DE102022101972B3

DE102022101972B3 - Rotoranordnung für eine elektrische Axialflussmaschine und elektrische Axialflussmaschine

Info

Publication number: DE102022101972B3
Application number: DE102022101972.1A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Kaiser; Olaf Werner; Fabian Benesch; Christoph Raber; René Daikeler; Shen Ding
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2022-01-28
Filing date: 2022-01-28
Publication date: 2023-07-06
Anticipated expiration: 2042-01-29
Also published as: WO2023143669A1

Abstract

Es wird eine Rotoranordnung für eine elektrische Axialflussmaschine, bestehend aus mehreren Komponenten, offenbart. Zwischen wenigstens zwei der Komponenten ist wenigstens ein mit einem Dämpfungsfluid gefülltes Volumen ausgebildet. Das Dämpfungsfluid ist infolge einer aus einer elastischen Schwingung wenigstens einer das Volumen begrenzenden Komponente resultierenden Geometrieänderung des Volumens zur Schwingungsdämpfung verlagerbar. Eine erste Komponente der Rotoranordnung ist eine Rotorwelle. Eine zweite Komponente der Rotoranordnung ist ein scheibenförmiger Rotor der elektrischen Axialflussmaschine. Der scheibenförmige Rotor ist mittelbar oder unmittelbar an der Rotorwelle befestigt. Das Volumen ist zwischen der Rotorwelle und dem scheibenförmigen Rotor und/oder zwischen der Rotorwelle und einer an dem scheibenförmigen Rotor befestigten dritten Komponente der Rotoranordnung ausgebildet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Rotoranordnung für eine elektrische Axialflussmaschine, bestehend aus mehreren Komponenten. Zudem betrifft die vorliegende Erfindung eine elektrische Axialflussmaschine.
Rotierende elektrische Maschinen, die sowohl als Generator als auch als Elektromotor betreibbar sind, sind seit langem bekannt. Sie dienen dazu, elektrische Energie in kinetische Energie umzuwandeln und/oder umgekehrt. Eine solche elektrische Maschine umfasst einen feststehenden Stator sowie einen rotierbar gelagerten Rotor, die jeweils Elektro- bzw. Permanentmagneten tragen. Das Funktionskonzept einer als Elektromotor betriebenen elektrischen Maschine beruht darauf, dass mittels eines elektrischen Stroms erzeugte Magnetfelder mit den Magnetfeldern von Elektro- oder Permanentmagneten derart interagieren, dass der Rotor in Rotation versetzt wird. Das Funktionskonzept einer als Generator betriebenen elektrischen Maschine beruht darauf, dass eine durch die Rotation des Rotors bewirkte Änderung des Magnetfeldes einen elektrischen Strom induziert.
Ein Anwendungsgebiet von elektrischen Maschinen, das zunehmend an Bedeutung gewinnt, ist die Verwendung bei Kraftfahrzeugen, etwa bei Hybrid- oder reinen Elektrofahrzeugen. Die elektrische Maschine ist hierbei ein Teil eines Antriebsstrangs des Kraftfahrzeugs und dient dazu, die in einem elektrischen Energiespeicher des Kraftfahrzeugs gespeicherte elektrische Energie für den Vortrieb des Kraftfahrzeugs nutzbar zu machen, indem sie ein Antriebsmoment in den Antriebsstrang einleitet. Die elektrische Maschine wird in diesem Fall als Elektromotor genutzt. Denkbar ist zudem, dass das Kraftfahrzeug in einem Rekuperationsbetrieb betrieben wird, in dem die elektrische Maschine als Generator fungiert und kinetische Energie des Kraftfahrzeugs in elektrische Energie umwandelt wird, die etwa zum Aufladen des elektrischen Energiespeichers nutzbar ist.
Ein bei, insbesondere in Kraftfahrzeugen genutzten, elektrischen Maschinen häufig auftretendes Problem sind unerwünschte Vibrationen respektive Schwingungen von Komponenten der elektrischen Maschine. So können Komponenten der elektrischen Maschine, insbesondere der Rotoranordnung und/oder der Statoranordnung, aufgrund der oben beschriebenen Interaktion der Magnetfelder sowie der dynamischen Vorgänge in Vibration versetzt werden, wobei die sich typischerweise im kHz-Bereich bewegenden Schwingungsfrequenzen typischerweise die Eigenfrequenzen oder höhere Moden der Komponenten sind. Diese Vibrationen sind nicht nur aus energetischer Sicht problematisch, sondern sind auch häufig fahrzeuginsassenseitig haptisch und/oder akustisch wahrnehmbar. Dies ist nachteilig.
Aus der Druckschrift US 2010 / 0 225 121 A1 ist eine Rotoranordnung für eine elektrische Maschine bekannt, bestehend aus mehreren Komponenten, wobei zwischen wenigstens zwei der Komponenten wenigstens ein mit einem Dämpfungsfluid gefülltes Volumen ausgebildet ist, das Dämpfungsfluid infolge einer aus einer elastischen Schwingung wenigstens einer das Volumen begrenzenden Komponente resultierenden Geometrieänderung des Volumens zur Schwingungsdämpfung verlagerbar ist, und die erste Komponente der Rotoranordnung eine Rotorwelle ist.
Aus der JP 2012-219 852 A ist eine Rotoranordnung für eine elektrische Maschine bekannt, bestehend aus mehreren Komponenten, wobei zwischen wenigstens zwei der Komponenten wenigstens ein mit einem Dämpfungsfluid gefülltes Volumen ausgebildet ist, und das Dämpfungsfluid infolge einer aus einer elastischen Schwingung wenigstens einer das Volumen begrenzenden Komponente resultierenden Geometrieänderung des Volumens zur Schwingungsdämpfung verlagerbar ist.
Aus der DE 10 2008 053 632 B3 ist eine Baugruppe bekannt, bestehend aus mehreren Komponenten, wobei zwischen wenigstens zwei der Komponenten wenigstens ein mit einem Dämpfungsfluid gefülltes Volumen ausgebildet ist, und das Dämpfungsfluid infolge einer aus einer elastischen Schwingung wenigstens einer das Volumen begrenzenden Komponente resultierenden Geometrieänderung des Volumens zur Schwingungsdämpfung verlagerbar ist.
Aus der DE 198 39 471 A1 ist eine biegeelastische Kupplung zum Ausgleich von winkeligen und axialen Verlagerungen zwischen zwei Wellen bekannt.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein hinsichtlich dieser Problematik verbessertes Konzept im Zusammenhang mit einer elektrischen Maschine zu realisieren.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei der Rotoranordnung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass zwischen wenigstens zwei der Komponenten wenigstens ein mit einem Dämpfungsfluid gefülltes Volumen ausgebildet ist, wobei das Dämpfungsfluid infolge einer aus einer elastischen Schwingung wenigstens einer das Volumen begrenzenden Komponente resultierenden Geometrieänderung des Volumens zur Schwingungsdämpfung verlagerbar ist.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die in der vibrierenden Komponente der elektrischen Maschine vorhandene Schwingungsenergie durch die Verlagerung des Dämpfungsfluids abgeführt und reduziert wird, wodurch letztlich eine Dämpfung der Vibration erfolgt. Insbesondere aufgrund der Viskosität des Dämpfungsfluids ist zur Verlagerung desselben Energie erforderlich, die der vorliegenden Schwingung entzogen und dissipiert wird.
Bei der vorliegenden Erfindung begrenzt die Komponente das Volumen. Das heißt, dass das mit dem Dämpfungsfluid gefüllte Volumen mehrere Wandungen aufweist, wobei wenigstens eine dieser Wandungen von der Komponente gebildet wird. Aufgrund der Vibration dieser Komponente verändert diese Wandung bezüglich wenigstens einer der übrigen Wandungen des Volumens ihre Position. Diese Positionsveränderung bewirkt die Verlagerung bzw. Bewegung des Dämpfungsfluids. Das im Rahmen der vorliegenden Erfindung realisierte Dämpfungskonzept kann auch als Quetschöldämpfung bezeichnet werden.
Die Geometrieänderung des Volumens erfolgt bevorzugt unter gleichbleibendem Rauminhalt des Volumens, so dass das näherungsweise inkompressible Dämpfungsfluid lediglich seine geometrische Form entsprechend der Änderung des Volumens ändert. Das Volumen kann in dieser Ausführungsform als geschlossenes Volumen bezeichnet werden. Um sicherzustellen, dass der gesamte Rauminhalt des Volumens trotz der Bewegung der Wandung gleichbleibt, kann das Volumen einen Volumenausgleichsabschnitt umfassen. Dieser kann als eine Vertiefung, insbesondere Sackbohrung, in wenigstens einer der das Volumen begrenzenden Wandungen vorgesehen sein, wobei am Boden der Vertiefung ein die Vertiefung fluiddicht abdichtender und zum Boden hin beweglicher Druckstempel angeordnet ist, der über eine Druckfeder mit dem Boden gekoppelt ist. Eine Änderung des Rauminhaltes, die ohne dem Volumenausgleichsabschnitt erfolgend würde, wird mittels der Bewegung des Druckstempels kompensiert. Bezüglich des Volumenausgleichsabschnitts sind zudem alternative Optionen denkbar, nämlich dass anstelle der Druckfeder ein Gaspolster oder ein anderes kompressibles Element vorgesehen ist. Denkbar sind zudem Ausführungen ohne Druckstempel, bei denen beispielsweise lediglich ein, insbesondere ein Stickstoffpolster ausbildendes, Ausgleichsgas vorgesehen ist, wobei zwischen dem Dämpfungsfluid und dem Ausgleichsgas keine weitere Komponente wie der Druckstempel angeordnet ist. Eine weitere denkbare Option zur Realisierung des Volumenausgleichs ist mittels des Prinzips einer Emulsionsdämpfung gegeben.
Das Volumen kann alternativ ein offenes Volumen sein. Das heißt, dass dem Volumen das Dämpfungsfluid aus einem Dämpfungsfluidreservoir und über einen Dämpfungsfluidzuführkanal zugeführt wird. Das Volumen kann auch dahingehend offen sein, so dass das Dämpfungsfluid von dem Volumen in einen von einem Gehäuse der elektrischen Maschine begrenzten Innenraum austreten kann. Das Dämpfungsfluid dient in dieser Ausführungsform ferner als ein Schmier- und/oder Kühlmittel für die Stator- und Rotoranordnung. Das Dämpfungsfluid kann hierbei zirkulieren. So kann dieses von dem Dämpfungsfluidreservoir über den Dämpfungsfluidzuführkanal zum Volumen gefördert und anschließend weiter in den Innenraum gefördert werden, wo es sich in einen Dämpfungsfluidsammelabschnitt der elektrischen Maschine aufgrund der Schwerkraft sammeln kann. Der Dämpfungsfluidsammelabschnitt kann das Dämpfungsfluidreservoir sein. Das Dämpfungsfluid kann von dem Dämpfungsfluidsammelabschnitt zum Dämpfungsfluidreservoir weiter gefördert werden. Zum Fördern des Dämpfungsfluids kann eine Fluidpumpe vorgesehen sein, die etwa zwischen dem Dämpfungsfluidsammelabschnitt und dem Dämpfungsfluidreservoir oder zwischen dem Dämpfungsfluidsammelabschnitt und dem Dämpfungsfluidzuführkanal angeordnet ist.
Das Dämpfungsfluid kann eine Flüssigkeit wie etwa ein Öl sein, und kann mit Druck beaufschlagt sein. Alternativ kann im Dämpfungsfluid Umgebungs- bzw. Atmosphärendruck herrschen.
Bei der erfindungsgemäßen Rotoranordnung kann vorgesehen sein, dass das Volumen ein, insbesondere flächiger, Spalt ist oder einen solchen umfasst. In dieser Ausführungsform bewirkt die Vibration der Komponente eine Änderung einer Breite des Spalts derart, dass das innerhalb des Spalts angeordnete Dämpfungsfluid verlagert wird. Hinsichtlich der Auslegung des Spaltmaßes, also der Breite des Spaltes, ist einerseits maßgeblich, dass bei einem zu breiten Spalt zu wenig Schwingungsenergie dissipiert wird. Andererseits ergibt sich bei einem äußerst engen Spalt der Effekt, dass die Relativbewegung zwischen den den Spalt begrenzenden Flächen verringert wird. Näherungsweise sind in diesem Fall diese Flächen starr miteinander verbunden, so dass die Energiedissipation für eine Schwingungsdämpfung unzureichend wäre. Insgesamt muss das Spaltmaß folglich derart gewählt werden, dass diese beiden Effekte ausbleiben oder zumindest nur sehr gering auftreten. Für die Spaltbreite bzw. das Spaltmaß kommen beispielsweise Werte zwischen 0,1 mm und 0,3 mm in Betracht.
Der Spalt kann mittels ineinander eingreifender Vorsprünge der Komponenten, deren Wandungen den jeweiligen Spalt begrenzen, mäander- bzw. labyrinthartig ausgebildet sein. So wird der Spalt aufgrund der geometrischen Form der Vorsprünge verlängert, so dass bei der Änderung der Spaltbreite mehr Dämpfungsfluid verlagert und mithin der Dämpfungseffekt verstärkt wird.
Zusätzlich oder alternativ kann bei der erfindungsgemäßen Rotoranordnung vorgesehen sein, dass das Volumen eine Kammer ist oder eine solche umfasst. Eine Änderung der Geometrie der Kammer und mithin eine Dämpfungswirkung einer etwaigen Vibration bzw. Schwingung kann über nachgiebige bzw. elastische Dichtungen, die die Kammer abdichten, ermöglicht werden.
Die erfindungsgemäße Rotoranordnung ist eine Rotoranordnung einer elektrischen Axialflussmaschine. Hierbei ist eine erste Komponente der Rotoranordnung eine Rotorwelle und eine zweite Komponente der Rotoranordnung ein scheibenförmiger Rotor der Axialflussmaschine, der mittelbar oder unmittelbar an der Rotorwelle befestigt ist, wobei das Volumen zwischen der Rotorwelle und dem Rotor und/oder zwischen der Rotorwelle und einer an dem Rotor befestigen dritten Komponente der Rotoranordnung ausgebildet ist. Bezogen auf eine Rotationsachse der Rotorwelle bzw. der Rotoranordnung sind der Rotor und ein Stator versetzt und insbesondere unmittelbar benachbart zueinander bzw. nebeneinander angeordnet. Der Rotor kann auch als Rotorscheibe bezeichnet werden. Der Stator kann ebenfalls scheibenförmig sein und ist an einer rotationsfesten Komponente der elektrischen Maschine, etwa dem Gehäuse, befestigt.
Die Axialflussmaschine kann bezüglich ihrer Bauweise eine sogenannte H-Anordnung sein, bei der zwei axial beabstandet zueinander an der Rotorwelle aufgesteckte bzw. befestigte Rotoren vorgesehen sind, wobei sich der Stator zwischen den beiden Rotoren erstreckt. Im Längsschnitt betrachtet erinnert die Form der Rotoren samt der Rotorwelle an ein „H“. Denkbar ist ferner eine sogenannte I-Anordnung, bei der lediglich ein Rotor an der Rotorwelle befestigt ist, wobei, in Axialrichtung gesehen, an beiden Seiten des Rotors jeweils ein Stator der elektrischen Maschine angeordnet ist.
Die oben erläuterten Schwingungen bzw. Vibrationen treten bei gemäß der H-Anordnung realisierten Axialflussmaschinen hauptsächlich an den scheibenförmigen Rotoren auf, da bauartbedingt auf die beiden Rotoren jeweils unausgeglichene axiale Anregungskräfte wirken. Bei Axialflussmaschinen gemäß der der I-Anordnung kommt es aus Symmetriegründen zu einem weitgehenden Ausgleich der axialen Anregungskräfte, die auf den Rotor wirken. Allerdings erfolgt bei der I-Anordnung ein derartiger Ausgleich nicht an den Statoren, so dass entsprechende Vibrationen seitens der Statoren zu erwarten sind. Allgemein, also bei Axialflussmaschinen, die nicht als H- bzw. I-Anordnung realisiert sind, treten die Schwingungen bzw. Vibrationen an Komponenten auf, bei denen sich die axialen Anregungen nicht, insbesondere symmetriebedingt, ausgleichen.
In der Praxis ist die Schwingungs-Grundmode der Vibration der Stator- bzw. Rotorscheibe, bei der der radiale Außenbereich der Rotorscheibe entlang der Axialrichtung hin und her schwingt, besonders relevant. Die geometrische Form, die die Scheibe hierbei einnimmt, erinnert an die Form einer Schüssel oder eines Schirmes, sodass diese Mode auch als Schirmmode bezeichnet wird. Neben dieser Grundmode können im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch Schwingungen höherer Ordnung gedämpft werden. Beispiele für Schwingungsmoden höherer Ordnung, die ebenfalls mittels des Konzepts der vorliegenden Erfindung gedämpft werden können, sind die Kipp- und die Sattelmode, wobei diese Bezeichnungen auf die bei der Schwingung jeweils entstehende Form der Scheibe zurückgehen.
Die dritte Komponente kann ein in Axialrichtung gesehen neben dem Rotor angeordneter Ring sein, der die Rotorwelle in Umfangsrichtung umgreift und an dem Rotor befestigt ist, wobei als Spalt ein Axialspalt, der sich in Axialrichtung und entlang der Umfangsrichtung erstreckt und zwischen dem Ring und der Rotorwelle angeordnet ist, und/oder ein Radialspalt, der sich gewinkelt zur Axialrichtung, insbesondere in Radialrichtung, erstreckt und zwischen dem Ring und einer Wellenschulter, die die Rotorwelle in Radialrichtung verbreitert und in Axialrichtung gesehen neben dem Ring angeordnet ist, angeordnet ist, vorgesehen ist. Die seitens des Rotors auftretenden Schwingungen werden in dieser Ausführungsform auf den Ring übertragen, der das Volumen begrenzt und mithin die die Dämpfung bewirkende Kraft auf den vibrierenden Rotor überträgt.
Der Ring begrenzt mithin sowohl den Axial- als auch den Radialspalt. Der Axialspalt weist die geometrische Form eines Zylindermantels bzw. eines Hohlzylinders auf. Der Radialspalt weist die Form einer kreisförmigen Scheibe mit mittiger, kreisförmiger Ausnehmung auf. Der Axialspalt und der Radialspalt sind bevorzugt miteinander verbunden, insbesondere über ein stirnseitiges Ende des Axialspalts und ein radial innenliegendes Ende des Radialspalts. Der Axialspalt kann, in Axialrichtung gesehen, von einer Verbindungsscheibe begrenzt bzw. abgedichtet sein, auf die später noch im Detail eingegangen wird.
Die Wellenschulter kann flanschartig und/oder einstückig mit dem übrigen Abschnitt der Rotorwelle ausgebildet sein. Bevorzugt bildet die Wellenschulter einen um umlaufenden Vorsprung aus, der den Durchmesser der Rotorwelle entsprechend erweitert.
Der Ring kann in Radialrichtung gesehen außenseitig von einem, insbesondere rohr- und/oder membranartigen, Dichtelement umgriffen sein, mittels dem wenigstens einer der Spalte fluiddicht abgedichtet ist. Das Dichtelement, dass beispielsweise aus einem elastischen Kunststoff besteht, dichtet etwa den Radialspalt radial nach außen hin ab. Das rohr- bzw. hohlzylinderförmige Dichtelement umgreift den Ring und die Wellenschulter bevorzugt vollständig. Das Dichtelement kann mehrere Radialspalte abdichten, wobei eine Elastizität des Dichtelements in Radialrichtung den Transfer des Dämpfungsfluids von einen in einen anderen Radialspalt ermöglicht. Insbesondere kann die Elastizität des Dichtelements auch dazu dienen, den Rauminhalt des Volumens konstant zu halten.
Der Ring kann sich aus mehreren separaten und jeweils mit dem Rotor verbundenen Ringsegmenten zusammensetzen. Der in Axialrichtung betrachtet kreisförmige Ring kann also aus mehreren bogenförmigen Ringsegmenten gebildet sein, die insbesondere untereinander gleich sind. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass zwischen wenigstens zwei der Ringsegmente ein Spalt ausgebildet ist. Wenigstens zwei der Ringsegmente können mithin Komponenten der Rotoranordnung darstellen, zwischen denen der Spalt, der auch als Segmentspalt bezeichnet werden kann, bzw. das Volumen ausgebildet ist. Die Segmentspalte können sich in Axial- und Radialrichtung erstrecken und insbesondere gleichmäßig um die Rotationsachse der Rotoranordnung herum angeordnet sein. Die Segmentspalte können, in Radialrichtung nach innen gesehen, in den Axialspalt münden und, in Radialrichtung nach außen gesehen, mittels des Dichtelements fluiddicht abgedichtet und/oder miteinander verbunden sein. Weiterhin können die Segmentspalte, in Axialrichtung gesehen, in den Radialspalt münden und, in Axialrichtung in die entgegengesetzte Richtung gesehen, von der bereits genannten Verbindungsscheibe begrenzt bzw. abgedichtet sein.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Rotoranordnung weist der Rotor in einem in Radialrichtung gesehenen Innenbereich sich zumindest teilweise in Radialrichtung erstreckende und mit dem Ring verbundene Federzungen derart auf, dass durch eine Eigenschwingung des Rotors verursachte Rotorbewegungen über die Federzungen auf den Ring übertragbar sind. Die Federzungen können über Schlitze voneinander abgetrennt sein. Die Federzungen können jeweils mit einem der Ringsegmente verbunden sein, etwa mittels einer Schraube. Wie bereits oben erläutert wurde, treten bei dem scheibenförmigen Rotor Schwingungen vor allem im Rahmen der Schirmmode auf, so dass die resultierenden Schwingungsbewegungen bzw. -amplituden hauptsächlich im radialen Außenbereich des Rotors vorliegen. Durch die Federzungen werden die Schwingungen bzw. die im Rahmen der Schwingungen auftretenden Bewegungen in den radialen Innenbereich des Rotors übertragen bzw. geleitet. So führt die im Rahmen der Schirmmode auftretende Vibrationsbewegung des Rotors in dessen radialem Außenbereich dazu, dass sich die in demselben Kreissegment des Rotors angeordnete Federzunge in die entgegengesetzte Richtung bewegt, so dass eine ähnliche Bewegungskopplung realisiert ist wie bei einer geschlitzten Tellerfeder. Die Federzungen bewirken eine Übertragung der Schwingungsbewegung des Rotors von dem radialen Außenbereich in den radialen Innenbereich des Rotors und mithin auf die Ringsegmente.
Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der Ring über die bereits oben erwähnte Verbindungsscheibe, die an der Rotorwelle befestigt ist, an dem Rotor befestigt ist. Die Verbindungsscheibe kann aus einem Blech, das insbesondere aus einem Metall besteht, ausgebildet sein. Die Verbindungsscheibe kann ringförmig sein und in eine die Rotorwelle im Umfangrichtung umgreifende Ringnut eingreifen. Die Verbindungsscheibe kann mittels Verstemmen an der Rotorwelle befestigt sein. Die Verbindungsscheibe kann radial gesehen innenseitig an einer sich in Radialrichtung erstreckenden Stirnfläche der Rotorwelle angeschraubt sein, wobei mittels dieser Verbindung sowohl der Rotor als auch der Ring an der Rotorwelle befestigt ist.
Die Verbindungsscheibe kann Bohrungen aufweisen, die diese axial durchlaufen. Durch die Bohrungen können Schrauben geführt sein, über die der Rotor an der Verbindungsscheibe befestigt ist. Die Schrauben können in Gewindebohrungen des Ringes eingeschraubt sein, wobei sich die Köpfe der Schrauben auf dem Rotor abstützen, insbesondere in entsprechenden Senklöchern. Über die Schrauben erfolgt mithin die Anbindung des Rotors und des Rings an die Verbindungsscheibe, die ihrerseits wiederum an der Rotorwelle befestigt ist.
Typischerweise ist der Rotor nicht axialsymmetrisch um seine Anbindungsstelle an der Rotorwelle herum ausgebildet. Bei hohen Drehzahlen ergibt sich mithin eine radial nach außen wirkende Flieh- bzw. Zentrifugalkraft des Rotors, die axial versetzt bezüglich der Anbindungsstelle des Rotors angreift. Hierdurch entsteht ein auf den Rotor wirkendes Drehmoment, das den Rotor in Axialrichtung verformt bzw. verbiegt, so dass eine Änderung einer Breite eines Luftspalts zwischen dem Rotor und dem Stator der elektrischen Maschine resultiert. Entsprechend ändert sich auch der Abstand zwischen rotor- und statorseitigen Magneten, was für den Betrieb der elektrischen Maschine ungünstig ist. Um diesem Effekt zu begegnen, können bei der Rotoranordnung der Rotor und die Verbindungsscheibe und gegebenenfalls weitere Bauteile der Rotoranordnung bezüglich ihrer geometrischen Abmessungen, Massen und Materialeigenschaften derart ausgebildet und aneinander angepasst sein, dass die während der Rotation der Rotoranordnung um die Rotations- bzw. Rotorwellenachse auftretende Änderung der Breite des Luftspalts zwischen dem Rotor und dem Stator zumindest teilweise kompensiert wird. So wird aufgrund der Verwendung der Verbindungsscheibe zur Anbindung des Rotors an die Rotorwelle ein weiterer Freiheitsgrad hinsichtlich der konstruktiven Ausgestaltung geschaffen, nämlich hinsichtlich der mechanischen und geometrischen Eigenschaften der Verbindungsscheibe. Diese kann sich bei der Rotation aufgrund der Flieh- bzw. Zentrifugalkraft des Rotors ebenfalls verformen, wobei diese Verformung der oben beschriebenen Verformung, die die Änderung der Spaltbreite bewirkt, entgegenwirkt respektive diese kompensiert. So können beispielsweise die Abmessungen und das E-Modul der Verbindungsscheibe derart gewählt werden, dass die bei der Rotation bewirkte Verformung der Verbindungsscheibe die Verformung des Rotors hinsichtlich der Spaltbreitenänderung zumindest teilweise und bevorzugt vollständig kompensiert.
Bei der erfindungsgemäßen Rotoranordnung kann vorgesehen sein, dass im Bereich des Volumens wenigstens ein die Verlagerung des Dämpfungsfluids hemmendes Element, insbesondere eine Blende und/oder eine Drossel, angeordnet ist. Das hemmende Element bewirkt eine Engstelle im Volumen derart, dass bei der Verlagerung des Dämpfungsfluids zusätzlich zum aufgrund der Viskosität des Dämpfungsfluids ohnehin vorliegenden Widerstands ein zusätzlicher Widerstand generiert wird, wodurch der Dämpfungseffekt verstärkt wird. So kann der Spalt über das hemmende Element mit einem weiteren Spalt und/oder dem Dämpfungsfluidreservoir verbunden sein. Zusätzlich oder alternativ kann das hemmende Element im Bereich des Volumenausgleichsabschnitts vorgesehen sein. Das als Blende vorgesehene hemmende Element kann eine Scheibe mit mehreren Durchgangslöchern sein. Das als Drossel vorgesehene hemmende Element kann eine Lochscheibe z.B. mit einem zentralen Loch sein.
Die bei der vorliegenden Erfindung realisierte Schwingungsdämpfung kann auch überwiegend oder vollständig mittels des hemmenden Elements bewirkt werden. In diesem Fall kann der flächige Spalt ein derart großes Spaltmaß aufweisen, dass im Bereich des Spaltes kaum ein Widerstand des Dämpfungsfluids entsteht, sondern dass der erforderliche Widerstand stattdessen mittels des hemmenden Elements bewirkt wird. Der Spalt bewirkt in dieser Ausführungsform letztlich überwiegend bzw. ausschließlich die über das hemmende Element erfolgende Fluidverdrängung.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine elektrische Axialflussmaschine umfassend wenigstens eine zuvor genannte Rotoranordnung. Die elektrische Axialflussmaschine ist besonders bevorzugt eine Axialflussmaschine gemäß einer bereits oben erläuterten H- oder I-Anordnung. Bevorzugt weist die elektrische Axialflussmaschine eine erfindungsgemäß ausgebildete Rotoranordnung auf. Sämtliche im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Rotoranordnung erläuterten Vorteile, Aspekte und Merkmale gelten gleichermaßen für die erfindungsgemäße elektrische Axialflussmaschine und umgekehrt.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend erläuterten Ausführungsbeispielen sowie aus den Zeichnungen. Hierbei zeigen schematisch:

1 einen Längsschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine umfassend ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Rotoranordnung,
2 eine Detailansicht der Rotoranordnung der 1 in einem Längsschnitt,
3 eine Explosionsdarstellung der Baugruppe der 1 und 2,
4 eine schematische Längsschnittdarstellung der Rotoranordnung der 1 bis 3 zur Veranschaulichung der Schwingungs-Grundmode der Rotoren der Rotoranordnung,
5 - 7 mögliche Merkmale und/oder Abwandlungen der Rotoranordnung der vorangehenden Figuren, und
8 - 9 eine Prinzipdarstellung zur Erläuterung der Drehmomentverhältnisse bei der Rotoranordnung der vorangehenden Figuren, und
10 einen Längsschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine umfassend ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Rotoranordnung und ein nicht erfindungsgemäßes drittes Ausführungsbeispiel einer als eine Statoranordnung ausgebildeten Baugruppe.

1 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 1 umfassend ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Rotoranordnung 2. Die in einem Gehäuse 31 der elektrischen Maschine 1 angeordnete Rotoranordnung 2 ist, was in den Figuren nicht näher gezeigt ist, um eine entlang der Axialrichtung verlaufende Rotationsachse 7 drehbar gelagert. Sie umfasst mehrere Komponenten 3, nämlich eine Rotorwelle 4 und zwei an der Rotorwelle 4 befestigte, scheibenförmige Rotoren 5, 6.
Die elektrische Maschine 1 ist als eine Axialflussmaschine ausgebildet, wobei sich zwischen den Rotoren 5, 6 ein Stator 8 der elektrischen Maschine 1 erstreckt. Der Stator 8 der elektrischen Maschine 1 ist an dem Gehäuse 31 drehfest befestigt. Die elektrische Maschine 1 ist als eine sogenannte H-Anordnung ausgebildet, da die Rotoren 5, 6 zusammen mit der Rotorwelle 4 an die Form des Buchstabens H erinnern. Alternativ kann die elektrische Maschine 1 als eine I-Anordnung ausgebildet sein, bei der zwei Statoren vorgesehen sind, zwischen denen ein Rotor angeordnet ist. An dem Rotor 5, 6 sowie dem Stator 8 sind jeweils Magnete 9 angeordnet, nämlich Elektromagnete und gegebenenfalls Permanentmagnete.
Nachfolgend werden weitere Details der Rotoranordnung 2 anhand der 2 und 3 erläutert. Die 2 zeigt den oberen Teil der Querschnittsdarstellung der 1, der Übersichtlichkeit halber ohne dem Gehäuse 31 und ohne dem Stator 8. Da die Rotationsanordnung 2 um die Rotationsachse 7 rotationssymmetrisch ausgebildet ist, entspricht der in 2 nicht sichtbare untere Teil der Rotoranordnung 2 im Wesentlichen dem oberen Teil. 3 zeigt eine Explosionsdarstellung der Rotoranordnung 2. Die Rotoren 5, 6 sind spiegelsymmetrisch bezüglich einer senkrecht auf die Rotationsachse 7 stehenden Achse bzw. Ebene 32 ausgebildet, so dass die nachfolgend lediglich anhand des Rotors 5 erläuterten Aspekte gleichermaßen für den Rotor 6 gelten.
Eine weitere Komponente 3 der Rotoranordnung 2 ist ein in Axialrichtung gesehen neben dem Rotor 5 angeordneter Ring 10, der die Rotorwelle 4 in Umfangsrichtung umgreift und an dem der Rotor 5 befestigt ist. Der Ring 10 ist zwischen dem Rotor 5 und einer als flanschartige Verbreiterung der Rotorwelle 4 ausgebildeten Wellenschulter 12 angeordnet. Zwischen dem Ring 10 und dem Rotor 5 ist eine Verbindungsscheibe 13 angeordnet, über die der Ring 10 an dem Rotor 5 befestigt ist und die lediglich beispielhaft eine metallene Blechscheibe ist. Die Verbindungsscheibe 13 ist im Bereich eines Wellenabschnitts 15 der Rotorwelle 4 mit dieser verstemmt, wobei mittels dieser Verbindung der Rotor 5 sowie der Ring 10 an der Rotorwelle 4 befestigt ist. Zusätzlich oder alternativ ist denkbar, dass die Verbindungsscheibe 13 mittels weiterer Befestigungsmethoden, etwa mittels einer Verschraubung und/oder Verschweißung oder dergleichen, an der Rotorwelle 4 befestigt ist. Letztlich ist die Befestigung der Verbindungsscheibe 13 an der Rotorwelle 4 dazu ausreichend, dass die erforderliche Drehmomentübertragung von dem Rotor 5 auf die Rotorwelle 4 erfolgen kann und dass eine ausreichende Abstützung hinsichtlich einer axialen Magnetkraft gewährleistet ist.
Der Ring 10 umfasst mehrere identische, vorliegend exemplarisch zwölf, Ringsegmente 11. Zur Befestigung des Ring 10 an dem Rotor 5 sind Schrauben 14 vorgesehen, die den Rotor 5 sowie die Verbindungsscheibe 13 durchgreifen und in je eine Gewindebohrung des Rings 10 eingeschraubt sind. Jeder der Ringsegmente 11 weist hierfür eine entsprechende Gewindebohrung auf, sodass jedes der Ringsegmente 12 über eine separate Schraube 14 befestigt ist. Insgesamt sind mithin zwölf Schrauben 14 vorgesehen.
Ferner ist ein als eine Dichthülse ausgebildetes Dichtelement 16 vorgesehen, das, in Radialrichtung gesehen, den Ring 10 sowie die Wellenschulter 12 außenseitig vollständig umgreift. Das Dichtelement 16 ist rohr- bzw. hülsen- und membranartig und besteht beispielhaft aus einem elastischen Kunststoff, wobei als Material auch ein Metall denkbar ist. Das Dichtelement 16 liegt auf einen sich in Axialrichtung erstreckenden und radial außenseitigen Kragen 33 der Verbindungsscheibe 13 auf. Zur Ausbildung einer fluiddichten Abdichtung ist zwischen dem Kragen 33 und dem axialen Ende des Dichtelements 16 ein als ein O-Ring ausgebildeter Dichtring 17 aus einem Elastomer angeordnet. Details bezüglich des konkreten Zwecks des Dichtelements 16 werden später erläutert.
Zwischen den Komponenten 3, vorliegend zwischen dem Ring 10 und der Rotorwelle 4 sowie zwischen dem Ring 10 und der Wellenschulter 12, sind mit einem Dämpfungsfluid gefüllte, flächige Spalte 18 ausgebildet. Als Spalte 18 sind somit ein sich in Axial- und entlang der Umfangsrichtung erstreckender Axialspalt 19 sowie ein sich in Radialrichtung erstreckender Radialspalt 20 vorgesehen. Weitere Spalte 18, nämlich Segmentspalte 21, sind zwischen den Ringsegmenten 11 ausgebildet, die sich entlang der Radial- und Axialrichtung erstrecken. Die Spalte 18, insbesondere der Radialspalt 20, weisen ein Spaltmaß bzw. eine Spaltbreite zwischen 0,1 mm und 0,3 mm auf.
Sämtliche im Zusammenhang mit dem Rotor 5 erläuterten Spalte 18 liegen gleichermaßen bei dem Rotor 6 vor.
Die Spalte 18 bilden insgesamt ein Volumen aus, das die Zwischenräume zwischen dem Ring 10 und der Rotorwelle 4, zwischen dem Ring 10 und der Wellenschulter 12 sowie zwischen zwei benachbarten Ringsegmenten 11 umfasst. Das Volumen bzw. die Spalte 18 sind mit dem als ein Öl vorgesehenen Dämpfungsfluid gefüllt. Eine Schwingung respektive Vibration einer der Komponenten 3 bewirkt, dass sich die Geometrie respektive Spaltbreite wenigstens einer der Spalte 18 ändert, was zu einer Verlagerung des Dämpfungsfluids innerhalb des Volumens führt. Insbesondere aufgrund der Viskosität bewirkt diese Verlagerung eine Dämpfung der Vibration, die auch als Quetschöldämpfung bezeichnet werden kann. Diese Vibration kann eine seitens der Rotoren 5, 6 vorliegende Schwingung sein, die beim dynamischen Betrieb der elektrischen Maschine 1 häufig auftritt. Die Verbindungsscheibe 13 weist eine Flexibilität respektive Weichheit derart auf, dass die Vibration der Rotoren 5, 6 auf den jeweiligen Ring 10 und mithin die Spalte 18 übertragen werden.
Wie bereits oben erläutert wurde, liegt das Dichtelement 16 axial gesehen endseitig auf jeweils einem Kragen 33 der beiden Verbindungsscheiben 13 unter Ausbildung einer fluiddichten Abdichtung mittels des Dichtrings 17 auf. Der Kragen 33 bildet letztlich einen Abstandshalter derart, dass sich zwischen dem Dichtelement 16 und dem Ring 10 sowie der Wellenschulter 12 ein spaltartiger Zwischenraum 34 ausbildet, der die dem linken Rotor 5 zugeordneten Spalte 18 mit die dem rechten Rotor 6 zugeordneten Spalte verbindet. Mithin kann das Dämpfungsfluid von den Spalten 18, die in 2 dem linken Rotor 5 zugeordnet sind, zu den Spalten 18, die in 2 dem rechten Rotor 6 zugeordnet sind, verlagert werden und umgekehrt.
Die seitens der scheibenartigen Rotoren 5, 6 auftretenden Schwingungen treten hauptsächlich im radialen Rand- bzw. Außenbereich des jeweiligen Rotors 5, 6 auf. Anders ausgedrückt sind die Schwingungen im radial gesehen äußeren Randbereich der Rotoren 5, 6 am stärksten ausgeprägt und weisen dort mithin die größte Amplitude respektive Auslenkung auf. Zum besseren Verständnis ist diesbezüglich in 4 links und rechts eine schematische Ansicht der elektrischen Maschine 1 dargestellt, wobei die beiden Seiten dieser Figur jeweils die elektrische Maschine 1 zeigen, wenn die durch die Schwingung verursachte Auslenkung der Rotoren 5, 6 die jeweils maximale Auslenkung einnimmt. Die geometrische Form der Rotoren 5, 6 erinnert in dieser Schwingungs-Grundmode an einen Schirm, sodass diese Mode auch als Schirmmode bezeichnet wird.
Um die anhand der 4 veranschaulichten Schwingungsbewegungen effektiv über die Verbindungsscheibe 13 auf den Ring 10 und mithin auf die Spalte 18 zu übertragen und mithin eine möglichst optimale Dämpfungswirkung zu realisieren, ist es erforderlich, die Schwingungsbewegung in den radial gesehen inneren Bereich des jeweiligen Rotors 5, 6 zu übertragen. Dies erfolgt, unter erneuter Bezugnahme auf die 1 bis 3, über Federzungen 22 des Rotors 5, 6, die sich vom radialen Außenbereich in den radialen Innenbereich des Rotors 5, 6 erstrecken. Die Federzungen 22 sind über Spalte 23, die entlang der Radialrichtung verlaufen, voneinander abgetrennt. Bezogen auf die 2 bewirkt eine durch die Schwingungen verursachte Auslenkung des linken Rotors 5 nach links eine entsprechend gegenläufige Auslenkung der Federzungen 22 nach rechts und umgekehrt. Die Anzahl der Federzungen 22 entspricht der Anzahl der Ringsegmente 11, wobei jedes der Ringsegmente 11 über eine der Schrauben 14 mit einer der Federzungen 22 verbunden ist.
Beim gezeigten Ausführungsbeispiel entspricht die Aufteilung des Rotors 5 in Sektoren hinsichtlich der Federzungen 22 der Aufteilung des Rotors 5 in Sektoren hinsichtlich der Magnete 9. Im Bereich der Magnete 9 durchtrennen die Spalte 23 den Rotor 5 in Axialrichtung nicht komplett, sondern lediglich einen Teil auf der den Magneten 9 abgewandten Seite des Rotors 5. Ansonsten wäre die zur korrekten Funktionsweise der elektrischen Maschine 1 erforderliche magnetische Flussleitung im Rotor 5 nicht gegeben bzw. beeinträchtigt. Konkret werden die Magnete 9 auf dem Rotor 5 von einer in den Figuren nicht näher gezeigten und ring- bzw. scheibenförmigen Trägerkomponente aus einem Flussleitmaterial getragen. Die Trägerkomponente ist geschlossen, das heißt, dass sich die im in der 3 am rechten Rotor 6 erkennbaren Schlitze 23 in Axialrichtung lediglich bis zur Trägerkomponente erstrecken. Die Federzungen 22 sind letztlich im nicht elektromagnetisch wirksamen Teil des Rotors 5 ausgebildet, nämlich in der Umgebung der Schrauben 14.
Nachfolgend werden anhand der 5 bis 7 weitere Aspekte der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 1 bzw. der Rotoranordnung 2 erläutert. Bei diesen Figuren werden Details, etwa hinsichtlich des Rings 10, der Verbindungsscheibe 13 und der Wellenschulter 12 aus Übersichtlichkeitsgründen weggelassen. Das Dichtelement 16 ist in diesen Figuren nur schematisch angedeutet.
5 zeigt Aspekte der Rotoranordnung 2 hinsichtlich eines die Verlagerung des Dämpfungsfluids hemmenden Elements 35, durch das der oben beschriebene Dämpfungseffekt verstärkt wird. Das hemmende Element 35 kann beispielsweise eine Blende oder eine Drossel sein, die den viskositätsbedingten Strömungswiderstand des Dämpfungsfluids weiter erhöht respektive eine diesbezüglich zusätzliche Komponente des Strömungswiderstands bewirkt. Denkbar bezüglich des hemmenden Elements 35 ist zudem, dass dieses die Dämpfungswirkung bezüglich der Vibrationen bzw. Schwingungen überwiegend oder vollständig verursacht.
Bei der 5 ist konkret der Axialspalt 20 ausgebildet, in dessen Bereich ein Volumenausgleichsabschnitt 36 vorgesehen ist, in dessen Bereich wiederum das hemmende Element 35 angeordnet ist. Durch den Volumenausgleichsabschnitt 36 wird sichergestellt, dass der gesamte Rauminhalt des Volumens trotz der Änderung der Breite des Axialspaltes 20 gleichbleibt. Der Volumenausgleichsabschnitt 36 ist als eine Vertiefung, konkret als eine Sackbohrung, in dem Ring 10 und/oder der Wellenschulter 12, ausgebildet. Bezogen auf die in der 5 dargestellten Positionierung des Volumenausgleichsabschnitts 36 kann dieser auch weiter unten und gewinkelt vom Spalt 18 abzweigend, vorgesehen sein. Am Boden des Volumenausgleichsabschnitts 36 bzw. der Vertiefung ist ein die Sackbohrung fluiddicht abdichtender und zum Boden hin beweglicher Druckstempel 37 angeordnet, der über eine Druckfeder 38 mit dem Boden der Sackbohrung gekoppelt ist. Eine Änderung des Rauminhaltes des Volumens wird durch die Bewegung des Druckstempels 37, die entgegen der elastischen Rückstellkraft der Druckfeder 38 erfolgt, kompensiert.
Bezüglich der konkreten Ausführung des Volumenausgleichsabschnitts 36 sind zusätzliche oder alternative Optionen denkbar, die von den in den Figuren konkret dargestellten Ausführungsformen abweichen. So kann anstelle der Druckfeder 38 ein Gaspolster oder ein anderes kompressibles Element vorgesehen sein. Grundsätzlich entbehrlich ist zudem der Druckstempel 37, da alternativ ein, etwa ein Stickstoffpolster bildendes, Ausgleichsgas vorgesehen sein kann, wobei das Dämpfungsfluid und das Ausgleichsgas lediglich über die entsprechende Phasengrenze voneinander abgetrennt sind. Der Volumenausgleich ist außerdem durch das Emulsionsdämpfungsprinzip realisierbar.
Zusätzlich oder alternativ zum Volumenausgleichsabschnitt 36 kann bezüglich des Volumenausgleichs auch vorgesehen sein, dass das Dichtelement 16 eine Elastizität bezüglich der Radialrichtung aufweist, so dass sich das Öl unter einer radialen Aufwölbung des Dichtelements 16 in dem spaltartigen Zwischenraum 34 ansammeln kann.
Die in 6 dargestellte Rotoranordnung 2 entspricht weitestgehend der in der 5 gezeigten. Als Unterschied liegt jedoch vor, dass der Spalt 18 mäander- bzw. labyrinthartig und mithin verlängert ausgebildet ist. Diese geometrische Form wird mittels ineinander eingreifender Vorsprünge 39 der Komponenten 3 realisiert, deren Wandungen den Spalt 18 begrenzen. Mithin wird bei der Änderung der Spaltbreite mehr Öl verlagert, so dass der Dämpfungseffekt entsprechend verstärkt wird.
Eine weitere mögliche Abwandlung der erfindungsgemäßen Rotoranordnung 2 wird anhand der 7 erläutert. In dieser Ausführungsform ist das durch die Spalte 18 gebildete Volumen offen. Hierzu weist die Rotorwelle 4 einen Dämpfungsfluidzuführkanal 40 auf, durch den das Öl aus einem nicht näher gezeigten Dämpfungsfluidreservoir dem Spalt 18 zugeführt wird. Der Dämpfungsfluidzuführkanal 40 verläuft entlang der Axialrichtung durch die Rotorwelle 4. Auf der radialen Außenseite ist das Volumen bzw. der Spalt 18 ebenfalls offen, so dass das Öl anschließend in einen vom Gehäuse 31 begrenzten Innenraum 58 der elektrischen Maschine 1 austreten kann. Das Dämpfungsfluid dient in dieser Ausführungsform mithin ferner als Schmier- und/oder Kühlmittel.
Nachfolgend wird anhand der 8 und 9 ein durch die Verwendung der Verbindungsscheibe 13 bewirkter Vorteil bei der erfindungsgemäßen Rotoranordnung 2 erläutert. In der 8 ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Rotoranordnung 2 gezeigt, bei der die Verbindungsscheibe 13 nicht vorgesehen ist. Die linke Teilabbildung der 8 zeigt den Fall, in der die Rotoranordnung 2 nicht rotiert. Die zweite Teilabbildung von links zeigt den Fall, in der die Rotoranordnung 2 rotiert, wobei die Rotation durch den Pfeil 41 angedeutet ist. Die beiden Teilabbildungen rechts in 8 zeigen dasselbe wie die beiden Teilabbildungen links in 8 in stark vereinfachter bzw. äußerst schematischer Form. Die 9 zeigt dasselbe wie die 8 mit dem Unterschied, dass bei der in der 9 gezeigten Rotoranordnung die Verbindungsscheibe 13 vorgesehen ist, die jedoch nur äußerst schematisch angedeutet ist. Die in den 8 und 9 erläuterten Aspekte werden anhand des Rotors 6 dargelegt, gelten jedoch gleichermaßen für den Rotor 5.
Unter Bezugnahme auf die 8 ist der Rotor 6 nicht axialsymmetrisch um seine Anbindungsstelle 27 an die Rotorwelle 4 herum ausgebildet. Dies liegt insbesondere daran, dass die Magnete 9 nur an einer Seite des Rotors 6 vorgesehen sind. Folglich ist der Schwerpunkt 26 des Rotors 6 bezüglich der Anbindungsstelle 27 axial versetzt, so dass eine Fliehkraft 25, die naturgemäß umso stärker ist, je höher die Drehzahl der Rotoranordnung 2 ist, nicht an der Anbindungsstelle 27, sondern axial versetzt hierzu angreift. So entsteht zwischen der Anbindungsstelle 27 und dem Schwerpunkt 26, an dem die Fliehkraft 25 angreift, ein Hebelarm 28. Da der Rotor 6 in Realität kein starres Bauteil ist, sondern eine Elastizität bzw. Steifigkeit aufweist, die in den Figuren durch die Spirale 29 symbolhaft angedeutet ist, verbiegt sich der Rotor 5 im Falle einer Rotation, so dass sich der Schwerpunkt 16 wie durch den Pfeil 30 angedeutet im Uhrzeigersinn verschiebt und sich mithin die Breite eines Luftspalts 24 ändert, der zwischen dem Rotor 6 und dem Stator 8 vorliegt. Diese Änderung hat ersichtlich auch eine Änderung des Abstands der Magnete 9 des Rotors 6 und Stators 8 zur Folge, was bezüglich des Betriebs der elektrischen Maschine 1 nachteilig ist.
Dieses Problem lässt sich mittels der Verbindungsscheibe 13 abschwächen bzw. im Idealfall umgehen. Bezogen auf die 9 ist der Rotor 6, gleichermaßen wie der in 8 dargestellte Rotor 6, an der Anbindungsstelle 27 an der Rotorwelle 4 angebunden. Diese Anbindung erfolgt bei der in 9 gezeigten Konfiguration jedoch über eine axiale Verlängerung 50 des Rotors 6, die wiederum über die Verbindungsscheibe 13 an der Rotorwelle 4 angebunden ist. Die Verbindungsscheibe 13 befindet sich hierbei an der Anbindungsstelle 42, an der sie an der Rotorwelle 4 befestigt ist.
Gleichermaßen wie in der in 8 gezeigten Konfiguration ist der Schwerpunkt 26 des Rotors 6 in Axialrichtung versetzt zur Anbindungsstelle 27 positioniert, nämlich versetzt um den Hebelarm 28. Selbiges gilt auch für die Anbindungsstelle 42, wobei zwischen dieser und dem Schwerpunkt 26 der Hebelarm 43 vorliegt. Im Falle der Rotation des Rotors 6 ergibt sich einerseits eine Breitenänderung des Luftspalts 24 aufgrund der Hebelwirkung hinsichtlich des Hebelarms 28, die durch den Pfeil 44 angedeutet ist. Andererseits ergibt sich eine Breitenänderung des Luftspalts 24 aufgrund der Hebelwirkung hinsichtlich des Hebelarms 43, die wiederum durch den Pfeil 45 angedeutet ist. Ersichtlich sind die beiden Breitenänderungen gegenläufig zueinander. Dieser Effekt wird bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel dahingehend ausgenutzt, dass die Eigenschaften des Rotors 6 und der Verbindungsscheibe 13, also deren geometrische Abmessungen, Massen und E-Module, derart aneinander angepasst sind, dass die fliehkraftinduzierte Verschiebung des Schwerpunkts 26 und mithin die Breitenänderung des Luftspalts 24 vollständig kompensiert oder zumindest deutlich reduziert wird. Dies ist in der 9 durch den im Vergleich zur 8 kürzeren Pfeil 30 angedeutet.
Anhand der 10 wird eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 45 erläutert. Diese ist als die bereits oben angesprochene I-Anordnung realisiert, wobei bei der Rotoranordnung 2 der elektrischen Maschine 45 lediglich ein einziger Rotor 46 an der Rotorwelle 4 befestigt ist. In Axialrichtung gesehen ist an beiden Seiten des Rotors 46 jeweils ein Stator 47, 48 angeordnet. Die Statoren 47, 48 sind Teil einer als Statoranordnung 49 vorgesehenen Baugruppe der elektrischen Maschine 45.
Der Rotor 46 ist neben der Wellenschulter 12 angeordnet, wobei zudem der Ring 10 und/oder die Verbindungsscheibe 13 vorgesehen sein können, die aus Übersichtlichkeitsgründen in 10 nicht gezeigt sind. Die oben dargelegten Aspekte hinsichtlich der Rotoranordnung 2 gelten letztlich gleichermaßen für die elektrische Maschine 45 und werden an dieser Stelle nicht nochmals wiederholt.
Nachfolgend werden Details zur Statoranordnung 49 dargestellt. Auch bei dieser sind ein Volumen bildende Spalte 18 vorgesehen, die sich zwischen Komponenten 3 der Statoranordnung 49 erstrecken. Die Spalte 18 sind mit dem Dämpfungsfluid gefüllt und bewirken folglich eine wie oben erläuterte Dämpfung einer Vibration der Komponenten 3 der Statoranordnung 49. Der Stator 47 ist an dem Gehäuse 31 angebunden bzw. befestigt, wobei der Spalt 18 zwischen dem Gehäuse 31 respektive einem Flansch 57 des Gehäuses und dem Stator 47 angeordnet ist. Im Bereich des in Axialrichtung verlaufenden Spaltes 18 sind, was nicht näher dargestellt ist, der Volumenausgleichsabschnitt 36 samt hemmendem Element 35, Druckstempel 37 und Druckfeder 38 vorgesehen. Auch hier sind hinsichtlich des Volumenausgleichsabschnitts 36 die oben diesbezüglich erläuterten alternative Optionen denkbar.
Der Stator 48 ist ebenfalls an dem Gehäuse 31 angebunden bzw. befestigt, wobei sich das Volumen respektive der Spalt 18 axial zwischen einem Gehäusedeckel 51 des Gehäuses 31 und dem Stator 48 erstreckt. Bei der in 10 gezeigten Ausführungsform gelten das Gehäuse 31 sowie der Gehäusedeckel 51 als Komponenten 3 der Statoranordnung 49. Bezüglich des Stators 48 sind in 10 drei verschiedene Konfigurationen 52, 53, 54 hinsichtlich der Ausbildung des Volumens gezeigt, die einzeln oder in beliebiger Kombination miteinander realisiert sein können.
So ist bezüglich der ersten Konfiguration 52 vorgesehen, dass das Volumen als eine Kammer 55 ausgebildet ist, die von dem Stator 48 und dem Gehäusedeckel 51 begrenzt ist. Im Bereich der Kammer 55 ist der Volumenausgleichsabschnitt 36 samt hemmendem Element 35, Druckstempel 37 und Druckfeder 38 vorgesehen. Der Volumenausgleichsabschnitt 36 ist an dem Gehäusedeckel 51 angeordnet bzw. an diesem angeformt. Ferner ist die Kammer 55 über axial nachgiebige bzw. elastische Dichtungen 56 abgedichtet, so dass eine Änderung der Geometrie der Kammer 55 möglich ist, sofern beim Stator 48 eine Vibration bzw. Schwingung vorliegt. Die Dichtungen 56 sind an dem Gehäusedeckel 51 befestigte Dichtringe.
Bezüglich der zweiten Konfiguration 53 ist vorgesehen, dass zusätzlich zu der Kammer 55 der Spalt 18 vorgesehen ist. Ferner ist der Volumenausgleichsabschnitt 36 samt Druckstempel 37 und Druckfeder 38, jedoch ohne hemmendem Element 35 vorgesehen. Die bezüglich des Volumenausgleichsabschnitts 36 denkbaren alternativen Optionen sind auch hier denkbar. Auch das den Spalt 18 und die Kammer 55 umfassende Volumen in der zweiten Konfiguration 53 ist über die elastischen Dichtungen 56 abgedichtet.
Bezüglich der dritten Konfiguration 54 ist vorgesehen, dass das den Spalt 18 und die Kammer 55 umfassende Volumen offen ist. Entsprechend ist bei dieser Ausführungsform der Dämpfungsfluidzuführkanal 40 vorgesehen, der etwa an dem Gehäusedeckel 51 ausgebildet sein kann und durch den das Öl aus einem nicht näher gezeigten Dämpfungsfluidreservoir dem Volumen zugeführt wird. Das Volumen ist in dieser Ausführungsform ferner zu dem vom Gehäuse 31 begrenzen Innenraum 58 der elektrischen Maschine 45 offen, so dass dieses auch als Schmier- und/oder Kühlmittel dient.
Nachfolgend wird eine optionale Möglichkeit bezüglich des offenen Volumens der dritten Konfiguration 54 beschrieben, die gleichermaßen bei der anhand der 7 erläuterten Ausführungsform vorgesehen sein kann. So kann das Dämpfungsfluid im Falle des offenen Volumens zirkulieren und mittels einer Fluidpumpe entsprechend gefördert bzw. umgewälzt werden. Konkret kann das Dämpfungsfluid vom Dämpfungsfluidreservoir über den Dämpfungsfluidzuführkanal 40 zum Spalt 18 und der Kammer 55 gefördert werden. Von hier aus kann das Dämpfungsfluid weiter in den Innenraum 58 gefördert werden, wo es sich in einen in den Figuren nicht näher gezeigten Dämpfungsfluidsammelabschnitt der elektrischen Maschine 45 aufgrund der Schwerkraft sammelt. Es ist denkbar, dass der Dämpfungsfluidsammelabschnitt das Dämpfungsfluidreservoir ist oder dass das Dämpfungsfluid von dem Dämpfungsfluidsammelabschnitt zum Dämpfungsfluidreservoir gefördert wird.
Bezugszeichenliste

1: Elektrische Maschine
2: Rotoranordnung
3: Erste Komponente
4: Rotorwelle
5: Rotor
6: Rotor
7: Rotationsachse
8: Stator
9: Magnet
10: Ring
11: Ringsegment
12: Wellenschulter
13: Verbindungsscheibe
14: Schraube
15: Wellenabschnitt
16: Dichtelement
17: Dichtring
18: Spalt
19: Axialspalt
20: Radialspalt
21: Segmentspalt
22: Federzunge
23: Spalte
24: Luftspalt
25: Fliehkraft
26: Schwerpunkt
27: Anbindungsstelle
28: Hebelarm
29: Spirale
30: Pfeil
31: Gehäuse
32: Ebene
33: Kragen
34: Zwischenraum
35: Hemmendes Element
36: Volumenausgleichsabschnitt
37: Druckstempel
38: Druckfeder
39: Vorsprung
40: Dämpfungsfluidzuführkanal
41: Pfeil
42: Anbindungsstelle
43: Hebelarm
44: Pfeil
45: elektrische Maschine
46: Rotor
47: Stator
48: Stator
49: Statoranordnung
50: axiale Verlängerung
51: Gehäusedeckel
52: Konfiguration
53: Konfiguration
54: Konfiguration
55: Kammer
56: Dichtung
57: Flansch
58: Innenraum

Claims

Rotoranordnung (2) für eine elektrische Axialflussmaschine (1, 45), bestehend aus mehreren Komponenten (3), wobei zwischen wenigstens zwei der Komponenten (3) wenigstens ein mit einem Dämpfungsfluid gefülltes Volumen ausgebildet ist, das Dämpfungsfluid infolge einer aus einer elastischen Schwingung wenigstens einer das Volumen begrenzenden Komponente (3) resultierenden Geometrieänderung des Volumens zur Schwingungsdämpfung verlagerbar ist, eine erste Komponente (3) der Rotoranordnung (2) eine Rotorwelle (4) ist, eine zweite Komponente (3) der Rotoranordnung (2) ein scheibenförmiger Rotor (5, 6) der elektrischen Axialflussmaschine (1, 45) ist, wobei der scheibenförmige Rotor (5, 6) mittelbar oder unmittelbar an der Rotorwelle (4) befestigt ist, und das Volumen zwischen der Rotorwelle (4) und dem scheibenförmigen Rotor (5, 6) und/oder zwischen der Rotorwelle (4) und einer an dem scheibenförmigen Rotor (5, 6) befestigten dritten Komponente (3) der Rotoranordnung (2) ausgebildet ist.
Rotoranordnung (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen ein insbesondere flächiger Spalt (18) ist oder einen solchen umfasst.
Rotoranordnung (2) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dritte Komponente (3) ein in einer Axialrichtung gesehen neben dem scheibenförmigen Rotor (5, 6) angeordneter Ring (10) ist, der die Rotorwelle (4) in einer Umfangsrichtung umgreift und an dem scheibenförmigen Rotor (5, 6) befestigt ist, und als Spalt (18) ein Axialspalt (19), der sich in der Axialrichtung und entlang der Umfangsrichtung erstreckt und zwischen dem Ring (10) und der Rotorwelle (4) angeordnet ist, und/oder ein Radialspalt (20) vorgesehen ist, der sich gewinkelt zu der Axialrichtung, insbesondere in einer Radialrichtung, erstreckt und zwischen dem Ring (10) und einer Wellenschulter (12) angeordnet ist, die die Rotorwelle (4) in der Radialrichtung verbreitert und in der Axialrichtung gesehen neben dem Ring (10) angeordnet ist.
Rotoranordnung (2) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring (10) in der Radialrichtung gesehen außenseitig von einem insbesondere rohr- und/oder membranartigen Dichtelement (16) umgriffen ist, mittels dem wenigstens einer der Spalte (18) fluiddicht abgedichtet ist.
Rotoranordnung (2) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Ring (10) aus mehreren separaten und jeweils mit dem scheibenförmigen Rotor (5, 6) verbundenen Ringsegmenten (11) zusammensetzt, und insbesondere vorgesehen ist, dass zwischen wenigstens zwei der Ringsegmente (11) der Spalt (18) ausgebildet ist.
Rotoranordnung (2) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der scheibenförmige Rotor (5, 6) in einem in der Radialrichtung gesehenen Innenbereich sich zumindest teilweise in der Radialrichtung erstreckende und mit dem Ring (10) verbundene Federzungen (22) derart aufweist, dass durch eine Eigenschwingung des scheibenförmigen Rotors (5, 6) verursachte Rotorbewegungen über die Federzungen (22) auf den Ring (10) übertragbar sind.
Rotoranordnung (2) nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring (10) über eine an der Rotorwelle (4) befestigte Verbindungsscheibe (13), insbesondere aus einem Blech, an dem scheibenförmigen Rotor (5, 6) befestigt ist.
Rotoranordnung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Bereich des Volumens wenigstens ein die Verlagerung des Dämpfungsfluids hemmendes Element (35), insbesondere eine Blende und/oder eine Drossel, angeordnet ist.
Elektrische Axialflussmaschine, die wenigstens eine Rotoranordnung (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 aufweist.