WO2012123270A2 - Rotor für eine elektrische maschine und elektrische maschine - Google Patents

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WO2012123270A2
WO2012123270A2 PCT/EP2012/053636 EP2012053636W WO2012123270A2 WO 2012123270 A2 WO2012123270 A2 WO 2012123270A2 EP 2012053636 W EP2012053636 W EP 2012053636W WO 2012123270 A2 WO2012123270 A2 WO 2012123270A2
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support structure
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magnetic
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Markus KLÖPZIG
Harald Müller
Klaus Schleicher
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • 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
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    • 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
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    • H02K1/276—Magnets embedded in the magnetic core, e.g. interior permanent magnets [IPM]

Definitions

  • the invention relates to a rotor for an electric Ma ⁇ machine comprising a plurality of magnets, especially Perma ⁇ nentmagnete, load-bearing support structure, and an associated electric machine having such a rotor.
  • the rotor poles are defined by magnets provided on or in the rotor, permanent magnets in a permanent-magnet machine.
  • a solution is known in which external permanent magnets (APM) are provided.
  • the permanent magnets are bandaged to the outer diameter of a substantially cylindrical rotor yoke, which means that a Bandagema ⁇ material is wound with high bias on the magnets to bias for high speeds, the magnets against centrifugal force and thermal ⁇ cal stretching.
  • the support structure thus the rotor yoke, simultaneously serves to deflect the magnetic flux and to transmit torque.
  • the magnets of APM rotors with a fiber fabric on the support structure which may for example consist of a laminated magnetic steel, bandaged.
  • the mechanical prestressing of the fiber fabric then counteracts the centrifugal force against lifting off the support structure and the thermal expansion.
  • the invention is therefore based on the object, a rotor for an electrical machine, in particular a permanent ⁇ magnetic machine, so designed that it is less maneuverable, offers better support against centrifugal forces and more freedom in the geometric design of the support structure.
  • the Vietnamese ⁇ netic support structure having axially extending openings in which a respective at least two magnetically connected via a Mag ⁇ netisches return element magnets having magnet arrangement, in particular form-fitting, to ⁇ is ordered.
  • a nonmagnetic support structure which, as usual, has a substantially cylindrical, but here closed outer surface. Close to the stator be ⁇ adjacent in the machine surface are pre ⁇ see axially extending openings in which a dedicated serving the magnetic yoke return element is disposed adjacent to the magnet, which connects the magnets on the side remote from the stator side with an internal rotor so after lying inside.
  • a dedicated serving the magnetic yoke return element is disposed adjacent to the magnet, which connects the magnets on the side remote from the stator side with an internal rotor so after lying inside.
  • the torque transmission of the magnets and the magnetic return path elements is effected via the non-magnetic support structure, the magnetic short circuit, which is on one side only provided, is achieved through the short-circuit element, which in other respects (in particular ⁇ sondere is not completely existing form-fitting inner ⁇ half of the openings) moved radially under centrifugal force with the magnet.
  • the embodiment of the invention brings a variety of advantages.
  • the centrifugal forces can be better absorbed, since the proportion of an internal rotor radially outwardly adjoining the opening portion can be made thicker, possibly also with a suitable choice of material and otherwise stable.
  • an external portion of the magnetic support structure had to be made extremely thin in order to avoid a magnetic short circuit on these shares, so that even with ⁇ inside the permanent magnets still a bandage had to be made.
  • the complex bandaging for example, by tissue materials, away.
  • the apertures is not biased outwardly, ie in the direction of the centrifugal force during a movement of the rotor, from ⁇ closing portion of the support structure.
  • the inner diameter of this tubular portion of the support structure exercises in the rotor according to the invention is not basically present, against the centrifugal force (ie radially inward) directed force, but is not biased, as in known, bandaged Aus ⁇ guides the case would.
  • the support structure ⁇ is at least partially of a fiber composite material be.
  • the rotating mass can be significantly reduced, especially with larger diameters, since it is no longer necessary to use perforated ferromagnetic materials (eg, electrical steel or sheet steel).
  • perforated ferromagnetic materials eg, electrical steel or sheet steel.
  • fiber composite materials more easily, in particular in contrast to laminated materials which geometrically make certain demands due to the lamination.
  • laminated, non-magnetic steel for the support structure.
  • the support structure may have at least one internal cavity. This also contributes to the reduction of the mass and is particularly well in an embodiment of the support structure made of fiber composites well feasible.
  • a receptacle for a rotor passing through or beidsei ⁇ term to be coupled to the rotor shaft can be realized, for example, by corresponding, flanged sub-elements, which will be discussed in more detail below.
  • the Trä ⁇ ger Vietnamese consists of at least two sub-elements.
  • a partial element can be a tube-like partial element that closes off the openings radially radially outwards.
  • tubular sub-element for example, this can be postponed over the openings after assembly of the magnet arrangements so as to provide the surface for the centrifugal force.
  • a design may be more advantageous.
  • ⁇ rem advantage that extend in a fiber composite material consisting of a tubular sub-element, the fibers in the circumferential direction.
  • a further reinforcement is achieved.
  • Such a tube-like sub-element can also be referred to as a centrifugal force supporter.
  • the carrier structure in particular having a cavity, comprises at least one final subelement closing off the rotor on the left side and having a fastening device for a shaft.
  • ⁇ sondere can be flanged such, the rotor longitudinally abschlie- HCdes part element to which the foraminous sectionele ⁇ ment, so that the openings are covered in the longitudinal direction.
  • a longitudinally from ⁇ closing end part element is a tubular which Publ ⁇ voltages overlap in the radial direction Final part element and thus contribute to the overall stability.
  • the magnet assembly can also act as one, in particular einstü ⁇ one piece or several pieces realized his run Halbach arrangement.
  • a Halbach arrangement often referred to as Halbach magnet or Halbach array, is a special Kon- Permanent magnet configuration allows the magnetic flux to almost cancel out on one side of the assembly but increases on the other.
  • the simplest possible Halbach arrangement for Oberflä ⁇ chenmagnete consists of sub-segments whose magnetization is tilted by 45 ° in the direction of the longitudinal axis. A pair of poles would demzu ⁇ follow from eight magnetic segments.
  • Another variant is the formation of a U-shaped river. Here there is a pair of poles of three magnets, wherein the mean Mag ⁇ net is tilted by 90 ° about the longitudinal axis.
  • the magnet pole pieces close radially outward at ⁇ .
  • Such pole shoes not only a gegebe ⁇ appropriate, to the form-fitting cavity remaining aufhel ⁇ len, they can also affect the course of the magnetic flux on an intended type with.
  • the present invention also relates to an electric machine comprising a stator and a rotor rotatable against the stator according to the present invention. All embodiments relating to the rotor according to the invention can be analogously transferred to the electric machine, so that so that the same advantages can be achieved.
  • Fig. 2 shows a cross section through a rotor according to the invention in a first embodiment
  • Fig. 3 shows a cross section through a rotor according to the invention in a second embodiment
  • 4 shows a longitudinal section through the rotor of Fig. 3
  • FIG. 5 shows a cross section through a rotor according to the invention in a third embodiment
  • FIG. 6 shows a cross section through a rotor according to the invention in a fourth embodiment
  • Fig. 7 is a longitudinal section through the rotor of FIG. 6, and
  • Fig. 8 is a Halbach arrangement.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of an inventive e-lektrischen machine 1. It comprises a designed as an internal rotor rotor 2 according to the invention, which is rotatably mounted on a shaft 3. Der Rotor 3 ist mit dem Rotor 2sky. Via a narrow air gap 21, the rotor 2 is separated from the stator 4, which comprises stator windings 5 as usual. The rotor 2 has poles formed by permanent magnets, which interact with the stator windings 5.
  • the exact function of such electrical machines, in particular synchronous machines, is well known in the art and will not be further detailed here.
  • FIG. 1 Shows a first embodiment of an inventive rotor 2a, as can be ⁇ sets in the machine 1.
  • the rotor 2a has a solid, integrally designed carrier structure 6, in the middle of which a hub bore 7 for the shaft 3 is provided.
  • the support structure 6 is formed non-magnetic.
  • similar openings 8 provided equidistantly in the radially outer area of the support structure 6 are provided, which extend in the longitudinal direction of the rotor 2 a through the support structure 6 and outwardly through a tubular portion 9 be completed with a cylindrical outer surface.
  • magnet arrangements 10 are provided in the circumferential direction and in the radial direction substantially positive.
  • a magnet assembly 10 in this case comprises two magnets 11, the flow radially aligned and Chryslerge ⁇ sets, as will be illustrated by the arrows 12th
  • the magnets 11 are adjoined on the inside by a magnetic yoke element 13, which may be made, for example, of ferromagnetic material (eg, electrical steel or steel).
  • pole pieces 14 which may be made of the same material as the return element 13 ⁇ . Due to their reverse orientation and the conclusion about the return element 13 and the further field-leading Wir ⁇ kung of the pole pieces 14 define the permanent magnets 11 of the magnet assemblies 10 each have two poles 15, where the flow is radial, but opposite. A magnet assembly 10 thus ultimately defines a pole pair.
  • the support structure 6 is not magnetically formed and consists in the present case of a Fa ⁇ serverbundtechnikstoff, here GFK.
  • the rotating mass of the rotor 2a is significantly reduced.
  • FIGS. 3 and 4 show a further embodiment of a rotor 2b according to the invention.
  • the support structure 6 is integrally formed, wherein in contrast to the first embodiment shown in FIG. 2 here is a large, hollow interior 17 was created, which is easily possible in the existing GFK support structure 6.
  • the shaft 3 is not continuously Asbil ⁇ det in this embodiment, but consists of two portions 3a, 3b, via a suitable element 18 for transmitting torque to the cavity 17 in the longitudinal direction limiting portions 19 of the carrier structure 6 are attached.
  • the support structure 6 need not be made in one piece, as the third embodiment of FIG. 5 explained ⁇ by way of example. Shown in turn is a rotor 2c according to the invention in a cross section, in contrast to
  • the support structure 6 here an inner sub-element 6a and a tubular sub-element 6b instead of the tubular portion 9 includes.
  • the support structure 6 is not magnetic, so also consist of the sub-elements 6a and 6b of non-magnetic GFRP .
  • the orientation of the fibers of the glass fiber plastic is chosen in the circumferential direction in the sub-element 6b in order to further enhance the resistance to centrifugal forces.
  • FIGS. 6 and 7 show a fourth embodiment of a rotor 2b according to the invention, in which two Partele ⁇ elements 6a, 6b of the support structure 6 are again provided, in which case again a large hollow interior 17 is realized, as in the embodiment of the Figs. 3 and 4 is the case.
  • the fourth execution ⁇ example includes the non-magnetic support structure 6, not only the part elements 6a and 6b, but also two rotor 2b in the longitudinal direction of final conclusion ⁇ partial elements 6c on to the sub-element 6a laterally ge ⁇ suitable fasteners 20 are flanged.
  • the last ⁇ lich the portion 19 of the rotor 2b replacing final part ⁇ elements 6c in turn each have an element 18 for torque transmission (attachment device) for the rotor parts 2a, 2b.
  • the sub-elements 6a, 6b and 6c consist of a fiberglass, wherein even in the rotor 2b, the fibers of the tubular member 6b extend in the circumferential direction.
  • FIG. 8 shows yet a modified execution ⁇ form of a magnet assembly 10 'as it can be used in the present invention.
  • This is a Halbach arrangement in which the magnets 11 are ver ⁇ connected via a subsequent in a 45 ° angle inference element 13. Again, pole pieces 14 may be provided.

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Abstract

Rotor (2, 2a, 2b, 2c, 2d) für eine elektrische Maschine (1), umfassend eine mehrere Magnete (11), insbesondere Permanentmagnete (11), tragende Trägerstruktur (6), wobei die nichtmagnetische Trägerstruktur (6) sich axial erstreckende Öffnungen (8) aufweist, in denen eine jeweils wenigstens zwei über ein magnetisches Rückschlusselement (13) einseitig verbundene Magnete (11) aufweisende Magnetanordnung (10, 10'), insbesondere formschlüssig, angeordnet ist.

Description

Beschreibung
Rotor für eine elektrische Maschine und elektrische Maschine
Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Ma¬ schine, umfassend eine mehrere Magnete, insbesondere Perma¬ nentmagnete, tragende Trägerstruktur, sowie eine zugehörige elektrische Maschine mit einem derartigen Rotor.
Bei permanentmagnetischen Maschinen werden die Rotorpole durch an oder in dem Rotor vorgesehene Magnete, bei einer permanentmagnetischen Maschine Permanentmagnete, definiert. Bei einem üblichen, als Innenläufer ausgeführten Rotor ist eine Lösung bekannt, bei der außenliegende Permanentmagnete (APM) vorgesehen sind. Dabei werden die Permanentmagnete auf den Außendurchmesser eines im Wesentlichen zylinderförmigen Rotorjoches bandagiert, das bedeutet, es wird ein Bandagema¬ terial mit hoher Vorspannung über die Magnete gewickelt, um für hohe Drehzahlen die Magnete gegen Fliehkraft und thermi¬ sche Dehnung vorzuspannen. Dabei dient also die Trägerstruktur, mithin das Rotorjoch, gleichzeitig zur Umlenkung des magnetischen Flusses und zur Drehmomentübertragung.
Üblicherweise werden die Magnete von APM-Rotoren mit einem Fasergewebe auf die Trägerstruktur, welche beispielsweise aus einem geblechten, magnetischen Stahl bestehen kann, bandagiert. Wie beschrieben wirkt die mechanische Vorspannung des Fasergewebes dann der Fliehkraft gegen ein Abheben von der Trägerstruktur sowie der thermischen Dehnung entgegen.
Neben dem bereits beschriebenen Nachteil der aufwendigen Bandagierung liegt hier noch der Nachteil vor, dass aufgrund der geblecht ausgeführten Trägerstruktur starke Einschränkungen in der geometrischen Gestaltung hingenommen werden müssen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Rotor für eine elektrische Maschine, insbesondere eine permanent¬ magnetische Maschine, so auszugestalten, dass er weniger auf- wendig herzustellen ist, eine bessere Halterung gegen Flieh- kräfte bietet und mehr Freiheit in der geometrischen Gestal- tung der Trägerstruktur besteht.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Rotor der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass die nichtmag¬ netische Trägerstruktur sich axial erstreckende Öffnungen aufweist, in denen eine jeweils wenigstens zwei über ein mag¬ netisches Rückschlusselement einseitig verbundene Magnete aufweisende Magnetanordnung, insbesondere formschlüssig, an¬ geordnet ist.
Bei dem erfindungsgemäßen Rotor wird also erstmalig eine nichtmagnetische Trägerstruktur vorgeschlagen, die wie üblich eine im Wesentlichen zylindrische, hier jedoch geschlossene Außenfläche aufweist. Nahe der in der Maschine dem Stator be¬ nachbarten Oberfläche sind axial verlaufende Öffnungen vorge¬ sehen, in denen neben den Magneten ein dediziert dem magnetischen Rückschluss dienendes Rückschlusselement angeordnet ist, welches die Magnete auf der dem Stator abgewandten Seite verbindet, bei einem Innenläufer also nach innen liegend. Konsequenz dieser Ausgestaltung ist, dass die Funktionen „Drehmomentübertragung" und „magnetischer Rückschluss" vorteilhaft voneinander getrennt sind. Die Drehmomentübertragung der Magnete und der magnetischen Rückschlusselemente erfolgt dabei über die unmagnetische Trägerstruktur, der magnetische Rückschluss, der nur einseitig vorgesehen ist, wird über das Rückschlusselement erreicht, welches sich im Übrigen (insbe¬ sondere bei nicht vollständig vorhandenem Formschluss inner¬ halb der Öffnungen) unter Fliehkraftbewegung radial mit dem Magneten bewegt.
Dabei sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass als Magneten rein grundsätzlich auch Spulen vorgesehen sein können, bevorzugt und einfacher realisierbar ist jedoch die Verwendung von Permanentmagneten . Relevant ist der Formschluss der in den Öffnungen angeordne¬ ten Magnetanordnung dabei vor allem in der Umfangsrichtung, um eine möglichst einfache Drehmomentübertragung zu ermögli¬ chen. Radial kann sogar gezielt eine sehr geringe Beweglichkeit vorgesehen werden, um ein Spiel, beispielsweise bei thermischer Ausdehnung, vorzusehen; unter Einfluss der Fliehkräfte wird sich das durch die magnetischen Kräfte mit dem Magneten, nicht aber mit der Trägerstruktur verbundene Rückschlusselement ohnehin mit den Magneten bewegen. Ein Magnetpaar bildet also mit einem gemeinsamen Rückschlusselement eine radial gegebenenfalls gering bewegliche und magnetisch geschlossene Einheit, die Magnetanordnung.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung bringt eine Vielzahl von Vorteilen mit sich. Zum einen können die Fliehkräfte besser aufgefangen werden, da der bei einem Innenläufer radial nach außen an die Öffnung anschließende Anteil dicker, gegebenenfalls bei geeigneter Materialwahl auch anderweitig stabiler gefertigt werden kann. Bei bisherigen Rotoren, die mit innen liegenden Permanentmagneten arbeiteten, musste ein außen liegender Anteil der magnetischen Trägerstruktur äußerst dünn ausgeführt werden, um einen magnetischen Kurzschluss über diese Anteile zu vermeiden, so dass selbst bei innen liegen¬ den Permanentmagneten noch eine Bandagierung vorgenommen werden musste. Als weiterer Vorteil fällt beim erfindungsgemäßen Rotor auch die aufwendige Bandagierung, beispielsweise durch Gewebematerialien, weg.
Weiterhin bestehen mehr Freiheiten in der geometrischen Gestaltung der Trägerstruktur, nachdem diese nicht mehr aus einem geblechten Material bestehen muss, so dass beispiels¬ weise innen liegende Hohlräume oder dergleichen realisiert werden können. So können Rotoren geschaffen werden, die an ihrem Innendurchmesser massearm ausgeführt sind und dergleichen .
Es sei nochmals hervorgehoben, dass es besonders bei Form¬ schluss dabei irrelevant ist, ob sich die Magnetanordnung in der Öffnung löst, da dies die Magnetanordnung nicht beein- flusst. Diese hält auch bei mehrstückiger Ausbildung aufgrund der magnetischen Kräfte zusammen.
Hervorzuheben ist, dass der die Öffnungen nach außen, also in Richtung der Fliehkraft bei einer Bewegung des Rotors, ab¬ schließende Anteil der Trägerstruktur nicht vorgespannt ist. D. h., der Innendurchmesser dieses rohrartigen Anteils der Trägerstruktur übt bei dem erfindungsgemäßen Rotor keine grundsätzlich vorhandene, entgegen der Fliehkraftrichtung (also radial nach innen) gerichtete Kraft aus, sondern ist nicht vorgespannt, wie dies bei bekannten, bandagierten Aus¬ führungen der Fall wäre.
Zweckmäßigerweise kann vorgesehen sein, dass die Trägerstruktur wenigstens teilweise aus einem Faserverbundwerkstoff be¬ steht. Damit kann vorteilhafterweise die rotierende Masse insbesondere bei größeren Durchmessern deutlich verringert werden, nachdem nicht mehr zwangsläufig geblechte ferromagne- tische Werkstoffe (z. B. Elektroblech oder Stahlblech) verwendet werden muss. Auch lassen sich Faserverbundwerkstoffe einfacher verarbeiten, insbesondere im Gegensatz zu geblechten Materialien, die geometrisch aufgrund der Blechung bestimmte Anforderungen stellen. Es sei jedoch angemerkt, dass es alternativ beispielsweise auch denkbar ist, geblechten, unmagnetischen Stahl für die Trägerstruktur zu verwenden.
Die Trägerstruktur kann wenigstens einen innen liegenden Hohlraum aufweisen. Auch dies trägt weiter zur Reduzierung der Masse bei und ist insbesondere bei einer Ausführung der Trägerstruktur aus Faserverbundwerkstoffen gut realisierbar. Eine Aufnahme für eine den Rotor durchsetzende oder beidsei¬ tig an den Rotor anzukoppelnde Welle kann beispielsweise durch entsprechende, angeflanschte Teilelemente realisiert werden, auf die im Folgenden noch näher eingegangen werden wird . Zweckmäßigerweise kann ferner vorgesehen sein, dass die Trä¬ gerstruktur aus wenigstens zwei Teilelementen besteht. Mit besonderem Vorteil kann ein Teilelement ein die Öffnungen zylindrisch radial nach außen abschließendes rohrartiges Teil- element sein. Bei einem solchen rohrartigen Teilelement kann dieses beispielsweise nach Montage der Magnetanordnungen über die Öffnungen aufgeschoben werden, um so die Angriffsfläche für die Fliehkraft zu bieten. Aus Montagegesichtspunkten, aber auch aus Herstellungsgesichtspunkten kann eine solche Ausbildung vorteilhafter sein. Insbesondere ergibt sich dabei die Möglichkeit, das rohrartige Teilelement entsprechenden Anforderungen auszubilden, wobei beispielsweise mit besonde¬ rem Vorteil vorgesehen sein kann, dass bei einem aus einem Faserverbundwerkstoff bestehenden rohrartigen Teilelement die Fasern in Umfangsrichtung verlaufen. Somit wird eine weitere Verstärkung erreicht. Ein solches rohrartiges Teilelement kann auch als Fliehkraft-Stützer bezeichnet werden.
Denkbar ist es bei einer aus wenigstens zwei Teilelementen bestehenden Trägerstruktur auch, dass die insbesondere einen Hohlraum aufweisende Trägerstruktur wenigstens ein den Rotor linksseitig abschließendes, eine Befestigungseinrichtung für eine Welle aufweisendes Abschlussteilelement umfasst. Insbe¬ sondere kann ein derartiges, den Rotor längsseitig abschlie- ßendes Teilelement an das die Öffnungen aufweisende Teilele¬ ment angeflanscht werden, so dass die Öffnungen in Längsrichtung abgedeckt sind. Auch kann ein derartiges längsseitig ab¬ schließendes Abschlussteilelement ein rohrartiges, die Öff¬ nungen in radialer Richtung abschließendes Teilelement mit überdecken und somit zur Gesamtstabilität beitragen. Bei der Herstellung und der Montage, insbesondere dem Einbringen der Magnetanordnungen in die Öffnungen, ist damit eine weitere Vereinfachung realisiert. Die Magnetanordnung kann auch als eine, insbesondere einstü¬ ckig oder mehrstückig realisierte, Halbachanordnung ausgeführt sein. Eine Halbachanordnung, oft auch als Halbach- Magnet oder Halbach-Array bezeichnet, ist eine spezielle Kon- figuration von Permanentmagneten, die es ermöglicht, dass sich der magnetische Fluss an der einen Seite der Anordnung fast aufhebt, auf der anderen Seite jedoch verstärkt. Dabei besteht die einfachst mögliche Halbachanordnung für Oberflä¬ chenmagnete aus Teilsegmenten, deren Magnetisierung um 45° in Richtung der Längsachse gekippt ist. Ein Polpaar würde demzu¬ folge aus acht Magnetsegmenten bestehen. Eine weitere Variante ist die Ausbildung einer U-förmigen Flussführung. Hier besteht ein Polpaar aus drei Magneten, wobei der mittlere Mag¬ net um 90° um die Längsachse gekippt ist.
In Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass auf die Magneten radial nach außen Polschuhe an¬ schließen. Derartige Polschuhe können nicht nur einen gegebe¬ nenfalls bis zum Formschluss verbleibenden Hohlraum auffül¬ len, sie können auch den Verlauf des magnetischen Flusses auf eine gewollte Art mit beeinflussen.
Neben dem Rotor betrifft die vorliegende Erfindung auch eine elektrische Maschine, umfassend einen Stator und einen gegen den Stator drehbaren Rotor gemäß der vorliegenden Erfindung. Sämtliche Ausführungen bezüglich des erfindungsgemäßen Rotors lassen sich analog auf die elektrische Maschine übertragen, so dass damit dieselben Vorteile erreicht werden können.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen elektri- schen Maschine,
Fig . 2 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Ro- tor in einer ersten Ausführungsform,
Fig . 3 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Ro- tor in einer zweiten Ausführungsform, Fig. 4 einen Längsschnitt durch den Rotor der Fig. 3,
Fig. 5 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Rotor in einer dritten Aus führungs form,
Fig. 6 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Rotor in einer vierten Ausführungsform,
Fig. 7 einen Längsschnitt durch den Rotor gemäß Fig. 6, und
Fig. 8 eine Halbach-Anordnung.
Fig. 1 zeigt eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen e- lektrischen Maschine 1. Sie umfasst einen als Innenläufer ausgebildeten erfindungsgemäßen Rotor 2, der über eine Welle 3 drehbar gelagert ist. Über einen schmalen Luftspalt 21 ist der Rotor 2 von dem Stator 4, der wie üblich Statorwicklungen 5 umfasst, getrennt. Der Rotor 2 weist dabei durch Permanent- magnete ausgebildete Pole auf, die mit den Statorwicklungen 5 wechselwirken. Die genaue Funktion solcher elektrischer Maschinen, insbesondere Synchronmaschinen, ist im Stand der Technik weithin bekannt und soll hier nicht näher dargelegt werden .
Verschiedene erfindungsgemäße Ausgestaltungen des Rotors 2 werden nun im Hinblick auf die Fig. 2 - 7 näher erläutert.
Dabei zeigt Fig. 2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines er- findungsgemäßen Rotors 2a, wie er in der Maschine 1 einge¬ setzt werden kann. Ersichtlich weist der Rotor 2a eine massive, einstückig ausgeführte Trägerstruktur 6 auf, in deren Mitte eine Nabenbohrung 7 für die Welle 3 vorgesehen ist. Die Trägerstruktur 6 ist dabei nichtmagnetisch ausgebildet. Fer- ner sind im radial äußeren Bereich der Trägerstruktur 6 äqui- distant vorgesehene, gleichartige Öffnungen 8 vorgesehen, die sich in Längsrichtung des Rotors 2a durch die Trägerstruktur 6 erstrecken und nach außen durch einen rohrartigen Anteil 9 mit einer zylindrischen Außenfläche abgeschlossen werden. In den Öffnungen 8 sind in Umfangsrichtung und in radialer Richtung im Wesentlichen formschlüssig Magnetanordnungen 10 vorgesehen. Eine Magnetanordnung 10 umfasst dabei jeweils zwei Magnete 11, deren Fluss radial ausgerichtet und entgegenge¬ setzt ist, wie durch die Pfeile 12 erläutert wird. Um den magnetischen Fluss radial nach innen zu schließen, schließt an die Magnete 11 innenseitig ein magnetisches Rückschluss¬ element 13 an, das beispielsweise aus ferromagnetischem Mate- rial (z. B. Elektroblech oder Stahl) bestehen kann. Nach außen hin werden die Magnete noch durch Polschuhe 14 abgedeckt, die aus demselben Material wie das Rückschlusselement 13 be¬ stehen können. Durch ihre umgekehrte Ausrichtung und den Rückschluss über das Rückschlusselement 13 sowie die weiter feldführende Wir¬ kung der Polschuhe 14 definieren die Permanentmagnete 11 der Magnetanordnungen 10 jeweils zwei Pole 15, an denen der Fluss radial, aber entgegengesetzt verläuft. Eine Magnetanordnung 10 definiert letztlich also ein Polpaar.
Wie bereits erwähnt, ist dabei die Trägerstruktur 6 nicht magnetisch ausgebildet und besteht vorliegend aus einem Fa¬ serverbundwerkstoff, hier GFK. Damit ist die rotierende Masse des Rotors 2a deutlich reduziert.
Ersichtlich liegt also bei dem erfindungsgemäßen Rotor 2a eine Funktionstrennung vor. Die Drehmomentübertragung wird über die Trägerstruktur 6 realisiert, nachdem die Magnetan- Ordnungen 10 formschlüssig bezüglich der seitlichen Wände der Öffnungen 8 angeordnet sind. Für den magnetischen Rückfluss ist das dedizierte Rückschlusselement 13 vorgesehen. Die Fliehkräfte werden durch die radial nach außen gelegene Be¬ grenzung 16 der Öffnungen 8 abgefangen, wobei die Dicke des rohrartigen Anteils 9 der Trägerstruktur 6 größer als bei magnetischen Trägerstrukturen gewählt werden kann, so dass keine Vorspannung notwendig ist, die den Fliehkräften bei Ro¬ tation entgegenwirkt. Entsprechend liegt auch keinerlei Vor- Spannung in dem rohrartigen Anteil 9 der Trägerstruktur 6 vor .
Im Folgenden werden weitere Ausführungsbeispiele des erfin- dungsgemäßen Rotors 2 dargestellt, wobei der besseren Verständlichkeit halber gleiche Elemente mit den gleichen Be¬ zugszeichen versehen sein sollen.
Die Fig. 3 und 4 zeigen eine weitere Aus führungs form eines erfindungsgemäßen Rotors 2b. Erneut ist die Trägerstruktur 6 einstückig ausgebildet, wobei im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 hier ein großer, hohler Innenraum 17 geschaffen wurde, was bei der aus GFK bestehenden Trägerstruktur 6 problemlos möglich ist. Wie aus dem in
Fig. 4 gezeigten Längsschnitt ersichtlich ist, ist die Welle 3 in diesem Ausführungsbeispiel nicht durchgehend ausgebil¬ det, sondern besteht aus zwei Anteilen 3a, 3b, die über eine geeignetes Element 18 zur Drehmomentübertragung an den Hohlraum 17 in Längsrichtung begrenzenden Anteilen 19 der Träger- struktur 6 befestigt sind.
Die Trägerstruktur 6 muss dabei nicht einteilig ausgeführt sein, wie das dritte Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 bei¬ spielhaft erläutert. Gezeigt ist wiederum ein erfindungsgemä- ßer Rotor 2c in einem Querschnitt, wobei im Unterschied zum
Rotor 2a die Trägerstruktur 6 hier ein inneres Teilelement 6a und ein rohrartiges Teilelement 6b anstatt des rohrartigen Anteils 9 umfasst. Dies ermöglicht es, die Magnetanordnungen 10 bei noch nach außen offenen Öffnungen 8 in diese einzu- bringen, um danach das Teilelement 6b aufzubringen und die Öffnungen 8 nach außen abzuschließen. Wie in allen Ausführungsbeispielen die Trägerstruktur 6 nicht magnetisch ist, so bestehen auch die Teilelemente 6a und 6b aus nichtmagneti¬ schem GFK. Die Orientierung der Fasern des Glasfaserkunst- stoffs ist bei dem Teilelement 6b dabei in Umfangsrichtung gewählt, um die Widerstandskraft gegen Fliehkräfte weiter zu verstärken . Die Fig. 6 und 7 zeigen ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rotors 2b, bei dem wiederum zwei Teilele¬ mente 6a, 6b der Trägerstruktur 6 vorgesehen sind, wobei in diesem Fall wiederum ein großer hohler Innenraum 17 realisiert ist, wie dies beim Ausführungsbeispiel nach den Fig. 3 und 4 der Fall ist.
Wie aus dem Längsschnitt in Fig. 7 ersichtlich ist, umfasst die nichtmagnetische Trägerstruktur 6 im vierten Ausführungs¬ beispiel nicht nur die Teilelemente 6a und 6b, sondern auch zwei den Rotor 2b in Längsrichtung abschließende Abschluss¬ teilelemente 6c, die seitlich an das Teilelement 6a über ge¬ eignete Befestigungsmittel 20 angeflanscht sind. Die letzt¬ lich den Anteil 19 des Rotors 2b ersetzenden Abschlussteil¬ elemente 6c weisen wiederum jeweils ein Element 18 zur Drehmomentübertragung (Befestigungseinrichtung) für die Rotorteile 2a, 2b auf.
Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass derartige Abschluss¬ teilelemente 6c auch bei dem Rotor 2c vorgesehen sein können; auch bei den Rotoren 2a und 2b können die Anteile 19 durch solche Abschlussteilelemente 6c ersetzt werden. Die Welle 3 kann auch durchgehend gestaltet werden. Obwohl im Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 die Abschlussteilelemente 6c das rohrartige Teilelement 6b nicht überdecken, kann selbstver¬ ständlich vorgesehen sein, dass auch diesbezüglich eine Überdeckung vorliegt, die letztlich scheibenartigen Abschlussteilelemente 6c also einen größeren Radius aufweisen.
Die Teilelemente 6a, 6b und 6c bestehen wiederum aus einem Glasfaserkunststoff, wobei auch bei dem Rotor 2b die Fasern des rohrartigen Teil lements 6b in Umfangsrichtung verlaufen.
Neben GFK können auch andere Faserverbundwerkstoffe verwendet werden, wobei es auch möglich ist, wenngleich weniger bevorzugt, geblechten nichtmagnetischen Stahl zu verwenden. Zudem sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass es unschäd¬ lich ist, wenn ein gewisser, wenn auch kleiner, Bewegungsspielraum der Magnetanordnung 10 in radialer Richtung in den Öffnungen 8 vorliegt. Denn durch die magnetischen Kräfte bewegt sich die Magnetanordnung 10 immer gemeinsam, mithin auch gemeinsam bezüglich der Fliehkraft, um gegen den bei allen Ausführungsbeispielen nicht vorgespannten Anteil 9 bzw. das nicht vorgespannte rohrartige Teilelement 6b gepresst zu wer¬ den .
Schließlich zeigt Fig. 8 noch eine modifizierte Ausführungs¬ form einer Magnetanordnung 10', wie sie im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Dabei handelt es sich um eine Halbachanordnung, bei der die Magnete 11 über einen in einem 45°-Winkel anschließendes Rückschlusselement 13 ver¬ bunden sind. Auch hier können Polschuhe 14 vorgesehen sein.

Claims

Patentansprüche
1. Rotor (2, 2a, 2b, 2c, 2d) für eine elektrische Maschine (1), umfassend eine mehrere Magnete (11), insbesondere Perma- nentmagnete (11), tragende Trägerstruktur (6), dadurch ge¬ kennzeichnet, dass die nichtmagnetische Trägerstruktur (6) sich axial erstreckende Öffnungen (8) aufweist, in denen eine jeweils wenigstens zwei über ein magnetisches Rückschlussele¬ ment (13) einseitig verbundene Magnete (11) aufweisende Mag- netanordnung (10, 10'), insbesondere formschlüssig, angeord¬ net ist.
2. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerstruktur (6) wenigstens teilweise aus einem Faserver- bundwerkstoff, insbesondere GFK, besteht.
3. Rotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerstruktur (6) wenigstens einen innen liegenden Hohlraum (17) aufweist.
4. Rotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerstruktur (6) aus wenigstens zwei Teilelementen (6a, 6b, 6c) besteht.
5. Rotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teilelement (6a, 6b, 6c) ein die Öffnungen (8) zylindrisch radial nach außen abschließendes rohrartiges Teilelement (6b) ist .
6. Rotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem aus einem Faserverbundwerkstoff bestehenden rohrartigen Teilelement (6b) die Fasern in Umfangsrichtung verlaufen.
7. Rotor nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekenn- zeichnet, dass die insbesondere einen Hohlraum (17) aufwei¬ sende Trägerstruktur (6) wenigstens ein den Rotor (2, 2a, 2b, 2c, 2d) längsseitig abschließendes, eine Befestigungseinrich- tung (18) für eine Welle (3) aufweisendes Abschlussteilele¬ ment (6c) umfasst.
8. Rotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetanordnung (10') als eine, ins¬ besondere einstückig realisierte Halbachanordnung ausgeführt ist .
9. Rotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Magnete (11) radial nach außen
Polschuhe (14) anschließen.
10. Elektrische Maschine (1), umfassend einen Stator (4) und einen gegen den Stator (4) drehbaren Rotor (2, 2a, 2b, 2c, 2d) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
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