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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Rotor für eine sich drehende elektrische
Maschine des permanentmagnetischen Typs mit Permanentmagneten zum
Zusammenwirken mit auf Ankern eines Stators ausgebildeten Wicklungen.
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Sowohl
bei Motoren als auch bei Generatoren, die in Fahrzeugen, wie z.B.
Motorrädern
verwendet werden, ist eine sich drehende Maschine bekannt, bei der
Permanentmagnete an einem Rotor rings um einen Stator gedreht werden.
Bei einer derartigen Maschine dreht sich nicht nur der Rotor mit hoher
Geschwindigkeit, sondern die Permanentmagnete werden wiederholten
anziehenden und abstoßenden
Kräften
zwischen den Magneten und den Wicklungen des Stators unterworfen.
Dies kann zur Erzeugung von Vibrationen und Geräusch führen. Aufgrund der Qualität und Festigkeit
von Permanentmagneten werden heutzutage Gas-verbesserte und Permanentmagnete
mit einer sehr großen
magnetischen Flussdichte verwendet, wodurch die anziehenden und
abstoßenden
Kräfte
weiter erhöht
werden.
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Um
die Erzeugung von Vibrationen und Geräusch zu vermindern bzw. zu
verhindern, ist ein Rotor mit hoher Festigkeit erwünscht. Es
wurden daher Rotoren mit ei ner großen Dicke verwendet, wobei
der gesamte Rotor aus einem Gussteil mit wesentlicher Dicke hergestellt
wurde.
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Obwohl
die Geräusch-
und Vibrationsentwicklung vermindert wurden, weist ein derartiger
Rotor nicht nur ein großes
Gewicht, sondern ebenfalls ein großes Trägheitsmoment auf. Wenn ein
derartiger Rotor in einem Fahrzeug verwendet wird, wird nicht nur
das Fahrzeuggewicht erhöht,
sondern ebenfalls die Beschleunigung und die Verzögerung des
Motors vermindert. Da sich der elektrische Energieverbrauch insbesondere
bei neuen Fahrzeugen erhöht
hat, wurde die Generatorlast erhöht.
Ein derartiger Generator ist größer und
hat eine größere Kapazität. Dies
verstärkt
weiter das Gewicht und das Trägheitsmoment.
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Die
EP-A-1 094 145, die ein nachveröffentlichtes
Dokument darstellt, beschreibt eine elektrische Maschine, nämlich eine
Antriebseinheit für
eine Trommel einer Waschmaschine. Der Rotor umfasst Prägungen,
die als Verstärkungsrippen
angesehen werden können.
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Die
EP-A-0 887 908 zeigt einen Rotor einer elektrischen Maschine mit
sich von einer Mitte eines Umfangsteils des Motors erstreckenden
Rippen, wobei die Enden der Rippen am Umfangsteil in Drehrichtung
und in der entgegengesetzten Richtung gebogen sind.
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Die
EP-A-1 018 795 beschreibt einen Rotor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1. Dieses Dokument zeigt den Aufbau eines Rotors für einen bürstenlosen
Motor mit einem Außenrotor.
Der Rotor umfasst einen zylindri schen Abschnitt, an dem Permanentmagnete
angebracht sind, und einen mittleren Abschnitt, der an eine drehbare
Welle angebracht werden kann, Der mittlere Abschnitt verbindet ebenfalls
den Nabenabschnitt (d.h. den Teil des mittleren Abschnitts, der
mit der Welle verbunden ist) mit dem zylindrischen Abschnitt. Weiter
sind in dem Verbindungsabschnitt Verstärkungsrippen vorgesehen.
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Maschinen
dieser Art erzeugen eine beträchtliche
Wärme und
diese Wärme
muss abgeführt werden.
Dies kann durch Verwendung von Ventilatoren oder anderen Hilfskühlvorrichtungen
erfolgen. Hierdurch entstehen weitere Probleme hinsichtlich des
Gewichts und der Trägheit,
nicht zu erwähnen die
zusätzlichen
Kosten.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Rotor für eine sich
drehende elektrische Maschine zu schaffen, der eine verbesserte
Kühleigenschaft,
eine geringere Größe und eine
höhere
Kapazität
aufweist.
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Diese
Aufgabe wird durch den Rotor für
eine sich drehende elektrische Maschine gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst.
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Weitere
Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den anhängigen Ansprüchen.
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Im
Folgenden werden die Zeichnungen kurz beschrieben:
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1 ist
eine Schnittansicht einer sich drehenden elektrischen Maschine gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung.
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2 ist
eine Schnittansicht ähnlich
der von 1 zur Darstellung des in dem
Generator verwendeten Rotors.
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3 ist
eine Endansicht des Rotors.
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4 ist
eine Endansicht der gegenüberliegenden
Seite des Rotors.
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5 ist
eine Schnittansicht längs
der Linie 5-5 von 4.
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6 ist
ein Diagramm einer Wicklungstemperatur in Beziehung zur Umdrehungsgeschwindigkeit
dieser Ausführungsform
verglichen mit dem Stand der Technik.
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7 ist
eine Schnittansicht ähnlich
der von 2 eines Rotors gemäß einer
weiteren Ausführungsform.
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8 ist
eine Schnittansicht ähnlich
der von 2 eines Rotors gemäß eines
Beispiels, das nicht die Erfindung bildet.
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9 ist
eine Ansicht von der linken Seite des Beispiels von 8.
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10 ist
eine Ansicht der rechten Seite des Beispiels von 8.
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11 ist
eine Schnittansicht längs
der Linie 11-11 von 10.
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Eine
sich drehende elektrische Maschine gemäß der ersten Ausführungsform
(siehe 1 bis 5) wie z.B. ein Generator ist
allgemein mit dem Bezugszeichen 21 bezeichnet. Obwohl hier
ein Generator beschrieben wird, ist es für den Fachmann verständlich,
dass die Erfindung ebenfalls in gleicher Weise bei einem elektrischen
Motor verwendet werden kann.
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Der
Generator 21 ist in einen Motor für ein Motorrad oder ähnliches
eingebaut, der nur teilweise dargestellt ist, und ist an einem Ende
der Kurbelwelle 22 (1) des Motors
angeordnet und wird von ihr angetrieben. Bei dieser Anordnung ist
der Generator 21 in einem Generatorgehäuseabschnitt 23 eingeschlossen,
das zwischen einem Kurbelwellengehäuse 24 des Motors
und einem an dem Gehäuse 24 der Kurbelwelle
befestigten Generatordeckel 25 ausgebildet ist.
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Ein
Ende der Kurbelwelle 22 erstreckt sich von dem Gehäuse 24 in
den Generatorgehäuseabschnitt 23.
Ein Stator 26 ist fest an dem Gehäuse 24 der Kurbelwelle
dem vorstehenden Abschnitt der Kurbelwelle 22 umgebend
befestigt.
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Der
Stator 26 wird aus radialen Magnetkernen 27 eines
Statorkerns gebildet, auf die Wicklungen 28 gewickelt sind.
In dem Gehäuse
eines Drei-Phasenwechselstromgenerators ist die Anzahl der Magnetpolkerne 27 ein
Vielfaches von 3, und es sind beispielsweise 9, 12, 15 und 18 Pole
vorgesehen. Die Wicklungsrichtungen der Wicklungen 28 jeder
Phase sind normal oder rückwärts zu den
entsprechenden Magnetpolen der Permanentmagnete 29 eines
Rotors angeordnet, der allgemein mit dem Be zugszeichen 31 bezeichnet
ist und weiter unten beschrieben wird, dem diese Wicklungen 28 zugewandt
sind, sodass die durch die Spulen 28 induzierten Spannungen
der gleichen Phase die gleiche Polarität aufweisen.
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Der
Rotor 31 umfasst einen auf die Kurbelwelle 22 fest
aufgesetzten Nabenabschnitt 32, einen zylindrischen Abschnitt 33,
der dem Außenumfang der
Magnetpolkerne des Stators 26 zugewandt ist, und einen
plattenähnlichen
Speichenabschnitt 34 zum Verbinden des Nabenabschnitts 32 und
des zylindrischen Abschnitts 26. Bei dieser Ausführungsform
sind der Nabenabschnitt 32, der Speichenabschnitt 34 und
der zylindrische Abschnitt 33 des Rotors 31 einstückig aus
einem Material wie z.B. Stahl durch Kalt- oder Warmverformen hergestellt.
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Der
Nabenabschnitt 32 ist nicht drehbar auf einen abgeschrägten Abschnitt
an einem Ende der Kurbelwelle 22 aufgekeilt und axial an
der Kurbelwelle 22 mittels einer Schraube 35 befestigt.
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Die
Permanentmagnete 29 sind auf der Innenseite der Umfangsfläche des
zylindrischen Abschnitts 33 aufgeklebt und ein kleiner
Abstand ist zwischen den Permanentmagneten 29 und der Außenumfangsseite
des Stators 26 vorgesehen. Die Permanentmagnete 29 sind
magnetisiert, sodass sie Polaritäten
aufweisen, die sich umfangsmäßig in regelmäßigen Abständen ändern, d.h.
in 12 oder 16 Pole.
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Die
hier verwendeten Permanentmagnete 29 sind vorzugsweise
Neodym-Eisen-Bor-Magnete mit einer hohen Fluss dichte. Die Magnete 29 weisen eine
sehr hohe Flussdichte auf, sodass ihre Dicke vermindert werden kann,
was für
eine Größenverminderung
und eine Gewichtsersparnis des Generators 21 geeignet ist.
Zwischen den Permanentmagneten 29 und dem Speichenabschnitt 34 ist
ein Distanzstück 36 aus
einem nicht-magnetischen Material befestigt.
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Zur
Versteifung sind eine Anzahl radialer Rippen 37 an der
Innenfläche
des Speichenabschnitts 34 ausgebildet, d.h. an einer Fläche an der Seite
des Stators 26. Diese Rippen 37 erstrecken sich
von dem Nabenabschnitt 32 zu dem zylindrischen Abschnitt 33.
Die Enden 37a der Rippen 37 in der Nähe des zylindrischen
Abschnitts 33 sind jeweils bogenförmig in Drehrichtung R (3 und 4) des
Rotors 31 umgebogen. Der Speichenabschnitt 34 ist
ebenfalls mit einer Anzahl Fenstern 38 ausgebildet, die
sich dadurch in Richtung einer Drehachse D des Rotors an einer Stelle
in der Nähe,
sich jedoch nicht mit den Rippen 37 und insbesondere ihren
gekrümmten
Abschnitten 37a schneidend, ausgebildet.
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Schlitzförmige Schrägflächen 39 sind
auf der Oberfläche
des Speichenabschnitts 34 auf der gegenüberliegenden Seite von der
Seite, auf der die Rippen 37 vorgesehen sind, ausgebildet.
Diese schlitzförmigen
Schrägflächen 39 sind
an einer Seite des Fensters in Umfangsrichtung ausgebildet und so geformt,
dass sie an den Öffnungsrändern (vordere Seite)
des Fensters 38 beginnen und ihre Tiefe allmählich in
Drehrichtung R des Rotors 26 flacher wird.
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Der
Generator 21 ist luftgekühlt oder flüssigkeitsgekühlt. Im
Fall der Flüssigkeitskühlung ist
der gesamte Generator in Kühlöl eingetaucht.
D.h., Kühlöl, z.B.
Motorschmieröl,
wird im Gehäuseabschnitt des
Generators 23 zirkuliert. Das Kühlöl wird vorzugsweise durch einen Ölkühler oder ähnlichem (nicht
dargestellt) heruntergekühlt.
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Wie
man aus 3 und 4 sieht,
weist diese Ausführungsform
12 Rippen 37 und 12 Fenster 38 auf, sodass
die Anzahl der Magnetpole der an dem zylindrischen Abschnitt 33 befestigten
Magnete 29 vorzugsweise 12 ist. Es wird jedoch
darauf hingewiesen, dass die Anzahl der Rippen 37 und der
Fenster 38 nicht hierauf begrenzt ist, sondern dass sie
in Abhängigkeit
von der Anzahl der Magnetpole, der Permanentmagnete oder ähnlichem
veränderbar
ist.
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Bei
diesem Generator 21 bewirkt die Drehung der Kurbelwelle 22,
dass sich der Rotor 31 in der Richtung A dreht. Durch die
Drehung des Rotors 31 wird das durch die Permanentmagnete 29 an
dem zylindrischen Abschnitt 33 erzeugte Magnetfeld gedreht,
wodurch die Anzahl der Magnetflüsse
durch die Wicklungen des Stators 26 verändert wird, wodurch Spannungen
in den Wicklungen induziert werden. Die Permanentmagnete 29 werden
abwechselnd anziehenden und abstoßenden Kräften unterworfen, jedes mal,
wenn sie sich an unterschiedlichen, ihnen zugewandten Magnetpolkernen
vorbei bewegen. Diese Kräfte
bilden eine Vibrationsquelle für
den zylindrischen Abschnitt 32, wodurch eine Vibration
des gesamten Rotors 31 bewirkt werden kann.
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Da
der zylindrische Abschnitt 33 und der Speicherabschnitt 34 des
Rotors 31 als ein Körper ausgebildet
ist, verstärkt
der Speichenabschnitt 34 mit den Rippen 37 den
Rotor. Somit wird eine ausreichende Festigkeit für den Körper des zylindrischen Abschnitts 32 und
den Speichenabschnitt 34 geschaffen, sodass die Vibration
des Körpers
des zylindrischen Abschnitts 32 und des Speichenabschnitts 34 vermindert
wird, wodurch ein der Vibration zugeordnetes Geräusch vermindert wird. Dies
wird ohne unnötige
Erhöhung
des gesamten Gewichts erreicht.
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Die
Ausbildung und Form der Fenster 38 bewirkt weiter, dass
Kühlluft
oder Kühlöl in dem
Generatorgehäuse 23 im
Inneren des Rotors 31 zirkuliert, wodurch die Kühlung des
Stators 26 beschleunigt wird. Die Größenverminderung und die Kapazitätserhöhung des
Generators 21 werden somit bewirkt. Im Fall, dass Kühlluft oder
Kühlöl in dem
Rotor 31 gegen die Rippen 37 strömt, wird
es in die umgebenden Zonen verteilt. Die Rippen 37 haben
somit eine verstärkte
Kühlwirkung.
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Da
die Öffnungsränder der
Fenster an der von den Rippen gegenüberliegenden Seite als Schrägflächen 39 in
Drehrichtung R des Rotors ausgebildet sind, strömt Kühlluft (Öl) wirksam in den Rotor 31 längs der
Schrägfläche 39 als
Führungen.
Somit wird die Kühlleistung
weiter verbessert. Weiter sind die Rippen 37 in Drehrichtung
R des Rotor an den Enden an der zylindrischen Seite gebogen, sodass
die Kühlluft
(Öl), die
an den Fenstern 38 eingetreten ist, radial nach innen im
Rotor längs
der gebogenen Abschnitte 37A als Führungen geführt wird. Kühlluft (Öl) wird daher er folgreich dem
Rotor 31 in der Nähe
des Nabenabschnitts 32 zugeführt wodurch weiter die Kühlwirkung
verbessert wird.
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6 zeigt
die Statorwicklungstemperatur im Vergleich zu dem Fall, in dem die
Rippen 37, Fenster 38 und Schrägflächen 39 gemäß dieser
Ausführungsform
vorgesehen sind (Kühltyp,
gestrichelte Linie) und dem Fall, wo keine Rippen, Fenster oder Schrägflächen vorgesehen
sind (Standardtyp, gestrichelte Linie). In diesem Fall wurde die
Messung der Statorwicklungstemperatur des Generators 21 unter der
gleichen Belastung durchgeführt.
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Wie
die Messungen zeigen, sieht man, dass die maximale Wicklungstemperatur
und ΔTmax (Anstieg der Wicklungstemperatur relativ
zur Temperatur der Befestigungssitzfläche der Wicklung) beide beträchtlich
niedriger bei dem Kühltyp
gemäß der Erfindung
als bei dem Standardtyp sind.
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7 zeigt
einen Rotor einer anderen Ausführungsform.
Der Rotor 31 ist so angeordnet, dass ein Nabenabschnitt 32a von
dem gemeinsamen Körper
des zylindrischen Abschnitts 32a und einem Speichenabschnitt 34a getrennt
ist, und beide Teile sind mittels Nieten 51 verbunden.
Bei dieser Ausführungsform
ist der Rotor 31a in zwei Teile unterteilt (32a und
der gemeinsame Körper 33a und 34a), ohne
dass die Wirkung gemäß der Erfindung
abnimmt, wodurch die Ausbildung jedes der Teile vereinfacht wird.
In 7 sind gleiche Teile wie in 2 mit
gleichen Bezugszeichen versehen und eine weitere Beschreibung entfällt für die Verwendung
dieser Ausführungsform
durch den Fachmann.
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In 8 bis 11 ist
ein Rotor gemäß einem
Beispiel dargestellt, das nicht einen Teil der Erfindung bildet,
der allgemein mit 31b bezeichnet ist. Der Rotor 31b ist ähnlich dem
von 1 bis 5, bei dem ein Nabenabschnitt 32b,
ein zylindrischer Abschnitt 33b und ein Speichenabschnitt 34b einstückig geformt
sind. Der Speichenabschnitt 34b ist mit ungefähr fächerförmigen zwölf Fenstern 38b an rechtwinkligen
Intervallen in Umfangsrichtung ausgebildet.
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Hierdurch
werden zwischen benachbarten Fenstern 38b gerade Abschnitte 61 ausgebildet,
die sich ungefähr
in radialer Richtung erstrecken. Diese geraden Abschnitte 61 wirken
als Verstärkungsrippen.
An einem Rand der geraden Abschnitte 61 an der vorderen
Seite in Drehrichtung des Rotors sind durch Abschrägen Schrägflächen 62 in
Längsrichtung
der geraden Abschnitte 61 ausgebildet. D.h., die Schrägflächen 62 sind
der Außenseite
des Rotors 31b zugewandt.
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Bei
diesem Beispiel dienen, wenn sich der Rotor 31b in Richtung
R dreht, die Schrägflächen 62 für die Kühlluft oder
das Kühlöl als Führungen,
sodass es störungsfrei
und wirksam in den Rotor 61b längs der Schrägflächen 62 strömt. In 11 zeigen die
gestrichelten Linien die Strömung
der Kühlluft (Öl). Die
Kühleigenschaften
des Rotors 31b und des Stators (nicht dargestellt) im Rotor 31b werden
verbessert.
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Man
sieht, dass bei den beschriebenen Ausführungsformen sich die Rippen
des Rotors ungefähr radial
erstrecken. Die Festigkeit wird somit ohne Gewichtserhöhung und
Erhöhung
des Trägheitsmoments
des Rotors erhöht,
sodass die Vibration des Rotors als auch die Geräuscherzeugung vermindert werden.
Die zwischen den Rippen ausgebildeten Öffnungen ermöglichen
eine Kühlmittelströmung von
einer Seite des Rotors zu seiner anderen Seite zur Kühlung. Die
beschriebenen Ausführungsformen stellen
lediglich bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung dar und verschiedene Änderungen und Abänderungen
sind möglich,
ohne sich vom geistigen Umfang der Erfindung gemäß den Ansprüchen zu entfernen.
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Verschiedene
Ausführungsformen
von Rotoren für
sich drehende elektrische Maschinen sind zur Erhöhung der Steifigkeit ausgelegt,
ohne das Gewicht zu erhöhen
und um die Kühlmittelströmung um den
Rotor zu verbessern. Dies wird durch die Verwendung von Verstärkungsrippen
und Strömungsöffnungen
in einem mittleren Abschnitt des Rotors erreicht, der den zylindrischen
Abschnitt, der die Permanentmagnete trägt und den Nabenabschnitt verbindet.