DE102019201056A1

DE102019201056A1 - Rotor mit einer Bandagenanordnung für eine elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102019201056A1
Application number: DE102019201056.3A
Authority: DE
Inventors: Tobias Vermeulen; Johannes Gabriel Bauer; Daniel Merz
Original assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Current assignee: Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Priority date: 2019-01-29
Filing date: 2019-01-29
Publication date: 2020-07-30
Also published as: CN113574769A; US20220123613A1; WO2020156888A1

Abstract

Die Erfindung betrifft insbesondere eine Bandage für einen Rotor einer elektrischen Maschine, welche bspw. in einem elektrischen Antriebssystem eines Flugzeugs zum Einsatz kommen kann. Die Bandage, die dazu dient, Permanentmagnete am Rotor zu fixieren, umfasst bspw. zwei koaxiale kreisringförmige Komponenten, die mit Hilfe von axialen Stegen miteinander verbunden sind. Die Magnete weisen auf ihrer dem Stator zugewandten Oberfläche axiale Nuten auf. Die Bandage ist derart am Rotor angeordnet, dass zum Einen die Magnete zwischen den Ringen liegen und dass zum Anderen die Stege in den Nuten positioniert sind. Da die Dicken der Stege den Tiefen der Nuten entsprechen, fluchten die Magnetoberflächen und die Oberfläche der Bandage, d.h. die Bandage beansprucht keinen zusätzlichen Raum im Luftspalt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine und insbesondere die Befestigung von magnetischen Mitteln am Rotor.
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.
Ein für derartige mobile Anwendungen einsetzbares Antriebskonzept basiert bspw. auf dem sog. Direktantrieb, bei dem die elektrische Maschine direkt, d.h. ohne Getriebe, mit einem anzutreibenden Vortriebsmittel, bspw. mit einem Propeller, verbunden ist. Gerade beim Direktantrieb sind außerordentlich hohe Drehmomentdichten notwendig, um die für den Vortrieb benötigten Leistungen erzeugen zu können. Hierfür ist es insbesondere wesentlich, dass der zwischen Rotor und Stator der elektrischen Maschine ausgebildete Luftspalt möglichst schmal ausfällt. Ähnliches gilt für andere Antriebskonzepte, d.h. es wird typischerweise angestrebt, einen möglichst schmalen Luftspalt zwischen Rotor und Stator zu realisieren.
Um jedoch elektrische Maschinen mit hoher Drehmomentdichte oder ggf. auch mit hoher Leistungsdichte zu realisieren, werden teilweise extreme Anforderungen an die Komponenten der elektrischen Maschine gestellt. Bspw. ist zum Einen davon auszugehen, dass aufgrund der Rotation des Rotors im Betrieb der Maschine hohe, in radialer Richtung wirkende Zentrifugalkräfte auf die an der Rotoroberfläche positionierten Oberflächenmagnete wirken. Diese müssen daher mit entsprechendem Aufwand bspw. mit Hilfe sogenannter Bandagen am Rotor gehalten werden, was die Dimensionierung der Maschine und des Luftspalts negativ beeinflusst.
Zum anderen müssen extrem hohe Drehmomente von den Permanentmagneten auf die Rotornabe oder umgekehrt übertragen werden. Es muss daher dafür gesorgt werden, dass die Magnete auch in tangentialer Richtung bzw. in Umfangsrichtung des Rotors in ausreichender Weise am Rotor befestigt sind. Hierzu kommen bspw. reib- und/oder formschlüssige Verbindungen der Magnete am Rotor zum Einsatz, wobei insbesondere die reibschlüssige Verbindung durch die Verwendung der Bandage unterstützt werden kann.
Eine derartige Bandage kompensiert also die in radialer Richtung wirkenden Zentrifugalkräfte und verhindert die Trennung der Permanentmagnete vom Rotor bzw. vom Rotorgrundkörper. Die Bandage drückt die Permanentmagnete zum Grundkörper, wodurch eine Flächenpressung an allen Kontaktstellen zwischen jeweiligem Magnet und der Oberfläche des Rotorgrundkörpers entsteht. Die Flächenpressung muss dabei derart groß sein, dass das aufgrund der elektromagnetischen Wechselwirkung zwischen den Permanentmagneten und den stromdurchflossenen Statorwicklungen des Stators der elektrischen Maschine generierte Drehmoment von den Permanentmagneten auf den Rotorgrundkörper vollständig übertragen wird, dass also die Permanentmagnete bzgl. des Rotorgrundkörpers auch nicht in tangentialer Richtung verschoben werden. Mit anderen Worten muss also die Flächenpressung groß genug sein, dass auch in tangentialer Richtung wirkende Kräfte auf die Permanentmagnete kompensiert werden. Des Weiteren muss die Flächenpressung ausreichend groß sein, um neben den zuvor genannten radialen und tangentialen Kräften auch ggf. den sogenannten magnetischen Zug zu kompensieren.
Die Bandage erfüllt somit im Allgemeinen mehrere Funktionen, nämlich das Verhindern einer zentrifugalkraftbedingten radialen Bewegung der Permanentmagnete, das Ermöglichen einer Übertragung des Drehmomentes auf den Grundkörper und ggf. die Kompensation des magnetischen Zugs.
Durch diese Mehrfachbelastung werden an die Bandage erhöhte Anforderungen mechanischer Natur gestellt. Diese Anforderungen resultieren in einer entsprechenden Materialwahl, verbunden mit einem erhöhten Gewicht, sowie in einer gewissen notwendigen minimalen Wandstärke bzw. Dicke der Bandage, d.h. in einer Erstreckung der Bandage in radialer Richtung. Da die Bandage im Luftspalt zwischen Permanentmagneten und Statorzähnen angeordnet ist und die Dicke des Luftspalts eine wesentliche Auswirkung auf die Leistungsdichte der Maschine hat, ist anzustreben, dass die Wandstärke der Bandage so klein wie möglich gehalten wird, da bei geringer Dicke auch der Luftspalt entsprechend dünner gehalten werden kann. Eine entsprechende Ausführungsform einer geeigneten Bandage wäre bspw. ein auf Faserverbundwerkstoffen basierendes Tape, welches direkt auf den Rotor bzw. auf die Magnete gewickelt wird. Alternativ hierzu könnte die Bandage auch als ein der axialen Länge des Rotors bzw. der entsprechenden Erstreckung der Magnete entsprechendes, präzisionsgefertigtes Rohr realisiert sein, welches bspw. aus Titan, bestimmten Legierungen oder wiederum aus Faserverbundwerkstoffen bestehen und auf den Rotor gepresst werden kann, so dass die Magnete an Ort und Stelle verbleiben. Um die von der Bandage zu kompensierenden Kräfte weiter zu reduzieren, schlägt bspw. die PCT/ EP2018/083047 einen Ansatz vor, der zumindest die durch das Drehmoment bewirkte tangentiale Kraftwirkung auf die Magnete wesentlich einschränkt und so letztendlich eine Reduzierung der Dicke der Bandage erlaubt.
Nichtsdestotrotz muss die Bandage zwischen Rotor und Stator positioniert werden, weswegen bei der Dimensionierung des Luftspalts die Dicke der Bandage berücksichtigt werden muss. Konsequenterweise muss der Luftspalt aufgrund des Vorhandenseins der Bandage größer ausgelegt werden, als es ohne die Bandage notwendig wäre.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit anzugeben, den Luftspalt einer elektrischen Maschine trotz des Vorhandenseins einer Bandage zu reduzieren.
Diese Aufgabe wird durch den in Anspruch 1 beschriebenen Rotor für eine elektrische Maschine sowie durch eine Bandagenanordnung gemäß Anspruch 14 gelöst. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen.
Der Rotor für die elektrische Maschine weist zumindest eine Permanentmagnetgruppe sowie eine Bandagenanordnung auf. Jede Permanentmagnetgruppe umfasst jeweils zumindest einen Permanentmagneten. Die Bandagenanordnung weist zumindest einen Haltebereich zum Fixieren eines jeden Permanentmagneten einer jeweiligen Permanentmagnetgruppe an einer Oberfläche des Rotors auf, welche im in die Maschine eingebauten Zustand einem Stator der Maschine zugewandt ist. Die Bandagenanordnung ist derart angeordnet, dass sich jeder der Permanentmagnete der jeweiligen Permanentmagnetgruppe in der radialen Richtung zum Teil zwischen einem jeweiligen Haltebereich der Bandagenanordnung und der Oberfläche befindet. Jeder der Permanentmagnete der jeweiligen Permanentmagnetgruppe weist in einem Nut-Oberflächenbereich seiner der Oberfläche des Rotors abgewandten und der Bandagenanordnung zugewandten äußeren Magnetoberfläche eine Nut auf. Die Bandagenanordnung ist nun derart dimensioniert und ausgebildet und bezüglich eines jeden der Permanentmagnete der jeweiligen Permanentmagnetgruppe angeordnet, dass zumindest der jeweilige Haltebereich der Bandagenanordnung in einer jeweiligen Nut eines jeweiligen Permanentmagneten der jeweiligen Permanentmagnetgruppe positioniert ist.
Die äußere Magnetoberfläche, die im in die Maschine eingebauten Zustand des Rotors dem Stator zugewandt ist, umfasst den Nut-Oberflächenbereich sowie einen freien Oberflächenbereich.
In dem Nut-Oberflächenbereich ist die jeweilige Nut als radiale Vertiefung gegenüber dem freien Oberflächenbereich in der Magnetoberfläche ausgebildet, so dass der jeweilige Haltebereich der Bandagenanordnung in der Nut positionierbar ist. Die beschriebene Anordnung ist dabei insbesondere so zu verstehen, dass die Bandagenanordnung lediglich im Nut-Oberflächenbereich des jeweiligen Magneten zwischen dem Magneten und dem Stator liegt, nicht aber im bzw. auf dem freien Oberflächenbereich des Magneten. Da die Bandagenanordnung aber in der in der radialen Richtung in den Magneten eingebrachten Nut liegt und nicht auf der Magnetoberfläche, kann der Luftspalt zwischen Rotor und Stator reduziert und damit die Leistungsdichte erhöht werden.
Die dem Rotor abgewandte Oberfläche der Bandagenanordnung bilden zumindest in den Haltebereichen mit außerhalb des jeweiligen Nut-Oberflächenbereichs liegenden, freien Oberflächenbereichen der äußeren Magnetoberfläche des jeweiligen Permanentmagneten eine im Wesentlichen glatte Zylinderoberfläche, d.h. die freien Oberflächenbereiche und die dem Rotor abgewandte Oberfläche der Bandagenanordnung fluchten. Die gemeinte Zylinderoberfläche umfasst demnach teilweise die Oberfläche der Bandagenanordnung und teilweise die freien Oberflächenbereiche der Permanentmagnete, an denen die Magnete nicht von der Bandagenanordnung überdeckt sind. Die Bandagenanordnung weist dabei insbesondere im in einer jeweiligen Nut positionierten jeweiligen Haltebereich eine Dicke auf , die der Tiefe der jeweiligen Nut entspricht, d.h. der Ausdehnung der Nut in radialer Richtung, in der der jeweilige Haltebereich positioniert ist, so dass die Bandagenanordnung und die äußeren Magnetoberflächen eine im Wesentlichen glatte Oberfläche bilden bzw. fluchten. Hierdurch wird erreicht, dass die Bandage nicht über die äußeren Oberflächen der Magnete hinaus reicht und konsequenterweise keinen zusätzlichen Raum im Luftspalt beansprucht.
In einer ersten Ausführung weist jede Permanentmagnetgruppe jeweils eine Vielzahl von Permanentmagneten auf, wobei die Permanentmagnete der jeweiligen Permanentmagnetgruppe in der tangentialen Richtung gesehen, d.h. entlang des Umfangs des Rotors, hintereinander und damit benachbart an der Oberfläche des Rotors positioniert sind, so dass sie einen ggf. unterbrochenen jeweiligen im Wesentlichen kreisringförmigen Magnetring bilden. Die Nuten der Permanentmagnete der jeweiligen Permanentmagnetgruppe bzw. des jeweiligen Magnetrings sind derart in der jeweiligen äußeren Magnetoberfläche ausgebildet, dass die Nuten von benachbarten Permanentmagneten der jeweiligen Permanentmagnetgruppe derart aneinander anschließen, dass die Gesamtheit der so aneinander angeschlossenen Nuten eine in tangentialer Richtung umlaufende, im Wesentlichen kreisringförmige Nut der jeweiligen Permanentmagnetgruppe bilden.
Der bzw. die genannten Magnetringe können jeweils unterbrochen sein, d.h. es ist denkbar, dass zwei benachbarte Permanentmagnete des jeweiligen Magnetrings nicht direkt aneinander anstoßen, sondern dass sich zwischen diesen benachbarten Magneten ein leerer oder auch gefüllter Zwischenraum befindet. Der Begriff der „umlaufenden Nut“ soll dabei auch bei unterbrochenem Magnetring gelten, auch wenn in einem solchen eventuellen Zwischenraum kein Magnet und damit keine jeweilige Nut vorhanden ist. Dementsprechend soll auch der Begriff „aneinander anschließen“ im Zusammenhang mit den einzelnen Nuten einzelner Magnete die Situation umfassen, in der benachbarte Magnete nicht direkt aneinander anstoßen. In dieser Situation ist der Ausdruck, dass die Nuten aneinander anschließen, so zu verstehen, dass die Nuten der benachbarten Magnete so angeordnet und ausgerichtet sind, dass
Die Bandagenanordnung weist für eine jeweilige Permanentmagnetgruppe jeweils eine insbesondere als im Wesentlichen flächiger Kreisring ausgebildete Bandagenkomponente als Haltebereich auf, wobei in einer jeweiligen umlaufenden Nut einer jeweiligen Permanentmagnetgruppe eine jeweilige Bandagenkomponente der Bandagenanordnung positioniert ist.
Für den Fall, dass mehrere Permanentmagnetgruppen vorgesehen sind, sind die jeweiligen Permanentmagnete für jede Gruppe typischerweise derart an der Oberfläche des Rotors angeordnet, dass die so gebildeten mehreren Magnetringe koaxial zueinander sind. Die Bandagenanordnung umfasst dann eine der Anzahl der Permanentmagnetgruppen entsprechende Anzahl von jeweils im Wesentlichen als Kreisring ausgebildeten Bandagenkomponenten, die jeweils wie oben beschrieben in einer der umlaufenden Nuten liegen. Dabei müssen die einzelnen Bandagenkomponenten nicht zwangsläufig miteinander verbunden sein, sondern können auch als separate Komponenten bzw. Ringe eingesetzt werden, d.h. die Bandagenanordnung kann sich aus mehreren, nicht miteinander verbundenen Komponenten zusammensetzen.
In einer zweiten Ausführung weist die Bandagenanordnung eine Ringgruppe sowie eine Steggruppe auf. Die Ringgruppe umfasst zumindest einen ersten Ring und einen zweiten Ring, wobei die Ringe der Ringgruppe idealerweise koaxial zueinander und in axialer Richtung voneinander beabstandet bzw. hintereinander angeordnet sind, so dass sich zwischen jeweils zwei zueinander benachbart angeordneten Ringen der Ringgruppe ein Ringzwischenraum befindet. Die Steggruppe umfasst eine Vielzahl von Stegen, wobei ein jeder Steg der Steggruppe zwischen zwei in axialer Richtung benachbarten Ringen der Ringgruppe verläuft, und wobei zwischen jeweils zwei benachbarten Ringen der Ringgruppe mehrere Stege der Steggruppe verlaufen, so dass jeweils zwei benachbarte Ringe der Ringgruppe über mehrere Stege der Steggruppe miteinander verbunden sind.
Die Bandagenanordnung ist nun derart am Rotor angeordnet, dass sich zwischen zwei zueinander benachbart angeordneten Ringen der Ringgruppe jeweils eine der Permanentmagnetgruppen befindet, d.h. die jeweilige Permanentmagnetgruppe liegt in dem entsprechenden Zwischenraum, wobei zumindest einige der Stege der Steggruppe und/oder die Ringe der Ringgruppe jeweils einen Haltebereich der Bandagenanordnung bilden und dementsprechend in einer jeweiligen Nut eines jeweiligen Permanentmagneten der jeweiligen Permanentmagnetgruppe positioniert sind. Es können also bspw. zwei Permanentmagnetgruppen vorgesehen sein. Für beide Gruppen sind die Magnete in tangentialer Richtung gesehen, also entlang des Umfangs des Rotors, hintereinander angeordnet. In axialer Richtung gesehen sind die Gruppen voneinander beabstandet. Die Bandagenanordnung umfasst in diesem Fall drei Ringe, wobei der in axial mittlere Ring zwischen den Permanentmagnetgruppen angeordnet ist. Aus Sicht der axial mittleren Ringes erstrecken sich Stege in beiden axialen Richtungen zu den beiden anderen Ringen.
Für jeden Permanentmagneten verläuft die jeweilige Nut in dieser Ausführungsform zwischen den beiden axialen Enden des jeweiligen Permanentmagneten. Im Extremfall bedeutet das, dass die Nuten in axialer Richtung verlaufen. Es ist aber auch denkbar, dass die Nuten unter einem Winkel a mit 0°<a<90° zur axialen Richtung verlaufen, wobei der Winkel a in dieser Ausführung jedoch nicht bei 90° liegen kann, da diese der oben bereits erläuterten Ausführung entspricht, bei der die Nuten in tangentialer Richtung verlaufen sollen.
Die jeweilige Nut ist insbesondere derart positioniert, dass sie auf einem magnetischen Pol des jeweiligen Permanentmagneten liegt und nicht zwischen zwei Polen. Dadurch wird bei gleichem Drehmoment die Normalkraft um etwa 10% verringert, was der Strukturauslegung entgegen kommt.
Die mehreren Stege, die zwischen zwei benachbarten Ringen der Ringgruppe verlaufen, sind in tangentialer Richtung gesehen hintereinander und somit um den Umfang der Bandage verteilt angeordnet, so dass sich zwischen jeweils zwei derart benachbart angeordneten Stegen ein leerer Stegzwischenraum befindet. Diejenigen Stege der Steggruppe und/oder Ringe der Ringgruppe, welche einen Haltebereich der Bandagenanordnung bilden und dementsprechend in einer jeweiligen Nut positioniert sind, sind derart dimensioniert und die Bandagenanordnung ist bezüglich der jeweiligen Permanentmagnetgruppe derart angeordnet, dass ein außerhalb des Nut-Oberflächenbereiches liegender, freier Oberflächenbereich der äußeren Magnetoberfläche in radialer Richtung gesehen in einem der Stegzwischenräume positioniert ist. Das ist derart zu verstehen, dass insbesondere senkrecht über dem freien Oberflächenbereich kein Teil der Bandagenanordnung liegt, sondern ein jeweiliger Zwischenraum. Im in die elektrische Maschine eingebauten Zustand bedeutet das, dass sich zwischen den freien Oberflächenbereichen der Magnete und dem Stator kein Bandagenmaterial befindet.
Zumindest die in axialer Richtung gesehen äußeren Ringe der Ringgruppe, vorzugsweise aber jeder Ring der Ringgruppe, weist jeweils zumindest einen radial inneren und einem radial äußeren Teilringabschnitt auf. Für diejenigen Ringe der Ringgruppe, die aus einem radial inneren und einem radial äußeren Teilringabschnitt bestehen, ist jeweils der radial innere Teilringabschnitt radial innerhalb des radial äußeren Teilringabschnitts angeordnet ist, wobei die Teilringe aneinander anliegen und also letztlich eine integrale Komponente bilden können - nämlich den jeweiligen Ring der Ringgruppe. Des Weiteren entspricht für diese Ringe die Dicke eines der jeweiligen Teilringabschnitte der Dicke der Stege, während die Gesamtdicke des jeweiligen Ringes größer ist als die Dicke der Stege.
Zur Klarheit sei angemerkt, dass hier der Begriff „aufweisen“ sowohl die Situation umfassen soll, in der die betroffenen Ringe einstückig sind, d.h. die jeweiligen inneren und äußeren Teilringabschnitte bilden ein integrales, einstückiges Bauteil. Ebenso soll die Situation umfasst sein, in der die betroffenen Ringe aus zwei an sich separaten Teilringen zusammengesetzt sind, bspw. indem der innere Teilring an den äußeren Teilring geklebt wird.
In einer einfachen Vorstellung der Bandage als gestanztes Blech o.ä. könnte jeweils der „äußere Teilring“ integraler Teil des flächigen Blechs selbst sein, so dass sich die Dicke der Stege und die Dicke der äußeren Teilringe quasi automatisch entsprechen. Der jeweilige „innere Teilring“ könnte dann bspw. ein an dem äußeren Teilring befestigter weiterer Ring sein, der sich also vom Blech weg in radialer Richtung entsprechend seiner radialen Dicke erstreckt.
Die Stege der Steggruppe können mit den Ringen der Ringgruppe ein einstückiges Bauteil bilden. Zur Herstellung kann bspw. ein entsprechend dünnes Blech verwendet werden, aus dem Teile herausgestanzt oder -geschnitten werden, so dass sich die Stege und die Ringe herausbilden.
Die Stege der Steggruppe und die Ringe der Ringgruppe können jeweils separate Bauteile darstellen, wobei die Bandagenanordnung durch entsprechendes Zusammenfügen der einzelnen Stege und der einzelnen Ringe aufgebaut wird. Dabei können die Stege derart geformt sein, dass sie im noch nicht in die Bandagenanordnung eingebauten Zustand gebogen und im in die Bandagenanordnung eingebauten Zustand im Wesentlichen flach sind. Dadurch wird erreicht, dass im eingebauten Zustand ein gleichmäßiger Druck auf die Magnete ausgeübt wird.
Eine entsprechende Bandagenanordnung zum Fixieren eines Permanentmagneten an einem Rotor einer elektrischen Maschine kann also eine Ringgruppe und eine Steggruppe aufweisen. Die Ringgruppe umfasst zumindest einen ersten Ring und einen zweiten Ring, wobei die Ringe der Ringgruppe idealerweise koaxial zueinander und in axialer Richtung voneinander beabstandet bzw. hintereinander angeordnet sind, so dass sich zwischen jeweils zwei zueinander benachbart angeordneten Ringen der Ringgruppe ein Ringzwischenraum befindet. Die Steggruppe umfasst eine Vielzahl von Stegen, wobei ein jeder Steg der Steggruppe zwischen zwei in axialer Richtung benachbarten Ringen der Ringgruppe verläuft, und wobei zwischen jeweils zwei benachbarten Ringen der Ringgruppe mehrere Stege der Steggruppe verlaufen, so dass jeweils zwei benachbarte Ringe der Ringgruppe über mehrere Stege der Steggruppe miteinander verbunden sind. Dabei sind die mehreren Stege, die zwischen zwei benachbarten Ringen der Ringgruppe verlaufen, in tangentialer Richtung gesehen hintereinander und somit um den Umfang der Bandage verteilt angeordnet, so dass sich zwischen jeweils zwei derart benachbart angeordneten Stegen ein leerer Stegzwischenraum befindet.
Zumindest die in axialer Richtung gesehen äußeren Ringe der Ringgruppe, vorzugsweise aber jeder Ring der Ringgruppe, weisen jeweils zumindest einen radial inneren und einen radial äußeren Teilringabschnitt auf, wobei für diejenigen Ringe der Ringgruppe, die aus einem radial inneren und einem radial äußeren Teilringabschnitt bestehen, jeweils der radial innere Teilringabschnitt radial innerhalb des radial äußeren Teilringabschnitts angeordnet ist, wobei die Teilringe aneinander anliegen und also letztlich eine integrale Komponente bilden können - nämlich den jeweiligen Ring der Ringgruppe. Die Dicke eines der jeweiligen Teilringabschnitte entspricht der Dicke der Stege und die Gesamtdicke des jeweiligen Ringes ist größer als die Dicke der Stege.
Eine vorteilhafte elektrische Maschine, die insbesondere in einem Antriebssystem eines Luftfahrzeugs einsetzbar ist, weist den beschriebenen Rotor mit der ebenfalls beschriebenen Bandagenanordnung auf. Dies erlaubt, eine elektrische Maschine mit minimalem Luftspalt zu realisieren.
Weitere Vorteile und Ausführungsformen ergeben sich aus den Zeichnungen und der entsprechenden Beschreibung.
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. Des Weiteren werden der Übersichtlichkeit wegen teilweise nicht sämtliche Bezugszeichen in sämtlichen Figuren dargestellt, sondern nur diejenigen, auf die in der Beschreibung der jeweiligen Figur Bezug genommen wird.
Es zeigen:

1 eine bekannte elektrische Maschine,
2 eine perspektivische Ansicht auf einen Abschnitt eines Rotors der elektrischen Maschine mit einer Bandagenanordnung in einer ersten Ausführung,
3 zwei Permanentmagnete in der ersten Ausführung,
4 eine axiale Sicht auf einige der Permanentmagnete zur Darstellung der Positionierung der Nut,
5 die Bandagenanordnung in der ersten Ausführung,
6 eine Detailansicht der Bandagenanordnung in der ersten Ausführung,
7 die Bandagenanordnung in einer Variante der ersten Ausführung,
8 einen Steg der Bandagenanordnung im nicht eingebauten Zustand,
9 den Steg der Bandagenanordnung im eingebauten Zustand,
10 den Rotor mit der Bandagenanordnung in einer zweiten Ausführung,
11 die Bandagenanordnung in der zweiten Ausführung,
12 zwei Permanentmagnete in der zweiten Ausführung.

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.
Weiterhin sollen die Begriffe „axial“, „radial“ bzw. „tangential“ im Zusammenhang mit einer Fläche, bspw. einer Oberfläche, bedeuten, dass der Normalenvektor der jeweiligen axialen, radialen bzw. tangentialen Fläche in axialer, radialer bzw. tangentialer Richtung orientiert ist, wodurch die Orientierung der jeweiligen Fläche im Raum eindeutig beschrieben ist.
Der Begriff „benachbart“ soll im Zusammenhang mit Komponenten, bspw. Ringen oder Stegen, ausdrücken, dass sich im Falle von „benachbarten Komponenten“ zwischen diesen beiden Komponenten insbesondere keine weitere derartige Komponente befindet, sondern höchstens ein leerer Zwischenraum.
Unter dem Ausdruck „koaxiale Komponenten“, bspw. koaxiale Ringe, werden hier Komponenten verstanden, die gleiche Normalenvektoren aufweisen, für die also die von den koaxialen Komponenten definierten Ebenen parallel zueinander sind. Des Weiteren soll der Ausdruck beinhalten, dass die Mittelpunkte koaxialer Komponenten zwar auf der gleichen Rotations- bzw. Symmetrieachse, auf dieser Achse aber ggf. an verschiedenen axialen Positionen liegen können und die genannten Ebenen also einen Abstand >0 voneinander haben. Der Ausdruck verlangt nicht zwangsläufig, dass koaxiale Komponenten den gleichen Radius haben.
Die 1 zeigt exemplarisch eine als Elektromotor ausgebildete elektrische Maschine 100, wie sie im Stand der Technik bekannt ist. 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 des Weiteren einige der im Zusammenhang mit den weiteren Figuren erläuterten Details nicht zeigt, sondern lediglich zur Veranschaulichung der grundsätzlichen 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.
Der Elektromotor 100 weist einen im Wesentlichen ringförmigen Stator 120 sowie einen als Innenläufer ausgebildeten im Wesentlichen zylindrischen 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 bzw. sein im Wesentlichen zylindrischer Rotorgrundkörper 112 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.
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. Die Leiter 121 sind jeweils auf einen Statorzahn 122 des Stators 120 gewickelt und im Betriebszustand des Elektromotors 100 von einem elektrischen Strom durchflossen, so dass magnetische Felder erzeugt werden. Der Rotor 110 weist zweite magnetische Mittel 111 auf, die bspw. als Permanentmagnete oder als erregte bzw. erregbare Wicklungen ausgebildet sein können. Der Übersichtlichkeit wegen sind nur einige wenige magnetische Mittel 111 mit Bezugszeichen versehen. Im Folgenden wird angenommen, dass es sich um Permanentmagnete 111 handelt. Eine im Wesentlichen als Hohlzylinder ausgebildete Bandage 140 ist außen um den Rotor 110 mit den Permanentmagneten 111 angeordnet, um wie einleitend erläutert dafür zu sorgen, dass die Magnete 111 auch bei rotierendem Rotor 110 an diesem fixiert sind.
Die ersten und die zweiten magnetischen Mittel 121, 111 sind derart ausgebildet und durch einen Luftspalt 150 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 darin, dass ein Drehmoment auf die Permanentmagnete 111 wirkt, welches unter der Voraussetzung, dass die Permanentmagnete 111 ausreichend fest mit dem Rotorgrundkörper 112 verbunden sind, darin resultiert, dass bei geeigneter Ausbildung und Anordnung der genannten Komponenten zueinander der Rotor 110 und mit ihm die Welle 130 in Rotation versetzt werden.
Dieses Konzept der Ausbildung der elektrischen Maschine 100 als Elektromotor kann als bekannt vorausgesetzt werden. Auch die entsprechende Konfiguration und Verwendung der elektrischen Maschine 100 als Generator kann als bekannt vorausgesetzt werden. Beide Ausbildungen der elektrischen Maschine 100 werden daher im Folgenden nicht weiter detailliert.
Die 2 zeigt eine perspektivische Ansicht auf einen zur Veranschaulichung in der Mitte geteilten Rotor 110 mit Permanentmagneten 111 und einer Bandagenanordnung 140 gemäß einer erste Ausführungsform zum Fixieren eines jeden Permanentmagneten 111 an einer Oberfläche des Rotors 110. Hier sowie in den übrigen, folgenden Figuren sind weitere Komponenten der elektrischen Maschine 100 nicht dargestellt. Es sei lediglich erwähnt, dass der nicht dargestellte Stator 120 radial außerhalb des Rotors 110 angeordnet wäre, so dass sich die Bandagenanordnung 140 letztlich zwischen dem Rotor 110 und dem Stator 120 befände.
An einer im in die Maschine 100 der 1 eingebauten Zustand dem Stator 120 zugewandten, äußeren Oberfläche 113 des Rotors 110 bzw. des Rotorgrundkörpers 112 sind eine erste Vielzahl von Permanentmagneten 111 sowie eine zweite Vielzahl von Permanentmagneten 111 angeordnet, jeweils eine erste 111-1 bzw. eine zweite Permanentmagnetgruppe 111-2 bildend. Die Magnete 111 einer jeweiligen Gruppe 111-1 bzw. 111-2 sind entlang des Umfangs des Rotors 110 hintereinander angeordnet, so dass die Magnete 111 einer jeweiligen Gruppe 111-1 bzw. 111-2 jeweils eine Art Kreisring bilden. Diese beiden Kreisringe sind koaxial und in axialer Richtung A zueinander beabstandet angeordnet.
Es sei angemerkt, dass es nicht grundsätzlich notwendig ist, genau zwei Permanentmagnetgruppen vorzusehen. Ebenso kann die diesen Rotor 110 einsetzende elektrische Maschine 100 mit nur einer oder aber auch mit mehr als zwei derartigen Gruppen betrieben werden.
Wie einleitend erläutert wurde, erfahren die Permanentmagnete 111 während des Betriebs der elektrischen Maschine 100, d.h. bei drehendem Rotor 110, radiale und tangentiale Kräfte, welche kompensiert werden müssen, um sicherzustellen, dass die Magnete an Ort und Stelle an der Rotoroberfläche 113 verbleiben. Diese Fixierung wird üblicherweise dadurch erreicht, dass die Magnete 111 zusätzlich zu einer entsprechenden Verklebung mit dem Rotorgrundkörper 112 mit Hilfe der im Wesentlichen zylindrischen Bandage 140 an die Oberfläche 113 gepresst werden. Da die Bandage 140 konsequenterweise zwischen den Magneten 111 und dem Stator anzuordnen ist, muss der Luftspalt 150 zwischen dem Stator und den dem Stator zugewandten äußeren Magnetoberflächen 114 der Permanentmagnete 111 größer gewählt werden, als es ohne die Bandage 140 notwendig wäre. Dies wirkt sich negativ auf die Leistungsdichte der elektrischen Maschine 100 aus.
Die hier vorgestellte Bandagenanordnung 140 adressiert dieses Problem dadurch, dass sie zum Fixieren eines jeden Permanentmagneten 111 einer jeweiligen Permanentmagnetgruppe 111-1, 111-2 an der Oberfläche 113 des Rotors 110 Haltebereiche 145 aufweist, welche in entsprechenden Vertiefungen bzw. Nuten 115 in den äußeren Magnetoberflächen 114 der Permanentmagnete 111, 111 zu positionieren sind, nicht aber auf den außerhalb der Nuten 115 liegenden, freien Oberflächenbereichen 114f der Magnetoberflächen 114.
Die 3 zeigt repräsentativ zwei benachbarte Permanentmagnete 111 einer der beiden Permanentmagnetgruppen 111-1, 111-2. Die Nuten 115, die zwischen den axialen Enden des jeweiligen Permanentmagneten 111 verlaufen, sind durch radiale Vertiefungen in den Magnetoberflächen 114 des jeweiligen Permanentmagneten 111 realisiert. Hierdurch wird die jeweilige Magnetoberfläche 114 in einen Nut-Oberflächenbereich 114n, in dem sich die Nut 115 befindet, und einen freien Oberflächenbereich 114f aufgeteilt, wobei der Nut-Oberflächenbereich 114n gegenüber dem freien Oberflächenbereich 114f in radialer Richtung um eine Distanz TN115, die der Tiefe TN115 der Nut 115 entspricht, versetzt ist. In der 2 sind die Nut-Oberflächenbereiche 114n der Permanentmagnete 111 nicht sichtbar, weil sie durch die Bandagenanordnung 140 und insbesondere durch deren jeweils in den Nuten 115 positionierte Haltebereiche 145 verdeckt sind. Die in der 2 mit dem Bezugszeichen „114“ gekennzeichneten Flächen entsprechen also praktisch den freien Oberflächenbereichen 114f der jeweiligen Permanentmagnete 111.
In 3 verlaufen die Nuten 115 in axialer Richtung A. Grundsätzlich wäre es auch denkbar, dass die Nuten 115 nicht in exakt axialer Richtung A verlaufen, sondern unter einem Winkel a bzgl. der axialen Richtung A mit 0°<a<90° (in 3 ist der einfachste und zugleich wirksamste Fall a=0° dargestellt).
Die 4 zeigt eine axiale Sicht auf einige der Permanentmagnete 111, wobei die dort abgebildeten Pfeile die Magnetisierung und damit die Pole der Permanentmagnete 111 andeuten sollen. Die Nuten 115 sind derart positioniert, dass sie jeweils genau auf einem magnetischen Pol liegen und nicht zwischen zwei Polen. Dadurch wird bei gleichem Drehmoment die Normalkraft um etwa 10% verringert, was der Strukturauslegung entgegen kommt. Diese Ausgestaltung ist natürlich insbesondere bei der Auslegung mit axialen Nuten 115 anwendbar.
Die 5 zeigt die erste Ausführungsform der Bandagenanordnung 140, welche die Haltebereiche 145 aufweist, die in den Nuten 115 positioniert werden sollen, um die Magnete 111 am Rotor 110 zu fixieren. Die Bandagenanordnung 140 umfasst eine Ringgruppe mit im dargestellten Fall einem ersten Ring 141, einem zweiten Ring 142 und einem in der axialen Richtung A zwischen dem ersten 141 und dem zweiten Ring 142 angeordneten dritten Ring 143. Die Ringe 141, 142, 143 sind koaxial zueinander und in axialer Richtung A hintereinander und dabei voneinander beabstandet angeordnet, so dass sich zwischen jeweils zwei zueinander benachbart angeordneten Ringen 141, 142, 143 der Ringgruppe ein Ringzwischenraum RZ1, RZ2 befindet. Des Weiteren umfasst die Bandagenanordnung 140 eine Steggruppe mit einer Vielzahl von Stegen 149, wobei zum Einen ein jeder Steg 149 der Steggruppe zwischen zwei benachbarten Ringen 141, 143 bzw. 143, 142 der Ringgruppe verläuft, und wobei zum Anderen zwischen jeweils zwei benachbarten Ringen 141, 143 bzw. 143, 142 der Ringgruppe mehrere Stege 149 der Steggruppe verlaufen, so dass jeweils zwei benachbarte Ringe 141, 143 bzw. 143, 142 der Ringgruppe über mehrere Stege 149 der Steggruppe miteinander verbunden sind. Der Übersichtlichkeit wegen sind in 3 sowie auch in den anderen Figuren nur einige wenige Stege 149 mit Bezugszeichen versehen.
Die jeweils mehreren Stege 149, die zwischen zwei benachbarten Ringen 141, 143 bzw. 143, 142 der Ringgruppe verlaufen, sind in tangentialer Richtung T gesehen in typischerweise regelmäßigen Abständen hintereinander und somit um den Umfang der Bandagenanordnung 140 verteilt angeordnet, so dass sich zwischen jeweils zwei derart benachbart angeordneten Stegen 149 ein leerer Stegzwischenraum SZ befindet. Konsequenterweise liegen somit die Stegzwischenräume SZ in den Ringzwischenräumen RZ1 bzw. RZ2.
Des Weiteren können -müssen aber nicht- zumindest die in axialer Richtung A gesehen äußeren Ringe 141, 142 der Ringgruppe, vorzugsweise und in der 5 entsprechend dargestellt aber jeder Ring 141, 142, 143 der Ringgruppe, jeweils zumindest einen radial inneren Teilringabschnitt 141', 142' bzw. 143' mit radialen Erstreckungen bzw. Dicken DT141', DT142' bzw. DT143' und einen radial äußeren Teilringabschnitt 141", 142", 143" mit Dicken DT141", DT142" bzw. DT143" aufweisen. Dabei gilt konsequenterweise DR141=DT141'+DT141", DR142=DT142'+DT142" bzw. DR143=DT143'+DT143", wobei DR141, DR142, DR143 die radialen Erstreckungen bzw. Dicken der Ringe 141, 142, 143 bezeichnen. Dies ist in der 6 dargestellt, die den in 5 mit „V“ gekennzeichneten Abschnitt zeigt.
Bei denjenigen Ringen 141, 142, 143 der Ringgruppe, die einen radial inneren 141', 142', 143' und einen radial äußeren Teilringabschnitt 141", 142", 143" aufweisen, ist jeweils der radial innere Teilringabschnitt 141', 142', 143' radial innerhalb des radial äußeren Teilringabschnitts 141", 142", 143" angeordnet, wobei die zu jeweils einem Ring 141, 142, 143 gehörenden Teilringe 141' und 141" bzw. 142' und 142" bzw. 143' und 143" aneinander anliegen und also letztlich eine integrale Komponente bilden können - nämlich den jeweiligen Ring 141, 142, 143 der Ringgruppe. Zur Klarheit sei angemerkt, dass der Begriff „aufweisen“ hier sowohl die Situation umfassen soll, in der die betroffenen Ringe 141, 142, 143 einstückig sind, d.h. die jeweiligen inneren 141', 142', 143' und äußeren Teilringabschnitte 141", 142", 143" bilden ein integrales, einstückiges Bauteil 141, 142, 143. Ebenso soll die Situation umfasst sein, in der die betroffenen Ringe 141, 142, 143 jeweils aus zwei an sich separaten Teilringen 141' und 141" bzw. 142' und 142" bzw. 143' und 143" zusammengesetzt sind, bspw. indem jeweils der innere Teilringabschnitt 141', 142', 143' an den zugehörigen äußeren Teilringabschnitt 141", 142", 143" geklebt wird. Als geeignete Materialien kämen insbesondere nicht-leitfähige Werkstoffe in Frage, bspw. glasfaserverstärkter Kunststoff (GFK).
Die Bandagenanordnung 140 ist insbesondere derart ausgebildet, dass ihre dem Stator 120 zugewandte Oberfläche 140z - abgesehen von den Zwischenräumen SZ bzw. RZ1, RZ2- eine glatte Oberfläche ist, im Wesentlichen einem Zylindermantel entsprechend. Mit anderen Worten fluchten also benachbarte Ringe 141, 142, 143 und Stege 149 der Bandagenanordnung 140 an der Oberfläche 140z. Im Gegensatz hierzu ist in der gezeigten Ausführung die dem Stator 120 abgewandte Oberfläche 140a nicht glatt, da insbesondere die inneren Teilringabschnitte 141', 142', 143' in der vom Stator 120 weg und dem Rotorgrundköper 112 zugewandten weisenden radialen Richtung über die inneren Oberflächen 140a der Stege 149 überstehen.
Wiederum Bezug nehmend auf die 2 ist erkennbar, dass die so ausgestaltete Bandagenanordnung 140 derart am Rotor 110 angeordnet ist, dass sich zwischen zwei zueinander benachbart angeordneten Ringen 141, 143 bzw. 143, 142 der Ringgruppe jeweils eine der Permanentmagnetgruppen 111-1 bzw. 111-2 befindet, d.h. die jeweilige Permanentmagnetgruppe 111-1 bzw. 111-2 liegt in dem entsprechenden Zwischenraum RZ1 bzw. RZ2. Für den nicht dargestellten Fall, dass der Rotor bspw. nur eine einzelne Permanentmagnetgruppe aufweist, würde die Bandagenanordnung nur zwei Ringe mit sich dazwischen erstreckenden Stegen aufweisen, wobei die einzelne Permanentmagnetgruppe zwischen den Ringen angeordnet wäre.
Die Bandagenanordnung 140 ist derart angeordnet, dass sich die Ringe 141, 142, 143 und die Permanentmagnetgruppen 111-1, 111-2 in axialer Richtung gesehen abwechseln, so dass jeweils einer der Ringe 141, 142, 143 zwischen sowie vor bzw. hinter den Permanentmagnetgruppen 111-1, 111-2 liegt, wobei der dritte Ring 143 zwischen den Permanentmagnetgruppen 111-1, 111-2 positioniert ist. Des Weiteren ist die Bandagenanordnung 140 bzgl. des Rotors 110 derart angeordnet, dass die Stege 149 der Steggruppe die Permanentmagnete 111 an der Oberfläche 113 fixieren, d.h. die Stege der Steggruppe bilden jeweils einen Haltebereich 145 der Bandagenanordnung 140. Hierzu sind aufgrund der Anordnung der Bandagenanordnung 140 bezüglich der Permanentmagnete 111 insbesondere die Stege 149 in einer jeweiligen Nut 115 und über dem entsprechenden Nut-Oberflächenbereich 114n eines jeweiligen Permanentmagneten 111 der jeweiligen Permanentmagnetgruppe 111-1, 111-2 positioniert. Die freien Oberflächenbereiche 114f liegen dagegen in entsprechenden Stegzwischenräumen SZ. Da die Ringe 141, 142, 143 selbst nicht in Nuten 115 o.ä. liegen, sondern letztlich zwischen den Permanentmagnetgruppen 111-1, 111-2 und deren Magneten 111, bilden die Ringe 141, 142, 143 keine Haltebereiche 145.
Die Stege 149 weisen jeweils eine Dicke bzw. radiale Erstreckung DS149 auf, die idealerweise im Wesentlichen den Tiefen TN115 der Nuten 115 entsprechen, d.h. DS149=TN115. Da die Dicken DS149 der Stege 149 den Nuttiefen TN115 entsprechen und die Stege 149 in den Nuten 115 positioniert sind, fluchten die freien Oberflächen 114f der Permanentmagnete 111 und die äußeren Oberflächen 140z der Stege 149. Die Auswahl TN115=DS149 stellt ein Optimum dar, da hiermit zum Einen gewährleistet ist, dass die Stege 149 eine ausreichende Dicke DS149 aufweisen, um die notwendige Haltekraft und Stabilität der Bandagenanordnung 140 zu bieten. Zum anderen sind die Stege 149 damit auch gleichzeitig dünn genug, um in radialer Richtung R nicht über die Magnetoberflächen 114 bzw. 114f hinauszuragen, so dass in der Konsequenz der Luftspalt 150 ohne die Dicke der Bandagenanordnung 140 berücksichtigen zu müssen ausgelegt werden kann.
Die Bandagenanordnung 140 ist somit derart ausgebildet und dimensioniert und insbesondere bzgl. der Permanentmagnetgruppen 111-1, 111-2 am Rotor 110 angeordnet, dass sich eine aus ihrer äußeren Oberfläche 140z und den freien Magnetoberflächen 114f zusammengesetzte Oberfläche ergibt, die weitestgehend glatt ist und der äußeren Oberfläche eines Zylindermantels entspricht - natürlich abgesehen von den unvermeidlichen Spalten zwischen der Bandagenanordnung 140 und den Magneten 111 an den Stellen, an denen die freien Oberflächen 114f der Magnete 111 in den Stegzwischenräumen SZ liegen. D.h. die freien Magnetoberflächen 114f und die äußere Oberfläche 140z der Bandagenanordnung 140 fluchten, wenn die Bandagenanordnung 140 in den Rotor 110 eingebaut ist.
Zur Herstellung einer solchen Bandagenanordnung 140 kann bspw. ein flächiges Blech aus geeignetem Material verwendet werden, aus dem Abschnitte herausgestanzt werden, so dass sich die beschriebene Anordnung 140 mit den Zwischenräumen SZ, RZ1, RZ2 ergibt. Materialien wären dann geeignet, wenn sie nicht oder zumindest nur schlecht leitfähig sind, bspw. GFK, carbonfaserverstärkter Kunststoff (CFK) oder ggf. Titan.
Dabei könnten jeweils die äußeren Teilringabschnitte 141", 142", 143" integrale Teile des flächigen Blechs selbst sein, so dass sich die Dicken DS149 der Stege 149 und die Dicken DT141", DT142" bzw. DT143" der äußeren Teilringabschnitte 141", 142", 143" quasi automatisch entsprechen. Damit würden die Stege 149 und die äußeren Teilringabschnitte 141", 142", 143" ein integrales Bauteil darstellen. Der jeweilige innere Teilringabschnitt 141', 142', 143' könnte dann bspw. ein an dem jeweiligen äußeren Teilringabschnitt 141", 142", 143" befestigter weiterer Ring 141', 142', 143' sein, der sich also vom Blech weg in radialer Richtung R entsprechend seiner radialen Dicke DT141', DT142' bzw. DT143' erstreckt.
Die radialen Erstreckungen bzw. Dicken DR141, DR142, DR143 der Ringe 141, 142, 143 müssen nicht zwangsläufig den Dicken DS149 der Stege 149 entsprechen, sondern sind vorteilhafterweise größer als diese. Insbesondere bietet es sich an, wenn die Dicken DR141, DR142, DR143 den Dicken DP111 der Magnete 111 entsprechen. Dies lässt sich besonders plastisch für die oben beschriebene Ausgestaltung erläutern, in der die Stege 149 und die äußeren Teilringabschnitte 141", 142", 143" integrale Teile des flächigen, ausgestanzten Blechs sind. In der axialen Richtung A überragen die äußeren Teilringabschnitte 141", 142", 143" die Permanentmagnete 111. Da die Bandagenanordnung 140 im eingebauten Zustand unter erheblicher mechanischer Spannung steht, um die Permanentmagnete 111 zu fixieren, könnte es zu Beschädigungen der Magnete 111 an deren axialen Enden kommen, da die axial überstehenden Bereiche 141", 142", 143" der Bandagenanordnung 140 aufgrund der mechanischen Spannung in Richtung zur Oberfläche 113 des Rotors 110 hin verbogen werden und so insbesondere auf die genannten Enden eine Kraft ausüben, die zu Beschädigungen der Magnete 111 führen kann. Dies kann verhindert werden, wenn die axial überstehenden Bereiche 141", 142", 143" der Bandagenanordnung 140 radial abgestützt werden. Diese Funktion wird durch die inneren Teilringabschnitte 141', 142', 143' übernommen, wenn diese entsprechende Dicken aufweisen, d.h. die inneren Teilringabschnitte 141', 142', 143' wirken abstützend zwischen den äußeren Teilringabschnitten 141", 142", 143" und der Oberfläche 113. Konkret bedeutet das, dass vorteilhafterweise gilt DP111=DR141=DR142=DR143. Wenn des Weiteren gilt DT141"=DT142"=DT143"=TN115, ergeben sich automatisch die benötigten Dicken der inneren Teilringabschnitte DT141 ‚=DT142‘=DT143'=DP111-TN115.
In der somit beschriebenen Ausgestaltung der Bandagenanordnung 140 bilden also zumindest die Stege 149 und die äußeren Teilringabschnitte 141", 142", 143" ein einstückiges Bauteil. Die inneren Teilringabschnitte 141', 142', 143' können ggf. ebenfalls integrale Teile des einstückigen Bauteils sein, welches dann bspw. durch ein Verfahren der additiven Fertigung herstellbar ist. Alternativ können die inneren Teilringabschnitte 141', 142', 143' als separate Bauteile vorgesehen sein, die am ggf. einstückigen Bauteil 149, 141", 142", 143" befestigt werden.
In einer alternativen Ausgestaltung, welche im Zusammenhang mit den 7-9 erläutert wird, bilden die Stege 149 und die äußeren Teilringabschnitte 141", 142", 143" kein einstückiges Bauteil, sondern sind als separate Bauteile vorgesehen. Auch die inneren Teilringabschnitte 141', 142', 143' sind separate Bauteile, die mit den Stegen 149 und den äußeren Teilringabschnitten 141", 142", 143" zusammengefügt werden müssen, um die Bandagenanordnung 140 zu bilden. Im zusammengebauten Zustand entspricht diese Bandagenanordnung 140 der bereits beschriebenen Bandagenanordnung. Die Stege 149, die in den 8 und 9 detaillierter dargestellt sind, können insbesondere derart geformt bzw. gebogen sein, dass sie in dem in 8 gezeigten Zustand, in dem sie noch nicht in die Bandagenanordnung 140 eingebaut sind, eine Vorspannung aufweisen. Die 9 zeigt dann die resultierende Form der Stege 149, wenn sie in die Bandagenanordnung 140 eingebaut sind. Dadurch, dass die axialen Enden der Stege in diesem Zustand durch die äußeren Teilringabschnitte 141", 142", 143" in radialer Richtung R nach innen gegen die inneren Teilringabschnitte 141', 142', 143' gedrückt werden, sind die Stege 149 nicht mehr gebogen, sondern weitestgehend gerade bzw. flach. Dies bewirkt letztlich, dass auf die Permanentmagnete 111 ein gleichmäßiger Druck ausgeübt wird.
Die Funktionsweise etc. der so gebildeten Bandagenanordnung 140 sowie ihre Dimensionierung und Positionierung am Rotor 110 entspricht der bereits beschriebenen Bandagenanordnung 140.
Die 10 zeigt einen Rotor 110 mit einer Bandagenanordnung 140 gemäß einer zweiten Ausführungsform, in der die Bandagenanordnung 140 lediglich mit Hilfe eines oder ggf. mehrerer flacher Ringe 146-1, 146-2 realisiert, Im Unterschied zur oben beschriebenen Ausführungsform entfallen hier die dort als „Stege“ 149 bezeichneten axialen Verbindungen, die dort in den dementsprechend axialen Nuten 115 der Permanentmagnete 111 positioniert waren. Die Anzahl der flachen Ringe 146-1, 146-2 richtet sich nach der Anzahl der Permanentmagnetgruppen 111-1, 111-2, wobei je Gruppe 111-1, 111-2 zumindest ein solcher Ring 146-1, 146-2 vorgesehen ist. Im Folgenden wird rein exemplarisch von zwei Gruppen 111-1, 111-2 ausgegangen. Dementsprechend umfasst die Bandagenanordnung 140 zwei Ringe 146-1, 146-2. Die 11 zeigt, wie diese Ringe 146-1, 146-2 ausgebildet sein können.
Grundsätzlich vergleichbar mit der ersten Ausführungsform weisen die Permanentmagnete 111 auch in der zweiten Ausführungsform Nuten 115 auf, in denen die Ringe 146-1, 146-2 der Bandagenanordnung 140 positioniert werden, um die Magnete 111 zu fixieren. Im Unterschied zur axialen Ausrichtung der Nuten 115 in der ersten Ausführungsform sind die Nuten 115 in der zweiten Ausführungsform tangential ausgerichtet. Dies ist in 12 dargestellt, wobei in 11 nur zwei der Permanentmagnete 111 einer Gruppe 111-1 bzw. 111-2 gezeigt sind. Jeder der Permanentmagnete 111 einer jeweiligen Permanentmagnetgruppe 111-1, 111-2 weist demnach eine tangentiale Nut 115 in der der Bandagenanordnung 140 zugewandten Magnetoberfläche 114 auf, wobei die Nuten 115 der Magnete 111 einer jeweiligen Gruppe 111-1 bzw. 111-2 insbesondere derart angeordnet und dimensioniert sind, dass die Nuten 115 von benachbarten Permanentmagneten 111 derselben Gruppe 111-1 bzw. 111-2 ineinander übergehen bzw. aneinander anschließen, so dass die Gesamtheit der so aneinander angeschlossenen Nuten 115 einer jeweiligen Gruppe 111-1, 111-2 letztlich eine jeweilige durchgehende, in tangentialer Richtung T umlaufende Nut 115' bilden. Die umlaufende Nut 115' hat wie die einzelnen Nuten 115 eine Tiefe TN115.
Jeder der Ringe 146-1, 146-2 wird in einer jeweiligen Nut 115' positioniert, wobei die Ringe 146-1, 146-2 jeweils eine radiale Erstreckung bzw. Dicke DR146 aufweisen, welche der Nuttiefe TN115 entspricht, d.h. DR146=TN115. Dadurch wird auch hier erreicht, dass die freien Oberflächen 114f der Magnete 111 und die äußeren Oberflächen 140z der Ringe 146-1 bzw. 146-2 der Bandagenanordnung 140 fluchten, so dass der Luftspalt 150 minimiert werden kann.
Da die Ringe 146-1, 146-2 jeweils als Ganzes in der jeweiligen umlaufenden Nut 115 positioniert werden, stellt jeweils der gesamte Ring 146-1, 146-2 einen Haltebereich 145 dar. Konsequenterweise umfasst die Bandagenanordnung 140 in diesem Fall keine Bereiche, die nicht als Haltebereich 145 fungieren.
In den Figuren sind der Übersichtlichkeit wegen teilweise jeweils nur einige wenige Komponenten mit Bezugszeichen versehen. Dies betrifft bspw. die Magnetoberflächen 114, die Permanentmagnete 111 und die Stege 149.
Lediglich der Klarheit wegen sei des Weiteren erwähnt, dass insbesondere die in den 2, 5, 7, 10, 11 abgebildeten Gegenstände letztlich im Wesentlichen kreisringförmig sind, auch wenn in den genannten Figuren jeweils nur ein Abschnitt eines Kreisringes dargestellt ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2018/083047 [0008]

Claims

Rotor (110) für eine elektrische Maschine (100), aufweisend - zumindest eine Permanentmagnetgruppe (111-1, 111-2), wobei jede Permanentmagnetgruppe (111-1, 111-2) zumindest einen Permanentmagneten (111) umfasst, - eine Bandagenanordnung (140) mit zumindest einem Haltebereich (145) zum Fixieren eines jeden Permanentmagneten (111) an einer Oberfläche (113) des Rotors (110), wobei - jeder der Permanentmagnete (111) in einem Nut-Oberflächenbereich (114n) seiner der Bandagenanordnung (140) zugewandten äußeren Magnetoberfläche (114) eine Nut (115) aufweist, - die Bandagenanordnung (140) derart dimensioniert und ausgebildet und bezüglich eines jeden der Permanentmagnete (111) der jeweiligen Permanentmagnetgruppe (111-1, 111-2) angeordnet ist, dass zumindest der jeweilige Haltebereich (145) der Bandagenanordnung (140) in einer jeweiligen Nut (115) eines jeweiligen Permanentmagneten (111) der jeweiligen Permanentmagnetgruppe (111-1, 111-2) positioniert ist.
Rotor (110) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die dem Rotor (110) abgewandte Oberfläche (140z) der Bandagenanordnung (140) zumindest in den Haltebereichen (145) mit außerhalb des jeweiligen Nut-Oberflächenbereichs (114n) liegenden, freien Oberflächenbereichen (114f) der äußeren Magnetoberfläche (114) des jeweiligen Permanentmagneten (111) eine im Wesentlichen glatte Zylinderoberfläche bilden.
Rotor (110) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bandagenanordnung (140) insbesondere im in einer jeweiligen Nut (115) positionierten jeweiligen Haltebereich (145) eine Dicke DS149 aufweist, die der Tiefe TN115 der jeweiligen Nut (115) entspricht, in der der jeweilige Haltebereich (145) positioniert ist.
Rotor (110) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass jede Permanentmagnetgruppe (111-1, 111-2) jeweils eine Vielzahl von Permanentmagneten (111) aufweist, wobei - die Permanentmagnete (111) der jeweiligen Permanentmagnetgruppe (111-1, 111-2) in der tangentialen Richtung gesehen hintereinander an der Oberfläche (113) des Rotors (110) positioniert sind, so dass sie einen jeweiligen Magnetring bilden, - die Nuten (115) der Permanentmagnete (111) der jeweiligen Permanentmagnetgruppe (111-1, 111-2) derart in der jeweiligen äußeren Magnetoberfläche (114) ausgebildet sind, dass die Nuten (115) von benachbarten Permanentmagneten (111) der jeweiligen Permanentmagnetgruppe (111-1, 111-2) derart aneinander anschließen, dass die so aneinander angeschlossenen Nuten (115) eine in tangentialer Richtung umlaufende Nut (115') der jeweiligen Permanentmagnetgruppe (111-1, 111-2) bilden.
Rotor (110) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bandagenanordnung (140) für eine jeweilige Permanentmagnetgruppe (111-1, 111-2) jeweils eine insbesondere als im Wesentlichen flächiger Kreisring ausgebildete Bandagenkomponente (146-1, 146-2) als Haltebereich (145) aufweist, wobei in einer jeweiligen umlaufenden Nut (115') einer jeweiligen Permanentmagnetgruppe (111-1, 111-2) eine jeweilige Bandagenkomponente (146-1, 146-2) der Bandagenanordnung (140) positioniert ist.
Rotor (110) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass, die Bandagenanordnung (140) aufweist - eine Ringgruppe mit zumindest einem ersten Ring (141) und einem zweiten Ring (142), wobei die Ringe (141, 142, 143) der Ringgruppe in axialer Richtung hintereinander angeordnet sind, so dass sich zwischen jeweils zwei zueinander benachbart angeordneten Ringen (141 und 143; 142 und 143) der Ringgruppe ein Ringzwischenraum (RZ1, RZ2) befindet, - eine Steggruppe mit einer Vielzahl von Stegen (149), wobei ein jeder Steg (149) der Steggruppe zwischen zwei benachbarten Ringen (141 und 143; 142 und 143) der Ringgruppe verläuft, und wobei zwischen jeweils zwei benachbarten Ringen (141 und 143; 142 und 143) der Ringgruppe mehrere Stege (149) der Steggruppe verlaufen.
Rotor (110) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Bandagenanordnung (140) derart am Rotor (110) angeordnet ist, dass sich zwischen zwei zueinander benachbart angeordneten Ringen (141 und 143; 142 und 143) der Ringgruppe jeweils eine der Permanentmagnetgruppen (111-1, 111-2) befindet, wobei zumindest einige der Stege (149) der Steggruppe und/oder die Ringe (141, 142, 143) der Ringgruppe jeweils einen Haltebereich (145) der Bandagenanordnung (140) bilden.
Rotor (110) nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass für jeden Permanentmagneten (111) die jeweilige Nut (115) zwischen den beiden axialen Enden des jeweiligen Permanentmagneten (111) verläuft.
Rotor (110) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass jeweilige Nut (115) derart positioniert ist, dass sie auf einem magnetischen Pol des jeweiligen Permanentmagneten (111) liegt.
Rotor (110) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Stege (149), die zwischen zwei benachbarten Ringen (141 und 143; 142 und 143) der Ringgruppe verlaufen, in tangentialer Richtung gesehen hintereinander angeordnet sind, so dass sich zwischen jeweils zwei derart benachbart angeordneten Stegen (149) ein Stegzwischenraum (SZ) befindet, wobei diejenigen Stege (149) der Steggruppe und/oder Ringe (141, 142, 143) der Ringgruppe, welche einen Haltebereich (145) der Bandagenanordnung (140) bilden, derart dimensioniert sind und die Bandagenanordnung (140) bezüglich der jeweiligen Permanentmagnetgruppe (111-1, 111-2) derart angeordnet ist, dass ein außerhalb des Nut-Oberflächenbereiches (114n) liegender, freier Oberflächenbereich (114f) der äußeren Magnetoberfläche (114) in einem der Stegzwischenräume (SZ) positioniert ist.
Rotor nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die in axialer Richtung gesehen äußeren Ringe (141, 142) der Ringgruppe jeweils zumindest einen radial inneren (141', 142', 143') und einen radial äußeren Teilringabschnitt (141", 142", 143") aufweisen, wobei für diejenigen Ringe (141, 142, 143) der Ringgruppe, die aus einem radial inneren (141', 142', 143') und einem radial äußeren Teilringabschnitt (141", 142", 143") bestehen, - die Dicke eines der jeweiligen Teilringabschnitte (141", 142", 143") der Dicke der Stege (149) entspricht, - die Gesamtdicke (DR141, DR142, DR143) des jeweiligen Ringes (141, 142, 143) größer ist als die Dicke (DS149) der Stege (149) .
Rotor (110) nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (149) der Steggruppe und die Ringe (141, 142, 143) der Ringgruppe jeweils separate Bauteile darstellen, wobei die Bandagenanordnung (140) durch Zusammenfügen der einzelnen Stege (149) und der einzelnen Ringe (141, 142, 143) aufgebaut wird.
Rotor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Stege (149) - im nicht in die Bandagenanordnung (140) eingebauten Zustand gebogen sind, - im in die Bandagenanordnung (140) eingebauten Zustand im Wesentlichen flach sind.
Bandagenanordnung (140) zum Fixieren eines Permanentmagneten (111) an einem Rotor (110) einer elektrischen Maschine (100), aufweisend - eine Ringgruppe mit zumindest einem ersten Ring (141) und einem zweiten Ring (142), wobei die Ringe (141, 142, 143) der Ringgruppe in axialer Richtung hintereinander angeordnet sind, so dass sich zwischen jeweils zwei zueinander benachbart angeordneten Ringen (141 und 143, 142 und 143) der Ringgruppe ein Ringzwischenraum (RZ1, RZ2) befindet, - eine Steggruppe mit einer Vielzahl von Stegen (149), wobei ein jeder Steg (149) der Steggruppe zwischen zwei benachbarten Ringen (141 und 143, 142 und 143) der Ringgruppe verläuft, und wobei zwischen jeweils zwei benachbarten Ringen (141 und 143, 142 und 143) der Ringgruppe mehrere Stege (149) der Steggruppe verlaufen, wobei - die mehreren Stege (149), die zwischen zwei benachbarten Ringen (141 und 143, 142 und 143) der Ringgruppe verlaufen, in tangentialer Richtung gesehen hintereinander angeordnet sind, so dass sich zwischen jeweils zwei derart benachbart angeordneten Stegen (149) ein Stegzwischenraum (SZ) befindet.
Bandagenanordnung (140) nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die in axialer Richtung gesehen äußeren Ringe (141, 142) der Ringgruppe jeweils zumindest einen radial inneren (141', 142', 143') und einen radial äußeren Teilringabschnitt (141", 142", 143") aufweisen, wobei für diejenigen Ringe (141, 142, 143) der Ringgruppe, die aus einem radial inneren (141', 142', 143') und einem radial äußeren Teilringabschnitt (141", 142", 143") bestehen, - die Dicke eines der jeweiligen Teilringabschnitte (141", 142", 143") der Dicke (DS149) der Stege (149) entspricht, - die Gesamtdicke (DRE141, DR142, DR143) des jeweiligen Ringes (141, 142, 143) größer ist als die Dicke (DS149) der Stege (149).