Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische, motorisch und/oder generatorisch betreibbare Axialfluss-Maschine, umfassend einen Träger, welcher zur Aufnahme einer Vielzahl von Magnetelementen und zur Aufnahme einer Vielzahl von den Magnetfluss leitenden Flussleitelementen ausgebildet ist. Die Erfindung umfasst darüber hinaus ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Rotors sowie eine Axialflussmaschine, aufweisend einen derartigen Rotor.

Aus der DE 102013218829 A1 ist bereits ein Rotor für eine Axialflussmaschine bekannt. Bei diesem Rotor wird durch die Rotorbleche eine Art Rahmen gebildet, in welchen Inlays integriert werden. Die Rotorbleche weisen dabei einzelne Ausstanzungen sowohl für die Magnete als auch für die Inlays auf.

Weitere Aufbauten von Rotoren für Axialflussmaschinen bzw. von Axialflussmaschinen selbst sind unter anderem beschrieben durch die DE 102017 204434 A1 , die DE 102005053 119 A1 oder die DE 102004038884 A1.

Der magnetische Fluss in einem Axialflussmotor (Elektromotor) ist im Luftspalt zwischen Stator und Rotor axial gerichtet. Ein geblechter Rotor für hohe Drehzahlen und Frequenzen ist in axialer Richtung geschichtet ausgebildet. Der axiale Magnetfluss muss dabei die Kleberschichten überwinden, wodurch der Magnetkreis eine Scherung (zusätzlicher Luftspalt) erfährt und an Effizienz verliert. Hierdurch wiederum verliert der Motor an Kraft. Für den axialen magnetischen Fluss wird oft SMC (soft magnetic components / soft magnetic powder) eingesetzt, da hier ein 3D- Fluss ohne signifikante Wirbelströme möglich ist. Für kleinere Rotoren ist ein homogener SMC Rotor möglich, solange die mechanische Belastung die geringe Festigkeit des SMC nicht übersteigt. Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Rotor, insbesondere einen Rotor mit mechanisch wenig stabilen Flussleitelementen als Rotormaterial, für eine Axialflussmaschine bereitzustellen, der mit Blick auf seine mechanischen Festigkeitseigenschaften weiter verbessert ist. Des Weiteren liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Rotors sowie eine Axialflussmaschine mit einem derartigen Rotor bereitzustellen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Rotor mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12 und eine Axialflussmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 13. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die abhängigen Patentansprüche definiert.

Ein erfindungsgemäßer Rotor für eine elektrische, motorisch und/oder generatorisch betreibbare Axialfluss-Maschine, umfasst einen Träger, welcher zur Aufnahme einer Vielzahl von Magnetelementen und zur Aufnahme einer Vielzahl von den Magnetfluss leitenden Flussleitelementen ausgebildet ist. Der Träger umfasst ein ringtopfartig ausgebildetes Trägerteil mit einer in axialer Richtung zumindest teilweise geöffneten und umfänglich sich erstreckenden Ringtopfaufnahme zur Aufnahme der Vielzahl von Magnetelementen und zur Aufnahme der Vielzahl von den Magnetfluss leitenden Flussleitelementen.

Hierdurch wird ein Rotor für eine Axialflussmaschine geschaffen, der mit Blick auf seine mechanische Festigkeit weiter verbessert ist. Dies ist insbesondere bei Axialflussmaschinen höherer Leistung von besonderer Bedeutung. Der erfindungsgemäße Rotor ist mit Vorteil konzipiert für Axialflussmaschinen mit einer Leistung von 1 Kilowatt bis etwa 1000 Kilowatt. Eine Axialflussmaschine mit dem erfindungsgemäßen Aufbau ist konzipiert für die Bereitstellung von bis zu etwa 500 Nm Drehmoment.

Eine Axialflussmaschine im Sinne der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der im Luftspalt zwischen Rotor und Stator erzeugte Magnetfluss sich in axialer Richtung parallel zur Drehachse der Maschine erstreckt. Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Trägerteil einteilig ausgebildet ist, was wiederum die mechanische Festigkeit des Rotors verbessert.

Es kann gemäß einerweiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass das Trägerteil in axialer Richtung vollständig offen ausgebildet ist, wodurch die magnetischen Flussleiteigenschaften weiter verbessert sind.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Träger zumindest zwei Trägerteile umfasst, die mit ihren Böden aneinander angeordnet und bodenseitig miteinander verbunden, insbesondere miteinander verschweißt oder vernietet sind. Mit Vorteil sind die beiden Trägerteile identisch ausgebildet. Bei einer derartigen Rotorgestaltung weist der Axialflussmotor zu beiden axialen Stirnseiten des Rotors jeweils einen Stator auf, der unter Bildung eines jeweiligen axialen Luftspaltes beispielsweise ein rotierendes Magnetfeld erzeugt. Die vorteilhafte Wirkung dieser Ausgestaltung ist insbesondere darin begründet, dass sich die magnetischen Kräfte innerhalb des Rotors durch den einteilig ausgebildeten Träger mit zwei fest verbundenen Trägerteilen aufheben bzw. im Träger eliminiert werden.

Es kann darüber hinaus vorgesehen sein, dass die Böden der beiden Trägerteile korrespondierende Formschlussmittel aufweisen, über welche ein gegenseitiges Verdrehen der beiden Trägerteile verhindert werden kann, etwa wenn die beiden Trägerteile vernietet werden, dann kann diese Nietverbindung entlastet werden.

Des Weiteren kann die Erfindung auch dahingehend weiterentwickelt sein, dass das Trägerteil in einem axialen Längsschnitt gesehen ein im Wesentlichen S-förmiges Profil aufweist. Insbesondere sind die beiden axial offen ausgebildeten ringtopfartigen Bereiche des Trägerteils unterschiedlich groß ausgebildet, bzw. weisen diese eine unterschiedlich große radiale Breite auf, wobei in dem größeren der beiden ringtopfartig ausgebildeten Bereiche die Vielzahl der Magnetelemente und die den Magnetfluss leitenden Flussleitelemente angeordnet sind. Hierdurch kann auf konstruktiv einfache Weise zum einen ein Aufnahmeraum für die Magnetelemente und die Flussleitelemente geschaffen werden, und zum anderen kann durch den kleineren S-Bogenabschnitt eine in radialer Richtung federelastisch ausgebildete Aufnahme zur Anordnung auf einer Rotorwelle geschaffen werden.

Auch kann es vorteilhaft sein, die Erfindung dahingehend weiterzuentwickeln, dass die Magnetelemente und die den Magnetfluss leitenden Flussleitelemente umfänglich abwechselnd und radial sternförmig im Trägerteil angeordnet sind, wodurch sich eine vorteilhafte Führung der Magnetfeldlinien erreichen lässt. Alternativ können die Magnetelemente und die Flussleitelemente auch umfänglich um einen Winkel geneigt angeordnet werden. Die beiden Trägerteile des Trägers sind bevorzugt identisch bestückt, so dass bei Anordnung zum einteiligen Träger, in der die beiden Trägerteile bodenseitig miteinander verbunden sind, die Magnete und die Flussleitelemente der beiden Trägerteile winkelig versetzt in unterschiedliche Richtungen weisen.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Erfindungsgegenstandes kann vorgesehen sein, dass die Magnetelemente und die den Magnetfluss leitenden Flussleitelemente fest miteinander verbunden sind, insbesondere derart, dass sicher die Bildung eines Luftspaltes zwischen Magnetelement und Flussleitelement unterbunden wird. Diese feste Verbindung kann beispielsweise durch Verklebung erfolgen. Schließlich kann die Erfindung auch in vorteilhafter Weise dahingehend ausgeführt sein, dass die den Magnetfluss leitenden Flussleitelemente an der inneren Mantelfläche der äußeren radialen Trägerwandung fest angebunden sind, wobei mit Vorteil keine feste Verbindung bzw. Anbindung mit bzw. an der inneren Mantelfläche der inneren radialen Trägerwandung und keine feste Verbindung bzw. Anbindung mit bzw. an der inneren topfbodenseitigen Trägerwandung besteht.

Der Vorteil, der sich hierdurch ergibt, ist insbesondere, dass zum einen eine feste Anbindung der Magnetelemente und der Flussleitelemente im Trägerteil erfolgt, und dass zum anderen etwaig auftretende Spannungskräfte im Falle einer leichten Verbiegung der Trägerteile - beispielsweise aufgrund hoher Fliehkräfte, bei hohen Drehzahlen der Axialflussmaschine - ausbleiben, da die Magnetelemente eben nicht an anderen Stellen innerhalb des Trägerteils verklebt sind. Schließlich kann die Erfindung auch in vorteilhafter weise dahingehend ausgeführt sein, dass die Magnetelemente geteilt ausgebildet sind, insbesondere dass die Magnetelemente in einer Ebene parallel zu ihrer Kontaktfläche mit den den Magnetfluss leitenden Flussleitelementen geteilt sind und/oder in einer Ebene senkrecht zu der Kontaktfläche mit den den Magnetfluss leitenden Flussleitelementen geteilt sind. Durch eine derartige Konstruktion bzw. einen derartigen geteilten Aufbau der Magnetelemente können Dehnungen der Trägerteile verbessert ausgeglichen und Beschädigungen vermieden werden.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Trägerteil Elemente zur Positionierung der Magnetelemente und/oder der den Magnetfluss leitenden Flussleitelemente ausweist, wobei diese Elemente einteilig mit dem Trägerteil ausgebildet sind. Der Vorteil dieser Ausgestaltung liegt darin, dass eine weiter verbesserte Festigkeit der Verbindung zwischen Trägerteil und darin angeordneter Magnet- und Flussleitelemente erreicht werden kann.

Es kann gemäß einerweiteren bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung auch vorgesehen sein, dass der Träger magnetisch nicht-leitend ausgebildet ist, wodurch die Magnetflusseigenschaften des Rotors weiter verbessert werden können. Bevorzugt ist der Träger aus magnetisch nichtleitendem Stahl, insbesondere aus Edelstahl gebildet.

Des Weiteren wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Fierstellung eines Rotors für einen Axialflussmotor, umfassend die folgenden Verfahrensschritte:

- Formen und Bereitstellen eines topfringförmigen Trägers aus einem nicht magnetischen Material,

- Bereitstellen der Magnetelemente und der den Magnetfluss leitenden Flussleitelemente,

- Fierstellen einer festen Verbindung zwischen den Magnetelementen und den Flussleitelementen,

- Einbringen der Magnetleitelemente und der Flussleitelemente in den ringtopfförmigen Träger und Befestigen der Flussleitelemente und der Magnetelemente an der inneren Mantelfläche der äußeren radialen Trägerwand.

Als nicht magnetisches Material findet bevorzugt ein entsprechender Stahl bzw. eine entsprechende Stahllegierung Verwendung.

Ferner wird die Aufgabe der Erfindung gelöst durch eine motorisch und/oder generatorisch betreibbare Axialflussmaschine mit einem Rotor, ausgebildet wie er vorstehend beschrieben wurde.

Die Axialflussmaschine umfasst vorzugsweise

- einen Rotor mit einem ersten Träger mit einem ringtopfartig ausgebildeten Trägerteil und mit einer Vielzahl von Magnetelementen und einer Vielzahl von den Magnetfluss leitenden Flussleitelementen, die in einer ringtopfartigen Ausnehmung des Trägerteils angeordnet sind, und mit einem zweiten im Wesentlichen identisch zum ersten Träger ausgebildeten Träger, wobei der erste Träger und der zweite Träger mit ihren Böden aneinander angeordnet und bodenseitig miteinander fest verbunden sind, sowie

- einen ersten Stator mit einer Mehrzahl von Spulenmagneten, der an einer ersten axialen Rotorseite unter Bildung eines ersten Luftspalts angeordnet ist, und der ein Magnetfeld erzeugt, welches sich im Wesentlichen in axialer Richtung in Richtung Rotor erstreckt, und

- einen zweiten Stator mit einer Mehrzahl von Spulenmagneten, der an einer zweiten axialen Rotorseite unter Bildung eines zweiten Luftspalts angeordnet ist, und der ein Magnetfeld erzeugt, welches sich im Wesentlichen in axialer Richtung in Richtung Rotor erstreckt. Die Trägerteile können alternativ auch gegeneinander verdreht sein, wobei die Statoren dann entsprechend verdreht zueinander angeordnet sind. Bevorzugt sind die Trägerteile derart ausgestaltet und miteinander fest verbunden, dass eine spiegelsymmetrische Anordnung gegenüber einer zwischen den beiden Böden angeordneten Spiegelebene gegeben ist.

Insgesamt wird eine hohe Effektivität durch die Reduzierung der Wirbelströme bei hohen Frequenzen erreicht. Dazu wird SMC in Form von Flussleitelementen eingesetzt. Diese erlauben die effektive dreidimensionale Flussleitung. In Kombination mit Edelstahlblechen zur mechanischen Halterung der SMC Flussleitelemente wird der parasitäre magnetische Kurzschluss minimiert. Die Blechbiegeteile aus Edelstahl nehmen die Fliehkräfte und Drehmomente in Rotoren von Hochleistungsmotoren auf. Die Speichenanordnung der Magnetelemente erlaubt eine erhöhte Kraftdichte des Motors bei gleichzeitig geringem Magnetmaterialeinsatz. Der hierfür konzipierte Rotor beinhaltet zwei topfförmige, insbesondere aus Edelstahl gebildete Trägerteile, in die die als SMC Bauteile ausgeführten Flussleitelemente und die Magnetelemente in Speichenanordnung eingelegt und eigeklebt werden. Die als Edelstahlringe gebildeten Trägerteile besitzen dadurch, dass sie bevorzugt aus einem Stück bestehen, hohe Steifigkeit und Festigkeit. Die Topfform der Ringe erlaubt ein sicheres Halten der Magnetelemente und der Flussleitelemente. Die durchgängige radiale Ringfläche ist geeignet ein hohes Drehmoment zu übertragen. Durch die zweiseitigen Trägerteile wird der Krafteintrag symmetrisch verteilt. Zur kostengünstigen Herstellung können umgeformte und geschnittene Blechteile und gleichförmige SMC Sinterteile eingesetzt werden.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Figuren ohne Beschränkung des allgemeinen Erfindungsgedankens näher erläutert werden.

Es zeigen:

Figur 1 einen erfindungsgemäßen Rotor in einem Teil-Axialschnitt in perspektivischer Darstellung,

Figur 2 ein Trägerteil des erfindungsgemäßen Rotors in einem Teil- Axialschnitt in perspektivischer Darstellung,

Figur 3 eine erfindungsgemäße Axialflussmaschine in perspektivischer

Darstellung, wobei in der oberen Zeichnungsfigur ein erster Stator und in der unteren Darstellung ein zweiter Stator nebst dem zwischen dem ersten und zweiten Stator anzuordnenden schematisch dargestellten Rotor prinzipiell veranschaulicht ist, und

Figur 4 die Axialflussmaschine gemäß Figur 3 in Perspektivdarstellung.

Figur 1 zeigt einen Rotor 1 für eine elektrische, motorisch und/oder generatorisch betreibbare Axialfluss-Maschine 2, umfassend einen Träger 3, welcher zur Aufnahme einer Vielzahl von Magnetelementen 4 und zur Aufnahme einer Vielzahl von den Magnetfluss leitenden Flussleitelementen 5 ausgebildet ist. Der Träger 3 weist ein ringtopfartig ausgebildetes Trägerteil 6 mit einer in axialer Richtung zumindest teilweise geöffneten und umfänglich sich erstreckenden Ringtopfaufnahme A zur Aufnahme der Vielzahl von Magnetelementen 4 und zur Aufnahme der Vielzahl der den Magnetfluss leitenden Flussleitelemente 5 auf. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Träger 3 gebildet durch zwei identisch ausgebildete Trägerteile 6 und 60, wobei die beiden Trägerteile 6, 60 Rücken an Rücken angeordnet und mit ihren Topfbodenteilen der Ringtopfaufnahme A aneinander liegen und einteilig über eine Schweißverbindung oder über Niete oder dergleichen miteinander verbunden sind. In Figur 2 ist das Trägerteil 6, 60 als solches dargestellt, wobei in der dargestellten Ausführung Bohrungen im Topfboden vorgesehen sind, beispielsweise um über Niete zwei Trägerteile 6, 60 miteinander zu verbinden. Das Trägerteil 6, 60 ist in einem axialen Längsschnitt gesehen S- förmig ausgeführt. Die durch die S-Bogenform geschaffenen beiden axial offen ausgebildeten ringtopfartigen Bereiche des Trägerteils 6, 60 sind unterschiedlich groß ausgebildet. Sie weisen eine unterschiedlich große radiale Breite auf, wobei in dem größeren der beiden ringtopfartig ausgebildeten Bereiche die Vielzahl der Magnetelemente 4 als auch die Vielzahl der den Magnetfluss leitenden Flussleitelemente 5 angeordnet sind. Der kleinere S-Bogenbereich (im Bild unten) dient als federelastischer Bereich, über den der Rotor 1 mittels Presssitz auf einer Rotorwelle angeordnet werden kann.

Die Magnetelemente 4 und die den Magnetfluss leitenden Flussleitelemente 5 sind umfänglich abwechselnd und radial sternförmig im Trägerteil 6 angeordnet. Die Magnetelemente 4 und die den Magnetfluss leitenden Flussleitelemente 5 sind fest miteinander verbunden. Das über den nicht dargestellten axial angeordneten Stator (s. Figur 3) erzeugte Magnetfeld ist prinzipiell durch den in Form von Pfeilen dargestellten Magnetfluss B dargestellt. Dabei verlaufen die Magnetfeldlinien innerhalb der beiden Luftspalte 10, 13 zwischen dem Rotor 1 und den beiden axial stirnseitig angeordneten Statoren 8, 11 im Wesentlichen axial senkrecht in die Flussleitelemente 5, weiter durch ein benachbartes Magnetelement 4 ins benachbarte Flussleitelement 5 und senkrecht wieder heraus in Richtung Stator 8, 11.

Die den Magnetfluss leitenden Flussleitelemente 5 sind gemeinsam mit den Magnetelementen 4 im Inneren der Ringtopfaufnahme A, umfänglich abwechselnd und im Wesentlichen sternförmig angeordnet und dabei mit der inneren Mantelfläche der äußeren radialen Trägerwandung (im Bild oben) fest verklebt. Alle anderen Kontaktflächen zwischen Trägerteil 6, 60 und Flussleitelementen 5 und Magnetelementen 4 bleiben ohne Verbindung. Die Flussleitelemente 5 sind umfänglich abwechselnd unterschiedlich magnetisiert, so dass auf einen Nordpol N ein Südpol S folgt und umgekehrt. Zwischen zwei benachbarten Flussleitelementen 5 ist jeweils ein als quadratische Scheibe ausgebildetes Magnetelement 4 angeordnet, wobei jedes Magnetelement 4 derart magnetisiert ist, dass die umfänglich einander gegenüberliegenden Flächen des Magnetelements 4 unterschiedliche Magnetpole bilden. Dabei sind die Magnetelemente 4 derart ausgerichtet bzw. angeordnet, dass sie mit gleicher Magnetpolung wie das benachbarte Flussleitelement 5 diesem zugewandt sind. Ein mit N magnetisiertes Flussleitelement 5 hat also zu beiden in Umfangsrichtung ausgerichteten Seiten jeweils ein Magnetelement 4 benachbart angeordnet, welches jeweils mit seiner mit N magnetisierten Seite anliegt. Entsprechend hat ein mit S magnetisiertes Flussleitelement 5 zu beiden in Umfangsrichtung ausgerichteten Seiten jeweils ein Magnetelement 4 benachbart angeordnet, welches mit seiner mit S magnetisierten Seite anliegt.

In den Figuren 3 und 4 ist jeweils eine Axialflussmaschine 2 in ihrem prinzipiellen Aufbau dargestellt. Die Axialflussmaschine 2 umfasst einen Rotor 1 , der hier schematisch ohne seine Trägerteile 6, 60, aber mit umfänglich abwechselnd aufeinanderfolgenden Magnetelementen 4 und Flussleitelementen 5 gezeigt ist. In der oberen Darstellung ist ein erster Stator 8 in einer Draufsicht von innen gezeigt, so dass hier gut die einzelnen Statorspulen 9 des Stators 8 erkennbar sind. Mit Vorteil sind jeweils zwei benachbarte Statorspulen 9 zusammengeschaltet, wobei sich über insgesamt sechs benachbarte Statorspulen 9 drei um jeweils 120 Winkelgrad versetzt angesteuerte Statorspulenpakete ergeben. Würde der erste Stator 8, der oberen Darstellung um 180 Winkelgrad nach unten geklappt und unter Bildung eines ersten Luftspaltes 10 vom Rotor 1 axial beabstandet gehalten, würde sich der in Figur 4 schematisch dargestellte Axialflussmotor 2 ergeben. In der unteren Darstellung aus Figur 3 ist eine Draufsicht auf das verbleibende Stator- Rotorpaket gezeigt, wobei der zweite Stator 11 , axial durch einen zweiten Luftspalt 13 beabstandet, den Rotor 1 trägt. Die Erfindung ist nicht auf die in den Figuren dargestellten Ausführungsformen beschränkt. Die vorstehende Beschreibung ist daher nicht als beschränkend, sondern als erläuternd anzusehen. Die nachfolgenden Patentansprüche sind so zu verstehen, dass ein genanntes Merkmal in zumindest einer Ausführungsform der Erfindung vorhanden ist. Dies schließt die Anwesenheit weiterer Merkmale nicht aus. Sofern die Patentansprüche und die vorstehende Beschreibung 'erste' und

'zweite' Merkmal definieren, so dient diese Bezeichnung der Unterscheidung zweier gleichartiger Merkmale, ohne eine Rangfolge festzulegen.

Bezuqszeichenliste

1 Rotor

2 Axialflussmaschine 3 Träger

4 Magnetelemente einer ersten Gruppe

40 Magnetelemente einer zweiten Gruppe 5 Flussleitelemente einer ersten Gruppe

50 Flussleitelemente einer zweiten Gruppe

6 erstes Trägerteil

60 zweites Trägerteil

8 erster Stator

9 erste Gruppe von Spulenmagneten

10 erster Luftspalt

11 zweiter Stator 12 zweite Gruppe von Spulenmagneten

13 zweiter Luftspalt

A Ringtopfaufnahme

B Magnetfluss N Magnetischer Nordpol

5 Magnetischer Südpol