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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Rotor, wobei der Rotor einen Rotorkörper, der mehrere Magnetaufnahmen aufweist, und mehrere Magnete, die in den Magnetaufnahmen angeordnet sind, umfasst, sowie solch einen Rotor. Speziell betrifft die Erfindung das Gebiet der elektrischen Antriebsmotoren für Kraftfahrzeuge.
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Aus der
DE 10 2009 046 716 A1 ist ein Rotor für eine elektrische Maschine bekannt. Der bekannte Rotor umfasst einen Rotorkörper, der mehrere Magnetaufnahmen aufweist, und mehrere Magnete, die in den Magnetaufnahmen angeordnet sind. Hierbei sind zwischen dem Rotorkörper und den Magneten Hohlräume gebildet, die mit einer Füllmasse aus Kunststoff aufgefüllt sind. Ferner sind freie Polelemente vorgesehen, deren Positionierung über die Füllmasse gewährleistet ist. Die freien Polelemente weisen innenliegende Absätze auf. Der Rotorkörper weist Nasen auf. Es ist ein gewisser Formschluss zwischen der erhärteten Füllmasse und dem Rotorkörper in Bezug auf die freien Polelemente gewährleistet.
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Aus der
DE 10 2019 127 583 A1 ist ein Rotor bekannt, bei dem die Magnete an den Rotorpolen jeweils in einer V-Minus-Anordnung angeordnet sind. Der Rotor umfasst einen Rotorkern und eine Mehrzahl von Rotorpolen. Der Rotorkern umfasst ein inneres Blechpaket und mehrere um das innere Blechpaket radial herum angeordnete äußere Blechpakete. Um das innere Blechpaket herum wird für jeden Rotorpol jeweils wenigstens eine innere Magneteinheit angeordnet. Die äußeren Blechpakete werden von radial außen auf die inneren Magneteinheiten aufgesetzt, so dass die inneren Magneteinheiten zwischen dem inneren Blechpaket und den äußeren Blechpaketen eingebettet sind und sogenannte im Rotorkern vergrabene Magneteinheiten bilden.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Rotor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und die erfindungsgemäße elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 12 haben den Vorteil, dass eine verbesserte Ausgestaltung und Funktionsweise ermöglicht sind.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen des im Anspruch 1 angegebenen Rotors und der im Anspruch 12 angegebenen elektrischen Maschine möglich.
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Vorteilhaft ist es, dass der Kühlkanal an dem jeweiligen Rotorpol in einem Bereich zwischen den zwei Magneten in der V-Anordnung und dem zentralen Magneten angeordnet ist. Hierdurch ist der Kühlkanal in der Nähe der zu kühlenden Magnete angeordnet. Die Anordnung mit dem Minus-Magneten hat gegenüber einer reinen V-Anordnung den Vorteil, dass Platz für den Kühlkanal in der Nähe der Magnete geschaffen ist.
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Vorteilhaft ist es, dass sich der Kühlkanal an dem jeweiligen Rotorpol zumindest näherungsweise parallel zu einer Rotationsachse durch das jeweilige Polaußensegment des Rotorkörpers erstreckt. Hierdurch kann sich der Kühlkanal entlang der Magnete durch den Rotorkörper erstrecken, so dass eine weitgehende Kühlung erzielt werden kann.
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Vorteilhaft ist es, dass an dem jeweiligen Rotorpol an einem Umfang des Polaußensegments eine Laschenöffnung vorgesehen, durch die die Magnetaufnahme für den zentralen Magneten am Umfang des Polaußensegments geöffnet ist, und dass an der Magnetaufnahme durch die Laschenöffnung voneinander beabstandete Umfangslaschen ausgebildet sind, die den zentralen Magneten radial außen umgeben. Hierdurch kann insbesondere ein Streufluss reduziert werden.
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Vorteilhaft ist es, dass zumindest eine Rotorhülse vorgesehen ist, mit der der Rotorkörper an seinem Umfang umschlossen, beispielsweise umwickelt, sein kann. Diese kann auch als Prepreg aufgepresst oder aufgeschrumpft sein. Hierdurch kann eine vorteilhafte Führung der im Betrieb auftretenden mechanischen Spannungen beziehungsweise eines Kraftflusses erfolgen.
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Vorteilhaft ist es, dass die Rotorhülse aus einem faserverstärkten Kunststoff, insbesondere einem karbonfaserverstärkten Kunststoff, gebildet ist. Somit können in vorteilhafter Weise radiale Kräfte, die im Betrieb über Fliehkräfte der Magnete auftreten, durch Zugspannungen in der Rotorhülse kompensiert werden, ohne dass es zu einer wesentlichen radialen Verformung kommt.
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Vorteilhaft ist es, dass an jedem Rotorpol die Magnetaufnahmen für die Magnete, die in der V-Anordnung angeordnet sind, voneinander beabstandet in dem Rotorkörper ausgestaltet sind. Hierdurch kann zwischen diesen Magnetaufnahmen Material des Rotorkörpers verbleiben, das zum Aufnehmen beziehungsweise Ableiten von mechanischen Spannungen dient. Vorteilhaft ist es, wenn die Magnete in V-Anordnung möglichst steil angeordnet sind, so dass ein großer Teil der Fliehkraft über den inneren Lastpfad geleitet wird und nicht über Radialstege. Solche Radialstege können in Folge dessen möglichst dünn ausgeführt werden, was den Streufluss zusätzlich reduziert.
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Vorteilhaft ist es, dass die Polaußensegmente an den Rotorpolen über jeweils zumindest zwei Radialstege des Rotorkörpers mit dem Polinnensegment verbunden sind, zwischen denen eine auf der Polmitte des jeweiligen Rotorpols angeordnete zentrale Öffnung des Rotorkörpers vorgesehen ist, und/oder dass zwischen jeweils zwei Radialstegen benachbarter Rotorpole eine Öffnung des Rotorkörpers vorgesehen ist. Somit kann die innere Rotorkontur in vorteilhafter Weise ausgehöhlt werden, um beispielsweise ein Speichendesign zu realisieren.
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Vorteilhaft ist es, dass der zumindest eine Kühlkanal für eine Rotordirektkühlung dient, wobei für die Rotordirektkühlung im Betrieb axial, insbesondere über eine Wuchtscheibe, ein Kühlmedium in den zumindest einen Kühlkanal eingebracht und axial durch den zumindest einen Kühlkanal gepumpt wird. Somit kann eine vorteilhafte Kühlung des Rotors realisiert werden.
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Vorteilhaft ist es, dass an zumindest einem Polaußensegment ein radial innen liegender Kühlkanal und ein radial außen liegender Kühlkanal vorgesehen sind, die miteinander verbunden sind und für eine Rotorluftkühlung dienen, wobei für die Rotorluftkühlung im Betrieb, insbesondere über zumindest eine Wuchtscheibe, wechselseitig der radial innen liegende Kühlkanal und der radial außen liegende Kühlkanal bedeckt wird, so dass sich ein Druckunterschied und ein Luftstrom durch den radial innen liegenden Kühlkanal und den radial außen liegenden Kühlkanal ergibt. Somit kann eine vorteilhafte Kühlung des Rotors realisiert werden.
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Vorteilhaft ist es, dass das Polinnensegment des jeweiligen Rotorpols am Außenumfang einen in Umfangsrichtung zum zugehörigen Polaußensegment hin verlaufenden Stützsteg zum Abstützen eines der Magnete der Magnetlage aufweist, wobei zwischen dem Stützsteg des jeweiligen Polinnensegments und dem Polaußensegment eine Stegunterbrechung zur Verhinderung eines magnetischen Streuflusses ausgebildet ist. Somit kann ein magnetischer Streufluss verhindert werden.
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Vorteilhaft ist es, dass die V-förmige, U-förmige oder bogenförmige Magnetlage des Rotorpols und/oder der Magnet des Polaußensegments symmetrisch zur Polmitte angeordnet ist. Dadurch ist eine besonders vorteilhafte Anordnung gegeben.
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Im Unterschied zu herkömmlichen Ausführungen von Rotoren mit vergrabenen Magneten ohne Radialstegen, bei denen immer mindestens ein Blechsegment pro Rotorpol nicht mit dem inneren Rotorteil verbunden ist und später assembliert werden muss, was erhöhte Kosten für die Montage verursacht, kann eine verbesserte Ausgestaltung realisiert werden. Ebenso kann im Unterschied zu einer herkömmlichen Ausgestaltung, bei der für das Aufwickeln einer Bandage Fixierungen der Magnete und der losen äußeren Rotorteile notwendig sind, eine verbesserte Ausgestaltung realisiert werden.
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Im Unterschied zu konventionellen Blechschnitten mit vergrabenen Magneten und ohne Bandage, bei denen Mittelstege und Tangentialstege benötigt werden, um die Magnete zu halten, was die Performance reduziert, weil sich ein Streufluss bildet, können die relevanten Streuflussstege entfernt oder stark minimiert werden, so dass die Leistung erhöht und der Einsatz von Magnetmasse reduziert werden kann, ohne dass es notwendig wird, das Rotorblech in mehreren getrennten Layern zu schichten und so einen erheblichen Montageaufwand zu bekommen.
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In vorteilhafter Weise kann ein Rotorblechschnitt realisiert werden, der nicht geteilt ist und dennoch für den Einsatz einer Bandage optimiert ist. Die einzelne Rotorlamelle ist vorzugsweise ein in sich geschlossener und zusammenhängender Kreisring, welcher durch ein oder mehrere der folgenden Merkmale charakterisiert sein kann: Die Magnetaufnahmen (Magnettaschen) sind in einem V-Minus angeordnet, so dass es also zwei angestellte Magnete und einen flachen Zentralmagneten gibt. Die beiden angestellten V-Magnete sind in einem sehr steilen Winkel angestellt, wobei zusätzlich die jeweils zugeordneten Tangentialstege aufgetrennt vorliegen, so dass die Fliehkraft der Magnete über die q-Achse aufgenommen werden kann und nicht über einen Tangentialsteg oder die Bandage aufgenommen werden muss. Der mittig angeordnete Zentralmagnet, der vorzugsweise möglichst weit radial außen angeordnet ist, ist radial außen noch von ganz dünnen Blechlaschen umgeben, so dass der Streufluss minimiert ist, aber gleichzeitig der Magnet befestigt vorliegt und nicht zusätzlich vor einer Bandagierung fixiert werden muss, wie z. B. ein außenliegender Magnet. Die Blechlasche für den Zentralmagneten ergibt sich vorzugsweise dadurch, dass mittig ein Stück des Tangentialsteges herausgetrennt ist. Mehrere solcher Bleche werden aufeinandergestapelt in axialer Richtung fixiert, z. B. über eine Stanzpaketierung oder ein Backlack. Ein Rotor aus mehreren Lamellen ist in Umfangsrichtung mit einer Bandage (vorzugsweise aus CFK) umwickelt, z.B. im Nasswickelprozess.
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Die vorwiegend innere Rotorkontur kann noch ausgehöhlt werden, und ein sogenanntes Speichendesign kann eingebracht werden, wobei zentrale Öffnungen auf der d-Achse und/oder versetzte Öffnungen auf der q-Achse vorgesehen sein können. Zusätzlich können noch Harz und/oder Moldmasse in die Magnettaschen eingebracht werden, wobei insbesondere das überschüssige Harz beim Aufwickeln der Bandage in die Laschenöffnungen eingebracht werden kann. Die zentrale Kühlungsbohrung dient vorzugsweise zu direkten Kühlung des Rotors.
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Somit können je nach Ausgestaltung und insbesondere durch den Aufbau des Rotorschnitts ein oder mehrere der folgenden Vorteile realisiert werden. Eine sehr hohe Leistungsdichte und/oder eine Reduktion von seltenen Erden aufgrund der Reduktion der Streuflüsse kann durch die Entfernung von Tangentialstegen ermöglicht werden. Eine Minimierung der verbleibenden Radialstege kann durch einen angepassten Kraftfluss realisiert werden. Eine Reduktion des Montageaufwands für das Wickeln der Bandage, das Fixieren der Magnete und dgl. ist möglich. Eine Reduktion vom Montageaufwand für den Zusammenbau vom Rotor im Vergleich zu einem Konzept mit einem layerweise geteilten Aufbau ist möglich. Eine Erhöhung der Dauerleistung durch eine zentrale Kühlungsbohrung, welche die entstehende Wärme von allen drei Magneten eines jeden Rotorpols sehr gut abführen kann und welche in einem konventionellen Design mit Mittelstegen und ohne Bandage so nicht umsetzbar wäre, ist möglich.
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Figurenliste
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen sich entsprechende Elemente mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen sind, näher erläutert. Es zeigt:
- 1 einen Rotor einer elektrischen Maschine in einer auszugsweisen, schematischen Darstellung entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt einen Rotor 1 einer elektrischen Maschine 2 in einer auszugsweisen, schematischen Darstellung entsprechend einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Vorzugsweise dient der Rotor 1 für eine elektrische Maschine 2, die als elektrischer Antriebsmotor für Kraftfahrzeuge ausgebildet ist. Der Rotor 1 umfasst einen Rotorkörper 3, der mehrere Magnetaufnahmen (Magnettaschen) 4, 5, 6 aufweist, und mehrere Magnete 7, 8, 9, die in den Magnetaufnahmen 4, 5, 6 des Rotorkörpers 3 angeordnet sind. Der Rotorkörper 3 umfasst ein Polinnensegment 10, an dem der Rotorkörper 3 zumindest mittelbar mit einer Welle 11 verbindbar ist. Ferner weist der Rotorkörper 3 an Rotorpolen 12 Polaußensegmente 13 auf, an denen die Magnetaufnahmen 4, 5, 6 ausgestaltet sind. Zur Vereinfachung der Darstellung sind hierbei nur ein Rotorpol 12 und ein Polaußensegment 13 dargestellt.
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An den Rotorpolen 12 sind jeweils zwei Magnete 7, 8 in einer V-Anordnung 17 angeordnet. Ferner ist ein zentraler Magnet 9 in einer Minus-Anordnung 18 radial nach außen versetzt zu einem Schwerpunkt 19 der zwei in der V-Anordnung 17 angeordneten Magnete 9 angeordnet. Die Polaußensegmente 13 sind an den Rotorpolen 12 über jeweils zumindest einen Radialsteg 20, 21 des Rotorkörpers 3 mit dem Polinnensegment 10 verbunden. Ferner sind an den Polaußensegmenten 13 Kühlkanäle 22 in dem Rotorkörper 3 ausgestaltet.
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Der Kühlkanal 22 ist an dem jeweiligen Rotorpol 12 in einem Bereich zwischen den zwei Magneten 7, 8 in der V-Anordnung 17 und dem zentralen Magneten 9 angeordnet. Dadurch befindet sich der jeweilige Kühlkanal 22 nahe an den Magneten 7, 8, 9, so dass eine zuverlässige Kühlung realisiert ist. Der Kühlkanal 22 erstreckt sich hierfür an dem jeweiligen Rotorpol 12 zumindest näherungsweise parallel zu einer Rotationsachse (Rotorachse) 25 durch das jeweilige Polaußensegment 13 des Rotorkörpers 3.
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Ferner ist an dem jeweiligen Rotorpol 12 an einem Umfang 30 des Polaußensegments 13 eine Laschenöffnung (Stegunterbrechung) 31 vorgesehen, durch die die Magnetaufnahme 6 für den zentralen Magneten 18 am Umfang 30 des Polaußensegments 13 geöffnet ist. An der Magnetaufnahme 6 sind durch die Laschenöffnung 31 voneinander beabstandete Umfangslaschen (Stützstege) 32, 33 ausgebildet, die den zentralen Magneten 9 radial außen umgeben. Außerdem können sich radial erstreckende Aussparungen 26, 27 vorgesehen sein.
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Das Polinnensegment 10 des jeweiligen Rotorpols 12 weist am Außenumfang einen in Umfangsrichtung zum zugehörigen Polaußensegment 13 hin verlaufenden Stützsteg 37 zum Abstützen eines der Magnete 9 der Magnetlage auf. Zwischen dem Stützsteg 37 des jeweiligen Polinnensegments 10 und dem Polaußensegment 13 ist eine Stegunterbrechung 37.1 zur Verhinderung eines magnetischen Streuflusses ausgebildet.
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Außerdem ist eine Rotorhülse 35 vorgesehen, mit der der Rotorkörper 3 an seinem Umfang 30 umschlossen, beispielsweise umwickelt, ist. Die Rotorhülse 35 ist in diesem Ausführungsbeispiel aus einem karbonfaserverstärkten Kunststoff gebildet. Je nach Anwendungsfall können aber auch andere Faserverstärkungen zum Einsatz kommen. Ein exemplarisch und stark vereinfacht dargestellter Kraftfluss 36 kann dann von einer Stufe 41 in der Magnettasche 4,5 im Bereich der Magnetaufnahme 5 radial nach innen zum Polinnensegment 10 hin verlaufen. Die Stufe 41 ist beispielsweise durch den Stützsteg 37 gebildet.
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An jedem Rotorpol 12 sind die Magnetaufnahmen 4, 5 für die Magnete 7, 8, die in der V-Anordnung 17 angeordnet sind, voneinander beabstandet in dem Rotorkörper 3 ausgestaltet. Dadurch ergibt sich eine verbesserte Stabilität, da Zugspannungen insbesondere in radialer Richtung zwischen den Magnetaufnahmen 4, 5 durch das vorhandene Material geleitet werden können. Ferner sind die Polaußensegmente 13 an den Rotorpolen 12 über jeweils zumindest zwei Radialstege 38, 39 des Rotorkörpers 3 mit dem Polinnensegment 10 verbunden, zwischen denen eine auf der Polmitte 28 des jeweiligen Rotorpols 12 angeordnete zentrale Öffnung 38 des Rotorkörpers 3 vorgesehen ist. Die zentrale Öffnung 38 kann als weiterer Kühlkanal 38 dienen. Außerdem ist zwischen jeweils zwei Radialstegen 20, 21 benachbarter Rotorpole 12 eine Öffnung 39, 40 des Rotorkörpers 3 vorgesehen.
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Vorteilhaft ist es, dass die Öffnungen 38, 39, 40 in radialer Richtung möglichst ausgedehnt ausgebildet sind. Dann können die Radialstege 20, 21 als in radialer Richtung sehr lange Speichen 20, 21 ausgebildet werden. Vorteilhaft ist es, wenn die Magnete 7, 8 in V-Anordnung möglichst steil angeordnet sind, so dass ein großer Teil der Fliehkraft über den inneren Lastpfad geleitet wird und nicht über die Radialstege 20 und 21. Diese Radialstege 20, 21 können in Folge dessen möglichst dünn ausgeführt werden, was den Streufluss zusätzlich reduziert. Die Radialstege 20, 21 können also möglichst dünn ausgeführt sein, wenn die V-Magnete möglichst steil angestellt sind, weil dann weniger Fliehkraft der Magnete über diese Radialstege geleitet wird.
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Je nach Ausgestaltung können einer oder beider Kühlkanäle 22, 38 für eine Rotordirektkühlung genutzt werden. Für die Rotordirektkühlung kann im Betrieb axial über eine Wuchtscheibe ein Kühlmedium in die Kühlkanäle 22, 38 eingebracht und axial durch die Kühlkanäle 22, 38 gepumpt werden. Das Kühlmedium kann also über eine Wuchtscheibe eingebracht und dann axial entlang des Rotors zur gegenüberliegenden Seite gepumpt werden.
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Die Kühlkanäle 22, 38 können auch miteinander verbunden sein und für eine Rotorluftkühlung dienen, indem über z. B. Wuchtscheiben wechselseitig der innere oder äußere Kühlkanal 22, 38 bedeckt wird, so dass sich ein Druckunterschied und ein Luftstrom durch die Kühlkanäle 22, 38 ergibt.
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Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009046716 A1 [0002]
- DE 102019127583 A1 [0003]
