Elektrische Maschine, Verfahren zur Herstellung einer

elektrischen Maschine und elektrisches Fahrzeug

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, ein Verfah ren zur Herstellung einer elektrischen Maschine sowie ein elektrisches Fahrzeug.

Insbesondere im industriellen Bereich sowie im Bereich der elektrischen Mobilität werden leistungsstarke elektrische Ma schinen benötigt. Die erzielbare elektrische Leistung einer elektrischen Maschine hängt linear von der Drehzahl eines Ro tors der elektrischen Maschine sowie vom Drehmoment M der elektrischen Maschine ab.

Häufig ist die maximale Drehzahl der elektrischen Maschine infolge der bei hohen Drehzahlen auftretenden hohen Zentrifu galkräfte durch die zulässige mechanische Spannungsbeanspru chung der Rotorkonstruktion limitiert. Denn die Tangential zugspannung an einem Ort des Rotors verhält sich proportional sowohl zum Quadrat der Drehzahl als auch zum Quadrat des Ab stands des Orts zur Rotationsachse des Rotors.

Bei elektrischen Maschinen weist der Rotor im Außenbereich, d.h. bezüglich der Rotationsachse des Rotors der elektrischen Maschine in einem radial außenliegenden Bereich, Ausnehmungen auf, welche zur Aufnahme von Felderzeugungsmitteln der elektrischen Maschine, etwa Spulen oder Permanentmagnete, ausgebildet sind. Gerade im Außenbereich jedoch weist der Ro tor gemäß den zuvor genannten Zusammenhängen die höchsten Tangentialszugpannungen auf. Folglich treten die höchsten Spannungsbeanspruchungen im Bereich dieser Ausnehmungen auf. Dabei können Kerbeffekte die Materialbeanspruchung weiter er höhen .

Folglich sind die mechanischen Eigenschaften des Rotormateri als im Bereich der Ausnehmungen ein begrenzender Faktor für die maximale Drehzahl und damit die Leistung von elektrischen Maschinen .

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte elektri sche Maschine zu schaffen, welche eine höhere elektrische Leistung erlaubt. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen elektrischen Maschine sowie ein elektrisches Fahrzeug zu schaffen, welches mit ei ner hohen elektrischen Leistung betreibbar ist.

Diese Aufgabe der Erfindung wird mit einer elektrischen Ma schine mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen und mit einem Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Maschine mit den in Anspruch 13 angegebenen Merkmalen sowie mit einem elektrischen Fahrzeug mit den in Anspruch 15 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den zugehörigen Unteransprüchen, in der nachfolgenden Beschreibung und in der Zeichnung angegeben.

Die erfindungsgemäße elektrische Maschine umfasst mindestens einen um eine axiale Richtung drehbeweglichen Rotor, welcher zumindest einen Schlitz für mindestens ein magnetisches Fel derzeugungsmittel des Rotors aufweist. Bei der erfindungsge mäßen elektrischen Maschine weist dieser zumindest einen Schlitz in einer Ebene quer zur axialen Richtung betrachtet ein Aspektverhältnis von mindestens 4 auf. Vorzugsweise um fasst bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine der Ro tor mehrere Schlitze oder mehrere Gruppen von Schlitzen, wo bei die Schlitze oder Gruppen umfänglich, vorzugsweise gleichabständig, verteilt am Rotor angeordnet sind.

Aufgrund der Ausnehmungen in Gestalt von Schlitzen können die auftretenden Tangentialzugspannungen erheblich reduziert wer den. Denn erfindungsgemäß ist der Rotor der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine nicht aus solchen aus dem Stand der Technik bekannten einzelnen Rotorblechen gebildet, welche ge stanzt oder gelasert werden und welche rechteckige oder ovale oder offene Ausnehmungen für Felderzeugungsmittel aufweisen. Stattdessen weist der Rotor der erfindungsgemäßen elektri schen Maschine Schlitze mit entsprechend geänderten mechani schen Eigenschaften auf: die offenen Ausnehmungen werden durch Schlitze mit einem entsprechenden Aspektverhältnis, d.h. durch vergleichsweise schmale Schlitze, ersetzt. Auf grund der Schlitze werden die auftretenden Materialspannun gen, insbesondere die auftretenden Tangentialzugspannungen, über die zur Verfügung stehende Fläche des Rotors verteilt und gezielt in weniger stark belastete Bereiche des Rotors oder ggf. des Rotorblechs abgeleitet. Insbesondere können nachteilige Kerbeffekte an den Ausnehmungen, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, vermieden werden.

Infoge der Änderung der Ausnehmungen des Rotors für Felder zeugungsmittel lassen sich folglich im Betrieb der elektri schen Maschine höhere Drehzahlen des Rotors der elektrischen Maschine und folglich eine höhere elektrische Leistung der elektrischen Maschine erreichen.

Infolge der kleineren Ausnehmungen ergibt sich zusätzlich ei ne reduzierte Drehmomentwelligkeit und eine geringere Geräu schentwicklung beim Betrieb der erfindungsgemäßen elektri schen Maschine. Vorteilhaft ist die elektrische Maschine ein Motor und/oder ein Generator.

Zweckmäßig ist bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschi ne das Aspektverhältnis mindestens 8, vorzugsweise mindestens 16.

In einer bevorzugten Weiterbildung der erfindungsgemäßen elektrischne Maschine weist der zumindest eine Schlitz eine linienförmige Gestalt auf. Es versteht sich, dass ein Schlitz im Sinne dieser Erfindung auch eine verzweigte Gestalt anneh men kann.

Vorzugsweise weist bei der erfindungsgemäßen elektrischen Ma schine der zumindest einen Schlitz eine I-förmige Gestalt und/oder eine S-förmige Gestalt und/oder eine T-förmige Ge- stalt und/oder eine H-förmige Gestalt auf. Im Rahmen dieser Erfindung kann eine I-förmige Gestalt auch eine Gestalt eines Serifen aufweisenden „I"s bedeuten.

Bevorzugt ist bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine der Rotor mittels in axialer Richtung abfolgend angeordneter Bleche gebildet. Elektrischer Maschinen mit Rotoren, welche aus einer in axialer Richtung abfolgenden Anordnung von Ble chen gebildet sind, sind an sich bekannt. Insoweit kann die bekannte Technologie grundsätzlich auch auf die erfindungsge mäße elektrische Maschine übertragen werden.

Bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine sind die Ble che bevorzugt 3D-Druckteile .

Gerade bei 3D-Druckteilen lassen sich die erfindungsgemäß vorgesehenen Schlitze besonders einfach und kostengünstig während der Fertigung vorsehen. Zusätzliche Fertigungsschrit te wie etwa ein nachträgliches Stanzen oder ein nachträgli ches Lasern der Bleche ist erfindungsgemäß nicht erforder lich.

Die erfindungsgemäße elektrische Maschine ist in dieser Wei terbildung der Erfindung besonders wirtschaftlich fertigbar, da Stanz- und Druckgießwerkzeuge entbehrlich sind, sodass die Fertigungskosten erheblich reduziert werden können. Insbeson dere können erfindungsgemäße elektrische Maschinen in gerin ger Stückzahl wirtschaftlich gefertigt werden. Vorteilhaft lassen sich in dieser Weiterbildung der Erfindung auch Ein zellösungen mit besonderer kundenspezifischer Anpassung wirt schaftlich fertigen.

Bei der elektrischen Maschine gemäß der Erfindung sind die Bleche zweckmäßig mit zumindest einem ersten, vorzugsweise weichmagnetischen, Material gebildet.

Aufgrund des weichmagnetischen Materials kann der Rotor der elektrischen Maschine magnetisch flussleitend ausgebildet sein. Auf diese Weise kann der Rotor einen mittels in den Schlitzen befindlichen Felderzeugungsmittels bestehenden mag netischen Fluss besonders effizient zum Luftspalt leiten, so- dass die erfindungsgemäße elektrische Maschine besonders ef fizient und leistungsstark betreibbar ist. Grundsätzlich kann das erste Material auch räumlich strukturiert sein, sodass insbesondere radial relativ zu den Ausnehmungen innenliegende Bereiche des Rotors mit einem weiteren, amagnetischen, Mate rial gebildet sind. In dieser Weiterbildung der Erfindung sind magnetische Kurzschlüsse vorteilhaft wirksam ausge schlossen .

Vorzugsweise sind bei der erfindungsgemäßen elektrischen Ma schine die Bleche mit einem zweiten, elektrisch leitfähigen, Material gebildet. Auf diese Weise kann ein Felderzeugungs mittel in der Art von Spulen eines Elektromagneten in die Schlitze eingebracht sein.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung bildet bei der elektrischen Maschine das zweite elektrische Material, zumindest einen Teil, der mindestens einen magnetischen Fel derzeugungsmittel .

Die elektrische Maschine gemäß der Erfindung ist bevorzugt eine Asynchronmaschine, wobei das mindestens eine magnetische Felderzeugungsmittel mit einem axial führenden elektrischen Leiter gebildet ist.

Alternativ und ebenfalls bevorzugt ist die erfindungsgemäße elektrische Maschine eine Synchronmaschine, wobei das mindes tens eine magnetische Felderzeugungsmittel eine Spule, insbe sondere eine Flachspule, des Rotors bildet.

Vorteilhaft bildet die elektrische Maschine gemäß der Erfin dung einen Motor und/oder Generator. Zweckmäßig werden die Bleche bei dem erfindungsgemäßen Ver fahren mit den Schlitzen versehen und idealerweise mit den Schlitzen 3D-gedruckt.

Besonders bevorzugt werden bei dem erfindungsgemäßen Verfah ren die Bleche mit dem in die Schlitze eingebrachten Felder zeugungsmitteln 3D-gedruckt, d.h. auch die Felderzeugungsmit tel werden schichtweise 3D-gedruckt und gemeinsam mit den Blechen in axialer Richtung aufeinanderfolgend angeordnet. Geeigneterweise werden durch gemeinsame Stapelung der Bleche mit den Schichten somit zugleich der Rotor als auch das oder die in die Schlitze eingebrachte/n Felderzeugungsmittel ge fertigt .

Vorzugsweise werden einzelne Bleche derart zu einem Stapel geschichtet, dass die einzelnen Bleche bis auf den Bereich der Schlitze gegeneinander elektrisch isoliert sind und die Schlitze entlang einer Geraden oder in einer um eine Rotati onsachse des Rotors tordierten Position zueinander angeordnet sind. Zweckmäßig kann das in den Schlitzen befindliche Mate rial jeweils benachbarter Bleche in einem thermischen Prozess miteinander verbunden werden. Auf diese Weise lassen sich Felderzeugungsmittel besonders leicht fertigen.

Das erfindungsgemäße elektrische Fahrzeug ist insbesondere ein elektrisches oder hybrid-elektrisches Luftfahrzeug und weist eine erfindungsgemäße elektrische Maschine wie zuvor beschrieben und/oder eine erfindungsgemäß hergestellte elekt rische Maschine wie zuvor beschreiben auf.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zei gen :

Fig. 1 ein nach einem bekannten Verfahren gefertigter herkömmlicher Rotor einer elektrischen

Maschine schematisch in einer Draufsicht, Fig . 2 eine Einzelheit des Rotors gern. Fig. 1 mit

einer Ausnehmung sowie einen Vergleich mit Ausnehmungen von Rotoren mehrerer erfindungsgemäß hergestellter

erfindungsgemäßer elektrischen Maschinen schematisch in einer Draufsicht,

Fig . 3 den Rotor einer der erfindungsgemäß

hergestellten erfindungsgemäßen elektrischen Maschinen schematisch in einer Draufsicht,

Fig . 4 den Rotor der erfindungsgemäßen elektrischen

Maschine gern. Fig. 3 schematisch in einer Seitenansicht, sowie

Fig . 5 ein erfindungsgemäßes elektrisches Flugzeug mit einer erfindungsgemäß hergestellten erfindungsgemäßen elektrischen Maschine mit einem Rotor gemäß Fig. 3.

Der in Fig. 3 dargestellte Rotor 10 ist ein Rotor 10 einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine in Gestalt eines Elektromotors 20 (Fig. 4) eines erfindungsgemäßen hybrid ^¬ elektrischen Flugzeugs 400. An die Stelle des hybridelektri ^¬ schen Flugzeugs tritt in weiteren, nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen ein sonstiges elektrisches Land-, Was ^¬ ser- oder Luftfahrzeug. In weiteren, nicht eigens dargestell ^¬ ten Ausführungsbeispielen, welche im Übrigen den beschriebe nen Ausführungsbeispielen entsprechen, ist die elektrische Maschine kein Elektromotor 20, sondern ein Generator.

Der in Fig. 3 dargestellte Rotor 10 weist eine Rotationsachse R auf, um welche sich der Rotor 10 im Betrieb dreht. Der Ro ^¬ tor 10 des erfindungsgemäßen Elektromotors 20 weist Ausneh ^¬ mungen 30 zur Aufnahme von Felderzeugungsmitteln, im darge stellten Ausführungsbeispiel Leiterschleifen zur Erzeugung eines Magnetfelds in Gestalt bestrombarer Kupferspulen auf. Mittels dieser Felderzeugungsmittel koppelt der Rotor 10 mag netisch mit einem Stator (nicht explizit dargestellt) des Elektromotors 20.

In weiteren Ausführungsbeispielen sind die Ausnehmungen 30 zur Aufnahme von Permanentmagneten oder zur Aufnahme von Kä figstäben eines Käfigläufers ausgebildet.

Hinsichtlich der Ausnehmungen 30 unterscheidet sich der Rotor 10 des erfindungsgemäßen Elektromotors 20 von einem aus dem Stand der Technik (kurz: „SdT") bekannten, konventionellen Rotor 40 wie er in Fig. 1 abgebildet ist: Der in Fig. 1 dar gestellte konventionelle Rotor 40 weist Ausnehmungen 50 auf, welche wie in der Einzelheit E der Fig. 2 gezeigt oval, d.h. mit einer ei-förmigen Querschnittskontur 60, begrenzt sind. Die ovale Ausnehmung weist in Zeichenebene ein Aspektverhält nis, d.h. ein Verhältnis von Länge zu Breite, von 1.6 auf.

Bei weiteren typischen und nicht eigens dargestellten

elektrischen Maschinen sind die Ausnehmungen rechteckig aus gebildet und weisen ein Aspektverhältnis zwischen 1 und 2 auf .

Der Rotor 10 des erfindungsgemäßen Elektromotors 20 hingegen weist Ausnehmungen 30 auf, welche anstelle einer ovalen Aus nehmung 50 jeweils eine Gruppe 70 mit mehreren Schlitzen 80 zur Aufnahme von Kupferspulen umfasst. In weiteren, nicht ei gens dargestellten Ausführungsbeispielen sind andere Felder zeugungsmittel, etwa Stäbe von Käfigläufern oder Permanent magnete, vorgesehen.

Die Schlitze 80 weisen in einer Ebene senkrecht zur Rotati onsrichtung R des Rotors, d.h. in Zeichenebene, betrachtet ein Aspektverhältnis von mindestens 5 auf, d.h. der Schlitz 80 erstreckt sich jeweils entlang einer Länge, welche die je weilige Breite des Schlitzes jeweils um einen Faktor von zu mindest 5 übersteigt. Im dargestellten Ausführungsbeispiel übersteigt das Aspektverhältnis den Wert 16. Es versteht sich, dass unter dem Begriff Aspektverhältnis im Rahmen der vorliegenden Erfindung nicht ein Aspektverhältnis einer den oder die Schlitze 80 umhüllenden geometrischen Fi gur handelt, sondern es geht die tatsächlich dem Verlauf des Schlitzes folgende Länge dieses Schlitzes in den Quotienten aus Länge zu Breite des Schlitzes, welcher das Aspektverhält nis des Schlitzes bildet, ein. Es versteht sich ferner, dass unter der Breite jeweils die geringste Breite des Schlitzes zu verstehen ist. Insbesondere bemisst sich die Breite des Schlitzes außerhalb von ggf. in den einzelnen nachfolgend be schriebenen Ausführungsbeispielen vorhandenen Verzweigungs stellen. In allen nachfolgend beschriebenen Ausführungsbei spielen ist das Aspektverhältnis jeweils 20.

Im in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel verlaufen die Schlitze 80 jeweils S-förmig. Die Schlitze 80 sind dabei in Gruppen 70 von jeweils fünf Schlitzen angeordnet. Von vieren dieser Schlitze 80 einer Gruppe 70 ist jeweils einer der Schlitze 80 jeweils an einem äußeren Stegende eines gedachten Kreuzes angeordnet, sodass die Orientierung S-Form jedes die ser vier Schlitze 80 einer umfänglich um die Rotationsachse R des Rotors 10 herum verlaufenden Leserichtung entspricht. Ein fünfter Schlitz 80 ist an einer Stegkreuzung des gedachten Kreuzes angeordnet und um 90 Grad gegenüber den übrigen vier Schlitzen 80 verdreht.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Elektromotors 20 weist der Rotor 10 anstelle von Gruppen 70 S-förmiger Schlitze 80 Gruppen 70' I-förmiger Schlitze 80'

(s. Fig. 2) auf. Die I-förmigen Schlitze 80' weisen keinen kurvigen, gekrümmten Verlauf, sondern jeweils einen Verlauf entlang einer geraden Strecke auf. Auch die I-förmigen

Schlitze sind in Gruppen 70' angeordnet, in welchen von vier Schlitzen 80' je ein Schlitz 80' an je einem äußeren Stegende eines gedachten Kreuzes angeordnet ist, sodass die Orientie rung der I-Form jedes dieser vier Schlitze 80' einer umfäng lich um die Rotationsachse R des Rotors 10 herum verlaufenden Leserichtung entspricht. Ein fünfter Schlitz 80' ist um 90 Grad gegenüber den übrigen vier Schlitzen 80 verdreht an ei ner Stegkreuzung des gedachten Kreuzes angeordnet.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Elektromotors 20 weisen die Schlitze 80'' eine sich in Seri- fen verzweigende I-Form auf. Dabei verzweigt sich ein Balken der I-Form an seinen Längsenden in zwei serifenartige, sich senkrecht zur Längserstreckung des Balkens der I-Form fort streckende Verzweigungen, welche einen derart um den Balken der I-Form gebogenen Verlauf einnehmen, dass sich die Enden der Verzweigungen parallel zum Balken der I-Form erstrecken. Auch die Schlitze 80'' mit sich in Serifen verzweigender I- Form sind wie in den vorgenannten Ausführungsbeispielen in Gruppen 70'' angeordnet.

Der Rotor 10 des erfindungsgemäßen Elektromotors 20 ist im relativ zu den Schlitzen 80 radial außenliegenden Bereich 90 mit einem ersten, weichmagnetischen Material gebildet, im ge zeigten Ausführungsbeispiel aus Kobalt-Eisen-Legierungen, welche den magnetischen Fluss eines in den Schlitzen 80 be findlichen Felderzeugungsmittels leiten und zum Luftspalt führen kann.

In einem relativ zu dem Schlitzen 80 radial innenliegenden Bereich 100 sowie in zwischen den Gruppen 70 liegenden Berei chen 110 ist der Rotor 10 mit einem nichtmagnetischen Werk stoff, vorliegend einem Verbundwerkstoff, gebildet.

Erfindungsgemäß ist der Rotor 10 des erfindungsgemäßen Elekt romotors 20 wie in Fig. 4 dargestellt mittels Rotorblechen 120 hergestellt: Dazu wird der Rotor 10 wie an sich bekannt aus einzelnen Rotorblechen 120 gefertigt, welche Flachteile bilden, deren flächige Erstreckungen senkrecht zur Rotations achse R des Rotors 10 verlaufen. Im Unterschied zum Stand der Technik allerdings werden die Rotorbleche 120 des erfindungs gemäßen Elektromotors 20 jedoch nicht gelasert oder gestanzt, sondern 3D-gedruckt. Dabei werden beim 3D-Druck zugleich so wohl die Schlitze 80 jeweils in die einzelnen Rotorbleche 120 eingebracht als auch die Schichten der Flussleitmittel ge meinsam mit dem Rotorblech 3D-gedruckt. Die Flussleitmittel sind im gezeigten Ausführungsbeispiel mit Kupferspulen gebil det, welche zur Erzeugung eines magnetischen Flusses bestrom- bar sind.

Das in Fig. 5 dargestellte hybridelektrische Flugzeug 400 weist den erfindungsgemäßen Elektromotor 20 mit dem Rotor 10 zum Antrieb eines Propellers 420 auf.