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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine, eine elektrische Maschine mit einem Rotor und ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors für eine elektrische Maschine.
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Elektrische Maschinen sind allgemein bekannt und umfassen unter anderem einen Rotor. Der Rotor kann beispielsweise permanenterregt sein. Permanenterregte Rotoren weisen Permanentmagnete auf, durch die ein Magnetfeld erzeugt wird. Der Selbstanlauf von Rotoren mit Permanentmagneten ist allerdings aufwendig, ein Freilauf ist bei permanenterregten Rotoren in der Regel nicht realisierbar und sie enthalten oft Seltenerdmaterialien (z.B. Neodym), die starken Preisschwankungen unterliegen und kostenintensiv sind. Zusätzlich ist der Abbau der Seltenerdmaterialien oftmals mit Umweltschäden verbunden und generell können derartige Materialien den CO2-Fussabdruck des Rotors gegenüber alternativen Konzepten verschlechtern.
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Diese Nachteile können durch fremderregte Rotoren zumindest teilweise gemindert werden. Diese weisen zumindest eine stromdurchflossene Induktivität auf, mittels der das entsprechende Magnetfeld erzeugt wird. Die Induktivität wird durch zumindest eine Wicklung mit mehreren Windungen realisiert. Bei hohen Drehzahlen (bis zu 30.000 Umdrehungen pro Minute) muss eine Bewegung der Windungen durch auftretende Zentrifugalkräfte verhindert werden. Typischerweise kommen Vergussmaterialien zum Einsatz, mit denen die Windungen vergossen werden. Zwischen den Rotorpolen sind Zwischenräume ausgebildet, die die Wicklung zumindest teilweise aufnehmen. Die Zwischenräume werden mit Verschlussleisten verschlossen, um definierte Außenflächen des Rotors auszubilden. Der Rotor wird außerdem stirnseitig mit Endabdeckungen verschlossen. Durch die Endabdeckungen und die Verschlussleisten wird dann ein Innenvolumen definiert, dessen verbliebene Hohlräume mit dem Vergussmaterial ausgefüllt werden. Dadurch weist der Rotor aber viele separate Einzelkomponenten und eine verhältnismäßig hohe Komplexität auf. Insbesondere müssen sämtliche Einzelkomponenten der Endabdeckungen und der Verschlussleisten maßgeschneidert sein, damit der Rotor die gewünschten Fertigungstoleranzen einhält. Dadurch ist der Herstellungsaufwand des Rotors hoch.
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Es besteht daher ein Bedürfnis einen Rotor für eine elektrische Maschine, eine elektrische Maschine und ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors bereitzustellen, mittels denen die Nachteile bekannter Ansätze ausgeräumt oder zumindest verringert werden können.
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Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Patentansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung angegeben, von denen jeder für sich oder in (Sub-)Kombination Aspekte der Offenbarung darstellen kann. Einige Aspekte werden im Hinblick auf Vorrichtungen und andere im Hinblick auf Verfahren erläutert. Die Merkmale sind aber wechselseitig zu übertragen.
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Gemäß einem Aspekt wird ein Rotor für eine elektrische Maschine bereitgestellt, insbesondere für eine fremderregte elektrisch angeregte Synchronmaschine (EESM). Der Rotor umfasst einen Rotorkern, welche eine erste Stirnseite entlang einer ersten axialen Richtung des Rotors, eine der ersten Stirnseite gegenüberliegende zweite Stirnseite entlang einer zweiten der ersten gegenüberliegenden axialen Richtung des Rotors aufweist, mehrere in Umfangsrichtung des Rotors angeordnete sich von dem Rotorkern in radialer Richtung erstreckende Rotorpole mit hutförmigen Polabschnitten und einen Verbundwerkstoff. Der Verbundwerkstoff weist eine Matrix aus einer Vergussmasse und eine in die Matrix zumindest teilweise eingebettete Verstärkungseinlage auf, die in Umfangsrichtung zwischen den hutförmigen Polabschnitten der Rotorpole angeordnet ist.
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Der Rotorkern und die Rotorpole werden lediglich mit dem Verbundwerkstoff vergossen. Die Verstärkungseinlage stellt dabei eine erhöhte mechanische Stabilität der Vergussmasse des Verbundwerkstoffs bereit. Sie hat insofern eine stabilisierende Wirkung. Dadurch ist die Stabilität der Vergussmasse gegenüber bekannten Materialien vorteilhaft erhöht. Die Vergussmasse kann deshalb in Zusammenwirkung mit der Verstärkungseinlage verhindern, dass Zentrifugalkräfte bei hohen Drehzahlen eine Bewegung von Einzelkomponenten des Rotors relativ zueinander verursachen, beispielsweise auch der Rotorpole mit den jeweiligen hutförmigen Polabschnitten relativ zueinander. Dadurch können Verschlussleisten (auch Poltrenner genannt), die gemäß bekannten Ansätzen zwischen den hutförmigen Polabschnitten der Rotorpole vorgesehen sind, eingespart werden. Der Rotor umfasst also weniger Einzelkomponenten. Somit wird der Herstellungsaufwand reduziert, da maßgeschneiderte Verschlussleisten vermieden werden. Dennoch können die Betriebseigenschaften des Rotors vorteilhaft verbessert werden.
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Bevorzugt weisen der Rotorkern und die Rotorpole geschichtete Elektrobleche auf. Die einzelnen Lagen des Elektroblechs sind dabei gegeneinander elektrisch isoliert. Dadurch wird das Auftreten von Wirbelströmen im Wesentlichen vermieden. Derartige Wirbelströme können bei einem einstückig hergestellten Rotorkern und einstückig hergestellten Rotorpolen beispielsweise durch die Wicklung induziert werden, mit deren Windungen üblicherweise die einzelnen Rotorpole umwickelt sind.
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Optional umfasst der Verbundwerkstoff einen Teilchenverbundwerkstoff.
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Alternativ umfasst der Verbundwerkstoff einen Faserverbundwerkstoff.
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Zudem kann der Verbundwerkstoff auch eine Kombination der genannten Werkstoffarten umfassen. Solche Verbundwerkstoffe stellen mittels der umfassten Teilchen oder Fasern eine verbesserte mechanische Stabilität gegenüber herkömmlichen Vergussmaterialien bereit. Zudem sind sie verhältnismäßig kostengünstig und einfach zu verarbeiten.
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Die Vergussmasse des Verbundwerkstoffs kann als Vergussmaterial insbesondere ein Vergussharz umfassen, beispielsweise ein Epoxidharz.
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Bevorzugt ist die Verstärkungseinlage an zumindest einer Stirnfläche in axialer Richtung des Rotors angeordnet.
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Alternativ oder kumulativ ist die Verstärkungseinlage auch an den hutförmigen Polabschnitten der Rotorpole in radialer Richtung angeordnet.
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Auch die kombinierte Anordnung der Verstärkungseinlage an einer Stirnfläche in axialer Richtung des Rotors und an den hutförmigen Polabschnitten der Rotorpole in radialer Richtung ist möglich. Die Stirnflächen in axialer Richtung können insbesondere an den Stirnseiten des Rotorkerns angeordnet sein. Zudem können die hutförmigen Polabschnitte der Rotorpole Zwischenräume, die zwischen benachbarten Rotorpolen angeordnet sind, entlang der radialen Richtung zumindest teilweise überragen. Auch in den überragten Abschnitten der Zwischenräume kann die Verstärkungseinlage angeordnet sein. Dadurch kann die mechanische Stabilität nicht nur entlang der Umfangsrichtung des Rotors zwischen den hutförmigen Polabschnitten verbessert werden, sondern ebenfalls stirnseitig des Rotorkerns entlang der axialen Richtungen und in den Zwischenräumen benachbarter Rotorpole. Folglich können gewünschte Stabilitätskonfigurationen generell entlang aller Raumrichtungen außerhalb der Rotorpole erzielt werden.
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Bevorzugt umfasst die Vergussmasse, mit welcher der Rotorkern und die Rotorpole zumindest teilweise umgossen sind, an der Stirnfläche eine Außenoberfläche.
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Alternativ oder kumulativ kann die Vergussmasse auch zwischen den hutförmigen Polabschnitten der Rotorpole eine Außenoberfläche umfassen.
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Auch die Kombination ist möglich, sodass die Vergussmasse eine Außenoberfläche an der Stirnfläche und zwischen den hutförmigen Polabschnitten umfasst. Die Außenoberfläche des Rotors wird also durch den Verbundwerkstoff bereitgestellt, insbesondere durch die Vergussmasse. Insofern kann der Rotor gegenüber bekannten Ansätzen insbesondere ohne Endabdeckungen ausgebildet sein, die bei anderen Ansätzen den Rotor in axialer Richtung abschließen. Dadurch weist der Rotor weniger Einzelkomponenten auf, sodass die Komplexität vorteilhaft weiter reduziert ist. Folglich müssen auch nicht derart viele Einzelkomponenten aufeinander abgestimmt (maßgeschneidert) sein, um die Fertigungstoleranzen einzuhalten. Der Herstellungsprozess des Rotors kann daher zumindest teilweise gröbere Toleranzen erlauben, die einfacher einzuhalten sind. Deshalb ist die Herstellung des Rotors einfacher und effizienter.
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Zudem ermöglicht die Einsparung der Endabdeckungen eine Bauraumoptimierung. Insbesondere entlang der axialen Richtung des Rotors kann somit Bauraum eingespart werden. Dadurch wird der Rotor kompakter.
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Ebenfalls wird die Anzahl vorhandener Materialübergänge durch die Einsparung der Verschlussleisten und, optional, der Endabdeckungen, reduziert. Dadurch sind die Wärmeleiteigenschaften weniger komplex und es können mechanische Spannungen aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten der unterschiedlichen Materialien vermieden werden.
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Die Außenoberfläche kann auch zumindest teilweise durch die Verstärkungseinlage des Verbundwerkstoffs der Vergussmasse gebildet sein. Die Verstärkungseinlage kann insofern generell zumindest teilweise die gewünschte Form der Außenoberfläche des Rotors definieren.
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Die Verstärkungseinlage kann aber auch zusätzliche Verbindungsabschnitte zwischen Außenabschnitten umfassen, die die gewünschte Form der Außenoberfläche des Rotors definieren. Dadurch können zusätzliche „Verstrebungen“ zwischen Teilen der Verstärkungseinlage bereitgestellt werden. Somit kann die mechanische Stabilität der Vergussmasse weiter erhöht werden.
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Optional weist der Verbundwerkstoff mehrere Verstärkungseinlagen auf. Die Verstärkungseinlagen können aneinander befestigt sein. Generell kann die Positionierung der Verstärkungseinlagen aber auch unabhängig voneinander erfolgen, beispielsweise durch geeignete Auflageflächen des Rotorkerns. Dann können beim Herstellen des Rotors beispielsweise die unterschiedlichen Verstärkungseinlagen aus unterschiedlichen Richtungen, beispielsweise aus entgegengesetzten axialen Richtungen, über den Rotorkern und zwischen die Rotorpole geschoben werden. Die Positionierung der Verstärkungseinlagen kann auch mit Hilfe von Vergusswerkzeugen erfolgen. Anschließend können sie optional aneinander befestigt werden, wodurch, nach erfolgter Befestigung, eine mechanisch verbundene Einheit erreicht wird, die eine quasi-kontinuierliche Verstärkungseinlage ausbildet. Beispielsweise können die mehreren Verstärkungseinlagen miteinander verzahnt sein oder einen Formschluss aufweisen. Somit ist die quasi-kontinuierliche Verstärkungseinlage mit besonders geringem Herstellungsaufwand realisierbar.
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Bevorzugt weist die Verstärkungseinlage ein Gewebe oder Geflecht auf. Ein Geflecht oder ein Gewebe stellt vorteilhaft die Möglichkeit bereit, multiple Ebenen zu schaffen, entlang denen die mechanische Stabilität erhöht werden kann. Die eine oder mehreren Verstärkungseinlagen können nachdem sie aneinander befestigt sind, einen „Korb“ des Rotors bilden. Der „Korb“ kann eine gewünschte Form der Außenoberfläche des Rotors definieren.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung umfasst die Matrix ein erstes Material und die eingebettete Verstärkungseinlage ein von dem ersten Material verschiedenes zweites Material. Dann können die verschiedenen Materialien spezifisch ausgewählt werden, um den jeweiligen Anforderungen bestmöglich gerecht zu werden. Beispielsweise kann das Material der Verstärkungseinlage insbesondere eine hohe Steifigkeit aufweisen. Alternativ kann das Material der Verstärkungseinlage auch eine hohe Zugfestigkeit aufweisen. Auch kann das Material beides aufweisen, also sowohl eine hohe Steifigkeit als auch eine hohe Zugfestigkeit. Das Material der Matrix kann insbesondere gute Fließeigenschaften aufweisen, beispielsweise eine gewünschte Viskosität, damit die Matrix sämtliche vorgesehenen Teilvolumina des Rotors erreicht, in denen sie vorliegen soll.
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Bevorzugt umfasst die Verstärkungseinlage selbst ein Vergussmaterial, beispielsweise Polyamid. Die Verstärkungseinlage kann dann mit geringem Herstellungsaufwand hergestellt werden. Insbesondere kann der Rotor dann weniger Einzelkomponenten aus spanenden Materialien umfassen, beispielsweise Aluminium. Der Verbundwerkstoff kann dann zwei unterschiedliche Vergussmaterialien aufweisen. Da die Verschlussleisten und die Endabdeckungen bekannter Ansätze durch den Verbundwerkstoff ersetzt werden, der generell nur leichte Kunststoffe umfassen kann, kann somit eine Gewichtsreduktion ermöglicht werden. So wird die Betriebseffizienz des Rotors verbessert.
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Ferner können das Material der Matrix und das Material der Verstärkungseinlage insbesondere ähnliche Wärmeausdehnungskoeffizienten umfassen. Dann führen Temperaturschwankungen nicht zu mechanischen Spannungen zwischen der Matrix und der Verstärkungseinlage.
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Auch kann zumindest eines der Materialien der Matrix und der Verstärkungseinlage, bevorzugt beide, eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Dann können in dem Rotorkern oder den Rotorpolen erzeugte Wärmemengen effektiv durch die Matrix oder die Verstärkungseinlage oder beide an eine Außenoberfläche des Rotors geleitet werden, wo ein Kühlmechanismus vorgesehen sein kann. Beispielsweise kann der Rotor stirnseitig mit Kühlflüssigkeit beaufschlagt werden. Derartige Wärmemengen entstehen beispielsweise durch die Bestromung der Wicklung, die die Rotorpole umgibt.
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Der Verbundwerkstoff kann auch Additive umfassen, um die Eigenschaften in gewünschter Weise einzustellen, beispielsweise Additive, die die Wärmeleitfähigkeit erhöhen.
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Bevorzugt ist die Verstärkungseinlage mit dem Rotorkern mechanisch verbunden.
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Alternativ kann die Verstärkungseinlage auch mit den Rotorpolen verbunden sein, d.h. mechanisch gekoppelt sein.
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Optional kann die Verstärkungseinlage auch mit dem Rotorkern und den Rotorpolen gekoppelt sein. Beispielsweise können Aufnahmen vorgesehen sein, in denen die Verstärkungseinlage zumindest teilweise positioniert ist. Dadurch kann die korrekte Positionierung der Verstärkungseinlage gewährleistet werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird auch eine elektrische Maschine bereitgestellt, insbesondere eine fremderregte Synchronmaschine. Die elektrische Maschine weist einen Rotor wie zuvor beschrieben auf.
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Gemäß einem zusätzlichen Aspekt wird auch ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors für eine elektrische Maschine bereitgestellt, insbesondere für eine fremderregte elektrisch angeregte Synchronmaschine (EESM). Der Rotor kann wie zuvor beschrieben ausgebildet sein. Das Verfahren erfolgt zumindest wie nachfolgend beschrieben:
- Es wird ein Rotorpaket in einer Kavität einer Vergussanlage bereitgestellt. Dabei ist die Wandung der Kavität komplementär zur gewünschten Kontur der Außenoberfläche des gefertigten Rotors. Das Rotorpaket weist zumindest einen Rotorkern auf, welche eine erste Stirnseite entlang einer ersten axialen Richtung des Rotors, eine der ersten Stirnseite gegenüberliegenden zweite Stirnseite entlang einer zweiten der ersten gegenüberliegenden axialen Richtung des Rotors aufweist, und mehrere in Umfangsrichtung des Rotors angeordnete sich von dem Rotorkern in radialer Richtung erstreckende Rotorpole mit hutförmigen Polabschnitten. Anschließend wird zumindest eine Verstärkungseinlage zumindest teilweise in Umfangsrichtung zwischen den hutförmigen Polabschnitten der Rotorpole angeordnet. Dann wird die Kavität verschlossen. Schließlich wird eine Vergussmasse in die Kavität eingebracht, so dass die Hohlräume der Kavität zumindest größtenteils von einem Verbundwerkstoff umfassend eine Matrix aus der Vergussmasse und die Verstärkungseinlage ausgefüllt werden.
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Anschließend muss das eingebrachte Vergussmaterial nur noch erstarren, beispielsweise durch einen Heizprozess. Dazu können Teile der Vergussanlage heizbar sein.
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Bevorzugt wird eine Restgasatmosphäre aus der Kavität abgepumpt bevor die Vergussmasse eingebracht wird. Dadurch kann die Reinheit des Prozesses erhöht werden. Zudem kann die Vergussmasse in sämtliche Hohlräume der Kavität hineingesogen werden.
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Optional bildet die Verstärkungseinlage eine definierte Außenhülle mit einer Außenoberfläche aus. Diese kann korrespondierend zur Wandung der Kavität der Vergussanlage sein und damit gleichzeitig die Außenoberfläche des Rotors zumindest teilweise festlegen. Dann kann der Rotor beispielsweise ohne Verschlussleisten fertiggestellt werden, die gemäß bekannten Ansätzen in Umfangsrichtung zwischen den hutförmigen Polabschnitten der Rotorpole angeordnet sind. Der Rotor weist dann eine reduzierte Anzahl an Einzelkomponenten auf. Dadurch wird der Herstellungsaufwand reduziert, da gerade die Verschlussleisten ansonsten maßgeschneidert sein müssen, damit der Rotor die Fertigungstoleranzen einhält.
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Bevorzugt wird die Verstärkungseinlage an zumindest einer Stirnfläche in axialer Richtung des Rotors angeordnet.
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Alternativ oder kumulativ wird die Verstärkungseinlage an den hutförmigen Polabschnitten der Rotorpole in radialer Richtung angeordnet.
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Insbesondere kann die Verstärkungseinlage auch sowohl an der Stirnfläche in axialer Richtung als auch an den Polabschnitten in radialer Richtung angeordnet sein. Dann kann der Rotor auch ohne Endabdeckungen hergestellt werden, die gemäß bekannten Ansätzen den Rotor stirnseitig entlang der axialen Richtung abschließen. Ähnlich wie die Verschlussleisten, müssen auch die Endabdeckungen bisher maßgeschneidert sein, damit der Rotor insgesamt die Fertigungstoleranzen einhält. Durch den Verbundwerkstoff können diese Fertigungstoleranzen sehr viel effizienter und mit weniger Herstellungsaufwand eingehalten werden, da keine maßgeschneiderten Einzelteile gefertigt werden müssen. Der Rotor weist dann auch eine nochmals reduzierte Anzahl an Einzelkomponenten auf. Zudem kann der erforderliche Bauraum reduziert werden, insbesondere entlang der axialen Richtung, da der Verbundwerkstoff, der die Vergussmasse ausbildet, eine außenliegende Komponente des Rotors ausbilden kann und die Endabdeckungen eingespart werden können.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird auch ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug bereitgestellt, das eine elektrische Maschine wie zuvor beschrieben umfasst.
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Im Sinne der vorliegenden Erfindung können zumindest teilweise elektrisch angetriebene Fahrzeuge insbesondere Landfahrzeuge umfassen, nämlich unter anderem Elektroroller, E-Scooter, Zweiräder, Motorräder, Dreiräder, Trikes, Quads, Gelände- und Straßenfahrzeuge wie Personenkraftwagen, Busse, Lastkraftwagen, Traktoren und andere Nutzfahrzeuge, Schienenfahrzeuge (Bahnen), aber auch Wasserfahrzeuge (Boote) und Luftfahrzeuge wie Hubschrauber, Multicopter, Propellerflugzeuge und Strahlflugzeuge, welche zumindest einen dem Vortrieb des Fahrzeugs dienenden Elektromotor und zumindest eine Energiespeichervorrichtung aufweisen. Fahrzeuge können bemannt oder unbemannt sein. Neben reinen Elektrofahrzeugen (BEV) können auch Plug-In-Hybride (PHEV) und Brennstoffzellenfahrzeuge (FCEV) umfasst sein.
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Sämtliche im Hinblick auf die verschiedenen Aspekte erläuterten Merkmale sind einzeln oder in (Sub-)Kombination mit anderen Aspekten kombinierbar.
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Die Offenbarung sowie weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen derselben werden im Folgenden anhand der in den Zeichnungen dargestellten Beispiele näher beschrieben und erläutert. Es zeigen:
- - 1 eine vereinfachte schematische Darstellung von Teilen eines Rotorpakets,
- - 2 eine vereinfachte schematische Darstellung von Teilen eines Rotorpakets, einer Verstärkungseinlage und einer Welle,
- - 3 eine vereinfachte schematische Darstellung von Teilen eines Rotorpakets, einer Vergussmasse und einer Welle in einer Vergussanlage,
- - 4 eine vereinfachte schematische Darstellung einer elektrischen Maschine und einer Welle,
- - 5 eine vereinfachte schematische Darstellung eines Verfahrens zum Herstellen eines Rotors, und
- - 6 eine vereinfachte schematische Darstellung eines zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugs mit einer elektrischen Maschine.
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Alle nachstehend in Bezug auf die Ausführungsbeispiele und/oder die begleitenden Figuren offengelegten Merkmale können allein oder in einer beliebigen Unterkombination mit Merkmalen der Aspekte der vorliegenden Offenbarung, einschließlich Merkmalen bevorzugter Ausführungsformen, kombiniert werden, vorausgesetzt, die sich ergebende Merkmalskombination ist für einen Fachmann auf dem Gebiet der Technik sinnvoll.
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Für die Zwecke der vorliegenden Offenbarung bedeutet die Formulierung „mindestens eines von A, B und C“ beispielsweise (A), (B), (C), (A und B), (A und C), (B und C) oder (A, B und C), einschließlich aller weiteren möglichen Kombinationen, wenn mehr als drei Elemente aufgeführt sind. Mit anderen Worten, der Begriff „mindestens eines von A und B“ bedeutet im Allgemeinen „A und/oder B“, nämlich „A“ allein, „B“ allein oder „A und B“.
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1 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung von Teilen eines Rotorpakets 10. Das Rotorpaket 10 umfasst einen Rotorkern 12 und sich radial sich von dem Rotorkern 12 erstreckende Rotorpole 14. Vorliegend umfasst das Rotorpaket 10 sechs Rotorpole 14. Andere Geometrien sind aber ebenso denkbar. Der Rotorkern 12 und die Rotorpole 14 sind aus geschichteten, gegeneinander elektrisch isolierten Elektroblechen gebildet.
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Die Rotorpole 14 weisen hutförmige Polabschnitte 16 auf, die die radialen Außenflächen der Rotorpole 14 bereitstellen.
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Der Rotorkern 12 umfasst ein Durchgangsloch in dem eine Welle 18 angeordnet und mechanisch mit dem Rotorkern 12 verbunden ist. Typischerweise werden hier Pressverbindungen oder Schrumpfverbindungen eingesetzt. Durch die Welle 18 werden die axiale Richtung, die radiale Richtung ausgehend von der Welle 18 und die Umfangsrichtung definiert.
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Vorliegend umfasst das Rotorpaket 10 eine Endscheibe 20, die in axialer Richtung stirnseitig an dem Rotorkern 12 und den Rotorpolen 14 angeordnet ist. Die Endscheibe 20 weist Auflageflächen 22 für eine Wicklung auf. Die Wicklung ist typischerweise um jeden Rotorpol 14 gewickelt und umfasst pro Rotorpol 14 mehrere Windungen.
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Zwischen den Rotorpolen 14 und den hutförmigen Polabschnitten 16 der Rotorpole 14 entstehen Zwischenräume 24, in denen die Wicklung zumindest teilweise angeordnet ist.
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Bei einer Drehung des Rotorpakets 10 wirken im Betrieb Zentrifugalkräfte auf die Wicklung. Ohne mechanische Stabilisierung kann das generell dazu führen, dass die Windungen der Wicklung relativ zueinander, insbesondere in radialer Richtung, bewegt werden. Deshalb müssen die Windungen der Wicklung ausreichend mechanisch stabilisiert werden, um beispielsweise die filigrane elektrische Isolierung zu schützen. Vorliegend erfolgt dies über eine Vergussmasse, die die Zwischenräume 24 ausfüllt und die Wicklung auch im Bereich der Auflageflächen 22 stabilisiert. Deshalb ist in den Zwischenräumen 24 und insbesondere in Umfangsrichtung zwischen den hutförmigen Polabschnitten 16 zumindest eine Verstärkungseinlage angeordnet.
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2 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung von Teilen eines Rotorpakets 10, einer Verstärkungseinlage 26 und einer Welle 18.
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In der Seitenansicht sind die hutförmigen Polabschnitte 16 der Rotorpole 14 zu sehen. Die Verstärkungseinlage 26 ist zumindest in Teilzwischenräumen 28 zwischen den hutförmigen Polabschnitten 16 entlang der Umfangsrichtung des Rohrotorkörpers 10 angeordnet. Dadurch kann eine mechanische Stabilisierung in den Teilzwischenräumen 28 und den Zwischenräumen 24 insgesamt bereitgestellt werden. Mit Bezug auf die nachfolgende 3 wird erläutert, dass die verbleibenden Hohlräume mit einer Vergussmasse aufgefüllt werden. Nach erfolgter Erstarrung der Vergussmasse wird somit ein Verbundwerkstoff aus der Vergussmasse und der Verstärkungseinlage 26 gebildet. Dadurch wird eine Relativbewegung beispielsweise der Windungen in den Zwischenräumen 24 verhindert.
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Zu sehen ist auch, dass die Verstärkungseinlage 26 vorliegend nicht nur zwischen den hutförmigen Polabschnitten 16 entlang der Umfangsrichtung angeordnet ist. Die Verstärkungseinlage 26 weist Stirnabschnitte 30 auf, die in entgegengesetzten axialen Richtungen stirnseitig neben dem Rotorpaket 10 angeordnet sind. Insbesondere sind die Stirnabschnitte 30 seitlich neben dem Rotorkern 12 und den Rotorpolen 14 einschließlich der hutförmigen Polabschnitte 16 angeordnet. Die mechanische Stabilisierung wird also auch seitlich neben dem Rotorpaket 10 bereitgestellt. Deshalb kann vorliegend sowohl auf Verschlussleisten, die gemäß bekannter Ansätze zwischen den hutförmigen Polabschnitten 16 angeordnet sind, als auch auf Endabdeckungen, die gemäß bekannter Ansätze den Rotor in axialer Richtung seitlich begrenzen, verzichtet werden. Der Rotor umfasst somit weniger Einzelkomponenten. Insbesondere die Verschlussleisten und Endabdeckungen müssen gemäß den bekannten Ansätzen maßgeschneidert sein (auf Pass gefertigt), damit der Rotor insgesamt die Fertigungstoleranzen einhält. Da diese Komponenten vorliegend vermieden werden können, ist der Herstellungsaufwand vorteilhaft reduziert.
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Zusätzlich wird hier auch verdeutlicht, dass die Verstärkungseinlage 26 zumindest teilweise die Außenoberfläche 32 des Rotors definiert. In anderen Worten, wird durch die Verstärkungseinlage 26 hüllartig die Außenoberfläche 32 des Rotors definiert. Die Verstärkungsanlage 26 bildet also zumindest teilweise radiale Außenflächen und stirnseitige, axiale Außenflächen der Außenoberfläche 32 des Rotors aus. Alternativ kann die Außenoberfläche 32 des Rotors auch durch die Vergussmasse des Verbundwerkstoffs ausgebildet werden.
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Optional kann die Verstärkungseinlage 26 auch zumindest teilweise in den Zwischenräumen 24 in radialer Richtung angrenzend an die Polabschnitte 16 angeordnet sein. Dadurch wird eine zusätzliche mechanische Stabilisierung auch innerhalb der Zwischenräume 24 bereitgestellt.
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3 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung von Teilen eines Rotorpakets 10, einer Vergussmasse 34 und einer Welle 18 in einer Vergussanlage 36. Das Rotorpaket 10 ist entsprechend der Querschnittsansicht X-X aus 1 nur teilweise dargestellt. Das Rotorpaket 10 weist in gegenüberliegenden axialen Richtungen Endscheiben 20 auf, die ihn insofern begrenzen und in gegenüberliegenden axialen Richtungen Stirnseiten 35A, 35B mit entsprechenden Stirnflächen 37A, 37B aufweisen. Die Rotorpole 14 und die Endscheiben 20 sind mit der Wicklung 38 umwickelt. Radial außenliegend zur Wicklung 38 sind die hutförmigen Polabschnitte 16 der Rotorpole 14.
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Um das Rotorpaket 10 mit den Endscheiben 20 und der Wicklung 38 ist die Vergussmasse 34 angeordnet, insbesondere zwischen den hutförmigen Polabschnitten 16 der Rotorpole 14, also in den Zwischenräumen 24, bzw. den Teilzwischenräumen 28, sofern diese nicht durch die Wicklung 38 ausgefüllt werden. Zudem ist die Vergussmasse 34 vorliegend auch in gegenüberliegenden axialen Richtungen stirnseitig von den Endscheiben 20 und der Wicklung 38 angeordnet.
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Die Vergussmasse 34 ist Teil des Verbundwerkstoffs 40 mit einer Matrix 42 und zumindest einer Verstärkungseinlage 26. Zu erkennen ist, dass die Verstärkungseinlage 26 in Hohlräumen einer Kavität 44 der Vergussanlage 36 angeordnet ist, die nicht von dem Rotorpaket 10, den Endscheiben 20 und der Wicklung 38 eingenommen werden. Die Kavität 44 ist dabei komplementär zur gewünschten Außenoberfläche 32 des aus dem Rotorpaket 10 gebildeten Rotors 46. Zu sehen ist auch, dass die Verstärkungseinlage 26 zumindest teilweise die Außenoberfläche 32 des Rotors 46 ausbildet, insbesondere Teile der radial außenliegenden Außenoberfläche 32 zwischen den hutförmigen Polabschnitten 16 und axial stirnseitige Teile der Außenoberfläche 32 in gegenüberliegenden axialen Richtungen neben dem Rotorpaket 10.
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Die Matrix 42 umfasst ein Vergussmaterial. Die Verstärkungseinlage 26 umfasst ein von dem Vergussmaterial verschiedenes anderes Material, beispielsweise Polyamid. Die Verstärkungseinlage 26 umfasst insbesondere ein Material, das eine hohe mechanische Festigkeit gewährleistet. Durch die Verstärkungseinlage 26 wird deshalb die mechanische Stabilität der Vergussmasse 34 des Verbundwerkstoffs 40 derart verbessert, dass die Vergussmasse 34 selbst außenliegende Strukturen des Rotors 46 ausbilden kann. Auf eine zusätzliche mechanische Stabilisierung, beispielsweise durch Verschlussleisten oder Endabdeckungen, kann verzichtet werden.
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Ferner umfasst die Verstärkungseinlage 26 vorliegend zwei Teilverstärkungskomponenten 26A, 26B. Diese erstrecken sich in radialer Richtung in gegenüberliegenden axialen Bereichen zumindest teilweise stirnseitig zum Rotorpaket 10 und in axialer Richtung zumindest teilweise entlang des Rotorpakets 10, insbesondere zwischen den hutförmigen Polabschnitten 16. Vorliegend sind die beiden Teilverstärkungskomponenten 26A, 26B an der Grenzfläche 48 miteinander mechanisch verbunden, beispielsweise mittels eines Formschlusses. Insgesamt bilden die Teilverstärkungskomponenten 26A, 26B deshalb nach erfolgtem Formschluss eine quasi-kontinuierliche einheitliche Verstärkungseinlage 26 aus. Eine mechanische Verbindung von mehreren Teilverstärkungskomponenten 26A, 26B ist aber nicht zwingend erforderlich.
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Die Verstärkungseinlage 26 kann generell auch eine andere Anzahl an Teilverstärkungskomponenten umfassen, beispielsweise um die Positionierung zu vereinfachen. Beispielsweise können verschiedene Einzelteile eines Geflechts oder eines Gewebes entsprechend den gewünschten Richtungen orientiert werden, entlang denen eine besonders hohe mechanische Belastbarkeit erzielt werden soll. Die Einzelteile können dann optional noch miteinander gekoppelt werden.
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Der Verbundwerkstoff 40 kann auch einen Teilchenverbundwerkstoff, einen Faserverbundwerkstoff oder eine Kombination solcher Werkstoffe umfassen. Die einzelnen Fasern können dann beispielsweise derart zahlreich sein, dass sie sich in der Matrix 42 des Verbundwerkstoffs 40 filzartig miteinander verkreuzen, wodurch die mechanische Stabilität im Wesentlichen richtungsunabhängig erzielt wird.
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4 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung einer elektrischen Maschine 50 und einer Welle 18. Der Rotor 46 ist um die Welle 18 angeordnet und von dem Stator 52 umgeben. Der Rotor 46 kann insbesondere ein fremderregter Rotor sein. Insofern kann es sich bei der elektrischen Maschine 50 um eine fremderregte elektrische Maschine handeln. Die Wicklung 38 kann dann über Schleifkontakte im Bereich der Welle 18 mit einer Spannung beaufschlagt werden. Dadurch können Magnetfelder erzeugt werden, die einen Antrieb der Welle 18 bereitstellen.
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5 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines Verfahrens 54 zum Herstellen eines Rotors 46. Optionale Schritte sind gestrichelt dargestellt
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Im Schritt 56 wird zunächst ein Rotorpaket 10 in einer Kavität 44 einer Vergussanlage 36 bereitgestellt. Die Wandung der Kavität 44 ist komplementär zur gewünschten Form der Außenoberfläche 32 des gefertigten Rotors 46. Das Rotorpaket 10 weist zumindest einen Rotorkern 12 und mehrere sich von dem Rotorkern 12 in radialer Richtung erstreckende Rotorpole 14 mit hutförmigen Polabschnitten 16 auf.
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Im Schritt 58 wird zumindest eine Verstärkungseinlage 26 zumindest teilweise in Umfangsrichtung zwischen den hutförmigen Polabschnitten 16 der Rotorpole 14 angeordnet.
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Im Schritt 60 wird die Kavität 44 verschlossen.
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Im Schritt 62 wird dann eine Vergussmasse 34 in die Kavität 44 eingebracht, so dass die Hohlräume der Kavität 44 zumindest größtenteils von einem Verbundwerkstoff 40 umfassend eine Matrix 42 aus der Vergussmasse 34 und die Verstärkungseinlage 26 ausgefüllt werden.
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Bevorzugt umfasst das Verfahren 54 den Schritt 64, in dem eine Restgasatmosphäre aus der Kavität 44 abgepumpt wird, bevor das Vergussmaterial eingebracht wird.
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Optional kann der Verbundwerkstoff 40 anschließend ausgehärtet werden, beispielsweise durch das Heizen der Vergussanlage 36. Dabei können Einzelkomponenten der Vergussanlage 36 beispielsweise entlang der axialen Richtung Druck auf die Vergussmasse 34 ausüben, so dass diese in sämtliche Hohlräume der Kavität 44 gepresst wird. Nach dem Aushärten oder Erstarren des Verbundwerkstoffs 40 sind die Einzelkomponenten des Rotors 46, insbesondere der Rotorkern 12, die Rotorpole 14 und die Wicklung 38 mit der Vergussmasse 34 zumindest teilweise umgossen und mechanisch fest miteinander gekoppelt.
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Das Verfahren 54 kann ferner weitergebildet werden, indem der Schritt 58 die Positionierung der Verstärkungseinlage 26 an zumindest einer Stirnfläche (37B) in axialer Richtung des Rotors 46 umfasst.
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Alternativ kann die Verstärkungseinlage 26 auch an den hutförmigen Polabschnitten 16 der Rotorpole 14 in radialer Richtung positioniert werden. Optional können auch beide Positionierungen verwirklicht werden. Dadurch kann die mechanische Stabilität des Rotorpakets 10 verbessert werden.
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Das Verfahren 54 kann ferner weitergebildet werden, indem der Schritt 58 die Positionierung von mehreren Teilverstärkungskomponenten 26A, 26B umfasst. Dies Teilverstärkungskomponenten 26A, 26B können beispielsweise in gegenüberliegenden axialen Richtungen über das Rotorpaket 10 geschoben werden und anschließend miteinander mechanisch verbunden werden. Dadurch kann die Positionierung der Verstärkungseinlage 26 vereinfacht werden. Somit kann die Positionierung derart erfolgen, dass die Verstärkungseinlage 26 eine verbesserte Festigkeit entlang vorbestimmten Richtungen bereitstellt sobald der Verbundwerkstoff 35 erstarrt ist.
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6 zeigt eine vereinfachte schematische Darstellung eines zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugs 66 mit einer elektrischen Maschine 50. Die elektrische Maschine 50 ist vorliegend mit Antriebsrädern 68 des Fahrzeugs 66 gekoppelt. Andere Verwendungen der elektrischen Maschine 50 sind ebenfalls denkbar, beispielsweise in Servoantrieben des Fahrzeugs 66.
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In der vorliegenden Anmeldung kann auf Mengen und Zahlen Bezug genommen werden. Sofern nicht ausdrücklich angegeben, sind solche Mengen und Zahlen nicht als einschränkend zu betrachten, sondern als Beispiele für die möglichen Mengen oder Zahlen im Zusammenhang mit der vorliegenden Anmeldung. In diesem Zusammenhang kann in der vorliegenden Anmeldung auch der Begriff „Mehrzahl“ verwendet werden, um auf eine Menge oder Zahl zu verweisen. In diesem Zusammenhang ist mit dem Begriff „Mehrzahl“ jede Zahl gemeint, die größer als eins ist, z. B. zwei, drei, vier, fünf, usw. Die Begriffe „etwa“, „ungefähr“, „nahe“ usw. bedeuten plus oder minus 5 % des angegebenen Wertes.
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Obwohl die Offenbarung in Bezug auf eine oder mehrere Ausführungsformen dargestellt und beschrieben wurde, wird der Fachmann nach dem Lesen und Verstehen dieser Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen gleichwertige Änderungen und Modifikationen vornehmen können.
