DE102022205857A1

DE102022205857A1 - Rotor einer elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102022205857A1
Application number: DE102022205857.7A
Authority: DE
Inventors: Felix Bensing; Peter Theisinger; Daniel Kuehbacher
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-06-09
Filing date: 2022-06-09
Publication date: 2023-12-14
Also published as: WO2023237298A1

Abstract

Rotor (1) einer elektrischen Maschine, insbesondere einer permanentmagneterregten Synchronmaschine, mit einer um eine Rotorachse (2) drehbaren Rotorwelle (3) und einem auf der Rotorwelle (3) angeordneten Rotorkörper (4), der insbesondere als Rotorblechpaket umfassend eine Vielzahl von Blechlamellen (5) ausgebildet ist, wobei der Rotorkörper (4) mehrere Rotorpole aufweist, wobei in zumindest einem der Rotorpole (4) eine Magnetlage (7) von zumindest einem Magneten (8), insbesondere einem Permanentmagneten, ausgebildet ist, wobei der jeweilige Rotorpol (6) durch die Magnetlage (7) in radialer Richtung bezüglich der Rotorachse (2) in ein Polinnensegment (10) und ein Polaußensegment (11) unterteilt ist, dadurch gekennzeichnet, dass- die Polaußensegmente (11) jeweils zentralsteglos mit dem Polinnensegment (10) des jeweiligen Rotorpols (6) verbunden sind oder dass die Polaußensegmente (11) als separate Polkörper ausgeführt sind,- im Rotorkörper (4) zumindest ein Stützelement (15) zur Fliehkraftabstützung von Polaußensegmenten (11) vorgesehen ist, das jeweils in einem axialen Zwischenraum (16) des Rotorkörpers (4) angeordnet und insbesondere magnetisch nichtleitend ist,- Stützstäbe (17) vorgesehen sind, die in axialen Stützkanälen (18) der Polaußensegmente (11) verlaufen, das jeweilige Polaußensegment (11) an dem jeweiligen Stützelement (15) abstützen und insbesondere elektrisch und magnetisch nichtleitend sind.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Rotor einer elektrischen Maschine nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Es ist schon ein Rotor einer elektrischen Maschine aus der US2016261158 A1 bekannt, mit einer um eine Rotorachse drehbaren Rotorwelle und einem auf der Rotorwelle angeordneten Rotorkörper, der insbesondere als Rotorblechpaket umfassend eine Vielzahl von Blechlamellen ausgebildet ist, wobei der Rotorkörper mehrere Rotorpole aufweist, wobei in zumindest einem der Rotorpole eine Magnetlage von zumindest einem Magneten, insbesondere Permanentmagneten, ausgebildet ist, wobei der jeweilige Rotorpol durch die Magnetlage in radialer Richtung gesehen in ein Polinnensegment und ein Polaußensegment unterteilt ist.
Nachteilig ist, dass die Polaußensegmente der Rotorpole über Brückenstege, die jeweils in einer Polmitte des jeweiligen Rotorpols und am Umfang ausgebildet sind, an den Polinnensegmenten gehalten sind. Die Brückenstege führen zu magnetischen Streuflüssen, wodurch Streuverluste entstehen.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Rotor der elektrischen Maschine mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass die Streuflussverluste durch Entfall von Brückenstegen verringert werden und die Polaußensegmente unter Aufrechterhaltung der Drehzahlfestigkeit auf alternative Weise gegen Fliehkraft abgestützt werden. Dadurch kann eine höhere Leistung der elektrischen Maschine erreicht werden oder es kann bei gleicher Leistung der elektrischen Maschine weniger Magnetmaterial eingesetzt werden.
Dies wird erfindungsgemäß erreicht, indem

- die Polaußensegmente jeweils zentralsteglos mit dem Polinnensegment des jeweiligen Rotorpols verbunden sind oder dass die Polaußensegmente als separate Polkörper ausgeführt sind, und indem
- im Rotorkörper zumindest ein Stützelement zur Fliehkraftabstützung von Polaußensegmenten vorgesehen ist, das jeweils in einem axialen Zwischenraum des Rotorkörpers angeordnet und insbesondere magnetisch nichtleitend ist, und indem
- Stützstäbe vorgesehen sind, die in axialen Stützkanälen der Polaußensegmente verlaufen, das jeweilige Polaußensegment an dem jeweiligen Stützelement abstützen und insbesondere elektrisch und magnetisch nichtleitend oder quasi-nichtleitend sind.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Rotors einer elektrischen Maschine möglich.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführung kann das jeweilige Stützelement nach einem ersten Ausführungsbeispiel eine Stützscheibe oder -lamelle, die insbesondere an der Rotorwelle abgestützt ist, oder nach einem zweiten Ausführungsbeispiel eine Stützwicklung aus Fasermaterial oder eine Stützhülse sein.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführung können die Stützelemente aus Edelstahl, Kohlefaser oder Kohlefaserverbund hergestellt sein. Die Stützstäbe können vorteilhafterweise aus einem Duroplast oder einem Kohlefaserverbund hergestellt sein.
Darüber hinaus vorteilhaft ist, wenn die Stützstäbe im jeweiligen Polaußensegment befestigt, insbesondere in den jeweiligen Stützkanal eingespritzt, eingegossen, eingesteckt, eingeklebt oder eingepresst, und am jeweiligen Stützelement abgestützt sind, insbesondere durch Anliegen. Auf diese Weise wird eine sehr gute Fliehkraftabstützung der Polaußensegmente erreicht.
Weiterhin vorteilhaft ist, wenn mehrere Stützelemente im Rotorkörper vorgesehen sind, die in axialer Richtung bezüglich der Rotorachse über den Rotorkörper verteilt angeordnet sind und zur axialen Mitte des Rotorkörpers hin insbesondere zunehmend mechanisch stärker ausgebildet sind, insbesondere eine zunehmende Scheibendicke bezüglich eines scheibenförmigen Stützelementes oder eine zunehmende Windungszahl bezüglich eines als Wicklung ausgeführten Stützelementes aufweisen. Alternativ können im Rotorkörper mehrere axial ungleichmäßig verteilte Stützelemente gleicher Scheibendicke angeordnet sein, deren Abstände zur axialen Mitte des Rotorkörpers hin kleiner werden. Auf diese Weise wird einer axial ungleichmäßigen und in der axialen Mitte stärkeren Aufweitung des Außenumfangs des Rotors entgegengewirkt.
Sehr vorteilhaft ist es, wenn pro Rotorpol zumindest einer der Stützkanäle vorgesehen ist, der entlang seines axialen Verlaufes im jeweiligen Polaußensegment durch das jeweilige Stützelement hindurchgeführt oder an einer Innenseite des jeweiligen Stützelementes vorbeigeführt ist. Auf diese Weise wird das jeweilige Polaußensegment am jeweiligen Stützelement wirksam abgestützt. Das jeweilige Polaußensegment wird vorteilhafterweise vom jeweiligen Stützkanal in axialer Richtung durchragt, da auf diese Weise wird eine gleichmäßige Kraftverteilung auf den jeweiligen Stützstab erreicht wird.
Auch vorteilhaft ist, wenn das als Stützlamelle ausgeführte Stützelement zur Abstützung der Stützstäbe Stützöffnungen, insbesondere Durchgangsöffnungen, aufweist, die jeweils Teil eines der Stützkanäle sind. Auf diese Weise können die Polaußensegmente über in den Stützkanälen liegenden Stützstäbe an den axial beabstandeten Stützelementen abgestützt werden.
Desweiteren vorteilhaft ist, wenn die Stützkanäle und insbesondere die Stützstäbe einen trapezförmigen, dreieckförmigen, V-förmigen, bogenförmigen, rautenförmigen, ovalen, kreisförmigen oder quadratischen Querschnitt haben. Auf diese Weise kann eine für die mechanische Kraftübertragung, die Elektromagnetik und die Kühlung optimale Anordnung erreicht werden.
Darüber hinaus vorteilhaft ist, wenn an Stirnseiten des Rotorkörpers Deckscheiben angeordnet sind, wobei die Stützkanäle und die Stützstäbe in die Deckscheiben hineinreichen oder die Deckscheiben durchragen, wobei die Stützstäbe in den Deckscheiben befestigt sind, insbesondere radial abgestützt sind. Darüber hinaus kann durch die Deckscheiben auch eine axiale Fixierung gewährleistet werden. Auf diese Weise können radiale Kräfte abgestützt werden, da die Deckscheiben eine größere Festigkeit (z.B. Wandstärke) aufweisen als die Stützelemente. Außerdem oder alternativ können auch axiale Kräfte aufgenommen und damit axiale Verschiebungen verhindert werden.
Vorteilhaft ist, wenn der Rotorkörper von einer Rotorhülse umschlossen ist, die insbesondere eine vorgespannte Faserverbund-Bandage ist. Durch die erfindungsgemäße Abstützung der Polaußensegmente kann die Rotorhülse in radialer Richtung bezüglich der Rotorachse dünner ausgeführt werden.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine elektrische Maschine mit einem erfindungsgemäßen Rotor.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

1 zeigt im Schnitt einen erfindungsgemäßen Rotor einer elektrischen Maschine gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
2 eine Schnittansicht des Rotors entlang einer Linie II-II in 1,
3 eine Schnittansicht des Rotors durch ein erfindungsgemäßes scheibenförmiges Stützelement entlang einer Linie III-III in 1,
4 im Schnitt einen erfindungsgemäßen Rotor einer elektrischen Maschine gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt im Schnitt einen erfindungsgemäßen Rotor einer elektrischen Maschine gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel.
Der erfindungsgemäße Rotor 1 einer elektrischen Maschine, insbesondere einer permanentmagneterregten Synchronmaschine, umfasst eine um eine Rotorachse 2 drehbare Rotorwelle 3 und einen auf der Rotorwelle 3 drehfest angeordneten Rotorkörper 4, der insbesondere als Rotorblechpaket umfassend eine Vielzahl von Blechlamellen 5 ausgebildet ist.
2 zeigt eine Schnittansicht des Rotors entlang einer Linie II-II in 1.
Der Rotorkörper 4 weist mehrere Rotorpole 6 auf, wobei in zumindest einem, insbesondere allen, der Rotorpole 6 eine Magnetlage 7 von zumindest einem Magneten 8, insbesondere einem Permanentmagneten, ausgebildet ist. Die Magnetlage 7 ist beispielsweise V-förmig, U-förmig oder bogenförmig ausgeführt. Die Magnetlage 7 verläuft beidseitig einer Polmitte 6.1 des Rotorpols 6 und ist insbesondere symmetrisch bezüglich der Polmitte 6.1 ausgebildet.
Der jeweilige Rotorpol 6 ist durch die Magnetlage 7 in radialer Richtung bezüglich der Rotorachse 2 in ein Polinnensegment 10 und ein Polaußensegment 11 unterteilt.
In dem jeweiligen Rotorpol 6 ist zwischen dem Polaußensegment 11 und dem Polinnensegment 10 eine Magnettasche 12 zur Aufnahme der Magnete 8 der Magnetlage 7 gebildet.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass

- die Polaußensegmente 11 jeweils zentralsteglos mit dem Polinnensegment 10 des jeweiligen Rotorpols 6 verbunden sind oder dass die Polaußensegmente 11 als separate Polkörper ausgeführt sind,
- im Rotorkörper 4 zumindest ein Stützelement 15 zur Fliehkraftabstützung von Polaußensegmenten 11 vorgesehen ist, das jeweils in einem axialen Zwischenraum 16 des Rotorkörpers 4 angeordnet und insbesondere magnetisch nichtleitend ist,
- Stützstäbe 17 vorgesehen sind, die in axialen Stützkanälen 18 der Polaußensegmente 11 verlaufen, das jeweilige Polaußensegment 11 an dem jeweiligen Stützelement 15 abstützen und insbesondere elektrisch und magnetisch nichtleitend oder quasi-nichtleitend sind.

Auf diese Weise werden durch den Entfall von Brückenstegen Streuflussverluste verringert und die Polaußensegmente unter Aufrechterhaltung der Drehzahlfestigkeit auf alternative Weise gegen Fliehkraft abgestützt.
Unter dem Begriff „zentralsteglos“ wird verstanden, dass im jeweiligen Rotorpol 6 das Polaußensegment 11 mit dem Polinnensegment 10 nur über Brückenstege 20 verbunden ist, die in Umfangsrichtung verlaufen und beispielsweise an einem der Lagenenden der Magnetlage 7 und/oder am Umfang des Rotorkörpers 4 angeordnet sind. Es ist erfindungsgemäß also kein Brückensteg vorhanden, der als Zentralsteg in radialer Richtung bezüglich der Rotorachse 2 verläuft und auf einer oder nahe einer Polmitte 6.1 des jeweiligen Rotorpols 6 angeordnet ist. Nach der Ausführung in 2 sind in der Magnetlage 7 beispielsweise zwei Magnete 8 vorgesehen, wobei ein zwischen den beiden Magneten 8 gebildeter Zentralbereich 9 der Magnetlage 7 brückensteglos bzw. zentralsteglos ausgebildet ist.
Unter separaten Polkörpern wird verstanden, dass die Polinnensegmente 10 der Rotorpole 6 des Rotorkörpers 4 einstückig als Innenkörper und die Polaußensegmente gegenüber dem Innenkörper als separate Polkörper ausgebildet sind.
3 zeigt eine Schnittansicht des Rotors durch ein erfindungsgemäßes scheibenförmiges Stützelement entlang einer Linie III-III in 1.
Das jeweilige Stützelement 15 ist nach dem ersten Ausführungsbeispiel eine Stützscheibe oder -lamelle, die insbesondere an der Rotorwelle 3 abgestützt ist.
Die magnetisch nichtleitenden Stützelemente 15 sind beispielsweise aus Edelstahl, Kohlefaser oder Kohlefaserverbund hergestellt. Die Stützstäbe 17 sind im jeweiligen Polaußensegment 11 befestigt, insbesondere in den jeweiligen Stützkanal 18 eingespritzt, eingegossen, eingesteckt, eingeklebt oder eingepresst, und am jeweiligen Stützelement 15 abgestützt, insbesondere durch Anliegen. Beispielsweise sind die Stützstäbe 17 aus einem Duroplast oder einem Kohlefaserverbund hergestellt.
Im Rotorkörper 4 können nach 1 mehrere Stützelemente 15 vorgesehen sein, die in axialer Richtung über den Rotorkörper 4 verteilt angeordnet sind. Die mehreren scheibenförmigen Stützelemente 15 können zur axialen Mitte des Rotorkörpers 4 hin zunehmend mechanisch stärker ausgebildet sein, insbesondere eine zunehmende Scheibendicke d aufweisen.
Nach 1 und 2 ist pro Rotorpol 6 zumindest einer der Stützkanäle 18 vorgesehen ist, der entlang seines axialen Verlaufes im jeweiligen Polaußensegment 11 durch das Stützelement 15 hindurchgeführt ist und der insbesondere das jeweilige Polaußensegment 11 in axialer Richtung durchragt. Das als Stützscheibe oder -lamelle ausgeführte Stützelement 15 hat zur Abstützung der Stützstäbe 17 Stützöffnungen 19, insbesondere Durchgangsöffnungen, die jeweils Teil eines der Stützkanäle 18 sind.
Die Stützkanäle 18 und insbesondere die Stützstäbe 17 können einen trapezförmigen, dreieckförmigen, V-förmigen, bogenförmigen, rautenförmigen, ovalen, kreisförmigen oder quadratischen Querschnitt haben.
An Stirnseiten des Rotorkörpers 4 sind nach 1 beispielsweise Deckscheiben 22 angeordnet, wobei die Stützkanäle 18 und die Stützstäbe 17 in die Deckscheiben 22 hineinreichen oder die Deckscheiben 22 durchragen. Die Stützstäbe 17 sind mit ihren Stabenden in den Deckscheiben 22 befestigt.
Der Rotorkörper 4 kann zur Erhöhung der Drehzahlfestigkeit von einer Rotorhülse 23 umschlossen sein, die insbesondere eine vorgespannte Faserverbund-Bandage ist.
4 zeigt im Schnitt einen erfindungsgemäßen Rotor einer elektrischen Maschine gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel darin, dass das zumindest eine Stützelement keine Scheibe oder Lamelle, sondern eine Stützwicklung aus Fasermaterial oder eine Stützhülse ist.
Wenn im Rotorkörper 4 mehrere Stützelemente 15 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel axial verteilt vorgesehen sind, können diese zur axialen Mitte des Rotorkörpers 4 hin zunehmend mechanisch stärker ausgebildet sein, beispielsweise indem für diese zur axialen Mitte hin eine zunehmende Windungszahl der jeweiligen Faserwicklung vorgesehen ist.
Die erfindungsgemäßen Stützkanäle 18 sind nach dem zweiten Ausführungsbeispiel an einer Innenseite des jeweiligen Stützelementes 15 vorbeigeführt ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2016261158 A1 [0001]

Claims

Rotor (1) einer elektrischen Maschine, insbesondere einer permanentmagneterregten Synchronmaschine, mit einer um eine Rotorachse (2) drehbaren Rotorwelle (3) und einem auf der Rotorwelle (3) angeordneten Rotorkörper (4), der insbesondere als Rotorblechpaket umfassend eine Vielzahl von Blechlamellen (5) ausgebildet ist, wobei der Rotorkörper (4) mehrere Rotorpole aufweist, wobei in zumindest einem der Rotorpole (4) eine Magnetlage (7) von zumindest einem Magneten (8), insbesondere einem Permanentmagneten, ausgebildet ist, wobei der jeweilige Rotorpol (6) durch die Magnetlage (7) in radialer Richtung bezüglich der Rotorachse (2) in ein Polinnensegment (10) und ein Polaußensegment (11) unterteilt ist, dadurch gekennzeichnet, dass - die Polaußensegmente (11) jeweils zentralsteglos mit dem Polinnensegment (10) des jeweiligen Rotorpols (6) verbunden sind oder dass die Polaußensegmente (11) als separate Polkörper ausgeführt sind, - im Rotorkörper (4) zumindest ein Stützelement (15) zur Fliehkraftabstützung von Polaußensegmenten (11) vorgesehen ist, das jeweils in einem axialen Zwischenraum (16) des Rotorkörpers (4) angeordnet und insbesondere magnetisch nichtleitend ist, - Stützstäbe (17) vorgesehen sind, die in axialen Stützkanälen (18) der Polaußensegmente (11) verlaufen, das jeweilige Polaußensegment (11) an dem jeweiligen Stützelement (15) abstützen und insbesondere elektrisch und magnetisch nichtleitend sind.
Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Stützelement (15) eine Stützscheibe oder -lamelle, die insbesondere an der Rotorwelle (3) abgestützt ist, eine Stützwicklung aus Fasermaterial oder eine Stützhülse ist.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass a. die Stützelemente (15) aus Edelstahl, Kohlefaser oder Kohlefaserverbund hergestellt sind, und/oder dass b. die Stützstäbe (17) im jeweiligen Polaußensegment (11) befestigt, insbesondere in den jeweiligen Stützkanal (18) eingespritzt, eingegossen, eingesteckt, eingeklebt oder eingepresst, und am jeweiligen Stützelement (15) abgestützt sind, insbesondere durch Anliegen, und aus einem Duroplast oder einem Kohlefaserverbund hergestellt sind.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Stützelemente (15) im Rotorkörper (4) vorgesehen sind, die in axialer Richtung bezüglich der Rotorachse (2) über den Rotorkörper (4) verteilt angeordnet sind und zur axialen Mitte des Rotorkörpers (4) hin insbesondere mechanisch stärker ausgebildet sind, insbesondere eine zunehmende Scheibendicke (d) bezüglich eines scheibenförmigen Stützelementes (15) oder eine zunehmende Windungszahl bezüglich eines als Wicklung ausgeführten Stützelementes (15) aufweisen.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass pro Rotorpol (6) zumindest einer der Stützkanäle (18) vorgesehen ist, der a. entlang seines axialen Verlaufes im jeweiligen Polaußensegment (11) durch das jeweilige Stützelement (15) hindurchgeführt oder an einer Innenseite des jeweiligen Stützelementes (15) vorbeigeführt ist und der b. insbesondere das jeweilige Polaußensegment (11) in axialer Richtung durchragt.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das als Stützlamelle ausgeführte Stützelement (15) zur Abstützung der Stützstäbe (17) Stützöffnungen (19), insbesondere Durchgangsöffnungen, aufweist, die jeweils Teil eines der Stützkanäle (18) sind.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützkanäle (18) und insbesondere die Stützstäbe (17) einen trapezförmigen, dreieckförmigen, V-förmigen, bogenförmigen, rautenförmigen, ovalen, kreisförmigen oder quadratischen Querschnitt haben.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an Stirnseiten des Rotorkörpers (4) Deckscheiben (22) angeordnet sind, wobei die Stützkanäle (18) und die Stützstäbe (17) in die Deckscheiben (22) hineinreichen oder die Deckscheiben (22) durchragen, wobei die Stützstäbe (17) in den Deckscheiben (22) befestigt sind.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorkörper (4) von einer Rotorhülse (23) umschlossen ist, die insbesondere eine vorgespannte Faserverbund-Bandage ist.
Elektrische Maschine mit einem Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.