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Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine Axialflussmaschine, und ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors für eine Axialflussmaschine.
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Ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Fahrzeug umfasst eine elektrische Maschine zum Antrieb des Fahrzeugs. Die elektrische Maschine kann eine Axialflussmaschine sein, bei der der zumindest eine Stator und der zumindest eine Rotor der elektrischen Maschine in axialer Richtung, d.h. entlang der Welle der elektrischen Maschine, hintereinander angeordnet sind.
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Die Bereitstellung einer elektrischen Maschine mit einer möglichst hohen Leistungsdichte führt dazu, dass in axialer Richtung relativ hohe Kräfte auf den Rotor, insbesondere auf die Magneten des Rotors, wirken. Das Abtragen dieser Kräfte führt typischerweise zu relativ aufwändigen und/oder technisch anspruchsvollen Rotorkonstruktionen.
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Das vorliegende Dokument befasst sich mit der technischen Aufgabe, einen gewichtsoptimierten Rotor für eine Axialflussmaschine bereitzustellen, der in effizienter Weise hergestellt werden kann.
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Die Aufgabe wird durch jeden der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen werden u.a. in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. Es wird darauf hingewiesen, dass zusätzliche Merkmale eines von einem unabhängigen Patentanspruch abhängigen Patentanspruchs ohne die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs oder nur in Kombination mit einer Teilmenge der Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs eine eigene und von der Kombination sämtlicher Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs unabhängige Erfindung bilden können, die zum Gegenstand eines unabhängigen Anspruchs, einer Teilungsanmeldung oder einer Nachanmeldung gemacht werden kann. Dies gilt in gleicher Weise für in der Beschreibung beschriebene technische Lehren, die eine von den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche unabhängige Erfindung bilden können.
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Gemäß einem Aspekt wird ein Rotor für eine elektrische Axialflussmaschine beschrieben. Der Rotor umfasst einen flussführenden Träger, der ausgebildet ist, den von einem Stator der Axialflussmaschine bewirkten magnetischen Fluss zu führen. Der flussführende Träger weist bevorzugt eine kreisrunde Form auf. Ferner besteht der flussführende Träger typischerweise aus einem magnetflussführenden Material, das insbesondere Eisen aufweist. Der flussführende Träger kann scheibenförmig mit einem kreisförmigen äußeren Rand ausgebildet sein. Dabei kann eine Stator-Seite des flussführenden Trägers dazu vorgesehen sein, dem Stator der elektrischen Maschine zugewandt zu sein, und eine gegenüberliegende Rückseite des flussführenden Trägers kann dazu vorgesehen sein, von dem Stator abgewandt zu sein. An der Stator-Seite des flussführenden Trägers kann eine ebene Anlagefläche zur Anlage des Magnetträgers des Rotors vorgesehen sein.
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Des Weiteren umfasst der Rotor einen Magnetträger, in dem eine Vielzahl von Magneten um die Rotorachse des Rotors herum angeordnet ist. Die Vielzahl von Magneten kann 4 oder mehr, 6 oder mehr, oder 8 oder mehr Magneten umfassen. Dabei ist die Vielzahl von Magneten typischerweise gleichmäßig verteilt um die Rotorachse herum angeordnet. Die einzelnen Magneten können jeweils als Permanentmagnet ausgebildet sein. Ferner können direkt benachbarte Magneten der Vielzahl von Magneten jeweils entgegengesetzte magnetische Polaritäten aufweisen.
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Der Magnetträger kann z.B. aus einem Kunststoff bestehen. Dabei können die Magnete z.B. mit einem Kunststoff umgossen werden, sodass durch den Magnetträger ein Rahmen für die Magneten gebildet wird.
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Der Magnetträger kann scheibenförmig mit einem kreisförmigen äußeren Rand ausgebildet sein. Dabei kann eine (ebene) Stator-Seite des Magnetträger dazu vorgesehen sein, dem Stator der elektrischen Maschine zugewandt zu sein, und eine gegenüberliegende Rückseite des Magnetträger kann dazu vorgesehen sein, von dem Stator abgewandt zu sein. An der Rückseite des Magnetträgers kann eine ebene Anlagefläche zur Anlage des Magnetträgers an die Anlagefläche des flussführenden Trägers des Rotors vorgesehen sein.
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Der Magnetträger ist bevorzugt derart ausgebildet, dass an der Stator-Seite und/oder an der Rückseite die Stirnflächen der einzelnen Magneten unbedeckt bleiben, insbesondere derart, dass die Stirnflächen der einzelnen Magneten an der Rückseite direkt den flussführenden Träger berühren, und/oder derart, dass die Stirnflächen der einzelnen Magneten an der Stator-Seite unbedeckt dem Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator zugewandt sind. Mit anderen Worten, der Magnetträger kann als offener Magnetträger ausgebildet sein und/oder der Magnetträger kann in axialer Richtung nicht geschlossen sein. So kann eine elektrische Maschine mit einer besonders hohen Leistungsdichte bereitgestellt werden.
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Der Rotor umfasst ferner eine um den äußeren Rand des Magnetträgers angeordnete ringförmige Bandage, durch die eine in radialer Richtung (auf die Rotorachse zu) wirkende Kraft auf den Magnetträger bewirkt wird. Die Bandage ist bevorzugt derart breit (in axialer Richtung) ausgebildet, dass die Bandage auch den äußeren Rand des flussführenden Trägers bedeckt. Die Bandage kann aus einem kohlefaserverstärkten Kunststoff bestehen.
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Die Bandage und der Magnetträger können eine Übermaßpassung zueinander aufweisen. So kann die in radialer Richtung wirkende Kraft in besonders effizienter und zuverlässiger Weise bewirkt werden.
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Durch die in radialer Richtung wirkende Kraft kann bewirkt werden, dass die einzelnen Magneten verstärkt in dem Magnetträger gehalten werden, auch bei Vorliegen von Kräften, die in axialer Richtung auf die einzelnen Magneten wirken. So kann in effizienter Weise eine Axialflussmaschine mit erhöhter Leistungsdichte und/oder Drehzahl bereitgestellt werden.
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Ferner sind in dem beschriebenen Rotor die einzelnen Magneten näher an dem Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator angeordnet als der flussführende Träger. Dies kann dazu führen, dass bei Einwirken der Fliehkraft auf die einzelnen Magneten, der flussführende Träger von dem Stator weg gebogen wird, sodass die Spaltbreite des Luftspalts erhöht wird. Dies ermöglicht es, bei relativ hohen Drehzahlen auf eine Rotorflussschwächung zu verzichten, sodass auch bei relativ hohen Drehzahlen die volle Leistung der elektrischen Maschine genutzt werden kann.
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Der Magnetträger weist typischerweise eine Vielzahl von Aussparungen (bzw. Durchbrüchen) für die entsprechende Vielzahl von Magneten auf. Dabei kann jeder einzelne Magnet jeweils in einer Aussparung angeordnet sein, die den jeweiligen Magneten umrandet. Insbesondere kann dabei ein in radialer Richtung äußerer Rand des jeweiligen Magneten einen äußeren Rand der entsprechenden Aussparung des Magnetträgers berühren. In entsprechender Weise können sich die Ränder der einzelnen Magneten und der entsprechenden Aussparungen umlaufend berühren.
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Der Magnetträger ist bevorzugt derart ausgebildet, dass durch die von der Bandage bewirkten (zur Rotorachse hinwirkenden) Kraft der Wert der Reibungskraft zwischen dem äußeren Rand des Magneten und dem äußeren Rand der entsprechenden Aussparung erhöht wird. Durch die Bandage kann somit in effizienter Weise eine erhöhte Reibungskraft zwischen dem Magnetträger und den einzelnen Magneten bewirkt werden, wodurch die Magneten in effizienter und zuverlässiger Weise gegen axial wirkende Kräfte abgesichert werden.
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Alternativ oder ergänzend kann der Magnetträger (in Zusammenwirken mit der Bandage) derart ausgebildet sein, dass bei Einwirken einer durch Drehung des Rotors bewirkten Fliehkraft der Wert der Reibungskraft zwischen dem äußeren Rand des Magneten und dem äußeren Rand der entsprechenden Aussparung erhöht wird. Insbesondere kann durch die Fliehkraft die durch die Bandage bewirkte Gegenkraft erhöht werden, wodurch wiederum die Reibungskraft erhöht wird, sodass die Magneten gegen axial wirkende Kräfte abgesichert werden.
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Der Rotor kann eine Vielzahl von Klemmen (oder Sicherungen) umfassen, die ausgebildet ist, die entsprechende Vielzahl von Magneten in axialer Richtung gegen den flussführenden Träger zu drücken. Dabei können die einzelnen Klemmen jeweils auf den in radialer Richtung inneren Rand des entsprechenden Magneten einwirken. Die einzelnen Klemmen können jeweils mit einer Schraube an dem flussführenden Träger fixiert sein, sodass von den einzelnen Klemmen jeweils eine in axialer Richtung wirkende Rückhaltekraft aufgebracht wird. Durch die Bereitstellung von Klemmen kann die Absicherung der Magneten gegen axial wirkende Kräfte weiter erhöht werden, sodass die Drehzahl und/oder die Leistungsdichte der elektrischen Maschine weiter erhöht werden können.
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Die einzelnen Magneten können jeweils eine Vertiefung (in radialer Richtung) für die entsprechende Klemme aufweisen. Dabei ist die Vertiefung eines Magneten bevorzugt derart ausgebildet, dass die auf den Magneten einwirkende Klemme in radialer Richtung nicht über die von der Vielzahl von Magneten gebildeten Luftspalt-Ebene (d.h. nicht über die Stator-Ebene des Magnetträgers) hinaussteht. Die Luftspalte-Ebene (d.h. die Stator-Ebene des Magnetträgers) kann senkrecht zu der Rotorachse angeordnet sein. Ferner kann die Luftspalt-Ebene dafür vorgesehen sein, dem Stator der Axialflussmaschine zugewandt zu sein.
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Durch die Bereitstellung von Vertiefungen in den einzelnen Magneten kann ein axiales Überstehen der Klemmen (zum Stator hin) vermieden werden, was einen relativ schmalen Luftspalt und somit eine relativ hohe Leistungsdichte der Axialflussmaschine ermöglicht.
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Der Magnetträger kann eine Vielzahl von Bohrungen aufweisen. Ferner kann der flussführende Träger eine Vielzahl von Bohrungen aufweisen, die fluchtend zu der entsprechenden Vielzahl von Bohrungen des Magnetträgers angeordnet ist. Der Magnetträger und der flussführende Träger können dann in effizienter und zuverlässiger Weise über die Vielzahl von fluchtend angeordneten Bohrungen miteinander verbunden (insbesondere miteinander verschraubt) sein.
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Der Magnetträger kann insbesondere eine Vielzahl von Bohrungen für die entsprechende Vielzahl von Aussparungen aufweisen. An jeder Aussparung des Magnetträgers kann somit eine Bohrung angeordnet sein. Ferner kann der flussführende Träger eine entsprechende Vielzahl von Bohrungen aufweisen, die fluchtend zu der entsprechenden Vielzahl von Bohrungen des Magnetträgers angeordnet ist. Der Rotor kann dann eine Vielzahl von Schrauben umfassen, die in den entsprechenden Bohrungen des flussführenden Trägers und des Magnetträgers angeordnet ist, und die ausgebildet ist, die entsprechende Vielzahl von Klemmen in axialer Richtung gegen die entsprechende Vielzahl von Magneten zu drücken, um die Vielzahl von Magneten an dem flussführenden Träger zu fixieren. So kann eine besonders effiziente und zuverlässige Absicherung der Magneten in Bezug auf axial wirkende Kräfte bewirkt werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine Axialflussmaschine beschrieben, die z.B. zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs ausgelegt ist. Die Axialflussmaschine umfasst einen Stator und zumindest einen Rotor, der wie in diesem Dokument beschrieben ausgebildet ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein (Straßen-) Kraftfahrzeug (insbesondere ein Personenkraftwagen oder ein Lastkraftwagen oder ein Bus oder ein Motorrad) beschrieben, das die in diesem Dokument beschriebene elektrische Maschine umfasst.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors für eine elektrische Axialflussmaschine beschrieben. Das Verfahren umfasst das Einbinden einer Vielzahl von Magneten, die um eine Rotorachse des Rotors angeordnet ist, in einen Magnetträger. Das Verfahren umfasst ferner das Anordnen, insbesondere das Befestigen, des Magnetträgers an einem flussführenden Träger. Des Weiteren umfasst das Verfahren das Anordnen einer ringförmigen Bandage um den äußeren Rand des Magnetträgers (und ggf. um den äußeren Rand des flussführenden Trägers), sodass durch die Bandage eine in radialer Richtung (zu der Rotorachse hin) wirkende Kraft auf den Magnetträger bewirkt wird.
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Es ist zu beachten, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme sowohl alleine, als auch in Kombination mit anderen in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen verwendet werden können. Des Weiteren können jegliche Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren, Vorrichtungen und Systemen in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche in vielfältiger Weise miteinander kombiniert werden. Ferner sind in Klammern aufgeführte Merkmale als optionale Merkmale zu verstehen.
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Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei zeigen
- 1a eine beispielhafte Axialflussmaschine in einer seitlichen Ansicht;
- 1b eine beispielhafte Axialflussmaschine in einer perspektivischen Ansicht;
- 2a einen beispielhaften flussführenden Träger;
- 2b einen beispielhaften Magnetträger;
- 2c eine beispielhafte Anordnung von Permanentmagneten;
- 3a einen beispielhaften Magnetträger mit eingesetzten Magneten;
- 3b eine Anordnung des Magnetträgers relativ zu dem flussführenden Träger;
- 3c einen an dem flussführenden Träger befestigten Magnetträger;
- 3d einen Rotor mit einer den flussführenden Träger und den Magnetträger umrandenden Bandage;
- 4 eine Schnittansicht durch den Rotor; und
- 5 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zur Herstellung eines Rotors für eine Axialflussmaschine.
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Wie eingangs dargelegt, befasst sich das vorliegende Dokument mit der Bereitstellung eines Rotors für eine Axialflussmaschine, der ein möglichst geringes Gewicht aufweist, der in möglichst effizienter Weise hergestellt werden kann, und der eine möglichst hohe Leistungsdichte ermöglicht. In diesem Zusammenhang zeigen 1a und 1b eine beispielhafte Axialflussmaschine 100, die einen Stator 100 und zwei, den Stator 100 umgebende, Rotoren 120 aufweist. Die Rotoren 120 sind fest mit der Welle 101 der elektrischen Maschine 100 verbunden, wobei die Welle 101 in dem dargestellten Beispiel entlang der z-Achse eines kartesischen Koordinatensystems angeordnet ist. Der Stator 110 ist ausgebildet ist, einen magnetischen Fluss 102 zu erzeugen, der in axialer Richtung zu den Rotoren 120 verläuft, und der ausgebildet ist, eine Drehbewegung der Rotoren 120 um die Rotorachse der Rotoren 120 zu bewirken, wobei die Rotorachse der Rotoren 120 koaxial zu der Welle 101 der elektrischen Maschine verläuft.
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Wie in 1b dargestellt, weist der Stator 110 unterschiedliche Segmente 111 auf, die gleichverteilt um die Welle 101 angeordnet sind. Dabei weisen direkt benachbarte Segmente 111 jeweils unterschiedliche magnetische Polaritäten, insbesondere „N“ für Norden und „S“ für Süden, auf. Durch die unterschiedlichen Segmente 111 wird der magnetische Fluss 102 erzeugt. In den einzelnen Segmenten 111 können jeweils elektrische Windungen angeordnet sein, die jeweils ausgebildet sind, ein magnetisches Feld zu erzeugen.
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Die einzelnen Rotoren 120 weisen ebenfalls unterschiedliche Segmente 121 mit unterschiedlichen magnetischen Polaritäten auf. Dabei können in den einzelnen Segmenten 121 jeweils Permanentmagneten angeordnet sein. Die unterschiedlichen Segmente 121 können gleichverteilt um die Welle 101 bzw. um die Rotationsachse angeordnet sein. Ferner können direkt benachbarte Segmente 121 jeweils entgegengesetzte magnetische Polaritäten aufweisen.
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Wie in 1b veranschaulicht, verläuft der magnetische Fluss 102, der jeweils durch ein Paar von direkt benachbarten Segmenten 111 des Stators 110 erzeugt wird, durch jeweils ein entsprechendes Paar von direkt benachbarten Segmenten 121 der beiden Rotoren 120. Durch entsprechende Bestromung der Windungen der einzelnen Segmente 111 des Stators 110 kann bewirkt werden, dass der magnetische Fluss 102 um die Welle 101 bzw. Rotorachse rotiert, und damit die Rotoren 120 der elektrischen Maschine 100 antreibt.
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Eine elektrische Maschine 100 mit einer relativ hohen Leistungsdichte weist typischerweise eine relative hohe magnetische Flussdichte auf, was zu relativ hohen axialen Kräften auf die Magneten der ein oder mehreren Rotoren 120 der elektrischen Maschine 100 führt. Ferner wirken bei relativ hohen Drehzahlen relativ hohe radiale (Flieh-) Kräfte auf die Magneten der ein oder mehreren Rotoren 120. In dem vorliegenden Dokument wird ein Rotor für eine elektrische Maschine 100 beschrieben, der ausgebildet ist, relativ hohe axiale und/oder radiale Kräfte aufzunehmen, um eine elektrische Maschine 100 mit hoher Leistungsdichte und hoher Drehzahl bereitzustellen, wobei der Rotor 120 ein relativ niedriges Gewicht aufweist und in effizienter Weise hergestellt werden kann.
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Unterschiedliche Komponenten des Rotors 120 sind in den 2a bis 2c dargestellt. Ferner sind in den 3a bis 3d unterschiedliche Zwischenschritte bei der Herstellung des Rotors 120 veranschaulicht. Des Weiteren zeigt 4 einen Schnitt durch einen Teil des Rotors 120.
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Der Rotor 120 weist einen flussführenden Träger 210 auf, wie beispielhaft in 2a dargestellt. Der flussführende Träger 210 ist in dem dargestellten Beispiel als runde Scheibe mit einer zentralen Öffnung 212 für die Welle 101 der elektrischen Maschine 100 und/oder für die Rotorachse des Rotors 120 ausgebildet. Ferner weist der flussführende Träger 210 eine Anlagefläche 213 auf, an die die Magneten des Rotors 120 angelegt werden können. Der flussführende Träger 210 besteht aus einem Material, welches z.B. Eisen aufweist, das ausgebildet ist, den magnetischen Fluss 102 zu führen, und von einem Segment 121 des Rotors 120 zu einem direkt benachbarten Segment 121 des Rotors 120 umzulenken.
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Ferner kann der flussführende Träger 210 Bohrungen 211 aufweisen, die gleichmäßig um die Rotorachse verteilt angeordnet sein können. Dabei kann für jedes Segment 121 und/oder für jeden Magneten des Rotors 120 jeweils (genau) eine Bohrung 211 bereitgestellt werden. Eine Bohrung 211 kann dazu verwendet werden, einen entsprechenden Magneten an dem flussführenden Träger 210 zu fixieren, z.B. zu verschrauben.
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2b zeigt einen beispielhaften Magnetträger 220, der ausgebildet ist, die einzelnen Magneten 230 (siehe 2c) des Rotors 120 zu tragen und/oder zu positionieren. Der Magnetträger 220 kann eine Vielzahl von Aussparungen (insbesondere Durchbrüchen) 224 für die entsprechende Vielzahl von Magneten 230 aufweisen. Die Aussparungen 224 können gleichmäßig um die Rotorachse verteilt sein, entsprechend zu der Verteilung der unterschiedlichen Segmente 121 des Rotors 120. In jeder der Aussparungen 224 kann jeweils genau ein Magnet 230 platziert werden. Dabei kann der Magnetträger 220 ggf. anhand eines Spritzgussverfahrens hergestellt werden, bei dem das Material des Magnetträgers 220 um die korrekt platzierten Magneten 230 gegossen und anschließend ausgehärtet wird, um die Magneten 230 an den jeweiligen Positionen innerhalb des Magnetträgers 220 zu fixieren.
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Der Magnetträger 220 kann eine zentrale Öffnung 222 für die Rotorachse aufweisen. Ferner kann der Magnetträger 220 eine Vielzahl von Bohrungen 221 aufweisen, die an der entsprechenden Vielzahl von Aussparungen 224 angeordnet ist. Die einzelnen Bohrungen 221 des Magnetträgers 220 können dabei fluchtend zu den entsprechenden Bohrungen 211 des flussführenden Trägers 210 angeordnet sein, sodass jeweils eine Schraube in ein Paar von fluchtend angeordneten Bohrungen 211, 221 eingeführt werden kann, um einen Magneten 230 zu fixieren.
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Der Magnetträger 220 weist bevorzugt eine Anlagefläche 223 auf, mit der der Magnetträger 220 an die Anlagefläche 213 des flussführenden Trägers 210 angelegt werden kann, um den Magnetträger 220 mit den Magneten 230 an dem flussführenden Träger 210 zu befestigen. Der Magnetträger 220 weist ein im Wesentlich magnetisch neutrales Material, wie z.B. Kunststoff, auf.
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Die einzelnen Magneten 230 können, wie in 2c dargestellt, an der zur Rotorachse hin ausgerichteten Kante jeweils eine Einkerbung bzw. Vertiefung 231 aufweisen, in die eine Klemme angeordnet werden kann, um den jeweiligen Magneten 230 an dem flussführenden Träger 210 festzuklemmen. Die Klemme für einen Magneten 230 kann einen ersten Bereich aufweisen, der in die Vertiefung 231 des Magneten 230 eingreift. Ein zweiter Bereich der Klemme kann z.B. eine Bohrung aufweisen, die fluchtend mit den Bohrungen 221, 211 des Magnetträgers 220 und des flussführenden Trägers 210 angeordnet ist, sodass die Klemme durch eine Schraube, die durch die fluchtend angeordneten Bohrungen 221, 211 geführt wird, an dem flussführenden Träger 210 fixiert werden kann und damit eine in axialer Richtung wirkende Rückhaltekraft auf den Magneten 230 bewirken kann.
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3a zeigt den Magnetträger 220, in dem die einzelnen Magneten 230 (jeweils innerhalb einer entsprechenden Aussparung 224 des Magnetträgers 220) angeordnet sind. Der Magnetträger 220 mit den Magneten 230 kann an der Anlagefläche 213 des flussführenden Trägers 210 platziert werden (wie in den 3b und 3c dargestellt). Anschließend kann in die einzelnen Vertiefungen 231 jeweils eine Klemme 310 eingebracht und (etwa mittels einer Schraube) fixiert werden. So kann in effizienter und zuverlässiger Weise der Magnetträger 220 an dem flussführenden Träger 210 fixiert werden. Ferner können so die einzelnen Magneten 230 an dem flussführenden Träger 210 fixiert werden. Dabei kann durch die einzelnen Klemmen 310 eine Rückhaltekraft in axialer Richtung bewirkt werden.
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Wie in 3d dargestellt, kann um die Anordnung aus (kreisförmigem) Magnetträger 220 und (kreisförmigem) flussführenden Träger 210 eine ringförmige Bandage 330 angeordnet werden, die ausgebildet ist, Kräfte in radialer Richtung (zu der Rotorachse hin) aufzunehmen. Durch die Bandage 330 kann insbesondere eine Verformung des Magnetträgers 220 bei Einwirkung von Fliehkräften vermieden werden. Ferner kann durch die Bandage 330 erreicht werden, dass bei Einwirken von Fliehkräften auf den Rotor 120 relativ hohe Reibungskräfte zwischen der in radialer Richtung äußeren Kante der einzelnen Magneten 230 und der daran angrenzenden Kanten der einzelnen Aussparungen 224 des Magnetträgers 220 wirken, durch die die einzelnen Magneten 230 in axialer Richtung an dem flussführenden Träger 210 gehalten werden. Die Bandage 330 ermöglicht somit eine effiziente und zuverlässige Fixierung der Vielzahl von Magneten 230 bei Einwirken von relativ hohen Fliehkräften, d.h. bei relativ hohen Drehzahlen des Rotors 120.
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Die Bandage 330 kann z.B. aus einem Kohlefaser-verstärkten Material bestehen. Dabei können die einzelnen Kohlefasern zumindest bevorzugt in Umfangrichtung ausgerichtet sein, um eine Bandage 330 mit einer hohen Festigkeit und/oder mit einer geringen Elastizität bereitzustellen.
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4 zeigt einen beispielhaften Schnitt durch den Rotor 120. Dabei ist in 4 der Bereich des Rotors 120 von der zentralen Öffnung 212, 222 bis zu der äußeren Kante des Rotors 120 dargestellt, an der die Bandage 330 angeordnet ist. 4 zeigt den flussführenden Träger 210 mit dem daran anliegenden Magnetträger 220, in dem ein Magnet 230 angeordnet ist. Ferner zeigt 4 eine Klemme 310, die in der Vertiefung 231 des Magneten 230 angeordnet ist, und die durch eine Schraube 400 fixiert ist und dadurch den Magneten 230 in axialer Richtung gegen den flussführenden Träger 210 drückt. Die Schraube 400 ist in den entsprechenden Bohrungen 211, 221 des Magnetträgers 220 und des flussführenden Trägers 210 angeordnet. Dabei kann die Bohrung 211 des flussführenden Trägers 210 ggf. ein Gewinde für die Schraube 400 aufweisen.
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Es wird somit ein Rotor 120 für eine Axialflussmaschine 100 beschrieben, insbesondere ein Rotor für eine permanenterregte Synchronmaschine (PSM). Bei Rotoren 120 für eine Axialflussmaschine 100 ist es typischerweise eine Herausforderung, eine mechanische Konstruktion bereitzustellen, die ähnlich hohe maximal mögliche Drehzahlen ermöglicht, wie eine Radialflussmaschine.
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In den beschriebenen Rotor 120 werden die einzelnen Magnete 230 in eine Kunststofftragstruktur 220 eingebunden, z.B. eingegossen. Die magnetische Flussführung erfolgt über eine Tragstruktur 210 des Rotors 120 selbst, wobei die Tragstruktur 210 eine möglichst große Magnetüberdeckung mit dem Stator 110 und einen möglichst hohen magnetischen Rotorfluss ermöglicht. Die Fliehkraft kann über eine Bandage 330, insbesondere eine CFK (carbonfaserverstärkter Kunststoff)-Bandage, abgetragen werden, wobei sich die Bandage 330 bevorzugt auf der magnetflussführenden Tragstruktur 210 und auf der Kunststofftragstruktur 220 abstützt.
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Die einzelnen Magnete 230 werden an ihrer radial äußersten Position jeweils durch die Reibkraft zwischen Magnet 230 und Kunststofftragstruktur 220 gehalten. Die Reibkraft kann dabei von einem Übermaß zwischen Bandage 330 und Kunststofftragstruktur 220 und/oder von der Fliehkraft und somit von der Drehzahl des Rotors 120 abhängig sein. Die auf die einzelnen Magneten 230 wirkende Reibkraft kann für die Anforderungen, insbesondere für die Leistungen und/oder die Drehzahl, der elektrischen Maschine 100 ausgelegt sein.
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Durch eine derartige Fixierung der einzelnen Magneten 230 kann auf eine weitere axiale Kapselung der einzelnen Magneten 230 in Richtung des Stators 110 verzichtet werden, wodurch eine besonders gewichtssparende und effiziente Konstruktion des Rotors 120 ermöglicht wird.
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Ein weiterer Vorteil der beschriebenen Bauform ist, dass es durch die Versetzung der axialen Schwerpunktlage der Magnete 230 relativ zu der axialen Schwerpunktlage der flussführenden Tragstruktur 210 bei Fliehkraftbelastung zu einem Aufweiten des Luftspalts zwischen dem Rotor 120 und dem Stator 110 kommen kann. Dies bewirkt eine Schwächung des magnetischen Flusses 102 über den Luftspalt zwischen Rotor 120 und Stator 110 und kann, insbesondere bei geeigneter Steifigkeitsgestaltung des Rotors 120, dazu führen, dass im Stator 110 keine Rotorflussschwächung vorgenommen werden muss und daher die volle Leistung der elektrischen Maschine 100 bis zu der maximal möglichen Betriebsdrehzahl der elektrischen Maschine 100 genutzt werden kann.
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Die beschriebene Bauart des Rotors 120 ermöglicht einen relativ leichten und kompakten Rotor mit relativ hohen maximal möglichen Drehzahlen (die im Bereich der maximal möglichen Drehzahlen von Rotoren in Radialflussmaschinen liegen).
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5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 500 zur Herstellung eines Rotors 120 für eine elektrische Axialflussmaschine 100. Die Axialflussmaschine 100 kann ausgebildet sein, ein Kraftfahrzeug anzutreiben.
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Das Verfahren 500 umfasst das Einbinden 501 einer Vielzahl von (Permanent-) Magneten 230, die (gleichmäßig) um die Rotorachse des Rotors 120 angeordnet ist, in einen Magnetträger 220. Insbesondere können die Magneten 230 in den Magnetträger 220 eingegossen werden. Dabei kann der Magnetträger 220 ausgebildet sein, die einzelnen Magneten 230 zu umranden. Andererseits werden die Stirnflächen der einzelnen Magneten 230 an der dem Stator 110 der Axialflussmaschine 100 zugewandten Seite und/oder an der von dem Stator 110 abgewandten Seite bevorzugt nicht mit Material des Magnetträgers 220 bedeckt. Die Stirnflächen der einzelnen Magneten 230 sind bevorzugt unbedeckt, um einen ungehinderten magnetischen Fluss 102 zu ermöglichen. Der Magnetträger 220 kann somit einen Rahmen für die einzelnen Magneten 230 bilden.
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Das Verfahren 500 umfasst ferner das Anordnen 502, insbesondere das Befestigen, des Magnetträgers 220 an einem flussführenden Träger 210. Dabei kann der flussführende Träger 210 ausgebildet sein, den von dem Stator 110 der Axialflussmaschine 100 bewirkten magnetischen Fluss 102 zu führen. Der Magnetträger 220 kann z.B. mit dem flussführenden Träger 210 verschraubt werden.
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Des Weiteren umfasst das Verfahren 500 das Anordnen 503 einer ringförmigen Bandage 330 um den äußeren Rand des Magnetträgers 220, sodass durch die Bandage 330 eine in radialer Richtung (zu der Rotorachse hin) wirkende Kraft auf den Magnetträger 220 bewirkt wird. Die Bandage 330 wird bevorzugt auch um den äußeren Rand des flussführenden Trägers 210 angeordnet. Die Bandage 330 kann zu diesem Zweck eine Breite (entlang der axialen Richtung) aufweisen, die im Wesentlichen der kumulierten Breite der äußeren Ränder des Magnetträgers 220 und des flussführenden Trägers 210 entspricht.
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Die Bereitstellung einer Bandage 330 ermöglicht es, (durch Erhöhung der Reibungskraft zwischen den einzelnen Magneten 230 und dem Magnetträger 220) die einzelnen Magneten 230 in besonders effizienter und zuverlässiger Weise in axialer Richtung zu fixieren. So kann ein relativ leichter Rotor 120 bereitgestellt werden, der für relativ hohe Drehzahlen ausgelegt ist.
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Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Insbesondere ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Figuren nur beispielhaft das Prinzip der vorgeschlagenen Verfahren, Vorrichtungen und Systeme veranschaulichen sollen.
