EP2332235A2 - Rotor-shaft arrangement for an electric motor - Google Patents

Rotor-shaft arrangement for an electric motor

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Publication number
EP2332235A2
EP2332235A2 EP09741217A EP09741217A EP2332235A2 EP 2332235 A2 EP2332235 A2 EP 2332235A2 EP 09741217 A EP09741217 A EP 09741217A EP 09741217 A EP09741217 A EP 09741217A EP 2332235 A2 EP2332235 A2 EP 2332235A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rotor
shaft
main body
rotor main
longitudinal pin
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09741217A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Bernd Schottdorf
Franz Weissgerber
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Pro Diskus AG
Original Assignee
Pro Diskus AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Pro Diskus AG filed Critical Pro Diskus AG
Publication of EP2332235A2 publication Critical patent/EP2332235A2/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/27Rotor cores with permanent magnets
    • H02K1/2793Rotors axially facing stators
    • H02K1/2795Rotors axially facing stators the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets
    • H02K1/2796Rotors axially facing stators the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets where both axial sides of the rotor face a stator
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/28Means for mounting or fastening rotating magnetic parts on to, or to, the rotor structures
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60KARRANGEMENT OR MOUNTING OF PROPULSION UNITS OR OF TRANSMISSIONS IN VEHICLES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF PLURAL DIVERSE PRIME-MOVERS IN VEHICLES; AUXILIARY DRIVES FOR VEHICLES; INSTRUMENTATION OR DASHBOARDS FOR VEHICLES; ARRANGEMENTS IN CONNECTION WITH COOLING, AIR INTAKE, GAS EXHAUST OR FUEL SUPPLY OF PROPULSION UNITS IN VEHICLES
    • B60K6/00Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00
    • B60K6/20Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00 the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs
    • B60K6/42Arrangement or mounting of plural diverse prime-movers for mutual or common propulsion, e.g. hybrid propulsion systems comprising electric motors and internal combustion engines ; Control systems therefor, i.e. systems controlling two or more prime movers, or controlling one of these prime movers and any of the transmission, drive or drive units Informative references: mechanical gearings with secondary electric drive F16H3/72; arrangements for handling mechanical energy structurally associated with the dynamo-electric machine H02K7/00; machines comprising structurally interrelated motor and generator parts H02K51/00; dynamo-electric machines not otherwise provided for in H02K see H02K99/00 the prime-movers consisting of electric motors and internal combustion engines, e.g. HEVs characterised by the architecture of the hybrid electric vehicle
    • B60K6/48Parallel type
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K21/00Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H02K21/12Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets
    • H02K21/24Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets axially facing the armatures, e.g. hub-type cycle dynamos
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B60VEHICLES IN GENERAL
    • B60WCONJOINT CONTROL OF VEHICLE SUB-UNITS OF DIFFERENT TYPE OR DIFFERENT FUNCTION; CONTROL SYSTEMS SPECIALLY ADAPTED FOR HYBRID VEHICLES; ROAD VEHICLE DRIVE CONTROL SYSTEMS FOR PURPOSES NOT RELATED TO THE CONTROL OF A PARTICULAR SUB-UNIT
    • B60W2530/00Input parameters relating to vehicle conditions or values, not covered by groups B60W2510/00 or B60W2520/00
    • B60W2530/203Presence of trailer
    • B60W2530/207Towing force
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K15/00Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines
    • H02K15/02Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines of stator or rotor bodies
    • H02K15/03Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines of stator or rotor bodies having permanent magnets
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    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/62Hybrid vehicles

Definitions

  • the present invention relates generally to electrical machines, and more particularly to rotors for electric machines.
  • Electric machines both in the form of electric motors and generators, are increasingly being used in areas of alternative power generation and supply.
  • conventional electrical machines u.a. due to size, weight and efficiency in many cases not suitable.
  • the patent DE 10 2006 036 707 B3 discloses a carrier ring made of fiber-reinforced plastic with cutouts for insertion of permanent magnets.
  • One or more carrier rings can form a rotor construction.
  • Permanent magnets which are embedded in a fiber or fabric-reinforced plastic.
  • Permanent magnets are each positively connected to the surrounding plastic.
  • the plastic forms a dimensionally stable unit together with the permanent magnets and the machine shaft.
  • Fig. 14 shows an overview diagram of such conventional methods from Neitzel and Mitschang. The diagram divides the shape complexity of a fiber-plastic composite on the horizontal axis and an approximate component size on the vertical axis.
  • the diagram in FIG. 14 provides information about component types and processing methods.
  • the shape complexity of round or oval tubes is low, but their component size can vary from small to large.
  • the fiber processing methods flow forming and injection molding are increasingly used in components of high shape complexity and small to medium size components, whereas the resin injection method according to Neitzel and Mitschang is more likely to be selected with high shape complexity and large component size.
  • the resin injection method according to Neitzel and Mitschang is more likely to be selected with high shape complexity and large component size.
  • the disadvantages of all processes are the processing costs and the high costs
  • DE 10 2005 049 541 A1 describes an electric machine with a shaft and a rotor body with integrated permanent magnets.
  • the rotor body is formed by molding a shaft made of a magnetically modified plastic. Both the molding of the rotor body by injection molding of a magnetically modified plastic and forming the at least an integrated permanent magnet by injection molding of a hard magnetically modified plastic as well as the molding of the rotor body to the shaft in one step.
  • the rotor body with the at least one integrated permanent magnet by injection molding of a magnetically hard-plastic modified as well as the molding of the rotor body to the shaft in one step.
  • the rotor body with the at least one integrated permanent magnet is not produced in a separate process, in order subsequently to be applied to a shaft.
  • the preferred injection molding method makes it possible to mold the rotor body during molding to the shaft.
  • DE 693 03 031 T2 describes a rotor having fiber reinforced plastic materials.
  • the hub part has an exposed, axial and / or radial connection surface and forms only an "adapter" to which a bearing lug or a shaft or the like is flanged.
  • GB 2 302 455 A describes a rotor for high speed applications.
  • the rotor is made of fiber-reinforced Kunststoffmate.rial and has a centering pin, which is designed as a central shaft. Resin-impregnated fibers are wound around the central shaft to form the rotor.
  • DE 1 613 280 describes the attachment of a rotor core to a rotor shaft.
  • the rotor shaft is determined by an inserted into a longitudinal groove pin whose ends on both sides of the
  • Läuferbleckp protrude and are connected by means of a curing adhesive to the shaft.
  • Soft steel laminate stack is formed.
  • the rotor is coupled via a spring pin connection with a shaft.
  • the spring pins are hollow and formed longitudinally slotted.
  • the spring pins are in a groove between the rotor and
  • Object of the present invention is to overcome the above-mentioned disadvantages of the prior art.
  • a rotor-shaft arrangement for an electrical machine, which comprises: a
  • Fiber composite having rotor main body, wherein the shaft and the rotor main body are coupled by means of at least one longitudinal pin connection comprising at least one elastic longitudinal pin to start and / or
  • a rotor-shaft assembly for an electric machine comprising a shaft and a rotor disposed on the shaft with a rotor main body having a fiber composite, wherein the shaft and the rotor main body are coupled by means of at least one longitudinal pin connection.
  • the rotor-shaft assembly has a flange which is connected to the body of the rotor main body, wherein the rotor main body and the flange are coupled by means of at least one of the longitudinal pin connections with the shaft.
  • the longitudinal pin connection comprises at least one
  • Longitudinal pin made of an elastic material to allow start-up and / or brake slip and / or mechanical damping. Furthermore, it can be provided that the longitudinal pin connection shears the at least one longitudinal pin at high torque.
  • the invention comprises a hybrid system with a
  • Rotary drive unit a transmission unit and an electric motor unit with a shaft
  • the Transmission unit sums the torque of the engine unit or other rotary drive unit with the torque of the electric motor unit
  • the electric motor unit comprises at least one fiber composite rotor having a longitudinal pin connection to the shaft of the electric motor unit.
  • the longitudinal pin connection for coupling the rotor main body to the shaft may comprise at least one longitudinal pin of a predetermined material, which is exchangeable against a longitudinal pin of another suddenlystixnmten material.
  • the predetermined material may be an elastic material.
  • the longitudinal pin connection shears off at high torque.
  • a solution for the hybrid system is provided, which allows startup and / or brake slip and / or mechanical damping.
  • a rotor-shaft arrangement described above, a hybrid system described above and / or an electric machine described above as and / or for a drive for an air, water or land vehicle or as a generator in a power generating device is provided the power generating device comprises wind and hydro power plants.
  • 3a shows an enlarged portion of a
  • 4a is a side view of a rotor main body with cover layers
  • 4b is a side view of a rotor main body with a mounting flange
  • Fig. 10a further storage devices, and 10b
  • Fig. 14 is a diagram according to the prior art
  • Fig. 16 is a hybrid system
  • 17a shows an electrical circuit arrangement of a and 17b motor-generator device.
  • the rotor main body may include one or a plurality of centrally disposed to the center of the rotor main body shots.
  • the rotor may comprise a plurality of magnets, which are arranged in at least one of the receptacles, wherein at least two magnets are arranged in at least one of the receptacles.
  • at least one of the magnets is a permanent magnet.
  • the material of the magnet comprises rare earth metals or a chemical compound with rare earth metals. Additionally or alternatively, the material of the magnet can have neodymium and / or a chemical compound with neodymium. The material of the magnet may additionally or alternatively comprise the chemical compound neodymium-iron-boron or samarium-cobalt.
  • the centrally arranged receptacles are holes passing through the rotor main body.
  • At least one cover layer is provided, wherein the at least one cover layer may be arranged on the rotor main body such that the magnets arranged in the central receptacles are at least partially covered.
  • At least one of the cover layers may have fiber composite material.
  • the magnets are covered in such a way by at least one of the cover layers that they are not removable from the recordings.
  • at least one cover layer is arranged on a front surface and / or a rear surface of the rotor main body.
  • the fiber composite material of the rotor may comprise carbon, epoxy resin and / or polypropylene.
  • At least one fiber for the fiber composite material may be designed to be laid in / on a forming means. It can also be provided that semifinished product comprising fiber composite material is used to form the rotor main body. Preferably, at least one fiber for the fiber composite material is designed such that it is placed in / on a shaping means.
  • the invention also provides for the use of the rotor in an electric machine as a drive for an air, water or land vehicle or as a generator in a power generating device.
  • the power generating device may include wind and hydro power plants and / or be configured to convert rotational forces generated by a vehicle and / or torques into electrical energy.
  • the invention provides a designed as a hub motor and / or generator for a vehicle electrical machine.
  • a rotor for an electric machine is provided with a rotor main body made of Fiber composite material exists.
  • a mounting flange disposed on the rotor main body may also be made of fiber composite material.
  • the rotor main body and the mounting flange are integrally formed of fiber composite material and are collectively referred to as a rotor.
  • the mounting flange may be arranged flat on a front and a rear side of the rotor main body.
  • the rotor is cylindrical and its front side, i. the cylinder cover, a circular surface, which is also the circular back, i. the cylinder bottom, opposite.
  • the ratio of rotor main body diameter to rotor main body thickness is high, i. the rotor main body is advantageously flat and therefore has a low weight.
  • a mounting flange can be arranged on the front and / or rear of the rotor.
  • the attachment flange preferably increases the thickness of the rotor main body toward the center thereof.
  • the mounting flange may be configured to transmit torque from the rotor main body to the shaft disposed on the mounting flange. This allows e.g. an assembly of preferably interconnected components, the components comprising the rotor main body, the mounting flange and the shaft.
  • the mounting flange may be formed positively to the shaft.
  • the mounting flange has a fitting hole into which the shaft is fitted.
  • a tight fit eg press fit
  • At least one fiber of a fiber material may form the rotor main body and the mounting flange.
  • the at least one fiber is wound, laid, tensioned, or otherwise arranged so that a solid such as the rotor main body and / or the fixing body can be integrally formed.
  • a solid such as the rotor main body and / or the fixing body can be integrally formed.
  • the mounting flange may comprise at least one component which is formed from plate-like fiber composite semi-finished product.
  • the mounting flange is formed from one or more flat stacked components.
  • a component is an easily available, simply constructed component which can be produced easily and quickly.
  • Under plate-like fiber composite semi-finished product is preferably understood to mean a plate formed from fiber composite raw material, which can be easily brought into a desired shape by conventional machining processes.
  • the refining process of Semi-finished fiber composite up to the mounting flange is advantageously short, inexpensive and can be handled with common machine tools.
  • Under plate-like fiber composite semi-finished product may also or alternatively be prefabricated rods, spars, pipes, mats and sandwich panels, each of which may comprise fiber composite material understood.
  • the at least one fiber towards the center of the rotor can form a thickening.
  • a natural thickening towards the center of the rotor is produced.
  • the thickening can form a mounting flange.
  • a rotor of an electric machine having a rotor main body made of fiber composite material.
  • the rotor has at least one receptacle for the arrangement of at least one magnet.
  • the at least one fiber extends along at least two adjacent sides of the at least one receptacle.
  • the at least one fiber can be guided as a loop around the at least one receptacle and thereby leave at most one side of the at least one receptacle free.
  • a loop so leads around a receptacle, which has four sides, for example, that three of these sides are looped.
  • the at least one fiber can at least partially wrap around at least two adjacent receptacles.
  • the rotor main body may include at least one flange hole and / or central shaft and / or shaft passage that may be at least partially wrapped by at least one fiber.
  • the at least one fiber may at least partially wrap around the circumference of the rotor main body.
  • the at least one fiber wraps around at least two locations of the rotor main body, wherein a location includes a receptacle, a central shaft receptacle, a flange hole or a specific area of the rotor main body.
  • a location includes a receptacle, a central shaft receptacle, a flange hole or a specific area of the rotor main body.
  • the at least one fiber comprises an endless fiber and / or piecewise thickening fibers.
  • the continuous fiber has the advantage that it is easy to work as a wound starting material.
  • thickening fibers allow the manufacture of a rotor main body of constant and uniform thickness.
  • a disk-shaped rotor main body is formed by at least one fiber, then a natural
  • At least one flange hole can serve as a balancing means for the rotor main body, in particular if it is disc-shaped.
  • a method of manufacturing a rotor for an electric machine includes making a rotor main body as a rotor only of fiber composite material, and disposing a mounting flange made only of fiber composite material on the rotor main body.
  • a rotor-shaft assembly for an electric machine comprising a shaft and a rotor disposed on the shaft with a rotor main body comprising fiber composite, the shaft and the rotor main body being coupled by at least one longitudinal pin connection comprising at least one elastic longitudinal pin to start and / or brake slip and / or mechanical
  • the rotor-shaft assembly has a flange which is connected to the rotor main body, wherein the rotor main body and the flange are coupled by means of at least one of the longitudinal pin connections with the shaft.
  • the elastic longitudinal pin is interchangeable with another longitudinal pin.
  • the longitudinal pin connection shears the at least one longitudinal pin at high torque.
  • a hybrid system with one engine unit or another A rotary drive unit, a transmission unit and an electric motor unit provided with a shaft, wherein the transmission unit sums the torque of the engine unit or other rotary drive unit with the torque of the electric motor unit and the electric motor unit comprises at least one fiber composite rotor coupled by a longitudinal pin connection to the shaft of the electric motor unit ,
  • the longitudinal pin connection shears off at high torque.
  • an embodiment of the hybrid system is provided which allows startup and / or brake slip and / or mechanical damping.
  • a rotor-shaft arrangement as described above, a hybrid system described above, and / or an electric machine described above are as a and / or for a drive for an air, water or land vehicle or as a generator in a power generating device, wherein the power generating device comprises wind and hydro power plants.
  • a storage arrangement is provided with a rotatably arranged on a rotational axis arranged rotor made of fiber composite material and at least one rotor bearing, which is in operative connection with the rotor in a radially spaced from the axis of rotation region.
  • at least one of the bearings and in particular two bearings can be in operative connection with a radially outer region of the rotor.
  • at least two of the bearings on different sides of the rotor are in operative connection with this.
  • at least one of the bearings is operatively connected to the shaft.
  • at least one of the bearings is provided on or within a stator of the electric motor.
  • At least one of the bearings, which is operatively connected to a radially outer region of the rotor may be a sliding bearing.
  • a magnetic bearing may be provided.
  • magnets in particular permanent magnets, may be provided on or within the rotor for the magnetic bearing.
  • the magnetic bearing can be actively controlled.
  • a circular arrangement of a group of permanent magnets on or within the rotor and a corresponding circular arrangement of a group of external stationary permanent magnets or field coils in the vicinity of the rotor with repulsive field force exerts a radial centering effect on the rotor and relieves a radial bearing.
  • the shaft is supported by at least two bearings.
  • an electric machine with a stator, a rotor, a shaft and a bearing arrangement is provided.
  • a method of manufacturing a bearing assembly for an electric motor wherein a fiber composite rotor, shaft, and rotor bearing is provided, and wherein the rotor, shaft, and rotor bearing are arranged such that the rotor is rotatably disposed about an axis of rotation and wherein the at least one rotor bearing is in operative connection with the rotor in a region spaced radially from the axis of rotation.
  • a use of the storage device described above is provided in an electric machine as a drive for an air, water or land vehicle or as a generator in a power generating device, in particular in wind and hydroelectric power plants.
  • a method of manufacturing a fiber composite material rotor having a rotor main body for an electric motor comprising the steps of: combining fibers of a fiber material with a matrix into one Amount of fiber, introducing the amount of fiber with diffusely arranged fibers into a negative mold corresponding to the shape of the rotor main body, compressing the amount of fiber introduced in the negative mold and curing the compressed fiber amount, which is preferably at a predetermined temperature and pressure.
  • the fibers of the fiber material are formed by separation, cutting or the like
  • Continuous fiber in fiber parts of a certain length are combined with a matrix.
  • the matrix is preferably a binder or
  • a matrix may be selected, for example, from the group of thermosets (for example unsaturated polyester resins, vinyl ester resins, epoxy resins) or from the group of thermoplastics (for example polypropylene, polyamide, polyethylene terephthalate, polyphenylene sulfide, polyether ether ketone).
  • thermosets for example unsaturated polyester resins, vinyl ester resins, epoxy resins
  • thermoplastics for example polypropylene, polyamide, polyethylene terephthalate, polyphenylene sulfide, polyether ether ketone
  • Diffusely arranged fibers advantageously allow rapid and inexpensive processing, since no
  • the hardening of the fiber mixture is preferably a process involving a phase transition of the matrix from liquid after firm causes.
  • this phase transition is irreversible and reversible for thermoplastics.
  • Curing in this context does not necessarily mean that the fiber composite formed after curing is hard or stiffened; Depending on the matrix and fiber type, it can have different mechanical and physical properties, such as high toughness, low weight, electrical conductivity, high flexibility, etc.
  • the fiber composite material and / or the fiber may comprise carbon.
  • Carbon is a particularly lightweight and durable material that can form many forms as fiber material and permanently retains such a form by interaction with a binder.
  • a rotor main body made of carbon fiber composite material is lightweight and yet can withstand acting forces and moments.
  • the amount of fiber can be heated by means of a microwave source.
  • the fiber composite material comprises carbon
  • the electrical conductivity of carbon may be used to be heated by a microwave source. This has the advantage over conventional autoclave processes of a reduced energy requirement to cure the fiber mixture.
  • the amount of fiber may preferably be below a predetermined pressure during heating by a microwave in a negative mold, or the amount of fiber was pressed under predetermined pressure before being heated in the negative mold.
  • a predetermined pressure rather than a negative mold, may be caused by the gas pressure surrounding the fiber. This has the advantage that the amount of fiber reaches a high density of material and thereby low volume.
  • the material of the negative mold also has fiber composite material and in particular carbon.
  • a negative mold for producing a rotor main body wherein at least one fiber is in or on the negative mold and a binder or connecting means interconnects portions of the at least one fiber.
  • An electric machine may include a stator and a rotor including the rotor main body according to any one of the above solutions.
  • such an electric machine is a disc rotor electric motor / generator with permanent-magnet rotor and serves as a drive for an air, water or land vehicle or as a generator in a power generating device, wherein the power generating device according to an embodiment wind and
  • Hydroelectric plants includes.
  • FIG. 1 shows an electric machine including a stator 102 and a rotor main body 104.
  • the rotor main body 104 may be disk-shaped, cylindrical, frusto-conical or double-frusto-conical.
  • On the rotor main body 104 may additionally be arranged a mounting flange, wherein an arrangement rotor main body 104 is referred to with a mounting flange as a rotor.
  • FIG. 1 shows two magnets 106 visible in the sectional view of the rotor main body 102, for example permanent magnets, of which a plurality of rings are arranged in or on the rotor main body 104, and stator windings (not shown) provided in the stator 102.
  • FIG. 1 shows an electric machine including a stator 102 and a rotor main body 104.
  • the rotor main body 104 may be disk-shaped, cylindrical, frusto-conical or double-frusto-conical.
  • the shaft 108 may be, for example, a rod-shaped component made of solid material or a hollow cylindrical component, wherein the cross section of such a component may be completely or partially circular, rectangular, elliptical or toothed and is designed as a joint, hollow, gimbal or flexible shaft.
  • FIG. 1 illustrates two bearings 110 that radially support the shaft 108 so that the shaft 108 and its associated rotor main body 104 are radially held in position even when rotated about its axis of rotation.
  • the magnets 106 mounted on the rotor main body 104 magnetically interact with the stator windings on the stator 102 to cause the rotor main body 100 and the shaft 108 connected thereto to rotate about the rotor axis.
  • the operation of the electric machine is reversed. Rotation of the shaft 108 and the rotor main body 104 connected thereto results in electromagnetic interaction between those disposed on the rotor main body Magnets 106 and the stator windings, which finally electrical current is generated.
  • the rotor main body 104 can rotate at a diameter of preferably greater than two meters, four meters, six meters and more stable and with a small stator gap 112 at high rotational speeds in the stator, so that a good magnetic interaction between the magnets 106 and the stator is exploited.
  • a rotor 104 as an external component surrounds a stator as an internal component.
  • Fig. 2 shows a rotor main body 200 provided in a disc shape and a predetermined thickness.
  • the material of the rotor main body 200 comprises fiber composite material, preferably carbon fiber composite material.
  • the rotor main body 200 further includes 172 (by way of example only) rectangular receptacles 202 centered around the rotation axis of the rotor main body 200 and close to the outer periphery thereof.
  • Centrally located flange holes 204 and the shaft passage 206 centrally located in the rotor main body 200 provide connection to a shaft (not shown).
  • the centrally disposed flange holes 204 are located between the central shaft passage 206 and those near the outer periphery of the rotor main body 200
  • the number and arrangement of the flange holes 204 may depend in particular on forces and moments to be transmitted.
  • the rectangular receptacles 202 serve to receive magnets, in particular permanent magnets. In each case at least one magnet can be arranged in all, a plurality, in particular two, three, four, five, eight, eleven or 16, or in exactly one shot. In this case, an arbitrary number of receptacles 202 are provided for the rotor main body 200, for example exactly one receptacle, two, three, four, five, eight, 13, 16, 65 or 172 recordings.
  • FIG. 3a shows an enlarged view of a partial region of a rotor main body 200.
  • the receptacles 302 on the outer edge of the rotor main body each receive a magnet 304.
  • the magnets 312 enter into magnetic interaction with the disposed on the stator stator windings (not shown) and thereby generate power (where the electrical machine functions as a generator), or solve this way a rotation of the rotor (if the electrical Machine works as a motor).
  • N north pole of the magnets 312
  • Receivers 302 instead of one, two smaller magnets 312, 314 arranged along side by side.
  • the smaller magnets 312, 314 are separately magnetized magnets. Compared to Fig. 3a, the two smaller magnets 312, 314 have the total volume of one of the magnets 304 shown there. It is exploited the property that in the production of magnets smaller, ferromagnetic body can be magnetized better than larger in the rule. So, two smaller magnets usually have one higher magnetization than a comparable magnet whose volume corresponds to the sum of the volumes of the two smaller magnets when magnetized in the same magnetic field in the same way as the two smaller magnets.
  • the magnets in a receptacle have a greater magnetization for the same total volume and the same total weight than a comparably produced magnet twice as large in a receptacle as is used, for example.
  • a rotor with more powerful magnets with the same volume and weight can be provided. Because the rotor main body comprises fiber composite material, the weight of the rotor is further reduced as compared to an equally powerful conventionally manufactured rotor.
  • At least two magnets or similar formulations should also be understood to mean those arrangements in which at least two ferromagnetic bodies were magnetized as separate bodies, but then after their Magnetization or after a first magnetization process, which can be followed by further magnetization processes, are joined together to form a body, in particular by gluing together or other methods for joining objects.
  • the advantages presented here of using magnets which have been magnetized as smaller bodies also come into play in such embodiments.
  • the north poles of two magnets 312, 314 always point either to the center or to the edge of the motor.
  • Other examples include arrangements in which the north poles of the two magnets in a receptacle point in different directions.
  • Other examples further include arrangements in which the magnets of a receptacle are arranged not adjacent to their longitudinal edges but adjacent to their short edge surfaces.
  • three, four or more smaller individual magnets are arranged in at least one receptacle. While in the example shown in Fig. 3b, the north pole of the magnets always points in different directions in adjacent photographs, examples are also included in which the north poles of the magnets always point in the same direction.
  • examples may be provided in which the poles of the individual magnets are arranged arbitrarily directed.
  • Fig. 4a shows a rotor main body 402 and a shaft 404 in a side view.
  • the rotor main body 402 has rectangular receptacles 406, one of which can be seen in section above the line of symmetry.
  • On the front and rear sides of the rotor main body 402 are two
  • Cover layers 412, 414 arranged, which are made of plate-like semi-finished carbon fiber composite material.
  • the cover layers 412, 414 cover the rectangular receptacles 406 and optionally arranged therein magnets, of which in the sectional view, a magnet 420 is visible.
  • the receptacles 406 of the rotor main body 402 are holes therethrough. In this case, in the receptacles 406 each two of the magnets described above (not shown).
  • the two cover layers 412 and 414 are attached to the rotor main body and prevent falling out of the magnets.
  • the cover layers 412, 414 comprise fiber composite material. This ensures that the magnets holding cover layers 412, 414 have low weight.
  • the receptacles 406 merely represent recesses that are not holes passing through the rotor main body. In such a case, it can be provided that only one cover layer 412 for fastening the magnets 420 to the rotor main body 402 is arranged.
  • Fig. 4b shows a mounting flange 400. Further, Fig. 4b shows a side view of the rotor main body 104 shown in Fig. 1 and a shaft 404.
  • the rotor main body 402 which is shown above the shaft 404 in sectional view, has a rectangular socket 406, as in Figs Fig. 1, on.
  • cover sheets 412 and 414 made of carbon fiber composite plate-like material and extending on both sides from the outer edge 416 of the rotor main body 402 to an inner mounting flange disk 418.
  • the cover layers 412 and 414 cover the rectangular receptacles 406 and magnets disposed therein, e.g. Permanent magnets, of which in the sectional view, a permanent magnet 420 is visible.
  • Front 408 and rear 410 each have two inner and outer mounting flange 418 and 422 arranged.
  • the inner mounting flange disks 418 are directly on the rotor main body 402 by an adhesive
  • Mounting flange 422 are in turn by a
  • Adhesive (not shown) each connected to an adjacent them inner mounting flange 418.
  • the mounting flange discs 418 and 422 are made of plate-like carbon fiber composite semi-finished components. The entire mounting flange provides a positive and non-positive connection
  • the rotor main body 402 and / or the mounting flange disks 418 and 422 may have a rectangular, elliptical, annular cross section or the like.
  • the mounting flange disks 418 and 422 may be integrally formed with each other and disposed on the rotor main body 402, or the mounting flange disks 418 and 422 are integrally formed with the rotor main body 402.
  • the mounting flange disks 418 and 422 provide the rotor main body with an area and volume greater interface with the shaft 404, thereby enhancing the transmission of forces and moments between the rotor main body 402 and the shaft 404.
  • FIG. 5 shows a rotor 500. From outside, it can be seen in turn in FIG. 5: a rotor main body 502 integrally formed with the rotor main body 502 truncated cone-shaped mounting flange 504, a provided in the mounting flange 504 shaft passage 506 with recessed groove 508 and provided with a driving lug 510 shaft 512 in cross-sectional view.
  • the shaft 512 is disposed by suitable fit in the shaft passage 506 of the mounting flange 504.
  • the interchangeable cam lug 510 engages the groove 508 and allows torques and forces to be transmitted between the shaft 512 and the rotor main body 502, such that the shaft 512, the rotor main body 502, and the mounting flange 504 are averaged at the same angular velocity in the two directions of rotation indicated by the double arrow 514 can rotate.
  • FIG. 6 shows a section of a rotor main body 600.
  • Exemplary carbon fiber shims 602, 604, 606, 608, 610 are illustrated in the sector-shaped section of the rotor main body 600 shown in FIG.
  • a shaft feedthrough carbon fiber loop 602 passes around a shaft passage 612 and around a receptacle 614.
  • a mounting flange hole carbon fiber loop 610 passes around a mounting flange hole 616 and a plurality of receptacles 614.
  • a multi-receptacle carbon fiber loop 606, 608 guides around a plurality of receptacles 614.
  • the above Carbon fiber rings can be combined with each other, in series, alternately, according to a predetermined sequence pattern and, for example, by a continuous carbon fiber 618 can be realized.
  • fiber loops are in eight-, helical- or Fassbandform to one or more receptacles 614 and / or one or more mounting flange holes 616 and / or the Wound passage 612 and / or the outer edge of the rotor main body 600 or fiber loops are wound in geodesic lines between two or more locations, the one or more receptacles 614 and / or one or more Befest Trentsflanschlöcher 616 and / or the shaft passage 612 and / or the outer edge of Rotor main body 600 include.
  • the fiber loops 606, 608 and 610 shown in Fig. 6 are drawn only schematically as closed, they may also be open as loops on one side or at a position with overlapping parts of a
  • Endless carbon fiber 618 is added to the outer peripheral portion of the rotor main body 600 by additional pieces
  • Rotor main body 600 produce. To the middle of
  • Rotor main body 600 thickens the endless carbon fiber
  • FIG. 7 shows a rotor 700 of an electric machine and a hub 704 made of continuous carbon fiber.
  • the shaft passage formed by the hub 704 positively receives a shaft 702.
  • four holes are coupled with longitudinally disposed pins 706 disposed thereon.
  • the longitudinal pins may be, in particular, cylinder-pin-like, conical-pin-type or kerbwind-type longitudinal pins. Shaft and hub thus form a coupled connection.
  • the number and arrangement of the longitudinal pins 706 at the junction of shaft 702 and hub 704 may depend in particular on the forces and moments to be transmitted. In the example shown in FIG. 7, four longitudinal pins were used.
  • any number of longitudinal pins can realize the pin connection, in particular a longitudinal pin, two, three, four, five, eleven or 18 longitudinal pins.
  • the material of the longitudinal pins 706 is elastic and shears off at high torque.
  • the longitudinal pins 706 provide on the one hand start-up, brake slip and rotational damping and on the other hand at the same time a safety function to protect the rotor 700 and the shaft 702 from excessive torque.
  • FIG. 8 shows an electric machine 800.
  • a stator 801 engages around a rotor main body 802.
  • the rotor main body 802 is integrally formed with a mounting flange 804 which is connected to a shaft 808 through a center boss nose 806.
  • the driving lug 806 engages in a recessed into the mounting flange 810 a.
  • the shaft 408 is supported radially and / or axially on both sides of the stator 801 by two stationary rolling bearings 812.
  • the stator 801 in FIG. 8 includes electric stator coils (not shown) whose magnetic field interacts with a magnetic field of permanent magnets 814 arranged in an outer area of the rotor main body.
  • Permanent magnets 814 are in hollow receptacles 817 of the
  • Rotor main body 802 arranged and disposed on both sides of the rotor main body 802 cover layers
  • the mounting flange 804 offers a large
  • the mounting flange 804 allows higher forces and moments to be transmitted than is possible with an electrical machine 100 designed in comparable dimensions as shown in FIG.
  • the bearings 812 shown in Fig. 8 provide support for the shaft 808 and the rotor main body 802 connected thereto via the mounting flange 804. However, if only the bearings 812 are provided as the bearings, rapid rotation of the rotor main body 802 occurs without bearing in axial directions Vibration. It would be desirable to realize a bearing which ensures that the rotor main body 802 does not leave its axially provided position, in particular at its edges, during such rotational movement and / or in the event of vibrations, oscillations or similar movements.
  • Fig. 9a shows a schematic storage device.
  • a rotor 904 is connected to a shaft 902 via a suitable rotor-shaft arrangement.
  • the rotor 904 made of carbon fiber composite material in this case includes receptacles 906, 908 for magnets (not shown).
  • the rotor 904 is supported by two radial bearings 912, 914.
  • the radial bearings 912, 914 ensure that the shaft 902 and the rotor 904 attached thereto are held in their intended position in the radial direction R.
  • further bearings 916, 918 are provided according to the invention in the example shown in FIG. 9a, which support the rotor on both sides and provide axial support of the rotor 904.
  • the thrust bearings 916, 918 ensure that the rotor 904 and its associated shaft 902 are maintained at a predetermined axial position A during operation of the electric machine.
  • Fig. 9b shows a bearing assembly with bearings 922, 924 supporting the shaft axially.
  • bearings 926, 928 are provided. These bearings 926, 928 are at a radially outer portion of the rotor 904 with this in operative connection.
  • bearings 926, 928 may be disposed in and / or on a stator (not shown). Such an arrangement of the bearings 926, 928 is particularly suitable for preventing vibration of the rotor from its axial position.
  • bearings 936, 938 are provided.
  • the outboard portion of the rotor 904 with this operatively connected bearing 936 and 938 support the rotor 904 in the axial and / or radial direction.
  • Fig. 9d shows another example of a storage arrangement.
  • a bearing 948 provided on the outer portion of the rotor supports the rotor 904 so as to axially support the rotor 904.
  • Another bearing 944 in turn supports the shaft 902 and the Rotor 904 connected to it so as to be radially supported.
  • FIG. 10a shows an inner side surface 1022 of a stator of an electric machine 1000, a cross section 1024 through the stator in the schematic representation shown, a shaft 1002, a rotor 1004 connected to the shaft, receptacles 1006, 1008 for magnets (not shown) in the rotor 1004 and inventively provided bearings 1012, 1014, 1016, 1018.
  • the shaft 1002 is thereby radially supported by the provided bearings 1012, 1014.
  • bearings 1016, 1018 are provided in the example shown, which are arranged on the stator and support the rotor 1004 axially.
  • the radially supporting bearings 1012, 1014 may be rolling bearings and the axially supporting bearings 1016, 1018 may be plain bearings. Due to the arrangement in FIG. 10a, the rotor 1004 can be operated at a diameter of preferably about two meters, four meters, six meters and more, stable and with a small stator gap at high rotational speeds, so that a good magnetic interaction between the magnets and the Stator can be used.
  • the bearings 1012, 1014 realize a radial bearing of shaft 1002.
  • a magnetic bearing is preferably provided for the axial bearing of the rotor 1004.
  • further magnets 1030 and 1032 are arranged both on or in the rotor 1004 and on or in the stator.
  • the magnets 1030 mounted centrally on or in the rotor 1004 and the stationary magnets 1032 arranged correspondingly to these in the vicinity of the rotor 1004 act on one another in an attractive and / or repulsive manner.
  • a radial one additionally arises Centering effect on the rotor 1004, so that the radially supporting bearings 1012, 1014 are relieved.
  • Another example provides, in addition or as an alternative, another identical bearing, for example air bearing.
  • Fig. 11 shows a negative mold 1100 for rotor production.
  • the female mold 1100 is designed along a longitudinal section mirror symmetrical to the axis of symmetry 1102 and has a negative mold outer edge 1104, a carbon fiber recess 1106, the receptacles 202 (of Fig. 2) corresponding pins 1108, a carbon fiber recess 1106 and the mounting flange holes 204 (of Fig. 2) corresponding pins 1110 on.
  • Disposed in the center of the female mold 1100 is a washer 1112 corresponding to the shaft passage 206 (of Fig. 2).
  • the negative mold outer edge 1104, the pins 1108, the pins 1110 and the disk 1112 are integrally formed with the female mold 1100.
  • the material of the female mold 1100 is made of aluminum or carbon fiber composite material and can be closed by a negative mold closing lid (not shown).
  • Carbon fibers 1114 are used e.g. deposited, stretched or laminated by a fiber lay-off device (not shown) into the carbon fiber recess 306 according to a predetermined pattern.
  • Fig. 12 shows a negative mold 1200 for rotor production.
  • the negative mold 1200 is shown in cross section in FIG.
  • carbon fibers 1202 are shown lying in the negative mold 1200, also shown in cross-section.
  • the location and Alignment of the carbon fibers 1202 in the negative mold 1200 is merely qualitative.
  • the carbon fibers 1202 may have any position and orientation in the negative mold 1200.
  • the negative mold 1200 is symmetrical to the axis 1204, so that only one half of the negative mold 200 is explained in more detail.
  • the negative mold 1200 in FIG. 2 comprises tenons 1206 which correspond in shape and volume to the receptacles 406 shown in FIGS. 4a, 4b, respectively. Furthermore, the negative mold 1200 in the center comprises a pin 1208, which corresponds to a shaft passage. The pins 1206 and the pin 1208 are formed integrally with the female mold 1200. The remaining space between the pins 1206, the pin 1208 and the negative mold 1200 itself forms a stepped cylindrical trough whose shape and volume corresponds to a rotor.
  • This rotor includes a rotor main body corresponding to a rotor main body portion 1210 in the female mold 1200, and a mounting flange unilaterally and integrally formed with the rotor main body corresponding to a mounting flange portion 1212 in the female mold 200.
  • the material of the negative mold 1200 may be e.g. Aluminum or fiber composite material.
  • Fig. 13 shows a flow chart for a rotor manufacturing process.
  • the flowchart provides four alternative procedures for making a rotor main body 1300 consisting of only carbon fiber composite material.
  • Process 1302 comprises the sequential steps of negative-setting or stretching carbon fiber into fiber 1304, epoxy in the negative-mold carbon fiber 1306 and 1308 harden the mixture of carbon fiber and epoxy resin at a predetermined pressure P H and a predetermined temperature T H.
  • the process flow 1310 includes the step of milling and drilling a plate-like carbon fiber composite semi-finished product 1312 so that the rotor main body is formed.
  • Process 1314 includes the sequential steps of laminating fiber prepreg in a negative mold 1316 and curing 1318 the fiber prepreg at a predetermined pressure P H and a predetermined temperature T H.
  • Process 1320 includes the sequential steps of mixing carbon fibers with polypropylene 1322 to formulate 1324 the mixture of carbon fiber with polypropylene in a negative mold and to cure 1324 and cure the mixture at a predetermined pressure P H and a predetermined temperature T H 1326.
  • FIG. 15 shows an electric machine 1500 in which three of the stators 1502, 1504 and 1506 shown in FIG. 8, each having rotatably mounted therein rotors 1508, 1510 and 1512, are arranged in series on a shaft 1514.
  • Such a stator-rotor subunit of a stator and a rotor in this case corresponds to the electrical machine 800 shown in FIG. 8.
  • the shaft 1514 of the electric machine 1500 shown in FIG. 15 is supported radially and / or axially by two fixed rolling bearings 1516 similarly as shown in FIG. Since the diameter of the stator-rotor subunit shown in FIG. 15 is larger than the thickness of the stator-rotor subunit, the electric machine can 1500 with two, three or more series-arranged stator-rotor sub-units achieve a more compact design, ie a ratio of machine diameter to machine thickness of about 1: 1 and thereby the power and torque are increased.
  • a housing 1518 enclosing the stator-rotor subunits shown in FIG. 15, which protects the electric machine 1500 from inward and outward influences (eg, dust, heat, moisture, electromagnetic radiation, etc.). protects.
  • inward and outward influences eg, dust, heat, moisture, electromagnetic radiation, etc.
  • FIG. 16 shows a hybrid system.
  • the device Ml is doing a
  • engine M2 is a conventional internal combustion engine or similar.
  • the torques of the two acting as motor devices Ml and M2 are in a planetary gear
  • FIGS. 17a and 17b show an electrical circuit arrangement of a motor-generator device.
  • 17a shows a circuit arrangement in a state in which the motor-generator device as a generator G1 converts mechanical energy into electrical energy and stores it in a battery 1702.
  • a rectifier or commutator may be connected between battery 1702 and generator Gl if the generator supplies Gl power.
  • Fig. 17b shows a circuit arrangement in a state in which the motor-generator device as a motor Ml acting electrical energy from a battery 1702 converts into mechanical energy.
  • a vehicle drive may be implemented which, upon braking the vehicle, feeds kinetic energy back into a battery 1702 and selectably converts electrical energy of the battery 1702 into kinetic energy.
  • a rotor-shaft arrangement of the motor-generator device can be designed so that drive and brake slip by elastic longitudinal pins allow soft starting and braking in the hybrid system and provided by the elastic longitudinal pins damping behavior of a backward non-constant rotation of the internal combustion engine via the planetary gear 1502 prevented on the motor-generator device.
  • this may in particular as a drive device or other use in an aircraft (in particular a passenger aircraft, a powered aircraft, a glider with or without auxiliary engine or an electric machine for an airship ), Watercraft (in particular a ship or boat, for example a motorboat or a sailboat with or without an auxiliary engine) or land vehicle (especially a car, a motorcycle, a truck, a locomotive, a forklift) are used, the low weight and the high Stability of the rotor main body made of fiber composite allows high start-up and braking acceleration of the drive device.
  • an aircraft in particular a passenger aircraft, a powered aircraft, a glider with or without auxiliary engine or an electric machine for an airship
  • Watercraft in particular a ship or boat, for example a motorboat or a sailboat with or without an auxiliary engine
  • land vehicle especially a car, a motorcycle, a truck, a locomotive, a forklift
  • the electric machine can take a combination of generator function and motor function, and e.g. in an electric vehicle or vehicle with hybrid drive, either during the deceleration of the vehicle, feeding energy into an electric battery or, when accelerating the vehicle, converting electrical energy from the battery as an engine back into kinetic energy.

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Abstract

The invention relates to a rotor-shaft arrangement for an electric motor (100; 800; 1000; 1500), comprising a shaft (108; 404; 512; 702; 808; 902; 1002; 1514) and a rotor (500; 700; 904; 1004; 1508, 1510, 1512) which is arranged on the shaft (108; 404; 512; 702; 808; 902; 1002; 1514) and has a main member (104; 200; 402; 502; 600; 802; 1300) containing fiber composite. According to the invention, the shaft (108; 404; 512; 702; 808; 902; 1002; 1514) and the main member (104; 200; 402; 502; 600; 802; 1300) of the rotor are coupled to one another by means of at least one longitudinal pin connection encompassing at least one elastic longitudinal pin (706) in order to allow for slip during starting and/or deceleration and/or for mechanical damping. The invention further relates to a hybrid system, an electric motor, a method for producing a rotor-shaft arrangement, and the use of a rotor-shaft arrangement, a hybrid system, and/or an electric motor as and/or for a drive unit of an aircraft, watercraft, or land craft or as a generator in a power generation device.

Description

Rotor-Welle-Anordnung für eine elektrische Maschine Rotor shaft arrangement for an electric machine
Technisches Gebiet der ErfindungTechnical field of the invention
Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen elektrische Maschinen und insbesondere Rotoren für elektrische Maschinen.The present invention relates generally to electrical machines, and more particularly to rotors for electric machines.
Stand der TechnikState of the art
Elektrische Maschinen, sowohl in Form von Elektromotoren als auch Generatoren, werden in zunehmendem Maße in Bereichen alternativer Energiegewinnung und -Versorgung verwendet. Hierbei sind herkömmliche elektrische Maschinen u.a. aufgrund von Baugröße, Gewicht und Wirkungsgrad in vielen Fällen nicht geeignet.Electric machines, both in the form of electric motors and generators, are increasingly being used in areas of alternative power generation and supply. Here are conventional electrical machines u.a. due to size, weight and efficiency in many cases not suitable.
Die Patentschrift DE 10 2006 036 707 B3 offenbart einen Trägerring aus faserverstärktem Kunststoff mit Ausschnitten zum Einsetzen von Permanentmagneten. Ein oder mehrere Trägerringe können dabei eine Rotorkonstruktion bilden.The patent DE 10 2006 036 707 B3 discloses a carrier ring made of fiber-reinforced plastic with cutouts for insertion of permanent magnets. One or more carrier rings can form a rotor construction.
Die internationale Anmeldung WO 01/11755 Al beschreibt ähnlich DE 10 2006 036 707 B3 einen an einer Welle angeordneten eisenlosen, scheibenförmigen Rotor, derThe international application WO 01/11755 Al describes similar to DE 10 2006 036 707 B3 arranged on a shaft ironless, disk-shaped rotor, the
Permanentmagnete aufweist, die in einen faser- oder gewebearmierten Kunststoff eingebettet sind. DiePermanent magnets which are embedded in a fiber or fabric-reinforced plastic. The
Permanentmagnete sind jeweils formschlüssig mit dem umgebenden Kunststoff verbunden. Der Kunststoff bildet zusammen mit den Permanentmagneten und der Maschinenwelle eine formstabile Einheit.Permanent magnets are each positively connected to the surrounding plastic. The plastic forms a dimensionally stable unit together with the permanent magnets and the machine shaft.
Ferner beschreibt das "Handbuch Verbundwerkstoffe" von Manfred Neitzel und Peter Mitschang, Hanser Verlag, 2004, 1. Auflage, verschiedene herkömmliche Verfahren, um Faserkunststoffverbunde zu verarbeiten. Fig. 14 zeigt ein Übersichtsdiagramm für solche herkömmlichen Verfahren aus Neitzel und Mitschang. Das Diagramm unterteilt auf der horizontalen Achse die Formkomplexität eines Faserkunststoffverbunds und auf der vertikalen Achse eine ungefähre Bauteilgröße.Furthermore, the "Handbuch composites" by Manfred Neitzel and Peter Mitschang, Hanser Verlag, 2004, 1st edition, various conventional methods for processing fiber-reinforced plastic composites. Fig. 14 shows an overview diagram of such conventional methods from Neitzel and Mitschang. The diagram divides the shape complexity of a fiber-plastic composite on the horizontal axis and an approximate component size on the vertical axis.
Das Diagramm in Fig. 14 gibt insbesondere Auskunft über Bauteilarten und Verarbeitungsverfahren. Beispielsweise ist die Formkomplexität von runden bzw. ovalen Rohren gering, deren Bauteilgröße kann jedoch von klein bis groß variieren. Die Faserverarbeitungsverfahren Fließformen und Spritzgießen kommen vermehrt bei Bauteilen hoher Formkomplexität und kleiner bis mittlerer Bauteilgröße zum Einsatz, wohingegen das Harzinjektionsverfahren nach Neitzel und Mitschang eher bei hoher Formkomplexität und großer Bauteilgröße zu wählen ist. Als weitere Information kann dem Diagramm entnommen werden welches Verarbeitungsverfahren für ein bestimmtes Bauteil geeignet ist. Demnach eignet sich nach Neitzel und Mitschang das Umformen für Strukturbauteile und Schalen, das Wickeln beispielsweise eher für Druckbehälter und runde bzw. ovale Rohre. Nachteilig an allen Verfahren sind jedoch die Verarbeitungskosten und der hoheIn particular, the diagram in FIG. 14 provides information about component types and processing methods. For example, the shape complexity of round or oval tubes is low, but their component size can vary from small to large. The fiber processing methods flow forming and injection molding are increasingly used in components of high shape complexity and small to medium size components, whereas the resin injection method according to Neitzel and Mitschang is more likely to be selected with high shape complexity and large component size. As further information, it can be seen from the diagram which processing method is suitable for a particular component. According to Neitzel and Mitschang, forming is therefore suitable for structural components and shells, while winding is more suitable for pressure vessels and round or oval tubes, for example. However, the disadvantages of all processes are the processing costs and the high costs
Energiebedarf beispielsweise bei Einsatz eines Autoklaven zur Aushärtung von Faserkunststoffverbunden.Energy demand, for example, when using an autoclave for curing fiber-reinforced plastics.
Die DE 10 2005 049 541 Al beschreibt eine elektrische Maschine mit einer Welle und einem Rotorkörper mit integrierten Permanentmagneten. Der Rotorkörper wird durch Umspritzen einer Welle aus einem weichmagnetisch modifizierten Kunststoff geformt. Sowohl das Formen des Rotorkörpers durch Spritzgießen aus einem weichmagnetisch modifizierten Kunststoff und das Formen des wenigstens einen integrierten Permanentmagneten durch Spritzgießen aus einem hartmagnetisch modifizierten Kunststoff als auch das Anformen des Rotorkörpers an die Welle in einem Schritt. Dies bedeutet, dass der Rotorkörper mit dem wenigstens einen integrierten Permanentmagneten durch Spritzgießen aus einem hartmagnetisch modifizierten Kunststoff als auch das Anformen des Rotorkörpers an die Welle in einem Schritt. Dies bedeutet, dass der Rotorkörper mit dem wenigstens einen integrierten Permanentmagneten nicht in einem separaten Verfahren hergestellt wird, um anschließend auf eine Welle aufgebracht zu werden. Das bevorzugte Spritzgießverfahren erlaubt es, den Rotorkörper beim Formen an die Welle anzuformen .DE 10 2005 049 541 A1 describes an electric machine with a shaft and a rotor body with integrated permanent magnets. The rotor body is formed by molding a shaft made of a magnetically modified plastic. Both the molding of the rotor body by injection molding of a magnetically modified plastic and forming the at least an integrated permanent magnet by injection molding of a hard magnetically modified plastic as well as the molding of the rotor body to the shaft in one step. This means that the rotor body with the at least one integrated permanent magnet by injection molding of a magnetically hard-plastic modified as well as the molding of the rotor body to the shaft in one step. This means that the rotor body with the at least one integrated permanent magnet is not produced in a separate process, in order subsequently to be applied to a shaft. The preferred injection molding method makes it possible to mold the rotor body during molding to the shaft.
Die DE 693 03 031 T2 beschreibt einen Rotor, der faserverstärkte Plastikmaterialien aufweist.DE 693 03 031 T2 describes a rotor having fiber reinforced plastic materials.
Die DE 44 42 869 Al beschreibt einen Außenläufer für eine elektrische Maschine. In das Flanschsegment ist ein ausDE 44 42 869 Al describes an external rotor for an electric machine. In the flange segment is an off
Metall bestehendes, insbesondere ringförmiges Nabenteil eingegossen. Das Nabenteil hat eine freiliegende, axiale und/oder radiale Anschlussfläche und bildet lediglich einen "Adapter", an den ein Lageransatz oder eine Welle oder dergleichen angeflanscht ist.Cast metal existing, in particular annular hub part. The hub part has an exposed, axial and / or radial connection surface and forms only an "adapter" to which a bearing lug or a shaft or the like is flanged.
Die GB 2 302 455 A beschreibt einen Rotor für Hochgeschwindigkeitsanwendungen. Der Rotor besteht aus faserverstärktem Kunststoffmate.rial und weist einen Zentrierzapfen auf, der als zentrale Welle ausgebildet ist. Um die zentrale Welle werden harzimprägnierte Fasern gewickelt, um den Rotor zu bilden.GB 2 302 455 A describes a rotor for high speed applications. The rotor is made of fiber-reinforced Kunststoffmate.rial and has a centering pin, which is designed as a central shaft. Resin-impregnated fibers are wound around the central shaft to form the rotor.
Die DE 1 613 280 beschreibt die Befestigung eines Läuferblechpakets an einer Läuferwelle. Die Läuferwelle wird durch einen in eine Längsnut eingelegten Stift festgelegt, dessen Enden beidseitig aus demDE 1 613 280 describes the attachment of a rotor core to a rotor shaft. The rotor shaft is determined by an inserted into a longitudinal groove pin whose ends on both sides of the
Läuferbleckpaket herausragen und mittels eines aushärtenden Klebers mit der Welle verbunden sind.Läuferbleckpaket protrude and are connected by means of a curing adhesive to the shaft.
Die US 4,934,042 beschreibt einen Rotor, der alsUS 4,934,042 describes a rotor, as
Weichstahl-Laminatstapel ausgebildet ist. Der Rotor ist über eine Federstiftverbindung mit einer Welle gekoppelt. Die Federstifte sind hohl und längsgeschlitzt gebildet. Die Federstifte sind in einer Nut zwischen Rotor undSoft steel laminate stack is formed. The rotor is coupled via a spring pin connection with a shaft. The spring pins are hollow and formed longitudinally slotted. The spring pins are in a groove between the rotor and
Welle eingesetzt und verspreizen sich dort, um einer möglichen Verdrehung zwischen Laminatstapel und Rotor entgegenzuwirken .Shaft used and spreader there to counteract a possible rotation between the laminate stack and rotor.
Die DE 8 013 602 Ul beschreibt eine Kopplung einer Keramikwelle mit einem Rotor eines Spaltrohrmotors. Eine Passung zwischen dem Außendurchmesser der Keramikwelle und einer Aufnahmebohrung im Rotor ist als Spielpassung oder Übergangspassung ausgebildet. In der Aufnahmebohrung des Rotors ist zumindest eine Längsnut ausgebildet, und in die Längsnut ist ein Spannelement eingedrückt, das an der Nutöffnung mit der Keramikwelle verspannt ist. Durch diese Verspannung wird die Drehmomentübertragung zwischen dem Rotor und der Keramikwelle reibschlüssig hergestellt.DE 8 013 602 Ul describes a coupling of a ceramic shaft with a rotor of a canned motor. A fit between the outer diameter of the ceramic shaft and a receiving bore in the rotor is formed as a clearance fit or transition fit. In the receiving bore of the rotor, at least one longitudinal groove is formed, and in the longitudinal groove, a clamping element is pressed, which is braced at the slot opening with the ceramic shaft. By this tension, the torque transmission between the rotor and the ceramic shaft is frictionally produced.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es die oben genannten Nachteile des Standes der Technik zu überwinden.Object of the present invention is to overcome the above-mentioned disadvantages of the prior art.
Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die vorliegendeTo solve this problem, the present
Erfindung Gegenstände, Verfahren und Verwendung gemäß den unabhängigen Ansprüchen bereit. Varianten und bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen.Invention Articles, methods and use according to the independent claims ready. Variants and preferred embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims, the following description and the drawings.
Erfindungsgemäß ist eine Rotor-Welle-Anordnung für eine elektrische Maschine vorgesehen, welche umfasst: eineAccording to the invention, a rotor-shaft arrangement is provided for an electrical machine, which comprises: a
Welle, einen an der Welle angeordneten Rotor mit einemShaft, a rotor arranged on the shaft with a
Faserverbundmaterial aufweisenden Rotorhauptkörper, wobei die Welle und der Rotorhauptkörper mittels wenigstens einer Längsstiftverbindung gekoppelt sind, die wenigstens einen elastischen Längsstift umfasst, um Anlauf- und/oderFiber composite having rotor main body, wherein the shaft and the rotor main body are coupled by means of at least one longitudinal pin connection comprising at least one elastic longitudinal pin to start and / or
Bremsschlupf und/oder mechanische Dämpfung zu ermöglichen.To allow brake slip and / or mechanical damping.
Insbesondere ist eine Rotor-Welle-Anordnung für eine elektrische Maschine vorgesehen, die eine Welle und einen an der Welle angeordneten Rotor mit einem Faserverbundmaterial aufweisenden Rotorhauptkörper umfasst, wobei die Welle und der Rotorhauptkörper mittels wenigstens einer Längsstiftverbindung gekoppelt sind. Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Rotor-Welle- Anordnung einen Flansch aufweist, der mit dem Rotorhaupt körper verbunden ist, wobei der Rotorhauptkörper und der Flansch mittels wenigstens einer der Längsstiftverbindungen mit der Welle gekoppelt sind. Die Längsstiftverbindung umfasst wenigstens einenIn particular, there is provided a rotor-shaft assembly for an electric machine comprising a shaft and a rotor disposed on the shaft with a rotor main body having a fiber composite, wherein the shaft and the rotor main body are coupled by means of at least one longitudinal pin connection. Preferably, it may be provided that the rotor-shaft assembly has a flange which is connected to the body of the rotor main body, wherein the rotor main body and the flange are coupled by means of at least one of the longitudinal pin connections with the shaft. The longitudinal pin connection comprises at least one
Längsstift aus einem elastischen Material, um Anlauf- und/oder Bremsschlupf und/oder mechanische Dämpfung zu ermöglichen. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Längsstiftverbindung den wenigstens einen Längsstift bei hohem Drehmoment abschert.Longitudinal pin made of an elastic material to allow start-up and / or brake slip and / or mechanical damping. Furthermore, it can be provided that the longitudinal pin connection shears the at least one longitudinal pin at high torque.
Ferner umfasst die Erfindung ein Hybridsystem mit einerFurthermore, the invention comprises a hybrid system with a
Verbrennungsmotoreinheit • oder einer anderenCombustion engine unit • or another
Drehantriebseinheit, einer Getriebeeinheit und einer Elektromotoreinheit mit einer Welle, wobei die Getriebeeinheit das Drehmoment der Verbrennungsmotoreinheit oder einer anderen Drehantriebseinheit mit dem Drehmoment der Elektromotoreinheit summiert und die Elektromotoreinheit wenigstens einen Faserverbundmaterial aufweisenden Rotor umfasst, der durch eine Längsstiftverbindung an die Welle der Elektromotoreinheit gekoppelt ist.Rotary drive unit, a transmission unit and an electric motor unit with a shaft, wherein the Transmission unit sums the torque of the engine unit or other rotary drive unit with the torque of the electric motor unit and the electric motor unit comprises at least one fiber composite rotor having a longitudinal pin connection to the shaft of the electric motor unit.
Weiterhin kann die Längsstiftverbindung zur Kopplung des Rotorhauptkörpers mit der Welle wenigstens einen Längsstift aus einem vorbestimmten Material umfassen, der gegen einen Längsstift aus einem anderen vorbestixnmten Material austauschbar ist. Dabei kann das vorbestimmte Material ein elastischer Werkstoff sein. Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die Längsstiftverbindung bei hohem Drehmoment abschert. Darüber hinaus ist eine Lösung für das Hybridsystem vorgesehen, die Anlauf- und/oder Bremsschlupf und/oder mechanische Dämpfung ermöglicht.Furthermore, the longitudinal pin connection for coupling the rotor main body to the shaft may comprise at least one longitudinal pin of a predetermined material, which is exchangeable against a longitudinal pin of another vorbestixnmten material. In this case, the predetermined material may be an elastic material. Furthermore, it can be provided that the longitudinal pin connection shears off at high torque. In addition, a solution for the hybrid system is provided, which allows startup and / or brake slip and / or mechanical damping.
Ferner wird eine elektrische Maschine mit einem Stator und der oben beschriebenen Rotor-Welle-Anordnung bereitgestellt .Furthermore, an electric machine with a stator and the rotor-shaft arrangement described above is provided.
Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung einer Rotor- Welle-Anordnung bereitgestellt, das die folgenden Schritte umfasst:Furthermore, a method for producing a rotor-shaft arrangement is provided, which comprises the following steps:
Bereitstellen eines Faserverbundmaterial aufweisenden RotorhauptkörpersProviding a fiber composite material having rotor main body
Bereitstellen einer Welle - Anordnen des Rotorhauptkörpers und der Welle, so dass die Welle und der Rotorhauptkörper mittels wenigstens einer Längsstiftverbindung gekoppelt sind, die einen elastischen Längsstift umfasst, um Anlauf- und/oder Bremsschlupf und/oder mechanische Dämpfung zu ermöglichen. Des Weiteren wird eine oben beschriebene Rotor-Welle- Anordnung, ein oben beschriebenes Hybridsystem und/oder eine oben beschriebene elektrische Maschine als ein und/oder für einen Antrieb für ein Luft-, Wasser- oder Landfahrzeug oder als Generator in einer Stromerzeugungsvorrichtung bereitgestellt, wobei die Stromerzeugungsvorrichtung Wind- und Wasserkraftanlagen umfasst .Providing a shaft - arranging the rotor main body and the shaft, so that the shaft and the rotor main body are coupled by means of at least one longitudinal pin connection, which includes an elastic longitudinal pin to allow startup and / or brake slip and / or mechanical damping. Furthermore, a rotor-shaft arrangement described above, a hybrid system described above and / or an electric machine described above as and / or for a drive for an air, water or land vehicle or as a generator in a power generating device is provided the power generating device comprises wind and hydro power plants.
Nachstehend werden weitere bevorzugte beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung anhand scheπvatischer Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:Hereinafter, further preferred exemplary embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to schematic drawings. Showing:
Fig. 1 eine elektrische Maschine,1 is an electrical machine,
Fig. 2 einen Rotorhauptkörper,2 shows a rotor main body,
Fig. 3a einen vergrößerten Teilbereich eines3a shows an enlarged portion of a
Rotorhauptkörpers,Rotor main body,
Fig. 3b einen vergrößerten Teilbereich eines Rotorhauptkörpers,3b shows an enlarged portion of a rotor main body,
Fig. 4a eine Seitenansicht eines Rotorhauptkörper mit Decklagen,4a is a side view of a rotor main body with cover layers,
Fig. 4b eine Seitenansicht eines Rotorhauptkörpers mit einem Befestigungsflansch,4b is a side view of a rotor main body with a mounting flange,
Fig. 5 einen Rotor,5 a rotor,
Fig. 6 einen Ausschnitt eines Rotorhauptkörpers, Fig. 1 eine Rotor-Welle-Anordnung,6 shows a section of a rotor main body, 1 shows a rotor-shaft arrangement,
Fig. 8 eine elektrische Maschine,8 an electrical machine,
Fig. 9a, 9b verschiedene Lagerungsvorrichtungen,9a, 9b different storage devices,
9c und 9d9c and 9d
Fig. 10a weitere Lagerungsvorrichtungen, und 10bFig. 10a further storage devices, and 10b
Fig. 11 eine Negativform zur Rotorherstellung,11 is a negative mold for rotor production,
Fig. 12 eine weitere Negativform zur Rotorherstellung,12 shows a further negative mold for rotor production,
Fig. 13 ein Flussdiagramm für verschiedene Herstellverfahren,13 is a flow chart for various manufacturing methods,
Fig. 14 ein Diagramm gemäß dem Stand der TechnikFig. 14 is a diagram according to the prior art
Fig. 15 eine elektrische Maschine,15 an electrical machine,
Fig. 16 ein Hybridsystem, undFig. 16 is a hybrid system, and
Fig. 17a eine elektrische Schaltungsanordnung einer und 17b Motor-Generatorvorrichtung.17a shows an electrical circuit arrangement of a and 17b motor-generator device.
Bevor auf die Zeichnung detailliert eingegangen wird, werden im Folgenden allgemeine Anmerkungen zu der vorliegenden Erfindung, Varianten und Ausführungsformen derselben gemacht.Before going into the drawing in detail, general remarks on the present invention, variants and embodiments thereof are made below.
Es ist ein Rotor für eine elektrische Maschine mit einem Rotorhaupt körper vorgesehen, der Faserverbundmaterial aufweist. Dabei kann der Rotorhauptkörper eine oder eine Mehrzahl von zentrisch zur Mitte des Rotorhauptkörpers angeordnete Aufnahmen umfassen. Weiterhin kann der Rotor eine Mehrzahl von Magneten umfassen, die in wenigstens einer der Aufnahmen angeordnet sind, wobei in wenigstens einer der Aufnahmen mindestens zwei Magnete angeordnet sind. Bevorzugt handelt es sich bei wenigstens einem der Magnete um einen Permanentmagneten.It is a rotor for an electrical machine with a rotor main body provided, the fiber composite material having. In this case, the rotor main body may include one or a plurality of centrally disposed to the center of the rotor main body shots. Furthermore, the rotor may comprise a plurality of magnets, which are arranged in at least one of the receptacles, wherein at least two magnets are arranged in at least one of the receptacles. Preferably, at least one of the magnets is a permanent magnet.
Vorzugsweise weist das Material des Magneten Seltene- Erden-Metalle oder eine chemische Verbindung mit Seltenen-Erden-Metallen auf. Ergänzend oder alternativ kann das Material des Magneten Neodym und/oder eine chemische Verbindung mit Neodym aufweisen. Das Material des Magneten kann zusätzlich oder alternativ die chemische Verbindung Neodym-Eisen-Bor oder Samarium- Kobalt umfassen.Preferably, the material of the magnet comprises rare earth metals or a chemical compound with rare earth metals. Additionally or alternatively, the material of the magnet can have neodymium and / or a chemical compound with neodymium. The material of the magnet may additionally or alternatively comprise the chemical compound neodymium-iron-boron or samarium-cobalt.
Es ist vorgesehen, dass in jeder der Aufnahmen entweder kein Magnet oder genau zwei Magnete angeordnet sind. In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung sind die zentrisch angeordneten Aufnahmen durch den Rotorhauptkörper hindurchgehende Löcher.It is envisaged that in each of the shots either no magnet or exactly two magnets are arranged. In a further embodiment of the invention, the centrally arranged receptacles are holes passing through the rotor main body.
Vorzugsweise ist wenigstens eine Decklage vorgesehen, wobei die wenigstens eine Decklage derart an dem Rotorhauptkörper angeordnet sein kann, dass die in den zentrischen Aufnahmen angeordneten Magnete zumindest teilweise abgedeckt werden. Wenigstens eine der Decklagen kann dabei Faserverbundmaterial aufweisen. In einer Ausführungsform sind die Magnete dabei dergestalt durch zumindest eine der Decklagen abgedeckt, dass sie aus den Aufnahmen nicht entnehmbar sind. In einer weiteren Ausführungsform sind an einer Vorderfläche und/oder einer Rückfläche des Rotorhauptkörpers jeweils wenigstens eine Decklage angeordnet .Preferably, at least one cover layer is provided, wherein the at least one cover layer may be arranged on the rotor main body such that the magnets arranged in the central receptacles are at least partially covered. At least one of the cover layers may have fiber composite material. In one embodiment, the magnets are covered in such a way by at least one of the cover layers that they are not removable from the recordings. In a further embodiment, in each case at least one cover layer is arranged on a front surface and / or a rear surface of the rotor main body.
Das Faserverbundmaterial des Rotors kann Carbon, Epoxidharz und/oder Polypropylen aufweisen.The fiber composite material of the rotor may comprise carbon, epoxy resin and / or polypropylene.
Des Weiteren ist eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem erfindungsgemäßen Rotor vorgesehen.Furthermore, an electric machine with a stator and a rotor according to the invention is provided.
Bei dem Herstellungsverfahren kann wenigstens eine Faser für das Faserverbundmaterial derart ausgelegt sein, dass sie in/auf ein formgebendes Mittel gelegt wird. Es kann auch vorgesehen sein, dass Faserverbundmaterial aufweisendes Halbzeug zum Bilden des Rotorhauptkörpers verwendet wird. Vorzugsweise wird dabei wenigstens eine Faser für das Faserverbundmaterial derart ausgelegt, dass sie in/auf ein formgebendes Mittel gelegt wird.In the manufacturing process, at least one fiber for the fiber composite material may be designed to be laid in / on a forming means. It can also be provided that semifinished product comprising fiber composite material is used to form the rotor main body. Preferably, at least one fiber for the fiber composite material is designed such that it is placed in / on a shaping means.
Auch sieht die Erfindung die Verwendung des Rotors in einer elektrischen Maschine als Antrieb für ein Luft-, Wasser- oder Landfahrzeug oder als Generator in einer Stromerzeugungsvorrichtung vor. Die Stromerzeugungsvorrichtung kann Wind- und Wasserkraftanlagen umfassen und/ oder ausgelegt sein von einem Fahrzeug erzeugte rotatorische Kräfte und/oder Momente in elektrische Energie umzuwandeln.The invention also provides for the use of the rotor in an electric machine as a drive for an air, water or land vehicle or as a generator in a power generating device. The power generating device may include wind and hydro power plants and / or be configured to convert rotational forces generated by a vehicle and / or torques into electrical energy.
Außerdem sieht die Erfindung eine als Nabenmotor und/oder -generator für ein Fahrzeug ausgeführte elektrische Maschine vor.In addition, the invention provides a designed as a hub motor and / or generator for a vehicle electrical machine.
Ferner ist ein Rotor für eine elektrische Maschine mit einem Rotorhauptkörper vorgesehen, der aus Faserverbundmaterial besteht. Ein an dem Rotorhauptkörper angeordneter Befestigungsflansch kann ebenfalls aus Faserverbundmaterial bestehen. Vorzugsweise sind der Rotorhauptkörper und der Befestigungsflansch einstückig aus Faserverbundmaterial und werden zusammen als Rotor bezeichnet .Further, a rotor for an electric machine is provided with a rotor main body made of Fiber composite material exists. A mounting flange disposed on the rotor main body may also be made of fiber composite material. Preferably, the rotor main body and the mounting flange are integrally formed of fiber composite material and are collectively referred to as a rotor.
Der Befestigungsflansch kann flächig an einer Vorder- und einer Rückseite des Rotorhauptkörpers angeordnet sein. Vorzugsweise ist der Rotor zylinderförmig und dessen Vorderseite, d.h. der Zylinderdeckel, eine kreisförmige Fläche, die der ebenfalls kreisförmigen Rückseite, d.h. dem Zylinderboden, gegenüberliegt. Vorteilhafterweise ist das Verhältnis Rotorhauptkörperdurchmesser zu Rotorhauptkörperdicke hoch, d.h. der Rotorhauptkörper ist vorteilhafterweise flach und hat daher ein geringes Gewicht. Wenn der Rotor in seiner Mitte mit einer Welle verbunden werden soll, ist es vorteilhaft, wenn der Rotor in der Mitte dicker ist. Dazu kann an der Vorder- und/oder Rückseite des Rotors ein Befestigungsflansch angeordnet werden. Der Befestigungsflansch erhöht vorzugsweise die Dicke des Rotorhauptkörpers zu dessen Mitte hin.The mounting flange may be arranged flat on a front and a rear side of the rotor main body. Preferably, the rotor is cylindrical and its front side, i. the cylinder cover, a circular surface, which is also the circular back, i. the cylinder bottom, opposite. Advantageously, the ratio of rotor main body diameter to rotor main body thickness is high, i. the rotor main body is advantageously flat and therefore has a low weight. If the rotor is to be connected to a shaft in its center, it is advantageous if the rotor is thicker in the middle. For this purpose, a mounting flange can be arranged on the front and / or rear of the rotor. The attachment flange preferably increases the thickness of the rotor main body toward the center thereof.
Der Befestigungsflansch kann ausgelegt sein, ein Drehmoment vom Rotorhauptkörper an die Welle zu übertragen, die an dem Befestigungsflansch angeordnet ist. Dies ermöglicht z.B. eine Baugruppe aus vorzugsweise miteinander verbundenen Komponenten, wobei die Komponenten den Rotorhauptkörper, den Befestigungsflansch und die Welle umfassen.The mounting flange may be configured to transmit torque from the rotor main body to the shaft disposed on the mounting flange. This allows e.g. an assembly of preferably interconnected components, the components comprising the rotor main body, the mounting flange and the shaft.
Der Befestigungsflansch kann formschlüssig zur Welle ausgebildet sein. Vorzugsweise weist der Befestigungsflansch ein Passloch auf, in das die Welle eingepasst wird. Vorzugsweise wird eine feste Passung (z.B. Presspassung) verwendet, um ein Befestigungsspiel, mechanischen Verschleiß und Verluste sowie Unwuchten im Rotor zu vermeiden oder zu reduzieren.The mounting flange may be formed positively to the shaft. Preferably, the mounting flange has a fitting hole into which the shaft is fitted. Preferably, a tight fit (eg press fit) is used to avoid or reduce attachment play, mechanical wear and losses and imbalances in the rotor.
Wenigstens eine Faser eines Fasermaterials kann den Rotorhauptkörper und den Befestigungsflansch bilden. Vorzugsweise wird die wenigstens eine Faser gewickelt, gelegt, gespannt oder auf eine andere Art so angeordnet, dass ein Volumenkörper wie der Rotorhauptkörper und/oder der Befestigungskörper einstückig gebildet werden kann. Das kann den Vorteil haben, dass Rotorhauptkörper und der Befestigungsflansch eine verbesserte, hohe Stabilität aufweisen. Sind der Rotorhauptkörper und der Befestigungsflansch einstückig ausgebildet, so kann ein zusätzlicher Verbindungsvorgang zweier Bauteile weggelassen und ein fester Zusammenhalt und eine schnelle Herstellung erreicht werden.At least one fiber of a fiber material may form the rotor main body and the mounting flange. Preferably, the at least one fiber is wound, laid, tensioned, or otherwise arranged so that a solid such as the rotor main body and / or the fixing body can be integrally formed. This can have the advantage that rotor main body and the mounting flange have improved, high stability. If the rotor main body and the mounting flange are integrally formed, then an additional connection operation of two components can be omitted and a solid cohesion and rapid production can be achieved.
Der Befestigungsflansch kann wenigstens ein Bauteil umfassen, das aus plattenartigem Faserverbundhalbzeug gebildet ist. Vorzugsweise ist der Befestigungsflansch aus einem oder mehreren flachen aufeinandergestapelten Bauteilen gebildet. Vorteilhafterweise ist ein solches Bauteil ein leicht verfügbares, einfach aufgebautes Bauteil, das leicht und schnell herstellbar ist. Durch Bauteile mit verschiedener Größe und verschiedenen mechanischen Eigenschaften kann vorteilhafterweise ein Befestigungsflansch in einem "Baukastensystem" zusammengesetzt und anwendungsspezifisch gebildet werden. Unter plattenartigem Faserverbundhalbzeug ist vorzugsweise eine aus Faserverbund-Rohmaterial gebildete Platte zu verstehen, die leicht durch gängige Bearbeitungsverfahren in eine gewünschte Form gebracht werden kann. Der Veredelungsvorgang vom Faserverbundhalbzeug bis zum Befestigungsflansch ist vorteilhafterweise kurz, preiswert und kann mit gängigen Maschinenbauwerkzeugen bewältigt werden. Unter plattenartigem Faserverbundhalbzeug können vorzugsweise auch oder alternativ vorgefertigte Stäbe, Holme, Rohre, Matten und Sandwichplatten, die jeweils Faserverbundmaterial aufweisen können, verstanden werden.The mounting flange may comprise at least one component which is formed from plate-like fiber composite semi-finished product. Preferably, the mounting flange is formed from one or more flat stacked components. Advantageously, such a component is an easily available, simply constructed component which can be produced easily and quickly. By means of components with different sizes and different mechanical properties, advantageously a mounting flange can be assembled in a "modular system" and formed in an application-specific manner. Under plate-like fiber composite semi-finished product is preferably understood to mean a plate formed from fiber composite raw material, which can be easily brought into a desired shape by conventional machining processes. The refining process of Semi-finished fiber composite up to the mounting flange is advantageously short, inexpensive and can be handled with common machine tools. Under plate-like fiber composite semi-finished product may also or alternatively be prefabricated rods, spars, pipes, mats and sandwich panels, each of which may comprise fiber composite material understood.
Die wenigstens eine Faser zur Mitte des Rotors hin kann eine Verdickung bilden. Vorzugsweise entsteht bei einer gleichmäßig radial geführten Anordnung der wenigstens einen Faser eine natürliche Verdickung zur Mitte des Rotors hin. Vorteilhafterweise kann die Verdickung einen Befestigungsflansch bilden.The at least one fiber towards the center of the rotor can form a thickening. Preferably, with a uniformly radially guided arrangement of the at least one fiber, a natural thickening towards the center of the rotor is produced. Advantageously, the thickening can form a mounting flange.
Es ist ein Rotor einer elektrischen Maschine mit einem Rotorhauptkörper vorgesehen, der aus Faserverbundmaterial besteht. Der Rotor weist wenigstens eine Aufnahme zur Anordnung von wenigstens einem Magneten auf. Die wenigstens eine Faser erstreckt sich entlang von wenigstens zwei benachbarten Seiten der wenigstens einen Aufnahme. Der Vorteil eines aus Faserverbundmaterial bestehenden Rotors ist niedrigeres Gewicht und höhere Stabilität im Vergleich zu herkömmlichen aus Weicheisenmaterial bestehenden Rotoren.There is provided a rotor of an electric machine having a rotor main body made of fiber composite material. The rotor has at least one receptacle for the arrangement of at least one magnet. The at least one fiber extends along at least two adjacent sides of the at least one receptacle. The advantage of a fiber composite fiber is lower weight and higher stability compared to conventional soft iron rotors.
Die wenigstens eine Faser kann als Schlinge um die wenigstens eine Aufnahme geführt sein und dabei maximal eine Seite der wenigstens einen Aufnahme frei lassen. Vorzugsweise führt eine Schlinge so um eine Aufnahme, die beispielsweise vier Seiten aufweist, dass drei von diesen Seiten umschlungen sind.The at least one fiber can be guided as a loop around the at least one receptacle and thereby leave at most one side of the at least one receptacle free. Preferably, a loop so leads around a receptacle, which has four sides, for example, that three of these sides are looped.
Die wenigstens eine Faser kann wenigstens zwei benachbarte Aufnahmen wenigstens teilweise umschlingen. Der Rotorhauptkörper kann wenigstens ein Flanschloch und/oder eine zentrale Wellenaufnähme und/oder Wellendurchführung umfassen, das bzw. die von wenigstens einer Faser wenigstens teilweise umschlungen sein kann bzw. können.The at least one fiber can at least partially wrap around at least two adjacent receptacles. The rotor main body may include at least one flange hole and / or central shaft and / or shaft passage that may be at least partially wrapped by at least one fiber.
Die wenigstens eine Faser kann wenigstens teilweise den Umfang des Rotorhauptkörpers umschlingen.The at least one fiber may at least partially wrap around the circumference of the rotor main body.
Vorzugsweise umschlingt die wenigstens eine Faser wenigstens zwei Stellen des Rotorhauptkörpers, wobei eine Stelle eine Aufnahme, eine zentrale Wellenaufnahme, ein Flanschloch oder einen bestimmter Bereich des Rotorhauptkörpers umfasst. Der Vorteil von einer in Schlingen geführten Faser ist eine höhere Stabilität des Rotors. Führt die Schlinge um eine Stelle, kann dort eine verbesserte Zugfestigkeit zu einer anderen Stelle im Rotorhauptkörper hergestellt werden. Eine Schiingenführung von inneren Stellen des Rotorhauptkörpers zu äußeren Stellen wirkt beispielsweise der Fliehkraft auf äußere Stellen des Rotorhauptkörpers entgegen .Preferably, the at least one fiber wraps around at least two locations of the rotor main body, wherein a location includes a receptacle, a central shaft receptacle, a flange hole or a specific area of the rotor main body. The advantage of a looped fiber is a higher stability of the rotor. If the loop passes around a location, improved tensile strength to another location in the rotor main body can be produced there. A Schiingenführung from inner points of the rotor main body to outer locations counteracts, for example, the centrifugal force on outer locations of the rotor main body.
Vorzugsweise umfasst die wenigstens eine Faser eine Endlosfaser und/oder stückweise Verdickungsfasern. Die Endlosfaser hat den Vorteil, dass sie als aufgespultes Ausgangsmaterial leicht zu verarbeiten ist. Zusätzlich ermöglichen Verdickungsfasern die Herstellung eines Rotorhauptkörpers mit konstanter und gleichmäßiger Dicke.Preferably, the at least one fiber comprises an endless fiber and / or piecewise thickening fibers. The continuous fiber has the advantage that it is easy to work as a wound starting material. In addition, thickening fibers allow the manufacture of a rotor main body of constant and uniform thickness.
Wird ein scheibenförmiger Rotorhauptkörper durch wenigstens eine Faser gebildet, so kann eine natürlicheIf a disk-shaped rotor main body is formed by at least one fiber, then a natural
Materialverdickung zur Mitte des Rotorhauptkörpers eine Nabe, einen Befestigungsflansch oder eine Wellenanbindung bilden. Vorteilhafterweise kann wenigstens ein Flanschloch als Auswuchtmittel für den Rotorhauptkörper dienen, insbesondere dann, wenn dieser scheibenförmig gebildet ist.Material thickening to the center of the rotor main body a hub, a mounting flange or shaft connection form. Advantageously, at least one flange hole can serve as a balancing means for the rotor main body, in particular if it is disc-shaped.
Vorzugsweise umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors für eine elektrische Maschine, dass ein Rotorhauptkörper als Rotor nur aus Faserverbundmaterial hergestellt wird, und ein nur aus Faserverbundmaterial bestehender Befestigungsflansch am Rotorhauptkörper angeordnet wird.Preferably, a method of manufacturing a rotor for an electric machine includes making a rotor main body as a rotor only of fiber composite material, and disposing a mounting flange made only of fiber composite material on the rotor main body.
Ferner ist eine Rotor-Welle-Anordnung für eine elektrische Maschine vorgesehen, die eine Welle und einen an der Welle angeordneten Rotor mit einem Faserverbundmaterial aufweisenden Rotorhauptkörper umfasst, wobei die Welle und der Rotorhauptkörper mittels wenigstens einer Längsstiftverbindung gekoppelt sind, die wenigstens einen elastischen Längsstift umfasst, um Anlauf- und/oder Bremsschlupf und/oder mechanischeFurther, there is provided a rotor-shaft assembly for an electric machine comprising a shaft and a rotor disposed on the shaft with a rotor main body comprising fiber composite, the shaft and the rotor main body being coupled by at least one longitudinal pin connection comprising at least one elastic longitudinal pin to start and / or brake slip and / or mechanical
Dämpfung zu ermöglichen.To allow damping.
Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Rotor-Welle- Anordnung einen Flansch aufweist, der mit dem Rotorhauptkörper verbunden ist, wobei der Rotorhauptkörper und der Flansch mittels wenigstens einer der Längsstiftverbindungen mit der Welle gekoppelt sind. Bevorzugt ist der elastische Längsstift gegen einen anderen Längsstift austauschbar. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass die Längsstiftverbindung den wenigstens einen Längsstift bei hohem Drehmoment abschert .Preferably, it can be provided that the rotor-shaft assembly has a flange which is connected to the rotor main body, wherein the rotor main body and the flange are coupled by means of at least one of the longitudinal pin connections with the shaft. Preferably, the elastic longitudinal pin is interchangeable with another longitudinal pin. Furthermore, it can be provided that the longitudinal pin connection shears the at least one longitudinal pin at high torque.
Ferner ist ein Hybridsystem mit einer Verbrennungsmotoreinheit oder einer anderen Drehantriebseinheit, einer Getriebeeinheit und einer Elektromotoreinheit mit einer Welle vorgesehen, wobei die Getriebeeinheit das Drehmoment der Verbrennungsmotoreinheit oder einer anderen Drehantriebseinheit mit dem Drehmoment der Elektromotoreinheit summiert und die Elektromotoreinheit wenigstens einen Faserverbundmaterial aufweisenden Rotor umfasst, der durch eine Längsstiftverbindung an die Welle der Elektromotoreinheit gekoppelt ist.Further, a hybrid system with one engine unit or another A rotary drive unit, a transmission unit and an electric motor unit provided with a shaft, wherein the transmission unit sums the torque of the engine unit or other rotary drive unit with the torque of the electric motor unit and the electric motor unit comprises at least one fiber composite rotor coupled by a longitudinal pin connection to the shaft of the electric motor unit ,
Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die Längsstiftverbindung bei hohem Drehmoment abschert. Darüber hinaus ist eine Ausführung des Hybridsystems vorgesehen, die Anlauf- und/oder Bremsschlupf und/oder mechanische Dämpfung ermöglicht.Furthermore, it can be provided that the longitudinal pin connection shears off at high torque. In addition, an embodiment of the hybrid system is provided which allows startup and / or brake slip and / or mechanical damping.
Des Weiteren ist eine elektrische Maschine mit einem Stator und der oben beschriebenen Rotor-Welle-Anordnung bereitgestellt .Furthermore, an electric machine with a stator and the rotor-shaft arrangement described above is provided.
Weiterhin ist ein Verfahren zur Herstellung einer Rotor- Welle-Anordnung vorgesehen, das die folgenden Schritte umfasst :Furthermore, a method for producing a rotor-shaft arrangement is provided, which comprises the following steps:
Bereitstellen eines Faserverbundmaterial aufweisenden RotorhauptkörpersProviding a fiber composite material having rotor main body
Bereitstellen einer WelleProvide a wave
Anordnen des Rotorhauptkörpers und der Welle, so dass die Welle und der Rotorhauptkörper mittels wenigstens einer Längsstiftverbindung gekoppelt sind.Arranging the rotor main body and the shaft so that the shaft and the rotor main body are coupled by means of at least one longitudinal pin connection.
Des Weiteren ist eine oben beschriebene Rotor-Welle- Anordnung, ein oben beschriebenes Hybridsystem und/oder eine oben beschriebene elektrische Maschine als ein und/oder für einen Antrieb für ein Luft-, Wasser- oder Landfahrzeug oder als Generator in einer Stromerzeugungsvorrichtung vorgesehen, wobei die Stromerzeugungsvorrichtung Wind- und Wasserkraftanlagen umfasst.Furthermore, a rotor-shaft arrangement as described above, a hybrid system described above, and / or an electric machine described above are as a and / or for a drive for an air, water or land vehicle or as a generator in a power generating device, wherein the power generating device comprises wind and hydro power plants.
Ferner ist eine Lagerungsanordnung mit einem an einer Rotationsachse drehbar angeordneten Rotor aus Faserverbundmaterial und wenigstens einem Rotorlager vorgesehen, das in einem radial von der Rotationsachse beabstandeten Bereich mit dem Rotor in Wirkverbindung steht . Dabei kann wenigstens eines der Lager und insbesondere zwei Lager an einem radial außen liegenden Bereich des Rotors mit diesem in Wirkverbindung stehen. Auch kann vorgesehen sein, dass wenigstens zwei der Lager an verschiedenen Seiten des Rotors mit diesem in Wirkverbindung stehen. In einer Ausführungsform steht wenigstens eines der Lager mit der Welle in Wirkverbindung. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass wenigstens eines der Lager an oder innerhalb eines Stators des Elektromotors vorgesehen ist. Wenigstens eines der Lager, das an einem radial außen liegenden Bereich des Rotors mit diesem in Wirkverbindung steht, kann dabei ein Gleitlager sein.Furthermore, a storage arrangement is provided with a rotatably arranged on a rotational axis arranged rotor made of fiber composite material and at least one rotor bearing, which is in operative connection with the rotor in a radially spaced from the axis of rotation region. In this case, at least one of the bearings and in particular two bearings can be in operative connection with a radially outer region of the rotor. It can also be provided that at least two of the bearings on different sides of the rotor are in operative connection with this. In one embodiment, at least one of the bearings is operatively connected to the shaft. Furthermore, it can be provided that at least one of the bearings is provided on or within a stator of the electric motor. At least one of the bearings, which is operatively connected to a radially outer region of the rotor, may be a sliding bearing.
Für eine der oben beschriebenen Lagerungsvorrichtungen kann eine Magnetlagerung vorgesehen sein. Für die Magnetlagerung können wiederum Magnete, insbesondere Permanentmagnete, an dem oder innerhalb des Rotors vorgesehen sein. Die Magnetlagerung kann aktiv steuerbar sein. Bevorzugt kann dabei vorgesehen sein, dass eine kreisförmige Anordnung einer Gruppe von Permanentmagneten an dem oder innerhalb des Rotors und eine entsprechend kreisförmige Anordnung von einer Gruppe von außen liegenden feststehenden Permanentmagneten oder Feldspulen in der Nähe des Rotors bei repulsiver Feldkraft eine radiale Zentrierwirkung auf den Rotor ausübt und ein Radiallager entlastet. Weiterhin kann es bevorzugt sein, dass die Welle durch wenigstens zwei Lager gestützt ist.For one of the storage devices described above, a magnetic bearing may be provided. In turn, magnets, in particular permanent magnets, may be provided on or within the rotor for the magnetic bearing. The magnetic bearing can be actively controlled. Preferably, it can be provided that a circular arrangement of a group of permanent magnets on or within the rotor and a corresponding circular arrangement of a group of external stationary permanent magnets or field coils in the vicinity of the rotor with repulsive field force exerts a radial centering effect on the rotor and relieves a radial bearing. Furthermore, it may be preferred that the shaft is supported by at least two bearings.
Des Weiteren ist eine elektrische Maschine mit einem Stator, einem Rotor, einer Welle und einer Lagerungsanordnung vorgesehen.Furthermore, an electric machine with a stator, a rotor, a shaft and a bearing arrangement is provided.
Darüber hinaus ist ein Verfahren zur Herstellung einer Lagerungsanordnung für einen Elektromotor vorgesehen, wobei ein Rotor aus Faserverbundmaterial, eine Welle und ein Rotorlager bereitgestellt wird, und wobei der Rotor, die Welle und das Rotorlager derart angeordnet sind, dass der Rotor drehbar um eine Rotationsachse angeordnet ist und wobei das wenigstens eine Rotorlager in einem radial von der Rotationsachse beabstandeten Bereich mit dem Rotor in Wirkverbindung steht.In addition, there is provided a method of manufacturing a bearing assembly for an electric motor, wherein a fiber composite rotor, shaft, and rotor bearing is provided, and wherein the rotor, shaft, and rotor bearing are arranged such that the rotor is rotatably disposed about an axis of rotation and wherein the at least one rotor bearing is in operative connection with the rotor in a region spaced radially from the axis of rotation.
Weiterhin ist ein Verfahren zur Herstellung einer oben beschriebenen elektrischen Maschine vorgesehen, wobei zur Herstellung der Lagerungsanordnung das oben beschriebene Verfahren verwendet wird.Furthermore, a method for producing an electrical machine described above is provided, wherein the method described above is used for the preparation of the storage arrangement.
Schließlich ist eine Verwendung der oben beschriebenen Lagerungsvorrichtung in einer elektrischen Maschine als Antrieb für ein Luft-, Wasser- oder Landfahrzeug oder als Generator in einer Stromerzeugungsvorrichtung, insbesondere bei Wind- und Wasserkraftanlagen vorgesehen.Finally, a use of the storage device described above is provided in an electric machine as a drive for an air, water or land vehicle or as a generator in a power generating device, in particular in wind and hydroelectric power plants.
Es ist ferner ein Verfahren zur Herstellung eines aus Faserverbundmaterial bestehenden Rotors mit einem Rotorhauptkörper für einen Elektromotor vorgesehen, das die folgenden Schritte umfasst: Zusammenführen von Fasern eines Fasermaterials mit einer Matrix zu einem Fasergemenge, Einbringen des Fasergemenges mit diffus angeordneten Fasern in eine der Form des Rotorhauptkörpers entsprechende Negativform, Komprimieren des in der Negativform eingebrachten Fasergemenges und Aushärten des komprimierten Fasergemenges, das vorzugsweise bei vorbestimmter Temperatur und vorbestimmtem Druck geschieht.There is further provided a method of manufacturing a fiber composite material rotor having a rotor main body for an electric motor, comprising the steps of: combining fibers of a fiber material with a matrix into one Amount of fiber, introducing the amount of fiber with diffusely arranged fibers into a negative mold corresponding to the shape of the rotor main body, compressing the amount of fiber introduced in the negative mold and curing the compressed fiber amount, which is preferably at a predetermined temperature and pressure.
Vorzugsweise entstehen die Fasern des Fasermaterials durch Trennen, Zerschneiden oder ähnliches einerPreferably, the fibers of the fiber material are formed by separation, cutting or the like
Endlosfaser in Faserteile bestimmter Länge. Vorzugsweise werden diese Faserteile mit einer Matrix zusammengeführt.Continuous fiber in fiber parts of a certain length. Preferably, these fiber parts are combined with a matrix.
Die Matrix ist dabei vorzugsweise ein Bindemittel oderThe matrix is preferably a binder or
Verbindungsmittel, das in Verbindung mit den Fasern bestimmte vorteilhafte physikalische und mechanischeConnecting means, in conjunction with the fibers certain advantageous physical and mechanical
Eigenschaften ausbildet.Traits properties.
Eine Matrix kann beispielsweise aus der Gruppe der Duroplaste (z.B. ungesättigte Polyesterharze, Vinylester- harze, Epoxidharze) oder aus der Gruppe der Thermoplaste (z.B. Polypropylen, Polyamid, Polyethylenterephtalat , Polyphenylensulfid, Polyetheretherketon) stammen.A matrix may be selected, for example, from the group of thermosets (for example unsaturated polyester resins, vinyl ester resins, epoxy resins) or from the group of thermoplastics (for example polypropylene, polyamide, polyethylene terephthalate, polyphenylene sulfide, polyether ether ketone).
Diffus angeordnete Fasern erlauben vorteilhafterweise eine schnelle und preisgünstige Verarbeitung, da keinDiffusely arranged fibers advantageously allow rapid and inexpensive processing, since no
Zwischenschritt zum Ausrichten oder gezielten Anordnen der Fasern notwendig ist. Vorzugsweise geschieht dasIntermediate step for aligning or targeted placement of the fibers is necessary. Preferably, that happens
Zusammenführen der Fasern mit der Matrix entweder vor demMerging the fibers with the matrix either before
Einbringen in die Negativform als Fasergemisch oder die diffus angeordneten Fasern werden nach dem Einbringen in die Negativform mit einer flüssigen Matrix zusammengeführt .Introduction into the negative mold as a fiber mixture or the diffusely arranged fibers are brought together after introduction into the negative mold with a liquid matrix.
Das Aushärten des Fasergemisches ist vorzugsweise ein Vorgang, der einen Phasenübergang der Matrix von flüssig nach fest hervorruft. Bei Duroplasten ist dieser Phasenübergang beispielsweise irreversibel, bei Thermoplasten reversibel. Aushärten bedeutet in diesem Zusammenhang nicht zwangsläufig, dass das nach dem Aushärten entstandene Faserverbundbauteil hart oder versteift ist; es kann je nach Matrix- und Fasertyp verschiedene mechanische und physikalische Eigenschaften aufweisen, wie z.B. hohe Zähigkeit, niedriges Gewicht, elektrische Leitfähigkeit, hohe Flexibilität etc.The hardening of the fiber mixture is preferably a process involving a phase transition of the matrix from liquid after firm causes. In the case of thermosets, for example, this phase transition is irreversible and reversible for thermoplastics. Curing in this context does not necessarily mean that the fiber composite formed after curing is hard or stiffened; Depending on the matrix and fiber type, it can have different mechanical and physical properties, such as high toughness, low weight, electrical conductivity, high flexibility, etc.
Das Faserverbundmaterial und/oder die Faser kann Carbon umfassen. Carbon ist ein besonders leichter und strapazierfähiger Werkstoff, der als Fasermaterial viele Formen bilden kann und durch Zusammenwirken mit einem Bindemittel eine solche Form dauerhaft beibehält. Ein aus Carbon-Faserverbundmaterial hergestellter Rotorhauptkörper ist leicht und kann trotzdem einwirkenden Kräften und Momenten standhalten.The fiber composite material and / or the fiber may comprise carbon. Carbon is a particularly lightweight and durable material that can form many forms as fiber material and permanently retains such a form by interaction with a binder. A rotor main body made of carbon fiber composite material is lightweight and yet can withstand acting forces and moments.
Das Fasergemenge kann mittels einer Mikrowellenquelle erwärmt werden. Wenn das Faserverbundmaterial Carbon umfasst, kann die elektrische Leitfähigkeit von Carbon dazu eingesetzt werden, durch eine Mirkowellenquelle erhitzt zu werden. Das hat gegenüber herkömmlichen Autoklavenprozessen den Vorteil eines verringerten Energiebedarfs, um das Fasergemisch auszuhärten.The amount of fiber can be heated by means of a microwave source. When the fiber composite material comprises carbon, the electrical conductivity of carbon may be used to be heated by a microwave source. This has the advantage over conventional autoclave processes of a reduced energy requirement to cure the fiber mixture.
Das Fasergemenge kann vorzugsweise während des Erhitzens durch eine Mikrowelle in einer Negativform unter vorbestimmtem Druck stehen, oder das Fasergemenge wurde vor dem Erhitzen in der Negativform unter vorbestimmten Druck gepresst. Alternativ kann ein vorbestimmter Druck anstatt von einer Negativform vermittelt durch das Fasergemenge umgebenden Gasdruck hervorgerufen werden. Das hat den Vorteil, dass das Fasergemenge eine hohe Materialdichte und dabei niedriges Volumen erreicht.The amount of fiber may preferably be below a predetermined pressure during heating by a microwave in a negative mold, or the amount of fiber was pressed under predetermined pressure before being heated in the negative mold. Alternatively, a predetermined pressure, rather than a negative mold, may be caused by the gas pressure surrounding the fiber. This has the advantage that the amount of fiber reaches a high density of material and thereby low volume.
Da die meisten Carbonarten einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, ist für den Aushärteschritt von in einer Negativform eingebrachtem Fasergemenge vorzuziehen, dass das Material der Negativform ebenfalls Faserverbundmaterial und insbesondere Carbon aufweist.Since most types of carbon have a negative coefficient of thermal expansion, it is preferable for the curing step of the amount of fiber introduced in a negative mold that the material of the negative mold also has fiber composite material and in particular carbon.
Des Weiteren ist eine Negativform zur Herstellung eines Rotorhauptkörper vorgesehen, wobei wenigstens eine Faser in oder an der Negativform liegt und ein Bindemittel oder Verbindungsmittel Abschnitte der wenigstens einen Faser miteinander verbindet.Furthermore, a negative mold for producing a rotor main body is provided, wherein at least one fiber is in or on the negative mold and a binder or connecting means interconnects portions of the at least one fiber.
Eine elektrische Maschine kann einen Stator und einen Rotor umfassen, der den Rotorhauptkörper nach einer der oben genannten Lösungen umfasst. Vorzugsweise ist eine solche elektrische Maschine ein Scheibenläufer- Elektromotor/-generator mit permanenterregtem Rotor und dient als Antrieb für ein Luft-, Wasser- oder Landfahrzeug oder als Generator in einer Stromerzeugungsvorrichtung, wobei die Stromerzeugungs- Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform Wind- undAn electric machine may include a stator and a rotor including the rotor main body according to any one of the above solutions. Preferably, such an electric machine is a disc rotor electric motor / generator with permanent-magnet rotor and serves as a drive for an air, water or land vehicle or as a generator in a power generating device, wherein the power generating device according to an embodiment wind and
Wasserkraftanlagen umfasst.Hydroelectric plants includes.
Fig. 1 zeigt eine elektrische Maschine, die einen Stator 102 und einen Rotorhauptkörper 104 umfasst. Der Rotorhauptkörper 104 kann dabei scheibenförmig, zylinderförmig, kegelstumpfförmig oder doppelkegelstumpfförmig sein. Am Rotorhaupt körper 104 kann zusätzlich ein Befestigungsflansch angeordnet sein, wobei eine Anordnung Rotorhauptkörper 104 mit einem Befestigungsflansch als Rotor bezeichnet wird. Des Weiteren zeigt Fig. 1 zwei in der Schnittdarstellung des Rotorhauptkörpers 102 sichtbare Magnete 106, z.B. Permanentmagnete, von denen mehrere ringförmig im oder am Rotorhauptkörper 104 angeordnet sind, sowie im Stator 102 vorgesehene Statorwicklungen (nicht gezeigt) . Weiterhin zeigt Fig. 1 eine Welle 108, die beispielsweise durch den Befestigungsflansch mit dem Rotorhauptkörper 104 so verbunden ist, dass eine Drehbewegung der Welle 108 zu einer Drehbewegung des Rotorhauptkörpers 104 führt und umgekehrt. Die Welle 108 kann z.B. ein stabförmiges Bauteil aus Vollmaterial oder ein hohlzylinderförmiges Bauteil sein, wobei der Querschnitt eines solchen Bauteils vollständig oder teilweise kreisförmig, rechteckförmig, elliptisch oder gezahnt sein kann und als Gelenk-, Hohl-, Kardan- oder biegsame Welle ausgeführt ist.FIG. 1 shows an electric machine including a stator 102 and a rotor main body 104. The rotor main body 104 may be disk-shaped, cylindrical, frusto-conical or double-frusto-conical. On the rotor main body 104 may additionally be arranged a mounting flange, wherein an arrangement rotor main body 104 is referred to with a mounting flange as a rotor. Furthermore, FIG. 1 shows two magnets 106 visible in the sectional view of the rotor main body 102, for example permanent magnets, of which a plurality of rings are arranged in or on the rotor main body 104, and stator windings (not shown) provided in the stator 102. Furthermore, FIG. 1 shows a shaft 108 connected to the rotor main body 104 by the mounting flange, for example, such that rotational movement of the shaft 108 results in rotational movement of the rotor main body 104 and vice versa. The shaft 108 may be, for example, a rod-shaped component made of solid material or a hollow cylindrical component, wherein the cross section of such a component may be completely or partially circular, rectangular, elliptical or toothed and is designed as a joint, hollow, gimbal or flexible shaft.
Des Weiteren stellt Fig. 1 zwei Lager 110 dar, die die Welle 108 radial stützen, so dass die Welle 108 und der mit ihr verbundene Rotorhauptkörper 104 auch bei Drehung um seine Rotationsachse radial in ihrer Lage gehalten werden .Furthermore, FIG. 1 illustrates two bearings 110 that radially support the shaft 108 so that the shaft 108 and its associated rotor main body 104 are radially held in position even when rotated about its axis of rotation.
Wird die elektrische Maschine 100 als Motor betrieben, so treten die am Rotorhauptkörper 104 angebrachten Magnete 106 derart mit den Statorwicklungen am Stator 102 in magnetische Wechselwirkung, dass es zu einer Drehung des Rotorhauptkörpers 100 und der mit ihm verbundenen Welle 108 um die Rotorachse kommt. Bei einem Betrieb der elektrischen Maschine als Generator ist die Wirkweise der elektrischen Maschine dagegen umgekehrt: Eine Drehung der Welle 108 und des mit ihr verbundenen Rotorhauptkörpers 104 führt zu einer elektromagnetischen Wechselwirkung zwischen den auf dem Rotorhauptkörper angeordneten Magneten 106 und den Statorwicklungen, wodurch schließlich elektrischer Strom erzeugt wird.When the electric machine 100 is operated as a motor, the magnets 106 mounted on the rotor main body 104 magnetically interact with the stator windings on the stator 102 to cause the rotor main body 100 and the shaft 108 connected thereto to rotate about the rotor axis. On the other hand, in an operation of the electric machine as a generator, the operation of the electric machine is reversed. Rotation of the shaft 108 and the rotor main body 104 connected thereto results in electromagnetic interaction between those disposed on the rotor main body Magnets 106 and the stator windings, which finally electrical current is generated.
Durch die Anordnung in Fig. 1 kann der Rotorhauptkörper 104 bei einem Durchmesser von vorzugsweise größer zwei Metern, vier Metern, sechs Metern und mehr stabil und mit kleinem Statorspalt 112 bei hohen Drehzahlen im Stator drehen, sodass eine gute magnetische Wechselwirkung zwischen den Magneten 106 und dem Stator ausgenutzt wird.By means of the arrangement in FIG. 1, the rotor main body 104 can rotate at a diameter of preferably greater than two meters, four meters, six meters and more stable and with a small stator gap 112 at high rotational speeds in the stator, so that a good magnetic interaction between the magnets 106 and the stator is exploited.
Außerdem ist eine Umkehrung der mechanisch bewegten Bauteile in Fig. 1 möglich. Das heißt ein Rotor 104 als außenliegendes Bauteil umgreift einen Stator als innenliegendes Bauteil.In addition, a reversal of the mechanically moved components in Fig. 1 is possible. That is, a rotor 104 as an external component surrounds a stator as an internal component.
Fig. 2 zeigt einen Rotorhauptkörper 200, der scheibenförmig und mit einer vorbestimmten Dicke vorgesehen ist. Das Material des Rotorhauptkörpers 200 umfasst dabei Faserverbundmaterial, vorzugsweise Carbonfaserverbundmaterial. Der Rotorhauptkörper 200 umfasst weiterhin 172 (nur beispielhafte Anzahl) rechteckförmige Aufnahmen 202, die zentrisch um die Rotationsachse des Rotorhauptkörpers 200 und nahe an dessen Außenrand angeordnet sind. Zentrisch angeordnete Flanschlöcher 204 und die mittig im Rotorhauptkörper 200 liegende Wellendurchführung 206 sorgen für eine Verbindungsmöglichkeit mit einer Welle (nicht gezeigt) . Die zentri^sch angeordneten Flanschlöcher 204 sind zwischen der mittig liegenden Wellendurchführung 206 und den nahe am Außenrand des Rotorhauptkörpers 200 liegendenFig. 2 shows a rotor main body 200 provided in a disc shape and a predetermined thickness. The material of the rotor main body 200 comprises fiber composite material, preferably carbon fiber composite material. The rotor main body 200 further includes 172 (by way of example only) rectangular receptacles 202 centered around the rotation axis of the rotor main body 200 and close to the outer periphery thereof. Centrally located flange holes 204 and the shaft passage 206 centrally located in the rotor main body 200 provide connection to a shaft (not shown). The centrally disposed flange holes 204 are located between the central shaft passage 206 and those near the outer periphery of the rotor main body 200
Aufnahmen 202 angeordnet. Die Anzahl und Anordnung der Flanschlöcher 204 kann dabei insbesondere von zu übertragenden Kräften und Momenten abhängen. Die rechteckförmigen Aufnahmen 202 dienen zur Aufnahme von Magneten, insbesondere von Permanentmagneten. Jeweils wenigstens ein Magnet kann dabei in allen, einer Mehrzahl, insbesondere zwei, drei, vier, fünf, acht, elf oder 16, oder aber in genau einer Aufnahme angeordnet sein. Dabei werden für den Rotorhauptkörper 200 eine beliebig wählbare Anzahl von Aufnahmen 202 vorgesehen, beispielsweise genau eine Aufnahme, zwei, drei, vier, fünf, acht, 13, 16, 65 oder 172 Aufnahmen.Shooting 202 arranged. The number and arrangement of the flange holes 204 may depend in particular on forces and moments to be transmitted. The rectangular receptacles 202 serve to receive magnets, in particular permanent magnets. In each case at least one magnet can be arranged in all, a plurality, in particular two, three, four, five, eight, eleven or 16, or in exactly one shot. In this case, an arbitrary number of receptacles 202 are provided for the rotor main body 200, for example exactly one receptacle, two, three, four, five, eight, 13, 16, 65 or 172 recordings.
Fig. 3a zeigt in einer vergrößerten Darstellung einen Teilbereich eines Rotorhauptkörpers 200. Die Aufnahmen 302 am Außenrand des Rotorhauptkörpers nehmen jeweils einen Magneten 304 auf. Während des Betriebs der elektrischen' Maschine treten die Magnete 312 in magnetische Wechselwirkung mit den am Stator angeordneten Statorwicklungen (nicht gezeigt) und erzeugen hierdurch Strom (soweit die elektrische Maschine als Generator fungiert), beziehungsweise lösen hierdurch eine Drehbewegung des Rotors aus (falls die elektrische Maschine als Motor arbeitet) . In Fig. 3a (und ebenso in Fig. 3b) ist der Nordpol der Magneten 312 mit N bezeichnet •3a shows an enlarged view of a partial region of a rotor main body 200. The receptacles 302 on the outer edge of the rotor main body each receive a magnet 304. During operation of the electrical 'machine, the magnets 312 enter into magnetic interaction with the disposed on the stator stator windings (not shown) and thereby generate power (where the electrical machine functions as a generator), or solve this way a rotation of the rotor (if the electrical Machine works as a motor). In Fig. 3a (and also in Fig. 3b), the north pole of the magnets 312 is denoted by N •
In dem in Fig. 3b gezeigten Beispiel werden nun in denIn the example shown in Fig. 3b are now in the
Aufnahmen 302 anstatt einem, jeweils zwei kleinere Magnete 312, 314 längs nebeneinander angeordnet. Bei den kleineren Magneten 312, 314 handelt es sich dabei um separat voneinander magnetisierte Magnete. Verglichen mit Fig. 3a haben die beiden kleineren Magnete 312, 314 insgesamt das Volumen eines der dort gezeigten Magnete 304. Es wird die Eigenschaft ausgenutzt, dass bei der Herstellung von Magneten kleinere, ferromagnetische Körper in der Regel besser magnetisiert werden können als größere. So haben zwei kleinere Magnete in der Regel eine höhere Magnetisierung als ein vergleichbarer Magnet, dessen Volumen dem der Summe der Volumina der beiden kleineren Magnete entspricht, wenn dieser in demselben magnetischen Feld auf dieselbe Weise wie die beiden kleineren Magnete magnetisiert worden ist.Receivers 302 instead of one, two smaller magnets 312, 314 arranged along side by side. The smaller magnets 312, 314 are separately magnetized magnets. Compared to Fig. 3a, the two smaller magnets 312, 314 have the total volume of one of the magnets 304 shown there. It is exploited the property that in the production of magnets smaller, ferromagnetic body can be magnetized better than larger in the rule. So, two smaller magnets usually have one higher magnetization than a comparable magnet whose volume corresponds to the sum of the volumes of the two smaller magnets when magnetized in the same magnetic field in the same way as the two smaller magnets.
Mit dem in Fig. 3b gezeigten Beispiel kann erreicht werden, dass die in einer Aufnahme befindlichen Magnete bei gleichem Gesamtvolumen und gleichem Gesamtgewicht eine größere Magnetisierung aufweisen als ein vergleichbar hergestellter, doppelt so großer Magnet in einer Aufnahme, wie sie z.B. in Fig. 3a zu sehen ist. Es kann somit ein Rotor mit leistungsfähigeren Magneten bei gleichem Volumen und Gewicht bereitgestellt werden. Da der Rotorhauptkörper Faserverbundmaterial umfasst, wird das Gewicht des Rotors im Vergleich zu einem ebenso leistungsfähigen, herkömmlich hergestellten Rotor weiter vermindert .With the example shown in FIG. 3b, it can be achieved that the magnets in a receptacle have a greater magnetization for the same total volume and the same total weight than a comparably produced magnet twice as large in a receptacle as is used, for example. can be seen in Fig. 3a. Thus, a rotor with more powerful magnets with the same volume and weight can be provided. Because the rotor main body comprises fiber composite material, the weight of the rotor is further reduced as compared to an equally powerful conventionally manufactured rotor.
Ist die Rede davon, dass in wenigstens einer Aufnahme mindestens zwei Magnete angeordnet sind, so sind unter "mindestens zwei Magneten" oder ähnlichen Formulierungen auch solche Anordnungen zu verstehen, bei denen wenigstens zwei ferromagnetische Körper zwar als separate Körper magnetisiert wurden, dann aber nach ihrer Magnetisierung oder nach einem ersten Magnetisierungsvorgang, dem weitere Magnetisierungsvorgänge folgen können, zu einem Körper zusammengefügt werden, insbesondere durch Zusammenkleben oder anderer Verfahren zum Zusammenfügen von Gegenständen. Die hier dargestellten Vorzüge der Verwendung von Magneten, die als kleinere Körper magnetisiert wurden, kommen auch bei derartigen Ausführungsbeispielen zum Tragen. In dem in Fig. 3b dargestellten Beispiel zeigen die Nordpole zweier Magnete 312, 314 immer entweder zur Mitte oder aber zum Rand des Motors. Weitere Beispiele umfassen Anordnungen, bei denen die Nordpole der in einer Aufnahme befindlichen zwei Magnete in verschiedene Richtungen zeigen. Andere Beispiele umfassen des Weiteren Anordnungen, bei denen die Magnete einer Aufnahme nicht an ihren Längskanten, sondern an ihren kurzen Kantenflächen benachbart angeordnet sind. Bei weiteren Beispielen sind in wenigstens einer Aufnahme drei, vier oder mehr kleinere Einzelmagnete angeordnet. Während in dem in Fig. 3b gezeigten Beispiel der Nordpol der Magnete in benachbarten Aufnahmen immer in unterschiedliche Richtungen zeigt, sind auch Beispiele umfasst, bei denen die Nordpole der Magnete immer in dieselbe Richtung zeigen. Des Weiteren können Beispiele vorgesehen sein, bei denen die Pole der Einzelmagnete beliebig gerichtet angeordnet sind.If there is talk of at least two magnets being arranged in at least one receptacle, "at least two magnets" or similar formulations should also be understood to mean those arrangements in which at least two ferromagnetic bodies were magnetized as separate bodies, but then after their Magnetization or after a first magnetization process, which can be followed by further magnetization processes, are joined together to form a body, in particular by gluing together or other methods for joining objects. The advantages presented here of using magnets which have been magnetized as smaller bodies also come into play in such embodiments. In the example shown in FIG. 3b, the north poles of two magnets 312, 314 always point either to the center or to the edge of the motor. Other examples include arrangements in which the north poles of the two magnets in a receptacle point in different directions. Other examples further include arrangements in which the magnets of a receptacle are arranged not adjacent to their longitudinal edges but adjacent to their short edge surfaces. In further examples, three, four or more smaller individual magnets are arranged in at least one receptacle. While in the example shown in Fig. 3b, the north pole of the magnets always points in different directions in adjacent photographs, examples are also included in which the north poles of the magnets always point in the same direction. Furthermore, examples may be provided in which the poles of the individual magnets are arranged arbitrarily directed.
Fig. 4a zeigt einen Rotorhauptkörper 402 und eine Welle 404 in einer Seitenansicht. Der Rotorhauptkörper 402 weist, wie in Fig. 3 gezeigt, rechteckförmige Aufnahmen 406 auf, von denen eine in der Schnittdarstellung oberhalb der Symmetrielinie zu sehen ist. Auf der Vorder- und Rückseite des Rotorhauptkörpers 402 sind zweiFig. 4a shows a rotor main body 402 and a shaft 404 in a side view. As shown in FIG. 3, the rotor main body 402 has rectangular receptacles 406, one of which can be seen in section above the line of symmetry. On the front and rear sides of the rotor main body 402 are two
Decklagen 412, 414 angeordnet, die aus plattenartigem Halbzeug aus Carbonfaserverbundmaterial hergestellt sind. Die Decklagen 412, 414 bedecken die rechteckförmigen Aufnahmen 406 und darin gegebenenfalls angeordnete Magnete, von denen in der Schnittdarstellung ein Magnet 420 sichtbar ist.Cover layers 412, 414 arranged, which are made of plate-like semi-finished carbon fiber composite material. The cover layers 412, 414 cover the rectangular receptacles 406 and optionally arranged therein magnets, of which in the sectional view, a magnet 420 is visible.
Bei den Aufnahmen 406 des Rotorhauptkörpers 402 handelt es sich um hindurchgehende Löcher. Dabei werden in den Aufnahmen 406 je zwei der oben beschriebenen Magnete (nicht gezeigt) angeordnet. Die beiden Decklagen 412 und 414 sind an dem Rotorhauptkörper befestigt und verhindern ein Herausfallen der Magnete. Bei einem Beispiel weisen die Decklagen 412, 414 Faserverbundmaterial auf. Hierdurch wird sichergestellt, dass die die Magnete haltenden Decklagen 412, 414 geringes Gewicht aufweisen.The receptacles 406 of the rotor main body 402 are holes therethrough. In this case, in the receptacles 406 each two of the magnets described above (not shown). The two cover layers 412 and 414 are attached to the rotor main body and prevent falling out of the magnets. In one example, the cover layers 412, 414 comprise fiber composite material. This ensures that the magnets holding cover layers 412, 414 have low weight.
Weitere Beispiele sehen vor, dass die Aufnahmen 406 lediglich Ausnehmungen darstellen, die keine durch den Rotorhauptkörper hindurchgehenden Löcher sind. In einem solchen Fall kann vorgesehen sein, dass lediglich eine Decklage 412 zur Befestigung der Magnete 420 am Rotorhauptkörper 402 angeordnet ist.Further examples provide that the receptacles 406 merely represent recesses that are not holes passing through the rotor main body. In such a case, it can be provided that only one cover layer 412 for fastening the magnets 420 to the rotor main body 402 is arranged.
Fig. 4b zeigt einen Befestigungsflansch 400. Ferner zeigt Fig. 4b eine Seitenansicht des in Fig. 1 gezeigten Rotorhauptkörpers 104 und eine Welle 404. Der Rotorhauptkörper 402, der oberhalb der Welle 404 in Schnittdarstellung gezeigt ist, weist eine rechteckförmige Aufnahme 406, wie in Fig. 1 gezeigt, auf.Fig. 4b shows a mounting flange 400. Further, Fig. 4b shows a side view of the rotor main body 104 shown in Fig. 1 and a shaft 404. The rotor main body 402, which is shown above the shaft 404 in sectional view, has a rectangular socket 406, as in Figs Fig. 1, on.
An der Vorder- und Rückseite 408 bzw. 410 des Rotorhauptkörpers 402 sind zwei Decklagen 412 und 414 angeordnet, die aus plattenartigem Halbzeug aus Carbonfaserverbundmaterial hergestellt sind und beidseitig vom Außenrand 416 des Rotorhauptkörpers 402 bis zu einer inneren Befestigungsflanschscheibe 418 reichen. Die Decklagen 412 und 414 bedecken die rechteckförmigen Aufnahmen 406 und darin angeordnete Magnete, z.B. Permanentmagnete, von denen in der Schnittdarstellung ein Permanentmagnet 420 sichtbar ist.On the front and back sides 408 and 410, respectively, of the rotor main body 402, there are two cover sheets 412 and 414 made of carbon fiber composite plate-like material and extending on both sides from the outer edge 416 of the rotor main body 402 to an inner mounting flange disk 418. The cover layers 412 and 414 cover the rectangular receptacles 406 and magnets disposed therein, e.g. Permanent magnets, of which in the sectional view, a permanent magnet 420 is visible.
Zur Mitte des Rotorhauptkörpers 402 hin sind an dessenTowards the center of the rotor main body 402 are at the
Vorderseite 408 und Rückseite 410 je zwei innere und äußere Befestigungsflanschscheiben 418 und 422 angeordnet. Die inneren Befestigungsflanschscheiben 418 sind direkt am Rotorhauptkörper 402 durch ein HaftmittelFront 408 and rear 410 each have two inner and outer mounting flange 418 and 422 arranged. The inner mounting flange disks 418 are directly on the rotor main body 402 by an adhesive
(nicht gezeigt) angebracht und weisen einen geringeren(not shown) attached and have a lower
Durchmesser als der Rotorhauptkörper 402 sowie einen größeren Durchmesser als die äußeren Befestigungsflanschscheiben 422 auf. Die äußerenDiameter than the rotor main body 402 and a larger diameter than the outer mounting flange 422 on. The outer ones
Befestigungsflanschscheiben 422 sind wiederum durch einMounting flange 422 are in turn by a
Haftmittel (nicht gezeigt) jeweils mit einer ihnen benachbarten inneren Befestigungsflanschscheibe 418 verbunden. Die Befestigungsflanschscheiben 418 und 422 sind aus plattenartigem Carbonfaserverbundhalbzeug hergestellte Bauteile. Der gesamte Befestigungsflansch stellt eine form- und kraftschlüssige Verbindung zurAdhesive (not shown) each connected to an adjacent them inner mounting flange 418. The mounting flange discs 418 and 422 are made of plate-like carbon fiber composite semi-finished components. The entire mounting flange provides a positive and non-positive connection
Welle 404 her.Wave 404 ago.
In Zusammenhang mit Figur 4b erläuterte Begriffe mit dem Bestandteil -"scheibe" sind nicht einschränkend auf zylinderförmige Bauteile zu verstehen. Vielmehr können der Rotorhauptkörper 402 und/oder die Befestigungsflanschscheiben 418 und 422 einen rechteckigen, elliptischen, ringförmigen Querschnitt oder dergleichen aufweisen. Die Befestigungsflanschscheiben 418 und 422 können einstückig miteinander gebildet und an den Rotorhauptkörper 402 angeordnet werden oder die Befestigungsflanschscheiben 418 und 422 sind mit dem Rotorhauptkörper 402 integral ausgebildet.In connection with Figure 4b explained terms with the component - "disc" are not restrictive to understand cylindrical components. Rather, the rotor main body 402 and / or the mounting flange disks 418 and 422 may have a rectangular, elliptical, annular cross section or the like. The mounting flange disks 418 and 422 may be integrally formed with each other and disposed on the rotor main body 402, or the mounting flange disks 418 and 422 are integrally formed with the rotor main body 402.
Die Befestigungsflanschscheiben 418 und 422 verleihen dem Rotorhauptkörper eine flächen- und volumenmäßig größere Schnittstelle zur Welle 404, wodurch die Übertragung von Kräften und Momenten zwischen dem Rotorhauptkörper 402 und der Welle 404 verbessert wird.The mounting flange disks 418 and 422 provide the rotor main body with an area and volume greater interface with the shaft 404, thereby enhancing the transmission of forces and moments between the rotor main body 402 and the shaft 404.
Fig. 5 zeigt einen Rotor 500. Von außen sind der Reihe nach in Fig. 5 zu sehen: ein Rotorhauptkörper 502, ein mit dem Rotorhauptkörper 502 einstückig ausgebildeter kegelstumpfförmiger Befestigungsflansch 504, eine im Befestigungsflansch 504 vorgesehene Wellendurchführung 506 mit darin eingelassener Nut 508 und eine mit einer Mitnehmernase 510 versehene Welle 512 in Querschnittdarstellung. Die Welle 512 ist durch geeignete Passung in der Wellendurchführung 506 des Befestigungsflansches 504 angeordnet. Die austauschbar an der Welle vorgesehene Mitnehmernase 510 greift in die Nut 508 ein und ermöglicht eine Übertragung von Drehmomenten und Kräften zwischen der Welle 512 und dem Rotorhauptkörper 502, sodass sich die Welle 512, der Rotorhauptkörper 502 und der Befestigungsflansch 504 mit im Durchschnitt der gleichen Winkelgeschwindigkeit in die beiden durch den Doppelpfeil 514 angezeigten Drehrichtungen drehen können.FIG. 5 shows a rotor 500. From outside, it can be seen in turn in FIG. 5: a rotor main body 502 integrally formed with the rotor main body 502 truncated cone-shaped mounting flange 504, a provided in the mounting flange 504 shaft passage 506 with recessed groove 508 and provided with a driving lug 510 shaft 512 in cross-sectional view. The shaft 512 is disposed by suitable fit in the shaft passage 506 of the mounting flange 504. The interchangeable cam lug 510 engages the groove 508 and allows torques and forces to be transmitted between the shaft 512 and the rotor main body 502, such that the shaft 512, the rotor main body 502, and the mounting flange 504 are averaged at the same angular velocity in the two directions of rotation indicated by the double arrow 514 can rotate.
Fig. 6 zeigt einen Ausschnitt eines Rotorhauptkörpers 600. In dem sektorförmigen Ausschnitt des in Fig. 6 gezeigten Rotorhauptkörpers 600 sind beispielhafte Carbonfaserschiingen 602, 604, 606, 608, 610 veranschaulicht. Dabei führt eine Wellendurchführungs- Carbonfaserschlinge 602 um eine Wellendurchführung 612 und um eine Aufnahme 614. Eine Befestigungsflanschloch- Carbonfaserschlinge 610 führt um ein Befestigungsflanschloch 616 und um mehrere Aufnahmen 614. Eine Mehrfachaufnahmen-Carbonfaserschlinge 606, 608 führt um eine Mehrzahl an Aufnahmen 614. Oben genannte Carbonfaserschiingen können miteinander kombiniert, in Reihe hintereinander, abwechselnd, nach einem vorbestimmten Ablaufmuster und beispielsweise durch eine Endloscarbonfaser 618 realisiert werden. Außerdem sind folgende Faserschlingenführungen möglich: Faserschlingen werden in Acht-, Helix-, oder Fassbandform um ein oder mehrere Aufnahmen 614 und/oder ein oder mehrere Befestigungsflanschlöcher 616 und/oder die Wellendurchführung 612 und/oder den Außenrand des Rotorhauptkörpers 600 gewickelt oder Faserschlingen werden in geodätischen Linien zwischen zwei oder mehr Stellen gewickelt, die ein oder mehrere Aufnahmen 614 und/oder ein oder mehrere Befestigungsflanschlöcher 616 und/oder die Wellendurchführung 612 und/oder den Außenrand des Rotorhauptkörpers 600 umfassen.6 shows a section of a rotor main body 600. Exemplary carbon fiber shims 602, 604, 606, 608, 610 are illustrated in the sector-shaped section of the rotor main body 600 shown in FIG. A shaft feedthrough carbon fiber loop 602 passes around a shaft passage 612 and around a receptacle 614. A mounting flange hole carbon fiber loop 610 passes around a mounting flange hole 616 and a plurality of receptacles 614. A multi-receptacle carbon fiber loop 606, 608 guides around a plurality of receptacles 614. The above Carbon fiber rings can be combined with each other, in series, alternately, according to a predetermined sequence pattern and, for example, by a continuous carbon fiber 618 can be realized. In addition, the following fiber loop guides are possible: fiber loops are in eight-, helical- or Fassbandform to one or more receptacles 614 and / or one or more mounting flange holes 616 and / or the Wound passage 612 and / or the outer edge of the rotor main body 600 or fiber loops are wound in geodesic lines between two or more locations, the one or more receptacles 614 and / or one or more Befestigungsflanschlöcher 616 and / or the shaft passage 612 and / or the outer edge of Rotor main body 600 include.
Die in Fig. 6 gezeigte Faserschlingen 606, 608 und 610 sind nur schematisch als geschlossen gezeichnet, sie können ebenso als an einer Seite geöffnete Schlingen oder an einer Stelle mit überlappenden Teilen einerThe fiber loops 606, 608 and 610 shown in Fig. 6 are drawn only schematically as closed, they may also be open as loops on one side or at a position with overlapping parts of a
Endlosfaser 618 ausgeführt sein. Eine solcheContinuous fiber 618 executed. Such
Endloscarbonfaser 618 wird am Außenrandbereich des Rotorhauptkörpers 600 durch zusätzliche stückweiseEndless carbon fiber 618 is added to the outer peripheral portion of the rotor main body 600 by additional pieces
Carbonfasern ergänzt, um eine vorbestimmte Dicke desCarbon fibers supplemented to a predetermined thickness of
Rotorhauptkörpers 600 herzustellen. Zur Mitte desRotor main body 600 produce. To the middle of
Rotorhauptkörpers 600 hin verdickt die EndloscarbonfaserRotor main body 600 thickens the endless carbon fiber
618 den Rotorhauptkörper 600 entlang seiner Hochachse zu einer natürlichen Nabe.618, the rotor main body 600 along its vertical axis to a natural hub.
Fig. 7 zeigt einen Rotor 700 einer elektrischen Maschine und eine aus Endloscarbonfaser hergestellte Nabe 704. Die durch die Nabe 704 gebildete Wellendurchführung nimmt formschlüssig eine Welle 702 auf. Am Übergang von Welle 702 und Nabe 704 sind vier Löcher mit darin formschlüssig angeordneten Längsstiften 706 gekoppelt. Bei den Längsstiften kann es sich insbesondere um zylinderstiftartige, kegelstiftartige oder kerbstiftartige Längsstifte handeln. Welle und Nabe bilden hierdurch eine gekoppelte Verbindung. Die Anzahl und Anordnung der Längsstifte 706 am Übergang von Welle 702 und Nabe 704 kann insbesondere von den zu übertragenden Kräften und Momenten abhängen. Bei dem in Fig. 7 gezeigten Beispiel wurden vier Längsstifte verwendet. Es kann jedoch eine beliebige Anzahl von Längsstiften die Stiftverbindung realisieren, insbesondere ein Längsstift, zwei, drei, vier, fünf, elf oder 18 Längsstifte. Das Material der Längsstifte 706 ist dabei elastisch und schert bei hohem Drehmoment ab. Somit bieten die Längsstifte 706 einerseits Anlauf-, Bremsschlupf und Drehdämpfung und andererseits dabei gleichzeitig eine Sicherheitsfunktion, um den Rotor 700 und die Welle 702 vor einem zu hohen Drehmoment zu schützen. Außerdem ist es möglich, einen abgenutzten Längsstift 706 durch einen neuen auszutauschen.FIG. 7 shows a rotor 700 of an electric machine and a hub 704 made of continuous carbon fiber. The shaft passage formed by the hub 704 positively receives a shaft 702. At the junction of shaft 702 and hub 704, four holes are coupled with longitudinally disposed pins 706 disposed thereon. The longitudinal pins may be, in particular, cylinder-pin-like, conical-pin-type or kerbstift-type longitudinal pins. Shaft and hub thus form a coupled connection. The number and arrangement of the longitudinal pins 706 at the junction of shaft 702 and hub 704 may depend in particular on the forces and moments to be transmitted. In the example shown in FIG. 7, four longitudinal pins were used used. However, any number of longitudinal pins can realize the pin connection, in particular a longitudinal pin, two, three, four, five, eleven or 18 longitudinal pins. The material of the longitudinal pins 706 is elastic and shears off at high torque. Thus, the longitudinal pins 706 provide on the one hand start-up, brake slip and rotational damping and on the other hand at the same time a safety function to protect the rotor 700 and the shaft 702 from excessive torque. In addition, it is possible to replace a worn longitudinal pin 706 with a new one.
Fig. 8 zeigt eine elektrische Maschine 800. In Fig. 8 umgreift ein Stator 801 einen Rotorhauptkörper 802. Der Rotorhauptkörper 802 ist einstückig mit einem Befestigungsflansch 804 ausgebildet, der durch eine Mittenehmernase 806 mit einer Welle 808 verbunden ist. Die Mitnehmernase 806 greift dabei in ein im Befestigungsflansch eingelassene Nut 810 ein. Die Welle 408 wird zu beiden Seiten des Stators 801 durch zwei feststehende Wälzlager 812 radial und/oder axial gestützt .8 shows an electric machine 800. In FIG. 8, a stator 801 engages around a rotor main body 802. The rotor main body 802 is integrally formed with a mounting flange 804 which is connected to a shaft 808 through a center boss nose 806. The driving lug 806 engages in a recessed into the mounting flange 810 a. The shaft 408 is supported radially and / or axially on both sides of the stator 801 by two stationary rolling bearings 812.
Der Stator 801 in Fig. 8 umfasst elektrische Statorspulen (nicht gezeigt) , deren Magnetfeld mit einem Magnetfeld von in einem Außenbereich des Rotorhauptkörpers angeordneten Permanentmagnete 814 wechselwirkt. DieThe stator 801 in FIG. 8 includes electric stator coils (not shown) whose magnetic field interacts with a magnetic field of permanent magnets 814 arranged in an outer area of the rotor main body. The
Permanentmagnete 814 sind in hohlen Aufnahmen 817 desPermanent magnets 814 are in hollow receptacles 817 of the
Rotorhauptkörpers 802 angeordnet und durch an beiden Seiten des Rotorhauptkörpers 802 angeordnete DecklagenRotor main body 802 arranged and disposed on both sides of the rotor main body 802 cover layers
816 und 818 nach außen abgeschlossen.816 and 818 completed to the outside.
Der Befestigungsflansch 804 bietet eine großeThe mounting flange 804 offers a large
Angriffsfläche für die in die Nut 810 eingreifende Mitnehmernase 806 und ermöglich dadurch die Übertragung von Kräften und Drehmomenten zwischen der Welle 808 und dem am Rotorhauptkörper 802 angeordneten Befestigungsflansch 804.Engagement surface for engaging in the groove 810 driving lug 806 and thereby enables the transmission of forces and torques between the shaft 808 and the mounting flange 804 disposed on the rotor main body 802.
Der Befestigungsflansch 804 erlaubt beispielsweise eine Übertragung höherer Kräfte und Momente, als bei einer in Fig. 1 gezeigten in vergleichbaren Dimensionen ausgeführten elektrischen Maschine 100 möglich ist.The mounting flange 804, for example, allows higher forces and moments to be transmitted than is possible with an electrical machine 100 designed in comparable dimensions as shown in FIG.
Die in Fig. 8 gezeigten Lager 812 sorgen für eine Lagerung der Welle 808 und des mit ihr über den Befestigungsflansch 804 verbundenen Rotorhauptkörpers 802. Sind jedoch als Lager nur die Lager 812 vorgesehen, so entstehen bei schnellen Drehbewegungen des Rotorhauptkörpers 802 ohne Lagerung in axiale Richtungen Schwingung. Wünschenswert wäre es, eine Lagerung zu realisieren, die gewährleistet, dass der Rotorhauptkörper 802 bei einer solchen Drehbewegung und/oder bei entstehenden Vibrationen, Schwingungen oder ähnlichen Bewegungen seine axial vorgesehene Position, insbesondere an seinen Rändern, nicht verlässt.The bearings 812 shown in Fig. 8 provide support for the shaft 808 and the rotor main body 802 connected thereto via the mounting flange 804. However, if only the bearings 812 are provided as the bearings, rapid rotation of the rotor main body 802 occurs without bearing in axial directions Vibration. It would be desirable to realize a bearing which ensures that the rotor main body 802 does not leave its axially provided position, in particular at its edges, during such rotational movement and / or in the event of vibrations, oscillations or similar movements.
Fig. 9a zeigt eine schematische Lagerungsvorrichtung. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein Rotor 904 über eine geeignete Rotor-Welle-Anordnung mit einer Welle 902 verbunden. Der Rotor 904 aus Carbonfaserverbundmaterial umfasst dabei Aufnahmen 906, 908 für Magnete (nicht dargestellt) . Weiterhin ist der Rotor 904 durch zwei Radiallager 912, 914 gelagert. Während des Betriebs der elektrischen Maschine entstehen Vibrationen und/oder Schwingungen am Rotor 904 und der Welle 902. Die Radiallager 912, 914 stellen sicher, dass die Welle 902 und der an ihr befestigte Rotor 904 in ihrer vorgesehenen Position in Radialrichtung R gehalten werden. Neben den Radiallagern 912, 914 der Welle 902 sind bei dem in Fig. 9a gezeigten Beispiel erfindungsgemäß weitere Lager 916, 918 vorgesehen, die den Rotor an beiden Seiten stützen und für eine axiale Lagerung des Rotors 904 sorgen. Die Axiallager 916, 918 stellen sicher, dass der Rotor 904 und die mit ihm verbundene Welle 902 auch bei Betrieb der elektrischen Maschine in einer vorbestimmten axialen Position A gehalten werden. Abhängig von den spezifischen Eigenschaften der eingesetzten elektrischen Maschine ist es möglich, die Axiallager 916, 918 nahe bei der Welle 902 oder in der Nähe des Randes des Rotors 904 anzuordnen.Fig. 9a shows a schematic storage device. In the exemplary embodiment shown, a rotor 904 is connected to a shaft 902 via a suitable rotor-shaft arrangement. The rotor 904 made of carbon fiber composite material in this case includes receptacles 906, 908 for magnets (not shown). Furthermore, the rotor 904 is supported by two radial bearings 912, 914. During operation of the electric machine, vibrations and / or vibrations are generated on the rotor 904 and the shaft 902. The radial bearings 912, 914 ensure that the shaft 902 and the rotor 904 attached thereto are held in their intended position in the radial direction R. In addition to the radial bearings 912, 914 of the shaft 902, further bearings 916, 918 are provided according to the invention in the example shown in FIG. 9a, which support the rotor on both sides and provide axial support of the rotor 904. The thrust bearings 916, 918 ensure that the rotor 904 and its associated shaft 902 are maintained at a predetermined axial position A during operation of the electric machine. Depending on the specific characteristics of the electrical machine used, it is possible to arrange the thrust bearings 916, 918 close to the shaft 902 or near the edge of the rotor 904.
Fig. 9b zeigt eine Lagerungsanordnung mit Lagern 922, 924, die die Welle axial stützen. Vorzugsweise sind weitere Lager 926, 928 vorgesehen. Diese Lager 926, 928 stehen an einem radial außen liegenden Bereich des Rotors 904 mit diesem in Wirkverbindung. Vorzugsweise können solche Lager 926, 928 in und/oder an einem Stator (nicht gezeigt) angeordnet sein. Eine derartige Anordnung der Lager 926, 928 ist besonders geeignet, eine Schwingung des Rotors aus seiner axialen Position heraus zu verhindern .Fig. 9b shows a bearing assembly with bearings 922, 924 supporting the shaft axially. Preferably, further bearings 926, 928 are provided. These bearings 926, 928 are at a radially outer portion of the rotor 904 with this in operative connection. Preferably, such bearings 926, 928 may be disposed in and / or on a stator (not shown). Such an arrangement of the bearings 926, 928 is particularly suitable for preventing vibration of the rotor from its axial position.
Bei dem Beispiel von Fig. 9c sind nur Lager 936, 938 vorgesehen. Die am außen liegenden Bereich des Rotors 904 mit diesem in Wirkverbindung stehenden Lager 936 und 938 stützen den Rotor 904 in axialer und/oder in radialer Richtung ab.In the example of FIG. 9c, only bearings 936, 938 are provided. The outboard portion of the rotor 904 with this operatively connected bearing 936 and 938 support the rotor 904 in the axial and / or radial direction.
Fig. 9d zeigt ein weiteres Beispiel einer Lagerungsanordnung. Ein am außen liegenden Bereich des Rotors vorgesehenes Lager 948 lagert den Rotor 904 derart, dass der Rotor 904 axial gestützt wird. Ein weiteres Lager 944 lagert wiederum die Welle 902 und den mit ihr verbundenen Rotor 904 derart, dass diese radial gestützt werden.Fig. 9d shows another example of a storage arrangement. A bearing 948 provided on the outer portion of the rotor supports the rotor 904 so as to axially support the rotor 904. Another bearing 944 in turn supports the shaft 902 and the Rotor 904 connected to it so as to be radially supported.
Die von Fig. 10a gezeigte schematische Darstellung zeigt eine innere Seitenfläche 1022 eines Stators einer elektrischen Maschine 1000, einen Querschnitt 1024 durch den Stator in der gezeigten schematischen Darstellung, eine Welle 1002, einen mit der Welle verbundenen Rotor 1004, Aufnahmen 1006, 1008 für Magnete (nicht gezeigt) im Rotor 1004 und erfindungsgemäß vorgesehene Lager 1012, 1014, 1016, 1018. Die Welle 1002 wird dabei durch die vorgesehenen Lager 1012, 1014 radial gestützt. Zusätzlich sind in dem gezeigten Beispiel Lager 1016, 1018 vorgesehen, die am Stator angeordnet sind und die den Rotor 1004 axial stützen. Vorzugsweise kann es sich bei den radial stützenden Lagern 1012, 1014 um Wälzlager und bei den axial stützenden Lagern 1016, 1018 um Gleitlager handeln. Durch die Anordnung in Fig. 10a kann der Rotor 1004 bei einem Durchmesser von vorzugsweise etwa zwei Metern, vier Metern, sechs Metern und mehr, stabil und mit kleinem Statorspalt bei hohen Drehzahlen betrieben werden, so dass eine gute magnetische Wechselwirkung zwischen den Magneten und dem Stator genutzt werden kann.The schematic representation shown in FIG. 10a shows an inner side surface 1022 of a stator of an electric machine 1000, a cross section 1024 through the stator in the schematic representation shown, a shaft 1002, a rotor 1004 connected to the shaft, receptacles 1006, 1008 for magnets (not shown) in the rotor 1004 and inventively provided bearings 1012, 1014, 1016, 1018. The shaft 1002 is thereby radially supported by the provided bearings 1012, 1014. In addition, bearings 1016, 1018 are provided in the example shown, which are arranged on the stator and support the rotor 1004 axially. Preferably, the radially supporting bearings 1012, 1014 may be rolling bearings and the axially supporting bearings 1016, 1018 may be plain bearings. Due to the arrangement in FIG. 10a, the rotor 1004 can be operated at a diameter of preferably about two meters, four meters, six meters and more, stable and with a small stator gap at high rotational speeds, so that a good magnetic interaction between the magnets and the Stator can be used.
Bei dem Beispiel von Fig. 10b realisieren die Lager 1012, 1014 eine radiale Lagerung von Welle 1002. Für die axiale Lagerung des Rotors 1004 ist vorzugsweise eine Magnetlagerung vorgesehen. Hierzu sind sowohl an bzw. im Rotor 1004 als auch an bzw. im Stator weitere Magnete 1030 bzw. 1032 angeordnet. Dabei wirken die zentrisch am bzw. im Rotor 1004 angebrachten Magnete 1030 und die entsprechend zu diesen in der Nähe des Rotors 1004 angeordneten feststehenden Magnete 1032 attraktiv und/oder repulsiv aufeinander. Bei repulsiver Kraftwirkung entsteht zusätzlich eine radiale Zentrierwirkung auf den Rotor 1004, so dass die radial stützenden Lager 1012, 1014 entlastet werden. Ein weiteres Beispiel sieht ergänzend oder alternativ eine andere gleichwirkende Lagerung vor, z.B. Luftlagerung.In the example of FIG. 10b, the bearings 1012, 1014 realize a radial bearing of shaft 1002. For the axial bearing of the rotor 1004, a magnetic bearing is preferably provided. For this purpose, further magnets 1030 and 1032 are arranged both on or in the rotor 1004 and on or in the stator. In this case, the magnets 1030 mounted centrally on or in the rotor 1004 and the stationary magnets 1032 arranged correspondingly to these in the vicinity of the rotor 1004 act on one another in an attractive and / or repulsive manner. In the case of a repulsive force action, a radial one additionally arises Centering effect on the rotor 1004, so that the radially supporting bearings 1012, 1014 are relieved. Another example provides, in addition or as an alternative, another identical bearing, for example air bearing.
Fig. 11 zeigt eine Negativform 1100 zur Rotorherstellung. Die Negativform 1100 ist entlang eines Längsschnittes spiegelsymmetrisch zur Symmetrieachse 1102 ausgelegt und weist einen Negativformaußenrand 1104, eine Carbonfaseraussparung 1106, den Aufnahmen 202 (von Fig. 2) entsprechende Zapfen 1108, eine Carbonfaseraussparung 1106 und den Befestigungsflanschlöchern 204 (von Fig. 2) entsprechende Stifte 1110 auf. In der Mitte der Negativform 1100 ist eine Scheibe 1112 angeordnet, die der Wellendurchführung 206 (von Fig. 2) entspricht.Fig. 11 shows a negative mold 1100 for rotor production. The female mold 1100 is designed along a longitudinal section mirror symmetrical to the axis of symmetry 1102 and has a negative mold outer edge 1104, a carbon fiber recess 1106, the receptacles 202 (of Fig. 2) corresponding pins 1108, a carbon fiber recess 1106 and the mounting flange holes 204 (of Fig. 2) corresponding pins 1110 on. Disposed in the center of the female mold 1100 is a washer 1112 corresponding to the shaft passage 206 (of Fig. 2).
Der Negativformaußenrand 1104, die Zapfen 1108, die Stifte 1110 und die Scheibe 1112 sind integral mit der Negativform 1100 ausgebildet. Das Material der Negativform 1100 besteht aus Aluminium oder Carbonfaserverbundmaterial und kann durch einen die Negativform verschließenden Deckel (nicht gezeigt) abgeschlossen werden.The negative mold outer edge 1104, the pins 1108, the pins 1110 and the disk 1112 are integrally formed with the female mold 1100. The material of the female mold 1100 is made of aluminum or carbon fiber composite material and can be closed by a negative mold closing lid (not shown).
Carbonfasern 1114 (Dicke der Fasern 1114 in Fig. 3 nur schematisch) werden z.B. von einer Faserablegevorrichtung (nicht gezeigt) in die Carbonfaseraussparung 306 nach einem vorbestimmten Muster abgelegt, gespannt oder laminiert .Carbon fibers 1114 (thickness of fibers 1114 in Fig. 3 only schematically) are used e.g. deposited, stretched or laminated by a fiber lay-off device (not shown) into the carbon fiber recess 306 according to a predetermined pattern.
Fig. 12 zeigt eine Negativform 1200 zur Rotorherstellung. Die Negativform 1200 ist in Fig. 12 im Querschnitt dargestellt. Zur Veranschaulichung sind - ebenfalls im Querschnitt dargestellt - Carbonfasern 1202 in der Negativform 1200 liegend gezeigt. Die Lage und Ausrichtung der Carbonfasern 1202 in der Negativform 1200 ist lediglich qualitativ zu verstehen. Die Carbonfasern 1202 können jede beliebige Lage und Ausrichtung in der Negativform 1200 aufweisen. Die Negativform 1200 ist symmetrisch zur Achse 1204, sodass nur eine Hälfte der Negativform 200 näher erläutert wird.Fig. 12 shows a negative mold 1200 for rotor production. The negative mold 1200 is shown in cross section in FIG. By way of illustration, carbon fibers 1202 are shown lying in the negative mold 1200, also shown in cross-section. The location and Alignment of the carbon fibers 1202 in the negative mold 1200 is merely qualitative. The carbon fibers 1202 may have any position and orientation in the negative mold 1200. The negative mold 1200 is symmetrical to the axis 1204, so that only one half of the negative mold 200 is explained in more detail.
Die Negativform 1200 in Fig. 2 umfasst Zapfen 1206, die in Form und Volumen jeweils den in Fig. 4a, 4b gezeigten Aufnahmen 406 entsprechen. Ferner umfasst die Negativform 1200 in der Mitte einen Stift 1208, der einer Wellendurchführung entspricht. Die Zapfen 1206 und der Stift 1208 sind einstückig mit der Negativform 1200 ausgebildet. Der übrige Zwischenraum zwischen den Zapfen 1206, dem Stift 1208 und der Negativform 1200 selbst bildet eine stufenzylinderförmige Mulde, deren Form und Volumen einem Rotor entspricht. Dieser Rotor umfasst einen Rotorhauptkörper, der einem Rotorhauptkörperbereich 1210 in der Negativform 1200 entspricht, und einen einseitig und einstückig mit dem Rotorhauptkörper ausgelegten Befestigungsflansch, der einem Befestigungsflanschbereich 1212 in der Negativform 200 entspricht .The negative mold 1200 in FIG. 2 comprises tenons 1206 which correspond in shape and volume to the receptacles 406 shown in FIGS. 4a, 4b, respectively. Furthermore, the negative mold 1200 in the center comprises a pin 1208, which corresponds to a shaft passage. The pins 1206 and the pin 1208 are formed integrally with the female mold 1200. The remaining space between the pins 1206, the pin 1208 and the negative mold 1200 itself forms a stepped cylindrical trough whose shape and volume corresponds to a rotor. This rotor includes a rotor main body corresponding to a rotor main body portion 1210 in the female mold 1200, and a mounting flange unilaterally and integrally formed with the rotor main body corresponding to a mounting flange portion 1212 in the female mold 200.
Das Material der Negativform 1200 kann z.B. Aluminium oder Faserverbundmaterial aufweisen.The material of the negative mold 1200 may be e.g. Aluminum or fiber composite material.
Fig. 13 zeigt ein Flussdiagramm für ein Rotorherstellungsverfahren. Das Flussdiagramm bietet vier alternative Verfahrensabläufe, um einen nur aus Carbonfaserverbundmaterial bestehenden Rotorhauptkörper 1300 herzustellen. Der Verfahrensablauf 1302 umfasst die aufeinanderfolgenden Schritte, Carbonendlosfaser in Negativform zu legen oder zu spannen 1304, Epoxydharz in die in der Negativform liegende Carbonendlosfaser einzubringen 1306 und das Gemisch aus Carbonendlosfaser und Epoxydharz bei einem vorbestimmten Druck PH und einer vorbestimmten Temperatur TH auszuhärten 1308. Der Verfahrensablauf 1310 umfasst den Schritt ein plattenartiges Carbonfaserverbundhalbzeug zu fräsen und zu bohren 1312, sodass der Rotorhauptkörper gebildet wird. Der Verfahrensablauf 1314 umfasst die aufeinanderfolgenden Schritte, Faser-Prepreg in Negativform zu laminieren 1316 und das Faser-Prepreg bei einem vorbestimmten Druck PH und einer vorbestimmten Temperatur TH auszuhärten 1318. Der Verfahrensablauf 1320 umfasst die aufeinanderfolgenden Schritte, Carbonfasern mit Polypropylen zu vermengen 1322, das Gemenge aus Carbonfaser mit Polypropylen in eine Negativform einzubringen oder zu pressen 1324 und das Gemenge bei einem vorbestimmten Druck PH und einer vorbestimmten Temperatur TH auszuhärten 1326.Fig. 13 shows a flow chart for a rotor manufacturing process. The flowchart provides four alternative procedures for making a rotor main body 1300 consisting of only carbon fiber composite material. Process 1302 comprises the sequential steps of negative-setting or stretching carbon fiber into fiber 1304, epoxy in the negative-mold carbon fiber 1306 and 1308 harden the mixture of carbon fiber and epoxy resin at a predetermined pressure P H and a predetermined temperature T H. The process flow 1310 includes the step of milling and drilling a plate-like carbon fiber composite semi-finished product 1312 so that the rotor main body is formed. Process 1314 includes the sequential steps of laminating fiber prepreg in a negative mold 1316 and curing 1318 the fiber prepreg at a predetermined pressure P H and a predetermined temperature T H. Process 1320 includes the sequential steps of mixing carbon fibers with polypropylene 1322 to formulate 1324 the mixture of carbon fiber with polypropylene in a negative mold and to cure 1324 and cure the mixture at a predetermined pressure P H and a predetermined temperature T H 1326.
Es können zwei, mehrere oder alle der Verfahrensabläufe auch teilweise miteinander kombiniert werden.Two, several or all of the processes can also be partially combined.
Fig. 15 zeigt eine elektrische Maschine 1500, bei der drei von in Fig. 8 gezeigten Statoren 1502, 1504 und 1506 mit jeweils einem darin drehbar gelagerten Rotor 1508, 1510 und 1512 auf einer Welle 1514 in Serie angeordnet sind. Eine solche Stator-Rotor-Teileinheit aus einem Stator und einem Rotor entspricht dabei der in Fig. 8 gezeigten elektrischen Maschine 800.FIG. 15 shows an electric machine 1500 in which three of the stators 1502, 1504 and 1506 shown in FIG. 8, each having rotatably mounted therein rotors 1508, 1510 and 1512, are arranged in series on a shaft 1514. Such a stator-rotor subunit of a stator and a rotor in this case corresponds to the electrical machine 800 shown in FIG. 8.
Die Welle 1514 der in Fig. 15 gezeigten elektrischen Maschine 1500 wird, ähnlich wie in Fig. 8 gezeigt, durch zwei feststehende Wälzlager 1516 radial und/oder axial gestützt. Da der Durchmesser der in Fig. 15 gezeigten Stator-Rotor-Teileinheit größer ist als die Dicke der Stator-Rotor-Teileinheit kann die elektrische Maschine 1500 mit zwei, drei oder mehr seriell hintereinander angeordneten Stator-Rotor-Teileinheiten eine kompaktere Bauform erreichen, d.h. ein Verhältnis von Maschinendurchmesser zu Maschinendicke von etwa 1:1 und dabei die Leistung und das Drehmoment erhöht werden.The shaft 1514 of the electric machine 1500 shown in FIG. 15 is supported radially and / or axially by two fixed rolling bearings 1516 similarly as shown in FIG. Since the diameter of the stator-rotor subunit shown in FIG. 15 is larger than the thickness of the stator-rotor subunit, the electric machine can 1500 with two, three or more series-arranged stator-rotor sub-units achieve a more compact design, ie a ratio of machine diameter to machine thickness of about 1: 1 and thereby the power and torque are increased.
Zum Anordnung der elektrischen Maschine in einem System ist ein die in Fig. 15 gezeigten Stator-Rotor- Teileinheiten umhüllendes Gehäuse 1518 vorgesehen, das die elektrische Maschine 1500 nach innen und außen vor Einflüssen (z.B. Staub, Hitze, Feuchtigkeit, elektromagnetische Strahlung etc.) schützt.For arranging the electric machine in a system, there is provided a housing 1518 enclosing the stator-rotor subunits shown in FIG. 15, which protects the electric machine 1500 from inward and outward influences (eg, dust, heat, moisture, electromagnetic radiation, etc.). protects.
Ein weiterer Aspekt ist in Fig. 16 dargestellt, die ein Hybridsystem zeigt. Die Vorrichtung Ml stellt dabei eineAnother aspect is illustrated in FIG. 16, which shows a hybrid system. The device Ml is doing a
Motor-Generatorvorrichtung nach einem der vorgenanntenMotor-generator device according to one of the aforementioned
Ausführungsbeispiele dar. Im Gegensatz dazu ist Motor M2 ein herkömmlicher Verbrennungsmotor oder vergleichbares.Embodiments. In contrast, engine M2 is a conventional internal combustion engine or similar.
Die Drehmomente der beiden als Motor wirkenden Vorrichtungen Ml und M2 werden in einem PlanetengetriebeThe torques of the two acting as motor devices Ml and M2 are in a planetary gear
1602 summiert und vom Hybridsystem abgegeben.Summed up in 1602 and released from the hybrid system.
Fig. 17a und 17b zeigen eine elektrische Schaltungsanordnung einer Motor-Generatorvorrichtung. Dabei zeigt Fig. 17a einen Schaltungsanordnung in einem Zustand, in dem die Motor-Generatorvorrichtung als Generator Gl wirkend mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt und in einer Batterie 1702 speichert. Zusätzlich kann in der Schaltungsanordnung ein Gleichrichter oder Kommutator zwischen Batterie 1702 und Generator Gl geschaltet sein, falls der Generator Gl Strom liefert.FIGS. 17a and 17b show an electrical circuit arrangement of a motor-generator device. 17a shows a circuit arrangement in a state in which the motor-generator device as a generator G1 converts mechanical energy into electrical energy and stores it in a battery 1702. In addition, in the circuit arrangement, a rectifier or commutator may be connected between battery 1702 and generator Gl if the generator supplies Gl power.
Fig. 17b zeigt eine Schaltungsanordnung in einem Zustand, in dem die Motor-Generatorvorrichtung als Motor Ml wirkend elektrische Energie von einer Batterie 1702 in mechanische Energie umwandelt.Fig. 17b shows a circuit arrangement in a state in which the motor-generator device as a motor Ml acting electrical energy from a battery 1702 converts into mechanical energy.
Bei einer Anwendung der Schaltungsanordnung aus Fig. 17a und 17b auf das Hybridsystem von Fig. 16 kann ein Fahrzeugantrieb realisiert werden, der beim Abbremsen des Fahrzeugs kinetische Energie in eine Batterie 1702 zurückspeist und wählbar elektrische Energie der Batterie 1702 in kinetische Energie umwandelt. Eine Rotor-Welle- Anordnung der Motor-Generatorvorrichtung kann dabei so ausgelegt sein, dass Antriebs- und Bremsschlupf durch elastische Längsstifte ein weiches Anlaufen und Abbremsen im Hybridsystem ermöglichen und ein durch die elastischen Längsstifte bereitgestelltes Dämpfungsverhalten ein Rückwirken unkonstanten Drehens des Verbrennungsmotors über das Planetengetriebe 1502 auf die Motor- Generatorvorrichtung verhindert.Applying the circuitry of FIGS. 17a and 17b to the hybrid system of FIG. 16, a vehicle drive may be implemented which, upon braking the vehicle, feeds kinetic energy back into a battery 1702 and selectably converts electrical energy of the battery 1702 into kinetic energy. A rotor-shaft arrangement of the motor-generator device can be designed so that drive and brake slip by elastic longitudinal pins allow soft starting and braking in the hybrid system and provided by the elastic longitudinal pins damping behavior of a backward non-constant rotation of the internal combustion engine via the planetary gear 1502 prevented on the motor-generator device.
Bei einer der oben beschriebenen Vorrichtungen, insbesondere bei einer der oben beschriebenen elektrischen Maschinen, kann diese insbesondere als Antriebsvorrichtung oder zu einer anderen Verwendung in einem Luftfahrzeug (insbesondere ein Passagierflugzeug, ein Motorflugzeug, ein Segelflugzeug mit oder ohne Hilfsmotor oder eine elektrische Maschine für ein Luftschiff) , Wasserfahrzeug (insbesondere ein Schiff oder Boot, beispielsweise ein Motorboot oder ein Segelboot mit oder ohne Hilfsmotor) oder Landfahrzeug (insbesondere ein PKW, ein Motorrad, ein LKW, eine Lokomotive, ein Gabelstapler) eingesetzt werden, wobei das niedrige Gewicht und die hohe Stabilität des aus Faserverbundmaterial hergestellten Rotorhauptkörpers eine hohe Anlauf- und Bremsbeschleunigung der Antriebvorrichtung ermöglicht. Außerdem ist eine Anwendung einer solchen elektrischen Maschine zum Antrieb von Pumpen; als Stellmotor; bei Rasenmähern, Kränen, Panzern; als (Servo-)Motor bei Flug-, Schiffs- und Automodellen; bei Automaten (z.B. Geldautomaten) Spielzeug, Haushaltsgeräten und Elektrogeräten (z.B. CD-, DVD-Spieler, Festplatten) möglich.In one of the devices described above, in particular in one of the electrical machines described above, this may in particular as a drive device or other use in an aircraft (in particular a passenger aircraft, a powered aircraft, a glider with or without auxiliary engine or an electric machine for an airship ), Watercraft (in particular a ship or boat, for example a motorboat or a sailboat with or without an auxiliary engine) or land vehicle (especially a car, a motorcycle, a truck, a locomotive, a forklift) are used, the low weight and the high Stability of the rotor main body made of fiber composite allows high start-up and braking acceleration of the drive device. In addition, an application of such an electric machine for driving of pumps; as a servomotor; lawnmowers, cranes, tanks; as a (servo) engine in aircraft, ship and car models; in vending machines (eg ATMs) toys, household appliances and electrical appliances (eg CD, DVD players, hard drives) possible.
Im Übrigen kann die elektrische Maschine eine Kombination aus Generatorfunktion und Motorfunktion übernehmen und z.B. in einem Elektrofahrzeug oder Fahrzeug mit Hybridantrieb wahlweise beim Abbremsen des Fahrzeugs Energie in eine elektrische Batterie speisen oder beim Beschleunigen des Fahrzeugs elektrische Energie aus der Batterie als Motor wieder in kinetische Energie umsetzen. Incidentally, the electric machine can take a combination of generator function and motor function, and e.g. in an electric vehicle or vehicle with hybrid drive, either during the deceleration of the vehicle, feeding energy into an electric battery or, when accelerating the vehicle, converting electrical energy from the battery as an engine back into kinetic energy.

Claims

Ansprüche claims
1. Rotor-Welle-Anordnung für eine elektrische Maschine (100; 800; 1000; 1500), umfassendA rotor-shaft assembly for an electric machine (100; 800; 1000; 1500) comprising
- eine Welle (108; 404; 512; 702; 808; 902; 1002; 1514),a shaft (108; 404; 512; 702; 808; 902; 1002; 1514),
- einen an der Welle (108; 404; 512; 702; 808; 902; 1002; 1514) angeordneten Rotor (500; 700; 904; 1004; 1508, 1510, 1512) mit einem Faserverbundmaterial aufweisenden Rotorhauptkörper (104; 200; 402; 502; 600; 802; 1300),a rotor main body (104; 200; 402.) arranged on the shaft (108; 404; 512; 702; 808; 902; 1002; 1514) (500; 700; 904; 1004; 1508, 1510, 1512) having a fiber composite material 502, 600, 802, 1300),
- wobei die Welle (108; 404; 512; 702; 808; 902; 1Ö02; 1514) und der Rotorhauptkörper (104; 200; 402; 502; 600; 802; 1300) mittels wenigstens einer Längsstiftverbindυng gekoppelt sind, die wenigstens einen elastischen Längsstift (706) umfasst, um Anlauf- und/oder Bremsschlupf und/oder mechanische Dämpfung zu ermöglichen .- wherein the shaft (108; 404; 512; 702; 808; 902; 1Ö02; 1514) and the rotor main body (104; 200; 402; 502; 600; 802; 1300) are coupled by at least one longitudinal pin connection, which is at least one elastic Longitudinal pin (706) includes to allow startup and / or brake slip and / or mechanical damping.
2. Rotor-Welle-Anordnung nach Anspruch 1, die einen Flansch aufweist, der mit dem Rotorhauptkörper (104; 200; 402; 502; 600; 802; 1300) verbunden ist, wobei der Rotorhauptkörper (104; 200; 402; 502; 600; 802; 1300) und der Flansch mittels wenigstens einer derA rotor-shaft assembly according to claim 1, having a flange connected to said rotor main body (104; 200; 402; 502; 600; 802; 1300), said rotor main body (104; 200; 402; 502; 600; 802; 1300) and the flange by means of at least one of
Längsstiftverbindungen mit der Welle (108; 404; 512; 702; 808; 902; 1002; 1514) gekoppelt sind.Longitudinal pin connections are coupled to the shaft (108; 404; 512; 702; 808; 902; 1002; 1514).
3. Rotor-Welle-Anordnung nach einer der vorhergehenden Ansprüche, wobei der elastische Längsstift (706) gegen einen anderen Längsstift (706) austauschbar ist.3. Rotor-shaft assembly according to one of the preceding claims, wherein the elastic longitudinal pin (706) is interchangeable with another longitudinal pin (706).
4. Rotor-Welle-Anordnung nach Anspruch 3, wobei die Längsstiftverbindung den wenigstens einen elastischen Längsstift (706) bei hohem Drehmoment abschert.4. Rotor-shaft assembly according to claim 3, wherein the longitudinal pin connection the at least one elastic Longitudinal pin (706) shears at high torque.
5. Hybridsystem mit:5. Hybrid system with:
- einer Verbrennungsmotoreinheit (M2) oder einer anderen Drehantriebseinheit, einer Getriebeeinheit, und- An internal combustion engine unit (M2) or other rotary drive unit, a transmission unit, and
- einer Elektromotoreinheit (Ml) mit einer Welle (108; 404; 512; 702; 808; 902; 1002; 1514), wobeian electric motor unit (M1) having a shaft (108; 404; 512; 702; 808; 902; 1002; 1514), wherein
- die Getriebeeinheit das Drehmoment der Verbrennungsmotoreinheit (M2) oder einer anderen Drehantriebseinheit mit dem Drehmoment der Elektromotoreinheit (Ml) summiert und- The transmission unit, the torque of the engine unit (M2) or another rotary drive unit with the torque of the electric motor unit (Ml) summed and
- die Elektromotoreinheit (Ml) wenigstens einen Faserverbundmaterial aufweisenden Rotor (500; 700; 904; 1004; 1508, 1510, 1512) umfasst, der durch eine Längsstiftverbindung an die Welle (108; 404; 512; 702; 808; 902; 1002; 1514) der Elektromotoreinheit (Ml) gekoppelt ist.- the electric motor unit (M1) comprises at least one fiber composite rotor (500; 700; 904; 1004; 1508, 1510, 1512) connected by a longitudinal pin connection to the shaft (108; 404; 512; 702; 808; 902; 1002; 1514) of the electric motor unit (Ml) is coupled.
6. Hybridsystem nach Anspruch 5, wobei die Längsstiftverbindung zur Kopplung des RotorhauptkörpersA hybrid system according to claim 5, wherein the longitudinal pin connection is for coupling the rotor main body
(104; 200; 402; 502; 600; 802; 1300) mit der Welle (108; 404; 512; 702; 808; 902; 1002; 1514) wenigstens einen Längsstift (706) aus einem vorbestimmten Material umfasst, der gegen einen Längsstift (706) aus einem anderen vorbestimmten Material austauschbar ist.(104; 200; 402; 502; 600; 802; 1300) with the shaft (108; 404; 512; 702; 808; 902; 1002; 1514) comprises at least one longitudinal pin (706) of a predetermined material facing a shaft Longitudinal pin (706) from another predetermined material is interchangeable.
7. Hybridsystem nach Anspruch 6, wobei das vorbestimmte Material ein elastischer Werkstoff ist.7. A hybrid system according to claim 6, wherein the predetermined material is an elastic material.
8. Hybridsystem nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Längsstiftverbindung bei hohem Drehmoment abschert. 8. A hybrid system according to any one of claims 5 to 7, wherein the longitudinal pin connection shears at high torque.
9. Hybridsystem nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei die Längsstiftverbindung Anlauf- und/oder Bremsschlupf und/oder mechanische Dämpfung ermöglicht.9. Hybrid system according to one of claims 5 to 8, wherein the longitudinal pin connection allows start-up and / or brake slip and / or mechanical damping.
10. Elektrische Maschine (100; 800; 1000; 1500) mit:10. Electric machine (100; 800; 1000; 1500) with:
- einem Stator (102; 801; 1502, 1504, 1506) unda stator (102, 801, 1502, 1504, 1506) and
- einer Rotor-Welle-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4.- A rotor-shaft arrangement according to one of claims 1 to 4.
11. Verfahren zur Herstellung einer Rotor-Welle-Anordnung für eine elektrische Maschine (100; 800; 1000; 1500), das die folgenden Schritte umfasst:11. A method of manufacturing a rotor-shaft assembly for an electric machine (100; 800; 1000; 1500) comprising the steps of:
- Bereitstellen eines Faserverbundmaterial aufweisenden Rotorhauptkörpers (104; 200; 402; 502; 600; 802; 1300) ,Providing a rotor main body comprising fiber composite material (104; 200; 402; 502; 600; 802; 1300),
Bereitstellen einer Welle (108; 404; 512; 702; 808; 902; 1002; 1514),Providing a shaft (108; 404; 512; 702; 808; 902; 1002; 1514),
- Anordnen des Rotorhauptkörpers (104; 200; 402; 502; 600; 802; 1300) und der Welle (108; 404; 512; 702; 808; 902; 1002; 1514), so dass die Welle (108; 404; 512; 702; 808; 902; 1002; 1514) und der Rotorhauptkörper (104; 200; 402; 502; 600; 802; 1300) mittels wenigstens einer Längsstiftverbindung gekoppelt sind, die einen elastischen Längsstift (706) umfasst, um Anlauf- und/oder Bremsschlupf und/oder mechanische Dämpfung zu ermöglichen.Arranging the rotor main body (104; 200; 402; 502; 600; 802; 1300) and the shaft (108; 404; 512; 702; 808; 902; 1002; 1514) so that the shaft (108; 404; 512 702; 808; 902; 1002; 1514) and the rotor main body (104; 200; 402; 502; 600; 802; 1300) are coupled by means of at least one longitudinal pin connection comprising an elastic longitudinal pin (706) for starting and / or starting. or to allow brake slip and / or mechanical damping.
12. -Verwendung einer Rotor-Welle-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, eines Hybridsystems nach einem der Ansprüche 5 bis 9 und/oder einer elektrischen Maschine nach Anspruch 10 als einen und/oder für einen Antrieb für ein Luft-, Wasser- oder Landfahrzeug oder als Generator in einer Stromerzeugungsvorrichtung. 12. The use of a rotor-shaft arrangement according to one of claims 1 to 4, a hybrid system according to one of claims 5 to 9 and / or an electric machine according to claim 10 as one and / or for a drive for an air, water - or land vehicle or as a generator in a power generating device.
13. Verwendung nach Anspruch 12, wobei die13. Use according to claim 12, wherein the
Stromerzeugungsvorrichtung Wind- und Wasserkraftanlagen umfasst . Power generating device comprises wind and hydro power plants.
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