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Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine, wobei der Rotor in Bezug zu einer Rotorachse drehbar ist. Der Rotor weist eine Rotorscheibe und mehrere Magnete, welche beabstandet kreisförmig an einem Magnetaufnahmebereich der Rotorscheibe angeordnet sind, auf.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor.
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Als Bauformen für elektrische Maschinen, wie Elektromotoren und Generatoren, werden speziell zwei Hauptbauformen unterschieden, nämlich eine Axialflussmaschine und eine Radialflussmaschine. Bei Radialflussmaschinen ist beispielsweise der im Wesentlichen zylinderförmige Rotor vom hohlzylindrischen Stator umgeben. Eine Normale auf der Rotorwirkfläche steht senkrecht zur Rotordrehachse. Der magnetische Fluss durchdringt den auf konstantem Radius befindlichen Luftspalt zwischen Rotor und Stator radial. Bei Axialflussmaschinen stehen sich die planaren Rotor- und Statorwirkflächen axial gegenüber. Der Luftspalt befindet sich in einer Senkrechten zur Rotationsachse stehenden Ebene und wird vom Magnetfluss axial durchdrungen.
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Beispielsweise offenbart die
DE 10 2021 002 939 A1 eine Axialflussmaschine, welche einen Stator und zwei relativ zu dem Stator drehbare Rotoren, zwischen welchen in axialer Richtung der Rotoren und des Stators der Stator angeordnet ist.
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Aus der
DE 10 2021 002 966 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Rotorkerns für einen Rotor einer Axialflussmaschine bekannt.
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Ferner offenbart die
DE 10 2021 132 222 A1 ein Verfahren zur Herstellung eines Gehäuses für einen Stator einer Axialfluss-Dauermagnetmaschine. Dabei weist hier das Gehäuse eine zylindrische Wand auf, welche einen äußeren Talring umfasst, welcher mit einem inneren Polymerring ausgekleidet ist.
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Nachteilig bei Rotoren von Axialflussmaschinen im Stand der Technik ist der prinzipbedingt große Durchmesser. Gängige Konstruktionen weisen ebene Magnetflächen senkrecht zur Rotationsachse auf. Werden diese bei hohen Drehzahlen betrieben, steigen die auf die Magnete wirkenden Zentrifugalkräfte stark an. Hieraus werden hohe Anforderungen an die Fixierung der Magnete im Rotor gestellt. Erschwerend kommt die Verformung des Rotors durch die Fliehkräfte hinzu. Aufgrund der drehzahlbedingten Biegelinien des Rotors kann es ab bestimmten Grenzdrehzahlen zum Versagen der Verbindung zwischen Magneten und Rotor kommen. Durch die ebene Hauptbauform des Rotors bilden sich im Betrieb drehzahlabhängige Membranschwingungen aus, welche insbesondere in Resonanzbereichen unerwünschte Vibrationen verursachen und Störgeräusche abstrahlen.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Rotor für eine elektrische Maschine, insbesondere Axialflussmaschine, zu schaffen, welcher hinsichtlich zumindest eines der vorhin genannten Nachteile verbessert ist.
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Diese Aufgabe wird durch einen Rotor und durch eine elektrische Maschine gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Sinnvolle Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
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Ein Aspekt der Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine, wobei der Rotor in Bezug zu einer Rotorachse drehbar ist, mit einer Rotorscheibe, mehreren Magneten, welche beabstandet kreisförmig an einem Magnetaufnahmebereich der Rotorscheibe angeordnet sind, wobei sich ein radialer Außenbereich des Magnetaufnahmebereichs über einen radialen Innenbereich des Magnetaufnahmebereichs hinauserstreckt.
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Durch den erfindungsgemäßen Rotor können die eingangs genannten Nachteile gelöst werden. Des Weiteren ermöglicht der vorgeschlagene Rotor im Vergleich zu Rotoren im Stand der Technik eine verbesserte Kraftverteilung. Vor allem kann der erfindungsgemäße Rotor vorteilhaft in einer Axialflussmaschine eingesetzt werden, da der erfindungsgemäße Rotor hochdrehzahlfeste NVH (Noise-Vibration-Harshness)-Eigenschaften aufweist. Somit kann der Rotor vor allem vorteilhaft in elektrischen Maschinen eingesetzt werden, welche wiederum in Kraftfahrzeugen verwendet werden.
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Vor allem bietet der vorgeschlagene Rotor eine verbesserte Verbindung zwischen den Magneten und dem Rotor. Vor allem ist die Verbindung zwischen den Magneten und dem Rotor auch bei Rotorverformungen und hohen Zentrifugalkräften beständig. Des Weiteren bietet der vorgeschlagene Rotor im Einsatz eine für die Verbindung zwischen Magneten und Rotor entlastende Kraftverteilung und Biegelinie.
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Speziell bietet der vorgeschlagene Rotor eine verbesserte dauerhaltbare Verbindung zwischen Magneten und Rotor. Dies kann vor allem bei gleichzeitig geringeren Herstellungskosten erreicht werden. Des Weiteren weist der erfindungsgemäße Rotor reduziertere Membranschwingungen auf.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor nach dem vorherigen Aspekt oder einer vorteilhaften Weiterbildung daraus, wobei der Rotor in Bezug auf den Stator um die Rotorachse drehbar ist.
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Insbesondere kann der vorher beschriebene erfindungsgemäße Rotor in der soeben beschriebenen elektrischen Maschine vorteilhaft verwendet werden.
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Insbesondere kann es sich bei der elektrischen Maschine um eine Axialflussmaschine handeln. Des Weiteren ist denkbar, dass der Rotor in anderen elektrischen Maschinen, wie Axialfluss-Elektromotor oder Axialfluss-Maschine mit Doppelrotor-Topologie eingesetzt wird.
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Beispielsweise kann die elektrische Maschine beziehungsweise die Axialflussmaschine den Rotor aufweisen, und an einer jeweiligen Seite des Rotors kann ein Stator beziehungsweise eine Statoreinheit angeordnet sein.
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Optional kann es sich bei der elektrischen Maschine um eine Winkelflussmaschine handeln. Dabei kann die Normale dieser Winkelflussmaschine senkrecht auf der Rotorwirkfläche einen Winkel ungleich 90 Grad und ungleich 0 Grad aufweisen, zu dessen Drehachse.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung(en). Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Dabei zeigen die nachfolgenden Figuren in:
- 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Rotors;
- 2 eine schematische Seitenansicht des Rotors aus 1;
- 3 eine weitere schematische Seitenansicht des Rotors aus 1;
- 4 eine Darstellung einer Biegelinie und einer Kraftverteilung eines Rotors aus dem Stands der Technik;
- 5 eine Darstellung einer Biegelinie und einer Kraftverteilung des Rotors aus 1; und
- 6 eine schematische Darstellung einer Axialflussmaschine mit zumindest einem Rotor aus 1.
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In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen.
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In der 1 ist eine schematische Darstellung eines Rotors 1 dargestellt. In Bezug zu einer Rotorachse 2 beziehungsweise Rotationsachse ist der Rotor 1 drehbar. Die Rotorachse 2 kann der x-Richtung entsprechen. Bei der Rotationsachse 2 kann es sich ebenfalls um die Rotationsachse einer elektrischen Maschine 3 (vgl. 6) handeln. Insbesondere dient der Rotor 1 für den Einsatz in der elektrischen Maschine 3. Bei der elektrischen Maschine 3 kann es sich um eine Axialflussmaschine handeln.
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Die elektrische Maschine 3 kann einen Stator 4 (vgl. 6) aufweisen und zumindest einen Rotor 1. Insbesondere weist die elektrische Maschine 3 an einer jeweiligen Seite des Stators 4 einen entsprechenden, erfindungsgemäßen Rotor 1 auf.
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Der Rotor 1 weist eine Rotorscheibe beziehungsweise Rotorkern beziehungsweise Rotorjoch auf. Der Rotor 1 und insbesondere die Rotorscheibe 5 sind scheibenförmig ausgebildet. In ihrem jeweiligen Mittelpunkt beziehungsweise Zentrum weisen sie eine Öffnung 6 auf. Die Öffnung 6 dient insbesondere für die Anordnung einer Welle, Nabe oder einem anderen kraftübertragenden Element.
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Des Weiteren weist der Rotor 1 mehrere Magnete 7 auf. Die mehreren Magnete 7 beziehungsweise Dauermagnete können beabstandet und insbesondere kreisförmig an einem Magnetaufnahmebereich 8 beziehungsweise einer Magnetaufnahmeseite der Rotorscheibe 5 angeordnet sein. Insbesondere ist der Rotor 1 so an der elektrischen Maschine 3 angeordnet, dass die Seite des Rotors 1 mit dem Magnetaufnahmebereich 8 und somit mit den Magneten 5 zum Stator 4 gerichtet beziehungsweise ausgerichtet sind.
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Beispielsweise können die mehreren Magnete 5 derart an dem Magnetaufnahmebereich 8 angeordnet sein, dass sie stoffschlüssig mit der Rotorscheibe 5 verbunden sind. Zusätzlich oder anstatt kann jeder Magnet der mehreren Magnete 7 teilweise oder vollständig in einer Einfassung 9 des Magnetaufnahmebereichs 8 eingefasst sein. Somit können die Magnete durch eine stoffschlüssige Verbindung mit der Rotorscheibe 5 verbunden sein. Des Weiteren kann zusätzlich eine Verbindung zu der Einfassung 9 vorliegen. Durch die Einfassung 9 können die jeweiligen Magnete 7 umrandet beziehungsweise umschlossen werden.
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In der 2 ist eine schematische Seitendarstellung des Rotors 1 dargestellt. Damit nun der Rotor 1 die eingangs erwähnten Nachteile zumindest teilweise vorteilhaft lösen beziehungsweise verbessern kann, weist der Rotor 1 eine konkave Form beziehungsweise Gestalt auf. Dies ist beispielsweise in der 2 zu erkennen. Insbesondere weist ebenfalls die Rotorscheibe 5 und der Magnetaufnahmebereich 8 eine konkave Form auf. Speziell kann also der Rotor 1 eine kegelförmige, ballige oder kalottenförmige Form und insbesondere eine Wirkfläche, aufweisen. Insbesondere kann der Rotor 1 eine konkave und/oder konische Form in Bezug zur Magnetebene beziehungsweise zu dem Magnetaufnahmebereich 8 aufweisen. Diesbezüglich weist der Stator 4 eine entsprechende Gegenform auf. Beispielsweise kann der Stator 4 eine zu dem Rotor 1 korrespondierende Form aufweisen. Insbesondere kann der Stator 4 eine konvexe Form aufweisen. In der Ausführung der elektrischen Maschine 3 kann vor allem eine jeweilige zu einem Magnetaufnahmebereich 8 eines Rotors 1 gerichtete Seite des Stators 4 konvex ausgebildet sein. Dadurch kann verhindert werden, da durch die gewölbte beziehungsweise gebogene ebene Form des konkav ausgebildeten Rotors 1 sich der Luftspalt zwischen Rotor 1 und Stator 4 nicht gleichmäßig ausbilden würde. Daher ist der Stator 4 zu der Form des Rotors 1 korrespondierend beziehungsweise gegengerichtet ausgebildet, so dass der Luftspalt zwischen Stator 4 und Rotor 1 gleichmäßig ist.
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Somit kann durch die konkave beziehungsweise konische Form des Rotors 1 eine verbesserte Kraftverteilung im Rotor 1 vorgenommen werden. Somit können die Fliehkräfte, insbesondere auf die Magnete 7 im Rotor 1, besser abgestützt werden. Um einen schmalen Luftspalt über die komplette radiale Länge des Rotors 1 darstellen zu können, weist der Stator 4 eine entsprechende Gegenform zum Rotor 1 auf, zumindest teilweise.
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Der erfindungsgemäße Rotor 1 bietet die Vorteile, dass durch die konkave Kontaktfläche fliehkraftbedingte Druckkräfte auf die Kontaktfläche eingeleitet werden können, welche den inneren Kräften, die sich aus der Biegelinie ergeben, entgegenwirken und diese so zumindest teilweise kompensieren. Weiterhin werden die Schubspannungen an den Fügestellen im Rotor 1 reduziert. Dies führt zu einer deutlichen Entlastung der Verbindung zwischen Magneten 7 und der Rotorscheibe 5 beziehungsweise Trägerstruktur des Rotors 1. Der Rotor 1 kann daher im Vergleich zum Stand der Technik mit höheren Drehzahlen betrieben werden. Dies führt zu einer Leistungssteigerung der elektrischen Maschine 3. Durch die konkave Form des Rotors 1 verschieben sich die Eigenfrequenzen und Eigenformen des Rotors 1 in einen günstigen NVH-Bereich. Des Weiteren weist der Rotor 1 eine im Vergleich zum Stand der Technik deutlich erhöhte Eigenformsteifigkeit auf. Diese Vorteile werden vor allem durch die konkave Form des Rotors 1 ermöglicht. Vor allem bietet die konkave Form des Rotors 1 gegenüber den planaren beziehungsweise ebenen Formen der Rotoren im Stand der Technik verbesserte Leistungseigenschaften.
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Der konkav ausgestaltete Rotor 1 kann vor allem für Axialflussmaschinen vorteilhaft eingesetzt beziehungsweise verwendet werden.
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In der 3 ist eine weitere Seitendarstellung des Rotors 1 dargestellt. Hierbei ist hier eine detailliertere Ansicht einer von der radialen Achse 2 betrachteten Oberseite dargestellt.
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Um eine vorteilhaft konkave Form aufzuweisen, kann sich ein radialer Außenbereich 10 des Magnetaufnahmebereichs 8 beziehungsweise der Rotorscheibe 5 über einen radialen Innenbereich 11 des Magnetaufnahmebereichs 8 beziehungsweise der Rotorscheibe 5 hinaus erstrecken. Somit kann sich der radiale Außenbereich 10 des Magnetaufnahmebereichs 8 in Richtung des Stators 4, insbesondere axial, über den radialen Innenbereich 11 des Magnetaufnahmebereichs 8 hinaus erstrecken. Mit anderen Worten ausgedrückt erstreckt sich der radiale Außenbereich 10 axial weiter weg in Richtung des Stators 4 als der radiale Innenbereich 11.
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Anders ausgedrückt können sich die Außenbereiche des Rotors 1 in Richtung der Magnete 7 beziehungsweise des Stators 4 axial über den Innenbereichen überstehen. Dadurch ist eine konkave beziehungsweise konische Form des Rotors 1 geschaffen.
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Beispielsweise können die radialen Außenbereiche des Magnetaufnahmebereichs 8 axial über die inneren Bereiche hinausstehen. Somit kann der Rotor 1, ein Rotorkern, ein Rotorträger, die Rotorscheibe 5 eine konische und/oder konkave Form aufweisen.
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Dass der radiale Außenbereich 10 axial über den radialen Innenbereich 11 sich hinaus erstreckt, ist beispielsweise durch den Winkel α in der 3 erkenntlich.
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In der 4 ist beispielsweise dargestellt, wie sich die Kraftwirkung beziehungsweise Kraftverteilung und die Biegelinie 12 bei einem herkömmlichen beziehungsweise planaren Rotor verhält.
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Dem gegenüber ist in der 5 der erfindungsgemäße Rotor 1 dargestellt, wobei hier das Verhalten der Biegelinie 5 und die Kraftverteilung bezüglich der konkaven Rotorform dargestellt ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rotor
- 2
- Rotorachse
- 3
- elektrische Maschine
- 4
- Stator
- 5
- Rotorscheibe
- 6
- Öffnung
- 7
- mehrere Magnete
- 8
- Magnetaufnahmebereich
- 9
- Einfassung
- 10
- radialer Außenbereich
- 11
- radialer Innenbereich
- 12
- Biegelinie
- α
- Winkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102021002939 A1 [0004]
- DE 102021002966 A1 [0005]
- DE 102021132222 A1 [0006]
