WO2021185403A1 - Rotor für eine axialflussmaschine, verfahren zur herstellung eines rotors für eine axialflussmaschine und axialflussmaschine - Google Patents

Rotor für eine axialflussmaschine, verfahren zur herstellung eines rotors für eine axialflussmaschine und axialflussmaschine Download PDF

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WO2021185403A1
WO2021185403A1 PCT/DE2021/100188 DE2021100188W WO2021185403A1 WO 2021185403 A1 WO2021185403 A1 WO 2021185403A1 DE 2021100188 W DE2021100188 W DE 2021100188W WO 2021185403 A1 WO2021185403 A1 WO 2021185403A1
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flux
carrier
rotor
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magnetic
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PCT/DE2021/100188
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Holger Witt
Matthias Gramann
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Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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    • H02K21/24—Synchronous 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

Definitions

  • Rotor for an axial flow machine Method for manufacturing a rotor for an axial flow machine and an axial flow machine
  • the present invention relates to a rotor for an axial flux machine that can be operated electrically, as a motor and / or as a generator.
  • the axial flux machine comprises a carrier, a multiplicity of magnet elements arranged on or on or in the carrier, extending radially from the inside outwards, and a multiplicity of flux guide elements which are arranged on or on or in the carrier and are arranged circumferentially between the magnet elements and conduct the magnetic flux.
  • the magnetic elements of the axial flux machine are designed to be magnetized in the circumferential direction and are arranged alternately one behind the other individually or in groups circumferentially with the opposite direction of magnetization.
  • a rotor for an axial flux machine is already known from DE 102013218829 A1.
  • the rotor laminations form a type of frame into which inlays are integrated.
  • the rotor laminations have individual punchings for both the magnets and the inlays.
  • the magnetic flux in an electric motor designed as an axial flux motor is axially directed in the air gap between the stator and rotor.
  • a laminated rotor for high speeds and frequencies is layered in the axial direction.
  • soft magnetic composite material which is also referred to as SMC material (soft magnetic components, soft magnetic compounds / soft magnetic powder) - is often used as the material for flux guide elements used because here a three-dimensional spread of the magnetic flux without significant eddy currents is possible.
  • a homogeneous SMC rotor is possible for smaller rotors as long as the mechanical load does not exceed the low strength of the SMC.
  • the SMC material usually consists of highly pure iron powder, which has a special surface coating on each individual particle. The electrically insulating surface achieved in this way ensures a high electrical resistance, which is retained even after pressing and heat treatment.
  • the invention is based on the object of providing a rotor for an electric axial flux machine, a method for setting a rotor for an electric axial flux machine and an electric axial flux machine, whereby the amount of soft magnetic composite material required can be reduced.
  • a rotor designed according to the invention for an electrical, motor-driven and / or generator-driven axial flux machine comprises a carrier, a plurality of magnet elements arranged on or on or in the carrier and extending essentially radially from the inside to the outside, as well as a plurality of on or on or flux guide elements which conduct the magnetic flux and are arranged in the carrier and arranged circumferentially between the magnetic elements.
  • the magnetic elements of the axial flux machine are designed to be magnetized in the circumferential direction and are arranged alternately one behind the other individually or in groups circumferentially with the opposite direction of magnetization.
  • a flux distribution element that distributes the magnetic flux preferably spatially distributing it, is arranged between at least one of the magnet elements and a flux guide element arranged adjacent to it in the circumferential direction.
  • the direction indication “essentially radially” is understood to mean that the magnet elements arranged in, on or on the carrier and / or the flux guide elements and / or the flux distributor elements can extend precisely radially from the inside to the outside, with the central axes of their respective longitudinal extension would also be designed to run through the central rotor axis of rotation.
  • the central axes of the magnetic elements, flux guide elements or flux distributor elements arranged in, on or on the carrier are inclined so that their central axes no longer intersect the central rotor axis, but are aligned slightly tilted and extend somewhat next to the central rotor axis of rotation.
  • a group of magnet elements comprises at least two magnet elements arranged circumferentially adjacent, each with the same circumferential magnetization direction.
  • magnetized in the circumferential direction means that the magnet elements or the groups of magnet elements are configured and distributed circumferentially such that the orientation of their magnetic field is not oriented in the axial or radial direction, but rather in the circumferential direction.
  • These directional information should be understood as rough directional information (as opposed to the axial direction as a direction in or parallel to the rotor axis of rotation and to the radial direction as a direction essentially perpendicular to the rotor axis of rotation).
  • the magnetic field emanating from the magnetic elements is determined by magnetic field vectors which are directed tangentially in their direction in the circumferential direction or which are oriented differently by a scattering area.
  • the scatter range is preferred with approx plus / minus 20 ° angular degrees indicated - particularly preferably estimated at about plus / minus 15 ° angular degrees.
  • the carrier consists, for example, of an internal hub body, whereby the magnet elements and flux guide elements are attached radially on the outside of the hub body and or, for example, are held radially on the hub body by means of a ring.
  • the carrier has a disk-shaped area or radially protruding struts or other support elements protruding radially outwards from the inside, on which or on which or between which the magnetically active components are attached (e.g. by gluing and / or a circumferential retaining ring) .
  • An axial flux machine in the sense of the invention is characterized in that the magnetic flux generated in the air gap between rotor and stator extends in the axial direction parallel to the rotor axis of rotation of the electrical machine.
  • the air gap is expanded or its plane extends in a plane that is perpendicular to the axis of rotation of the rotor.
  • the magnetic flux conducting material is preferably formed from iron powder or from a mixture with iron powder. The above-described SMC material is particularly preferably used.
  • this has an inner ring designed as a carrier hub, via which the rotor can be connected to a shaft in a rotationally fixed manner, and an outer carrier ring which delimits the rotor outward in the radial direction.
  • the carrier can have a carrier disk designed as a bottom part, via which the carrier hub and the carrier outer ring are connected to one another and which together with the radial outer ring surface of the carrier hub and the radial one Inner ring surface of the carrier outer ring forms a receiving space open in the direction of the air gap for receiving the magnetic elements and the flux guide elements of the rotor.
  • the carrier is also possible to design the carrier as a hub construction which extends as far as the inner radius of the magnetic circuit and which is equipped with attached permanent magnets and flux guide pieces. A ring band then holds the attached magnetic elements and flux guide elements in position.
  • a carrier in another embodiment, is provided without an outer ring and / or without a base part.
  • the magnet elements and the flux guide elements can be held radially inward by gluing on the carrier.
  • the magnetic elements and the flux guiding elements can also be fixed mechanically by claw elements, which are then supported by means of struts on the inner hub-like carrier body.
  • the or each flux guide distributor element has a triangular cross-section seen in a sectional plane perpendicular to the rotor axis of rotation, the flux guide distributor element with its triangular base in each case resting on an adjacent magnet element and with the two remaining leg sides with the adjacent arranged flux guide element is arranged in a magnetically conductive manner in contact.
  • each flux distribution element prefferably has the cross-section of an acute triangle (e.g. wedge-shaped) when viewed in a sectional plane perpendicular to the rotor axis, the flux distribution element with its short triangular base g on the inner surface of the carrier outer ring and with its remaining triangular legs each with one of the triangular legs on an adjacent magnetic element and with the other triangular leg rests on the flux guide element.
  • the flux distribution elements ensure a largely uniformly distributed magnetic flux density in the air gap by guiding or distributing part of the magnetic flux of the magnet elements located radially further inwards to the areas of the air gap located radially further outwards.
  • the flux guide elements can also be designed in the form of a parabola when viewed in cross section. This would be somewhat more expensive in terms of production technology, but it could also save on expensive soft magnetic composite material compared to the triangular shape.
  • the or each flux guide distributor element has a rectangular cross section, viewed perpendicular to the rotor axis of rotation, whereby the manufacture and assembly of the rotor can be further simplified.
  • the or each flow distributor element has the same axial depth over the entire radial extent. This configuration also further supports the possibility of using identical parts as well as a further simplified assembly of the rotor.
  • the invention can also be further developed in such a way that at least one of the flux distributor elements is essentially completely formed from a soft magnetic composite material or from ferrite material, as a result of which the flux guiding properties of the flux distributor element are optimized.
  • At least one of the flux guide elements is formed in the form of a package from laminated metal sheets, in particular from electrical steel sheets.
  • the metal sheets are preferably designed in such a way that the flux guide element has the same axial depth over its entire radial extension.
  • the magnet elements are designed as permanent magnets and are advantageously formed from a plurality of individual magnets electrically isolated from one another and in particular have the same axial depth over the entire radial extent. This configuration of the magnetic elements enables standardized identical parts to be used and simple assembly to be ensured.
  • the carrier has an annular carrier hub, an annular carrier disk and a carrier outer ring delimiting the carrier radially outward.
  • a ring pot-like receiving area with a pot bottom formed by the carrier disk for receiving the magnetic elements, the flux guiding elements and the flux distributor elements is formed.
  • the invention can also be implemented in an advantageous manner such that the carrier hub has a polygonal cross-sectional shape (section plane perpendicular to the rotor axis of rotation) on its radial outer ring surface and / or the outer carrier ring on its radial inner ring surface.
  • This ensures, on the one hand, an assembly aid when equipping the rotor arm and, on the other hand, ensures a high level of strength of the entire rotor with regard to acting torques.
  • the object of the invention is achieved by a method for producing a rotor constructed according to the invention, comprising the method steps: providing a carrier, providing magnetic elements and introducing the magnetic elements on or on or in the carrier; Provision of flux guide elements and introduction of the flux guide elements on or on or in the carrier; as well as providing flow distribution elements and introducing the flow distribution elements on or on or in the carrier.
  • the or elements arranged on or in the carrier are secured by a circumferential barrel ring band.
  • the object of the invention is achieved by an axial flux machine with a stator and a rotor designed according to the invention.
  • Figure 1 is an axial flow machine according to the prior art in a schematic representation in a perspective view
  • Figure 2 shows the rotor according to the invention in a possible embodiment in different views - top left in a sectional view along the section line A-A of the perspective view shown top right and below a perspective view of the rotor, this being only partially equipped with magnetic elements, flux guide elements and flux distributor elements,
  • Figure 1 shows an axial flow machine 2 according to the prior art in a schematic representation in a perspective view.
  • the axial flux machine 2 shown comprises a central stator 10 and two rotors 1 spaced apart on both sides by an air gap in each case.
  • FIG. 2 shows the rotor 1 constructed according to the invention in a possible embodiment in different views.
  • the rotor 1 is shown in a sectional view along the section line A-A of the perspective view of the completely equipped rotor 1 shown at the top right.
  • the rotor 1 is shown in a further perspective view, whereby it is only partially equipped with magnetic elements 4, flux guide elements 5 and flux distributor elements 6.
  • the rotor 1 is designed for an electric, motor-driven and / or generator-driven axial flux machine 2 and comprises a carrier 3, a plurality of magnetic elements arranged in a cup-shaped receptacle of the carrier 3 and extending radially from the inside outward 4 and a multiplicity of flux guide elements 5 arranged in the receptacle of the carrier 3, arranged circumferentially between the magnetic elements 4 and conducting the magnetic flux radial direction distributing flow distributor element 6 arranged.
  • the carrier 3 essentially comprises a centrally arranged carrier hub 7, a circumferentially arranged carrier outer ring 9 as well as one which is formed between the carrier hub 7 and the carrier outer ring 9 and forms the pot bottom of the carrier 3 Carrier disk 8. It is also shown that the flux guide elements 5 are designed as a laminated core, the laminations of the laminated core having the same depth (width in the axial direction) over their entire radial extent. In the lower illustration of FIG.
  • each of the essentially rod-shaped magnetic elements 4 (as a single rod or made up of a plurality of similar individual magnets) extending from the radially inside to the radially outwardly circumferentially on both sides with a flux distributor element 6 in a magnetically conductive manner Contact is arranged upright.
  • the flux distributor elements 6 are essentially triangular in their cross-section (viewed in a sectional plane perpendicular to the rotor axis of rotation or in the plan view of the side of the rotor 1 facing the stator 10), the acute-angled corners being cut off and having a predetermined thickness.
  • the shape of the triangle is that of an obtuse-angled and preferably isosceles triangle.
  • the flux distributor elements 6, seen in the circumferential direction, rest with their long base side g over the entire radial extent of the associated magnetic element 4 over the entire surface thereof.
  • the flux distributor elements 6 protrude into the adjacent laminated core of the respectively adjacent flux guide element 5, pointing away from the magnet element 4 arranged centrally between them in circumferentially opposite directions.
  • the flow distributor elements 6, which enclose a flux guide element 5 between them, are designed and arranged in the illustrated embodiment in such a way that the metal sheets of the laminated core of a flux guide element 5 have the same width extending tangentially to the circumferential direction from radially inside to the tip of the triangle of the flow distributor elements 6 .
  • the flow distributor elements 6 can be designed in such a way that the leg of the triangle pointing radially outward from the tip of the triangle is stepped or is replaced by a type of stepped section with at least one step. Fly through the number of sheets with different widths can be further reduced compared to the version without steps.
  • FIG. 3 shows the rotor 1 according to the invention in a second possible embodiment in different views.
  • the rotor 1 is shown fully equipped in a perspective view.
  • the rotor 1 is also shown in a perspective view, the rotor 1 being only partially equipped here with magnetic elements, flux guide elements and flux distributor elements.
  • the flux distributor elements 6 arranged between the magnet elements 4 and the flux guiding elements 5 are designed in the form of acute triangles when viewed in cross section, the acute angled corners being cut off and having a predetermined thickness.
  • the triangular shape can be that of an acute-angled, in particular, isosceles triangle (with truncated acute-angled triangular tips), with the short base side g of the flow distributor elements 6 resting against the carrier outer ring 9 from the inside and their acute-angled triangular tip formed by the two remaining leg sides b, c radially extend inward and bear against an adjacent magnetic element 4 or an adjacent flux guide element 5.
  • the flux guide elements 5 with their laminated cores are designed to be constant over their entire radial extent both in their width in the “circumferential direction” (or in their width extending tangentially to the circumferential direction) and in their axial depth (or width in the axial direction) Direction).
  • FIG. 4 shows the rotor 1 according to the invention, analogously to the representations in FIGS. 2 and 3, in a third possible embodiment in different views.
  • the rotor 1 is again shown fully equipped in a perspective view, while it is only partly equipped with magnet elements 4, flux guide elements 5 and flux distributor elements 6 in the illustration below in a perspective view.
  • Flow distribution elements 6 have a rectangular cross-sectional shape.
  • the metal sheets of the laminated cores of the flux guide elements 5 have a width that increases in the radial direction from the inside to the outside, while their axial depth is constant or the same width in the axial direction.
  • FIGS. 2-4 also have in common that the carrier hub 7 on its radial outer ring surface and / or the carrier outer ring 9 on its radial inner ring surface has / have a polygonal cross-sectional shape

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rotor (1) für eine elektrische, motorisch und/oder generatorisch betreibbare Axialfluss-Maschine (2), umfassend einen Träger (3), eine Vielzahl von an, auf oder in dem Träger (3) angeordneten, sich radial von innen nach außen erstreckenden Magnetelementen (4), wobei die Magnetelemente (4) in Umfangsrichtung magnetisiert ausgebildet und einzeln oder in Gruppen umfänglich mit entgegengesetzter Magnetisierungsrichtung abwechselnd aufeinanderfolgend angeordnet sind, und eine Vielzahl von an, auf oder in dem Träger (3) angeordneten, umfänglich zwischen den Magnetelementen (4) angeordneten, den Magnetfluss leitenden Flussleitelementen (5). Erfindungsgemäß ist zwischen zumindest einem der Magnetelemente (4) und einem zu diesem in Umfangsrichtung benachbart angeordneten Flussleitelement (5) ein den Magnetfluss verteilendes Flussverteilerelement (6) angeordnet.

Description

Rotor für eine Axialflussmaschine. Verfahren zur Herstellung eines Rotors für eine Axialflussmaschine und Axialflussmaschine
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische, motorisch und/oder generatorisch betreibbare Axialfluss-Maschine. Die Axialflussmaschine umfasst einen Träger, eine Vielzahl von an oder auf oder in dem Träger angeordneten, sich radial von innen nach außen erstreckenden Magnetelementen sowie eine Vielzahl von an oder auf oder in dem Träger angeordneten, umfänglich zwischen den Magnetelementen angeordneten, den Magnetfluss leitenden Flussleitelementen. Die Magnetelemente der Axialflussmaschine sind in Umfangsrichtung magnetisiert ausgebildet und einzeln oder in Gruppen umfänglich mit entgegengesetzter Magnetisierungsrichtung abwechselnd aufeinanderfolgend angeordnet.
Aus der DE 102013218829 A1 ist bereits ein Rotor für eine Axialflussmaschine bekannt. Bei diesem Rotor wird durch die Rotorbleche eine Art Rahmen gebildet, in welchen Inlays integriert werden. Die Rotorbleche weisen dabei einzelne Ausstanzungen sowohl für die Magnete als auch für die Inlays auf.
Weitere Aufbauten von Rotoren für Axialflussmaschinen bzw. von Axialflussmaschinen selbst sind unter anderem beschrieben durch die DE 102017 204434 A1 , die DE 102005053 119 A1 , die DE 102004038884 A1 , die DE 10 2015208 281 A1, die DE 102017127 157 A1 oder die WO 2018/015293 A1.
Der magnetische Fluss in einem als Axialflussmotor ausgebildeten Elektromotor ist im Luftspalt zwischen Stator und Rotor axial gerichtet. Ein geblechter Rotor für hohe Drehzahlen und Frequenzen ist in axialer Richtung geschichtet ausgebildet Für den axialen magnetischen Fluss wird oft weichmagnetisches Verbundmaterial - welches auch als SMC-Material (soft magnetic components, soft mafnetic compounds / soft magnetic powder) bezeichnet wird - als Material für Flussleitelemente eingesetzt, da hier eine dreidimensionale Ausbreitung des magnetischen Flusses ohne signifikante Wirbelströme möglich ist. Für kleinere Rotoren ist ein homogener SMC Rotor möglich, solange die mechanische Belastung die geringe Festigkeit des SMC nicht übersteigt. Der SMC-Werkstoff besteht in der Regel aus hoch reinem Eisenpulver, welches eine spezielle Oberflächenbeschichtung auf jedem einzelnen Partikel aufweist. Die dadurch realisierte elektrisch isolierende Oberfläche gewährleistet einen hohen elektrischen Widerstand, der auch nach einem Verpressen und einer Wärmebehandlung erhalten bleibt.
Wirbelstromverluste sind daher praktisch vernachlässigbar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Rotor für eine elektrische Axialflussmaschine, ein Verfahren zur Fierstellung eines Rotors für eine elektrische Axialflussmaschine sowie eine elektrische Axialflussmaschine bereitzustellen, wodurch die Menge des benötigten weichmagnetischen Verbundmaterials reduziert werden kann.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Rotor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, durch ein Verfahren zur Fierstellung eines Rotors mit den Merkmalen des Patentanspruchs 11 sowie durch eine Axialflussmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12.
Ein erfindungsgemäß ausgebildeter Rotor für eine elektrische, motorisch und/oder generatorisch betreibbare Axialfluss-Maschine umfasst einen Träger, eine Vielzahl von an oder auf oder in dem Träger angeordneten und sich im Wesentlichen radial von innen nach außen erstreckenden Magnetelementen sowie eine Vielzahl von an oder auf oder in dem Träger angeordneten und umfänglich zwischen den Magnetelementen angeordneten, den Magnetfluss leitenden Flussleitelementen.
Die Magnetelemente der Axialflussmaschine sind in Umfangsrichtung magnetisiert ausgebildet und einzeln oder in Gruppen umfänglich mit entgegengesetzter Magnetisierungsrichtung abwechselnd aufeinanderfolgend angeordnet. Erfindungsgemäß ist zwischen zumindest einem der Magnetelemente und einem zu diesem in Umfangsrichtung benachbart angeordneten Flussleitelement ein den Magnetfluss verteilendes, bevorzugt räumlich verteilendes, Flussverteilerelement angeordnet. Hierdurch wird der Vorteil erreicht, dass zur Bildung des Rotormagneten für eine Axialflussmaschine zum einen kostengünstiges Material für Flussleitelemente verwendet werden kann und nur an ausgewählten Stellen des Rotors ein höherwertiges und teureres Material für den Übergangsbereich zwischen Magnetelementen und Flussleiterelementen eingebracht werden muss. Durch das erfindungsgemäße Design des Rotors wird zum einen die dreidimensionale Verteilung des Magnetflusses von den Magnetelementen zum Luftspalt gewährleistet, als auch die Menge benötigten weichmagnetischen Verbundstoffmaterials reduziert.
Im Sinne der Erfindung wird unter der Richtungsangabe „im Wesentlichen radial“ verstanden, dass die in, an oder auf dem Träger angeordneten Magnetelemente und/oder die Flussleitelemente und/oder die Flussverteilerelemente sich genau radial von innen nach außen erstrecken können, wobei die Mittelachsen ihrer jeweiligen Längserstreckung auch durch die zentrale Rotordrehachse verlaufend ausgebildet wären. Mit umfasst im Sinne der Erfindung sind jedoch auch solche Anordnungen, in denen die Mittelachsen der in, an oder auf dem Träger angeordneten Magnetelemente, Flussleitelemente oder Flussverteilerelemente schräg verlaufend angeordnet sind, so dass deren Mittelachsen nicht mehr die zentrale Rotordrehachse schneiden, sondern leicht gekippt ausgerichtet sind und etwas neben der zentralen Rotordrehachse sich erstreckend verlaufen.
Eine Gruppe von Magnetelementen umfasst im Sinne der Erfindung mindestens zwei umfänglich benachbart angeordnete Magnetelemente mit jeweils gleicher umfänglicher Magnetisierungsrichtung.
In Umfangrichtung magnetisiert ausgebildet bedeutet im Sinne der Erfindung, dass die Magnetelemente oder die Gruppen von Magnetelementen derart ausgebildet und umfänglich verteilt angeordnet sind, dass die Ausrichtung ihres Magnetfeldes nicht in axialer oder radialer Richtung, sondern eben in umfänglicher Richtung ausgerichtet ist. Dabei sind diese Richtungsangaben eher als grobe Richtungsangaben (eben im Unterschied zu axialer Richtung als Richtung in bzw. parallel zur Rotordrehachse und zu radialer Richtung als Richtung im Wesentlichen senkrecht zur Rotordrehachse) zu verstehen. Das von den Magnetelementen ausgehende Magnetfeld wird durch Magnetfeldvektoren bestimmt, die in ihrer Richtung tangential in Umfangsrichtung gerichtet oder eben um einen Streubereich davon abweichend ausgerichtet sind. Der Streubereich wird bevorzugt mit zirka plus/minus 20° Winkelgrad angegeben - besonders bevorzugt mit etwa plus/minus 15° Winkelgrad veranschlagt.
Unter den obigen genannten unterschiedlichen Alternativen von „an“ oder „auf“ oder „in“ dem Träger sind folgende Ausführungen beispielhaft gemeint:
• „an“: Der Träger besteht z.B. aus einem innenliegenden Nabenkörper, wobei die Magnetelemente und Flussleitelemente radial außen auf dem Nabenkörper befestigt sind und oder z.B. mittels einem Rings radial auf den Nabenkörper gehalten werden.
• „auf“: Der Träger hat einen scheibenförmigen Bereich oder radial rausragende Streben oder andere von innen radial nach außen ragende Tragelemente, auf dem oder auf denen oder zwischen denen die magnetisch aktiven Bauteile befestigt sind (z.B. durch Kleben und/oder ein umfängliches Faßringband).
• „in“: Der Träger und die Magnetleitelemente sind ähnlich den Figuren der Ausführungsbeispiele dieser Erfindung angeordnet.
Eine Axialflussmaschine im Sinne der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der im Luftspalt zwischen Rotor und Stator erzeugte Magnetfluss sich in axialer Richtung parallel zur Rotordrehachse der elektrischen Maschine erstreckt. Mit anderen Worten erfolgt die Ausdehnung des Luftspalts bzw erstreckt sich dessen Ebene in einer Ebene die senkrecht zur Rotationsachse des Rotors ausgebildet ist. Das Magnetflussleitmaterial ist bevorzugt aus Eisenpulver oder aus einer Mischung mit Eisenpulver gebildet. Besonders bevorzugt wird das vorstehend beschriebene SMC-Material verwendet.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform des Trägers weist dieser einen als Trägernabe ausgebildeten Innenring auf, über den der Rotor drehfest mit einer Welle verbindbar ist, und einen Trägeraußenring, der den Rotor in radialer Richtung nach außen begrenzt. Der Träger kann zwischen Trägernabe und Trägeraußenring eine als Bodenteil ausgebildete Trägerscheibe aufweisen, über welche die Trägernabe und der Trägeraußenring miteinander verbunden sind und welche gemeinsam mit der radialen Außenringfläche der Trägernabe und der radialen Innenringfläche des Trägeraußenrings einen in Richtung Luftspalt offenen Aufnahmeraum für die Aufnahme der Magnetelemente und der Flussleitelemente des Rotors bildet.
Möglich ist auch eine Ausbildung des Trägers als Nabenkonstruktion, die sich bis zum Innenradius des Magnetkreises erstreckt und die mit aufgesetzten Dauermagneten und Flussleitstücken bestückt ausgebildet ist. Ein Faßringband hält dann die aufgesetzten Magnetelemente und Flussleitelemente in Position.
In einer anderen Ausführungsform eines Trägers ist ein Träger ohne Außenring vorgesehen und/oder ohne Bodenteil. Die Magnetelemente sowie die Flussleitelemente können durch eine Verklebung am Träger nach radial innen gehalten werden. Alternativ oder zusätzlich zu einer Verklebung können die Magnetelemente und die Flussleitelemente auch mechanisch durch Krallenelemente, welche dann mittels Streben am innenliegenden nabenartig ausgebildeten Trägerkörper abgestützt werden, fixiert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das beziehungsweise jedes Flussleitverteilerelement in einer Schnittebene senkrecht zur Rotordrehachse gesehen einen dreieckigen Querschnitt aufweist, wobei das Flussleitverteilerelement mit seiner Dreiecksgrundseite jeweils an einem benachbarten Magnetelement anliegt und wobei es mit den beiden verbleibenden Schenkelseiten mit dem benachbart angeordneten Flussleitelement magnetisch leitend in Kontakt stehend angeordnet ist. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass durch diese herstellungstechnisch einfach zu realisierende Geometrie eine annähernd optimale Flussverteilung zwischen Magnetelementen und Flussleitelementen gewährleistet wird.
Es kann gemäß einerweiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass das beziehungsweise jedes Flussleitverteilerelement in einer Schnittebene senkrecht zur Rotordrehachse gesehen den Querschnitt eines spitzwinkligen Dreiecks (z.B. keilförmig) aufweist, wobei das Flussleitverteilerelement mit seiner kurzen Dreiecksgrundseite g an der Innenfläche des Trägeraußenrings und mit seinen verbleibenden Dreiecksschenkeln jeweils mit einem der Dreiecksschenkel an einem benachbarten Magnetelement und mit dem anderen Dreiecksschenkel am Flussleitelement anliegt. Die Flussverteilerelemente sorgen für eine weitgehend gleichmäßig verteilte magnetische Flussdichte im Luftspalt, indem sie einen Teil des Magnetflusses der radial weiter innen liegenden Magnetelemente zu den radial weiter außen liegenden Bereichen des Luftspaltes leiten bzw. verteilen.
Alternativ zur Dreiecksform können die Flussleitelemente im Querschnitt gesehen auch in Form einer Parabel ausgebildet sein. Dies wäre herstellungstechnisch zwar etwas teurer, es könnte jedoch zusätzlich im Vergleich zur Dreieckform, teures weichmagnetisches Verbundmaterial eingespart werden.
Des Weiteren kann es gemäß einer ebenfalls vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass das beziehungsweise jedes Flussleitverteilerelement in einer Schnittebene senkrecht zur Rotordrehachse gesehen einen rechteckigen Querschnitt aufweist, wodurch die Fertigung und Montage des Rotors weiter vereinfacht werden kann.
Gemäß einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass das beziehungsweise jedes Flussverteilerelement über die gesamte radiale Erstreckung dieselbe axiale Tiefe aufweist. Auch diese Ausgestaltung unterstützt weiter die Möglichkeit der Verwendung von Gleichteilen als auch eine weiter vereinfachte Montage des Rotors.
Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass zumindest eines der Flussverteilerelemente im Wesentlichen vollständig aus einem weichmagnetischen Verbundwerkstoff oder aus Ferritmaterial gebildet ist, wodurch die Flussleiteigenschaften des Flussverteilerelements optimiert werden.
In einer ebenfalls bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann auch vorgesehen sein, dass zumindest eines der Flussleitelemente in Form eines Paketes aus laminierten Blechen gebildet ist, insbesondere aus Elektroblechen gebildet ist. Bevorzugt sind die Bleche derart ausgebildet, dass das Flussleitelement über seine gesamte radiale Erstreckung dieselbe axiale Tiefe aufweist. Hierdurch kann eine im Hinblick auf Materialkosten und Fertigung optimierte Ausgestaltung der Flussleitelemente gewährleistet werden. Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass die Magnetelemente als Permanentmagnete ausgebildet sind, und mit Vorteil aus einer Mehrzahl elektrisch gegeneinander isolierter Einzelmagnete gebildet sind und insbesondere über die gesamte radiale Erstreckung dieselbe axiale Tiefe aufweisen. Durch diese Ausgestaltung der Magnetelemente können standardisierte Gleichteile Verwendung finden und eine einfache Montage gewährleistet werden.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Trägers weist dieser eine kreisringförmig ausgebildete Trägernabe, eine kreisringförmig ausgebildete Trägerscheibe sowie einen den Träger radial nach außen begrenzenden Trägeraußenring auf. Dabei ist zwischen der Trägernabe und dem Trägeraußenring ein ringtopfartiger Aufnahmebereich mit einem durch die Trägerscheibe gebildeten Topfboden zur Aufnahme der Magnetelemente, der Flussleitelemente und der Flussverteilerelemente gebildet. Flierdurch wird erreicht, dass ein einfach zu bestückender Rotorträger mit hoher mechanischer Festigkeit bereitgestellt ist.
Schließlich kann die Erfindung auch in vorteilhafter weise dahingehend ausgeführt sein, dass die Trägernabe auf ihrer radialen Ringaußenfläche und/oder der Trägeraußenring auf seiner radialen Ringinnenfläche eine polygone Querschnittsform (Schnittebene senkrecht zur Rotordrehachse) aufweist/aufweisen. Dies gewährleistet zum einen eine Montagehilfe beim Bestücken des Rotorträgers und stellt zum anderen eine hohe Festigkeit des gesamten Rotors bezüglich wirkender Drehmomente sicher.
Darüber hinaus wird die Aufgabe der Erfindung gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäß aufgebauten Rotors, umfassend die Verfahrensschritte: Bereitstellen eines Trägers, Bereitstellen von Magnetelementen und Einbringen der Magnetelemente an oder auf oder in den Träger; Bereitstellen von Flussleitelementen und Einbringen der Flussleitelemente an oder auf oder in den Träger; sowie Bereitstellen von Flussverteilerelementen und Einbringen der Flussverteilerelemente an oder auf oder in den Träger. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden in einem weiteren Verfahrensschritt die an oder auf oder in dem Träger angeordneten Elemente durch ein umfängliches Fassringband gesichert.
Ferner wird die Aufgabe der Erfindung durch eine Axialflussmaschine mit einem Stator und einem gemäß der Erfindung ausgebildeten Rotor gelöst.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.
Es zeigen:
Figur 1 eine Axialflussmaschine gemäß dem Stand der Technik in schematischer Darstellung in einer Perspektivansicht,
Figur 2 den erfindungsgemäßen Rotor in einer möglichen Ausführungsform in unterschiedlichen Ansichten - oben links in einer Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie A-A der oben rechts dargestellten Perspektivansicht und unten eine Perspektivansicht des Rotors, wobei dieser nur teilweise mit Magnetelementen, Flussleitelementen und Flussverteilerelementen bestückt ist,
Figur 3 den erfindungsgemäßen Rotor in einer zweiten möglichen
Ausführungsform in unterschiedlichen Ansichten - oben in einer Perspektivansicht und unten in einer Perspektivansicht, wobei der Rotor nur teilweise mit Magnetelementen, Flussleitelementen und Flussverteilerelementen bestückt ist, und
Figur 4 den erfindungsgemäßen Rotor in einer dritten möglichen
Ausführungsform in unterschiedlichen Ansichten - oben in einer Perspektivansicht und unten in einer Perspektivansicht, wobei der Rotor nur teilweise mit Magnetelementen, Flussleitelementen und Flussverteilerelementen bestückt ist.
Figur 1 zeigt eine Axialflussmaschine 2 gemäß dem Stand der Technik in schematischer Darstellung in einer Perspektivansicht. Die dargestellte Axialflussmaschine 2 umfasst einen zentralen Stator 10 sowie zwei beidseitig über jeweils einen Luftspalt beabstandete Rotoren 1 .
Figur 2 zeigt den erfindungsgemäß aufgebauten Rotor 1 in einer möglichen Ausführungsform in unterschiedlichen Ansichten. Oben links ist der Rotor 1 in einer Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie A-A der oben rechts dargestellten Perspektivansicht des vollständig bestückten Rotors 1 gezeigt. Unten ist der Rotor 1 in einerweiteren Perspektivansicht dargestellt, wobei er nur teilweise mit Magnetelementen 4, Flussleitelementen 5 und Flussverteilerelementen 6 bestückt ist.
Der Rotor 1 ist in allen dargestellten Ausführungsformen ausgebildet für eine elektrische, motorisch und/oder generatorisch betreibbare Axialfluss-Maschine 2 und umfasst einen Träger 3, eine Vielzahl von in einer topfartig ausgebildeten Aufnahme des Trägers 3 angeordneten und sich radial von innen nach außen erstreckenden Magnetelementen 4 sowie eine Vielzahl von in der Aufnahme des Trägers 3 angeordneten, umfänglich zwischen den Magnetelementen 4 angeordneten und den Magnetfluss leitenden Flussleitelementen 5. Ferner ist zwischen jedem der Magnetelemente 4 und einem in Umfangsrichtung benachbart dazu angeordneten Flussleitelement 5 jeweils ein den Magnetfluss räumlich und insbesondere in radialer Richtung verteilendes Flussverteilerelement 6 angeordnet.
In der Schnittdarstellung oben links in Figur 2 ist gut der Aufbau des Trägers 3 mit seiner topfartigen Aufnahme zur Aufnahme der Magnetelemente 4, der Flussleitelemente 5 und der Flussverteilerelemente 6 zu erkennen. Der Träger 3 umfasst im Wesentlichen eine zentral angeordnete Trägernabe 7, einen umfänglich angeordneten Trägeraußenring 9 sowie eine zwischen der Trägernabe 7 und dem Trägeraußenring 9 ausgebildete, den Topfboden des Trägers 3 bildende Trägerscheibe 8. Auch ist gezeigt, dass die Flussleitelemente 5 als Blechpaket ausgebildet sind, wobei die Bleche des Blechpakets über ihre gesamte radiale Erstreckung die gleiche Tiefe (Breite in axialer Richtung) aufweisen. In der unteren Darstellung der Figur 2 ist darüber hinaus gut erkennbar dass jedes der im Wesentlichen stabförmig ausgebildeten und sich von radial innen nach radial außen erstreckenden Magnetelemente 4 (als Einzelstab oder aufgebaut aus einer Mehrzahl gleichartiger Einzelmagnete) umfänglich beidseitig mit einem Flussverteilerelement 6 in magnetisch leitendem Kontakt stehend angeordnet ist.
Dabei sind die Flussverteilerelemente 6 in ihrem Querschnitt (in einer Schnittebene senkrecht zur Rotordrehachse bzw. in der Draufsicht auf die dem Stator 10 zugekehrte Seite des Rotors 1 gesehen) im Wesentlichen dreieckig ausgebildet, wobei die spitzwinklig ausgebildeten Ecken abgeschnitten sind und eine vorbestimmte Dicke aufweisen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Form des Dreiecks die eines stumpfwinkligen und bevorzugt gleichschenklig ausgebildeten Dreiecks. Die Flussverteilerelemente 6 liegen im Umfangsrichtung gesehen mit ihrer langen Grundseite g über die gesamte radiale Erstreckung des zugehörigen Magnetelements 4 an diesem vollflächig an. Mit ihrer durch die beiden verbleibenden Schenkelseiten b, c ausgebildeten Dreiecksspitze ragen die Flussverteilerelemente 6, vom zentral zwischen ihnen angeordneten Magnetelement 4 in umfänglich entgegengesetzte Richtungen wegweisend, in das benachbarte Blechpaket des jeweils benachbarten Flussleitelements 5 hinein. Die Flussverteilerelemente 6, die ein Flussleitelement 5 zwischen sich einschließen, sind in der dargestellten Ausführungsform derart ausgebildet und angeordnet, dass die Bleche des Blechpakets eines Flussleitelements 5 von radial innen bis zur Spitze des Dreiecks der Flussverteilerelemente 6 eine sich tangential zur Umfangsrichtung erstreckende gleiche Breite aufweisen. Die ab der Dreiecksspitze weiter radial nach Außen angeordneten Bleche werden immer breiter.
In einer nicht dargestellten Weiterbildung dieser Ausführungsform können die Flussverteilerelemente 6 derart ausgebildet sein, dass der von der Dreiecksspitze radial nach Außen weisende Schenkel des Dreiecks abgestuft ausgebildet ist bzw. durch eine Art Treppenabschnitt mit mindestens einer Stufe ersetzt wird. Flierdurch kann die Anzahl von Blechen mit unterschiedlicher Breite, im Vergleich zur Ausführung ohne Stufen, weiter reduziert werden.
Figur 3 zeigt den erfindungsgemäßen Rotor 1 in einer zweiten möglichen Ausführungsform in unterschiedlichen Ansichten. In der Ansicht oben ist der Rotor 1 vollständig bestückt in einer Perspektivansicht dargestellt. In der Ansicht unten ist der Rotor 1 ebenfalls in einer Perspektivansicht gezeigt, wobei der Rotor 1 hier nur teilweise mit Magnetelementen, Flussleitelementen und Flussverteilerelementen bestückt ist.
Im Unterschied zur Ausführungsform gemäß Figur 2 sind die zwischen den Magnetelementen 4 und den Flussleitelementen 5 angeordneten Flussverteilerelemente 6 in Form von im Querschnitt gesehen spitzwinkligen Dreiecken ausgebildet, wobei die spitzwinklig ausgebildeten Ecken abgeschnitten sind und eine vorbestimmte Dicke aufweisen. Die Dreiecksform kann die eines spitzwinkligen insbesondere gleichschenkligen Dreiecks (mit abgeschnittenen spitzwinkligen Dreiecksspitzen) sein, wobei die Flussverteilerelemente 6 mit ihrer kurzen Grundseite g von innen gegen den Trägeraußenring 9 anliegen und sich mit ihrer spitzwinklig ausgebildeten durch die beiden verbleibenden Schenkelseiten b, c gebildeten Dreiecksspitze radial nach innen erstrecken und gegen ein benachbartes Magnetelement 4 bzw. ein benachbartes Flussleitelement 5 anliegen. Gemäß der dargestellten Ausführungsform sind die Flussleitelemente 5 mit ihren Blechpaketen sowohl in ihrer Breite in „Umfangsrichtung“ (bzw. in ihrer tangential zur Umfangsrichtung sich erstreckenden Breite) über ihre gesamte radiale Erstreckung konstant ausgebildet als auch in ihrer axialen Tiefe (bzw. Breite in axialer Richtung).
Figur 4 zeigt den erfindungsgemäßen Rotor 1 , analog zu den Darstellungen in den Figuren 2 und 3, in einer dritten möglichen Ausführungsform in unterschiedlichen Ansichten. In der oberen Darstellung ist der Rotor 1 wieder in einer Perspektivansicht vollständig bestückt dargestellt, während er in der Darstellung unten in einer Perspektivansicht nur teilweise mit Magnetelementen 4, Flussleitelementen 5 und Flussverteilerelementen 6 bestückt ist.
Im Unterschied zu den Ausführungsformen gemäß Figur 2 und Figur 3 weisen die zwischen den Magnetelementen 4 und den Flussleitelementen 5 angeordneten Flussverteilerelemente 6 eine rechteckige Querschnittform auf. Gemäß der dargestellten Ausführungsform weisen die Bleche der Blechpakete der Flussleitelemente 5 eine in radialer Richtung von innen nach außen größer werdende Breite auf, während sie in ihrer axialen Tiefe konstant bzw. mit gleicher Breite in axialer Richtung ausgebildet sind.
Allen Ausführungsformen der Figuren 2-4 ist ferner gemein, dass die Trägernabe 7 auf ihrer radialen Ringaußenfläche und/oder der Trägeraußenring 9 auf seiner radialen Ringinnenfläche eine polygone Querschnittsform aufweist/aufweisen
Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung 'erste' und 'zweite' Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.
Bezuqszeichenliste
1 Rotor
2 Axialfluss-Maschine 3 Träger
4 Magnetelement
5 Flussleitelement
6 Flussverteilerelement
7 Trägernabe 8 Trägerscheibe
9 Trägeraußenring g Grundseite Dreieck (des im Querschnitt dreieckig ausgebildeten Flussverteilerelements) a, b Schenkelseite Dreieck (des im Querschnitt dreieckig ausgebildeten Flussverteilerelements)
X Rotordrehachse

Claims

Patentansprüche
1. Rotor (1 ) für eine elektrische, motorisch und/oder generatorisch betreibbare Axialfluss-Maschine (2), umfassend
- einen Träger (3),
- eine Vielzahl von an, auf oder in dem Träger (3) angeordneten, sich im Wesentlichen radial von innen nach außen erstreckenden Magnetelementen (4), wobei die Magnetelemente (4) in Umfangsrichtung magnetisiert ausgebildet und einzeln oder in Gruppen umfänglich mit entgegengesetzter Magnetisierungsrichtung abwechselnd aufeinanderfolgend angeordnet sind,
- und eine Vielzahl von an, auf oder in dem Träger (3) angeordneten, umfänglich zwischen den Magnetelementen (4) angeordneten, den Magnetfluss leitenden Flussleitelementen (5), dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zumindest einem der Magnetelemente (4) und einem zu diesem in Umfangsrichtung benachbart angeordneten Flussleitelement (5) ein den Magnetfluss verteilendes Flussverteilerelement (6) mit weichmagnetischem Verbundmaterial angeordnet ist.
2. Rotor (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das beziehungsweise jedes Flussleitverteilerelement (6) in einer Schnittebene senkrecht zur Rotordrehachse gesehen einen dreieckigen Querschnitt aufweist, wobei das Dreieck mit seiner Grundseite (g) jeweils an einem benachbarten Magnetelement (4) anliegt und wobei es mit den beiden verbleibenden Schenkelseiten (b, c) mit dem benachbart angeordneten Flussleitelement (5) in Kontakt ist.
3. Rotor (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das beziehungsweise jedes Flussleitverteilerelement (6) in einer Schnittebene senkrecht zur Rotordrehachse (X) gesehen einen dreieckigen Querschnitt aufweist, wobei das Dreieck mit seiner kurzen Grundseite (g) an einem Trägeraußenring (9) des Trägers (3) anliegt, wobei es mit der einen verbleibenden Schenkelseite (b) an einem Magnetelement (4) anliegt und wobei es mit der anderen verbleibenden Schenkelseite (c) am benachbart angeordneten Flussleitelement (5) anliegt.
4. Rotor (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das beziehungsweise jede, Flussleitverteilelement (6) in einer Schnittebene senkrecht zur Rotordrehachse (X) gesehen einen rechteckigen Querschnitt aufweist.
5. Rotor (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das beziehungsweise jedes Flussverteilerelement (6) über die gesamte radiale Erstreckung dieselbe axiale Tiefe aufweist.
6. Rotor (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Flussverteilerelemente (6) aus weichmagnetischem Verbundmaterial oder aus Ferritmaterial gebildet ist.
7. Rotor (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eines der Flussleitelemente (5) in Form von laminierten Blechen ausgebildet ist, insbesondere aus Elektroblech gebildet ist, und mit Vorteil über die gesamte radiale Erstreckung dieselbe axiale Tiefe aufweist.
8. Rotor (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetelemente (4) als Permanentmagnete ausgebildet sind, und mit Vorteil aus einer Mehrzahl elektrisch gegeneinander isolierter Einzelmagnete gebildet sind und insbesondere über die gesamte radiale Erstreckung dieselbe axiale Tiefe aufweisen.
9. Rotor (1 ) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (3) eine kreisringförmig ausgebildete Trägernabe (7), eine kreisringförmig ausgebildete Trägerscheibe (8) sowie einen den Träger (3) radial nach außen begrenzenden Trägeraußenring (9) aufweist, wobei zwischen der Trägernabe (7) und dem Trägeraußenring (9) ein ringtopfartiger Aufnahmebereich mit einem durch die Trägerscheibe (8) gebildeten Topfboden zur Aufnahme der Magnetelemente (4), der Flussleitelemente (5) und der Flussverteilerelemente (6) gebildet ist.
10. Rotor (1 ) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägernabe (7) auf ihrer radialen Ringaußenfläche und/oder der Trägeraußenring (9) auf seiner radialen Ringinnenfläche eine polygone Querschnittsform aufweist/aufweisen.
11. Verfahren zur Fierstellung eines Rotors (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassen die folgenden Verfahrensschritte:
- Bereitstellen eines Trägers (3),
- Bereitstellen von Magnetelementen (4) und Einbringen der Magnetelemente
(4) an, auf oder in den Träger (3),
- Bereitstellen von Flussleitelementen (5) und Einbringen der Flussleitelemente
(5) an, auf oder in den Träger (3),
- Bereitstellen von Flussverteilerelementen (6) und Einbringen der Flussverteilerelemente (6) an, auf oder in den Träger (3).
12. Axialflussmaschine (2), dadurch gekennzeichnet, dass die Axialflussmaschine (2) Stator (10) sowie einen gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 1-10 ausgebildeten Rotor (1) aufweist.
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