EP4548457A1 - Rotor einer elektrischen maschine - Google Patents

Rotor einer elektrischen maschine

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Publication number
EP4548457A1
EP4548457A1 EP23725741.5A EP23725741A EP4548457A1 EP 4548457 A1 EP4548457 A1 EP 4548457A1 EP 23725741 A EP23725741 A EP 23725741A EP 4548457 A1 EP4548457 A1 EP 4548457A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rotor
pole
sleeve
carrier
pocket
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.)
Pending
Application number
EP23725741.5A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Dominik Flore
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.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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 Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP4548457A1 publication Critical patent/EP4548457A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/27—Rotor cores with permanent magnets
    • H02K1/2706—Inner rotors
    • H02K1/272—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis
    • H02K1/274—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets
    • H02K1/2753—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets the rotor consisting of magnets or groups of magnets arranged with alternating polarity
    • H02K1/276—Magnets embedded in the magnetic core, e.g. interior permanent magnets [IPM]
    • H02K1/2766—Magnets embedded in the magnetic core, e.g. interior permanent magnets [IPM] having a flux concentration effect
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/28—Means for mounting or fastening rotating magnetic parts on to, or to, the rotor structures
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/32—Rotating parts of the magnetic circuit with channels or ducts for flow of cooling medium
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K15/00—Processes or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines
    • H02K15/02—Processes or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines of stator or rotor bodies
    • H02K15/03—Processes or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines of stator or rotor bodies having permanent magnets

Definitions

  • the invention is based on a rotor of an electrical machine according to the preamble of the main claim.
  • a rotor of an electrical machine is already known from WO21225902 A1, with a rotor shaft rotatable about a rotor axis, a rotor body arranged on the rotor shaft, in particular a rotor laminated core, and a rotor sleeve surrounding the rotor body, the rotor body having an internal passage for passing through the rotor shaft and has a plurality of rotor poles, each with a pole center, with a V-shaped magnetic layer of two magnets, in particular permanent magnets, being formed in all rotor poles, the respective rotor pole being divided by the magnet layer in the radial direction with respect to the rotor axis into an inner pole segment and an outer pole segment, whereby A magnetic pocket is formed in the respective rotor pole between the outer pole segment and the inner pole segment, which is provided for receiving the magnets of the magnetic layer and has a central area, which is located in particular in the area of the pole center and is designed without a bridge,
  • the rotor sleeve is a wound fiber composite sleeve that is either wound directly onto the rotor body or is joined to the rotor body as a prefabricated rotor sleeve.
  • a directly wound fiber composite sleeve the fibers of the fiber composite sleeve are wound directly onto the rotor body in a winding process under tension.
  • the directly wound fiber composite sleeve Disadvantageous of the directly wound fiber composite sleeve is that the preload of the rotor sleeve must be applied solely by the fibers of the fiber composite sleeve, since the composite material of the fiber composite sleeve has not yet hardened during the winding process.
  • the preload that can be generated with the directly wound fiber composite sleeve is therefore limited, so that the fiber composite sleeve must be made comparatively thick. This leads to a comparatively large air gap between the rotor and stator and a reduction in the maximum torque.
  • the prefabricated rotor sleeve with hardened composite material requires mechanical processing of the laminated rotor body on the comparatively uneven outer circumference in preparation for joining the rotor sleeve to the rotor body, which increases the manufacturing costs.
  • the rotor according to the invention of an electrical machine with the characterizing features of the main claim has the advantage that the preload in the rotor sleeve and, as a result, the tensioning of the magnets in the magnet pockets can be produced more easily and cost-effectively.
  • the hub section has a plurality of radial interrupter slots along its extent in the circumferential direction, each of which opens into one of the cooling channels.
  • the preload of the rotor sleeve is generated or increased by a radially outward tensioning of the inner pole segments against the rotor sleeve, in particular by pressing the rotor carrier into the inner passage of the rotor body.
  • the interrupter slots according to the invention mechanically decouple the inner pole segments from one another in the radially inner region and thereby enable the inner pole segments to be braced against the rotor sleeve from radially inside to radially outward.
  • a higher preload of the rotor sleeve can be generated than in the prior art, since the fibers in the cured fiber composite can be subjected to higher loads than the fibers in the uncured fiber composite of the prior art.
  • the respective cooling channel is designed with regard to the radial position and/or the cross-section and/or the cross-sectional shape in such a way that two rotor spokes are formed between the cooling channel and the two pocket legs of the adjacent magnetic pockets, the longitudinal extent of which is each larger, in particular multiple times is larger than their width transverse to the longitudinal extent and which can be bent to clamp the magnets.
  • a high preload can be generated in the rotor sleeve, whereby a high speed stability of the rotor and good clamping of the magnets can be achieved.
  • the respective cooling channel has a radially outermost extent, which extends in the radial direction to the radially innermost edges of the magnets of the adjacent magnet pockets or beyond.
  • rotor spokes are produced with a large longitudinal extent, resulting in a large lever arm for generating the mechanical preload.
  • This flexible construction can produce a large deformation and thus a large mechanical prestress.
  • the central region of the magnetic pockets each has a pocket bulge which bends from the pocket legs of the respective magnetic pocket and extends radially inwards. In this way, rotor spokes are produced with a large longitudinal extent, resulting in a large lever arm for generating the mechanical preload.
  • the circumferential extent of the respective cooling channel expands radially inwards, in particular in that the cross section of the cooling channel is triangular, V-shaped, trapezoidal, bell-shaped. This results in sufficiently flexible rotor spokes. For example, the rotor spokes can become narrower radially inwards.
  • a press fit is provided between the inner passage of the rotor body and the rotor carrier, so that the inner passage of the rotor body is expanded when the rotor carrier is installed, whereby the inner pole segments are subject to deformation, in particular bending, of the rotor spokes and/or radial displacement of the inner pole segments be clamped in the radial direction against the magnets and against the rotor sleeve.
  • the preload in the rotor sleeve can be subsequently generated by the rotor carrier, for example by axially pressing in the rotor carrier.
  • the rotor sleeve can be made thinner due to the hardened composite material, so that the maximum torque of the electric machine can be increased.
  • the joint connection between the rotor carrier and the rotor body can be produced more easily than a joint connection between a prefabricated fiber composite sleeve and a rotor body in the prior art, since it comprises two steel components as joining partners and not two different joining partners, in particular no fiber composite as joining partners.
  • the high preload in the rotor sleeve ensures that the outer pole segments fit tightly against the respective inner pole segment, so that there are very small air gaps in the magnetic pockets. This allows the maximum torque of the electric machine to be further increased.
  • the rotor body can have a flattening on the outer circumference in the area of the pole edges before the rotor carrier is installed, which flattens against the inner circumference of the rotor sleeve due to the assembly of the rotor carrier.
  • a flattening on the outer circumference in the area of the pole edges before the rotor carrier is installed which flattens against the inner circumference of the rotor sleeve due to the assembly of the rotor carrier.
  • an almost cylindrical outer circumference of the rotor body can be created in the formed state, so that a homogeneous stress distribution in the rotor sleeve is achieved. This enables greater rotor strength and therefore a higher maximum speed.
  • the respective cooling channel is arranged with a partial cross-section in one rotor pole and with the remaining partial cross-section in the respective adjacent rotor pole. This results in sufficiently flexible rotor spokes.
  • the respective outer pole segment can be connected to the inner pole segment of the same rotor pole by means of bridge webs which are located on Outer circumference of the rotor body lie, be connected or be designed as a separate pole body.
  • the rotor carrier is the rotor shaft, the rotor shaft being a hollow shaft comprising a shaft cooling channel, the respective cooling channel of the rotor body being fluidly connected to the shaft cooling channel via the respective interrupter slot and a radial opening of the rotor shaft.
  • the interrupter slot additionally forms a flow connection to the shaft cooling channel, so that a cooling medium, for example oil, can be conducted into the cooling channels of the rotor via the shaft cooling channel, the radial openings and the interrupter slots for cooling the rotor.
  • the rotor sleeve comprises a fiber winding, in particular made of glass fiber or carbon fiber, and a hardened composite material for embedding the fiber winding.
  • the fiber composite sleeve can, for example, be prefabricated and mounted in the hardened state without joining forces, in particular without being pressed onto the rotor body in the axial direction.
  • the outer circumference of the rotor body does not have to be mechanically processed in preparation for joining the rotor sleeve, in contrast to the prior art, since the pressing is only generated after a force-free joining of the rotor sleeve and rotor body by pressing the rotor carrier into the rotor body.
  • the fiber winding of the fiber composite sleeve can be wound directly onto the rotor body with very low preload, the applied composite material can be hardened on the rotor body and the preload can be subsequently generated in the rotor sleeve by axially pressing in the rotor carrier.
  • the invention further relates to an electrical machine with a rotor according to the invention.
  • FIG.l shows in section a partial view of a rotor according to the invention of an electrical machine
  • Fig.2 is a detailed view of a special version of the rotor body according to Fig.l before assembly of the rotor carrier.
  • Fig.l shows in section a partial view of a rotor according to the invention of an electrical machine.
  • the rotor 1 according to the invention of an electrical machine has a rotor carrier 3, in particular a rotor shaft, which can be rotated about a rotor axis 2, a rotor body 4, in particular a rotor laminated core, arranged on the rotor carrier 3, and a rotor sleeve 5, in particular a fiber composite sleeve, surrounding the rotor body 4 on the outer circumference 4.1, on.
  • the rotor body 4 has an internal passage 6 for passing through the rotor carrier 3 and several rotor poles 7, each with a pole center 7.1.
  • a V-shaped, C-shaped or arc-shaped magnetic layer 8 of several magnets 9, in particular permanent magnets is formed.
  • the respective rotor pole 7 is divided by the respective magnetic layer 8 in the radial direction with respect to the rotor axis 2 into an inner pole segment 10 and an outer pole segment 11.
  • a magnetic pocket 12 is formed between the respective pole outer segment 10 and the respective pole inner segment 11, which is provided for receiving the magnets 9 of the magnetic layer 8 and has a central region 12.1, which is located in particular in the area of the pole center 7.1 and is designed without a bridge is.
  • bridgeless means that in the central area 12.1 there is no bridge to bridge the magnetic pocket 12 or to connect the outer pole segment 10 to the inner pole segment 11 of the respective rotor pole 7.
  • the central area 12.1 is formed, for example, between two magnets 9 facing the pole center 7.1.
  • the magnets 9 can be coated with insulation. Alternatively or additionally, separate insulation can be provided between magnet 9 and inner pole segment 10 and/or between magnet 9 and outer pole segment 11.
  • the respective outer pole segment 11 can be connected to the inner pole segment 10 of the same
  • the pole outer segments 11 can be designed as separate pole bodies by eliminating the bridge webs 13.
  • the pole outer segments 11 can have a further magnetic pocket, not shown, for holding at least one further magnet.
  • the respective magnet pocket 12 each has two pocket legs 12.2, which are intended to accommodate the magnets 9 and are arranged on opposite sides with respect to the pole center 7.1, in particular mirror-symmetrically with respect to the pole center 7.1.
  • the rotor poles 7 are each formed between two pole edges 7.2 in the circumferential direction with respect to the rotor axis 2.
  • the pole edges 7.2 are also referred to as the q-axis.
  • An axial cooling channel 15 is provided on the pole edges 7.2 of the rotor poles 7, which is arranged between two pocket legs 12.2 of two adjacent magnetic pockets 12 and extends at least in sections through the rotor body 4 in the axial direction with respect to the rotor axis 2.
  • the respective cooling channel 15 is arranged with a partial cross-section in one rotor pole 7 and with the remaining partial cross-section in the adjacent rotor pole 7.
  • the rotor body 4 has a hub section 4.2 radially within the cooling channels 15, which is designed for mechanical coupling, i.e. for torque transmission, with the rotor carrier 3.
  • the rotor sleeve 5 has a mechanical pretension, in particular for clamping the magnets 9 in the magnetic pockets 12 or in order to have as little or no air gaps as possible in the magnetic pockets 12 in the direction of the magnetic flux.
  • the hub section 4.2 has a plurality of radial interrupter slots 16 along its extent in the circumferential direction, which extend in the radial direction from an inner circumference of the hub section 4.2 facing the rotor carrier 3 and each open or lead into one of the cooling channels 15. Furthermore, it is provided according to the invention that the preload of the rotor sleeve 5 is generated or increased by a radially outward tensioning of the inner pole segments 10 against the rotor sleeve 5, in particular by pressing the rotor carrier 3 into the inner passage 6 of the Rotor body 4.
  • the hub section 4.2 of the rotor body 4 is divided or separated into ring sections 17 by the interrupter slots 16.
  • the interrupter slots 16 are, for example, each located on one or near one of the pole edges 7.2 of the rotor poles 7.
  • the respective cooling channel 15 is designed with regard to the radial position and/or the cross-section and/or the cross-sectional shape in such a way that two rotor spokes 18 are formed between the cooling channel 15 and the two pocket legs 12.2 of the adjacent magnetic pockets 12, the longitudinal extent L of which is each larger, in particular is several times larger than its width B transverse to the longitudinal extent L and which can be bent to clamp the magnets 9.
  • a cross-sectional side of the respective cooling channel 15 facing the respective rotor spoke 18 forms the length of the respective rotor spoke 18.
  • the respective cooling channel 15 can have a radially outermost extent, which extends in the radial direction up to or beyond the radially innermost edges of the magnets 9 of the respective adjacent magnet pockets 12. Furthermore, the central area 12.1 of the magnetic pockets 12 can each have a pocket bulge 12.3, which bends from the pocket legs 12.2 of the respective magnetic pocket 12 and extends radially inwards.
  • the extent of the respective cooling channel 15 in the circumferential direction can expand radially inwards, for example by making the cross section of the cooling channel 15 triangular, V-shaped, trapezoidal or bell-shaped and aligned accordingly.
  • a press fit is provided between the inner passage 6 of the rotor body 4 and the rotor carrier 3, so that the inner passage 6 of the rotor body 4 is expanded when the rotor carrier 3 is installed, whereby the pole inner segments 10 are subjected to deformation, in particular bending, of the rotor spokes 18 and/or under radial Displacement of the pole inner segments 10 in the radial direction against the magnets 9 and against the rotor sleeve 5 are clamped.
  • the rotor carrier 3 is pressed into the inner passage 6 of the rotor body 4 in the axial direction.
  • a positive joining connection can be provided.
  • the rotor sleeve 5 is, for example, a fiber composite sleeve that includes a fiber winding, in particular made of glass fiber or carbon fiber, and a cured composite material for embedding the fiber winding.
  • the rotor shaft 3 can be a hollow shaft comprising a shaft cooling channel 20, the respective cooling channel 15 of the rotor body 4 being fluidly connected to the shaft cooling channel 20 via the respective interrupter slot 16 and a radial opening 21 in the rotor shaft 3.
  • a casting compound can optionally also be filled into the magnetic pockets 12.
  • Fig.2 shows a detailed view of a special version of the rotor body according to Fig.l before assembly of the rotor carrier.
  • the rotor body 4 can have a flattening 22 on the outer circumference 4.1 in the area of the pole edges 7.3 before assembly of the rotor carrier 3, which is caused by the assembly of the rotor carrier 3 with deformation of the bridge webs 13 and with radial displacement of the respective pole inner segment 10 to the inner circumference of the rotor sleeve 5 created.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Permanent Field Magnets Of Synchronous Machinery (AREA)
  • Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)

Abstract

Rotor (1) einer elektrischen Maschine, mit einem Rotorträger (3), einem auf dem Rotorträger (3) angeordneten Rotorkörper (4) und einer den Rotorkörper (4) umschließenden Rotorhülse (5), wobei der Rotorkörper (4) einen Innendurchgang (6) zum Durchführen des Rotorträgers (3) und mehrere Rotorpole (7) aufweist, wobei in zumindest einem der Rotorpole (7) eine Magnetlage (8) von mehreren Magneten (9) ausgebildet ist, wobei der jeweilige Rotorpol (7) durch die Magnetlage (8) in radialer Richtung in ein Polinnensegment (10) und ein Polaußensegment (11) unterteilt ist, wobei in dem jeweiligen Rotorpol (7) zwischen dem Polaußensegment (11) und dem Polinnensegment (10) jeweils eine Magnettasche (12) gebildet ist, die zur Aufnahme der Magnete (9) der Magnetlage (8) vorgesehen ist und einen Zentralbereich (12.1) aufweist, der brückensteglos ausgebildet ist, wobei die jeweilige Magnettasche (12) jeweils zwei Taschenschenkel (12.2) aufweist, wobei an Polrändern (7.2) der Rotorpole (7) jeweils ein axialer Kühlkanal (15) vorgesehen ist, der zwischen zwei Taschenschenkeln (12.2) zweier benachbarter Magnettaschen (12) angeordnet ist, wobei der Rotorkörper (4) radial innerhalb der Kühlkanäle (15) einen Nabenabschnitt (4.2) hat, wobei die Rotorhülse (5) eine Vorspannung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Nabenabschnitt (4.2) entlang seiner Erstreckung in Umfangsrichtung mehrere radiale Unterbrecherschlitze (16) aufweist, die jeweils in einen der Kühlkanäle (15) münden, und dass die Vorspannung der Rotorhülse (5) durch eine nach radial außen wirkende Verspannung der Polinnensegmente (10) gegen die Rotorhülse (5) erzeugt oder erhöht ist.

Description

Beschreibung
Titel
Rotor einer elektrischen Maschine
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Rotor einer elektrischen Maschine nach der Gattung des Hauptanspruchs.
Es ist schon ein Rotor einer elektrischen Maschine aus der WO21225902 Al bekannt, mit einer um eine Rotorachse drehbaren Rotorwelle, einem auf der Rotorwelle angeordneten Rotorkörper, insbesondere einem Rotorblechpaket, und einer den Rotorkörper umschließenden Rotorhülse, wobei der Rotorkörper einen Innendurchgang zum Durchführen der Rotorwelle und mehrere Rotorpole mit jeweils einer Polmitte aufweist, wobei in allen Rotorpolen eine V-förmige Magnetlage von zwei Magneten, insbesondere Permanentmagneten, ausgebildet ist, wobei der jeweilige Rotorpol durch die Magnetlage in radialer Richtung bezüglich der Rotorachse in ein Polinnensegment und ein Polaußensegment unterteilt ist, wobei in dem jeweiligen Rotorpol zwischen dem Polaußensegment und dem Polinnensegment jeweils eine Magnettasche gebildet ist, die zur Aufnahme der Magnete der Magnetlage vorgesehen ist und einen Zentralbereich aufweist, der insbesondere im Bereich der Polmitte liegt und brückensteglos ausgebildet ist, wobei die jeweilige Magnettasche jeweils zwei Taschenschenkel aufweist, die zur Aufnahme der Magnete vorgesehen und auf gegenüberliegenden Seiten bezüglich der Polmitte angeordnet sind, wobei an Polrändern der Rotorpole jeweils ein axialer Kühlkanal vorgesehen ist, der zwischen zwei Taschenschenkeln zweier benachbarter Magnettaschen angeordnet ist, wobei der Rotorkörper radial innerhalb der Kühlkanäle einen ringförmigen Nabenabschnitt aufweist, der zur mechanischen Kopplung mit dem Rotorträger vorgesehen ist, wobei die Rotorhülse eine Vorspannung aufweist zum Einklemmen der Magnete in den Magnettaschen. Die Rotorhülse ist eine gewickelte Faserverbundhülse, die entweder direkt auf den Rotorkörper aufgewickelt ist oder als vorgefertigte Rotorhülse auf den Rotorkörper gefügt ist. Im Fall einer direkt gewickelten Faserverbundhülse werden die Fasern der Faserverbundhülse in einem Wickelvorgang unter Zugspannung direkt auf den Rotorkörper aufgewickelt. Nachteilig an der direkt gewickelten Faserverbundhülse ist, dass die Vorspannung der Rotorhülse allein durch die Fasern der Faserverbundhülse aufgebracht werden muss, da das Verbundmaterial der Faserverbundhülse während des Wickelvorgangs noch nicht ausgehärtet ist. Die mit der direkt gewickelten Faserverbundhülse erzeugbare Vorspannung ist daher begrenzt, so dass die Faserverbundhülse vergleichsweise dick ausgeführt werden muss. Dies führt zu einem vergleichsweise großen Luftspalt zwischen Rotor und Stator und zu einer Reduzierung des maximalen Drehmoments.
Die vorgefertigte Rotorhülse mit ausgehärtetem Verbundmaterial erfordert zur Vorbereitung des Fügens der Rotorhülse auf den Rotorkörper eine mechanische Bearbeitung des lamellierten Rotorkörpers am vergleichsweise unebenen Außenumfang, was die Fertigungskosten erhöht.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Rotor einer elektrischen Maschine mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, dass die Vorspannung in der Rotorhülse und infolgedessen die Verspannung der Magnete in den Magnettaschen einfacher und kostengünstiger herstellbar ist.
Dies wird erfindungsgemäß erreicht, indem der Nabenabschnitt entlang seiner Erstreckung in Umfangsrichtung mehrere radiale Unterbrecherschlitze aufweist, die jeweils in einen der Kühlkanäle münden. Darüber hinaus ist die Vorspannung der Rotorhülse durch eine nach radial außen wirkende Verspannung der Polinnensegmente gegen die Rotorhülse erzeugt oder erhöht, insbesondere durch Einpressen des Rotorträgers in den Innendurchgang des Rotorkörpers. Die erfindungsgemäßen Unterbrecherschlitze entkoppeln die Polinnensegmente im radial inneren Bereich mechanisch voneinander und ermöglichen dadurch die von radial innen nach radial außen wirkende Verspannung der Polinnensegmente gegen die Rotorhülse.
Erfindungsgemäß kann eine höhere Vorspannung der Rotorhülse als im Stand der Technik erzeugt werden, da die Fasern im ausgehärteten Faserverbund höher belastet werden können als die Fasern im nicht ausgehärteten Faserverbund des Stands der Technik. Dies ermöglicht, dass die Rotorhülse in radialer Richtung dünner ausgeführt werden kann, so dass das maximale Drehmoment der elektrischen Maschine erhöht werden kann. Das Einpressen des Rotorträgers in den Rotorträger zur Erzeugung der Vorspannung der Rotorhülse kann in der Fertigung in einer kürzeren Zeit erfolgen als das unmittelbar am Rotorkörper erfolgende Wickeln und Aushärten der Rotorhülse im Stand der Technik. Die Fertigungskosten können somit deutlich verringert werden.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Rotors der elektrischen Maschine möglich.
Besonders vorteilhaft ist, wenn der jeweilige Kühlkanal hinsichtlich der radialen Lage und/oder des Querschnittes und/oder der Querschnittsform derart ausgeführt ist, dass zwischen dem Kühlkanal und den beiden Taschenschenkeln der benachbarten Magnettaschen zwei Rotorspeichen gebildet sind, deren Längserstreckung jeweils größer ist, insbesondere mehrfach größer ist, als deren Breite quer zur Längserstreckung und die zur Einklemmung der Magnete biegbar sind. Auf diese Weise kann eine hohe Vorspannung in der Rotorhülse erzeugt werden, wodurch eine hohe Drehzahlfestigkeit des Rotors und eine gute Einklemmung der Magnete erreichbar ist.
Weiterhin vorteilhaft ist, wenn der jeweilige Kühlkanal eine radial äußerste Erstreckung aufweist, die in radialer Richtung bis an die radial innersten Kanten der Magnete der jeweils benachbarten Magnettaschen reicht oder darüber hinaus. Auf diese Weise werden Rotorspeichen mit einer großen Längserstreckung erzeugt, so dass sich ein großer Hebelarm zur Erzeugung der mechanischen Vorspannung ergibt. Durch diese biegeweiche Konstruktion kann eine große Verformung und damit eine große mechanische Vorspannung erzeugt werden.
Des Weiteren vorteilhaft ist, wenn der Zentralbereich der Magnettaschen jeweils eine Taschenausbuchtung aufweist, die von den Taschenschenkeln der jeweiligen Magnettasche abknickt und sich radial nach innen erstreckt. Auf diese Weise werden Rotorspeichen mit einer großen Längserstreckung erzeugt, so dass sich ein großer Hebelarm zur Erzeugung der mechanischen Vorspannung ergibt.
Sehr vorteilhaft ist es, wenn sich die Umfangs- Erstreckung des jeweiligen Kühlkanals nach radial innen hin erweitert, insbesondere indem der Querschnitt des Kühlkanals dreieckförmig, V-förmig, trapezförmig, glockenförmig ausgebildet ist. Auf diese Weise ergeben sich ausreichend biegsame Rotorspeichen. Beispielsweise können die Rotorspeichen nach radial innen hin schmaler werden. Auch vorteilhaft ist, wenn zwischen dem Innendurchgang des Rotorkörpers und dem Rotorträger eine Presspassung vorgesehen ist, so dass der Innendurchgang des Rotorkörpers bei Montage des Rotorträgers aufgeweitet wird, wodurch die Polinnensegmente unter Verformung, insbesondere Biegung, der Rotorspeichen und/oder unter radialer Verschiebung der Polinnensegmente in radialer Richtung gegen die Magnete und gegen die Rotorhülse verspannt werden. Auf diese Weise kann die Vorspannung in der Rotorhülse nachträglich vom Rotorträger erzeugt werden, beispielsweise durch das axiale Einpressen des Rotorträgers. Die Rotorhülse kann durch das ausgehärtete Verbundmaterial dünner ausgeführt werden, so dass das maximale Drehmoment der elektrischen Maschine erhöht werden kann. Die Fügeverbindung zwischen Rotorträger und Rotorkörper kann einfacher hergestellt werden als eine Fügeverbindung zwischen einer vorgefertigten Faserverbundhülse und einem Rotorkörper im Stand der Technik, da sie zwei Stahl-Bauteile als Fügepartner und nicht zwei unterschiedliche Fügepartner, insbesondere keinen Faserverbund als Fügepartner, umfasst. Die hohe Vorspannung in der Rotorhülse sorgt für ein enges Anliegen der Polaußensegmente am jeweiligen Polinnensegment, so dass in den Magnettaschen sehr geringe Luftspalte vorliegen. Dadurch kann das maximale Drehmoment der elektrischen Maschine weiter erhöht werden.
Vorteilhafterweise kann der Rotorkörper am Außenumfang im Bereich der Polränder vor der Montage des Rotorträgers jeweils eine Abflachung aufweisen, die sich durch die Montage des Rotorträgers jeweils an den Innenumfang der Rotorhülse anlegt. Auf diese Weise kann im umgeformten Zustand ein nahezu zylinderförmiger Außenumfang des Rotorkörpers erzeugt werden, so dass eine homogene Spannungsverteilung in der Rotorhülse erreicht wird. Dies ermöglicht eine höhere Festigkeit des Rotors und somit eine höhere maximale Drehzahl.
Darüber hinaus vorteilhaft ist, wenn der jeweilige Kühlkanal jeweils mit einem Teilquerschnitt in dem einen Rotorpol und mit dem übrigen Teilquerschnitt im jeweils benachbarten Rotorpol angeordnet ist. Auf diese Weise ergeben sich ausreichend biegsame Rotorspeichen.
Nach einer vorteilhaften Ausführung kann das jeweilige Polaußensegment mit dem Polinnensegment desselben Rotorpols mittels von Brückenstegen, die am Außenumfang des Rotorkörpers liegen, verbunden sein oder jeweils als separater Polkörper ausgeführt sein.
Außerdem vorteilhaft ist, wenn der Rotorträger die Rotorwelle ist, wobei die Rotorwelle eine Hohlwelle umfassend einen Wellenkühlkanal ist, wobei der jeweilige Kühlkanal des Rotorkörpers über den jeweiligen Unterbrecherschlitz und eine Radialöffnung der Rotorwelle mit dem Wellenkühlkanal strömungsverbunden ist. Auf diese Weise bildet der Unterbrecherschlitz zusätzlich eine Strömungsverbindung zum Wellenkühlkanal, so dass ein Kühlmedium, beispielsweise Öl, über den Wellenkühlkanal, die Radialöffnungen und die Unterbrecherschlitze zum Kühlen des Rotors in die Kühlkanäle des Rotors leitbar ist.
Nach einer vorteilhaften Ausführung umfasst die Rotorhülse eine Faserwicklung, insbesondere aus Glasfaser oder Carbonfaser, und ein ausgehärtetes Verbundmaterial zur Einbettung der Faserwicklung. Die Faserverbundhülse kann beispielsweise vorgefertigt und im ausgehärteten Zustand ohne Fügekräfte, insbesondere ohne Aufpressen in axialer Richtung auf den Rotorkörper, montiert werden. Im Fall einer vorgefertigten Rotorhülse muss der Außenumfang des Rotorkörpers zur Vorbereitung des Fügens der Rotorhülse im Gegensatz zum Stand der Technik nicht mechanisch bearbeitet werden, da die Pressung erst nach einem kraftfreien Fügen von Rotorhülse und Rotorkörper durch ein Einpressen des Rotorträgers in den Rotorkörper erzeugt wird. Alternativ kann die Faserwicklung der Faserverbundhülse mit sehr geringer Vorspannung direkt auf den Rotorkörper gewickelt, das aufgebrachte Verbundmaterial am Rotorkörper ausgehärtet und die Vorspannung in der Rotorhülse nachträglich durch das axiale Einpressen des Rotorträgers erzeugt werden.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine elektrische Maschine mit einem erfindungsgemäßen Rotor.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Fig.l zeigt im Schnitt eine Teilansicht eines erfindungsgemäßen Rotors einer elektrischen Maschine und
Fig.2 eine Detailansicht einer speziellen Ausführung des Rotorkörpers nach Fig.l vor einer Montage des Rotorträgers.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Fig.l zeigt im Schnitt eine Teilansicht eines erfindungsgemäßen Rotors einer elektrischen Maschine.
Der erfindungsgemäße Rotor 1 einer elektrischen Maschine weist einen um eine Rotorachse 2 drehbaren Rotorträger 3, insbesondere eine Rotorwelle, einen auf dem Rotorträger 3 angeordneten Rotorkörper 4, insbesondere ein Rotorblechpaket, und eine den Rotorkörper 4 am Außenumfang 4.1 umschließende Rotorhülse 5, insbesondere eine Faserverbundhülse, auf. Der Rotorkörper 4 hat einen Innendurchgang 6 zum Durchführen des Rotorträgers 3 und mehrere Rotorpole 7 mit jeweils einer Polmitte 7.1. In zumindest einem, insbesondere allen, der Rotorpole 7 ist eine V-förmige, C-förmige oder bogenförmige Magnetlage 8 von mehreren Magneten 9, insbesondere Permanentmagneten, ausgebildet. Der jeweilige Rotorpol 7 ist durch die jeweilige Magnetlage 8 in radialer Richtung bezüglich der Rotorachse 2 in ein Polinnensegment 10 und ein Polaußensegment 11 unterteilt. In dem jeweiligen Rotorpol 7 ist zwischen dem jeweiligen Polaußensegment 10 und dem jeweiligen Polinnensegment 11 jeweils eine Magnettasche 12 gebildet, die zur Aufnahme der Magnete 9 der Magnetlage 8 vorgesehen ist und einen Zentralbereich 12.1 aufweist, der insbesondere im Bereich der Polmitte 7.1 liegt und brückensteglos ausgebildet ist. Unter dem Begriff „brückensteglos“ ist zu verstehen, dass im Zentralbereich 12.1 kein Brückensteg zur Überbrückung der Magnettasche 12 bzw. zur Verbindung von dem Polaußensegment 10 mit dem Polinnensegment 11 des jeweiligen Rotorpols 7 ausgeführt ist. Der Zentralbereich 12.1 ist beispielsweise zwischen zwei der Polmitte 7.1 zugewandten Magneten 9 gebildet. Die Magnete 9 können mit einer Isolation beschichtet sein. Alternativ oder zusätzlich kann jeweils eine separate Isolation zwischen Magnet 9 und Polinnensegment 10 und/oder zwischen Magnet 9 und Polaußensegment 11 vorgesehen sein.
Das jeweilige Polaußensegment 11 kann mit dem Polinnensegment 10 desselben
Rotorpols 7 mittels von Brückenstegen 13, die am Außenumfang 4.1 des Rotorkörpers 4 liegen, verbunden sein. Alternativ können die Polaußensegmente 11 durch Entfall der Brückenstege 13 als separate Polkörper ausgeführt sein. Die Polaußensegmente 11 können eine nicht dargestellte weitere Magnettasche zur Aufnahme zumindest eines weiteren Magneten aufweisen.
Die jeweilige Magnettasche 12 hat jeweils zwei Taschenschenkel 12.2, die zur Aufnahme der Magnete 9 vorgesehen und auf gegenüberliegenden Seiten, bezüglich der Polmitte 7.1, insbesondere spiegelsymmetrisch bezüglich der Polmitte 7.1, angeordnet sind.
Die Rotorpole 7 sind in Umfangsrichtung bezüglich der Rotorachse 2 jeweils zwischen zwei Polrändern 7.2 gebildet. Die Polränder 7.2 werden auch als q-Achse bezeichnet.
An den Polrändern 7.2 der Rotorpole 7 ist jeweils ein axialer Kühlkanal 15 vorgesehen, der zwischen zwei Taschenschenkeln 12.2 zweier benachbarter Magnettaschen 12 angeordnet ist und sich in axialer Richtung bezüglich der Rotorachse 2 zumindest abschnittsweise durch den Rotorkörper 4 erstreckt. Der jeweilige Kühlkanal 15 ist jeweils mit einem Teilquerschnitt in dem einen Rotorpol 7 und mit dem übrigen Teilquerschnitt im jeweils benachbarten Rotorpol 7 angeordnet.
Der Rotorkörper 4 weist radial innerhalb der Kühlkanäle 15 einen Nabenabschnitt 4.2 auf, der zur mechanischen Kopplung, also zur Drehmomentübertragung, mit dem Rotorträger 3 ausgebildet ist.
Die Rotorhülse 5 weist eine mechanische Vorspannung auf, insbesondere zum Einklemmen der Magnete 9 in den Magnettaschen 12 bzw. um möglichst keine oder nur geringe Luftspalte in den Magnettaschen 12 in Richtung des Magnetflusses zu haben.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Nabenabschnitt 4.2 entlang seiner Erstreckung in Umfangsrichtung mehrere radiale Unterbrecherschlitze 16 aufweist, die von einem dem Rotorträger 3 zugewandten Innenumfang des Nabenabschnitts 4.2 ausgehend in radialer Richtung verlaufen und jeweils in einen der Kühlkanäle 15 münden oder führen. Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Vorspannung der Rotorhülse 5 durch eine nach radial außen wirkende Verspannung der Polinnensegmente 10 gegen die Rotorhülse 5 erzeugt oder erhöht ist, insbesondere durch Einpressen des Rotorträgers 3 in den Innendurchgang 6 des Rotorkörpers 4. Der Nabenabschnitt 4.2 des Rotorkörpers 4 ist durch die Unterbrecherschlitze 16 in Ringabschnitte 17 geteilt oder getrennt. Die Unterbrecherschlitze 16 liegen beispielsweise jeweils auf einem oder nahe einem der Polränder 7.2 der Rotorpole 7.
Der jeweilige Kühlkanal 15 ist hinsichtlich der radialen Lage und/oder des Querschnittes und/oder der Querschnittsform derart ausgeführt, dass zwischen dem Kühlkanal 15 und den beiden Taschenschenkeln 12.2 der benachbarten Magnettaschen 12 zwei Rotorspeichen 18 gebildet sind, deren Längserstreckung L jeweils größer ist, insbesondere mehrfach größer ist, als deren Breite B quer zur Längserstreckung L und die zur Einklemmung der Magnete 9 biegbar sind. Beispielsweise bildet eine der jeweiligen Rotorspeiche 18 zugewandte Querschnittsseite des jeweiligen Kühlkanals 15 die Länge der jeweiligen Rotorspeiche 18.
Der jeweilige Kühlkanal 15 kann eine radial äußerste Erstreckung aufweisen, die in radialer Richtung bis an die radial innersten Kanten der Magnete 9 der jeweils benachbarten Magnettaschen 12 reicht oder darüber hinausreicht. Weiterhin kann der Zentralbereich 12.1 der Magnettaschen 12 jeweils eine Taschenausbuchtung 12.3 aufweisen, die von den Taschenschenkeln 12.2 der jeweiligen Magnettasche 12 abknickt und sich radial nach innen erstreckt.
Die Erstreckung des jeweiligen Kühlkanals 15 in Umfangsrichtung kann sich nach radial innen hin erweitern, beispielsweise indem der Querschnitt des Kühlkanals 15 dreieckförmig, V-förmig, trapezförmig oder glockenförmig ausgebildet und entsprechend ausgerichtet ist.
Zwischen dem Innendurchgang 6 des Rotorkörpers 4 und dem Rotorträger 3 ist eine Presspassung vorgesehen, so dass der Innendurchgang 6 des Rotorkörpers 4 bei Montage des Rotorträgers 3 aufgeweitet wird, wodurch die Polinnensegmente 10 unter Verformung, insbesondere Biegung, der Rotorspeichen 18 und/oder unter radialer Verschiebung der Polinnensegmente 10 in radialer Richtung gegen die Magnete 9 und gegen die Rotorhülse 5 verspannt werden. Beispielsweise wird der Rotorträger 3 in axialer Richtung in den Innendurchgang 6 des Rotorkörpers 4 eingepresst. Zusätzlich zur Pressverbindung zwischen dem Rotorkörper 4 und dem Rotorträger 3 kann eine formschlüssige Fügeverbindung vorgesehen sein. Die Rotorhülse 5 ist beispielsweise eine Faserverbundhülse, die eine Faserwicklung, insbesondere aus Glasfaser oder Carbonfaser, und ein ausgehärtetes Verbundmaterial zur Einbettung der Faserwicklung, umfasst.
Die Rotorwelle 3 kann eine Hohlwelle umfassend einen Wellenkühlkanal 20 sein, wobei der jeweilige Kühlkanal 15 des Rotorkörpers 4 über den jeweiligen Unterbrecherschlitz 16 und eine Radialöffnung 21 in der Rotorwelle 3 mit dem Wellenkühlkanal 20 strömungsverbunden ist.
Nach dem Einpressen des Rotorträgers 3 und dem Vorspannen der Rotorhülse 5 kann optional zusätzlich noch eine Vergussmasse in die Magnettaschen 12 eingefüllt werden.
Fig.2 zeigt eine Detailansicht einer speziellen Ausführung des Rotorkörpers nach Fig.l vor einer Montage des Rotorträgers.
Der Rotorkörper 4 kann am Außenumfang 4.1 im Bereich der Polränder 7.3 vor der Montage des Rotorträgers 3 jeweils eine Abflachung 22 aufweisen, die sich durch die Montage des Rotorträgers 3 unter Verformung der Brückenstege 13 und unter radialer Verschiebung des jeweiligen Polinnensegmentes 10 an den Innenumfang der Rotorhülse 5 anlegt.

Claims

Ansprüche
1. Rotor (1) einer elektrischen Maschine, mit einem um eine Rotorachse (2) drehbaren Rotorträger (3), insbesondere einer Rotorwelle, einem auf dem Rotorträger (3) angeordneten Rotorkörper (4), insbesondere einem Rotorblechpaket, und einer den Rotorkörper (4) umschließenden Rotorhülse (5), insbesondere einer Faserverbundhülse, wobei der Rotorkörper (4) einen Innendurchgang (6) zum Durchführen des Rotorträgers (3) und mehrere Rotorpole (7) mit jeweils einer Polmitte (7.1) aufweist, wobei in zumindest einem, insbesondere allen, der Rotorpole (7) eine V-förmige, C-förmige oder bogenförmige Magnetlage (8) von mehreren Magneten (9), insbesondere Permanentmagneten, ausgebildet ist, wobei der jeweilige Rotorpol (7) durch die Magnetlage (8) in radialer Richtung bezüglich der Rotorachse (2) in ein Polinnensegment (10) und ein Polaußensegment (11) unterteilt ist, wobei in dem jeweiligen Rotorpol (7) zwischen dem Polaußensegment (11) und dem Polinnensegment (10) jeweils eine Magnettasche (12) gebildet ist, die zur Aufnahme der Magnete (9) der Magnetlage (8) vorgesehen ist und einen Zentralbereich (12.1) aufweist, der insbesondere im Bereich der Polmitte (7.1) liegt und brückensteglos ausgebildet ist, wobei die jeweilige Magnettasche (12) jeweils zwei Taschenschenkel (12.2) aufweist, die auf gegenüberliegenden Seiten bezüglich der Polmitte (7.1) angeordnet sind, wobei an Polrändern (7.2) der Rotorpole (7) jeweils ein axialer Kühlkanal (15) vorgesehen ist, der zwischen zwei Taschenschenkeln (12.2) zweier benachbarter Magnettaschen (12) angeordnet ist, wobei der Rotorkörper (4) radial innerhalb der Kühlkanäle (15) einen Nabenabschnitt (4.2) hat, der zur mechanischen Kopplung mit dem Rotorträger (3) vorgesehen ist, wobei die Rotorhülse (5) eine Vorspannung aufweist, insbesondere zum Einklemmen der Magnete (9) in den Magnettaschen (12), dadurch gekennzeichnet, dass
- der Nabenabschnitt (4.2) entlang seiner Erstreckung in Umfangsrichtung mehrere radiale Unterbrecherschlitze (16) aufweist, die jeweils in einen der Kühlkanäle (15) münden,
- die Vorspannung der Rotorhülse (5) durch eine nach radial außen wirkende
Verspannung der Polinnensegmente (10) gegen die Rotorhülse (5) erzeugt oder erhöht ist, insbesondere durch Einpressen des Rotorträgers (3) in den Innendurchgang (6) des Rotorkörpers (4). Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Kühlkanal (15) hinsichtlich der radialen Lage und/oder des Querschnittes und/oder der Querschnittsform derart ausgeführt ist, dass zwischen dem Kühlkanal (15) und den beiden Taschenschenkeln (12.2) der benachbarten Magnettaschen (12) zwei Rotorspeichen (18) gebildet sind, deren Längserstreckung (L) jeweils größer ist, insbesondere mehrfach größer ist, als deren Breite (B) quer zur Längserstreckung (L) und die zur Einklemmung der Magnete (9) biegbar sind. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Kühlkanal (15) eine radial äußerste Erstreckung aufweist, die in radialer Richtung bis an die radial innersten Kanten der Magnete (9) der jeweils benachbarten Magnettaschen (12) reicht oder darüber hinaus. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zentralbereich (12.1) der Magnettaschen (12) jeweils eine Taschenausbuchtung (12.3) aufweist, die von den Taschenschenkeln (12.2) der Magnettasche (12) abknickt und sich radial nach innen erstreckt. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Erstreckung des jeweiligen Kühlkanals (15) in Umfangsrichtung nach radial innen hin erweitert, insbesondere indem der Querschnitt des Kühlkanals (15) dreieckförmig, V-förmig, trapezförmig, glockenförmig ausgebildet ist. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Innendurchgang (6) des Rotorkörpers (4) und dem Rotorträger (3) eine Presspassung vorgesehen ist, so dass der Innendurchgang (6) des Rotorkörpers (4) bei Montage des Rotorträgers (3) aufgeweitet wird, wodurch die Polinnensegmente (10) unter Verformung, insbesondere Biegung, der Rotorspeichen (18) und/oder unter radialer Verschiebung der Polinnensegmente (10) in radialer Richtung gegen die Magnete (9) und gegen die Rotorhülse (5) verspannt werden. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorkörper (4) am Außenumfang (4.1) im Bereich der Polränder (7.2) vor der Montage des Rotorträgers (3) jeweils eine Abflachung (22) aufweist, die sich durch die Montage des Rotorträgers (3) an den Innenumfang der Rotorhülse (5) anlegt. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Kühlkanal (15) jeweils mit einem Teilquerschnitt in dem einen Rotorpol (7) und mit dem übrigen Teilquerschnitt im jeweils benachbarten Rotorpol (7) angeordnet ist. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Polaußensegment (11) mit dem Polinnensegment (10) desselben Rotorpols (7) mittels von Brückenstegen (13), die am Außenumfang (4.1) des Rotorkörpers (4) liegen, verbunden ist oder jeweils als separater Polkörper ausgeführt ist. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorträger (3) die Rotorwelle ist, wobei die Rotorwelle (3) eine Hohlwelle umfassend einen Wellenkühlkanal (20) ist, wobei der jeweilige Kühlkanal (15) des Rotorkörpers (4) über den jeweiligen Unterbrecherschlitz (16) und eine Radialöffnung (21) der Rotorwelle (3) mit dem Wellenkühlkanal (20) strömungsverbunden ist. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorhülse (5) eine Faserwicklung, insbesondere aus Glasfaser oder Carbonfaser, und ein ausgehärtetes Verbundmaterial zur Einbettung der Faserwicklung umfasst. Elektrische Maschine mit einem Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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