DE102022101633A1

DE102022101633A1 - Rotor für eine Axialflussmaschine und Axialflussmaschine für ein Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102022101633A1
Application number: DE102022101633.1A
Authority: DE
Inventors: György Farkas
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2022-01-25
Filing date: 2022-01-25
Publication date: 2023-07-27
Anticipated expiration: 2042-01-26
Also published as: DE102022101633B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rotor (10) für eine Axialflussmaschine, der um eine Rotationsachse (A) in einer Rotationsrichtung (U) rotierbar ist, eine Trägerscheibe (12) aus einem weichmagnetischen Material (40) aufweist, die in Rotationsrichtung (U) in mehrere Segmente (12a) eingeteilt ist, und wobei jedes Segment (12a) mindestens zwei Abschnitte (16) aufweist, die zumindest teilweise in axialer Richtung (a) hintereinander angeordnet sind und zueinander beabstandet sind, wodurch zwischen den zwei Abschnitten (16) und an die zwei Abschnitte (16) angrenzend eine Reluktanzöffnung (18) gebildet ist, die die Trägerscheibe (12) in radialer Richtung (R) vollständig durchdringt. Dabei umfasst jedes Segment (12a) mindestens ein Verbindungselement (20), das mehrere Verbindungssprossen (22) umfasst, die die zwei Abschnitte (16) starr verbinden und die in radialer Richtung (R) übereinander angeordnet sind, so dass zwischen den Verbindungssprossen (22) in radialer Richtung (R) Lücken (24) gebildet sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine Axialflussmaschine, wobei der Rotor um eine Rotationsachse in einer Rotationsrichtung rotierbar ist, eine Trägerscheibe aus einem weichmagnetischen Material aufweist, die in Rotationsrichtung in mehrere Segmente eingeteilt ist, und wobei jedes Segment mindestens zwei Abschnitte aufweist, die zumindest teilweise in axialer Richtung hintereinander angeordnet sind und zueinander beabstandet sind, wodurch zwischen den zwei Abschnitten und an die zwei Abschnitte angrenzend eine Reluktanzöffnung gebildet ist, die die Trägerscheibe in radialer Richtung vollständig durchdringt. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Axialflussmaschine für ein Kraftfahrzeug.
Die Erfindung ist auf dem Gebiet der Axialflussmaschinen angesiedelt, wie diese zum Beispiel als Elektromotoren für Kraftfahrzeuge zum Einsatz kommen können. Eine solche Axialflussmaschine kann dabei optional auch Permanentmagnete umfassen. Solche Permanentmagnete werden oftmals als Oberflächenmagnete auf der Oberfläche des Rotors angeordnet sein. Es gibt aber auch Ausführungen ohne Permanentmagnete, bei welchen die Drehmomenterzeugung rein reluktanzbasiert ist. Zu diesem Zweck kann der Grundkörper des Rotors, der vorliegend als Trägerscheibe bezeichnet wird, und aus weichmagnetischem Material gebildet ist, mit Reluktanzöffnungen zur Erzeugung eines Reluktanzdrehmoments versehen sein. Optional können auch in diesen Reluktanzöffnungen Permanentmagnete angeordnet sein.
Eine ähnliche Axialflussmaschine ist zum Beispiel in der WO 2018/153738 A1 beschrieben.
Dabei können die Reluktanzöffnungen so ausgeführt sein, dass sie die Trägerscheibe in axialer Richtung in einzelne Abschnitte gliedern, die durch die Reluktanzöffnung vollkommen voneinander separiert sind. Entsprechend ist es notwendig, diese einzelnen Abschnitte oder Schichten aneinander zu befestigen. Bisherige Lösungen haben dabei den Nachteil, dass sie entweder keine besonders hohe mechanische Festigkeit bieten, was wiederum die maximale Drehzahl und die Leistung der Axialflussmaschine begrenzt, oder andererseits einen sehr großen magnetischen Streufluss hervorrufen, wodurch das Drehmoment reduziert wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Rotor und eine Axialflussmaschine bereitzustellen, eine Befestigung der einzelnen Abschnitte der Trägerscheibe ermöglichen, die gleichzeitig eine möglichst hohe Leistung und ein möglichst hohes Drehmoment erlaubt.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Rotor und eine Axialflussmaschine mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figuren.
Ein erfindungsgemäßer Rotor für eine Axialflussmaschine ist um eine Rotationsachse in einer Rotationsrichtung rotierbar, wobei der Rotor eine Trägerscheibe aus einem weichmagnetischen Material aufweist, die in Rotationsrichtung in mehrere Segmente eingeteilt ist, wobei jedes Segment mindestens zwei Abschnitte aufweist, die zumindest teilweise in axialer Richtung hintereinander angeordnet ist und zueinander beabstandet sind, wodurch zwischen den zwei Abschnitten und an die zwei Abschnitte angrenzend eine Reluktanzöffnung gebildet ist, die die Trägerscheibe in radialer Richtung vollständig durchdringt. Dabei weist jedes Segment mindestens ein Verbindungselement auf, das mehrere Verbindungssprossen umfasst, die die zwei Abschnitte starr verbinden und die in radialer Richtung übereinander angeordnet sind, so dass zwischen den Verbindungssprossen in radialer Richtung Lücken gebildet sind.
Durch das Vorsehen mehrerer, die Abschnitte verbindender Sprossen, zwischen welchen sich in radialer Richtung Lücke befinden, lässt sich einerseits der magnetische Streufluss auf ein Minimum reduzieren, wodurch ein größeres Drehmoment bereitgestellt werden kann, als wenn die Abschnitte beispielsweise durch lückenlose, in radialer Richtung verlaufende Stege verbunden wären, und andererseits lässt sich durch das Vorsehen dieser Sprossen eine sehr hohe mechanische Festigkeit und Stabilität bereitstellen, so dass hierdurch wiederum das maximale Drehmoment und die Leistung maximiert werden können. Die Erfindung beruht dabei auf folgenden Erkenntnissen: Zur Befestigung dieser Abschnitte der Trägerscheibe aneinander gibt es prinzipiell auch andere Möglichkeiten: Beispielsweise könnte der Rotor mit einem Befestigungsring ausgebildet werden, der den Rotor beziehungsweise die Trägerscheibe in radialer Richtung vollständig umgibt. In gleicher Weise könnte ein solcher Befestigungsring radial innerhalb der Trägerscheibe vorgesehen sein. Derartige Befestigungsmöglichkeiten haben aus magnetischer Sicht den großen Vorteil, dass es keinen Streufluss an Verbindungsstellen zwischen den Abschnitten der Trägerscheibe gibt und damit der Streufluss maximal reduziert ist. Diese Lösungen haben jedoch den großen Nachteil, dass hierbei die mechanische Festigkeit enorm reduziert ist, die wiederum die maximale Drehzahl und die Leistung limitiert. Andererseits gäbe es auch die Möglichkeit, die einzelnen Abschnitte durch in radialer Richtung durchgängig verlaufende Stege miteinander zu verbinden und z.B. die Trägerscheibe durch das Vorsehen solche Verbindungen in axialer Richtung geschlossen auszuführen. Solche durchgehenden Stege bzw. Wände erlauben zwar eine hohe mechanische Stabilität, führen aber nachteiligerweise zu einem sehr großen Streufluss, da auch die Stege bzw. Wände von magnetischen Flusslinien durchdrungen werden. Hierdurch wird das erreichbare Drehmoment reduziert. Durch die erfindungsgemäße Lösung, nämlich das Vorsehen mehrerer einzelner Verbindungssprossen, die die beiden Abschnitte der Trägerscheibe miteinander verbinden, lässt sich sowohl eine hohe mechanische Stabilität erreichen als auch der Streufluss reduzieren, wodurch ein optimaler Kompromiss zwischen diesen Anforderungen bereitgestellt werden kann. Die Ausweichungen, das heißt die Lücken zwischen den Verbindungssprossen, reduzieren den magnetischen Leckagefluss. Die Sprossen haben einen verringerten Querschnitt zwischen den Blechpaketschichten, das heißt zwischen den Abschnitten, und gehen bei weniger Stromerregung in den Zustand der magnetischen Sättigung. Insgesamt lassen sich so durch eine Axialflussmaschine, bei welcher der erfindungsgemäße Rotor Anwendung findet, sowohl das Drehmoment maximieren als auch eine sehr hohe maximale Drehzahl und eine hohe Leistung bereitstellen. Zudem haben die Verbindungssprossen den großen Vorteil, dass zur Bereitstellung von diesen sehr wenig Material erforderlich ist, da zwischen ihnen Lücken ausgebildet sind. Dadurch kann Material eingespart werden und zudem auch das Gewicht des Rotors reduziert werden.
Unter einer Reluktanzöffnung ist dabei im Allgemeinen eine Öffnung im weichmagnetischen Material der Trägerscheibe zu verstehen, die insbesondere der Bereitstellung eines Reluktanzdrehmoments dient. Dies bedeutet nicht notwendigerweise, dass eine solche Reluktanzöffnung mit Luft ausgefüllt sein muss. Eine solche Reluktanzöffnung kann beispielsweise auch mit Material ausgefüllt sein, insbesondere mit einem elektrisch und magnetisch nicht leitenden Material, wie beispielsweise einem Kunststoff, zum Beispiel Epoxidharz oder Ähnlichem. Zudem ist es auch möglich, dass in den Reluktanzöffnungen Permanentmagnete angeordnet sind. Die verbleibenden Zwischenräume können dann ebenfalls mit einem elektrisch und magnetisch nicht leitenden Material gefüllt sein. Das Vorsehen zusätzlicher Permanentmagnete ist jedoch lediglich optional. Mit anderen Worten kann der Rotor einen Rotor für eine reine Reluktanzmaschine darstellen oder auch einen Rotor für eine Maschine, dessen Momenterzeugung sowohl durch Permanentmagnete erzeugt wird als auch durch ein zusätzliches Reluktanzdrehmoment bereitgestellt wird.
Die Reluktanzöffnungen durchdringen dabei die Trägerscheibe in radialer Richtung vollständig. Mit anderen Worten sind die Reluktanzöffnungen in radialer Richtung als Durchgangsöffnungen durch das Material der Trägerscheibe hindurch ausgebildet. In axialer Richtung durchdringen die Reluktanzöffnungen die Trägerscheibe jedoch nicht vollständig.
Die Trägerscheibe lässt sich in Rotationsrichtung in mehrere Segmente gliedern beziehungsweise ist in diese Segmente eingeteilt. Vorzugsweise weist die Trägerscheibe eine gerade Anzahl an Segmenten auf. Die Segmente können in einer Draufsicht in axialer Richtung auf die Trägerscheibe ringsegmentförmig ausgebildet sein. Die einzelnen Segmente der Trägerscheibe sind dabei dennoch zusammenhängend ausgebildet. Mit anderen Worten ist diese Einteilung beziehungsweise Gliederung der Trägerscheibe in Segmente rein theoretischer Natur. Die einzelnen Segmente der Trägerscheibe können dabei alle gleichartig ausgebildet sein, wenngleich es auch theoretisch möglich ist, diese unterschiedlich auszugestalten. Daher wird im Zuge der weiteren Beschreibung der Ausführungsformen lediglich einer der Segmente der Trägerscheibe beschrieben. Diese Ausgestaltungen sollen jedoch alle übrigen Segmente der Trägerscheibe analog gelten.
Die Reluktanzöffnungen benachbarter Segmente sind dabei voneinander durch das weichmagnetische Material der Trägerscheibe separiert. Jedes Segment kann dabei nicht nur zwei Abschnitte aufweisen, sondern auch mehr als zwei Abschnitte. Im Falle von drei Abschnitten beispielsweise ergeben sich pro Segment zwei Reluktanzöffnungen, die dann zwischen je zwei in axialer Richtung benachbart angeordneten Abschnitten angeordnet sind. Weist das Segment beispielsweise vier Abschnitte auf, so ergeben sich zwischen diesen vier Abschnitten drei Reluktanzöffnungen, und so weiter. Im Allgemeinen kann jedes Segment mehr als die zwei Abschnitte aufweisen, die zumindest teilweise in axialer Richtung hintereinander angeordnet sind und zueinander beabstandet sind, wodurch eine Reluktanzöffnung zwischen je zwei in axialer Richtung benachbart angeordneten Abschnitten gebildet ist, wobei jedes Segment pro Reluktanzöffnung mindestens ein Verbindungselement aufweist, das jeweils mehrere Verbindungssprossen umfasst, die die an die jeweilige Reluktanzöffnung angrenzenden zwei Abschnitte starr verbinden und die in radialer Richtung übereinander angeordnet sind, so dass zwischen den Verbindungssprossen in radialer Richtung Lücken gebildet sind. Prinzipiell weist also jedes Segment mindestens eine Reluktanzöffnung auf, vorzugsweise jedoch zwei und besonders bevorzugt auch mehr als zwei, zum Beispiel drei, vier oder fünf oder noch mehr als fünf. Pro Reluktanzöffnung kann also wiederum jeweils mindestens ein Verbindungselement vorgesehen sein, welches die angrenzenden Abschnitte miteinander verbindet, insbesondere über die bereits beschriebenen Sprossen. Dabei kann pro Reluktanzöffnung wiederum mehr als nur ein Verbindungselement vorgesehen sein, zum Beispiel auch zwei, drei oder vier. Im Folgenden werden solche Verbindungselemente hauptsächlich mit Bezug auf eine Reluktanzöffnung beschrieben. Die Verbindungselemente für weitere Reluktanzöffnungen können aber ganz analog umgesetzt sein.
Die Rotationsachse, um welche der Rotor rotierbar ist, definiert dabei im Allgemeinen eine axiale Richtung. Die oben genannte radiale Richtung steht dabei senkrecht auf der Rotationsachse und weist von dieser weg, insbesondere in alle Richtungen ausgehend von der Rotationsachse und senkrecht zur Rotationsachse. Dass also die einzelnen Verbindungssprossen in radialer Richtung übereinander angeordnet sind ist so zu verstehen, dass die Verbindungssprossen, zum Beispiel bezogen auf eine Sprossenmitte als Bezugspunkt, einen unterschiedlichen Abstand zur Rotationsachse aufweisen. Eine jeweilige Verbindungssprosse weist dabei ein erster Ende und ein gegenüberliegendes zweites Ende auf. Das erste Ende mit einem der zwei Abschnitte verbunden und das zweite Ende mit dem anderen der beiden Abschnitte, die an eine gemeinsame Reluktanzöffnung angrenzen. Dabei können sich zwei Enden zweier Verbindungssprossen an einem gleichen Abschnitt auch berühren beziehungsweise miteinander verbunden sein. Beispielsweise können die Verbindungssprossen auch zick-zack-förmig ausgehend von der Rotationsachse radial nach außen verlaufen, wie dies später näher erläutert wird. Sie können aber auch nicht an ihren Enden verbunden sein und vollständig voneinander beabstandet sein und sich ähnlich den Sprossen einer Leiter übereinander und parallel zueinander erstrecken. Grundsätzlich sind dabei der geometrischen Ausbildung der Sprossen keine Grenzen gesetzt. Ein Verbindungselement umfasst dabei mindestens zwei Verbindungssprossen, vorzugsweise jedoch mehr als zwei Verbindungssprossen, zum Beispiel drei, vier oder fünf oder noch mehr Verbindungssprossen. Die Verbindungssprossen können in ihrem Querschnitt senkrecht zu ihrer Längserstreckungsrichtung zum Beispiel rund oder eckig, zum Beispiel viereckig, insbesondere rechteckig oder quadratisch oder auch elliptisch ausgebildet sein. Auch sind hier bei den Ausgestaltungen grundsätzlich keine Grenzen gesetzt.
Da es sich um einen Rotor einer Axialflussmaschine handelt, verjüngen sich die jeweiligen Segmente der Trägerscheibe hinsichtlich ihrer Abmessung in Rotationsrichtung zunehmend mit sich verkleinerndem Abstand zur Rotationsachse. Entsprechendes gilt auch für die Ausbildung der Reluktanzöffnungen in den jeweiligen Segmenten.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist das weichmagnetische Material durch einen weichmagnetischen Verbundwerkstoff bereitgestellt. Dieser wird auch als SMC (Soft Magnetic Composite)-Material bezeichnet. Ein solcher weichmagnetischer Verbundwerkstoff kann aus puderartigen Eisenpartikeln bereitgestellt sein, die mit einem elektrisch isolierenden Material, insbesondere einem Kunststoff, allseitig ummantelt sind, d.h. in ein solches eingeschlossen sind. Ein solches weichmagnetisches Verbundmaterial kann in beliebige Formgebungen gebracht werden, zum Beispiel mittels Sintern, was die Ausbildung komplexer dreidimensionaler Strukturen innerhalb eines solchen Materials ermöglicht. Analog wie bei der Verwendung von laminierten Eisenblechen, aber in deutlich verbesserter Form verhindert oder reduziert auch ein solcher weichmagnetischer Verbundwerkstoff durch die elektrische Isolierung, die die einzelnen Eisenpartikel umgibt, Wirbelströme innerhalb des weichmagnetischen Materials. Während bei laminierten Eisenblechen solche Wirbelströme grundsätzlich nur in einer Richtung unterbunden werden können, nämlich senkrecht zu den Eisenblechen, so lassen sich durch einen solchen weichmagnetischen Verbundwerkstoff Wirbelströme in allen Richtungen isotrop unterbinden. Damit kann die Energie- und Drehmomentdichte weiter gesteigert werden, da es zu deutlich weniger Verlusten durch die Trägerscheibe kommt. Gleichzeitig ermöglicht es dies, die Trägerscheibe und die Reluktanzöffnungen grundsätzlich in beliebiger Geometrie zu realisieren, sowie auch die Verbindungselemente und insbesondere die jeweiligen Verbindungssprossen mit ihren dazwischenliegenden Lücken. Entsprechend sind hier den geometrischen Ausgestaltungen dieser Verbindungssprossen keine Grenzen gesetzt.
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind eine oder mehrere der Verbindungssprossen nicht in Rotationsrichtung ausgerichtet und vorzugsweise gegenüber der Rotationsrichtung um einen Winkel geneigt, dessen Betrag zwischen 35 Grad und 55 Grad liegt, z.B. bei ca. 45 Grad. Dieser Winkel einer Sprosse gegenüber der Rotationsrichtung kann sich wiederum auf eine Sprossenmitte als Referenzpunkt beziehen. Das Verbindungselement kann dabei auch radiale Randsprossen aufweisen, zum Beispiel eine erste radiale Randsprosse, die der Rotationsachse am nächsten ist, und eine zweite radiale Randsprosse, die von der Rotationsachse am weitesten entfernt ist. Diese Randsprossen können dabei dennoch in Rotationsrichtung ausgerichtet sein. Dabei ist es bevorzugt, dass alle übrigen Verbindungssprossen bis auf solche Randsprossen jedoch nicht in Rotationsrichtung ausgerichtet sind, das heißt nicht parallel zur Rotationsrichtung ausgerichtet sind, sondern eben bevorzugt in einem Winkel. Hierdurch lässt sich die Stabilität enorm steigern. Dies hat den Hintergrund, dass sich auf diese Weise im Betrieb, d.h. bei Rotation um die Rotationsachse, sehr gut Zentrifugalkräfte bzw. durch Zentrifugalkräfte bedingte Scherkräfte zwischen den Abschnitten über diese Sprossen aufnehmen lassen und zudem über den Winkel auch in andere Teile der Trägerscheibe, insbesondere in die Abschnitte einleiten lassen, so dass insgesamt die Beanspruchung der Trägerscheibe bei der Rotation vorteilhaft verteilt werden kann. Zudem können hierdurch die auf die Sprossen wirkenden Kräfte so gerichtet werden, dass diese nicht quer zur Sprossenachse sondern in Sprossenlängsrichtung wirken, was die Robustheit erhöht und Bruchanfälligkeit reduziert. Bei gleicher, gegebener Beanspruchung können die Sprossen damit dünner ausgebildet werden, oder es können weniger viele Sprossen vorgesehen werden, oder es können bei gleichbleibender Sprossenanzahl und Ausbildung höhere Kräfte aufgenommen werden. Mit anderen Worten ist es möglich, die festigkeitstechnischen Eigenschaften, zum Beispiel die Steifigkeit eines Axialflussmaschinenrotors zu erhöhen oder die gleichen festigkeitstechnischen Eigenschaften mit weniger Materialaufwand erstellen zu können. Im letzten Fall bedeutet das, dass Gewichts- und Massenträgheitsmomente des Rotors reduziert werden können, was mehr Reichweite für das Elektroauto bedeutet. Eine sehr gute Festigkeit mit wenig weichmagnetischem Material kann erreicht werden. Gleichzeitig kann auch der magnetische Leckagefluss reduziert werden, wodurch mehr Drehmoment bereitgestellt werden kann und auch ein besserer Wirkungsgrad möglich ist.
Wenn die Sprossen, zumindest die von den radialen Randsprossen verschiedenen Randsprossen, in einem Winkel zur Rotationsrichtung ausgerichtet sind, so ist es weiterhin bevorzugt, dass die Sprossen auch zueinander nicht parallel ausgerichtet sind. Beispielsweise können diese gegenüber der Rotationsrichtung alternierend um einen gegebenen Winkel geneigt sein, zum Beispiel abwechselnd plus 45 Grad und minus 45 Grad. Die Sprossen können also ausgehend von der Rotationsachse radial nach außen zickzackförmig verlaufen.
Daher stellt es eine weitere sehr vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn die Lücken dreiecksförmig sind. Durch den zickzackförmigen Verlauf der Sprossen ergeben sich dreiecksförmige Lücken zwischen den Sprossen. Dadurch sind sozusagen strukturelle Dreiecke bereitgestellt, die ein besonders hohes Maß an Stabilität und Bruchfestigkeit bereitstellen. Der Vorteil der strukturellen Dreieckstruktur gegenüber einer rechteckförmigen Struktur beziehungsweise Leiterstruktur ist, dass die Verbindungssprossen anteilig parallel zur Last, nämlich zur Zentrifugalkraft, gerichtet sind und dadurch die resultierende Scherkraft oder genauer formuliert die in radialer Richtung weisende Komponente davon übernehmen kann, zum Beispiel auch einhergehend mit einer teilweisen Verlängerung oder Verkürzung der Sprossen in Sprossenlängsrichtung. Dies ist vorteilhaft, weil die jeweilige Sprosse festigkeitstechnisch steifer gegen ein Drücken oder Ziehen in Längsrichtung ist als gegenüber einem Biegen quer zur Längsrichtung, was deutlich schneller zu einem Bruch führt. Somit kann durch die Verbindungselemente auf besonders effiziente Weise die Verschiebung der einzelnen Schichten, das heißt der Abschnitte der Trägerscheibe, relativ zueinander verhindert werden, und die Scherkräfte können übernommen werden. Die strukturellen Dreiecke wirken also gegen die Zentrifugalkräfte.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung liegen die Verbindungssprossen in einer Sprossenebene. Dies vereinfacht die Ausbildung. Auch die Kraftverteilung kann so effizienter erfolgen. Die Verbindungssprossen unterschiedlicher Verbindungselemente können dabei auch in unterschiedlichen Sprossenebenen liegen.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Trägerscheibe eine die Trägerscheibe bezüglich der axialen Richtung begrenzenden erste Oberfläche aufweist, wobei die Reluktanzöffnung einen ersten Randbereich und einen zweiten Randbereich aufweist und sich vom ersten zum zweiten Randbereich erstreckt, wobei der erste Randbereich und der zweite Randbereich an die erste Oberfläche angrenzen und zueinander in einem Abstand in Rotationsrichtung angeordnet sind. Bevorzugt ist es dabei, dass sich die Reluktanzöffnung vom ersten Randbereich bis zum zweiten Randbereich halbkreisförmig erstreckt. Diese geometrische Form kann auch als C-förmig bezeichnet werden. Die Reluktanzöffnung verläuft also zum Beispiel vom ersten Randbereich in einem Bogen zum zweiten Randbereich. Dies bezieht sich insbesondere auf einen Querschnitt senkrecht zur radialen Richtung, die zum Beispiel durch eine Mitte des betreffenden Segments verläuft. Sind mehrere Reluktanzöffnungen vorgesehen, so können dieser bei halbkreisförmiger Ausbildung, zumindest im beschriebenen Querschnitt betrachtet, konzentrisch zueinander ausgerichtet sein. Dies gilt im Übrigen auch für jede andere geometrische Form der Reluktanzöffnungen. Eine solche halbkreisförmige Geometrie hat sich jedoch gerade bei einer reinen Reluktanzmaschine oder bei Permanentmagneten am effizientesten erwiesen. Nichtsdestoweniger kann es auch vorgesehen sein, dass die Reluktanzöffnung zum Beispiel dreiecksförmig ausgebildet ist, so dass sich die Reluktanzöffnung ausgehend vom jeweiligen Randbereich linear und in axialer Richtung aufeinander zulaufend erstreckt. Diese Struktur ist vor allem vorteilhaft, wenn in der Reluktanzöffnung beispielsweise Permanentmagnete aufgenommen sind. Dies führt zu einer besonders kostengünstigen Ausbildung des Rotors, da dann solche Permanentmagnete beispielsweise in den linear verlaufenden Schenkeln eines solchen Dreiecks aufgenommen sein können. Dies ermöglicht es wiederum, Standortmagnete, das heißt mit einer Standortgeometrie, zum Beispiel quaderförmige Magnete, zu verwenden, die keine Krümmung aufweisen müssen. Diese lassen sich somit besonders einfach in diese Öffnungen integrieren.
Um im weiteren Verlauf zudem die Beschreibung der Reluktanzöffnungen und deren Geometrie sowie auch die Geometrie der Verbindungselemente und deren Anordnung zueinander zu vereinfachen, kann pro Segment beispielsweise auch eine radiale Mittellinie definiert werden, die ausgehend von der Rotationsachse und senkrecht zur Rotationsachse auf der ersten Oberfläche verläuft und durch die Mitte der zwei Randbereiche bezogen auf die Umfangsrichtung, das heißt die Rotationsrichtung, verläuft. Die radiale Mittellinie läuft damit durch den Kreismittelpunkt der halbkreisförmigen Reluktanzöffnungen, insbesondere sofern diese halbkreisförmig ausgebildet sind. Bei mehreren Reluktanzöffnungen sind diese konzentrisch bezüglich dieser Mittellinie ausgerichtet. In Bezug auf diese Mittellinie, die eine erste radiale Richtung definiert, können wiederum zweite radiale Richtungen definiert werden, die von dieser Mittellinie allseitig wegweisen und auf dieser Mittellinie senkrecht stehen. Vorzugsweise sind alle Sprossenebenen und auch alle weiteren noch näher beschriebenen Sprossenebenen parallel zu diesen zweiten radialen Richtungen ausgerichtet, und zudem können sich alle nicht zur ersten Oberfläche parallele Sprossenebenen in einer Schnittlinie schneiden, die diese Mittellinie darstellt.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung stellen die Verbindungssprossen einen Teil der ersten Oberfläche bereit, und die Sprossenebene ist senkrecht zur Rotationsachse ausgerichtet. Auf diese Weise sind die Sprossen sozusagen im Randbereich der Reluktanzöffnung angeordnet. Innerhalb der Reluktanzöffnung, das heißt im weiteren Verlauf zwischen den Randbereichen müssen nicht notwendigerweise ebenfalls solche Sprossen vorgesehen sein. Nichtsdestoweniger ist dies ebenso möglich.
Entsprechend stellt es eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung dar, wenn das Verbindungselement nicht Teil der ersten Oberfläche ist, die Sprossenebene nicht senkrecht zur Rotationsachse ist und die Verbindungssprossen innerhalb der Reluktanzöffnung liegen, das heißt in einem Bereich zwischen den Randbereichen der Reluktanzöffnung. Diese beiden Varianten können auch beliebig miteinander kombiniert werden. Somit stehen vielzählige vorteilhafte Ausgestaltungen zur Verfügung, die je nach gewünschter Steifigkeit oder sonstigen Eigenschaften des Rotors geeignet gewählt werden können.
Dabei kann es vorgesehen sein, dass der Rotor ausschließlich Verbindungselemente umfasst, die auf der ersten Oberfläche angeordnet sind, oder ausschließlich Verbindungselemente, die nicht auf der ersten Oberfläche, sondern innerhalb der jeweiligen Reluktanzöffnungen vorgesehen sind, oder der Rotor kann auch sowohl Verbindungselemente aufweisen, die sowohl an der ersten Oberfläche angeordnet sind als auch solche, die innerhalb der Reluktanzöffnung liegen.
Bei einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist jedes Segment mehrere des mindestens einen Verbindungselements auf, wobei zumindest zwei der mehreren Verbindungselemente in Rotationsrichtung nebeneinander und beabstandet zueinander angeordnet sind. Durch mehrere solcher Verbindungselemente kann die mechanische Stabilität deutlich gesteigert werden. Insbesondere ist es dabei vorteilhaft, wenn zwei der Verbindungselemente eine gleiche Sprossenebene aufweisen, die in der ersten Oberfläche liegt. In dem Fall grenzen diese beiden Verbindungselemente beispielsweise an die oben definierten beiden Randbereiche der Reluktanzöffnung an. Alternativ oder zusätzlich ist es vorteilhaft, wenn die Verbindungselemente innerhalb der gleichen Reluktanzöffnung angeordnet sind und die jeweiligen Sprossenebenen nicht parallel zueinander ausgerichtet sind. Insbesondere sind in diesem Fall die Sprossenebenen vorzugsweise radial in Bezug auf die oben definierte radiale Mittellinie ausgerichtet. Die Sprossenebenen weisen in Bezug auf diese radiale Mittellinie sozusagen sternförmig nach außen. Dadurch lässt sich die Stabilität maximieren. Gleichzeitig können die Verbindungselemente damit vorteilhafterweise lokal senkrecht auf den jeweiligen Abschnittswandungen der Abschnitte, die an eine gleiche Reluktanzöffnung angrenzen, angeordnet sein. Dies gilt insbesondere in einer Draufsicht auf die radiale Richtung beziehungsweise in einer Draufsicht auf die oben definierte radiale Mittellinie. Die Sprossen selbst sind jedoch bevorzugt in einem Winkel gegenüber diesen Wandungen ausgerichtet, wie oben bereits beschrieben.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind zumindest zwei der Verbindungselemente innerhalb verschiedener Reluktanzöffnungen eines gleichen Segments angeordnet, und die jeweiligen Verbindungssprossen der zumindest zwei Verbindungselemente liegen in einer gleichen Sprossenebene. Auch hierdurch lässt sich die oben genannte sternförmige Struktur der Verbindungselemente ausgehend von der oben definierten Mittellinie über mehrere Reluktanzöffnungen hinweg umsetzen, die wie beschrieben vorzugsweise konzentrisch zueinander ausgebildet sind.
Des Weiteren betrifft die Erfindung auch eine Axialflussmaschine mit einem erfindungsgemäßen Rotor oder eine seiner Ausgestaltungen. Die für den erfindungsgemäßen Rotor oder seine Ausgestaltungen beschriebenen Vorteile gelten damit in gleicher Weise für die erfindungsgemäße Axialflussmaschine. Die Axialflussmaschine kann darüber hinaus auch einen Stator aufweisen. Dieser ist dann derart in Bezug auf den Rotor angeordnet, dass die erste Oberfläche der Trägerscheibe dem Stator zugewandt ist. Darüber hinaus ist es auch möglich, dass die Axialflussmaschine zwei erfindungsgemäße Rotoren oder zwei seiner Ausgestaltungen aufweist. Der Stator kann in diesem Fall in der Mitte zwischen den beiden Rotoren angeordnet sein. Dadurch ist eine Doppel-Rotor-Einzel-Stator-Axialflussmaschine bereitgestellt. Auch in diesem Fall sind die jeweiligen ersten Oberflächen der beiden Rotoren beziehungsweise deren Trägerscheiben dem Stator zugewandt. Die Axialflussmaschine kann aber auch als Einzel-Stator-Einzel-Rotor-Axialflussmaschine ausgebildet sein, oder auch als Doppel-Stator-Einzel-Rotor-Anordnung, was jedoch weniger vorteilhaft ist, weil das Statorjoch der beiden Statoren zusätzlichen Bauraum beansprucht und durch das Eisen ein sehr hohes Gewicht aufweist. Damit lässt sich eine Einzel-Stator-Doppel-Rotor-Axialflussmaschine bauraumtechnisch und gewichtstechnisch deutlich effizienter ausgestalten. Aber auch bezüglich der Leistungsdichte und der Drehmomentdichte können hierdurch größere Werte erzielt werden.
Des Weiteren soll auch ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Axialflussmaschine oder einer ihrer Ausgestaltungen als zur Erfindung gehörend angesehen werden. Diese kann eine Antriebsvorrichtung des Kraftfahrzeugs darstellen.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen. Die Erfindung umfasst also auch Realisierungen, die jeweils eine Kombination der Merkmale mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, sofern die Ausführungsformen nicht als sich gegenseitig ausschließend beschrieben wurden.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:

1 eine schematische und perspektivische Darstellung eines Rotors für eine Axialflussmaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 eine schematische und perspektivische Darstellung eines Segments des Rotors aus 1;
3 eine schematische Darstellung des Segments aus 2 in einer Draufsicht auf die radiale Richtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
4 eine schematische und perspektivische Darstellung eines Segments für einen Rotor gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
5 eine schematische Darstellung einer Draufsicht auf das Segment aus 4;
6 eine schematische und perspektivische Darstellung eines Segments für einen Rotor gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung;
7 eine schematische Darstellung des Segments aus 6 in einer Draufsicht auf die radiale Richtung;
8 eine schematische und perspektivische Darstellung eines Rotors, der sich aus Segmenten gemäß 6 zusammensetzt, gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
9 eine schematische Darstellung des Funktionsprinzips der zickzackförmig verlaufenden Verbindungssprossen;
10 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines weichmagnetischen Verbundwerkstoffs zur Verwendung für einen Rotor gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
11 eine weitere schematische Darstellung eines weichmagnetischen Verbundwerkstoffs zur Verwendung für einen Rotor gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Rotors 10 für eine Axialflussmaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Rotor weist dabei eine Trägerscheibe 12 aus einem weichmagnetischen Material auf. Das weichmagnetische Material 12 ist dabei aus einem weichmagnetischen Verbundwerkstoff gebildet, welches später im Zusammenhang mit 10 und 11 erläutert wird. Ein solcher weichmagnetischer Verbundwerkstoff ermöglicht dabei eine Ausgestaltung des Rotors 12 mit beliebig komplexen Geometrien und damit auch ein Ausgießen der nachfolgend beschriebenen „strukturellen Dreiecke“, die einzelne Schichten des Rotorblechpakets zusammenhalten. Der Rotor 10 ist dabei zunächst um eine Rotationsachse A, die eine axiale Richtung a definiert, in einer Rotationsrichtung U, die auch als Umfangsrichtung U bezeichnet werden kann, rotierbar. Diese Rotationsrichtung U ist damit auch senkrecht zur Rotationsachse A. Weiterhin kann eine radiale Richtung R senkrecht zur Rotationsachse A definiert sein und ausgehend von der Rotationsachse A nach außen weisen. Die Trägerscheibe 12 gliedert sich weiterhin in Rotationsrichtung U in mehrere Segmente 12a, im vorliegenden Beispiel zehn Segmente 12a, deren Gliederung in 1 schematisch durch gestrichelte Linien veranschaulicht ist. Diese Segmente 12a können alle identisch zueinander ausgebildet sein, weshalb sich die weitere Beschreibung im Wesentlichen auf einen dieser Segmente 12a beschränkt. Die übrigen Segmente 12a können entsprechend ganz analog ausgebildet sein. Weiterhin ist die Trägerscheibe 12 in axialer Richtung a durch eine erste Oberfläche 12b begrenzt und entgegen der axialen Richtung a durch eine gemäß der Darstellung in 1 rückseitige zweite Oberfläche 12c. Die rückseitige Oberfläche 12c kann zum Beispiel eben ausgebildet sein. Die erste Oberfläche 12b weist in einem jeweiligen Segment 12a eine zentrale in radialer Richtung R verlaufende Aussparung 14 auf. Das Zentrum dieser Aussparung 14 kann zudem eine radiale Mittellinie M eines Segments 12a definieren, wobei aus Gründen der Übersichtlichkeit in 1 exemplarisch nur einige dieser radialen Mittellinien illustriert sind. Jede dieser radialen Mittellinien M weist in radialer Richtung R und steht zudem senkrecht auf der Rotationsachse A.
Ein Segment 12a dieses Rotors 10 ist im Detail in einer perspektivischen Darstellung in 2 nochmals separat dargestellt. Dieses Segment 12a weist in axialer Richtung mehrere Abschnitte 16 auf. In diesem Beispiel umfasst ein jeweiliges Segment 12a drei Abschnitte 16. Diese sind zueinander beabstandet, so dass zwischen je zwei zueinander benachbart angeordneten Abschnitten 16 eine Reluktanzöffnung 18 gebildet ist. Im vorliegenden Beispiel umfasst jedes Segment 12a zwei Reluktanzöffnungen 18. Auch die oben beschriebene zentrale Aussparung 14 kann als Reluktanzöffnung fungieren, wird jedoch im weiteren Verlauf nicht näher betrachtet. Da solche Reluktanzöffnungen 18 die einzelnen Abschnitte 16 der Trägerscheibe 12 grundsätzlich in nicht zusammenhängende Einzelteile gliedern, ist es erforderlich, eine entsprechende Verbindung zwischen diesen Abschnitten 16 vorzusehen, um ein Auseinanderfallen und eine Relativverschiebung dieser einzelnen Abschnitte 16 zu verhindern. Dies wird im vorliegenden Beispiel auf besonders vorteilhafte Weise durch das Vorsehen von Verbindungselementen 20 erreicht. Im vorliegenden Beispiel sind pro Reluktanzöffnung 18 dabei zwei solcher Verbindungselemente 20 vorgesehen. Ein jeweiliges Verbindungselement 20 umfasst dabei mehrere Verbindungssprossen 22, von denen aus Gründen der Übersichtlichkeit in 2 ebenfalls nur einige mit einem Bezugszeichen versehen sind. Eine jeweilige Verbindungssprosse 22 verbindet dabei zwei an eine gleiche Reluktanzöffnung 18 angrenzende Abschnitte 16 der Trägerscheibe 12. Zudem sind die jeweiligen Verbindungssprossen 22 eines gleichen Verbindungselements 20 dabei in radialer Richtung R übereinander angeordnet, so dass zwischen den Verbindungssprossen 22 in radialer Richtung R Lücken 24 gebildet sind. Diese sind vorzugsweise dreiecksförmig ausgestaltet, wie in 2 dargestellt. Dadurch verlaufen die einzelnen Sprossen 22 ausgehend von der Rotationsachse A zickzackförmig in radialer Richtung R. Entsprechend sind die einzelnen Sprossen 22 nicht parallel zur Umfangsrichtung ausgerichtet, insbesondere bis auf radiale Randsprossen 22a, und schließen damit einen Winkel mit der Umfangsrichtung U ein, der ca. 45 Grad betragen kann. Anders ausgedrückt, können die Sprossen 22 auf einer jeweiligen der betreffenden Reluktanzöffnung 18 zugewandten Abschnittswand in einem von 90 Grad verschiedenen Winkel angeordnet sein, der ebenfalls ca. 45 Grad betragen kann. Der Betrag dieses Winkels ist in 2 mit a bezeichnet und exemplarisch für zwei Sprossen 22 illustriert. Dieser Winkel a muss nicht notwendigerweise genau 45 Grad betragen, sondern kann vorzugsweise zwischen zum Beispiel 35 Grad und 55 Grad liegen.
Diese Art der Verbindung der einzelnen Abschnitte 16 hat dabei zahlreiche Vorteile. Insbesondere ist diese Verbindung, das heißt die Verbindungselemente 20, mit Lücken 24 ausgestaltet. Durch diese Materialausnehmungen kann insgesamt Gewicht gespart werden. Der große Vorteil dieser Lücken 24 besteht jedoch gerade darin, dass sich die magnetischen Feldlinien hier nicht fortpflanzen können, wodurch die magnetischen Verluste deutlich reduziert werden können, insbesondere gegenüber geschlossen ausgestalteten Stegen zur Verbindung solcher Abschnitte. Gleichzeitig lässt sich durch die vorgesehenen Sprossen 22 ein extrem hohes Maß an Stabilität bereitstellen. Gerade durch den zickzackförmigen Verlauf, der die Bereitstellung struktureller Dreiecke ermöglicht, wird ein besonders hohes Maß an Stabilität bereitgestellt. Dadurch kann die Verschiebung der einzelnen Schichten, das heißt der Abschnitte 16, relativ zueinander auf besonders effiziente Weise verhindert werden, und die Scherkräfte können ebenfalls übernommen werden. Dabei wirken auf die einzelnen Schichten 16 insbesondere Zentrifugalkräfte bei Rotation des Rotors 10. Die auf die einzelnen Schichten beziehungsweise Abschnitte 16 wirkenden Kräfte sind exemplarisch in 2 dargestellt und mit F1 und F2 bezeichnet. Die auf den innenliegenden Abschnitt bezüglich der Mittellinie M wirkende Kraft F1 ist dabei kleiner als die Zentrifugalkraft F2, die auf einen der äußeren Abschnitte 16 bezüglich der Mittellinie M wirkt. Dies ist durch die größere Masse der äußeren Abschnitte 16 bedingt. Entsprechend wirken zwischen den beiden benachbarten Schichten 16 Scherkräfte. Diese können durch die schräg verlaufenden Sprossen 22 sehr gut aufgenommen werden und auf die Abschnitte 16 selbst eingeleitet werden. Zur besseren Veranschaulichung ist dieses Prinzip nochmal schematisch in 9 dargestellt.
9 zeigt dabei das Funktionsprinzip der Geometrie der Sprossen 22. Im linken Beispiel stehen die Sprossen 22 senkrecht auf den Wandungen der jeweiligen Abschnitte 16. Im rechten Beispiel sind die Sprossen 22 in einem Winkel α, der von 90 Grad verschieden ist, gegenüber den Wandungen 16a der Abschnitte 16, die einer gleichen gemeinsamen Reluktanzöffnung 18 zugewandt sind, angeordnet. Auch die zu 2 beschriebenen Zentrifugalkräfte F1, F2 sind in den linken und rechten Darstellungen jeweils eingezeichnet. Diese können gemäß der rechten Anordnung der Sprossen 22 im Winkel α besonders vorteilhaft in Längsrichtung der einzelnen Sprossen 22 in diese eingeleitet werden. Die auf eine jeweilige Sprosse 22 wirkende Kraft ist dabei mit F bzw. F.' bezeichnet. Diese jeweiligen Kräfte F, F' lassen sich wiederum in einen parallelen und senkrechten Anteil gliedern, die hier vorliegend durch F||, F^⊥, F'|| und F'^⊥ bezeichnet sind. Der große Vorteil dieser strukturellen Dreiecke besteht also darin, dass die auf die Sprossen 22 wirkenden Kräfte F, F` hauptsächlich in Sprossenlängsrichtung wirken und nicht quer zur Sprossenlängsrichtung wie im links dargestellten Fall. Im links dargestellten Fall führt dies nämlich deutlich früher zu Bruchstellen 26 als im rechten Fall bei gleicher Beanspruchung. Dies ist dadurch begründet, dass die im rechten Fall wirkenden Kräfte F, F' zu einem Auseinanderziehen oder Stauchen der jeweiligen Sprossen 22 in deren Längsrichtung führen, was entweder zu einer Verkürzung 28 oder zu einer Verlängerung 30 der Sprossen 22 führt, wie dies in der rechten Darstellung für zwei Sprossen 22 in Einzeldarstellung veranschaulicht ist. In Sprossenlängsrichtung 22 können solche stauchenden oder ziehenden Kräfte viel einfacher aufgenommen werden, ohne zu einer Beschädigung der Sprossen 22 zu führen als im linken Fall. Dort würden solche Kräfte zu einer Biegebeanspruchung der Sprossen 22 und dann zu einem deutlich frühzeitigeren Bruch 26 führen.
Daher ist es bevorzugt, dass die Sprossen 22 der jeweiligen Verbindungselemente 20 nicht parallel zur Umfangsrichtung U und auch nicht parallel zueinander verlaufen, insbesondere bis auf die bereits beschriebenen Randsprossen 22a, sondern vielmehr dreieckige Lücken 24 miteinander einschließen, wie in 2 dargestellt. Nichtsdestoweniger wären leiterförmige Sprossen, deren Prinzip in 9 links dargestellt ist, ebenso denkbar. Auch durch ein solches leiterförmiges Konzept lassen sich gegenüber bisher aus dem Stand der Technik bekannten Umsetzungen der Verbindung einzelner Schichten der Trägerscheibe dennoch große Vorteile erzielen.
3 zeigt dabei nochmal eine schematische Darstellung des Segments 12a aus 2 in einer Draufsicht auf die radiale Richtung R. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel sind die Verbindungselemente 20 lediglich in einem Randbereich 30a, 30b der Reluktanzöffnungen 18 angeordnet. Mit anderen Worten kann eine jeweilige Reluktanzöffnung 18 einen ersten Randbereich 30a und einen zweiten Randbereich 30b aufweisen, die beide angrenzend an die erste Seite 12b der Trägerscheibe 12 angeordnet sind. Eine jeweilige Reluktanzöffnung 18 erstreckt sich dabei in diesem Beispiel halbkreisförmig beziehungsweise C-förmig vom ersten Randbereich 30a zum zweiten Randbereich 30b. Innerhalb der Reluktanzöffnungen 18 sind damit keine Verbindungselemente 20 angeordnet.
4 zeigt ein Beispiel für ein Segment 12a eines Rotors 12, gemäß welchem die Verbindungselemente 20 innerhalb der jeweiligen Reluktanzöffnungen 18 angeordnet sind und nicht im Randbereich 30a, 30b der jeweiligen Reluktanzöffnungen 18. Ansonsten kann das Segment 12a wie zuvor beschrieben ausgebildet sein und insbesondere die Verbindungselemente 20 selbst. Weiterhin verlaufen die Verbindungssprossen 22 eines gleichen Verbindungselements 20 in einer Ebene. Während im vorhergehenden Beispiel diese Sprossenebene E1 (vergleiche 3) mit der Ebene der ersten Oberfläche 12b zusammenfällt beziehungsweise parallel und deckungsgleich zu dieser ausgerichtet ist, so verlaufen die entsprechenden Sprossenebenen E2 der Verbindungselemente 20 gemäß dem Beispiel der 4 nicht parallel zur ersten Oberfläche 12b. Vielmehr sind diese radial nach außen in Bezug auf die Mittellinie M orientiert. Dabei können Verbindungselemente 20, die in unterschiedlichen Reluktanzöffnungen 18 angeordnet sind, in einer gleichen solchen Sprossenebene E2 liegen. Die Sprossenebenen E2 von Verbindungselementen 20 innerhalb der gleichen Reluktanzöffnung 18 sind jedoch nicht parallel zueinander ausgerichtet, sondern schneiden sich vielmehr in einer Schnittlinie, die die Mittellinie M darstellt. Dies ist nochmal schematisch in 5 in einer Draufsicht auf die radiale Richtung dargestellt beziehungsweise in einem Querschnitt senkrecht zu dieser Mittellinie M.
Die zuvor beschriebenen Beispiele können auch miteinander kombiniert werden, wie dies in 6 veranschaulicht ist. 6 zeigt dabei eine schematische und perspektivische Darstellung eines weiteren Beispiels für ein Segment 12a. Dieses Segment 12a ist in einer Draufsicht auf die radiale Richtung noch einmal schematisch in 7 dargestellt, und der sich aus solchen Segmenten 12a zusammensetzende Rotor 10 ist schematisch und perspektivisch in 8 dargestellt.
Im Übrigen können in den Freibereichen der Reluktanzöffnungen 18, das heißt in den Bereichen, in denen keine Sprossen 22 angeordnet sind, auch Permanentmagnete angeordnet sein. Zudem ist es möglich, dass diese Reluktanzöffnungen 18, einschließlich der Aussparung 14, mit einem Kunststoff ausgegossen sind. Dies hat gleich mehrere große Vorteile. Zum einen wird hierdurch die Stabilität zusätzlich erhöht. Gleichzeitig kann dies, falls auch Magnete vorgesehen werden sollen, zur Magnetfixierung beitragen. Außerdem erhöhen solche Kunststoffausgüsse deren Kavitäten, insbesondere aller vorgesehenen Kavitäten, in der Trägerscheibe, zum Beispiel falls diese noch weitere Aussparungen aufweist, die keine Reluktanzöffnungen darstellen, die mechanische Stabilität der Trägerscheibe 12. Durch die Verwendung von Kunststoff lässt sich zudem auf gewichtssparende Weise ermöglichen. Außerdem kann ein Kunststoff verwendet werden, der eine gute thermische Leitfähigkeit aufweist, zum Beispiel im Bereich von 1 W/(mK). Wünschenswert ist zudem ein Kunststoff mit einer Temperaturbeständigkeit von mehr als 140°C. Zum Beispiel können Thermoplasten als Kunststoffe verwendet werden. Die Wärmeleitfähigkeiten können sich dabei auch quer und links zur Fließrichtung unterscheiden. Sind diese Kavitäten ausgegossen, so ist die Rotorfläche in axialer Richtung nach außen hin eben und weiß entsprechend keine Vertiefungen auf.
Wie bereits erwähnt, ist es bevorzugt, dass die Trägerscheibe 12 aus einem weichmagnetischen Verbundwerkstoff 40 ausgebildet ist, der schematisch in 10 und 11 dargestellt ist. Ein solcher weichmagnetischer Verbundwerkstoff 40 umfasst dabei puderförmige Eisenpartikel 42. Wie in 10 dargestellt, sind diese Eisenpartikel 42 dabei von einer elektrisch isolierenden Beschichtung 44 vollständig umgeben. Gemäß 11 sind die Eisenpartikel 42 in eine solche elektrisch isolierende Matrix 44 eingebettet. Durch Sintern lässt sich aus einem solchen weichmagnetischen Verbundwerkstoff 40 grundsätzlich jede beliebige komplexe dreidimensionale Geometrie formen. Entsprechend ist ein solcher weichmagnetischer Verbundwerkstoff 40 besonders geeignet zur Ausbildung einer Trägerscheibe 12 für einen erfindungsgemäßen Rotor 10 oder eine seiner Ausgestaltungen. Auch für den Stator kann dieses Material als Träger für die Spulenwicklungen verwendet werden. Wie in 11 dargestellt, hat dieser Verbundwerkstoff 40 den Effekt, dass dieser Wirbelströme 46 effektiv verhindern kann, was durch die elektrisch isolierende Matrix 44 beziehungsweise die elektrisch isolierende Umhüllung 44 um die Eisenpartikel 42 erreicht wird. Im Gegensatz zu laminierten Eisenblechen ist diese wirbelstromunterdrückende Wirkung im Falle eines solchen Verbundwerkstoffs 40 isotrop. Durch diesen Verbundwerkstoff 40 lassen sich die speziellen dreidimensionalen Rotorformen des Rotors 24 auf besonders einfache, kostengünstige und effiziente Weise herstellen, wie dies mit konventionellen, laminierten Elektroblechen nur sehr schwierig oder in aufwendiger Weise möglich wäre.
Ein solcher Verbundwerkstoff 40 hat also folgende Eigenschaften: Er ist magnetisch leitend, besteht aus zwei oder mehr Materialien, nämlich aus einem weichmagnetischen Material, insbesondere Metallpulver, und einem Verbundmaterial wie Kunststoff. Ein solcher Verbundwerkstoff 40 stellt einen Kompositwerkstoff dar. Metallpufferpartikel sind im Verbundmaterial eingebettet, wobei zwei nebeneinander liegende Metallpulverpartikel 42 sich nicht berühren und daher keine metallische, elektrisch leitende Schnittstelle haben. Entsprechend gibt es keinen Elektronenverkehr zwischen zwei nebeneinander liegenden Metallpufferpartikeln 42 und entsprechend auch keine oder lediglich geringe Wirbelströme 46 und daher sehr geringe Eisenverluste. Durch die geringen Eisenverluste ist es sehr vorteilhaft, diesen Verbundwerkstoff 40 in Elektromotoren als Stator- oder Rotormaterial oder beides zu verwenden.
Insgesamt zeigen die Beispiele, wie durch die Erfindung eine selbsttragende Struktur eines Axialflussmaschinenrotors aus einem weichmagnetischen Verbundwerkstoff bereitgestellt werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2018153738 A1 [0003]

Claims

Rotor (10) für eine Axialflussmaschine, - wobei der Rotor (10) um eine Rotationsachse (A) in einer Rotationsrichtung (U) rotierbar ist; - wobei der Rotor (10) eine Trägerscheibe (12) aus einem weichmagnetischen Material (40) aufweist, die in Rotationsrichtung (U) in mehrere Segmente (12a) eingeteilt ist, - wobei jedes Segment (12a) mindestens zwei Abschnitte (16) aufweist, die zumindest teilweise in axialer Richtung (a) hintereinander angeordnet sind und zueinander beabstandet sind, wodurch zwischen den zwei Abschnitten (16) und an die zwei Abschnitte (16) angrenzend eine Reluktanzöffnung (18) gebildet ist, die die Trägerscheibe (12) in radialer Richtung (R) vollständig durchdringt; dadurch gekennzeichnet, dass jedes Segment (12a) mindestens ein Verbindungselement (20) aufweist, das mehrere Verbindungssprossen (22) umfasst, die die zwei Abschnitte (16) starr verbinden und die in radialer Richtung (R) übereinander angeordnet sind, so dass zwischen den Verbindungssprossen (22) in radialer Richtung (R) Lücken (24) gebildet sind.
Rotor (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das weichmagnetische Material (40) durch einen weichmagnetischen Verbundwerkstoff (40) bereitgestellt ist.
Rotor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere der Verbindungssprossen (22), insbesondere alle bis auf radiale Randsprossen (22, 22a), nicht in Rotationsrichtung (U) ausgerichtet sind und vorzugsweise gegenüber der Rotationsrichtung (U) um einen Winkel (α) geneigt sind, dessen Betrag zwischen 35 Grad und 55 Grad liegt, z.B. 45 Grad.
Rotor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungssprossen (22) in einer Sprossenebene (E1, E2) liegen.
Rotor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lücken (24) dreiecksförmig sind.
Rotor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerscheibe (12) eine die Trägerscheibe (12) bezüglich der axialen Richtung (a) begrenzenden erste Oberfläche (12b) aufweist, wobei die Reluktanzöffnung (18) einen ersten Randbereich (30a) und einen zweiten Randbereich (30b) aufweist und sich vom ersten zum zweiten Randbereich (30a, 30b) erstreckt, wobei der erste Randbereich (30a) und der zweite Randbereich (30b) an die erste Oberfläche (12b) angrenzen und zueinander in einem Abstand in Rotationsrichtung (U) angeordnet sind, insbesondere - wobei sich die Reluktanzöffnung (18) vom ersten Randbereich (30a) bis zum zweiten Randbereich (30b) halbkreisförmig erstreckt; oder - wobei die Reluktanzöffnung (18) dreiecksförmig ausgebildet ist, so dass sich die Reluktanzöffnung (18) ausgehend vom jeweiligen Randbereich (30a, 30b) linear in oder entgegen axialer Richtung (a) aufeinander zulaufend erstreckt.
Rotor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungssprossen (22) einen Teil der ersten Oberfläche (12b) bereitstellen und die Sprossenebene (E1) senkrecht zur Rotationsachse (A) ausgerichtet ist.
Rotor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (20) nicht Teil der ersten Oberfläche (12b) ist, die Sprossenebene (E2) nicht senkrecht zur Rotationsachse (A) ist, und die Verbindungssprossen (22) innerhalb der Reluktanzöffnung (18) liegen.
Rotor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Segment (12a) mehrere des mindestens einen Verbindungselements (20) aufweist, wobei zumindest zwei der mehreren Verbindungselemente (20) in Rotationsrichtung (U) nebeneinander und beabstandet zueinander angeordnet sind, insbesondere - wobei zwei der Verbindungselement (20) eine gleiche Sprossenebene (E1) aufweisen, die in der ersten Oberfläche (12b) liegt; und/oder - wobei die Verbindungselemente (20) innerhalb der gleichen Reluktanzöffnung (18) angeordnet sind und die jeweiligen Sprossenebenen (E2) nicht parallel zueinander ausgerichtet sind; und/oder - wobei zumindest zwei der Verbindungselemente (20) innerhalb verschiedener Reluktanzöffnungen (18) angeordnet sind und die jeweilige Verbindungssprossen (22) der zumindest zwei Verbindungselemente (20) in einer gleichen Sprossenebene (E2) liegen.
Axialflussmaschine mit einem Rotor (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.