DE102024117178A1 - Rotor for an axial flux machine - Google Patents
Rotor for an axial flux machineInfo
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Abstract
Eine Axialflussmaschine (100) umfasst einen Stator (105) und einen Rotor (110), die um eine Drehachse (115) gegeneinander drehbar gelagert sind. Der Rotor (110) umfasst ein Rotorblech (130) und mehrere Permanentmagneten (135), wobei sich das Rotorblech (130) in einer Drehebene um die Drehachse (115) erstreckt und die Permanentmagneten (135) axial am Rotorblech (130) angebracht sind. Es wird vorgeschlagen, dass das Rotorblech (130) mittels additiver Fertigung hergestellt und dabei stoffschlüssig mit den Permanentmagneten (135) verbunden ist. An axial flux machine (100) comprises a stator (105) and a rotor (110) which are rotatably mounted relative to each other about an axis of rotation (115). The rotor (110) comprises a rotor lamination (130) and several permanent magnets (135), wherein the rotor lamination (130) extends in a plane of rotation about the axis of rotation (115) and the permanent magnets (135) are axially attached to the rotor lamination (130). It is proposed that the rotor lamination (130) be manufactured by additive manufacturing and thereby metallurgically bonded to the permanent magnets (135).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Antriebsmaschine für ein Kraftfahrzeug. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Axialflussmaschine.The present invention relates to an electric drive motor for a motor vehicle. In particular, the invention relates to an axial flux machine.
Ein Kraftfahrzeug kann mittels einer elektrischen Antriebsmaschine angetrieben werden. Während ein magnetischer Fluss in der Antriebsmaschine üblicherweise in radialer Richtung verläuft, sind in einer Axialflussmaschine magnetische Elemente derart angeordnet, dass der magnetische Fluss, der den Stator mit dem Rotor koppelt, in axialer Richtung verläuft. Eine Axialflussmaschine kann bei gleichem Bauraum oder gleicher Masse und gleichem Wirkungsgrad eine höhere Leistung oder ein höheres Drehmoment bereitstellen. Bezüglich eingesetzten Materials kann die Axialflussmaschine sparsamer sein; außerdem können sich zusätzliche Freiräume bei der Platzierung einer Axialflussmaschine als Antriebsmaschine an Bord eines Kraftfahrzeugs ergeben.A motor vehicle can be powered by an electric drive machine. While the magnetic flux in a drive machine typically runs radially, in an axial flux machine, the magnetic elements are arranged such that the magnetic flux coupling the stator to the rotor runs axially. An axial flux machine can provide higher power or torque for the same installation space or mass and efficiency. It can also be more economical in terms of material usage; furthermore, it can free up space when positioning an axial flux machine as the drive motor in a motor vehicle.
An einer bekannten Axialflussmaschine sind Permanentmagneten ringförmig um eine Drehachse angeordnet. In axialer Richtung sind die Permanentmagneten an einem Blechpaket und dieses weiter axial an einem Rotorträger angebracht. Verbindungen werden dabei üblicherweise mittels Klebstoff hergestellt. Eine Steifigkeit der Klebeschicht ist jedoch temperaturabhängig, sodass sich ein axialer Spalt zwischen den Permanentmagneten und Spulen an einem Stator der Axialflussmaschine verändern kann. Um diesen Spalt möglichst klein zu gestalten, müssen die Klebestellen sehr sorgfältig und unter Abschluss vor Schmutz oder Luftblasen ausgeführt werden. Außerdem kann die Klebeschicht einen magnetischen Widerstand für ein Magnetfeld bilden, sodass ein Wirkungsgrad der Maschine verringert sein kann.In a known axial flux machine, permanent magnets are arranged in a ring around a rotating axis. In the axial direction, the permanent magnets are attached to a laminated core, which in turn is mounted axially to a rotor carrier. Connections are typically made using adhesive. However, the stiffness of the adhesive layer is temperature-dependent, which can cause changes in the axial gap between the permanent magnets and the coils on the stator of the axial flux machine. To minimize this gap, the adhesive joints must be applied very carefully and sealed to prevent the formation of dirt or air bubbles. Furthermore, the adhesive layer can create magnetic resistance to a magnetic field, potentially reducing the machine's efficiency.
Eine der vorliegenden Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe besteht in der Bereitstellung eines verbesserten Rotors für eine Axialflussmaschine, insbesondere zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs. Die Erfindung löst diese Aufgabe mittels der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Unteransprüche geben bevorzugte Ausführungsformen wieder.One of the problems underlying the present invention is to provide an improved rotor for an axial flux machine, particularly for powering a motor vehicle. The invention solves this problem by means of the subject matter of the independent claims. The dependent claims describe preferred embodiments.
Eine Axialflussmaschine umfasst einen Stator und einen Rotor, die um eine Drehachse gegeneinander drehbar gelagert sind. Der Rotor umfasst ein Rotorblech und mehrere Permanentmagneten, wobei sich das Rotorblech in einer Drehebene um die Drehachse erstreckt und die Permanentmagneten axial am Rotorblech angebracht sind. Es wird vorgeschlagen, dass das Rotorblech mittels additiver Fertigung hergestellt und dabei stoffschlüssig mit dem Permanentmagneten verbunden ist.An axial flux machine comprises a stator and a rotor, which are rotatably mounted relative to each other about an axis of rotation. The rotor includes a rotor lamination and several permanent magnets, the rotor lamination extending in a plane of rotation about the axis of rotation, and the permanent magnets being axially attached to the rotor lamination. It is proposed that the rotor lamination be manufactured using additive manufacturing and thereby metallurgically bonded to the permanent magnet.
Die stoffschlüssige Verbindung kann ohne den Einsatz eines Klebstoffs hergestellt werden, sodass die Anordnung aus Permanentmagneten und Rotorblech insbesondere in axialer Richtung eine verbesserte Maßhaltigkeit aufweisen kann. Negative Effekte des Klebstoffs, beispielsweise ein magnetischer Widerstand oder eine temperaturabhängige mechanische Ausdehnung, können vermieden werden. Ein axialer Ringspalt zwischen den Permanentmagneten und Elektromagneten am Stator der Axialflussmaschine kann mit verbesserter Maßhaltigkeit sehr klein gehalten sein. Dadurch kann eine elektrische Antriebsmaschine mit einer hohen Leistungsdichte bereitgestellt werden.The material-bonded connection can be achieved without the use of an adhesive, allowing the arrangement of permanent magnets and rotor lamination to exhibit improved dimensional stability, particularly in the axial direction. Negative effects of adhesives, such as magnetic resistance or temperature-dependent mechanical expansion, can be avoided. The axial annular gap between the permanent magnets and electromagnets on the stator of the axial flux machine can be kept very small with improved dimensional stability. This enables the provision of an electric drive machine with a high power density.
Bevorzugt ist das Rotorblech aus einem nichtrostenden Stahl hergestellt. Ein solcher Stahl, der auch als Edelstahl bezeichnet werden kann, hat üblicherweise ein austenitisches Gefüge, sodass seine Magnetisierbarkeit sehr gering ist. Praktisch kann von einem nichtmagnetischen Material ausgegangen werden. Der nichtrostende Stahl kann insbesondere einen Werkstoff mit der Bezeichnung 1.4404, entsprechend AISI 316L umfassen. Dieses Material ist weit verbreitet und seine Eigenschaften sind gut verstanden.Preferably, the rotor lamination is made of stainless steel. Such steel, which can also be referred to as stainless steel, typically has an austenitic microstructure, resulting in very low magnetic permeability. In practice, it can be assumed to be a non-magnetic material. The stainless steel can, in particular, be a material designated 1.4404, corresponding to AISI 316L. This material is widely used and its properties are well understood.
Es ist besonders bevorzugt, dass das Rotorblech mittels pulverbettbasiertem Schmelzen unmittelbar an den Permanentmagneten hergestellt ist. It is particularly preferred that the rotor lamination is produced directly on the permanent magnets using powder bed fusion.
Dazu kann ein pulverförmiger Werkstoff in einer Schicht vorbestimmter Dicke auf einer Grundplatte verteilt werden. Dann kann das Material selektiv mittels einer Wärmequelle kurzzeitig geschmolzen werden. Die Wärmequelle kann einen Elektronenstrahl umfassen, wobei von Elektronen-Strahlschmelzen (Electron Beam Melting, EBM) gesprochen werden kann. Die Wärmequelle kann auch eine Leuchtdiode umfassen, was als Selective LED-based Melting, SLEDM, bekannt ist. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Wärmequelle einen Laser. Mit dem Laser können unterschiedliche Techniken ausgeführt werden, beispielsweise Laser-Strahlschmelzen, direktes Metalldrucken (Direct Metal Printing, DMP), direktes Lasersintern (Direct Metal Laser Sintering, DMLS) oder Laser-Metall-Fusion (Laser Metal Fusion, LMF).A powdered material can be distributed in a layer of predetermined thickness on a base plate. The material can then be selectively melted briefly using a heat source. The heat source can comprise an electron beam, in which case it is referred to as electron beam melting (EBM). Alternatively, the heat source can comprise a light-emitting diode (LED), a process known as selective LED-based melting (SLEDM). In a preferred embodiment, the heat source comprises a laser. Various techniques can be performed with the laser, such as laser beam melting, direct metal printing (DMP), direct metal laser sintering (DMLS), or laser metal fusion (LMF).
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird das Rotorblech mittels pulverbettbasiertem Schmelzen von Metall mittels Laserstrahl hergestellt. Die Herstellung des Rotorblechs erfolgt bevorzugt mittels eines Verfahrens, das als pulverbettbasiertes Schmelzen von Metall mittels Laserstrahl (Laser Powder Bed Fusion, PBF-LB/M) bekannt ist. Mittels dieses Verfahrens kann das Rotorblech in ausreichender Größe und Genauigkeit hergestellt werden. Das Verfahren kann sich auch für die Serienfertigung von Rotorblechen eignen.In a particularly preferred embodiment, the rotor lamination is produced by laser powder bed fusion. The rotor lamination is preferably produced using a process known as laser powder bed fusion (PBF-LB/M). This process allows the Rotor laminations of sufficient size and accuracy can be produced. The process is also suitable for the mass production of rotor laminations.
Die Axialflussmaschine kann ferner einen Magnetträger umfassen, der die Permanentmagneten gegeneinander abstützt. Der Magnetträger kann mehrere Elemente umfassen, die jeweils zwischen benachbarten Permanentmagneten auf dem Umfang um die Drehachse liegen. Der Magnetträger kann in konventioneller Weise aus einem vorbestimmten Material hergestellt werden. In einer Ausführungsform handelt es sich dabei um dasselbe Material wie dasjenige des Rotorblechs. Der Magnetträger kann dazu beitragen, die Permanentmagneten gegeneinander bzw. gegenüber dem Rotorblech zu fixieren. Außerdem kann der Magnetträger zusammen mit den Permanentmagneten eine Oberfläche in axialer Richtung definieren, die eben ist und auf die das Rotorblech in der hierin beschriebenen Weise abgeschieden werden kann. Eine Anordnung aus den Permanentmagneten und dem Magnetträger kann eine einheitliche axiale Dicke aufweisen.The axial flux machine can further comprise a magnet carrier that supports the permanent magnets against one another. The magnet carrier can include several elements, each located between adjacent permanent magnets around the circumference of the axis of rotation. The magnet carrier can be manufactured conventionally from a predetermined material. In one embodiment, this is the same material as that of the rotor lamination. The magnet carrier can help to fix the permanent magnets against each other and against the rotor lamination. Furthermore, the magnet carrier, together with the permanent magnets, can define a flat surface in the axial direction onto which the rotor lamination can be deposited in the manner described herein. An arrangement of the permanent magnets and the magnet carrier can have a uniform axial thickness.
Weiter bevorzugt umfasst der Rotor ferner einen Flussring, der sich auf einem Umfang um die Drehachse radial außerhalb der Permanentmagneten erstreckt. Dabei ist bevorzugt, dass das Rotorblech im Rahmen seiner additiven Fertigung stoffschlüssig mit dem Flussring verbunden ist.Preferably, the rotor further comprises a flux ring that extends radially outside the permanent magnets around the axis of rotation. It is preferred that the rotor lamination is metallurgically bonded to the flux ring during its additive manufacturing process.
Das Rotorblech, die Permanentmagneten, der Flussring sowie ggf. der Magnetträger können dadurch eine separat handhabbare Einheit bilden. Diese Einheit kann leicht mit der erforderlichen Präzision an einem weiteren Element des Rotors, insbesondere an einem Rotorträger, angebracht werden. Ein Material des Flussrings kann ebenfalls nichtrostenden Stahl umfassen, insbesondere dasjenige Material, welches für das Rotorblech und/oder den Magnetträger verwendet wird.The rotor lamination, permanent magnets, flux ring, and, if applicable, the magnet carrier can thus form a separately manageable unit. This unit can be easily attached with the required precision to another element of the rotor, in particular to a rotor carrier. The flux ring material can also include stainless steel, especially the same material used for the rotor lamination and/or the magnet carrier.
Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Kraftfahrzeug eine hierin beschriebene Axialflussmaschine. Das Kraftfahrzeug kann beispielsweise ein Kraftrad oder einen Personenkraftwagen umfassen. Die Axialflussmaschine kann eine hohe Leistungsdichte (in kW/kg) aufweisen und sehr kompakt aufgebaut werden. In einer Ausführungsform ist die Axialflussmaschine zum Direktantrieb eines Rads des Kraftfahrzeugs eingerichtet. Dabei kann es sich insbesondere um einen Nabenmotor handeln, der mit einem Rad des Kraftfahrzeugs integriert ausgeführt ist.According to a further aspect of the present invention, a motor vehicle comprises an axial flux machine as described herein. The motor vehicle can, for example, be a motorcycle or a passenger car. The axial flux machine can have a high power density (in kW/kg) and be very compact. In one embodiment, the axial flux machine is configured to directly drive a wheel of the motor vehicle. This can, in particular, be a hub motor that is integrated with a wheel of the motor vehicle.
Nach noch einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors für eine Axialflussmaschine, insbesondere zum Einsatz als Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs, folgende Schritte: Anordnen von Permanentmagneten entlang eines Umfangs um eine Drehachse des Rotors; Aufbringen einer Schicht eines pulverförmigen Werkstoffs an einer axialen Seite der Permanentmagneten; und Schmelzen des pulverförmigen Werkstoffs, sodass der Werkstoff ein Rotorblech bildet, welches in axialer Richtung stoffschlüssig mit den Permanentmagneten verbunden ist.According to yet another aspect of the present invention, a method for manufacturing a rotor for an axial flux machine, in particular for use as a drive machine of a motor vehicle, comprises the following steps: arranging permanent magnets along a circumference around an axis of rotation of the rotor; applying a layer of a powdered material to an axial side of the permanent magnets; and melting the powdered material so that the material forms a rotor lamination which is bonded to the permanent magnets in the axial direction.
Das Verfahren kann dazu eingesetzt werden, einen hierin beschriebenen Rotor bzw. eine hierin beschriebene Axialflussmaschine herzustellen. Merkmale oder Vorteile des Rotors bzw. der Axialflussmaschine können auf das Verfahren übertragen werden, und umgekehrt.The method can be used to manufacture a rotor or an axial flux machine described herein. Features or advantages of the rotor or the axial flux machine can be transferred to the method, and vice versa.
Es ist besonders bevorzugt, dass zwischen benachbarten Permanentmagneten Elemente eines Magnetträgers derart angeordnet werden, dass ihre Oberflächen mit axialen Oberflächen der Permanentmagneten in einer Ebene liegen. Der pulverförmige Werkstoff kann auf die Oberflächen aufgebracht und dort geschmolzen werden. Auf diese Weise kann das Rotorblech verbessert eben ausgeführt werden.It is particularly preferred that elements of a magnet carrier are arranged between adjacent permanent magnets such that their surfaces lie in a plane with the axial surfaces of the permanent magnets. The powdered material can be applied to the surfaces and melted there. In this way, the rotor lamination can be made more flat.
Die Permanentmagneten sowie ggf. der Magnetträger und/oder der Flussring können vor dem Aufbringen des pulverförmigen Werkstoffs in eine Form eingelegt werden, sodass ihre Oberflächen bündig mit einer Oberfläche der Form abschließen. Im Rahmen der Fertigung erfolgt keine Verbindung zwischen dem Rotorblech und der Form. Nach dem Fertigstellen des Rotorblechs können alle Elemente aus der Form entfernt werden, und die Form kann zur Herstellung einer weiteren Rotor-Baugruppe erneut verwendet werden.The permanent magnets, and optionally the magnet carrier and/or flux ring, can be placed in a mold before the powdered material is applied, so that their surfaces are flush with a surface of the mold. No bond is formed between the rotor lamination and the mold during manufacturing. After the rotor lamination is complete, all components can be removed from the mold, and the mold can be reused to produce another rotor assembly.
Um eine besonders gute Verbindung zwischen dem Rotorblech und einem Permanentmagneten zu erzielen, kann der pulverförmige Werkstoff in einem Bereich, in dem ein Permanentmagnet an einem Element des Magnetträgers angrenzt, geschmolzen werden, bevor der Werkstoff in einem axialen Bereich des Permanentmagneten geschmolzen wird. So kann im Grenzbereich zwischen dem Permanentmagnet und dem Magnetträger zunächst eine thermisch und mechanisch belastbare Verbindung hergestellt werden, die dann entlang der axialen Oberfläche des Permanentmagneten fortgeführt oder verlängert werden kann.To achieve a particularly strong bond between the rotor lamination and a permanent magnet, the powdered material can be melted in the area where the permanent magnet abuts an element of the magnet carrier before being melted in an axial region of the permanent magnet. This allows a thermally and mechanically robust bond to be created at the interface between the permanent magnet and the magnet carrier, which can then be continued or extended along the axial surface of the permanent magnet.
Der pulverförmige Werkstoff kann jeweils nur in einem vorbestimmten Bereich geschmolzen werden, der über die Oberfläche bewegt wird. Dieser Bereich kann relativ klein sein und einen Durchmesser von unter ca. 1 mm aufweisen. Es ist bevorzugt, dass die Bewegung im Bereich eines Permanentmagneten einem vorbestimmten Muster folgt, welches die Form eines Mäanders haben kann. Dabei sind unterschiedliche mäanderförmige Muster denkbar. In einer weiteren Ausführungsform kann das Muster auch nach Art einer Spirale die Oberfläche des Permanentmagneten bedecken.The powdered material can only be melted in a predetermined area that is moved across the surface. This area can be relatively small, with a diameter of less than approximately 1 mm. It is preferred that the movement within the area of a permanent magnet follows a predetermined pattern, which can be meandering. Various meandering patterns are conceivable. bar. In another embodiment, the pattern can also cover the surface of the permanent magnet in the manner of a spiral.
In einer Ausführungsform verläuft das Muster über eine Fläche des Permanentmagneten vom außenliegenden Grenzbereich zu einem inneren axialen Bereich. Beispielsweise kann das Muster zunächst entlang des Grenzbereichs am Permanentmagneten umlaufen. Nach einem ersten Umlauf kann ein weiterer Umlauf weiter am Permanentmagneten nach innen versetzt erfolgen, sodass der weitere Umlauf im Wesentlichen dieselbe Form, aber eine geringere Länge aufweist. In entsprechender Weise können weitere Umläufe durchgeführt werden, bis die gesamte Fläche des Permanentmagneten aufgeschmolzen wurde. Nach diesem Vorgang kann eine weitere Schicht pulverförmigen Werkstoffs aufgebracht und in ähnlicher Weise aufgeschmolzen werden.In one embodiment, the pattern extends across a surface of the permanent magnet from the outer boundary region to an inner axial region. For example, the pattern can initially circumferentially traverse the permanent magnet along the boundary region. After this first circumference, a further circumference can be made offset further inward on the permanent magnet, so that the subsequent circumference has essentially the same shape but a shorter length. Further circumferences can be carried out in this manner until the entire surface of the permanent magnet has been melted. After this process, another layer of powdered material can be applied and melted in a similar manner.
Allgemein werden nacheinander mehrere Schichten des pulverförmigen Werkstoffs aufgebracht und geschmolzen. Dabei ist bevorzugt, dass der Rotor vor dem Schmelzen einer Schicht auf eine vorbestimmte Temperatur abgekühlt wird. Insbesondere kann zwischen dem Schmelzen einer Schicht und dem Aufbringen oder Schmelzen einer folgenden Schicht gewartet werden, bis sich der geschmolzene Werkstoff bzw. der Rotor soweit abgekühlt hat, dass keine thermische Materialspannung mehr vorliegt. Der Rotor kann verbessert maßhaltig und spannungsfrei hergestellt werden.Generally, several layers of the powdered material are applied and melted successively. It is preferred that the rotor is cooled to a predetermined temperature before each layer is melted. In particular, it is possible to wait between melting one layer and applying or melting the next until the molten material or the rotor has cooled sufficiently to eliminate thermal stress. This allows for improved dimensional accuracy and stress-free manufacturing of the rotor.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genauer beschrieben, in denen:
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1 eine schematische Darstellung eines beispielhaften Rotors für eine Axialflussmaschine; -
2 einen Rotor für eine Axialflussmaschine; -
3 Schritte eines Herstellungsverfahrens für einen Rotor für eine Axialflussmaschine; -
4 eine schematische Darstellung einer Herstellungsvorrichtung für ein Rotorblech mittels additiver Fertigung; und -
5 ein beispielhaftes Muster eines erwärmten Bereichs bei einer additiven Fertigung
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1 a schematic representation of an exemplary rotor for an axial flux machine; -
2 a rotor for an axial flux machine; -
3 Steps of a manufacturing process for a rotor for an axial flux machine; -
4 a schematic representation of a manufacturing device for a rotor lamination using additive manufacturing; and -
5 An exemplary pattern of a heated area in additive manufacturing
Eine Axialflussmaschine 100 kann insbesondere als Antriebsmotor für ein Kraftfahrzeug verwendet werden. Die Axialflussmaschine 100 umfasst einen Stator 105 (nicht dargestellt) und einen Rotor 110, von dem eine beispielhafte Variante in
Der Rotor 110 umfasst einen Rotorträger 120, an welchem eine Anordnung 125 angebracht wird, die ein Rotorblech 130, eine Anzahl Permanentmagneten 135, einen Magnetträger 140 sowie einen Flussring 145 umfassen kann.The rotor 110 comprises a rotor carrier 120, to which an arrangement 125 is attached, which may include a rotor sheet 130, a number of permanent magnets 135, a magnet carrier 140 and a flux ring 145.
Die Permanentmagneten 135 sind auf einem Umfang um die Drehachse 115 regelmäßig angeordnet. Eine Verbindungslinie zwischen einem Nordpol und einem Südpol eines Permanentmagneten 135 verläuft im Wesentlichen parallel zur Drehachse 115. Der Magnetträger 140 kann die Permanentmagneten 135 in Umfangsrichtung abstützen. Dazu ist der Magnetträger 140 in einzelne Elemente untergliedert, wobei ein Element jeweils zwischen zwei benachbarten Permanentmagneten 135 liegt. Zusätzlich kann eine radial äußere und/oder radial innere Umfassung vorgesehen sein, um die Permanentmagneten 135 in radialer Richtung zu sichern. Der Magnetträger 140 und die Permanentmagneten 135 weisen üblicherweise entlang der Drehachse 115 gleiche Dicken auf, sodass sie zusammen im Wesentlichen eine Scheibe der Form eines Kreisrings mit einer konstanten axialen Höhe bilden.The permanent magnets 135 are arranged regularly around a circumference around the axis of rotation 115. A line connecting the north and south poles of a permanent magnet 135 runs essentially parallel to the axis of rotation 115. The magnet support 140 can support the permanent magnets 135 circumferentially. For this purpose, the magnet support 140 is subdivided into individual elements, with each element positioned between two adjacent permanent magnets 135. Additionally, a radial outer and/or radial inner enclosure can be provided to secure the permanent magnets 135 radially. The magnet support 140 and the permanent magnets 135 typically have the same thickness along the axis of rotation 115, so that together they essentially form a disk in the shape of an annulus with a constant axial height.
Die Permanentmagneten 135 sowie ggf. der Magnetträger 140 können mittels eines Klebstoffs am Rotorblech 130 angebracht werden. Das Rotorblech 130 kann mittels einer weiteren Schicht Klebstoff am Rotorträger 120 angebracht werden. Auch der Flussring 145 kann am Rotorträger 120 oder einem anderen Element des Rotors 110 verklebt werden.The permanent magnets 135 and, if applicable, the magnet carrier 140 can be attached to the rotor lamination 130 using an adhesive. The rotor lamination 130 can be attached to the rotor carrier 120 using a further layer of adhesive. The flux ring 145 can also be glued to the rotor carrier 120 or to another element of the rotor 110.
Im Folgenden wird eine alternative Technik vorgestellt, die es erlaubt, die Anordnung 125 mit stoffschlüssig aneinander befestigten Elementen herzustellen, ohne einen Klebstoff einzusetzen. Dabei kann eine präzise maßhaltige Anordnung 125 hervorgebracht werden, die es erlaubt, eine Axialflussmaschine 100 mit präzisem axialem Luftspalt zwischen dem Rotor 110 und dem Stator 105 zu fertigen. So kann eine Axialflussmaschine 100 bereitgestellt werden, die eine hohe Leistung umsetzt. In einer Ausführungsform kann es sich um eine Leistung von mehreren 100 kW handeln, beispielsweise ca. 500 kW.An alternative technique is presented below that allows the assembly 125 to be manufactured with materially bonded elements without the use of an adhesive. This enables the production of a dimensionally accurate assembly 125, allowing the manufacture of an axial flux machine 100 with a precise axial air gap between the rotor 110 and the stator 105. In this way, an axial flux machine 100 can be provided that delivers high power. In one embodiment, this power can be several hundred kW, for example, approximately 500 kW.
Im Längsschnitt sind Anlageflächen 205 zwischen Permanentmagneten 135 und dem Rotorblech 130 mittels unterbrochener Linien hervorgehoben. Um eine präzise, haltbare und möglichst temperaturstabile Verbindung zwischen den Permanentmagneten 135 und dem Rotorblech 130 zu erzielen, wird vorgeschlagen, dass das Rotorblech 130 mittels Methoden der additiven Fertigung unmittelbar an den Permanentmagneten 135 hergestellt wird. Insbesondere soll das Rotorblech 130 durch Schmelzen eines pulverförmigen Werkstoffs hergestellt werden, wobei der Werkstoff eine Temperatur erreichen kann, die eine stoffschlüssige und insbesondere metallurgische Verbindung zum Permanentmagneten 135 herstellen kann.In the longitudinal section, contact surfaces 205 between permanent magnets 135 and the rotor lamination 130 are highlighted by means of dashed lines. To achieve a precise, durable, and temperature-stable connection between the permanent magnets 135 and the rotor lamination 130, it is proposed that the rotor lamination 130 be manufactured directly on the permanent magnets 135 using additive manufacturing methods. Specifically, the rotor lamination 130 should be produced by melting a powdered material, whereby the material can reach a temperature sufficient to establish a metallurgical bond with the permanent magnet 135.
Ein Permanentmagnet 135 umfasst bevorzugt eine Legierung mit Material aus der Gruppe der Seltenen Erden, insbesondere Neodym. Das Aufschmelzen des Pulvers erfolgt weiter bevorzugt nur sehr kurz und auf einen kleinen lokalen Bereich beschränkt, sodass magnetische Eigenschaften des Permanentmagneten 135 durch die Herstellung des Rotorblechs 130 im Wesentlichen unverändert bleiben können. Optional kann eine entsprechende Verbindung auch zwischen dem Rotorblech 130 und dem Flussring 145 im Rahmen der Herstellung des Rotorblechs 130 hergestellt werden. In einer weiteren Ausführungsform kann eine entsprechende Verbindung auch zwischen dem Rotorblech 130 und dem Magnetträger 140 hergestellt werden.A permanent magnet 135 preferably comprises an alloy with a rare-earth element, in particular neodymium. The melting of the powder is further preferably carried out only very briefly and limited to a small local area, so that the magnetic properties of the permanent magnet 135 can remain essentially unchanged during the production of the rotor lamination 130. Optionally, a corresponding connection can also be made between the rotor lamination 130 and the flux ring 145 during the production of the rotor lamination 130. In a further embodiment, a corresponding connection can also be made between the rotor lamination 130 and the magnet carrier 140.
In einem ersten Schritt 305 wird eine Bauplattform 320 bereitgestellt, die vorbestimmte, radialsymmetrische Ausnehmungen 325 aufweist. Die Bauplattform 320 kann aus einem Material bestehen, welches resistent gegenüber einem Verschweißen mit Stahl ist, beispielsweise eine Keramik.In a first step 305, a build platform 320 is provided, which has predetermined, radially symmetrical recesses 325. The build platform 320 can be made of a material that is resistant to welding with steel, for example, a ceramic.
In einem zweiten Schritt 310 werden in die Ausnehmungen 325 die Permanentmagneten 135, der Magnetträger 140 sowie optional der Flussring 145 eingelegt. Dabei liegen die Permanentmagneten 135 in regelmäßigen Abständen zueinander auf einem Umfang um die Drehachse 115. Zwischen benachbarten Permanentmagneten 135 kann jeweils ein Element des Magnetträgers 140 liegen. Elemente des Magnetträgers 140 können mittels eines radial inneren und/oder eines radial äußeren Rings miteinander verbunden sein. In diesem Fall kann der Magnetträger 140 auch radial innen bzw. radial außen an den Permanentmagneten 135 anliegen.In a second step 310, the permanent magnets 135, the magnet carrier 140, and optionally the flux ring 145 are inserted into the recesses 325. The permanent magnets 135 are arranged at regular intervals around a circumference centered on the axis of rotation 115. An element of the magnet carrier 140 can be positioned between adjacent permanent magnets 135. Elements of the magnet carrier 140 can be connected to each other by means of a radially inner and/or a radially outer ring. In this case, the magnet carrier 140 can also abut the permanent magnets 135 radially on the inside or outside.
Es ist zu sehen, dass axiale Oberflächen der Permanentmagneten 135, des Magnetträgers 140 und des optionalen Flussrings 145 in einer Ebene liegen, die bevorzugt bündig mit der oberen Oberfläche der Bauplattform 320 abschließt.It can be seen that the axial surfaces of the permanent magnets 135, the magnet carrier 140 and the optional flux ring 145 lie in a plane that preferably is flush with the upper surface of the build platform 320.
In einem dritten Schritt 315 kann mittels Methoden der additiven Fertigung das Rotorblech 130 auf dieser Oberfläche abgeschieden werden. Dazu kann eine Schicht eines pulverförmigen Werkstoffs auf die Oberfläche aufgebracht werden, bevor die Schicht mittels einer Wärmequelle in vorbestimmten Abschnitten erwärmt wird. Auf diese Weise können nacheinander eine Vielzahl Schichten abgeschieden werden, die zusammen das Rotorblech 130 ergeben.In a third step 315, the rotor lamination 130 can be deposited on this surface using additive manufacturing methods. For this purpose, a layer of a powdered material can be applied to the surface before the layer is heated in predetermined sections using a heat source. In this way, a large number of layers can be deposited successively, which together form the rotor lamination 130.
Das Rotorblech 130 kann durch seine thermische Herstellung bereits mit den Permanentmagneten 135, dem Magnetträger 140 und/oder dem Flussring 145 verschweißt sein. Gegenüber der Bauplattform 320 wird jedoch keine stoffschlüssige Verbindung hergestellt.The rotor lamination 130 may already be welded to the permanent magnets 135, the magnet carrier 140 and/or the flux ring 145 due to its thermal manufacturing process. However, no metallurgical bond is established with respect to the assembly platform 320.
Die Herstellungsvorrichtung 400 umfasst eine Energiequelle 405, die bevorzugt einen Laser umfasst. Mittels eines Spiegels 410 kann der Laser in einen vorbestimmten Schmelzbereich 415 auf einer Bauplattform 320 gelenkt werden. Eine Kamera 420 ist vorgesehen, um eine tatsächliche Position des Schmelzbereichs 415 zu erfassen und den Laser 405 bzw. den Spiegel 410 entsprechend zu steuern.The manufacturing device 400 comprises an energy source 405, preferably a laser. The laser can be directed into a predetermined melting area 415 on a build platform 320 by means of a mirror 410. A camera 420 is provided to detect the actual position of the melting area 415 and to control the laser 405 or the mirror 410 accordingly.
Auf der Bauplattform 320 ist ein pulverförmiger Werkstoff 425 in einer Schicht mit einer vorbestimmten Dicke aufgebracht. Durch Steuerung des Spiegels 410 sowie optional durch Bewegen der Bauplattform 320 gegenüber der Energiequelle 405 bzw. dem Spiegel 410 kann der Schmelzbereich 415 in einem vorbestimmten Muster über den pulverförmigen Werkstoff 425 auf der Bauplattform 320 bewegt werden. Im Schmelzbereich 415 schmilzt der pulverförmige Werkstoff 425 durch die Einwirkung von Wärme kurzzeitig auf und erstarrt wieder, wenn der Bereich 415 weiterbewegt wird. Dabei liegt das der Werkstoff 425 vorübergehend in flüssiger Phase vor, in der eine stoffschlüssige und insbesondere metallurgische Verbindung mit einem anliegenden Element eingegangen werden kann. Ein solches Element kann insbesondere einen Permanentmagneten 135, einen Magnetträger 140 oder einen Flussring 145 umfassen, die in
Das Muster 500 beginnt in einem unteren rechten Bereich der Darstellung, wo der Permanentmagnet 135 in der Drehebene bezüglich der Drehachse 115 an den Magnetträger 140 angrenzt. Das Muster 500 folgt zunächst dem Grenzbereich zwischen den Permanentmagneten 135 und dem Magnetträger 140, bis es den Permanentmagneten 135 im Wesentlichen einmal umlaufen hat. Danach umfasst das Muster 500 einen weiteren Umlauf, der sich an dem zuvor hergestellten Umlauf orientiert und zu diesem einen vorbestimmten seitlichen Abstand einhält.Pattern 500 begins in the lower right area of the illustration, where the permanent magnet 135 abuts the magnet carrier 140 in the plane of rotation with respect to the axis of rotation 115. Pattern 500 initially follows the boundary between the permanent magnet 135 and the magnet carrier 140 until it has essentially completed one revolution around the permanent magnet 135. Pattern 500 then completes another revolution, oriented to the previously completed revolution and maintaining a predetermined lateral distance from it.
Nach einer Anzahl Umläufe gelangt der Schmelzbereich 415 des Musters 500 an einen maximal von den seitlichen Begrenzungen des Permanentmagneten 135 entfernten Punkt. Dieser Ort ist in
Es ist zu beachten, dass das dargestellte Muster 500 stellvertretend für unterschiedliche Muster steht, die eine metallurgische Verbindung zwischen dem Permanentmagnet 135 und einem außen angrenzenden Element 140 bewirkt, die dann über die axiale Stirnfläche des Permanentmagneten 135 nach innen fortgeführt wird.It should be noted that the illustrated pattern 500 is representative of different patterns that create a metallurgical connection between the permanent magnet 135 and an externally adjacent element 140, which is then continued inwards via the axial end face of the permanent magnet 135.
BezugszeichenReference sign
- 100100
- AxialflussmaschineAxial flux machine
- 105105
- Statorstator
- 110110
- Rotorrotor
- 115115
- Drehachseaxis of rotation
- 120120
- RotorträgerRotor carrier
- 125125
- Anordnungarrangement
- 130130
- RotorblechRotor plate
- 135135
- PermanentmagnetPermanent magnet
- 140140
- MagnetträgerMagnetic carrier
- 145145
- FlussringRiver ring
- 205205
- AnlageflächeSite area
- 300300
- VerfahrenProceedings
- 305305
- erster Schrittfirst step
- 310310
- zweiter Schrittsecond step
- 315315
- dritter Schrittthird step
- 320320
- BauplattformConstruction platform
- 325325
- AusnehmungExclusion
- 400400
- HerstellungsvorrichtungManufacturing device
- 405405
- Energiequelle (Laser)Energy source (laser)
- 410410
- SpiegelMirror
- 415415
- SchmelzbereichMelting area
- 420420
- Kameracamera
- 425425
- pulverförmiger Werkstoffpowdered material
- 500500
- MusterPattern
Claims (13)
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102024117178.2A DE102024117178A1 (en) | 2024-06-19 | 2024-06-19 | Rotor for an axial flux machine |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102024117178.2A DE102024117178A1 (en) | 2024-06-19 | 2024-06-19 | Rotor for an axial flux machine |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DE102024117178A1 true DE102024117178A1 (en) | 2025-12-24 |
Family
ID=97915891
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DE102024117178.2A Pending DE102024117178A1 (en) | 2024-06-19 | 2024-06-19 | Rotor for an axial flux machine |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE102024117178A1 (en) |
Citations (4)
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-
2024
- 2024-06-19 DE DE102024117178.2A patent/DE102024117178A1/en active Pending
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