achse des Rotors gerichteten externen Kraft auf den Außenumfang des Rotorkörpers im Bereich der Ausnehmung,
- - Einpressen des Verbindungselements in den zweiten Bereich der Ausnehmung im Rotorkörper,
- - Zurücknehmen der auf den Außenumfang des Rotorkörpers im Bereich der Ausnehmung aufgebrachten externen Kraft,
- - Einschieben jeweils eines Permanentmagneten in jeweils einen ersten Bereich der Ausnehmung im Rotorkörper.
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Der oben zuletzt genannte Verfahrensschritt des Einschiebens jeweils eines Permanentmagneten in jeweils einen ersten Bereich der Ausnehmung im Rotorkörper kann ebenso zu Beginn des Verfahrens, d.h. vor dem ersten Verfahrensschritt, nämlich dem Aufbringen der in Richtung zu einer zentralen Achse des Rotors gerichteten externen Kraft auf den Außenumfang des Rotorkörpers im Bereich mit der Ausbuchtung, erfolgen.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
- 1 zeigte eine Querschnittansicht eines Rotors für eine permanenterregte Synchronmaschine.
- 2 zeigt eine Querschnittansicht auf einen Rotorkörper als Ausgangspunkt für ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors für eine permanenterregte Synchronmaschine.
- 3 zeigt eine Querschnittansicht auf einen Rotorkörper unter Einwirkung einer externen Kraft.
- 4 zeigt eine Explosionsdarstellung eines Rotorkörpers mit zum Teil eingeschobenen Verbindungselementen.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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In 1 ist ein beispielhafter erfindungsgemäßer Rotor 1 für eine permanenterregte Synchronmaschine dargestellt.
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Der Rotor 1 umfasst einen Rotorkörper 2 sowie mehrere Permanentmagnete 4', 4", hier zwölf Permanentmagnete 4', 4". Der Rotorkörper 2 ist ein Blechpaket, das wiederum aus einer Vielzahl axial geschichteter Blechschichten besteht. Die Permanentmagnete 4', 4" des Rotors 1 können über ihre axiale Erstreckung mehrteilig ausgeführt sein.
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Die Begrifflichkeit „axial“ beschreibt eine Richtung entlang oder parallel zu einer zentralen Achse 10 des Rotors 1.
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Die Begrifflichkeit „radial“ beschriebt eine Richtung normal auf die zentrale Achse 10 des Rotors 1.
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In dem Rotorkörper 2 sind mehrere Ausnehmungen 3, hier sechs Ausnehmungen 3, ausgebildet. Die Ausnehmungen erstrecken sich jeweils im Wesentlichen in eine axiale Richtung zumindest teilweise durch den Rotorkörper 2. Die Ausnehmungen 3 sind in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel in Umfangsrichtung des Rotorkörpers 2 gleichmäßig voneinander beabstandet im Rotorkörper 2 ausgebildet. Es ist jedoch auch denkbar die axialen Ausnehmungen 3 im Rotorkörper 2 in Umfangsrichtung des Rotorkörpers 2 nicht gleichmäßig voneinander beabstandet auszubilden.
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Ebenso ist es denkbar in radialer Richtung voneinander beabstandet mehrere Ausbuchtungen 3 hintereinander im Rotorkörper 2 auszubilden.
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Die Ausnehmungen 3 weisen jeweils quer zu der zentralen Achse 10 des Rotors 1 eine im Wesentlichen V-förmige Grundfläche auf. Die Ausnehmungen 3 weisen jeweils zwei länglich verlaufende erste Bereiche 5', 5" und einen in eine radiale Richtung verlaufenden zweiten Bereich 6, der sich radial zwischen den beiden ersten Bereichen 5', 5" erstreckt, auf. In jeweils einem ersten Bereich 5', 5" ist jeweils ein Permanentmagnet 4', 4" und in dem zweiten Bereich 6 ist jeweils ein Verbindungselement 7 aufgenommen.
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Die Kontur des zweiten Bereichs 6 einer jeweiligen Ausnehmung 3 ist knochenförmig ausgebildet, d.h. in Bezug auf die radiale Erstreckung des zweiten Bereichs 6 der jeweiligen Ausnehmung 3 sind die Bereiche der distalen Enden des zweiten Bereichs 6 der jeweiligen Ausnehmung 3 breiter ausgeführt als in dessen Mitte.
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Die Verbindungselemente 7 weisen entsprechend der Kontur des zweiten Bereichs 6 der jeweiligen Ausnehmung 3 an ihren jeweiligen Enden 8', 8" eine geometrische Verbreiterung 9', 9" auf. Die geometrische Verbreiterung 9', 9" an den jeweiligen Enden 8', 8" des jeweiligen Verbindungselements 7 ist schwalbenschwanzförmig ausgebildet. Die Verbindungselemente 7 im Einzelnen sind entsprechend der Kontur des zweiten Bereichs 6 der jeweiligen Ausnehmung knochenförmig ausgebildet. Die Verbindungselemente 7 sind aus einem magnetisch nicht leitfähigem Material gefertigt.
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Das Verbindungselement 7 und der Rotorkörper 2 sind aufgrund deren Ausbildung formschlüssig miteinander verbunden.
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In weiterer Folge wird anhand der 2 bis 4 das Verfahren zur Herstellung eines zuvor beschriebenen Rotors 1 für eine permanenterregte Synchronmaschine erklärt. Das beispielhafte Verfahren zur Herstellung eines Rotors 1 für eine permanenterregte Synchronmaschine geht von einem Rotorkörper 2 des Rotors 1 mit sechs Ausbuchtung 11 an dem Außenumfang 12 des Rotorkörpers 2 aus - die Ausbuchtungen 11 sind an dem Außenumfang 12 des Rotorkörpers 2 gleichmäßig verteilt ausgebildet. Ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors 1 für eine permanenterregte Synchronmaschine der erfindungsgemäßen Art kann jedoch von einem Rotorkörper 2 mit beliebiger Außenkontur ausgehen. Der Rotorkörper 2 weist somit eine wellige Außenkontur auf. In dem Rotorkörper 2 sind wie bereits beschrieben sechs axiale Ausnehmungen 3 ausgebildet, wobei jeweils eine axiale Ausnehmung 3 im Bereich jeweils einer Ausbuchtung 11 an dem Außenumfang 12 des Rotorkörpers 2 im Rotorkörper 2 ausgebildet ist. Jede der Ausnehmungen 3 weist zwei länglich verlaufende erste Bereiche 5', 5" und einen in eine radiale Richtung verlaufenden zweiten Bereich 6, der sich radial zwischen den beiden ersten Bereichen 5', 5" erstreckt, auf (2).
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Die ersten Bereiche 5', 5" jeder Ausnehmung 3 dienen der Aufnahme jeweils eines Permanentmagneten 4', 4"; der zweite Bereich 6 jeder Ausnehmung 3 dient jeweils der Aufnahme eines Verbindungselements 7. Die Verbindungselemente 7 weisen entsprechend der Kontur der jeweiligen zweiten Bereiche 5', 5" der Ausnehmungen 3 an ihren jeweiligen Enden 8', 8" eine geometrische Verbreiterung 9', 9" auf (2).
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Die Ausnehmungen 3 werden über ein Stanz- oder Zuschnittverfahren in den Rotorkörper 2 des Rotors 1 eingebracht und haben in Bezug auf eine Ebene quer zu der zentralen Achse 10 des Rotors 1 eine im Wesentlichen V-förmig Grundfläche (2).
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Die Aufnahmen 3 im Rotorkörper 2 werden in Bezug auf die in die Ausnehmungen 3 einzusetzenden Bauteile, nämlich die Permanentmagnete 4', 4" und das Verbindungselement 7, bewusst zu groß ausgeführt.
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In einem ersten Verfahrensschritt wird eine in Richtung zu der zentralen Achse 10 des Rotors 1 gerichtete externe Kraft auf den Außenumfang 12 des Rotorkörpers 2 im Bereich jeder Ausbuchtung 12 aufgebracht. In 3 wird die externe Kraft schematisch durch die Richtungspfeile 13 angezeigt.
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In einem zweiten Verfahrensschritt werden die Verbindungselemente 7 jeweils axial in die knochenförmigen zweiten Bereiche 6 der jeweiligen Ausnehmung 3 eingepresst (4). Das jeweilige Verbindungselement 7 wird so formschlüssig mit dem Rotorkörper 2 des Rotors 1 verbunden.
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Anschließend, in einem dritten Verfahrensschritt, wird die auf den Außenumfang 12 des Rotorkörpers 2 im Bereich der Ausbuchtungen 11 aufgebrachte externe Kraft zurückgenommen und so das Verbindungselement 7 radial verspannt. Durch die Vorspannung der Verbindungselemente 7 in eine radiale Richtung können Verformungen des Rotorkörpers 2 und gegebenenfalls auch Spannungen im Rotorkörper 2 unter Drehzahleinfluss minimiert werden.
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Durch die übergroße Ausbildung der Ausnehmungen 3 in Bezug auf die in die Ausnehmungen 3 einzusetzenden Bauteile, nämlich die Permanentmagnete 4', 4" und das Verbindungselement 7, ist es möglich durch das anschließende Aufbringen der in Richtung zu der zentralen Achse 10 des Rotors 1 gerichteten externen Kraft auf den Außenumfang 12 des Rotorkörpers 2 im Bereich jeder Ausbuchtung 12 eine Vorspannung der Verbindungselemente 7 zu erzeugen.
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Die Assemblierung der Permanentmagnete 4', 4" in die jeweiligen ersten Bereiche 5', 5" der Ausnehmungen 3 erfolgt in einem vierten Verfahrensschritt. Eine Assemblierung der Permanentmagnete in die jeweiligen ersten Bereiche 5', 5" der Ausnehmungen 3 ist jedoch auch zu Beginn des beschriebenen Verfahrens, d.h. vor dem ersten beschriebenen Verfahrensschritt, denkbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rotor
- 2
- Rotorkörper
- 3
- Ausnehmung
- 4', 4"
- Permanentmagnete
- 5', 5"
- Erster Bereich (der Ausnehmung)
- 6
- Zweiter Bereich (der Ausnehmung
- 7
- Verbindungselement
- 8', 8"
- Ende (des Verbindungselements)
- 9', 9"
- Geometrische Verbreiterung
- 10
- Zentrale Achse
- 11
- Ausbuchtung
- 12
- Außenumfang
- 13
- Richtungspfeil
