Rotor und elektrische Maschine Die Erfindung betrifft einen Rotor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine elektrische Maschine nach dem Oberbe ^¬ griff des Anspruchs 10.

Ein Rotor mit Permanentmagneten an einem Außenradius ist ein meridianbeschleunigter Rotor, der, wie nachfolgend wenigstens teilweise vorgenommen, auch als ein Permanentmagnet-Läufer bezeichnet werden kann.

Das Magnetmaterial der Permanentmagnete eines Permanentmag- net-Läufers hat je nach Legierungszusammensetzung eine maximal zulässige Obergrenze als Einsatztemperatur. Wird diese überschritten, kann eine irreversible Entmagnetisierung beim Magnetmaterial auftreten, was die Funktion des Permanentmag ^¬ net-Läufers zerstört.

Eine gezielte Luftkühlung des Rotors tritt einer unzulässigen Erwärmung der Läufer-Magnete durch Wirbelstromverluste und Wärmeeintrag beispielsweise über den zugehörigen Stator im Betrieb entgegen.

Je nach der gewählten Art der gezielten Luftkühlung ist die Fertigung des Permanentmagnet-Läufers aufwendiger oder weniger aufwendig und die erzielte Kühlwirkung entweder stärker oder schwächer ausgeprägt.

Allgemein bekannt ist, dass eigenbelüftete Permanentmagnet- Läufer beispielsweise in der Weise aufgebaut sind, dass neben dem eigentlichen Rotor-Aktivteil mit seinen Permanentmagneten ein zusätzlicher Lüfter wie beispielsweise ein Axiallüfter oder ein Radiallüfter mit drückendem oder saugendem Luftstrom als separates Bauteil konzentrisch auf der Welle des Rotors vorgesehen ist. Alternative bekannte Lösungen umfassen einen externen Lüfter zur Erzeugung eines Kühlluftstroms. Diese Lö- sungen erhöhen die Komplexität und das Gewicht der Gesamtkon ^¬ struktion des Rotors beziehungsweise einer damit ausgestatte ^¬ ten elektrischen Maschine nachteilig.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, einen Rotor der eingangs genannten Art anzugeben, dessen Permanentmagnete im Einsatz sicher mit einer benötigten Kühlung versorgt sind und zwar in einer solchen Weise, dass die Fertigung des Rotors wenig aufwendig und das nachteilige Gewichtszunahmeproblem für die Kühlung gegenüber bekannten Lösungen verbessert ist. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist weiter, eine elektrische Maschine der eingangs genannten Art anzugeben, bei der das Entmagnetisierungsproblem bei den vorhandenen Permanentmagneten für den Rotor wegen zu hoher Temperaturen im Betrieb ohne die Nachteile bekannter Lösungen bezüglich Fertigungs ^¬ komplexität und Gewicht gelöst ist.

Diese Aufgabe ist bezüglich des Rotors ausgehend von einem Rotor der eingangs genannten Art erfindungsgemäß gelöst durch einen Rotor, der die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale aufweist. Diese Aufgabe ist weiter bezüglich der elektrischen Maschine ausgehend von einer elektrischen Maschine der eingangs genannten Art erfindungsgemäß gelöst durch eine elektrische Maschine, die das im Kennzeichen des Anspruchs 10 angegebene Merkmal aufweist.

Der erfindungsgemäße Rotor weist danach an dem Außenradius eine ringförmige Struktur mit darin aufgenommenen Permanent ^¬ magneten, an einem Innenradius eine konische Nabenstruktur und zwischen der ringförmigen Struktur und der konischen Nabenstruktur eine Vielzahl von wenigstens rippenförmigen oder schaufelförmigen Strukturen zu einer mechanischen Verbindung von ringförmiger Struktur und konischer Nabenstruktur auf.

Die erfindungsgemäße elektrische Maschine weist danach den oben angegebenen erfindungsgemäßen Rotor auf. Die erfindungsgemäßen Maßnahmen bewirken sowohl bei einem meridianbeschleunigten Rotor als auch bei einer elektrischen Maschine mit einem solchen Rotor eine wenig aufwendige Ferti ^¬ gung bei sicherer Gewährleistung einer benötigten Kühlung für die Permanentmagnete des meridianbeschleunigten Rotors unter Vermeidung einer Gewichtszunahme wegen Verwendens zusätzlicher, separater Kühlaggregate. Insbesondere werden keine zu ^¬ sätzlichen Lüfter wie beispielsweise ein Axiallüfter oder ein Radiallüfter mit drückendem oder saugendem Luftstrom als separates Bauteil konzentrisch angeordnet auf der Welle des Ro ^¬ tors benötigt. Damit entfallen vorteilhaft die komplexe Fer ^¬ tigung des Rotors und die damit einhergehende Erhöhung des Gesamtgewichts. Mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen sind somit vorteilhaft sowohl lüftungs- als auch fertigungstechnische Aspekte positiv beeinflusst.

Erreicht wird dies erfindungsgemäß dadurch, dass eine vorhan ^¬ dene mechanische rotierende Tragestruktur gleichzeitig als ein rotierender Wärmetauscher genutzt wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Ringförmige Strukturen sind für einen Rotor die geometrisch günstigste Konstruktionsform.

Eine besonders gute Kühlwirkung wird erzielt, wenn die Viel ^¬ zahl an Strukturen zwischen der ringförmigen Struktur am Außenradius des Rotors und der an einem Innenradius des Rotors angeordneten konischen Nabenstruktur zu einer mechanischen Verbindung von ringförmiger Struktur am Außenradius des Rotors und konischen Nabenstruktur an einem Innenradius des Rotors als Lüfterschaufeln aus einem gut wärmeleitenden Material wie zum Beispiel Aluminium ausgebildet sind.

Die Kühlwirkung kann weiter durch eine entsprechende Profi ^¬ lierung der Lüfterschaufeln positiv beeinflusst werden. Plattenförmige Lüfterschaufeln vereinfachen die Fertigung.

Wie die Lüfterschaufeln eines meridianbeschleunigten Axialgebläses ausgebildete Lüfterschaufeln optimieren die damit er- zielte Kühlwirkung.

Ist die Vielzahl an Strukturen zwischen der ringförmigen Struktur am Außenradius des Rotors und der an einem Innenra ^¬ dius des Rotors angeordneten konischen Nabenstruktur luftför- derungstechnisch optimiert unter Berücksichtigung der dem Rotor innewohnenden Vorzugsdrehrichtung ergibt sich ein maximaler Kühleffekt für zum Beispiel die Permanentmagnete des Ro ^¬ tors . Ist wenigstens die am Außenradius des Rotors angeordnete ringförmige Struktur zur Aufnahme der Permanentmagnete oder die an einem Innenradius des Rotors angeordnete konische Na ^¬ benstruktur oder die zwischen der ringförmigen Struktur am Außenradius des Rotors und der an einem Innenradius des Ro- tors angeordneten konischen Nabenstruktur angeordnete Vielzahl von Strukturen hohl mit oder ohne einem darin angeordneten, an die thermischen Verhältnisse angepassten Phasenwechsel-Medium ausgebildet, sind einerseits Gewichtseinsparungen und andererseits weiter erhöhte Wärmetransportraten möglich.

Entsprechende vorteilhafte Effekte und vorteilhafte Wirkungen gelten für eine mit einem solchen erfindungsgemäßen Rotor ausgestattete elektrische Maschine. Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

Figur 1 einen erfindungsgemäßen meridianbeschleunigten Rotor in einer dreidimensionalen perspektivischen Prinzipdarstellung in Vorderansicht,

Figur 2 den Rotor nach der Figur 1 in Rückansicht, Figur 3 einen Längsschnitt des Rotors nach der Figur 1 in Schemadarstellung, und

Figur 4 einen Längsschnitt des Rotors nach der Figur 1 in einer Ausgestaltung nach dem sogenannten Heat-Pipe-

Prinzip in Schemadarstelllung .

Die Figuren 1 bis 4 werden nachfolgend gleichzeitig beschrie ^¬ ben .

Der Aufbau des erfindungsgemäßen Rotors 1 lässt sich in drei Sektionen 2, 3, 4 gliedern:

In einer ersten Sektion 2 ist auf einem Außenradius 5 des Ro- tors 1 angeordnet eine ringförmige Struktur 6 zur Aufnahme von in den Figuren 1 und 2 nicht explizit gezeichneten Permanentmagneten 7. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Erfindung ist diese ringförmige Struktur durch einen Außenring 8 gebildet.

In einer zweiten Sektion 3 ist auf einem Innenradius 9 eine konische Nabenstruktur 10 (Figur 1, 3) angeordnet. Im vorlie ^¬ genden Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die konische Na ^¬ benstruktur 10 durch einen konischen Innenring 11 (Figur 2) gebildet.

In einer dritten Sektion 4 zwischen dem Außen- und dem Innenring 8, 11 sind eine Vielzahl von rippen- beziehungsweise schaufelförmigen Strukturen 12 zur mechanischen Verbindung von Außen- und Innenring 8, 11 angeordnet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Erfindung sind diese Strukturen 12 durch Lüfterschaufel 13 gebildet, das heißt, die mechanischen Verbindungsstrukturen sind an geeigneter Stelle gleichzeitig dazu genutzt, nicht nur für den mechanischen Zusammenhalt der mechanischen Konstruktionsteile zu sorgen, sondern auch gleich für die Verbesserung der Verlustwärmeabfuhr. Aufgrund der Ausbildung des Rotors 1 mit den genannten drei Sektionen ist zwischen der ringförmigen Struktur 6 und der konischen Nabenstruktur 10 ein Schaufelkanal ausgebildet, der bei einer Drehung des Rotors 1 in seiner zugeordneten Vor- zugsdrehrichtung von Umgebungsluft durchströmt ist. Die äuße ^¬ re Begrenzung des durchströmten Schaufelkanals ist zylind ^¬ risch ausgebildet, das heißt sie weist einen konstanten

Durchmesser auf. Die konusförmige Nabe weist einen in axialer Richtung zunehmenden Durchmesser auf.

Bei zylindrischer Außenbegrenzung ergibt sich für den Fall, dass die Relativgeschwindigkeiten wi und w ₂ im Ein- und Austritt gleich sind, wi = w ₂ , ein Gleichdruck für die äußere Stromlinie, das heißt, der Rotor 1 erzeugt nur kinetische Energie. Die nabennäheren Stromlinien sind entsprechend stär ^¬ ker beschleunigt. Daher wird der hier beschriebene Rotor 1 „meridianbeschleunigt" genannt .

Die Vorteile dieser Formgebung bestehen darin, dass der Wär- meübergang in den Schaufelkanälen maximiert wird, ebenso kann auf die Profilierung der Lüfterschaufeln verzichtet werden.

Eine Verlustleistung des Rotors 1 wird durch Wärmeleitung vom Außenring 8 in die Lüfterschaufeln 13 und, zu einem geringe- ren Teil, in den Innenring 11 geleitet. Durch die Form der Lüfterschaufeln 13 wird bei rotierendem Permanentmagnet- Läufer, wie der Rotor 1 auch genannt werden kann, wie eingangs erwähnt, Kühlluft von einer Ansaug- zu einer Ausblas ^¬ seite gefördert.

Ein Rotor 1, wie er in den Figuren 1 bis 4 gezeigt ist, ist, wie erwähnt, ein meridianbeschleunigter Rotor 1. Er läuft um einen Stator 14 (in den Figuren 1 bis 4 nur angedeutet) . Der Rotor 1 ist ein meridianbeschleunigter Rotor 1, weil die Stromlinien des durchströmenden Mediums nabennäher im stärker beschleunigt sind. Solche Rotoren 1 haben eine Vorzugsdreh ^¬ richtung . Eine vorteilhafte Ausführungsform für eine solche Vorzugs ^¬ drehrichtung ist die eines meridianbeschleunigten Axialgebläses mit nicht verzögerter Relativgeschwindigkeit der Strömung in den Schaufelkanälen, Wi — W2. Dadurch kann die Profilie- rung der Lüfterschaufeln 13 entfallen.

Im rotierenden Bezugssystem stellt sich eine Relativgeschwindigkeit zwischen Lüfterschaufeln 13 und geförderter Luft ein. Da die Lüfterschaufeln 13 gleichzeitig als Rippen eines hier jetzt wirkenden Plattenwärmetauschers beziehungsweise rotie ^¬ renden Plattenwärmetauschers dienen, wird die Verlustwärme des Rotors 1, weil eine große Oberfläche und eine hohe Rela ^¬ tivgeschwindigkeit gegeben sind, effektiv konvektiv an die geförderte Luft beziehungsweise das umgebende Fluid abgege- ben.

Eine weitere Optimierung des Wärmeübertragungs- bzw. Kühlver ^¬ mögens des Rotors 1 besteht darin, die inneren Strukturen 15 von Außen- und Innenring 8, 11 sowie der Lüfterschaufeln 13 nicht massiv sondern hohl auszuführen. In diese inneren

Strukturen 15 kann ein Phasenwechsel-Medium 16 eingebracht sein, das über den Phasenübergang flüssig-gasförmig den Wärmetransport von den heißen Permanentmagneten 7 als Wärmequelle (Verdampfung) hin zu den gut gekühlten Oberflächen 17 der Lüfterschaufeln 13 und des Außen- und Innenrings 8, 11 (Kon ^¬ densation) verbessert. Dieses Wärmetauscherprinzip ist auch unter dem Namen „Heat-Pipe-Prinzip" bekannt. Die hierbei wirkenden Fliehkräfte verstärken diesen Effekt zusätzlich. Insgesamt zeigen die Figuren 1 bis 4 einen erfindungsgemäßen Rotor 1 beziehungsweise einen erfindungsgemäßen Permanentmag ^¬ net-Läufer, bei dem seine aerodynamisch optimierte Tragstruktur gleichzeitig als rotierender Plattenwärmetauscher dient. Die Formgebung von Außen- und Innenring 8, 11 sowie der sie verbindenden Lüfterschaufeln 13 ist in einer solchen Weise konstruiert, dass sie an die speziellen Erfordernisse einer effektiven Läuferkühlung angepasst ist und zwar insbesondere in der Weise, dass eine ablösungsfreie, axiale Anströmung der Läuferkühlkanäle im rotierenden Bezugssystem gegeben ist. Im Ergebnis liegt eine verbesserte Kühlwirkung bei niedriger Lärmentwicklung vor. Durch die erzielten Strömungsverhältnisse in den Schaufelkanälen des Rotors 1 ist ein sehr effekti- ver Materialeinsatz erreicht, das heißt, das Verhältnis der abgeführten Verlustleistung zur Masse des Läufers ist günstig. Bei Umsetzung des sogenannten Heat-Pipe-Prinzips ist die Effektivität der Kühlung zusätzlich gesteigert. Bei Einsatz eines solchen erfindungsgemäßen Rotors 1 in entsprechenden elektrischen Maschinen ist die Leistungsdichte der betreffenden elektrischen Maschine vorteilhaft erhöht.