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Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine, wobei der Rotor zu einer Rotorachse drehbar ist. Der Rotor weist eine Rotorscheibe und mehrere Magnete, welche beabstandet kreisförmig an der Rotorscheibe angeordnet sind, auf.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine mit einem Stator, welcher zur Aufnahme von Statorwicklungen ausgebildet ist, und einen entsprechenden Rotor.
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Rotierende elektrische Maschinen weisen prinzipiell ein Induktionsteil und ein Erregerteil auf, wobei eine der beiden Teile typischerweise als Rotor an einer Welle befestigt ist, während der andere Teil als Stator statisch angeordnet ist. Zwischen den beiden Teilen ist eine Relativbewegung möglich, wobei hierdurch eine Umwandlung von elektrischer Leistung in mechanische Leistung oder umgekehrt stattfinden kann. Ein Elektromotor kann somit auch als elektromechanischer Wandler verwendet werden.
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Im Stand der Technik gibt es eine Vielzahl von unterschiedlichen Arten von elektrischen Maschinen und insbesondere von Elektromotoren. Beispielsweise darf hier auf eine Axialfluss-Maschine beziehungsweise Transversalfluss-Maschine hingewiesen werden. Diese können beispielsweise als permanenterregte Synchronmaschine oder auch als Asynchronmaschine ausgebildet sein.
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Beispielsweise offenbart die
DE 10 2020 112 423 A1 einen Rotor für einen Axialfluss-Elektromotor, wobei der Rotor folgendes aufweist: Eine Rotorscheibe aus einem nichtmagnetisierbaren Material und eine Vielzahl von Permanentmagneten, die beabstandet kreisförmig verteilt an der Rotorscheibe angeordnet sind. Des Weiteren weist der Rotor Reluktanzstege auf, welche stabförmig ausgebildet sind und derart angeordnet sind, dass ein zusätzlicher Antrieb des Rotors mittels Reluktanzkraft ermöglicht wird.
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Somit ist dort ein Rotor mit Oberflächenmagneten bekannt, wobei zwischen den Magneten Stäbe zur Reluktanzbildung eingefügt werden.
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Des Weiteren sind im Stand der Technik Axialfluss-Maschinen in Doppelrotortopologie bekannt, welche als Maschinen mit Oberflächenmagneten ausgeführt werden können. Aufgrund dieses Aufbaus und des gleichen magnetischen Widerstands in d- und q-Achse des rotorfesten Koordinatensystems ist kein magnetischer Reluktanzeffekt nutzbar. Die Induktivität in dem Rotor Ld und Lq sind gleich.
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Beispielsweise ergibt sich das Drehmoment einer elektrischen Maschine wie folgt:
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Bei Gleichheit von Ld und Lq ist der Drehmomentenanteil aufgrund des Reluktanzeffekts nicht mehr vorhanden. Dies ist im Stand der Technik bei aktuellen Axialfluss-Maschinen mit Oberflächenmagneten der Fall.
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Somit besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, die Nutzung des Reluktanzeffekts in elektrischen Maschinen, insbesondere in Axialfluss-Maschinen mit Oberflächenmagneten, zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch einen Rotor und eine elektrische Maschine gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Sinnvolle Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Ein Aspekt der Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine, wobei der Rotor in Bezug zu einer Rotorachse drehbar ist, mit
- - einer Rotorscheibe,
- - mehreren Magneten, welche beabstandet kreisförmig an der Rotorscheibe angeordnet sind, wobei
- - wenigstens eine Reluktanzschicht auf den mehreren Magneten angeordnet ist, sodass die mehrere Magnete zumindest bereichsweise mittels der wenigstens einen Reluktanzschicht abgedeckt sind.
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Durch den erfindungsgemäßen Rotor kann eine Steigerung des Drehmoments mittels eines Reluktanzeffekts bei Axialfluss-Maschinen mit Oberflächenmagneten erreicht werden. Insbesondere kann mithilfe des vorgeschlagenen Rotors eine Verbesserung des Reluktanzeffekts bewirkt werden. Durch die wenigstens eine Reluktanzschicht können die Induktivitäten im rotorfesten Koordinatensystem geändert werden, sodass der Reluktanzeffekt nutzbar gemacht wird, insbesondere für Axialfluss-Maschinen mit Doppelrotortopologie. Des Weiteren kann durch den vorgeschlagenen Rotor erreicht werden, dass der notwendige Strom verringert werden kann bei gleichem Drehmoment. Dies führt zur Reduktion der Kupferverluste und Vorteilen im Wirkungsgrad des Rotors und somit der elektrischen Maschine. Bei Verwendung beziehungsweise Einstellung eines gleichen Stroms kann der magnetische Fluss φpm verringert werden. Somit kann erreicht werden, dass eine geringere Magnetmasse notwendig ist und somit eine entsprechende Kostenreduzierung bezüglich des Rotors und somit der elektrischen Maschine erreicht werden kann. Insbesondere können mithilfe des vorgeschlagenen Rotors der Rotor und somit auch elektrische Maschinen effizienter betrieben werden.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Stator, welcher zur Ausbildung von Statorwicklungen ausgebildet ist und einem Rotor nach dem vorherigen Aspekt oder einer vorteilhaften Weiterbildung daraus, wobei der Rotor in Bezug auf den Stator um die Rotorachse drehbar ist.
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Insbesondere kann der vorhin geschilderte Rotor des vorherigen Aspekts in der soeben geschilderten elektrischen Maschine eingesetzt und insbesondere verwendet werden. Beispielsweise kann es sich bei der elektrischen Maschine um einen Axialfluss-Elektromotor, eine Axialfluss-Maschine mit Doppelrotortopologie oder um eine Axialfluss-Maschine mit Oberflächenmagneten handeln.
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Vorteilhafte Ausführungen eines Aspekts sind als vorteilhafte Ausführungen des anderen Aspekts und umgekehrt anzusehen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung(en). Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigen die nachfolgenden Figuren in:
- 1 eine schematische Darstellung einer elektrischen Maschine, insbesondere einer Axialfluss-Maschine in Doppelrotoranordnung;
- 2 eine schematische Darstellung eines Rotors der elektrischen Maschine aus 1;
- 3 eine beispielhafte Seitendarstellung des Rotors aus 2; und
- 4 eine weitere schematische Darstellung des Rotors aus 2 mit einer zusätzlichen Reluktanzschicht.
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In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen.
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In der 1 ist eine schematische Darstellung einer elektrischen Maschine 1 dargestellt. Dabei ist hier als Beispiel eine Axialfluss-Maschine (AFM) mit Oberflächenmagneten in Doppelrotoranordnung dargestellt. Die elektrische Maschine 1 weist einen Stator 2 auf, welcher zur Aufnahme von Statorwicklungen 3 ausgebildet ist. Des Weiteren weist die elektrische Maschine 1 einen Rotor 4 auf, welcher hier in einer Doppelrotoranordnung beispielhaft dargestellt ist. Der Rotor 4 ist in Bezug auf den Stator 2 um eine Rotorachse 5 drehbar.
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In der 2 ist eine schematische Darstellung des Rotors 4 (hier als Einzelteil) dargestellt. Der Rotor 4 weist eine Rotorscheibe 6 beziehungsweise ein Rotorjoch auf. Des Weiteren weist der Rotor 4 mehrere Magnete 7 beziehungsweise Oberflächenmagnete beziehungsweise Permanentmagnete beziehungsweise Dauermagnete auf. Die mehreren Magnete 7 können beabstandet kreisförmig zueinander an der Rotorscheibe 6 angeordnet sein. Insbesondere befinden sich die mehreren Magnete 7 zueinander beabstandet kreisförmig an beziehungsweise auf der Rotorscheibe 6 beziehungsweise an einer Rotorfläche des Rotors 4.
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In der 3 ist zur besseren Darstellung eine Seitenansicht des Rotors 4 aus der 2 dargestellt. Dort sind die Rotorscheibe 6 und die auf der Rotorscheibe 6 angeordneten Magnete 7 in einer Seitenansicht dargestellt.
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Um nun, wie bereits eingangs erwähnt, den Reluktanzeffekt für die vorliegende elektrische Maschine 1 verwenden und insbesondere verbessern zu können, wird anhand der nachfolgenden 4 ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel des Rotors 4 erläutert. Um den Reluktanzeffekt und somit ein Drehmoment der elektrischen Maschine 1 und auch des Rotors 4 zu verbessern, ist wenigstens eine, insbesondere zusätzlich beziehungsweise parate, Reluktanzschicht 8 vorgesehen. Bei dieser Reluktanzschicht 8 handelt es sich um eine Blechschicht, um ein Elektroband, ein Elektroblech, ein metallisches Blech, eine Blechlage oder um eine zusätzlich aufgebrachte metallische Schicht. Diese wenigstens eine Reluktanzschicht 8 kann auf den mehreren Magneten 7 angeordnet werden, sodass die mehreren Magnete 7 zumindest bereichsweise, insbesondere vollständig, mittels der wenigstens einen Reluktanzschicht 8 abgedeckt sind.
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In einem Ausführungsbeispiel kann vorgesehen sein, dass die wenigstens eine Reluktanzschicht 8 mittels einer stoffschlüssigen Verbindung, insbesondere mittels Kleben, auf den mehreren Magneten 7 befestigt ist. Insbesondere kann dabei die Reluktanzschicht 8, insbesondere ein Schichtelektroband, mit magnetischer Vorzugsrichtung auf die Oberflächenmagnete beziehungsweise die Magnete 7 geklebt beziehungsweise aufgebracht werden. Dabei kann hierbei beispielsweise ein hochfester beziehungsweise beständiger Kleber verwendet werden, welcher eine hohe beziehungsweise entsprechende Drehzahlfestigkeit aufweist. Somit kann durch das zusätzliche Aufbringen von Eisen beziehungsweise der Reluktanzschicht 8 die Induktivität im rotorfesten Koordinatensystem verändert werden, sodass der Reluktanzeffekt nutzbar gemacht werden kann.
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Insbesondere kann die Reluktanzschicht 8 in axialer Richtung auf die Magnete 7 aufgeklebt beziehungsweise aufgebracht werden. Dabei ist der Kleber derart ausgebildet, dass dieser den Fliehkräften der elektrischen Maschine 1 im Betrieb standhält und so die Masse der Blechlage beziehungsweise Reluktanzschicht 8 über die Fläche der Magnete 7 bei Drehzahl des Rotors 1 aufhält.
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Insbesondere kann des Weiteren vorgesehen sein, dass die wenigstens eine Reluktanzschicht 8 auf einer Trägereinheit (in den Figuren nicht dargestellt) befestigt ist, wobei die Trägereinheit ausgebildet ist, mittels einer stoffschlüssigen Verbindung auf den mehreren Magneten 7 befestigt zu werden, sodass die wenigstens eine Reluktanzschicht 8 auf den mehreren Magneten angeordnet ist. Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die wenigstens eine Reluktanzschicht 8 mittels einer stoffschlüssigen Verbindung oder einer formschlüssigen Verbindung auf der Trägereinheit befestigt ist.
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Beispielsweise kann die Reluktanzschicht 8 aus Einzelstücken bestehen, welche dann auch einzeln aufgeklebt oder auch in einem Schritt gemeinsam aufgeklebt werden können oder auch als einstückige Blechlage aufgebracht werden. Hierbei können die entsprechenden Vorzugsrichtungen an den einzelnen Magneten beachtet werden, welche sich über den Umfang und damit an unterschiedlichen Winkellagen verteilt befinden. Dies kann einfach durch einzelne Blechstücke bezüglich der Reluktanzschicht 8 realisiert werden oder, wie entsprechend bereits erläutert, kann die Reluktanzschicht 8 durch eine gemeinsame Blechlage realisiert werden, welche auftretende Fliehkräfte verbessert verteilen kann. Eine entsprechend einteilige Blechlage beziehungsweise Reluktanzschicht 8 kann derart bearbeitet beziehungsweise ausgebildet sein, dass die einzelnen Vorzugsrichtungen der mehreren Magnete 7 berücksichtigt und realisiert sind.
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Beispielsweise kann die wenigstens eine Reluktanzschicht 8 einteilig oder mehrteilig ausgebildet sein.
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Die wenigstens eine Reluktanzschicht 8 kann derart auf den mehreren Magneten 7 angeordnet sein, dass eine magnetische Anisotropie beziehungsweise magnetische Vorzugsrichtung eines jeweiligen Magneten der mehrere Magnete 7 einer magnetischen Anisotropie eines Bereichs der wenigstens einen Reluktanzschicht 8, welche den jeweiligen Magneten zumindest bereichsweise abdeckt, entspricht.
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Insbesondere kann die bereits eingangs erwähnte Trägereinheit dazu verwendet werden, um beispielsweise negative Effekte zu verhindern und die Montage der Reluktanzschicht 8 einfacher zu gestalten. Dabei können bereits vor der Montage am Rotor 4 die einzelnen Blechstücke beziehungsweise die Einzelteile der Reluktanzschicht 8 auf der Trägereinheit beziehungsweise einem Träger, welcher strukturfest, aber nichtleitend und eventuell magnetisch neutral ist, aufgebracht werden. Beispielsweise kann die Trägereinheit aus Kunststoff sein. Somit dient die Trägereinheit anschließend dazu, um die Reluktanzschicht 8 beziehungsweise die Einzelteile der Reluktanzschicht 8 gemeinsam auf den Rotor aufbringen zu können beziehungsweise aufzukleben. Des Weiteren kann die Trägereinheit als Strukturunterstützung dienen. Dies ist insbesondere für die Kraftverteilung vorteilhaft. Hierzu kann die Trägereinheit im Rotor verbleiben und die Blechstücke beziehungsweise die Reluktanzschicht 8 zusätzlich zum Aufkleben auf den Magneten 7 halten. Entsprechend können die Blechstücke der Reluktanzschicht 8 dabei sowohl mit dem Magneten als auch mit der Trägereinheit verklebt sein oder nur mit dem Magneten verklebt und über einen Formschluss, vor allem in radialer Richtung gegen die Fliehkräfte, an der Trägereinheit gehalten werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektrische Maschine
- 2
- Stator
- 3
- Statorwicklungen
- 4
- Rotor
- 5
- Rotorachse
- 6
- Rotorscheibe
- 7
- mehrere Magnete
- 8
- Reluktanzschicht
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102020112423 A1 [0005]
