WO2023285213A1 - Rotor for an electric machine - Google Patents

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WO2023285213A1
WO2023285213A1 PCT/EP2022/068629 EP2022068629W WO2023285213A1 WO 2023285213 A1 WO2023285213 A1 WO 2023285213A1 EP 2022068629 W EP2022068629 W EP 2022068629W WO 2023285213 A1 WO2023285213 A1 WO 2023285213A1
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WO
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rotor
fiber
reinforced plastic
plastic matrix
bearing
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PCT/EP2022/068629
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Inventor
Stephan Gaertner
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K7/00—Arrangements for handling mechanical energy structurally associated with dynamo-electric machines, e.g. structural association with mechanical driving motors or auxiliary dynamo-electric machines
    • H02K7/003—Couplings; Details of shafts

Definitions

  • the invention relates to a rotor for an electrical machine with a magnet section which is arranged in an axial direction between two shaft sections.
  • a turbomachine for an energy converter with a compressor for compressing air to be supplied to the energy converter is known, with a housing and with a rotor which can rotate about an axis of rotation relative to the housing.
  • the object of the invention is to improve a rotor for an electrical machine with a magnet section, which is arranged in an axial direction between two shaft sections, functionally and/or in terms of production technology.
  • the object is achieved in a rotor for an electrical machine with a magnet section that is arranged in an axial direction between two shaft sections, in that the magnet section has a fiber-reinforced plastic matrix that surrounds a magnet device.
  • the fiber-reinforced plastic matrix is arranged radially on the outside in the magnet section.
  • the term axial refers to an axis of rotation of the rotor.
  • Axial means towards or parallel to the axis of rotation of the rotor.
  • Analog means radially across the Axis of rotation of the rotor.
  • the magnetic device is arranged radially inside the fiber-reinforced plastic matrix.
  • the electrical machine is, for example, a permanently excited synchronous machine.
  • the electrical machine is preferably integrated into a turbomachine, in particular into an electrically driven air compressor.
  • the turbomachine or the air compressor is advantageously used in a fuel cell system to provide compressed air.
  • the rotor reaches very high speeds, in particular speeds of more than fifty thousand revolutions per minute to well over one hundred thousand revolutions per minute.
  • metals or alloys, which are used to produce conventional rotors are replaced by the fiber-reinforced plastic matrix.
  • the fiber-reinforced plastic matrix can only extend in axial length over a particularly critical area, in particular only over the magnet section. However, the fiber-reinforced plastic matrix can also extend in the axial direction over the magnet section and the two shaft sections.
  • the fiber-reinforced plastic matrix can also extend over the entire length of the rotor.
  • the rotor with the magnet section and the two shaft sections can also be referred to as a rotor shaft.
  • the fiber-reinforced plastic matrix is particularly advantageously formed entirely or partially from electrically non-conductive materials. Among other things, this provides the advantage that the fiber-reinforced plastic matrix in the magnet section does not represent a conductive structure. As a result, inductive currents, which are associated with heat input into the rotor, can be prevented during operation of an electrical machine equipped with the rotor.
  • High-strength fiber materials are advantageously used to produce the fiber-reinforced plastic matrix.
  • a minimum wall thickness of the material surrounding the magnet device can be minimized in the magnet section.
  • a continuous fiber construction over the magnet section and the shaft sections, in particular over the entire axial length of the rotor, also makes it possible to eliminate joints between separate components that would otherwise be required to form the rotor. This makes it possible to produce a highly integrated rotor in a simple manner.
  • a preferred exemplary embodiment of the rotor is characterized in that the magnet device in the magnet section is integrated into a central shaft body and is surrounded radially on the outside by the fiber-reinforced plastic matrix.
  • the central shaft body is preferably connected in one piece to the shaft section.
  • the magnetic device is preferably arranged radially between the central shaft body and the fiber-reinforced plastic matrix.
  • the fiber-reinforced plastic matrix strengthens the rotor.
  • the magnetic device is stably fixed in the rotor by the fiber-reinforced plastic matrix.
  • a further preferred exemplary embodiment of the rotor is characterized in that a metal sleeve is arranged between the magnet device and the fiber-reinforced plastic matrix.
  • the metal sleeve surrounds the magnet device and can be designed in the same way or something similar to that of conventional rotors.
  • the fibre-reinforced plastic matrix effectively increases the stability of the rotor. Therefore, the metal sleeve can be designed with a lower wall thickness than in conventional rotors.
  • a further preferred exemplary embodiment of the rotor is characterized in that the fiber-reinforced plastic matrix extends in the axial direction over the shaft sections and the magnet section arranged between them.
  • the magnet section is connected to the shaft sections in a highly stable manner in a simple manner.
  • this provides the advantage that the rotor with the fiber-reinforced plastic matrix can be designed as a hollow shaft. This effectively reduces the rotating mass of the rotor.
  • a further preferred exemplary embodiment of the rotor is characterized in that the fiber-reinforced plastic matrix comprises at least one bearing section for representing a radial bearing.
  • the radial bearing is preferably an air bearing.
  • Two radial bearings and at least one axial bearing are advantageously used to mount the rotor. In operation, air bearings must reach a specified bearing load capacity before they work advantageously wear-free. At least one wear-reducing layer is therefore required at the bearing points.
  • Another preferred exemplary embodiment of the rotor is characterized in that the fiber-reinforced plastic matrix is surrounded by a bearing sleeve in the bearing section. Due to the bearing sleeve, which is preferably formed from a metallic material, the wear-minimizing layer on or on the fiber-reinforced plastic matrix can be omitted. If necessary, the wear-reducing layer is simply applied to the bearing sleeve.
  • the fiber-reinforced plastic matrix in the bearing section has such a reduced bearing diameter that the rotor in the bearing section with the bearing sleeve has the same diameter as the fiber-reinforced plastic matrix in the bearing section of adjacent rotor sections.
  • the fiber-reinforced plastic matrix preferably has a substantially constant thickness.
  • the transitions between the bearing section and the adjacent rotor sections are advantageously designed in such a way that the fibers also ensure optimal reinforcement in the fiber-reinforced plastic matrix in the transition areas.
  • the claimed design makes it possible in a simple manner to have an offset-free, continuous outside diameter of the rotor. This simplifies the manufacture of the rotor and the tools required for it. In addition, it simplifies the integration of the rotor into the electrical machine, in particular into a turbomachine or an air compressor in a fuel cell system.
  • the rotor advantageously comprises two radial bearings designed as air bearings, which preferably have the same diameter due to the claimed design with two bearing sleeves.
  • the fiber-reinforced plastic matrix at least one Bearing section includes to represent a thrust bearing.
  • the thrust bearing is advantageously designed as a two-sided or two-sided thrust bearing with a flange area that is shown with the fiber-reinforced plastic matrix. This further increases the functionality of the rotor.
  • a further preferred exemplary embodiment of the rotor is characterized in that the fiber-reinforced plastic matrix comprises at least one end section for connecting an impeller.
  • the impeller is, for example, a compressor wheel or a turbine wheel.
  • the functionality of the rotor is further increased by integrating an interface for connecting the impeller into the fiber-reinforced plastic matrix.
  • the fiber-reinforced plastic matrix has a radial cross-sectional change that serves to create a mold parting plane. This considerably simplifies demolding of the rotor. In addition, the tool costs of tools for manufacturing the rotor can be significantly reduced.
  • the radial change in cross-section includes, for example, an annular bead or a circumferential step on an outer circumference of the rotor.
  • the invention also relates to a method for producing a rotor as described above.
  • Long fibers are advantageously embedded in the plastic matrix for reinforcement.
  • the long fibers are, for example, carbon fibers or glass fibers.
  • the long fibers can also be formed from an aramid material.
  • the long fibers can be arranged radially, axially and/or in any angular position relative to an axis of rotation of the rotor.
  • the claimed manufacturing process includes fiber knitting processes and RTM processes, where the capital letters RTM stand for the English terms Resin Transfer Moulding.
  • a homogeneous distribution of mass in the fiber-reinforced plastic matrix can be realized with this production method, as a result of which undesired imbalances in the operation of an electrical machine equipped with the claimed rotor are avoided.
  • the invention may also relate to an individual part for a rotor as described above, in particular for the production of a rotor as described above. Such items can be traded separately.
  • the invention may also relate to an air compressor driven by an electric motor with a rotor as described above for use in a fuel cell system.
  • FIG. 1 shows an electrical machine with a three-part rotor shaft in longitudinal section
  • FIGS. 2 to 8 different exemplary embodiments of a rotor for the electrical machine shown in FIG. 1 with a fiber-reinforced plastic matrix.
  • FIG. 1 shows an electrically driven turbomachine 1 with a compressor wheel 2 and a turbine wheel 4 in longitudinal section.
  • the compressor wheel 2 is arranged on a compressor side 3 of the turbomachine 1 .
  • the turbine wheel 4 is arranged on a turbine side 5 of the turbomachine 1 .
  • the turbine wheel 4 is drivingly connected to the compressor wheel 2 .
  • the two wheels 2 and 4 belong to a rotor 6.
  • the rotor 6 includes a motor shaft 7.
  • the motor shaft 7 is designed as a hollow shaft and can be rotated about an axis of rotation 8.
  • the turbomachine 1 includes an electric machine 9 for the electric drive.
  • the electric machine 9 is designed as an electric motor with a motor housing 10 and a motor winding 11 .
  • a magnet 12 designed as a permanent magnet is arranged in the motor shaft 7 designed as a hollow shaft.
  • the compressor wheel 2 of the turbomachine 1 is driven on the one hand via the turbine wheel 4 .
  • the compressor wheel 2 is driven by the electric motor 9 .
  • the running gear 6 with the motor shaft 7 is rotatably mounted in the motor housing 10 of the electric machine 9 with the aid of two radial bearings 13 , 14 .
  • the radial bearings 13, 14 are advantageously designed as foil air bearings.
  • Compressor volute casing 15 includes a compressor inlet 16, via which air to be compressed is supplied to turbomachine 1.
  • a turbine volute 17 is attached to the motor housing 10.
  • the turbine volute 17 includes a turbine outlet 18 through which the expanded air exits. The energy generated when the air expands is used to drive the compressor wheel 2 .
  • the motor shaft 7 can also be referred to as a rotor shaft because it is used to represent a rotor 19 in the electrical machine 9 .
  • the rotor 19 includes a magnet section 20 in which the magnet 12 is arranged. Two shaft sections 21, 22 are fastened to the opposite ends of the magnet section 20. The magnet 12 is surrounded by a bandage 23 in the magnet section 20 .
  • FIGS 2 to 8 are exemplary embodiments of a rotor 41; 42; 43; 64; 65; 66; 67 each shown in longitudinal section.
  • the rotor 41; 42; 43; 64; 65; 66; 67 advantageously replaces the rotor 19 shown in Figure 1 in the electrical machine 9.
  • All embodiments of the rotor 41; 42; 43; 64; 65; 66; 67 has in common that they comprise a fiber-reinforced plastic matrix 47 .
  • the rotor 41; 42; 43; 64; 65; 66; 67 is designed to be rotationally symmetrical with respect to an axis of rotation 44 .
  • the rotor 41; 42; 43; 64; 65; 66; 67 includes a base body 45, which essentially has the shape of a straight circular cylinder shell.
  • a basic structure of the rotor 41; 42 is shown in Figures 2 and 3.
  • a magnet device 46 is arranged in a magnet section 20 .
  • the magnet device 46 comprises at least one permanent magnet.
  • the magnet section 20 is in the axial direction between two shaft sections 21, 22 of the rotor 41; 42 arranged.
  • the term axial refers to an axis of rotation 44 of the rotor 41; 42
  • the complete outer shell of the rotor 41 shown in FIG. 2 consists of a fiber-plastic matrix 47 that is continuous in the axial direction. Long fibers are preferably used for reinforcement. However, short fibers can also be used in the fiber-reinforced plastic matrix 47 .
  • the magnetic device 46 is completely enclosed by the fiber-reinforced plastic matrix 47 and is thus protected against being thrown out.
  • the rotor 41 includes two bearing sections 51, 52, which serve to represent two radial bearings.
  • a bearing section 53 is used to represent an axial bearing. All three bearing sections 51 to 53 are integrated into the fiber-reinforced plastic matrix 47 . Post-processing of the bearing sections 51 to 53 is advantageously not necessary.
  • the bearing sections 51 to 53 are advantageously also formed during the manufacture of the rotor 41 .
  • the fiber-reinforced plastic matrix 47 has the shape of straight circular cylinder jackets.
  • a bearing flange 54 is formed in the bearing section 53 with the fiber-reinforced plastic matrix 47 .
  • the Bearing flange 54 serves to represent a double-sided or double-sided axial bearing for the rotor 41.
  • End sections 55 and 56 of the rotor 41 are designed particularly advantageously with regard to the connection of impellers, in particular a compressor wheel and a turbine wheel.
  • two section lines 57, 58 indicate that the rotor 41 can also be designed without the end sections and the bearing section to represent the axial bearing.
  • the rotor 42 in FIG. 3 comprises only the two bearing sections 51, 52 in the shaft sections 21, 22, between which the magnet section 20 is arranged.
  • the opposite ends of the rotor 42 are shown cut away. Shaft ends that are not shown can be fastened there.
  • the shaft ends are fastened, for example, in a materially bonded manner, in particular by gluing.
  • the magnet device 46 can alternatively or additionally also include an outer magnet device 49 .
  • the outer magnet device 49 is integrated, for example, in a central shaft body 48 which is arranged together with the outer magnet device 49 inside the fiber-reinforced plastic matrix 47 .
  • dashed lines indicate that the magnet device 46 can also be surrounded by a metal sleeve 59 .
  • the metal sleeve 59 is in turn surrounded by the fiber-reinforced plastic matrix 47 in the magnet section 20 .
  • the fiber-reinforced plastic matrix 47 extends continuously in the axial direction between the shaft section 21 and the end section 56. However, the rotor 43 does not have a constant diameter in the axial direction.
  • the fiber-reinforced plastic matrix 47 has a smaller diameter than in that Magnet section 20 and in the rotor sections or shaft sections 21, 22 which are adjacent to the bearing sections 51, 52.
  • the fiber-reinforced plastic matrix 47 is combined with bearing sleeves 61, 62 in the bearing sections 51, 52.
  • the bearing sleeves 61, 62 are advantageously formed from a metal and replace an otherwise required coating of the fiber-reinforced plastic matrix 47 in the bearing sections 51, 52.
  • the bearing sleeves 61, 62 are advantageously provided with a wear-minimizing coating.
  • the fiber-reinforced plastic matrix 47 is embedded in the bearing sleeves 61, 62, so to speak.
  • the fiber-reinforced plastic matrix 47 has a smaller diameter than in the magnet section 20 and than in the shaft sections 21, 22. This advantageously means that the fiber-reinforced plastic matrix 47 in the magnet section 20 and in the shaft sections 21, 22 has the same outer diameter as the bearing sleeves 61, 62.
  • a preferably continuous fiber flow in the fiber-reinforced plastic matrix 47 is ensured in the transition areas.
  • an offset-free, continuous outer diameter of the rotor 43 is also made possible in the bearing sections 51, 52 with the bearing sleeves 61, 62.
  • the bearing sleeves 61, 62 advantageously have the same outside diameter.
  • FIG. 5 and 6 are two embodiments of the rotor 64; 65, which serve to create a zone free of parting seams in the area of the air bearings in the circumferential direction.
  • the fiber-reinforced plastic matrix 47 is hardened under vacuum during production, for example in multi-part tools. Seams are inevitable when demolding.
  • a tool parting plane can be arranged radially by means of a targeted radial change in cross section 68 . This creates a separating seam in the circumferential direction of the rotor 64; 65
  • the radial change in cross section 68 includes an annular bead 69 on the outer circumference of the fiber-reinforced plastic matrix 47. Radially on the inside, the rotor 64 has a constant inner diameter 73.
  • the radial cross-sectional change 68 includes a step 70 on an outer circumference of the fiber-reinforced plastic matrix 47.
  • Tool bodies 71, 72 are indicated radially on the inside. The tool body 71 has a larger outside diameter than the tool body 72. This means that the fiber-reinforced plastic matrix 47 in FIG. 6 on the left has an inside diameter 74 that is larger than an inside diameter 75 on the right in FIG.
  • the fiber reinforced plastic matrix 47 is reinforced with non-conductive reinforcing fibers 77 in the magnet section 20 .
  • the non-conductive reinforcing fibers 77 are glass fibers, for example.
  • the laying direction of the non-conductive reinforcing fibers 77 runs in FIG. 7 in only one diagonal direction.
  • the fiber-reinforced plastic matrix 47 of the rotor 66 also includes conductive reinforcement fibers 76 in addition to the non-conductive reinforcement fibers 77.
  • the conductive reinforcement fibers 76 are arranged perpendicular to the non-conductive reinforcement fibers 77.
  • the conductive reinforcing fibers 76 are carbon fibers, for example, which have a higher strength than the glass fibers. However, the resulting heat input in the rotor 66 is tolerable, since the induction in the shaft sections 21, 22 is significantly weaker than in the magnet section 20.
  • the fiber-reinforced plastic matrix 47 includes unidirectional conductive reinforcement fibers 79.
  • the conductive reinforcement fibers 79 are, for example, carbon fibers, which are also referred to as carbon fibers for short.
  • the fiber-reinforced plastic matrix 47 includes diagonally arranged non-conductive reinforcing fibers 78.
  • the conductive reinforcing fibers 79 provide high longitudinal strength and high rigidity of the rotor 67 .
  • the carbon fibers 79 are advantageously integrated into the fiber-reinforced plastic matrix 47 as open conductors.

Abstract

The invention relates to a rotor (19) for an electric machine (9), having a magnet portion (20) which is arranged in an axial direction between two shaft sections (21, 22). In order to improve the rotor (19) in terms of its functionality and/or its production method, the magnet portion (20) has a fiber-reinforced plastic matrix which surrounds a magnet device.

Description

Beschreibung description
Titel title
Rotor für eine elektrische Maschine Rotor for an electric machine
Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine mit einem Magnetabschnitt, der in einer axialen Richtung zwischen zwei Wellenabschnitten angeordnet ist. The invention relates to a rotor for an electrical machine with a magnet section which is arranged in an axial direction between two shaft sections.
Stand der Technik State of the art
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 102015016607 Al ist eine Strömungsmaschine für einen Energiewandler mit einem Verdichter zum Verdichten von dem Energiewandler zuzuführender Luft bekannt, mit einem Gehäuse und mit einem um eine Drehachse relativ zum Gehäuse drehbaren Rotor. From the German patent application DE 102015016607 A1, a turbomachine for an energy converter with a compressor for compressing air to be supplied to the energy converter is known, with a housing and with a rotor which can rotate about an axis of rotation relative to the housing.
Offenbarung der Erfindung Disclosure of Invention
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Rotor für eine elektrische Maschine mit einem Magnetabschnitt, der in einer axialen Richtung zwischen zwei Wellenabschnitten angeordnet ist, funktionell und/oder herstellungstechnisch zu verbessern. The object of the invention is to improve a rotor for an electrical machine with a magnet section, which is arranged in an axial direction between two shaft sections, functionally and/or in terms of production technology.
Die Aufgabe ist bei einem Rotor für eine elektrische Maschine mit einem Magnetabschnitt, der in einer axialen Richtung zwischen zwei Wellenabschnitten angeordnet ist, dadurch gelöst, dass der Magnetabschnitt eine faserverstärkte Kunststoffmatrix aufweist, die eine Magneteinrichtung umgibt. Die faserverstärkte Kunststoffmatrix ist in dem Magnetabschnitt radial außen angeordnet. Der Begriff axial bezieht sich auf eine Drehachse des Rotors. Axial bedeutet in Richtung oder parallel zur Drehachse des Rotors. Analog bedeutet radial quer zur Drehachse des Rotors. Die Magneteinrichtung ist radial innerhalb der faserverstärkten Kunststoffmatrix angeordnet. Bei der elektrischen Maschine handelt es sich zum Beispiel um eine permanent erregte Synchronmaschine. Die elektrische Maschine ist vorzugsweise in eine Strömungsmaschine, insbesondere in einen elektrisch angetriebenen Luftverdichter, integriert. Die Strömungsmaschine beziehungsweise der Luftverdichter dient vorteilhaft in einem Brennstoffzellensystem zum Bereitstellen von verdichteter Luft. Der Rotor erreicht im Betrieb sehr hohe Drehzahlen, insbesondere Drehzahlen von über fünfzigtausend Umdrehungen pro Minute bis weit über einhunderttausend Umdrehungen pro Minute. Gemäß einem wesentlichen Aspekt der Erfindung werden Metalle beziehungsweise Legierungen, die zur Darstellung herkömmlicher Rotoren verwendet werden, durch die faserverstärkte Kunststoffmatrix ersetzt. Die faserverstärkte Kunststoff matrix kann sich in axialer Länge nur über einen besonders kritischen Bereich erstrecken, insbesondere nur über den Magnetabschnitt. Die faserverstärkte Kunststoff matrix kann sich aber auch in axialer Richtung über den Magnetabschnitt und die beiden Wellenabschnitte erstrecken. Die faserverstärkte Kunststoff matrix kann sich aber auch über die komplette Länge des Rotors erstrecken. Der Rotor mit dem Magnetabschnitt und den beiden Wellenabschnitten kann auch als Rotorwelle bezeichnet werden. Die faserverstärkte Kunststoff matrix ist besonders vorteilhaft ganz oder teilweise aus elektrisch nicht leitenden Materialien gebildet. Das liefert unter anderem den Vorteil, dass die faserverstärkte Kunststoff matrix in dem Magnetabschnitt kein leitendes Konstrukt darstellt. Dadurch können induktive Ströme, die mit einem Wärmeeintrag in den Rotor verbunden sind, im Betrieb einer mit dem Rotor ausgestatteten elektrischen Maschine verhindert werden.The object is achieved in a rotor for an electrical machine with a magnet section that is arranged in an axial direction between two shaft sections, in that the magnet section has a fiber-reinforced plastic matrix that surrounds a magnet device. The fiber-reinforced plastic matrix is arranged radially on the outside in the magnet section. The term axial refers to an axis of rotation of the rotor. Axial means towards or parallel to the axis of rotation of the rotor. Analog means radially across the Axis of rotation of the rotor. The magnetic device is arranged radially inside the fiber-reinforced plastic matrix. The electrical machine is, for example, a permanently excited synchronous machine. The electrical machine is preferably integrated into a turbomachine, in particular into an electrically driven air compressor. The turbomachine or the air compressor is advantageously used in a fuel cell system to provide compressed air. During operation, the rotor reaches very high speeds, in particular speeds of more than fifty thousand revolutions per minute to well over one hundred thousand revolutions per minute. According to an essential aspect of the invention, metals or alloys, which are used to produce conventional rotors, are replaced by the fiber-reinforced plastic matrix. The fiber-reinforced plastic matrix can only extend in axial length over a particularly critical area, in particular only over the magnet section. However, the fiber-reinforced plastic matrix can also extend in the axial direction over the magnet section and the two shaft sections. However, the fiber-reinforced plastic matrix can also extend over the entire length of the rotor. The rotor with the magnet section and the two shaft sections can also be referred to as a rotor shaft. The fiber-reinforced plastic matrix is particularly advantageously formed entirely or partially from electrically non-conductive materials. Among other things, this provides the advantage that the fiber-reinforced plastic matrix in the magnet section does not represent a conductive structure. As a result, inductive currents, which are associated with heat input into the rotor, can be prevented during operation of an electrical machine equipped with the rotor.
Zur Darstellung der faserverstärkten Kunststoffmatrix werden vorteilhaft hochfeste Faserwerkstoffe verwendet. Dadurch kann eine Mindestwandstärkte des die Magneteinrichtung umgebenden Materials in dem Magnetabschnitt minimiert werden. Eine durchgehende Faserkonstruktion über den Magnetabschnitt und die Wellenabschnitte, insbesondere über die gesamte axiale Länge des Rotors, ermöglicht darüber hinaus eine Eliminierung von Fügeverbindungen zwischen ansonsten benötigten separaten Bauteilen zur Darstellung des Rotors. So wird auf einfache Art und Weise die Herstellung eines hochintegrierten Rotors ermöglicht. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Rotors ist dadurch gekennzeichnet, dass die Magneteinrichtung in dem Magnetabschnitt in einen zentralen Wellenkörper integriert und radial außen von der faserverstärkten Kunststoffmatrix umgeben ist. Der zentrale Wellenkörper ist vorzugsweise einstückig mit dem Wellenabschnitt verbunden. Die Magneteinrichtung ist bei diesem Ausführungsbeispiel vorzugsweise radial zwischen dem zentralen Wellenkörper und der faserverstärkten Kunststoff matrix angeordnet. Durch die faserverstärkte Kunststoff matrix wird der Rotor zum einen verstärkt. Darüber hinaus wird die Magneteinrichtung durch die faserverstärkte Kunststoff matrix stabil in dem Rotor fixiert. High-strength fiber materials are advantageously used to produce the fiber-reinforced plastic matrix. As a result, a minimum wall thickness of the material surrounding the magnet device can be minimized in the magnet section. A continuous fiber construction over the magnet section and the shaft sections, in particular over the entire axial length of the rotor, also makes it possible to eliminate joints between separate components that would otherwise be required to form the rotor. This makes it possible to produce a highly integrated rotor in a simple manner. A preferred exemplary embodiment of the rotor is characterized in that the magnet device in the magnet section is integrated into a central shaft body and is surrounded radially on the outside by the fiber-reinforced plastic matrix. The central shaft body is preferably connected in one piece to the shaft section. In this exemplary embodiment, the magnetic device is preferably arranged radially between the central shaft body and the fiber-reinforced plastic matrix. On the one hand, the fiber-reinforced plastic matrix strengthens the rotor. In addition, the magnetic device is stably fixed in the rotor by the fiber-reinforced plastic matrix.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Rotors ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Magneteinrichtung und der faserverstärkten Kunststoffmatrix eine Metallhülse angeordnet ist. Die Metallhülse umgibt die Magneteinrichtung und kann so oder so ähnlich wie bei herkömmlichen Rotoren ausgeführt sein. Durch die faserverstärkte Kunststoff matrix wird die Stabilität des Rotors wirksam erhöht. Daher kann die Metallhülse mit einer geringeren Wandstärke ausgeführt werden als bei herkömmlichen Rotoren. A further preferred exemplary embodiment of the rotor is characterized in that a metal sleeve is arranged between the magnet device and the fiber-reinforced plastic matrix. The metal sleeve surrounds the magnet device and can be designed in the same way or something similar to that of conventional rotors. The fibre-reinforced plastic matrix effectively increases the stability of the rotor. Therefore, the metal sleeve can be designed with a lower wall thickness than in conventional rotors.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Rotors ist dadurch gekennzeichnet, dass sich die faserverstärkte Kunststoffmatrix in axialer Richtung über die Wellenabschnitte und den dazwischen angeordneten Magnetabschnitt erstreckt. Dadurch wird der Magnetabschnitt auf einfache Art und Weise höchst stabil mit den Wellenabschnitten verbunden. Das liefert unter anderem den Vorteil, dass der Rotor mit der faserverstärkten Kunststoffmatrix als Hohlwelle ausgeführt werden kann. So kann die rotierende Masse des Rotors effektiv reduziert werden. A further preferred exemplary embodiment of the rotor is characterized in that the fiber-reinforced plastic matrix extends in the axial direction over the shaft sections and the magnet section arranged between them. As a result, the magnet section is connected to the shaft sections in a highly stable manner in a simple manner. Among other things, this provides the advantage that the rotor with the fiber-reinforced plastic matrix can be designed as a hollow shaft. This effectively reduces the rotating mass of the rotor.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Rotors ist dadurch gekennzeichnet, dass die faserverstärkte Kunststoffmatrix mindestens einen Lagerabschnitt zur Darstellung eines Radiallagers umfasst. Bei dem Radiallager handelt es sich vorzugsweise um ein Luftlager. Zur Lagerung des Rotors werden vorteilhaft zwei Radiallager und mindestens ein Axiallager verwendet. Luftlager müssen im Betrieb eine vorgegebene Lagertraglast erreichen, bevor sie vorteilhaft verschleißfrei arbeiten. Daher wird an den Lagerstellen mindestens eine verschleißminimierende Schicht benötigt. A further preferred exemplary embodiment of the rotor is characterized in that the fiber-reinforced plastic matrix comprises at least one bearing section for representing a radial bearing. The radial bearing is preferably an air bearing. Two radial bearings and at least one axial bearing are advantageously used to mount the rotor. In operation, air bearings must reach a specified bearing load capacity before they work advantageously wear-free. At least one wear-reducing layer is therefore required at the bearing points.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Rotors ist dadurch gekennzeichnet, dass die faserverstärkte Kunststoffmatrix in dem Lagerabschnitt von einer Lagerhülse umgeben ist. Durch die Lagerhülse, die vorzugsweise aus einem metallischen Material gebildet ist, kann die verschleißminimierende Schicht an oder auf der faserverstärkten Kunststoff matrix entfallen. Die verschleißmindernde Schicht wird bei Bedarf einfach auf die Lagerhülse aufgebracht. Another preferred exemplary embodiment of the rotor is characterized in that the fiber-reinforced plastic matrix is surrounded by a bearing sleeve in the bearing section. Due to the bearing sleeve, which is preferably formed from a metallic material, the wear-minimizing layer on or on the fiber-reinforced plastic matrix can be omitted. If necessary, the wear-reducing layer is simply applied to the bearing sleeve.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Rotors ist dadurch gekennzeichnet, dass die faserverstärkte Kunststoffmatrix in dem Lagerabschnitt einen so verringerten Lagerdurchmesser aufweist, dass der Rotor in dem Lagerabschnitt mit der Lagerhülse den gleichen Durchmesser wie die faserverstärkte Kunststoff matrix in dem Lagerabschnitt benachbarten Rotorabschnitten aufweist. Daraus ergibt sich, dass der Rotor in dem Lagerabschnitt einen kleineren Innendurchmesser sowie vorzugsweise auch einen kleineren Außendurchmesser als in den benachbarten Rotorabschnitten aufweist. Die faserverstärkte Kunststoff matrix hat vorzugsweise eine im Wesentlichen konstante Dicke. Die Übergänge zwischen dem Lagerabschnitt und den benachbarten Rotorabschnitten sind vorteilhaft so ausgeführt, dass die Fasern auch in den Übergangsbereichen eine optimale Verstärkung in der faserverstärkten Kunststoffmatrix sicherstellen. Durch die beanspruchte Ausführung wird auf einfache Art und Weise ein versatzfreier, durchgängiger Außendurchmesser des Rotors ermöglicht. Dadurch wird die Herstellung des Rotors und der dafür benötigten Werkzeuge vereinfacht. Darüber hinaus vereinfacht sich eine Einbindung des Rotors in die elektrische Maschine, insbesondere in eine Strömungsmaschine oder einen Luftverdichter in einem Brennstoffzellensystem. Der Rotor umfasst vorteilhaft zwei als Luftlager ausgeführte Radiallager, die durch die beanspruchte Ausführung mit zwei Lagerhülsen vorzugsweise den gleichen Durchmesser haben. Another preferred embodiment of the rotor is characterized in that the fiber-reinforced plastic matrix in the bearing section has such a reduced bearing diameter that the rotor in the bearing section with the bearing sleeve has the same diameter as the fiber-reinforced plastic matrix in the bearing section of adjacent rotor sections. This results in the rotor having a smaller inside diameter and preferably also a smaller outside diameter in the bearing section than in the adjacent rotor sections. The fiber-reinforced plastic matrix preferably has a substantially constant thickness. The transitions between the bearing section and the adjacent rotor sections are advantageously designed in such a way that the fibers also ensure optimal reinforcement in the fiber-reinforced plastic matrix in the transition areas. The claimed design makes it possible in a simple manner to have an offset-free, continuous outside diameter of the rotor. This simplifies the manufacture of the rotor and the tools required for it. In addition, it simplifies the integration of the rotor into the electrical machine, in particular into a turbomachine or an air compressor in a fuel cell system. The rotor advantageously comprises two radial bearings designed as air bearings, which preferably have the same diameter due to the claimed design with two bearing sleeves.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Rotors ist dadurch gekennzeichnet, dass die faserverstärkte Kunststoff matrix mindestens einen Lagerabschnitt zur Darstellung eines Axiallagers umfasst. Das Axiallager ist vorteilhaft als beidseitiges oder zweiseitiges Axiallager mit einem Flanschbereich ausgeführt, der mit der faserverstärkten Kunststoff matrix dargestellt ist. Dadurch wird die Funktionalität des Rotors weiter erhöht. Another preferred embodiment of the rotor is characterized in that the fiber-reinforced plastic matrix at least one Bearing section includes to represent a thrust bearing. The thrust bearing is advantageously designed as a two-sided or two-sided thrust bearing with a flange area that is shown with the fiber-reinforced plastic matrix. This further increases the functionality of the rotor.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Rotors ist dadurch gekennzeichnet, dass die faserverstärkte Kunststoffmatrix mindestens einen Endabschnitt zur Anbindung eines Laufrads umfasst. Bei dem Laufrad handelt es sich zum Beispiel um ein Verdichterrad oder um ein Turbinenrad. Durch die Integration einer Schnittstelle zur Anbindung des Laufrads in die faserverstärkte Kunststoffmatrix wird die Funktionalität des Rotors weiter erhöht. A further preferred exemplary embodiment of the rotor is characterized in that the fiber-reinforced plastic matrix comprises at least one end section for connecting an impeller. The impeller is, for example, a compressor wheel or a turbine wheel. The functionality of the rotor is further increased by integrating an interface for connecting the impeller into the fiber-reinforced plastic matrix.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Rotors ist dadurch gekennzeichnet, dass die faserverstärkte Kunststoff matrix eine radiale Querschnittsänderung aufweist, die zur Darstellung einer Werkzeugtrennebene dient. Dadurch wird ein Entformen des Rotors erheblich vereinfacht. Darüber hinaus können die Werkzeugkosten von Werkzeugen zur Herstellung des Rotors signifikant reduziert werden. Die radiale Querschnittsänderung umfasst zum Beispiel einen Ringwulst oder einen umlaufenden Absatz an einem Außen umfang des Rotors. Another preferred exemplary embodiment of the rotor is characterized in that the fiber-reinforced plastic matrix has a radial cross-sectional change that serves to create a mold parting plane. This considerably simplifies demolding of the rotor. In addition, the tool costs of tools for manufacturing the rotor can be significantly reduced. The radial change in cross-section includes, for example, an annular bead or a circumferential step on an outer circumference of the rotor.
Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Herstellen eines vorab beschriebenen Rotors. Zur Verstärkung werden in die Kunststoffmatrix vorteilhaft Langfasern eingebettet. Bei den Langfasern handelt es sich zum Beispiel um Kohlenstofffasern oder Glasfasern. Je nach Ausführung können die Langfasern auch aus einem Aramidmaterial gebildet sein. Die Langfasern können zur Verstärkung radial, axial und/oder in beliebiger Winkellage zu einer Drehachse des Rotors angeordnet werden. Das beanspruchte Herstellungsverfahren umfasst Faserstrickprozesse und RTM-Verfahren, wobei die Großbuchstaben RTM für die englischen Begriffe Resin Transfer Moulding stehen. Mit diesen Herstellungsverfahren kann eine homogene Massenverteilung in der faserverstärkten Kunststoffmatrix realisiert werden, wodurch unerwünschte Unwuchten im Betrieb einer mit dem beanspruchten Rotor ausgestatteten elektrischen Maschine vermieden werden. Die Erfindung betrifft gegebenenfalls auch ein Einzelteil für einen vorab beschriebenen Rotor, insbesondere zur Herstellung eines vorab beschriebenen Rotors. Solche Einzelteile sind separat handelbar. The invention also relates to a method for producing a rotor as described above. Long fibers are advantageously embedded in the plastic matrix for reinforcement. The long fibers are, for example, carbon fibers or glass fibers. Depending on the design, the long fibers can also be formed from an aramid material. For reinforcement, the long fibers can be arranged radially, axially and/or in any angular position relative to an axis of rotation of the rotor. The claimed manufacturing process includes fiber knitting processes and RTM processes, where the capital letters RTM stand for the English terms Resin Transfer Moulding. A homogeneous distribution of mass in the fiber-reinforced plastic matrix can be realized with this production method, as a result of which undesired imbalances in the operation of an electrical machine equipped with the claimed rotor are avoided. The invention may also relate to an individual part for a rotor as described above, in particular for the production of a rotor as described above. Such items can be traded separately.
Die Erfindung betrifft gegebenenfalls auch einen elektromotorisch angetriebenen Luftverdichter mit einem vorab beschriebenen Rotor zum Einsatz in einem Brennstoffzellensystem. The invention may also relate to an air compressor driven by an electric motor with a rotor as described above for use in a fuel cell system.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Further advantages, features and details of the invention result from the following description, in which various exemplary embodiments are described in detail with reference to the drawing.
Kurze Beschreibung der Zeichnung Brief description of the drawing
Es zeigen: Show it:
Figur 1 zeigt eine elektrische Maschine mit einer dreiteiligen Rotorwelle im Längsschnitt; und die FIG. 1 shows an electrical machine with a three-part rotor shaft in longitudinal section; and the
Figuren 2 bis 8 verschiedene Ausführungsbeispiele eines Rotors für die in Figur 1 dargestellte elektrische Maschine mit einer faserverstärkten Kunststoffmatrix. FIGS. 2 to 8 different exemplary embodiments of a rotor for the electrical machine shown in FIG. 1 with a fiber-reinforced plastic matrix.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele Description of the exemplary embodiments
In Figur 1 ist eine elektrisch angetriebene Strömungsmaschine 1 mit einem Verdichterrad 2 und einem Turbinenrad 4 im Längsschnitt dargestellt. Das Verdichterrad 2 ist auf einer Verdichterseite 3 der Strömungsmaschine 1 angeordnet. Das Turbinenrad 4 ist auf einer Turbinenseite 5 der Strömungsmaschine 1 angeordnet. FIG. 1 shows an electrically driven turbomachine 1 with a compressor wheel 2 and a turbine wheel 4 in longitudinal section. The compressor wheel 2 is arranged on a compressor side 3 of the turbomachine 1 . The turbine wheel 4 is arranged on a turbine side 5 of the turbomachine 1 .
Das Turbinenrad 4 ist antriebsmäßig mit dem Verdichterrad 2 verbunden. Die beiden Räder 2 und 4 gehören zu einem Laufzeug 6. Zur drehfesten Verbindung zwischen dem Verdichterrad 2 und dem Turbinenrad 4 umfasst das Laufzeug 6 eine Motorwelle 7. Die Motorwelle 7 ist als Hohlwelle ausgeführt und um eine Drehachse 8 drehbar. Zum elektrischen Antrieb umfasst die Strömungsmaschine 1 eine elektrische Maschine 9. Die elektrische Maschine 9 ist als Elektromotor mit einem Motorgehäuse 10 und einer Motorwicklung 11 ausgeführt. In der als Hohlwelle ausgeführten Motorwelle 7 ist ein als Permanentmagnet ausgeführter Magnet 12 angeordnet. The turbine wheel 4 is drivingly connected to the compressor wheel 2 . The two wheels 2 and 4 belong to a rotor 6. For the non-rotatable connection between the compressor wheel 2 and the turbine wheel 4, the rotor 6 includes a motor shaft 7. The motor shaft 7 is designed as a hollow shaft and can be rotated about an axis of rotation 8. The turbomachine 1 includes an electric machine 9 for the electric drive. The electric machine 9 is designed as an electric motor with a motor housing 10 and a motor winding 11 . A magnet 12 designed as a permanent magnet is arranged in the motor shaft 7 designed as a hollow shaft.
Das Verdichterrad 2 der Strömungsmaschine 1 wird im Betrieb in einem Brennstoffzellensystem zum einen über das Turbinenrad 4 angetrieben. Darüber hinaus wird das Verdichterrad 2 über den Elektromotor 9 angetrieben. During operation in a fuel cell system, the compressor wheel 2 of the turbomachine 1 is driven on the one hand via the turbine wheel 4 . In addition, the compressor wheel 2 is driven by the electric motor 9 .
Das Laufzeug 6 mit der Motorwelle 7 ist mit Hilfe von zwei Radiallagern 13, 14 im Motorgehäuse 10 der elektrischen Maschine 9 drehbar gelagert. Die Radiallager 13, 14 sind vorteilhaft als Folienluftlager ausgeführt. The running gear 6 with the motor shaft 7 is rotatably mounted in the motor housing 10 of the electric machine 9 with the aid of two radial bearings 13 , 14 . The radial bearings 13, 14 are advantageously designed as foil air bearings.
Auf der Verdichterseite 3 ist ein Verdichterspiralgehäuse 15 an das Motorgehäuse 10 angebaut. Das Verdichterspiralgehäuse 15 umfasst einen Verdichtereinlass 16, über welchen der Strömungsmaschine 1 zu verdichtende Luft zugeführt wird. On the compressor side 3, a compressor spiral housing 15 is attached to the motor housing 10. Compressor volute casing 15 includes a compressor inlet 16, via which air to be compressed is supplied to turbomachine 1.
Auf der Turbinenseite 5 ist ein Turbinenspiralgehäuse 17 an das Motorgehäuse 10 angebaut. Das Turbinenspiralgehäuse 17 umfasst einen Turbinenauslass 18, über den entspannte Luft austritt. Die beim Entspannen der Luft erzeugte Energie wird zum Antreiben des Verdichterrads 2 genutzt. On the turbine side 5, a turbine volute 17 is attached to the motor housing 10. The turbine volute 17 includes a turbine outlet 18 through which the expanded air exits. The energy generated when the air expands is used to drive the compressor wheel 2 .
Die Motorwelle 7 kann auch als Rotorwelle bezeichnet werden, weil sie zur Darstellung eines Rotors 19 in der elektrischen Maschine 9 dient. Der Rotor 19 umfasst einen Magnetabschnitt 20, in welchem der Magnet 12 angeordnet ist. An den einander abgewandten Enden des Magnetabschnitts 20 sind zwei Wellenabschnitte 21, 22 befestigt. Der Magnet 12 ist in dem Magnetabschnitt 20 von einer Bandage 23 umgeben. The motor shaft 7 can also be referred to as a rotor shaft because it is used to represent a rotor 19 in the electrical machine 9 . The rotor 19 includes a magnet section 20 in which the magnet 12 is arranged. Two shaft sections 21, 22 are fastened to the opposite ends of the magnet section 20. The magnet 12 is surrounded by a bandage 23 in the magnet section 20 .
In den Figuren 2 bis 8 sind Ausführungsbeispiele eines Rotors 41; 42; 43; 64; 65; 66; 67 jeweils im Längsschnitt dargestellt. Der Rotor 41; 42; 43; 64; 65; 66; 67 ersetzt vorteilhaft den in Figur 1 dargestellten Rotor 19 in der elektrischen Maschine 9. In the figures 2 to 8 are exemplary embodiments of a rotor 41; 42; 43; 64; 65; 66; 67 each shown in longitudinal section. The rotor 41; 42; 43; 64; 65; 66; 67 advantageously replaces the rotor 19 shown in Figure 1 in the electrical machine 9.
Allen Ausführungsbeispielen des Rotors 41; 42; 43; 64; 65; 66; 67 ist gemeinsam, dass sie ein faserverstärkte Kunststoffmatrix 47 umfassen. Der Rotor 41; 42; 43; 64; 65; 66; 67 ist, bezogen auf eine Drehachse 44 rotationssymmetrisch ausgeführt. Der Rotor 41; 42; 43; 64; 65; 66; 67 umfasst einen Grundkörper 45, der im Wesentlichen die Gestalt eines geraden Kreiszylindermantels aufweist. All embodiments of the rotor 41; 42; 43; 64; 65; 66; 67 has in common that they comprise a fiber-reinforced plastic matrix 47 . The rotor 41; 42; 43; 64; 65; 66; 67 is designed to be rotationally symmetrical with respect to an axis of rotation 44 . The rotor 41; 42; 43; 64; 65; 66; 67 includes a base body 45, which essentially has the shape of a straight circular cylinder shell.
Ein grundsätzlicher Aufbau des Rotors 41; 42 ist in den Figuren 2 und 3 gezeigt. In einem Magnetabschnitt 20 ist eine Magneteinrichtung 46 angeordnet. Die Magneteinrichtung 46 umfasst mindestens einen Permanentmagneten. Der Magnetabschnitt 20 ist in axialer Richtung zwischen zwei Wellenabschnitten 21, 22 des Rotors 41; 42 angeordnet. Der Begriff axial bezieht sich auf eine Drehachse 44 des Rotors 41; 42. A basic structure of the rotor 41; 42 is shown in Figures 2 and 3. A magnet device 46 is arranged in a magnet section 20 . The magnet device 46 comprises at least one permanent magnet. The magnet section 20 is in the axial direction between two shaft sections 21, 22 of the rotor 41; 42 arranged. The term axial refers to an axis of rotation 44 of the rotor 41; 42
Die komplette Außenhülle des in Figur 2 dargestellten Rotors 41 besteht aus einer in axialer Richtung durchgängigen Faser-Kunststoff-Matrix 47. Zur Verstärkung dienen bevorzugt Langfasern. Es können jedoch auch Kurzfasern in der faserverstärkten Kunststoff matrix 47 zum Einsatz kommen. Durch die faserverstärkte Kunststoffmatrix 47 ist die Magneteinrichtung 46 komplett eingeschlossen und somit gegen Ausschleudern geschützt. The complete outer shell of the rotor 41 shown in FIG. 2 consists of a fiber-plastic matrix 47 that is continuous in the axial direction. Long fibers are preferably used for reinforcement. However, short fibers can also be used in the fiber-reinforced plastic matrix 47 . The magnetic device 46 is completely enclosed by the fiber-reinforced plastic matrix 47 and is thus protected against being thrown out.
Der Rotor 41 umfasst zwei Lagerabschnitte 51, 52, die zur Darstellung zweier Radiallager dienen. Ein Lagerabschnitt 53 dient zur Darstellung eines Axiallagers. Alle drei Lagerabschnitte 51 bis 53 sind in die faserverstärkte Kunststoffmatrix 47 integriert. Eine Nachbearbeitung der Lagerabschnitte 51 bis 53 ist vorteilhaft nicht erforderlich. Die Lagerabschnitte 51 bis 53 werden vorteilhaft bei der Herstellung des Rotors 41 mit angeformt. The rotor 41 includes two bearing sections 51, 52, which serve to represent two radial bearings. A bearing section 53 is used to represent an axial bearing. All three bearing sections 51 to 53 are integrated into the fiber-reinforced plastic matrix 47 . Post-processing of the bearing sections 51 to 53 is advantageously not necessary. The bearing sections 51 to 53 are advantageously also formed during the manufacture of the rotor 41 .
In den Lagerabschnitten 51 und 52 hat die faserverstärkte Kunststoff matrix 47 die Gestalt von geraden Kreiszylindermänteln. In dem Lagerabschnitt 53 ist mit der faserverstärkten Kunststoffmatrix 47 ein Lagerflansch 54 ausgebildet. Der Lagerflansch 54 dient zur Darstellung eines zweiseitig oder beidseitig wirkenden Axiallagers für den Rotor 41. In the bearing sections 51 and 52, the fiber-reinforced plastic matrix 47 has the shape of straight circular cylinder jackets. A bearing flange 54 is formed in the bearing section 53 with the fiber-reinforced plastic matrix 47 . the Bearing flange 54 serves to represent a double-sided or double-sided axial bearing for the rotor 41.
Endabschnitte 55 und 56 des Rotors 41 sind besonders vorteilhaft im Hinblick auf eine Anbindung von Laufrädern, insbesondere eines Verdichterrads und eines Turbinenrads, ausgebildet. In Figur 2 ist durch zwei Schnittlinien 57, 58 angedeutet, dass der Rotor 41 auch ohne die Endabschnitte und den Lagerabschnitt zur Darstellung des Axiallagers ausgeführt sein kann. End sections 55 and 56 of the rotor 41 are designed particularly advantageously with regard to the connection of impellers, in particular a compressor wheel and a turbine wheel. In FIG. 2, two section lines 57, 58 indicate that the rotor 41 can also be designed without the end sections and the bearing section to represent the axial bearing.
Der Rotor 42 in Figur 3 umfasst im Unterschied zu dem Rotor 41 in Figur 2 nur die beiden Lagerabschnitte 51, 52 in den Wellenabschnitten 21, 22, zwischen denen der Magnetabschnitt 20 angeordnet ist. Die einander abgewandten Enden des Rotors 42 sind abgeschnitten dargestellt. Dort können nicht dargestellte Wellenenden befestigt werden. Die Befestigung der Wellenenden erfolgt zum Beispiel stoffschlüssig, insbesondere durch Kleben. In contrast to the rotor 41 in FIG. 2, the rotor 42 in FIG. 3 comprises only the two bearing sections 51, 52 in the shaft sections 21, 22, between which the magnet section 20 is arranged. The opposite ends of the rotor 42 are shown cut away. Shaft ends that are not shown can be fastened there. The shaft ends are fastened, for example, in a materially bonded manner, in particular by gluing.
Durch zwei gestrichelte Linien in dem Magnetabschnitt 20 ist angedeutet, dass die Magneteinrichtung 46 alternativ oder zusätzlich auch eine äußere Magneteinrichtung 49 umfassen kann. Die äußere Magneteinrichtung 49 ist zum Beispiel in einen zentralen Wellenkörper 48 integriert, der zusammen mit der äußeren Magneteinrichtung 49 innerhalb der faserverstärkten Kunststoff matrix 47 angeordnet ist. Two dashed lines in the magnet section 20 indicate that the magnet device 46 can alternatively or additionally also include an outer magnet device 49 . The outer magnet device 49 is integrated, for example, in a central shaft body 48 which is arranged together with the outer magnet device 49 inside the fiber-reinforced plastic matrix 47 .
Bei dem in Figur 4 dargestellten Rotor 43 ist durch gestrichelte Linien angedeutet, dass die Magneteinrichtung 46 auch von einer Metallhülse 59 umgeben sein kann. Die Metallhülse 59 wiederum ist in dem Magnetabschnitt 20 von der faserverstärkten Kunststoff matrix 47 umgeben. In the case of the rotor 43 shown in FIG. 4, dashed lines indicate that the magnet device 46 can also be surrounded by a metal sleeve 59 . The metal sleeve 59 is in turn surrounded by the fiber-reinforced plastic matrix 47 in the magnet section 20 .
Die faserverstärkte Kunststoff matrix 47 erstreckt sich in axialer Richtung durchgehend zwischen dem Wellenabschnitt 21 und dem Endabschnitt 56. Allerdings hat der Rotor 43 in axialer Richtung keinen konstanten Durchmesser. The fiber-reinforced plastic matrix 47 extends continuously in the axial direction between the shaft section 21 and the end section 56. However, the rotor 43 does not have a constant diameter in the axial direction.
In den Lagerabschnitten 51, 52 und in dem Endabschnitt 56 hat die faserverstärkte Kunststoff matrix 47 geringere Durchmesser als in dem Magnetabschnitt 20 und in den Rotorabschnitten beziehungsweise Wellenabschnitten 21, 22, die den Lagerabschnitten 51, 52 benachbart sind. In the bearing sections 51, 52 and in the end section 56, the fiber-reinforced plastic matrix 47 has a smaller diameter than in that Magnet section 20 and in the rotor sections or shaft sections 21, 22 which are adjacent to the bearing sections 51, 52.
Bei dem Rotor 43 in Figur 4 ist die faserverstärkte Kunststoffmatrix 47 in den Lagerabschnitten 51, 52 mit Lagerhülsen 61, 62 kombiniert. Die Lagerhülsen 61, 62 sind vorteilhaft aus einem Metall gebildet und ersetzen eine ansonsten benötigte Beschichtung der faserverstärkten Kunststoff matrix 47 in den Lagerabschnitten 51, 52. Die Lagerhülsen 61, 62 sind vorteilhaft mit einer verschleißminimierenden Beschichtung versehen. In the case of the rotor 43 in FIG. 4, the fiber-reinforced plastic matrix 47 is combined with bearing sleeves 61, 62 in the bearing sections 51, 52. The bearing sleeves 61, 62 are advantageously formed from a metal and replace an otherwise required coating of the fiber-reinforced plastic matrix 47 in the bearing sections 51, 52. The bearing sleeves 61, 62 are advantageously provided with a wear-minimizing coating.
Die faserverstärkte Kunststoff matrix 47 ist sozusagen in die Lagerhülsen 61, 62 eingebettet. In den Lagerabschnitten 51, 52 hat die faserverstärkte Kunststoffmatrix 47 einen geringeren Durchmesser als in dem Magnetabschnitt 20 und als in den Wellenabschnitten 21, 22. Dadurch wird vorteilhaft erreicht, dass die faserverstärkte Kunststoff matrix 47 in dem Magnetabschnitt 20 und in den Wellenabschnitten 21, 22 den gleichen Außendurchmesser wie die Lagerhülsen 61, 62 hat. The fiber-reinforced plastic matrix 47 is embedded in the bearing sleeves 61, 62, so to speak. In the bearing sections 51, 52, the fiber-reinforced plastic matrix 47 has a smaller diameter than in the magnet section 20 and than in the shaft sections 21, 22. This advantageously means that the fiber-reinforced plastic matrix 47 in the magnet section 20 and in the shaft sections 21, 22 has the same outer diameter as the bearing sleeves 61, 62.
In den Übergangsbereichen ist ein vorzugsweise durchgehender Faserverlauf in der faserverstärkten Kunststoffmatrix 47 sichergestellt. So wird ein versatzfreier, durchgängiger Außendurchmesser des Rotors 43 auch in den Lagerabschnitten 51, 52 mit den Lagerhülsen 61, 62 ermöglicht. Die Lagerhülsen 61, 62 haben vorteilhaft den gleichen Außendurchmesser. A preferably continuous fiber flow in the fiber-reinforced plastic matrix 47 is ensured in the transition areas. In this way, an offset-free, continuous outer diameter of the rotor 43 is also made possible in the bearing sections 51, 52 with the bearing sleeves 61, 62. The bearing sleeves 61, 62 advantageously have the same outside diameter.
In den Figuren 5 und 6 sind zwei Ausführungsbeispiele des Rotors 64; 65 gezeigt, die zur Schaffung einer trennnahtfreien Zone im Bereich der Luftlager in Umfangsrichtung dienen. Die faserverstärkte Kunststoff matrix 47 wird bei der Herstellung in zum Beispiel mehrteiligen Werkzeugen unter Vakuum ausgehärtet. Beim Entformen entstehen zwangsläufig Nahtstellen. Durch eine gezielte radiale Querschnittsänderung 68 kann eine Werkzeugtrennebene radial angeordnet werden. So entsteht eine Trennnaht in Umfangsrichtung des Rotors 64; 65. In the figures 5 and 6 are two embodiments of the rotor 64; 65, which serve to create a zone free of parting seams in the area of the air bearings in the circumferential direction. The fiber-reinforced plastic matrix 47 is hardened under vacuum during production, for example in multi-part tools. Seams are inevitable when demolding. A tool parting plane can be arranged radially by means of a targeted radial change in cross section 68 . This creates a separating seam in the circumferential direction of the rotor 64; 65
In Figur 5 umfasst die radiale Querschnittsänderung 68 einen Ringwulst 69 am äußeren Umfang der faserverstärkten Kunststoff matrix 47. Radial innen hat der Rotor 64 einen konstanten Innendurchmesser 73. In Figur 6 umfasst die radiale Querschnittsänderung 68 einen Absatz 70 an einem äußeren Umfang der faserverstärkten Kunststoffmatrix 47. Radial innen sind Werkzeugkörper 71, 72 angedeutet. Der Werkzeugkörper 71 hat einen größeren Außendurchmesser als der Werkzeugkörper 72. Daraus ergibt sich, dass die faserverstärkte Kunststoffmatrix 47 in Figur 6 links einen Innendurchmesser 74 aufweist, der größer als ein Innendurchmesser 75 rechts in Figur 6 ist. In Figure 5, the radial change in cross section 68 includes an annular bead 69 on the outer circumference of the fiber-reinforced plastic matrix 47. Radially on the inside, the rotor 64 has a constant inner diameter 73. In FIG. 6, the radial cross-sectional change 68 includes a step 70 on an outer circumference of the fiber-reinforced plastic matrix 47. Tool bodies 71, 72 are indicated radially on the inside. The tool body 71 has a larger outside diameter than the tool body 72. This means that the fiber-reinforced plastic matrix 47 in FIG. 6 on the left has an inside diameter 74 that is larger than an inside diameter 75 on the right in FIG.
Bei dem in Figur 7 dargestellten Rotor 66 ist eine Möglichkeit gezeigt, wie in einem Bereich des Rotors 66, der dem größten Magnetfeld im Betrieb ausgesetzt ist, unerwünschte Induktion verhindert werden kann. Die faserverstärkte Kunststoffmatrix 47 ist in dem Magnetabschnitt 20 mit nicht-leitenden Verstärkungsfasern 77 verstärkt. Bei den nicht-leitenden Verstärkungsfasern 77 handelt es sich zum Beispiel um Glasfasern. Die Verlegerichtung der nicht- leitenden Verstärkungsfasern 77 verläuft in Figur 7 in nur einer diagonalen Richtung. In the case of the rotor 66 illustrated in FIG. 7, a possibility is shown of how undesired induction can be prevented in a region of the rotor 66 which is exposed to the greatest magnetic field during operation. The fiber reinforced plastic matrix 47 is reinforced with non-conductive reinforcing fibers 77 in the magnet section 20 . The non-conductive reinforcing fibers 77 are glass fibers, for example. The laying direction of the non-conductive reinforcing fibers 77 runs in FIG. 7 in only one diagonal direction.
In den Wellenabschnitten 21 und 22 umfasst die faserverstärkte Kunststoffmatrix 47 des Rotors 66 zusätzlich zu den nicht-leitenden Verstärkungsfasern 77 noch leitende Verstärkungsfasern 76. Die leitenden Verstärkungsfasern 76 sind senkrecht zu den nicht-leitenden Verstärkungsfasern 77 angeordnet. In the shaft sections 21 and 22, the fiber-reinforced plastic matrix 47 of the rotor 66 also includes conductive reinforcement fibers 76 in addition to the non-conductive reinforcement fibers 77. The conductive reinforcement fibers 76 are arranged perpendicular to the non-conductive reinforcement fibers 77.
Bei den leitenden Verstärkungsfasern 76 handelt es sich zum Beispiel um Kohlefasern, die eine höhere Festigkeit aufweisen als die Glasfasern. Der daraus resultierende Wärmeeintrag in dem Rotor 66 ist jedoch tolerierbar, da die Induktion in den Wellenabschnitten 21, 22 deutlich schwächer als in dem Magnetabschnitt 20 ist. The conductive reinforcing fibers 76 are carbon fibers, for example, which have a higher strength than the glass fibers. However, the resulting heat input in the rotor 66 is tolerable, since the induction in the shaft sections 21, 22 is significantly weaker than in the magnet section 20.
Bei dem In Figur 8 dargestellten Rotor 67 umfasst die faserverstärkte Kunststoffmatrix 47 unidirektionale leitende Verstärkungsfasern 79. Bei den leitenden Verstärkungsfasern 79 handelt es sich zum Beispiel um Kohlenstofffasern, die verkürzt auch als Kohlefasern bezeichnet werden. Darüber hinaus umfasst die faserverstärkte Kunststoff matrix 47 diagonal angeordnete nicht-leitende Verstärkungsfasern 78. Durch die leitenden Verstärkungsfasern 79 wird eine hohe Festigkeit in Längsrichtung und eine hohe Steifigkeit des Rotors 67 bereitgestellt. Die Kohlenstofffasern 79 sind vorteilhaft als offene Leiter in die faserverstärkte Kunststoffmatrix 47 eingebunden. Dadurch können geschlossene Stromkreise in den leitenden Verstärkungsfasern 79 vermieden werden, wodurch ein unerwünschtes Auftreten von Induktionsströmen und die damit verbundene Erwärmung des Rotors 67 verhindert wird. In Kombination mit den nicht-leitenden Verstärkungsfasern 78 ergibt sich ein stabiler Faserverbund in dem Rotor 67. In the rotor 67 shown in FIG. 8, the fiber-reinforced plastic matrix 47 includes unidirectional conductive reinforcement fibers 79. The conductive reinforcement fibers 79 are, for example, carbon fibers, which are also referred to as carbon fibers for short. In addition, the fiber-reinforced plastic matrix 47 includes diagonally arranged non-conductive reinforcing fibers 78. The conductive reinforcing fibers 79 provide high longitudinal strength and high rigidity of the rotor 67 . The carbon fibers 79 are advantageously integrated into the fiber-reinforced plastic matrix 47 as open conductors. As a result, closed circuits in the conductive reinforcing fibers 79 can be avoided, thereby preventing the occurrence of induction currents and the heating of the rotor 67 associated therewith. In combination with the non-conductive reinforcement fibers 78, a stable fiber composite results in the rotor 67.

Claims

Ansprüche Expectations
1. Rotor (19;41-43;64-67) für eine elektrische Maschine (9) mit einem Magnetabschnitt (20), der in einer axialen Richtung zwischen zwei Wellenabschnitten (21,22) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetabschnitt (20) eine faserverstärkte Kunststoffmatrix (47) aufweist, die eine Magneteinrichtung (46,49) umgibt. 1. Rotor (19;41-43;64-67) for an electrical machine (9) with a magnet section (20) which is arranged in an axial direction between two shaft sections (21,22), characterized in that the magnet section (20) has a fiber reinforced plastic matrix (47) surrounding a magnetic device (46,49).
2. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Magneteinrichtung (46) in dem Magnetabschnitt (20) in einen zentralen Wellenkörper (48) integriert und radial außen von der faserverstärkten Kunststoffmatrix (47) umgeben ist. 2. Rotor according to claim 1, characterized in that the magnet device (46) in the magnet section (20) is integrated into a central shaft body (48) and is surrounded radially on the outside by the fiber-reinforced plastic matrix (47).
3. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Magneteinrichtung (46;49) und der faserverstärkten Kunststoffmatrix (47) eine Metallhülse (59) angeordnet ist. 3. Rotor according to one of the preceding claims, characterized in that a metal sleeve (59) is arranged between the magnet device (46; 49) and the fiber-reinforced plastic matrix (47).
4. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die faserverstärkte Kunststoffmatrix (47) in axialer Richtung über die Wellenabschnitte (21,22) und den dazwischen angeordneten Magnetabschnitt (20) erstreckt. 4. Rotor according to one of the preceding claims, characterized in that the fiber-reinforced plastic matrix (47) extends in the axial direction over the shaft sections (21, 22) and the magnet section (20) arranged between them.
5. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die faserverstärkte Kunststoffmatrix (47) mindestens einen Lagerabschnitt (51,52) zur Darstellung eines Radiallagers umfasst.5. Rotor according to one of the preceding claims, characterized in that the fiber-reinforced plastic matrix (47) comprises at least one bearing section (51, 52) for representing a radial bearing.
6. Rotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die faserverstärkte Kunststoffmatrix (47) in dem Lagerabschnitt (51,52) von einer Lagerhülse (61,62) umgeben ist. 6. Rotor according to claim 5, characterized in that the fiber-reinforced plastic matrix (47) in the bearing section (51,52) is surrounded by a bearing sleeve (61,62).
7. Rotor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die faserverstärkte Kunststoffmatrix (47) in dem Lagerabschnitt (51,52) einen so verringerten Lagerdurchmesser aufweist, dass der Rotor (43) in dem Lagerabschnitt (51,52) mit der Lagerhülse (61,62) den gleichen Durchmesser wie die faserverstärkte Kunststoffmatrix (47) in dem Lagerabschnitt (51,52) benachbarten Rotorabschnitten aufweist. 7. Rotor according to Claim 6, characterized in that the fiber-reinforced plastic matrix (47) in the bearing section (51,52) has a bearing diameter which is reduced in such a way that the rotor (43) in the bearing section (51,52) with the bearing sleeve (61 ,62) has the same diameter as the fiber-reinforced plastic matrix (47) in the rotor sections adjacent to the bearing section (51,52).
8. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die faserverstärkte Kunststoffmatrix (47) mindestens einen Lagerabschnitt (53) zur Darstellung eines Axiallagers umfasst. 8. Rotor according to one of the preceding claims, characterized in that the fiber-reinforced plastic matrix (47) comprises at least one bearing section (53) for representing an axial bearing.
9. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die faserverstärkte Kunststoffmatrix (47) mindestens einen Endabschnitt (55,56) zur Anbindung eines Laufrads umfasst. 9. Rotor according to one of the preceding claims, characterized in that the fiber-reinforced plastic matrix (47) comprises at least one end section (55, 56) for connecting an impeller.
10. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die faserverstärkte Kunststoffmatrix (47) eine radiale Querschnittsänderung (68) aufweist, die zur Darstellung einer Werkzeugtrennebene dient. 10. Rotor according to one of the preceding claims, characterized in that the fiber-reinforced plastic matrix (47) has a radial cross-sectional change (68) which serves to represent a tool parting plane.
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