DE102008050807A1

DE102008050807A1 - Rotor für eine elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102008050807A1
Application number: DE102008050807A
Authority: DE
Inventors: Bernd Dr. Med. Schottdorf; Franz Weissgerber
Original assignee: PRO DISKUS AG
Current assignee: PRO DISKUS AG
Priority date: 2008-10-08
Filing date: 2008-10-08
Publication date: 2010-04-22
Also published as: WO2010040533A2; WO2010040533A3

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine (100; 800; 1000; 1500) mit einem Faserverbundmaterial aufweisenden Rotorhauptkörper (104; 200; 402; 502; 600; 802; 1300) mit wenigstens einer Aufnahme (302; 406) zur Aufnahme von Magneten (312, 314). Erfindungsgemäß sind in wenigstens einer Aufnahme (302; 406) des Rotorhauptkörpers (104; 200; 402; 600; 802; 1300) mindestens zwei Magnete (312, 314) angeordnet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen elektrische Maschinen und insbesondere Rotoren für elektrische Maschinen.
Elektrische Maschinen, sowohl in Form von Elektromotoren als auch Generatoren, werden in zunehmenden Maße in Bereichen alternativer Energiegewinnung und -versorgung verwendet. Hierbei sind herkömmliche elektrische Maschinen u. a. aufgrund von Baugröße, Gewicht und Wirkungsgrad in vielen Fällen nicht geeignet.
Die Patentschrift DE 10 2006 036 707 B3 offenbart einen Trägerring aus faserverstärktem Kunststoff mit Ausschnitten zum Einsetzen von Permanentmagneten. Ein oder mehrere Trägerringe können dabei eine Rotorkonstruktion bilden.
Die internationale Anmeldung WO 01/11755 A1 beschreibt ähnlich DE 10 2006 036 707 B3 einen an einer Welle angeordneten eisenlosen, scheibenförmigen Rotor, der Permanentmagnete aufweist, die in einen faser- oder gewebearmierten Kunststoff eingebettet sind. Die Permanentmagnete sind jeweils formschlüssig mit dem umgebenden Kunststoff verbunden. Der Kunststoff bildet zusammen mit den Permanentmagneten und der Maschinenwelle eine formstabile Einheit.
Ferner beschreibt das Handbuch Verbundwerkstoffe von Manfred Neitzel und Peter Mitschang, Hanser Verlag, 2004, 1. Auflage, verschiedene herkömmliche Verfahren, um Faserkunststoffverbunde zu verarbeiten. 14 zeigt ein Übersichtsdiagramm für solche herkömmlichen Verfahren aus Neitzel und Mitschang. Das Diagramm unterteilt auf der horizontalen Achse die Formkomplexität eines Faserkunststoffverbunds und auf der vertikalen Achse eine ungefähre Bauteilgröße.
Das Diagramm in 14 gibt insbesondere Auskunft über Bauteilarten und Verarbeitungsverfahren. Beispielsweise ist die Formkomplexität von runden/ovalen Rohren gering, deren Bauteilgröße kann jedoch von klein bis groß variieren. Die Faserverarbeitungsverfahren Fließformen und Spritzgießen kommen vermehrt bei Bauteilen hoher Formkomplexität und kleiner bis mittlerer Bauteilgröße zum Einsatz, wohingegen das Harzinjektionsverfahren nach Neitzel und Mitschang eher bei hoher Formkomplexität und großer Bauteilgröße zu wählen ist. Als weitere Information kann dem Diagramm entnommen werden welches Verarbeitungsverfahren für ein bestimmtes Bauteil geeignet ist. Demnach eignet sich nach Neitzel und Mitschang das Umformen für Strukturbauteile und Schalen, das Wickeln beispielsweise eher für Druckbehälter und runde/ovale Rohre. Nachteilig an allen Verfahren sind jedoch die Verarbeitungskosten und hoher Energiebedarf beispielsweise bei Einsatz eines Autoklaven zur Aushärtung von Faserkunststoffverbunden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es die oben genannten Nachteile des Standes der Technik zu überwinden.
Zur Lösung dieser Aufgabe stellt die vorliegende Erfindung Gegenstände, Verfahren und Verwendung gemäß den unabhängigen Ansprüchen bereit. Varianten und bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen.
Insbesondere ist ein Rotor für eine elektrische Maschine mit einem Rotorhauptkörper vorgesehen, der Faserverbundmaterial aufweist. Dabei umfasst der Rotorhauptkörper eine oder eine Mehrzahl von zentrisch angeordneten Aufnahmen. Weiterhin umfasst der Rotor eine Mehrzahl von Magneten, die in wenigstens einer der Aufnahmen angeordnet sind, wobei in wenigstens einer der Aufnahmen mindestens zwei Magnete angeordnet sind. Bevorzugt handelt es sich bei wenigstens einem der Magnete um einen Permanentmagneten.
Vorzugsweise weist das Material des Magneten Seltene Erden Metalle oder eine chemische Verbindung mit Seltenen Erden Metallen auf. Alternativ oder ergänzend kann das Material des Magneten Neodym und/oder eine chemische Verbindung mit Neodym aufweisen. Das Material des Magneten kann auch oder alternativ die chemische Verbindung Neodym-Eisen-Bor oder Samarium-Kobalt umfassen.
Vorzugsweise ist in jeder der Aufnahmen entweder kein Magnet oder genau zwei Magnete angeordnet. Nach einer weiteren Lösung der Erfindung sind die zentrisch angeordneten Aufnahmen durch den Rotorhauptkörper hindurchgehende Löcher.
Vorzugsweise ist wenigstens eine Decklage vorgesehen, wobei die wenigstens eine Decklage derart an dem Rotorhauptkörper angeordnet ist, dass die in den zentrischen Aufnahmen angeordneten Magnete zumindest teilweise abgedeckt werden. Wenigstens eine der Decklagen weist dabei Faserverbundmaterial auf. Gemäß einer Ausführungsform werden die Magnete dabei dergestalt durch zumindest eine der Decklagen abgedeckt, dass sie aus den Aufnahmen nicht entnehmbar sind.
Vorzugsweise können an einer Vorderfläche und/oder einer Rückfläche des Rotorhauptkörpers jeweils wenigstens eine Decklage angeordnet sein.
Gemäß weiterer Ausführungsformen weist das Faserverbundmaterial des Rotors Carbon, Epoxidharz und/oder Polypropylen auf.
Die Erfindung sieht des Weiteren eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem erfindungsgemäßen Rotor vor.
Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Rotors.
Schließlich sieht die Erfindung die Verwendung des erfindungsgemäßen Rotors in einer elektrischen Maschine als Antrieb für ein Luft-, Wasser- oder Landfahrzeug oder als Generator in einer Stromerzeugungsvorrichtung vor. Die Stromerzeugungsvorrichtung kann Wind- und Wasserkraftanlagen umfassen.
Nachstehend werden weitere bevorzugte beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:
1 eine elektrische Maschine,
2 einen Rotorhauptkörper,
3a einen vergrößerten Teilbereich eines Rotorhauptkörpers,
3b einen vergrößerten Teilbereich eines Rotorhauptkörpers,
4a eine Seitenansicht eines Rotorhauptkörper mit Decklagen,
4b eine Seitenansicht eines Rotorhauptkörpers mit einem Befestigungsflansch,
5 einen Rotor,
6 einen Ausschnitt eines Rotorhauptkörpers,
7 eine Rotor-Welle-Anordnung,
8 eine elektrische Maschine,
9a, 9b 9c und 9d verschiedene Lagerungsvorrichtungen,
10a und 10b weitere Lagerungsvorrichtungen,
11 eine Negativform zur Rotorherstellung,
12 eine weitere Negativform zur Rotorherstellung,
13 ein Flussdiagramm für verschiedene Herstellverfahren,
14 ein Diagramm gemäß dem Stand der Technik
15 eine elektrische Maschine,
16 ein Hybridsystem, und
17a und 17b eine elektrische Schaltungsanordnung einer Motor/Generatorvorrichtung.
Vor auf die Zeichnung bezugnehmenden, detaillierten Erläuterung, sind im Folgenden allgemeine Anmerkungen zu der vorliegenden Erfindung, Varianten und Ausführungsformen derselben sowie alternative oder optionale zusätzliche Aspekte zu finden.
Es ist ein Rotor für eine elektrische Maschine mit einem Rotorhauptkörper vorgesehen, der Faserverbundmaterial aufweist. Dabei kann der Rotorhauptkörper eine oder eine Mehrzahl von zentrisch zur Mitte des Rotorhauptkörpers angeordnete Aufnahmen umfassen. Weiterhin kann der Rotor eine Mehrzahl von Magneten umfassen, die in wenigstens einer der Aufnahmen angeordnet sind, wobei in wenigstens einer der Aufnahmen mindestens zwei Magnete angeordnet sind. Bevorzugt handelt es sich bei wenigstens einem der Magnete um einen Permanentmagneten.
Vorzugsweise weist das Material des Magneten Seltene Erden Metalle oder eine chemische Verbindung mit Seltenen Erden Metallen auf. Ergänzend oder alternativ kann das Material des Magneten Neodym und/oder eine chemische Verbindung mit Neodym aufweisen. Das Material des Magneten kann auch oder alternativ die chemische Verbindung Neodym-Eisen-Bor oder Samarium-Kobalt umfassen.
Es ist vorgesehen, dass in jeder der Aufnahmen entweder kein Magnet oder genau zwei Magnete angeordnet sind. Nach einer weiteren Lösung der Erfindung sind die zentrisch angeordneten Aufnahmen durch den Rotorhauptkörper hindurchgehende Löcher.
Vorzugsweise ist wenigstens eine Decklage vorgesehen, wobei die wenigstens eine Decklage derart an dem Rotorhauptkörper angeordnet sein kann, dass die in den zentrischen Aufnahmen angeordneten Magnete zumindest teilweise abgedeckt werden. Wenigstens eine der Decklagen kann dabei Faserverbundmaterial aufweisen. Gemäß einer Ausführungsform können die Magnete dabei dergestalt durch zumindest eine der Decklagen abgedeckt sein, dass sie aus den Aufnahmen nicht entnehmbar sind.
Nach einer weiteren Ausführungsform können an einer Vorderfläche und/oder einer Rückfläche des Rotorhauptkörpers jeweils wenigstens eine Decklage angeordnet sein.
Das Faserverbundmaterial des Rotors kann Carbon, Epoxidharz und/oder Polypropylen aufweisen.
Des Weiteren ist eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem erfindungsgemäßen Rotor vorgesehen.
Bei dem Herstellungsverfahren kann wenigstens eine Faser für das Faserverbundmaterial derart ausgelegt wird, dass sie in/auf ein formgebendes Mittel gelegt werden. Es kann auch vorgesehen sein, dass Faserverbundmaterial aufweisendes Halbzeug zum Bilden des Rotorhauptkörpers verwendet wird. Vorzugsweise wird dabei wenigstens eine Faser für das Faserverbundmaterial derart ausgelegt, dass sie in/auf ein formgebendes Mittel gelegt wird.
Auch sieht die Erfindung die Verwendung des Rotors in einer elektrischen Maschine als Antrieb für ein Luft-, Wasser- oder Landfahrzeug oder als Generator in einer Stromerzeugungsvorrichtung vor. Die Stromerzeugungsvorrichtung kann Wind- und Wasserkraftanlagen umfassen und oder ausgelegt sein von einem Fahrzeug erzeugte rotatorische Kräfte und/oder Momente in elektrische Energie umzuwandeln.
Außerdem sieht die Erfindung eine als Nabenmotor und/oder – generator für ein Fahrzeug ausgeführte elektrische Maschine vor.
Ferner ist ein Rotor für eine elektrisch Maschine mit einem Rotorhauptkörper vorgesehen, der aus Faserverbundmaterial besteht. Ein an dem Rotorhauptkörper angeordneter Befestigungsflansch kann ebenfalls aus Faserverbundmaterial bestehen. Vorzugsweise sind der Rotorhauptkörper und der Befestigungsflansch einstückig aus Faserverbundmaterial bestehend und werden zusammen als Rotor bezeichnet.
Der Befestigungsflansch kann flächig an einer Vorder- und einer Rückseite des Rotorhauptkörpers angeordnet sein. Vorzugsweise ist der Rotor zylinderförmig und dessen Vorderseite eine kreisförmige Fläche, d. h. der Zylinderdeckel, die der ebenfalls kreisförmigen Rückseite, d. h. der Zylinderboden, gegenüberliegt. Vorteilhafterweise ist das Verhältnis Rotorhauptkörperdurchmesser zu Rotorhauptkörperdicke hoch, d. h. der Rotorhauptkörper ist vorteilhafterweise flach und hat daher geringeres Gewicht. Wenn der Rotor in seiner Mitte mit einer Welle verbunden werden soll, ist es bevorzugt, wenn der Rotor in der Mitte dicker ist. Dazu kann an der Vorder- und/oder Rückseite des Rotors ein Befestigungsflansch angeordnet werden. Der Befestigungsflansch erhöht vorzugsweise die Dicke des Rotorhauptkörpers zu dessen Mitte hin.
Der Befestigungsflansch kann ausgelegt sein ein Drehmoment vom Rotorhauptkörper an die Welle zu übertragen, die an dem Befestigungsflansch angeordnet ist. Dies ermöglicht z. B. eine Baugruppe aus vorzugsweise miteinander verbundenen Komponenten, wobei die Komponenten den Rotorhauptkörper, den Befestigungsflansch und die Welle umfassen.
Der Befestigungsflansch kann formschlüssig zur Welle ausgebildet sein. Vorzugsweise weist der Befestigungsflansch ein Passloch auf, in das die Welle eingepasst wird. Vorzugsweise wird eine feste Passung (z. B. Presspassung) verwendet, um ein Befestigungsspiel, mechanischen Verschleiß und Verluste sowie Unwuchten im Rotor vermeiden oder reduzieren zu können.
Wenigstens eine Faser eines Fasermaterials kann den Rotorhauptkörper und den Befestigungsflansch bilden. Vorzugsweise wird die wenigstens eine Faser gewickelt, gelegt, gespannt oder auf eine andere Art so angeordnet, dass ein Volumenkörper wie der Rotorhauptkörper und/oder der Befestigungskörper einstückig gebildet werden kann. Das kann den Vorteil haben, dass Rotorhauptkörper und der Befestigungsflansch eine verbesserte, hohe Stabilität aufweisen. Sind der Rotorhauptkörper und der Befestigungsflansch miteinander d. h. einstückig ausgebildet, so kann ein zusätzlicher Verbindungsvorgang zweier Bauteile weggelassen und ein fester Zusammenhalt und eine schnelle Herstellung erreicht werden.
Der Befestigungsflansch kann wenigstens ein Bauteil umfassen, das aus plattenartigem Faserverbundhalbzeug gebildet ist. Vorzugsweise ist der Befestigungsflansch aus ein oder mehreren flachen aufeinandergestapelten Bauteilen gebildet. Vorteilhafterweise ist ein solches Bauteil ein leicht verfügbares, einfach aufgebautes Bauteil, das leicht und schnell herstellbar ist. Durch Bauteile mit verschiedener Größe und verschiedenen mechanischer Eigenschaften kann vorteilhafterweise ein Befestigungsflansch in einem ”Baukastensystem” zusammengesetzt und anwendungsspezifisch gebildet werden. Unter plattenartigem Faserverbundhalbzeug ist vorzugsweise eine aus Faserverbund-Rohmaterial gebildete Platte zu verstehen, die leicht durch gängige Berarbeitungsverfahren in eine gewünschte Form gebracht werden kann. Der Veredelungsvorgang vom Faserverbundhalbzeug bis zum Befestigungsflansch ist vorteilhafterweise kurz, preiswert und kann mit gängigen Maschinenbauwerkzeugen bewältigt werden. Unter plattenartigem Faserverbundhalbzeug können vorzugsweise auch oder alternativ vorgefertigte Stäbe, Holme, Rohre, Matten und Sandwichplatten, die jeweils Faserverbundmaterial aufweisen können, verstanden werden.
Die wenigstens eine Faser zur Mitte des Rotors hin kann eine Verdickung bilden. Vorzugsweise entsteht bei einer gleichmässig radial geführten Anordnung der wenigstens einen Faser eine natürliche Verdickung zur Mitte des Rotors hin. Vorteilhafterweise kann die Verdickung einen Befestigungsflansch bilden.
Es ist ein Rotor einer elektrischen Maschine mit einem Rotorhauptkörper vorgesehen, der aus Faserverbundmaterial besteht. Der Rotor weist wenigstens eine Aufnahme zur Anordnung von wenigstens einem Magneten auf. Die wenigstens eine Faser erstreckt sich entlang von wenigstens zwei benachbarten Seiten der wenigstens einen Aufnahme. Der Vorteil eines aus Faserverbundmaterial bestehenden Rotors ist niedrigeres Gewicht und höhere Stabilität im Vergleich zu herkömmlichen aus Weicheisenmaterial bestehenden Rotoren.
Die wenigstens eine Faser kann als Schlinge um die wenigstens eine Aufnahme geführt sein und dabei maximal eine Seite der wenigstens einen Aufnahme frei lassen. Vorzugsweise führt eine Schlinge so um eine Aufnahme, die beispielsweise vier Seiten aufweist, dass drei von diesen Seiten umschlungen sind.
Die wenigstens eine Faser kann wenigstens zwei benachbarte Aufnahmen wenigstens teilweise umschlingen.
Der Rotorhauptkörper kann wenigstens ein Flanschloch und/oder eine zentrale Wellenaufnahme und/oder Wellendurchführung umfassen, das bzw. die von wenigstens einer Faser wenigstens teilweise umschlungen sein kann bzw. können.
Die wenigstens eine Faser kann wenigstens teilweise den Umfang des Rotorhauptkörpers umschlingen.
Vorzugsweise umschlingt die wenigstens eine Faser wenigstens zwei Stellen des Rotorhauptkörpers, wobei eine Stelle eine Aufnahme, eine zentrale Wellenaufnahme, ein Flanschloch oder einen bestimmter Bereich des Rotorhauptkörpers umfasst. Der Vorteil von einer in Schlingen geführten Faser ist eine höhere Stabilität des Rotors. Führt die Schlinge um eine Stelle, kann dort eine verbesserte Zugfestigkeit zu einer anderen Stelle im Rotorhauptkörper hergestellt werden. Eine Schlingenführung von inneren Stellen des Rotorhauptkörpers zu seinen äußeren Stellen wirkt beispielsweise der Fliehkraft auf äußere Stellen des Rotorhauptkörpers entgegen.
Vorzugsweise umfasst die wenigstens eine Faser eine Endlosfaser und/oder stückweise Verdickungsfasern. Die Endlosfaser hat den Vorteil, dass sie als aufgespultes Ausgangsmaterial leicht zu verarbeiten ist. Zusätzlich ermöglichen Verdickungsfasern die Herstellung eines Rotorhauptkörpers mit konstanter und gleichmäßiger Dicke.
Wird ein scheibenförmiger Rotorhauptkörper durch wenigstens eine Faser gebildet, so kann eine natürliche Materialverdickung zur Mitte des Rotorhauptkörpers eine Nabe, einen Befestigungsflansch oder eine Wellenanbindung bilden. Vorteilhafterweise kann wenigstens ein Flanschloch als Auswuchtmittel für den Rotorhauptkörper dienen, insbesondere dann, wenn dieser scheibenförmig gebildet ist.
Vorzugsweise umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines Rotor für eine elektrische Maschine, dass ein Rotorhauptkörper als Rotor nur aus Faserverbundmaterial hergestellt wird, und ein nur aus Faserverbundmaterial bestehender Befestigungsflansch am Rotorhauptkörper angeordnet wird.
Ferner ist eine Rotor-Welle-Anordnung für eine elektrische Maschine vorgesehen, die eine Welle und einen an der Welle angeordneten Rotor mit einem Faserverbundmaterial aufweisenden Rotorhauptkörper umfasst, wobei die Welle und der Rotorhauptkörper mittels wenigstens einer Längsstiftverbindung gekoppelt sind. Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass die Rotor-Welle-Anordnung einen Flansch aufweist, der mit dem Rotorhauptkörper verbunden ist, wobei der Rotorhauptkörper und der Flansch mittels wenigstens einer der Längsstiftverbindungen mit der Welle gekoppelt sind. Bevorzugt umfasst die Längsstiftverbindung wenigstens einen Längsstift aus einem vorbestimmten Material, der gegen einen anderen Längsstift austauschbar ist. Vorzugsweise kann das vorbestimmte Material dabei ein elastischer Werkstoff sein. Weiterhin kann es vorgesehen sein, dass die Längsstiftverbindung den wenigstens einen Längsstift bei hohem Drehmoment abschert. Weiterhin kann die Längsstiftverbindung Anlauf- und/oder Bremsschlupf und/oder mechanische Dämpfung ermöglichen.
Ferner ist ein Hybridsystem mit einer Verbrennungsmotoreinheit oder einer anderen Drehantriebseinheit, einer Getriebeeinheit und einer Elektromotoreinheit mit einer Welle vorgesehen, wobei die Getriebeeinheit das Drehmoment der Verbrennungsmotoreinheit oder einer anderen Drehantriebseinheit mit dem Drehmoment der Elektromotoreinheit summiert und die Elektromotoreinheit wenigstens einen Faserverbundmaterial aufweisenden Rotor umfasst, der durch eine Längsstiftverbindung an die Welle der Elektromotoreinheit gekoppelt ist.
Weiterhin kann die Längsstiftverbindung zur Kopplung des Rotorhauptkörpers mit der Welle wenigstens einen Längsstift aus einem vorbestimmten Material umfassen, der gegen einen Längsstift aus einem anderen vorbestimmten Material austauschbar ist. Dabei kann das vorbestimmte Material ein elastischer Werkstoff sein. Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass die Längsstiftverbindung bei hohem Drehmoment abschert. Darüber hinaus ist eine Ausführung des Hybridsystems vorgesehen, die Anlauf- und/oder Bremsschlupf und/oder mechanische Dämpfung ermöglicht.
Des weiteren ist eine elektrische Maschine mit einem Stator und der oben beschriebenen Rotor-Welle-Anordnung bereitgestellt.
Weiterhin ist ein Verfahren zur Herstellung einer Rotor-Welle-Anordnung vorgesehen, das die folgenden Schritte umfasst:

– Bereitstellen eines Faserverbundmaterial aufweisenden Rotorhauptkörpers
– Bereitstellen einer Welle
– Anordnen des Rotorhauptkörpers und der Welle, so dass die Welle und der Rotorhauptkörper mittels wenigstens einer Längsstiftverbindung gekoppelt sind.

Des Weiteren ist eine oben beschriebene Rotor-Welle-Anordnung, ein oben beschriebenes Hybridsystem und/oder eine oben beschriebene elektrische Maschine als ein und/oder für einen Antrieb für ein Luft-, Wasser- oder Landfahrzeug oder als Generator in einer Stromerzeugungsvorrichtung vorgesehen, wobei die Stromerzeugungsvorrichtung Wind- und Wasserkraftanlagen umfasst.
Ferner ist eine Lagerungsanordnung mit einem an einer Rotationsachse drehbar angeordneten Rotor aus Faserverbundmaterial und wenigstens einem Rotorlager vorgesehen, das in einem radial von der Rotationsachse beabstandeten Bereich mit dem Rotor in Wirkverbindung steht. Dabei kann wenigstens eines der Lager und insbesondere zwei Lager an einem radial außen liegenden Bereich des Rotors mit diesem in Wirkverbindung stehen. Auch kann vorgesehen sein, dass wenigstens zwei der Lager an verschiedenen Seiten des Rotors mit diesem in Wirkverbindung stehen. Nach einer Lösung steht wenigstens eines der Lager mit der Welle in Wirkverbindung. Weiterhin kann vorgesehen sein, dass wenigstens eines der Lager an oder innerhalb eines Stators des Elektromotors vorgesehen ist. Wenigstens eines der Lager, das an einem radial außen liegenden Bereich des Rotors mit diesem in Wirkverbindung steht, kann dabei ein Gleitlager sein.
Für eine der oben beschriebenen Lagerungsvorrichtungen kann eine Magnetlagerung vorgesehen sein, für die Magnete, insbesondere Permanentmagnete, an dem oder innerhalb des Rotors vorgesehen sein können. Die Magnetlagerung kann aktiv steuerbar sein. Bevorzugt kann dabei vorgesehen sein, dass eine kreisförmige Anordnung einer Gruppe von Permanentmagneten an dem oder innerhalb des Rotors und eine entsprechend kreisförmige Anordnung von einer Gruppe von außen liegenden feststehenden Permanentmagneten oder Feldspulen in der Nähe des Rotors bei repulsiver Feldkraft eine radiale Zentrierwirkung auf den Rotor ausübt und ein Radiallager entlastet. Weiterhin kann es bevorzugt sein, dass die Welle durch wenigstens zwei Lager gestützt ist.
Des weiteren ist eine elektrische Maschine mit einem Stator, einem Rotor, einer Welle und einer Lagerungsanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche vorgesehen.
Darüber hinaus ist ein Verfahren zur Herstellung einer Lagerungsanordnung für einen Elektromotor vorgesehen, wobei ein Rotor aus Faserverbundmaterial, eine Welle und ein Rotorlager bereitgestellt wird, und wobei der Rotor, die Welle und das Rotorlager derart angeordnet sind, dass der Rotor drehbar um eine Rotationsachse angeordnet ist und wobei das wenigstens eine Rotorlager in einem radial von der Rotationsachse beabstandeten Bereich mit dem Rotor in Wirkverbindung steht.
Weiterhin ist ein Verfahren zur Herstellung einer oben beschriebenen elektrischen Maschine vorgesehen, wobei zur Herstellung der Lagerungsanordnung das oben beschriebene Verfahren verwendet wird.
Schließlich ist eine Verwendung der oben beschriebenen Lagerungsvorrichtung in einer elektrischen Maschine als Antrieb für ein Luft-, Wasser- oder Landfahrzeug oder als Generator in einer Stromerzeugungsvorrichtung, insbesondere bei Wind- und Wasserkraftanlagen vorgesehen.
Es ist ferner ein Verfahren zur Herstellung eines aus Faserverbundmaterial bestehenden Rotors mit einem Rotorhauptkörper für einen Elektromotor vorgesehen, das die folgenden Schritte umfasst: Zusammenführen von Fasern eines Fasermaterials mit einer Matrix zu einem Fasergemenge, Einbringen des Fasergemenges mit diffus angeordneten Fasern in eine der Form des Rotorhauptkörpers entsprechende Negativform, Komprimieren des in der Negativform eingebrachten Fasergemenges und Aushärten des komprimierten Fasergemenges, das vorzugsweise bei vorbestimmter Temperatur und vorbestimmtem Druck geschieht.
Vorzugsweise entstehen die Fasern des Fasermaterials durch Trennen, Zerschneiden oder ähnliches einer Endlosfaser in Faserteile bestimmter Länge. Vorzugsweise werden diese Faserteile mit einer Matrix zusammengeführt. Die Matrix ist dabei vorzugsweise ein Bindemittel oder Verbindungsmittel, das in Verbindung mit den Fasern bestimmte vorteilhafte physikalische und mechanische Eigenschaften ausbildet.
Eine Matrix kann beispielsweise aus der Gruppe der Duroplaste (z. B. ungesättigte Polyesterharze, Vinylesterharze, Epoxidharze) oder aus der Gruppe der Thermoplaste (z. B. Polypropylen, Polyamid, Polyethylenterephtalat, Polyphenylensulfid, Polyetheretherketon) stammen.
Diffus angeordnete Fasern erlauben vorteilhafterweise eine schnelle und preisgünstige Verarbeitung, da kein Zwischenschritt zum Ausrichten oder gezielten Anordnen der Fasern notwendig ist. Vorzugsweise geschieht das Zusammenführen der Fasern mit der Matrix entweder vor dem Einbringen in die Negativform als Fasergemisch oder die diffus angeordneten Fasern werden nach dem Einbringen in die Negativform mit einer flüssigen Matrix zusammengeführt.
Das Aushärten des Fasergemisches ist vorzugsweise ein Vorgang, der einen Phasenübergang der Matrix von flüssig nach fest hervorruft. Bei Duroplasten ist dieser Phasenübergang beispielsweise irreversibel, bei Thermoplasten reversibel. Aushärten bedeutet in diesem Zusammenhang nicht zwangsläufig, dass das nach dem Aushärten entstandene Faserverbundbauteil hart oder versteift ist; es kann je nach Matrix- und Fasertyp verschiedene mechanische und physikalische Eigenschaften aufweisen, wie z. B. hohe Zähigkeit, niedriges Gewicht, elektrische Leitfähigkeit, hohe Flexibilität etc.
Das Faserverbundmaterial und/oder die Faser kann Carbon umfassen. Carbon ist ein besonders leichter und strapazierfähiger Werkstoff, der als Fasermaterial viele Formen bilden kann und durch Zusammenwirken mit einem Bindemittel eine solche Form dauerhaft beibehält. Ein aus Carbon-Faserverbundmaterial hergestellter Rotorhauptkörper ist leicht und kann trotzdem einwirkenden Kräften und Momenten standhalten.
Das Fasergemenge kann mittels einer Mikrowellenquelle erwärmt werden. Wenn das Faserverbundmaterial Carbon umfasst, kann die elektrische Leitfähigkeit von Carbon dazu eingesetzt werden, durch eine Mirkowellenquelle erhitzt zu werden. Das hat gegenüber herkömmlichen Autoklavenprozessen den Vorteil verringerten Energiebedarfs, um das Fasergemisch auszuhärten.
Das Fasergemenge kann vorzugsweise während des Erhitzens durch eine Mikrowelle in einer Negativform unter vorbestimmtem Druck stehen, oder das Fasergemenge wurde vor dem Erhitzen in der Negativform unter vorbestimmten Druck gepresst. Alternativ kann ein vorbestimmter Druck anstatt von einer Negativform vermittelt durch das Fasergemenge umgebenden Gasdruck hervorgerufen werden. Das hat den Vorteil, dass das Fasergemenge eine hohe Materialdichte und dabei niedriges Volumen erreicht.
Da die meisten Carbonarten einen negativen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, ist für den Aushärteschritt von in einer Negativform eingebrachtem Fasergemenge vorzuziehen, dass das Material der Negativform ebenfalls Faserverbundmaterial und insbesondere Carbon aufweist.
Desweiteren ist eine Negativform zur Herstellung eines Rotorhauptkörper vorgesehen, wobei wenigstens eine Faser in oder an der Negativform liegt und ein Bindemittel oder Verbindungsmittel Abschnitte der wenigstens einen Faser miteinander verbindet.
Eine elektrische Maschine kann einen Stator und einen Rotor umfassen, der den Rotorhauptkörper nach einer der oben genannten Lösungen umfasst. Vorzugsweise ist eine solche elektrische Maschine ein Scheibenläufer-Elektromotor/generator mit permanenterregtem Rotor und dient als Antrieb für ein Luft-, Wasser- oder Landfahrzeug oder als Generator in einer Stromerzeugungsvorrichtung, wobei die Stromerzeugungsvorrichtung gemäß einer Lösung Wind- und Wasserkraftanlagen umfasst.
1 zeigt eine elektrische Maschine, die einen Stator 102 und einen Rotorhauptkörper 104 umfasst. Der Rotorhauptkörper 104 kann dabei scheibenförmig, zylinderförmig, kegelstumpfförmig oder doppelkegelstumpfförmig sein. Am Rotorhauptkörper 104 kann zusätzlich ein Befestigungsflansch angeordnet sein, wobei eine Anordnung Rotorhauptkörper 104 mit einem Befestigungsflansch als Rotor bezeichnet wird.
Des Weiteren zeigt 1 zwei in der Schnittdarstellung des Rotorhauptkörpers 102 sichtbare Magnete 106, z. B. Permanentmagnete, von denen mehrere ringförmig im oder am Rotorhauptkörper 104 angeordnet sind, sowie im Stator 102 vorgesehene Statorwicklungen (nicht gezeigt). Weiterhin zeigt 1 eine Welle 108, die beispielsweise durch den Befestigungsflansch mit dem Rotorhauptkörper 104 so verbunden ist, dass eine Drehbewegung der Welle 108 zu einer Drehbewegung des Rotorhauptkörpers 104 führt und umgekehrt. Die Welle 108 kann z. B. ein stabförmiges Bauteil aus Vollmaterial oder ein hohlzylinderförmiges Bauteil sein, wobei der Querschnitt eines solchen Bauteils vollständig oder teilweise kreisförmig, rechteckförmig, elliptisch oder gezahnt sein kann und als Gelenk-, Hohl-, Kardan- oder biegsame Welle ausgeführt ist.
Des Weiteren stellt 1 zwei Lager 110 dar, die die Welle 108 radial stützen, so dass die Welle 108 und der mit ihr verbundene Rotorhauptkörper 104 auch bei Drehung um seine Rotationsachse radial in ihrer Lage gehalten werden.
Wird die elektrische Maschine 100 als Motor betrieben, so treten die am Rotorhauptkörper 104 angebrachten Magnete 106 derart mit den Statorwicklungen am Stator 102 in magnetische Wechselwirkung, dass es zu einer Drehung des Rotorhauptkörpers 100 und der mit ihm verbundenen Welle 108 um die Rotorachse kommt. Bei einem Betrieb der elektrischen Maschine als Generator ist die Wirkweise der elektrischen Maschine dagegen umgekehrt: Eine Drehung der Welle 108 und des mit ihr verbundenen Rotorhauptkörpers 104 führt zu einer elektromagnetischen Wechselwirkung zwischen den auf dem Rotorhauptkörper angeordneten Magneten 106 und den Statorwicklungen, wodurch schließlich elektrischer Strom erzeugt wird.
Durch die Anordnung in 1 kann der Rotorhauptkörper 104 bei einem Durchmesser von vorzugsweise größer zwei Metern, vier Metern, sechs Metern und mehr stabil und mit kleinem Statorspalt 112 bei hohen Drehzahlen im Stator drehen, sodass eine gute magnetische Wechselwirkung zwischen den Magneten 106 und dem Stator ausgenutzt wird.
Außerdem ist eine Umkehrung der mechanisch bewegten Bauteile in 1 möglich. Das heißt ein Rotor 104 als außenliegendes Bauteil umgreift einen Stator als innenliegendes Bauteil.
2 zeigt einen Rotorhauptkörper 200, der scheibenförmig und mit einer vorbestimmten Dicke vorgesehen ist. Das Material des Rotorhauptkörpers 200 umfasst dabei Faserverbundmaterial, vorzugsweise Carbonfaserverbundmaterial. Der Rotorhauptkörper 200 umfasst weiterhin 172 (nur beispielhafte Anzahl) rechteckförmige Aufnahmen 202, die zentrisch um die Rotationsachse des Rotorhauptkörpers 200 und nahe von dessen Außenrand angeordnet sind. Zentrisch angeordnete Flanschlöcher 204 und die mittig im Rotorhauptkörper 200 liegende Wellendurchführung 206 sorgen für eine Verbindungsmöglichkeit mit einer Welle (nicht gezeigt). Die zentrisch angeordneten Flanschlöcher 204 sind zwischen der mittig liegenden Wellendurchführung 206 und den nahe am Außenrand des Rotorhauptkörpers 200 liegenden Aufnahmen 202 angeordnet. Die Anzahl und Anordnung der Flanschlöcher 204 kann dabei insbesondere von zu übertragenden Kräften und Momenten abhängen.
Die rechteckförmigen Aufnahmen 202 dienen zur Aufnahme von Magneten, insbesondere von Permanentmagneten. Jeweils wenigstens ein Magnet kann dabei in allen, einer Mehrzahl, insbesondere zwei, drei, vier, fünf, acht, elf oder 16, oder aber in genau einer Aufnahme angeordnet sein. Dabei werden für den Rotorhauptkörper 200 eine beliebig wählbare Anzahl von Aufnahmen 202 vorgesehen, beispielsweise genau eine Aufnahme, zwei, drei, vier, fünf, acht, 13, 16, 65 oder 172 Aufnahmen.
3a zeigt in einer vergrößerten Darstellung einen Teilbereich eines Rotorhauptkörpers 200. Die Aufnahmen 302 am Außenrand des Rotorhauptkörpers nehmen jeweils einen Magneten 304 auf. Während des Betriebs der elektrischen Maschine treten die Magnete 312 in magnetische Wechselwirkung mit den am Stator angeordneten Statorwicklungen (nicht gezeigt) und erzeugen hierdurch Strom (soweit die elektrische Maschine als Generator fungiert), beziehungsweise lösen hierdurch eine Drehbewegung des Rotors aus (falls die elektrische Maschine als Motor arbeitet). In 3a (und ebenso in 3b) ist der Nordpol der Magneten 312 mit N bezeichnet.
In dem in 3b gezeigten Beispiel werden nun in den Aufnahmen 302 anstatt einem, jeweils zwei kleinere Magnete 312, 314 längs nebeneinander angeordnet. Bei den kleineren Magneten 312, 314 handelt es sich dabei um separat voneinander magnetisierte Magnete. Verglichen mit 3a haben die beiden kleineren Magnete 312, 314 insgesamt das Volumen eines der dort gezeigten Magnete 304. Es wird die Eigenschaft zunutze gemacht, dass bei der Herstellung von Magneten kleinere ferromagnetische Körper in der Regel besser magnetisiert werden können als größere. So haben zwei kleinere Magnete in der Regel eine höhere Magnetisierung als ein vergleichbarer Magnet, dessen Volumen dem der Summe der Volumina der beiden kleineren Magnete entspricht, wenn dieser in demselben magnetischen Feld auf dieselbe Weise wie die beiden kleineren Magnete magnetisiert worden ist.
Mit dem in 3b gezeigten Beispiel kann erreicht werden, dass die in einer Aufnahme befindlichen Magnete bei gleichem Gesamtvolumen und gleichem Gesamtgewicht eine größere Magnetisierung aufweisen als ein vergleichbar hergestellter, doppelt so großer Magnet in einer Aufnahme, wie sie z. B. in 3a zu sehen ist. Es kann stellt somit ein Rotor mit leistungsfähigeren Magneten bei gleichem Volumen und Gewicht bereitgestellt werden. Da der Rotorhauptkörper Faserverbundmaterial umfasst, wird das Gewicht des Rotors im Vergleich zu einem ebenso leistungsfähigen, herkömmlich hergestellten Rotor weiter vermindert.
Ist die Rede davon, dass in wenigstens einer Aufnahme mindestens zwei Magnete angeordnet sind, so sind unter ”mindestens zwei Magneten” oder ähnlichen Formulierungen auch solche Anordnungen zu verstehen, bei denen wenigstens zwei ferromagnetische Körper zwar als separate Körper magnetisiert wurden, dann aber nach ihrer Magnetisierung oder nach einem ersten Magnetisierungsvorgang, dem weitere Magnetisierungsvorgänge folgen können, zu einem Körper zusammengefügt werden, insbesondere durch Zusammenkleben oder anderer Verfahren zum Zusammenfügen von Gegenständen. Die hier dargestellten Vorzüge der Verwendung von Magneten, die als kleinere Körper magnetisiert wurden, kommen auch bei derartigen Ausführungsbeispielen zum Tragen.
In dem in 3b dargestellten Beispiel zeigen die Nordpole zweier Magnete 312, 314 immer entweder zur Mitte oder aber zum Rand des Motors. Weitere Beispiele umfassen Anordnungen, bei denen die Nordpole der in einer Aufnahme befindlichen zwei Magnete in verschiedene Richtungen zeigen. Andere Beispiele umfassen des Weiteren Anordnungen, bei denen die Magnete einer Aufnahme nicht an ihren Längskanten, sondern an ihren kurzen Kantenflächen benachbart angeordnet sind. Bei weiteren Beispielen sind in wenigstens einer Aufnahme drei, vier oder mehr kleinere Einzelmagnete angeordnet. Während in dem in 3b gezeigten Beispiel der Nordpol der Magnete in benachbarten Aufnahmen immer in unterschiedliche Richtungen zeigt, sind auch Beispiele umfasst, bei denen die Nordpole der Magnete immer in dieselbe Richtung zeigen. Des Weiteren können Beispiele vorgesehen sein, bei denen die Pole der Einzelmagnete beliebig gerichtet angeordnet sind.
4a zeigt einen Rotorhauptkörper 402 und eine Welle 404 in einer Seitenansicht. Der Rotorhauptkörper 402 weist, wie in
3 gezeigt, rechteckförmige Aufnahmen 406 auf, von denen eine in der Schnittdarstellung oberhalb der Symmetrielinie zu sehen ist. Auf der Vorder- und Rückseite des Rotorhauptkörpers 402 sind zwei Decklagen 412, 414 angeordnet, die aus plattenartigem Halbzeug aus Carbonfaserverbundmaterial hergestellt sind. Die Decklagen 412, 414 bedecken die rechteckförmigen Aufnahmen 406 und darin gegebenenfalls angeordnete Magnete, von denen in der Schnittdarstellung ein Magnet 420 sichtbar ist.
Bei den Aufnahmen 406 des Rotorhauptkörpers 402 handelt es sich um hindurchgehende Löcher. Dabei werden in den Aufnahmen 406 je zwei der oben beschriebenen Magnete (nicht gezeigt) angeordnet. Die beiden Decklagen 412 und 414 sind an dem Rotorhauptkörper befestigt und verhindern ein Herausfallen der Magnete. Bei einem Beispiel weisen die Decklagen 412, 414 Faserverbundmaterial auf. Hierdurch wird sichergestellt, dass die die Magnete haltenden Decklagen 412, 414 geringes Gewicht aufweisen.
Weitere Beispiele sehen vor, dass die Aufnahmen 406 lediglich Ausnehmungen darstellen, die keine durch den Rotorhauptkörper hindurchgehenden Löcher sind. In einem solchen Fall kann vorgesehen sein, dass lediglich eine Decklage 412 zur Befestigung der Magnete 420 am Rotorhauptkörper 402 angeordnet ist.
4b zeigt einen Befestigungsflansch 400. Ferner zeigt 4b eine Seitenansicht des in 1 gezeigten Rotorhauptkörpers 104 und eine Welle 404. Der Rotorhauptkörper 402, der oberhalb der Welle 404 in Schnittdarstellung gezeigt ist, weist eine rechteckförmig Aufnahme 406, wie in 1 gezeigt, auf. An der Vorder- und Rückseite 408 bzw. 410 des Rotorhauptkörpers 402 sind zwei Decklagen 412 und 414 angeordnet, die aus plattenartigem Halbzeug aus Carbonfaserverbundmaterial hergestellt sind und beidseitig vom Außenrand 416 des Rotorhauptkörpers 402 bis zu einer inneren Befestigungsflanschscheibe 418 reichen. Die Decklagen 412 und 414 bedecken die rechteckförmigen Aufnahmen 406 und darin angeordnete Magnete, z. B. Permanentmagnete, von denen in der Schnittdarstellung ein Permanentmagnet 420 sichtbar ist.
Zur Mitte des Rotorhauptkörpers 402 hin sind an dessen Vorderseite 408 und Rückseite 410 je zwei innere und äußere Befestigungsflanschscheiben 418 und 422 angeordnet. Die inneren Befestigungsflanschscheiben 418 sind direkt am Rotorhauptkörper 402 durch ein Haftmittel (nicht gezeigt) angebracht und weisen einen geringeren Durchmesser als der Rotorhauptkörper 402 sowie einen größeren Durchmesser als die äußeren Befestigungsflanschscheiben 422 auf. Die äußeren Befestigungsflanschscheiben 422 sind wiederum durch ein Haftmittel (nicht gezeigt) jeweils mit einer ihnen benachbarten inneren Befestigungsflanschscheibe 418 verbunden. Die Befestigungsflanschscheiben 418 und 422 sind aus plattenartigem Carbonfaserverbundhalbzeug hergestellte Bauteile. Der gesamte Befestigungsflansch stellt eine form- und kraftschlüssige Verbindung zur Welle 404 her.
In Zusammenhang mit 4b erläuterte Begriffe mit dem Bestandteil -”scheibe” sind nicht einschränkend auf zylinderförmige Bauteile zu verstehen. Vielmehr können der Rotorhauptkörper 402 und/oder die Befestigungsflanschscheiben 418 und 422 einen rechteckigen, elliptischen, ringförmigen Querschnitt oder dergleichen aufweisen. Die Befestigungsflanschscheiben 418 und 422 können einstückig miteinander gebildet und an den Rotorhauptkörper 402 angeordnet werden oder die Befestigungsflanschscheiben 418 und 422 sind mit dem Rotorhauptkörper 402 integral ausgebildet.
Die Befestigungsflanschscheiben 418 und 422 verleihen dem Rotorhauptkörper eine flächen- und volumenmässig größere Schnittstelle zur Welle 404, wodurch die Übertragung von Kräften und Momenten zwischen dem Rotorhauptkörper 402 und der Welle 404 verbessert wird.
5 zeigt einen Rotor 500. Von außen sind der Reihe nach in 5 zu sehen: ein Rotorhauptkörper 502, ein mit dem Rotorhauptkörper 502 einstückig ausgebildeter kegelstumpfförmiger Befestigungsflansch 504, eine im Befestigungsflansch 504 vorgesehene Wellendurchführung 506 mit darin eingelassener Nut 508 und eine mit einer Mitnehmernase 510 versehene Welle 512 in Querschnittdarstellung. Die Welle 512 ist durch geeignete Passung in der Wellendurchführung 506 des Befestigungsflansches 504 angeordnet. Die austauschbar an der Welle vorgesehene Mitnehmernase 510 greift in die Nut 508 ein und ermöglicht eine Übertragung von Drehmomenten und Kräften zwischen der Welle 512 und dem Rotorhauptkörper 502, sodass sich die Welle 512, der Rotorhauptkörper 502 und der Befestigungsflansch 504 mit im Durchschnitt der gleichen Winkelgeschwindigkeit in die beiden durch den Doppelpfeil 514 angezeigten Drehrichtungen drehen können.
6 zeigt einen Ausschnitt eines Rotorhauptkörpers 600. In dem sektorförmigen Ausschnitt des in 6 gezeigten Rotorhauptkörpers 600 sind beispielhafte Carbonfaserschlingen 602, 604, 606, 608, 610 veranschaulicht. Dabei führt eine Wellendurchführungs-Carbonfaserschlinge 602 um eine Wellendurchführung 612 und um eine Aufnahme 614. Eine Befestigungsflanschloch-Carbonfaserschlinge 610 führt um ein Befestigungsflanschloch 616 und um mehrere Aufnahmen 614. Eine Mehrfachaufnahmen-Carbonfaserschlinge 606, 608 führt um eine Mehrzahl an Aufnahmen 614. Oben genannte Carbonfaserschlingen können miteinander kombiniert, in Reihe hintereinander, abwechselnd, nach einem vorbestimmten Ablaufmuster und beispielsweise durch eine Endloscarbonfaser 618 realisiert werden. Außerdem sind folgende Faserschlingenführungen möglich: Faserschlingen werden in Acht-, Helix-, oder Fassbandform um ein oder mehrere Aufnahmen 614 und/oder ein oder mehrere Befestigungsflanschlöcher 616 und/oder die Wellendurchführung 612 und/oder den Außenrand des Rotorhauptkörpers 600 gewickelt oder Faserschlingen werden in geodätischen Linien zwischen zwei oder mehr Stellen gewickelt, die ein oder mehrere Aufnahmen 614 und/oder ein oder mehrere Befestigungsflanschlöcher 616 und/oder die Wellendurchführung 612 und/oder den Außenrand des Rotorhauptkörpers 600 umfassen.
Die in 6 gezeigte Faserschlingen 606, 608 und 610 sind nur schematisch als geschlossen gezeichnet, sie können ebenso als an einer Seite geöffnete Schlingen oder an einer Stelle mit überlappenden Teilen einer Endlosfaser 618 ausgeführt sein. Eine solche Endloscarbonfaser 618 wird am Außenrandbereich des Rotorhauptkörpers 600 durch zusätzliche stückweise Carbonfasern ergänzt, um eine vorbestimmte Dicke des Rotorhauptkörpers 600 herzustellen. Zur Mitte des Rotorhauptkörpers 600 hin verdickt die Endloscarbonfaser 618 den Rotorhauptkörper 600 entlang seiner Hochachse zu einer natürlichen Nabe.
7 zeigt einen Rotor 700 einer elektrischen Maschine und eine aus Endloscarbonfaser hergestellte Nabe 704. Die durch die Nabe 704 gebildete Wellendurchführung nimmt formschlüssig eine Welle 702 auf. Am Übergang von Welle 702 und Nabe 704 sind vier Löcher mit darin formschlüssig angeordneten Längsstiften 706 gekoppelt. Bei den Längsstiften kann es sich insbesondere um zylinderstiftartige, kegelstiftartige oder kerbstiftartige Längsstifte handeln. Welle und Nabe bilden hierdurch eine gekoppelte Verbindung. Die Anzahl und Anordnung der Längsstifte 706 am Übergang von Welle 702 und Nabe 704 kann insbesondere von den zu übertragenden Kräften und Momenten abhängen. Bei dem in 7 gezeigten Beispiel wurden vier Längsstifte verwendet. Es kann jedoch eine beliebige Anzahl von Längsstiften die Stiftverbindung realisieren, insbesondere ein Längsstift, zwei, drei, vier, fünf, elf oder 18 Längsstifte. Das Material der Längsstifte 706 ist dabei elastisch und schert bei hohem Drehmoment ab. Somit bieten die Längsstifte 706 einerseits Anlauf-, Bremsschlupf und Drehdämpfung und andererseits dabei gleichzeitig eine Sicherheitsfunktion, um den Rotor 700 und die Welle 702 vor einem zu hohen Drehmoment zu schützen. Außerdem ist es möglich, einen abgenutzten Längsstift 706 durch einen neuen auszutauschen.
8 zeigt eine elektrische Maschine 800. In 8 umgreift ein Stator 801 einen Rotorhauptkörper 802. Der Rotorhauptkörper 802 ist einstückig mit einem Befestigungsflansch 804 ausgebildet, der durch eine Mittenehmernase 806 mit einer Welle 808 verbunden ist. Die Mitnehmernase 806 greift dabei in ein im Befestigungsflansch eingelassene Nut 810 ein. Die Welle 408 wird zu beiden Seiten des Stators 801 durch zwei feststehende Wälzlager 812 radial und/oder axial gestützt.
Der Stator 801 in 8 umfasst elektrische Statorspulen (nicht gezeigt), deren Magnetfeld mit einem Magnetfeld von in einem Außenbereich des Rotorhauptkörpers angeordneten Permanentmagnete 814 wechselwirkt. Die Permanentmagnete 814 sind in hohlen Aufnahmen 817 des Rotorhauptkörpers 802 angeordnet und durch an beiden Seiten des Rotorhauptkörpers 802 angeordnete Decklagen 816 und 818 nach außen abgeschlossen.
Der Befestigungsflansch 804 bietet eine große Angriffsfläche für die in die Nut 810 eingreifende Mitnehmernase 806 und ermöglich dadurch die Übertragung von Kräften und Drehmomenten zwischen der Welle 808 und dem am Rotorhauptkörper 802 angeordneten Befestigungsflansch 804.
Der Befestigungsflansch 804 erlaubt beispielsweise eine Übertragung höherer Kräfte und Momente, als bei einer in 1 gezeigten in vergleichbaren Dimensionen ausgeführten elektrischen Maschine 100 möglich ist.
Die in 8 gezeigten Lager 812 sorgen für eine Lagerung der Welle 808 und des mit ihr über den Befestigungsflansch 804 verbundenen Rotorhauptkörpers 802. Sind jedoch als Lager nur die Lager 812 vorgesehen, so ist bei schnellen Drehbewegungen des Rotorhauptkörpers 802 ohne in axiale Richtungen entstehende Schwingung dreht. Wünschenswert wäre es, eine Lagerung zu realisieren, die gewährleistet, dass der Rotorhauptkörper 802 bei einer solchen Drehbewegung und/oder bei entstehenden Vibrationen, Schwingungen oder ähnlichen Bewegungen seine axial vorgesehene Position, insbesondere an seinen Rändern, nicht verlässt.
9a zeigt eine schematische Lagerungsvorrichtung. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein Rotor 904 über eine geeignete Rotor-Welle-Anordnung mit einer Welle 902 verbunden. Der Rotor 904 aus Carbonfaserverbundmaterial umfasst dabei Aufnahmen 906, 908 für Magnete (nicht dargestellt). Weiterhin ist der Rotor 904 durch zwei Radiallager 912, 914 gelagert. Während des Betriebs der elektrischen Maschine entstehen Vibrationen und/oder Schwingungen am Rotor 904 und der Welle 902. Die Radiallager 912, 914 stellen sicher, dass die Welle 902 und der an ihr befestigte Rotor 904 in ihrer vorgesehenen Position in Radialrichtung R gehalten werden.
Neben den Radiallagern 912, 914 der Welle 902 sind bei dem in 9a gezeigten Beispiel erfindungsgemäß weitere Lager 916, 918 vorgesehen, die den Rotor an beiden Seiten stützen und für eine axiale Lagerung des Rotors 904 sorgen. Die Axiallager 916, 918 stellen sicher, dass der Rotor 904 und die mit ihm verbundene Welle 902 auch bei Betrieb der elektrischen Maschine in einer vorbestimmten axialen Position A gehalten werden. Abhängig von den spezifischen Eigenschaften der eingesetzten elektrischen Maschine ist es möglich, die Axiallager 916, 918 nahe bei der Welle 902 oder in der Nähe des Randes des Rotors 904 anzuordnen.
9b zeigt eine Lagerungsanordnung mit Lagern 922, 924, die die Welle axial stützen. Vorzugsweise sind weitere Lager 926, 928 vorgesehen. Diese Lager 926, 928 stehen an einem radial außen liegenden Bereich des Rotors 904 mit diesem in Wirkverbindung. Vorzugsweise können solche Lager 926, 928 in und/oder an einem Stator (nicht gezeigt) angeordnet sein. Eine derartige Anordnung der Lager 926, 928 ist besonders geeignet, eine Schwingung des Rotors aus seiner axialen Position heraus zu verhindern.
Bei dem Beispiel von 9c sind nur Lager 936, 938 vorgesehen. Die am außen liegenden Bereich des Rotors 904 mit diesem in Wirkverbindung stehenden Lager 936 und 938 stützen den Rotor 904 in axialer und/oder in radialer Richtung ab.
9d zeigt ein weiteres Beispiel einer Lagerungsanordnung. Ein am außen liegenden Bereich des Rotors vorgesehenes Lager 948 lagert den Rotor 904 derart, dass der Rotor 904 axial gestützt wird. Ein weiteres Lager 944 lagert wiederum die Welle 902 und den mit ihr verbundenen Rotor 904 derart, dass diese radial gestützt werden.
Die von 10a gezeigte schematische Darstellung zeigt eine innere Seitenfläche 1022 eines Stators einer elektrischen Maschine 1000, einen Querschnitt 1024 durch den Stator in der gezeigten schematischen Darstellung, eine Welle 1002, einen mit der Welle verbundenen Rotor 1004, Aufnahmen 1006, 1008 für Magnete (nicht gezeigt) im Rotor 1004 und erfindungsgemäß vorgesehene Lager 1012, 1014, 1016, 1018. Die Welle 1002 wird dabei durch die vorgesehenen Lager 1012, 1014 radial gestützt. Zusätzlich sind in dem gezeigten Beispiel Lager 1016, 1018 vorgesehen, die am Stator angeordnet sind und die den Rotor 1004 axial stützen. Vorzugsweise kann es sich bei den radial stützenden Lagern 1012, 1014 um Wälzlager und bei den axial stützenden Lagern 1016, 1018 um Gleitlager handeln. Durch die Anordnung in 10a kann der Rotor 1004 bei einem Durchmesser von vorzugsweise etwa zwei Metern, vier Metern, sechs Metern und mehr, stabil und mit kleinem Statorspalt bei hohen Drehzahlen betrieben werden, so dass eine gute magnetische Wechselwirkung zwischen den Magneten und dem Stator genutzt werden kann.
Bei dem Beispiel von realisieren Lager 1012, 1014 eine radiale Lagerung von Welle 1002. Für die axiale Lagerung des Rotors 1004 ist vorzugsweise eine Magnetlagerung vorgesehen. Hierzu sind sowohl an bzw. im Rotor 1004 als auch an bzw. im Stator weitere Magnete 1030 bzw. 1032 angeordnet. Dabei wirken die zentrisch am bzw. im Rotor 1004 angebrachten Magnete 1030 und die entsprechend zu diesen in der Nähe des Rotors 1004 angeordneten feststehenden Magnete 1032 attraktiv und/oder repulsiv aufeinander. Bei repulsiver Kraftwirkung entsteht zusätzlich eine radiale Zentrierwirkung auf den Rotor 1004, so dass die radial stützenden Lager 1012, 1014 entlastet werden. Ein weiteres Beispiel sieht ergänzend oder alternativ eine andere gleichwirkende Lagerung vor, z. B. Luftlagerung.
11 zeigt eine Negativform 1100 zur Rotorherstellung. Die Negativform 1100 ist entlang eines Längsschnittes spiegelsymmetrisch zur Symmetrieachse 1102 ausgelegt und weist einen Negativformaußenrand 1104, eine Carbonfaseraussparung 1106, den Aufnahmen 202 (von 2) entsprechende Zapfen 1108, eine Carbonfaseraussparung 1106 und den Befestigungsflanschlöchern 204 (von 2) entsprechende Stifte 1110 auf. In der Mitte der Negativform 1100 ist eine Scheibe 1112 angeordnet, die der Wellendurchführung 206 (von 2) entspricht.
Der Negativformaußenrand 1104, die Zapfen 1108, die Stifte 1110 und die Scheibe 1112 sind integral mit der Negativform 1100 ausgebildet. Das Material der Negativform 1100 besteht aus Aluminium oder Carbonfaserverbundmaterial und kann durch einen die Negativform verschließenden Deckel (nicht gezeigt) abgeschlossen werden.
Carbonfasern 1114 (Dicke der Fasern 1114 in 3 nur schematisch) werden z. B. von einer Faserablegevorrichtung (nicht gezeigt) in die Carbonfaseraussparung 306 nach einem vorbestimmten Muster abgelegt, gespannt oder laminiert.
12 zeigt eine Negativform 1200 zur Rotorherstellung. Die Negativform 1200 ist in 12 im Querschnitt dargestellt. Zur Veranschaulichung sind – ebenfalls im Querschnitt dargestellt – Carbonfasern 1202 in der Negativform 1200 liegend gezeigt. Die Lage und Ausrichtung der Carbonfasern 1202 in der Negativform 1200 ist lediglich qualitativ zu verstehen. Die Carbonfasern 1202 können jede beliebige Lage und Ausrichtung in der Negativform 1200 aufweisen. Die Negativform 1200 ist symmetrisch zur Achse 1204, sodass nur eine Hälfte der Negativform 200 näher erläutert wird.
Die Negativform 1200 in 2 umfasst Zapfen 1206, die in Form und Volumen jeweils den in 4a, 4b gezeigten Aufnahmen 406 entsprechen. Ferner umfasst die Negativform 1200 in der Mitte einen Stift 1208, der einer Wellendurchführung entspricht. Die Zapfen 1206 und der Stift 1208 sind einstückig mit der Negativform 1200 ausgebildet. Der übrige Zwischenraum zwischen den Zapfen 1206, dem Stift 1208 und der Negativform 1200 selbst bildet eine stufenzylinderförmige Mulde, deren Form und Volumen einem Rotor entspricht. Dieser Rotor umfasst einen Rotorhauptkörper, der einem Rotorhauptkörperbereich 1210 in der Negativform 1200 entspricht, und einen einseitig und einstückig mit dem Rotorhauptkörper ausgelegten Befestigungsflansch, der einem Befestigungsflanschbereich 1212 in der Negativform 200 entspricht.
Das Material der Negativform 1200 kann z. B. Aluminium oder Faserverbundmaterial aufweisen.
13 zeigt ein Flussdiagramm für ein Rotorherstellverfahren, das nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Das Flussdiagramm bietet vier alternative Verfahrensabläufe umfasst, um einen nur aus Carbonfaserverbundmaterial bestehenden Rotorhauptkörper 1300 herzustellen. Der Verfahrensablauf 1302 umfasst die aufeinanderfolgenden Schritte Carbonendlosfaser in Negativform legen oder spannen 1304, Epoxydharz in die in der Negativform liegende Carbonendlosfaser einbringen 1306 und das Gemisch aus Carbonendlosfaser und Epoxydharz bei einem vorbestimmten Druck P_H und einer vorbestimmten Temperatur T_H aushärten 1308. Der Verfahrensablauf 1310 umfasst den Schritt ein plattenartiges Carbonfaserverbundhalbzeug zu fräsen und zu bohren 1312, sodass der Rotorhauptkörper gebildet wird. Der Verfahrensablauf 1314 umfasst die aufeinanderfolgenden Schritte Faser-Prepreg in Negativform laminieren 1316 und das Faser-Prepreg bei einem vorbestimmten Druck P_H und einer vorbestimmten Temperatur T_H aushärten 1318. Der Verfahrensablauf 1320 umfasst die aufeinanderfolgenden Schritte Carbonfasern mit Polypropylen zu vermengen 1322, das Gemenge aus Carbonfaser mit Polypropylen in eine Negativform einbringen oder zu pressen 1324 und das Gemenge bei einem vorbestimmten Druck P_H und einer vorbestimmten Temperatur T_H auszuhärten 1326.
Es können zwei, mehrere oder alle der alle der Verfahrensabläufe auch teilweise sind miteinander kombiniert werden.
15 zeigt eine elektrische Maschine 1500, bei der drei von in 8 gezeigten Statoren 1502, 1504 und 1506 mit jeweils einem darin drehbar gelagerten Rotor 1508, 1510 und 1512 auf einer Welle 1514 in Serie angeordnet sind. Eine solche Stator-Rotor-Teileinheit aus einem Stator und einem Rotor entspricht dabei der in 8 gezeigten elektrischen Maschine 800.
Die Welle 1514 der in 15 gezeigten elektrischen Maschine 1500 wird, ähnlich wie in 8 gezeigt, durch zwei feststehende Wälzlager 1516 radial und/oder axial gestützt. Da der Durchmesser der in 15 gezeigten Stator-Rotor-Teileinheit größer ist als die Dicke der Stator-Rotor-Teileinheit kann die elektrische Maschine 1500 mit zwei, drei oder mehr seriell hintereinander angeordneten Stator-Rotor-Teileinheiten eine kompaktere Bauform erreichen, d. h. ein Verhältnis von Maschinendurchmesser zu Maschinendicke von etwa 1:1 und dabei die Leistung und das Drehmoment erhöht werden.
Zum Anordnung der elektrischen Maschine in einem System ist ein die in 15 gezeigten Stator-Rotor-Teileinheiten umhüllendes Gehäuse 1518 vorgesehen, das die elektrische Maschine 1500 nach innen und außen vor Einflüssen (z. B. Staub, Hitze, Feuchtigkeit, elektromagnetische Strahlung etc.) schützt.
Ein weiterer Aspekt ist in 16 dargestellt, die ein Hybridsystem zeigt. Die Vorrichtung M1 stellt dabei eine Motor-Generatorvorrichtung nach einem der vorgenannten Ausführungsbeispiele dar. Im Gegensatz dazu ist Motor M2 ein herkömmlicher Verbrennungsmotor oder vergleichbares. Die Drehmomente der beiden als Motor wirkenden Vorrichtungen M1 und M2 werden in einem Planetengetriebe 1602 summiert und vom Hybridsystem abgegeben.
17a und 17b zeigen eine elektrische Schaltungsanordnung einer Motor/Generatorvorrichtung. Dabei zeigt 17a einen Schaltungsanordnung in einem Zustand, in dem die Motor-Generatorvorrichtung als Generator G1 wirkend mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt und in einer Batterie 1702 speichert. Zusätzlich kann in der Schaltungsanordnung ein Gleichrichter oder Kommutator zwischen Batterie 1702 und Generator G1 geschaltet sein, falls der Generator G1 Strom liefert.
17b zeigt einen Schaltungsanordnung in einem Zustand, in dem die Motor/Generatorvorrichtung als Motor M1 wirkend elektrische Energie von einer Batterie 1702 in mechanische Energie umwandelt.
Bei einer Anwendung der Schaltungsanordnung aus 17a und 17b auf das Hybridsystem von 16 kann ein Fahrzeugantrieb realisiert werden, der beim Abbremsen des Fahrzeugs kinetische Energie in eine Batterie 1702 zurückspeist und wählbar elektrische Energie der Batterie 1702 in kinetische Energie umwandelt. Eine Rotor-Welle-Anordnung der Motor-Generatorvorrichtung kann dabei so ausgelegt sein, dass Antriebs- und Bremsschlupf durch elastische Längsstifte ein weiches Anlaufen und Abbremsen im Hybridsystem ermöglichen und ein durch die elastischen Längsstifte bereitgestelltes Dämpfungsverhalten ein Rückwirken unkonstanten Drehens des Verbrennungsmotors über das Planetengetriebe 1502 auf die Motor-Generatorvorrichtung verhindert.
Bei einer der oben beschriebenen Vorrichtungen, insbesondere bei einer der oben beschriebenen elektrischen Maschinen, kann diese insbesondere als Antriebsvorrichtung oder zu einer anderen Verwendung in einem Luftfahrzeug (insbesondere ein Passagierflugzeug, ein Motorflugzeug, ein Segelflugzeug mit oder ohne Hilfsmotor oder eine elektrische Maschine für ein Luftschiff), Wasserfahrzeug (insbesondere ein Schiff oder Boot, beispielsweise ein Motorboot oder ein Segelboot mit oder ohne Hilfsmotor) oder Landfahrzeug (insbesondere ein PKW, ein Motorrad, ein LKW, eine Lokomotive, ein Gabelstapler) eingesetzt werden, wobei das niedrige Gewicht und die hohe Stabilität des aus Faserverbundmaterial hergestellten Rotorhauptkörpers eine hohe Anlauf- und Bremsbeschleunigung der Antriebvorrichtung ermöglicht. Außerdem ist eine Anwendung einer solchen elektrischen Maschine zum Antrieb von Pumpen; als Stellmotor; bei Rasenmähern, Kränen, Panzern; als (Servo-)Motor bei Flug-, Schiffs- und Automodellen; bei Automaten (z. B. Geldautomaten) Spielzeug, Haushaltsgeräten und Elektrogeräten (z. B. CD-, DVD-Spieler, Festplatten) möglich.
Im Übrigen kann die elektrische Maschine eine Kombination aus Generatorfunktion und Motorfunktion übernehmen und z. B. in einem Elektrofahrzeug oder Fahrzeug mit Hybridantrieb wahlweise beim Abbremsen des Fahrzeugs Energie in eine elektrische Batterie speisen oder beim Beschleunigen des Fahrzeugs elektrische Energie aus der Batterie als Motor wieder in kinetische Energie umsetzen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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.
Zitierte Patentliteratur

- DE 102006036707 B3 [0003, 0004]
- WO 01/11755 A1 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- Handbuch Verbundwerkstoffe von Manfred Neitzel und Peter Mitschang, Hanser Verlag, 2004, 1. Auflage [0005]

Claims

Rotor für eine elektrische Maschine (100; 800; 1000; 1500) mit: – einem Rotorhauptkörper (104; 200; 402; 502; 600; 802; 1300), der Faserverbundmaterial aufweist, mit wenigstens einer Aufnahme (302; 406) zur Aufnahme von Magneten (312, 314), – wobei in wenigstens einer Aufnahme (302; 406) mindestens zwei Magnete (312, 314) angeordnet sind.
Rotor nach Anspruch 1, wobei wenigstens einer der Magneten (312, 314) ein Permanentmagnet ist.
Rotor nach Anspruch 2, wobei das Material des Permanentmagneten (312, 314) Seltene Erden Metalle oder eine chemische Verbindung mit Seltenen Erden Metallen aufweist.
Rotor nach Anspruch 2 oder 3, wobei das Material des Permanentmagneten (312, 314) Neodym und/oder eine chemische Verbindung mit Neodym aufweist.
Rotor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei das Material des Permanentmagneten (312, 314) die chemische Verbindung Neodym-Eisen-Bor oder Samarium-Kobalt aufweist.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Aufnahme (302; 406) eine sich durch den Rotorhauptkörper (104; 200; 402; 502; 600; 802; 1300) erstreckende Durchgangsöffnung ist.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit wenigstens einer Decklage (412, 414), die derart an dem Rotorhauptkörper (104; 200; 402; 502; 600; 802; 1300) angeordnet ist, dass sie die wenigstens eine angeordnete Aufnahme (302; 406) teilweise abgedeckt, wobei die wenigstens eine Aufnahme (302; 406) eine sich wenigstens teilweise innerhalb des Rotorhauptkörpers (104; 200; 402; 502; 600; 802; 1300) erstreckende Aufnahme (302; 406) mit einer Öffnung zu Einsetzen von Magneten ist.
Rotor nach Anspruch 7, wobei die wenigstens eine Decklage (412, 414) Faserverbundmaterial aufweist.
Rotor nach Anspruch 7 oder 8, wobei die wenigstens eine Decklage (412, 414) derart an dem Rotorhauptkörper (104; 200; 402; 502; 600; 802; 1300) angeordnet ist, dass die in den zentrisch angeordneten Aufnahmen (302; 406) angeordneten Magnete (312, 314) nicht aus den Aufnahmen (302; 406) entnommen werden können.
Rotor nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei an einer Vorderfläche und/oder einer Rückfläche des Rotorhauptkörpers (104; 200; 402; 502; 600; 802; 1300) jeweils wenigstens eine Decklage (412, 414) angeordnet ist.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Faserverbundmaterial Carbon umfasst.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Faserverbundmaterial des Rotors (500; 700; 904; 1004; 1508, 1510, 1512) Epoxidharz aufweist.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Faserverbundmaterial des Rotors (500; 700; 904; 1004; 1508, 1510, 1512) Polypropylen aufweist.
Elektrische Maschine mit: – einem Stator (102; 801; 1502, 1504, 1506) und – einem Rotor (500; 700; 904; 1004; 1508, 1510, 1512) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zur Herstellung eines Rotors für eine elektrische Maschine, das die folgenden Schritte umfasst: – Bereitstellen eines Rotorhauptkörpers (104; 200; 402; 502; 600; 802; 1300), der Faserverbundmaterial aufweist, mit wenigstens einer Aufnahme (302; 406) zur Aufnahme von Magneten (312, 314) – Anordnen von mindestens zwei Magneten (312, 314) in wenigstens einer der Aufnahmen (302; 406)).
Verwendung des Rotors nach einem der Ansprüche 1 bis 13 in einer elektrischen Maschine (100; 800; 1000; 1500) nach Anspruch 14 als Antrieb für ein Luft-, Wasser- oder Landfahrzeug oder als Generator in einer Stromerzeugungsvorrichtung.
Verwendung nach Anspruch 16, wobei die Stromerzeugungsvorrichtung Wind- und Wasserkraftanlagen umfasst.