DE102004017507A1

DE102004017507A1 - Rotoranordnung für eine elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102004017507A1
Application number: DE102004017507A
Authority: DE
Inventors: Markus KLÖPZIG; Vladimir Vladimirovich Popov
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2004-04-08
Filing date: 2004-04-08
Publication date: 2005-10-27
Also published as: US20050225192A1; JP2005304286A

Abstract

Rotoranordnung für eine elektrische Maschine mit einem Rotorkörper und in den Rotorkörper eingebetteten Permanentmagneten, wobei die Permanentmagneten eine Vielzahl von anisotropen Einzelmagneten umfassen, die in dem Rotorkörper entlang von Linien angeordnet und magnetisiert sind, welche einer Halbach-Feldlinienverteilung wenigstens näherungsweise entsprechen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Rotoranordnung für einen Elektromotor mit einem Rotorkörper und in den Rotorkörper eingebetteten Permanentmagneten. Die erfindungsgemäße Rotoranordnung ist allgemein in elektrischen Maschinen, wie z.B. Gleichstrommotoren und Generatoren einsetzbar.
Auf dem Markt ist eine Vielzahl von Elektromotoren bekannt, die auf verschiedene Arten klassifiziert werden können, z.B. gemäß ihrer Struktur, dem Antriebsmechanismus, dem Steuermodus etc. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung sind bürstenlose Gleichstrommotoren und andere Permanentmagnetmotoren, wobei es grundsätzlich bekannt ist, Permanentmagnete auf dem Außenumfang eines Rotorkörpers vorzusehen oder in diesen einzubetten. Die Erfindung ist ferner anwendbar auf Elektromotoren und Generatoren, welche als Innenläufermotor oder Außenläufermotor konfiguriert sein können. Elektromotoren mit einer Innenläuferkonfiguration weisen eine Rotoranordnung auf, die auf eine Motorwelle aufgebracht ist und einen oder mehrere Permanentmagnete umfaßt, sowie eine Statoranordnung aus z.B. einer Anzahl von paketierten Metallblechen, die einen ringförmigen Statorrückschluß und von dem Statorrückschluß nach innen abstehende Polschuhe aufweist. Auf die Polschuhe sind Phasenwicklungen aufgebracht. Die Rotoranordnung ist koaxial in die Statoranordnung eingefügt. Bei einer Außenläuferkonfiguration umgibt die Rotoranordnung den Stator koaxial.
Im Stand der Technik ist ferner bekannt, auf den Außenumfang des Rotors aufgebrachte Permanentmagnete derart zu magnetisieren, daß sich eine magnetische Feldlinienverteilung gemäß einer Halbach-Magnetisierung oder einer angenäherten Halbach-Magnetisierung ergibt.

Die Grundlagen der Halbach-Magnetisierung sind z.B. beschrieben auf der Website der University of Sheffield von der Elektrical Machines and Drives Group unter http://www.shef.ac.uk/eee/emd/research/halbach/halbach1.html. Die Halbach-Magnetisierung erlaubt eine Konzentration des von den Magneten erzeugten Magnetfeldes auf Sinuslinien. Die 1 und 2 zeigen eine Halbach-Magnetisierung eines Rotorrings für einen Innenläufermotor bzw. einen Außenläufermotor und die zugehörige Magnetfeldlinienverteilung. Aufgrund der speziellen Feldlinienführung innerhalb des Rotors ist bei Rotoren mit Halbach-Magnetisierung kein Eisenrückschluß notwendig, wodurch die Rotormasse und -trägheit reduziert werden können.

Es ist bekannt, solche Magnetringe bzw. Magnetzylinder mit Halbach-Magnetisierung für Rotoren entweder aus vormagnetisierten anisotropen Magnetsegmenten mit der gewünschten Magnetisierungsrichtung oder aus isotropen Magnetringen, auf welche die Halbach-Magnetisierung aufgeprägt wird, herzustellen.

Bei bekannten Rotoranordnungen ist es üblich, daß ein segmentierter Permanentmagnetring oder mehrere einzelne Permanentmagnete nebeneinander auf einem Rückschluß befestigt sind, der auf der Motorwelle aufgebracht ist. Bei Motoren mit niedrigen Polzahlen ist dieser mehrpolige Permanentmagnetring nachteilig, weil die Magnetwand eine erhebliche Dicke haben muß und somit eine sehr große Menge magnetischen Materials benötigt wird.

Die EP 1 263 116 offenbart einen Rotor, auf dessen Außenumfang Permanentmagnete aufgebracht sind. Die Permanentmagnete sind in Form eines Ringes angeordnet und in eine Vielzahl von Segmenten aufgeteilt, welche so magnetisiert sind, daß eine Halbach-Magnetisierung angenähert wird.

Während Rotoranordnungen mit Halbach-Magnetisierung zahlreiche Vorteile haben, besteht auch hier das Problem, daß der Permanentmagnetring auf dem Außenumfang des Rotors bei niedrigen Polzahlen vergleichsweise dick ist und somit übermäßig viel magnetisches Material benötigt wird.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Rotoranordnung für eine elektrische Maschine anzugeben, die auch bei niedrigen Polzahlen mit vertretbarem Aufwand hergestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch eine Rotoranordnung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Rotoranordnung umfaßt einen Rotorkörper, in welchem Permanentmagnete eingebettet sind. Diese Permanentmagnete umfassen eine Vielzahl von anisotropen Einzelmagneten, welche in dem Rotorkörper entlang von Linien angeordnet und magnetisiert sind, welche einer Halbach-Feldlinienverteilung wenigstens näherungsweise entsprechen. Durch die erfindungsgemäße Gestaltung der Permanentmagnete können insbesondere bei Rotoren mit niedriger Polzahl das Volumen des Magnetmaterials und somit die Kosten für die Magnete im Vergleich zu Rotoranordnungen mit ringförmigen Permanentmagneten deutlich gesenkt werden. Durch die Anordnung und Magnetisierung der einzelnen Magnete entlang von Halbach-Feldlinien wird im Ergebnis eine Halbach-Magnetisierung der Permanentmagnete erreicht, so daß der Rotorkörper im Idealfall ohne Zwischenschaltung eines Rück schlusses, aus z.B. einem Kunststoffträger aufgebaut werden kann, in dem die Einzelmagnete aufgenommen sind. Dadurch werden die Kosten für den Rotor gesenkt. Ferner ist die Masse und somit die Trägheit eines Rotors mit einem Kunststoffträger geringer als die eines Rotors mit einem Eisenrückschluß.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung kann der Kunststoffträger mit Taschen zur Aufnahme der Einzelmagnete ausgebildet sein. Vorteilhaft weisen diese Taschen Verdrängungsnasen in axialer und/oder radialer Richtung auf, welche mit den Einzelmagneten in Eingriff kommen, um diese zu positionieren und in ihrer Position spielfrei unter Ausgleichung von Toleranzen zu halten.

In einer anderen Ausführung der Erfindung können die Einzelmagnete auch in den Kunststoffträger eingespritzt werden, wodurch keine Einzelmontage der Magnete notwendig ist und die Einzelmagnete exakt positioniert werden.

In einer weiteren, sehr vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist jeweils ein durch die Permanentmagnete gebildetes Polpaar aus mehreren Einzelmagneten zusammengesetzt, welche im wesentlichen die gleiche Form, Größe und Magnetisierungsrichtung haben. Vorteilhaft sind diese Einzelmagnete einfache quaderförmige Magnete, die in Längsrichtung magnetisiert und entlang der theoretischen Halbach-Feldlinien so angeordnet sind, daß sich im Ergebnis eine Halbach-Magnetisierung des Rotors ergibt. Bei dieser Ausführung kann somit mit sehr einfachen, kostengünstigen Einzelmagneten die gewünschte Halbach-Magnetisierung erreicht werden.

In einer anderen Ausführung der Erfindung kann jeweils ein durch die Permanentmagnete gebildetes Polpaar aus einem Einzelmagneten aufgebaut sein, wobei dieser Einzelmagnet vorzugsweise entlang einer Linie gekrümmt ist, die im wesentlichen dem theoretischen Halbach-Feldlinienverlauf entspricht.

Die Einzelmagnete können mit einer Vorzugsrichtung vor-ausgerichtet sein, wobei die Magnetisierung der Magnete nach deren Montage in dem Rotorkörper erfolgen kann.

In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung sind mehrere Einzelmagnete in Längsrichtung der Welle nebeneinander angeordnet. Dadurch kann die Leistung der Rotormagnete insgesamt erhöht werden. Ferner ist es möglich, die in Längsrichtung der Welle nebeneinander angeordneten Einzelmagnete in ihrer Winkellage gegeneinander zu versetzen, um eine Schrägung der Magnetfeldverteilung zu erzeugen, wodurch z.B. das Rastmoment weiter verringert wird.

In dieser Ausführung kann der Rotorkörper aus einem Kunststoffträger mit einem Grundkörper und wenigstens einem Zusatzkörper aufgebaut sein, wobei Grundkörper und Zusatzkörper in Längsrichtung der Welle nebeneinander angeordnet sind, um die nebeneinander liegenden Einzelmagnete aufzunehmen. Grundsätzlich ist es möglich, den Grundkörper, den Zusatzkörper sowie eine Abdeckung derselben durch Schnappverschlüsse miteinander zu verbinden.

In einer Ausführung der Erfindung ist der Rotorkörper mit einem Kunststoffträger ausgebildet, der formschlüssig auf die Welle aufgebracht ist. In einer anderen Ausführung der Erfindung wird der Kunststoffträger unmittelbar auf die Welle aufgespritzt. Der Kunststoffträger ist so ausgebildet, daß er an seiner Außenseite eine dünne Kunststoffschicht aufweist, welche die Magnete nach außen hin abdeckt und schützt. Zur Verstärkung dieser Kunststoffschicht, welche zwischen den Magneten und dem Arbeitsluftspalt des Motors liegt, können Verstärkungsrippen an der dünnen Kunststoffschicht ausgebildet sein.

Die Erfindung ist im folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren zeigen:
1 und 2 die Halbach-Magnetisierung eines Rotorrings und die zugehörige Feldlinienverteilung für einen Innenläufermotor (1) bzw. für einen Außenläufermotor (2);
3 eine schematische Darstellung eines Magnetrings für eine Rotoranordnung mit einer mehrpoligen Halbach-Magnetisierung
4 eine schematische Teilansicht eines Elektromotors mit einer Rotoranordnung gemäß einer Ausführung der Erfindung;
5 eine schematische Teilansicht einer weiteren Ausführung der erfindungsgemäßen Rotoranordnung;
6 eine schematische Schnittdarstellung durch einen Kunststoffträger für einen Rotorkörper gemäß einer ersten Ausführung;
7 eine schematische Schnittdarstellung durch einen Kunststoffträger für einen Rotorkörper gemäß einer zweiten Ausführung.
1 und 2 zeigen die Magnetisierung und die korrespondierende Feldlinienverteilung für einen Permanentmagnetring einer Rotoranordnung gemäß einer Innenläuferkonfiguration (1) bzw. einer Außenläuferkonfiguration (2). Bei einer Halbach-Magnetisierung ist die Feldlinienverteilung im Luftspalt zwischen Rotor und Stator inhärent sinusförmig, wodurch ein minimales Rastmoment entsteht und sich eine im wesentlichen sinusförmige EMK-Wellenform ergibt. Da der magnetische Fluß innerhalb des Rotors durch die Halbach-Magnetanordnung weitgehend ohne Streufluß durch die Magnete geleitet wird und somit quasi einseitig abgeschirmt wird, kann der Permanentmagnetring auf einen Rotorkörper aufgebracht werden, welcher keinen Eisenrückschluß benötigt, wie aus der Feldlinienverteilung der 1 und 2 ersichtlich ist.
3 zeigt schematisch eine mehrpolige Magnetisierung eines Magnetrings 14 einer Rotoranordnung mit Halbach-Magnetisierung Wie aus 3 ersichtlich, benötigt eine solche Rotoranordnung mit einer niedrigen Polzahl einen relativ dicken Magnetring, um die gewünschte Halbach-Feldlinienführung zu erzeugen.
4 zeigt eine Teilansicht eines Elektromotors mit einer Rotoranordnung gemäß der Erfindung. Die Rotoranordnung umfaßt einen Rotorkörper 20, der bei der gezeigten Ausführung einen Magnetträger 22 und einen Kunststoffträger 24 aufweist. Der Magnetträager 22 kann aus Metall hergestellt sein; er kann, muß jedoch nicht magnetische Eigenschaften aufweisen. Der Magnetträger dient zum Anbringen des Rotorkörpers 20 an einer Welle 26 sowie zur Halterung und Positionierung des Kunststoffträgers 24 und der darin eingebetteten Permanentmagnete 28, 30. Die Magnete 28, 30 können in den Kunststoffträger 24 eingespritzt sein, wobei in diesem Fall der Magnetträger 22 mitsamt der Magnete bei der Herstellung der Rotoran ordnung zweckmäßig in das Spritzwerkzeug eingelegt wird, um einen einheitlichen Rotorkörper 20 zu bilden. Der Kunststoffträger 24 kann jedoch auch so ausgebildet sein, daß er die Magnete 28, 30 in dazu ausgebildeten Taschen an dem Magnetträger 22 befestigt, wie weiter unten noch erläutert ist. In einer anderen Ausführung der Erfindung kann der Rotorkörper 20 auch insgesamt aus einem Kunststoffteil bestehen, ohne daß ein separater Magnetträger vorgesehen ist.
Der Rotorkörper 20 ist koaxial in einen Stator 32 eingefügt.
Erfindungsgemäß sind die Permanentmagnete 28, 30 in den Rotorkörper 20 derart eingebettet, daß sie wenigstens näherungsweise entlang den theoretischen Halbach-Magnetfeldlinien ausgerichtet und magnetisiert sind. Dies wird mit Bezug auf die vergrößerte Darstellung auf der rechten Seite von 4 deutlich. Bei der gezeigten Ausführung sind pro Rotorpol jeweils ein länglicher quaderförmiger Magnet 28 sowie zwei kleine würfelförmige Magnet 30 vorgesehen. Die Magnetisierungsrichtungen sind durch Pfeile gekennzeichnet. In 4 ist ferner die Magnetfeldlinienverteilung eingezeichnet, die sich zwischen Rotor 20 und Stator 32 ergibt. Diese entspricht einer angenäherten Halbach-Magnetfeldverteilung. Durch geeignete Auswahl und Anordnung der Einzelmagnete 28, 30 kann die konkrete Magnetisierung des Rotorkörpers optimiert werden.
5 z.B. zeigt schematisch eine Rotoranordnung 34, bei der jeder Magnetpol durch drei im wesentlichen gleiche Einzelmagnete 36 realisiert ist, welche entlang der theoretischen Halbach-Magnetfeldlinien angeordnet und magnetisiert sind. Durch eine Aufteilung in eine noch größere Anzahl von Einzelmagneten kann der Verlauf der Magnetfeldlinien noch besser angenähert werden. Es ist auch möglich, jeden Pol der Rotoranordnung durch einen einzelnen, entsprechend gekrümmten und magnetisierten Permanentmagneten zu realisieren.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Permanentmagnete in dem Rotorkörper ist es möglich, eine Halbach-Magnetisierung mit einem Minimum an magnetischen Material wenigstens näherungsweise zu erhalten, wodurch die gerade bei Rotoren mit niedrigen Polzahlen notwendigen dicken Permanentmagnetringe durch wesentlich kostengünstigere Anordnungen ersetzt werden können.
6 zeigt schematisch eine Schnittdarstellung durch einen Kunststoffträger 40 zur Aufnahme eines Einzelmagneten in einer Ausnehmung 42. Der Kunststoffträger 40 ist formschlüssig auf eine Welle 44 aufgebracht oder auf diese aufgespritzt. Er wird durch eine Abdeckung 46 verschlossen. Der in 6 gezeigte Kunststoffträger repräsentiert eine besonders einfache Realisierung der erfindungsgemäßen Rotoranordnung, bei der die Einzelmagnete einfach in den Kunststoffträger eingelegt werden können und durch den Kunststoffträger präzise positioniert und gehalten sind. Entlang den Wänden der Ausnehmung 42 können Verdrängungsnasen (nicht gezeigt) vorgesehen sein, um die Magnete in die gewünschte Position zu bringen und um Toleranzen bei der Fertigung auszugleichen. Insbesondere können Verdrängungsnasen für die radiale und die axiale Positionierung vorgesehen sein. Die Außenwand 48 des Kunststoffträgers 40, welche den Magneten von dem Arbeitsluftspalt trennt, sollte möglichst dünn sein, kann zur Verstärkung jedoch Rippen aufweisen (nicht gezeigt).
7 zeigt eine ähnliche Darstellung wie 6, wobei in dieser Ausführung der Kunststoffträger so ausgebildet ist, daß er mehrere in axialer Richtung nebeneinander liegende Einzelmagnete in entsprechenden Ausnehmungen 42 aufnehmen kann. Zu diesem Zweck umfaßt der Kunststoffträger einen Grundkörper 50 sowie, bei der gezeigten Ausführung, zwei Zusatzkörper 52, welche auf dem Grundkörper 50 gehalten werden. Eine Abdeckung ist mit 54 bezeichnet. Der Grundkörper 50 kann wiederum auf die Welle 44 aufgespritzt oder formschlüssig an dieser befestigt sein. Der Grundkörper 50 und die Zusatzkörper 52 weisen Ausnehmungen 42 zum Aufnehmen der Einzelmagnete auf. Grundkörper 50, Zusatzkörper 52 und die Abdeckung 54 können durch Schnappverschlüsse miteinander verbunden sein. Sie können ferner derart ausgebildet sein, daß der Kunststoffkörper die Einzelmagnete nebeneinanderliegend oder mit einem Winkel-Versatz aufnimmt, um eine Schrägung der Permanentmagnete zur weiteren Reduktion des Rastmoments vorzusehen.
Die Ausbildung der erfindungsgemäßen Rotoranordnung mit dem Kunststoffträger hat den Vorteil, daß die Rotoranordnung eine präzise Geometrie hat und einfach, beispielsweise durch Spritzgießen, herstellbar ist. Da ein Eisenrückschluß nicht notwendig ist oder gegebenenfalls in den Kunststoffträger eingebettet werden kann, entstehen in den Magneten keine oder nur sehr geringe thermische Spannungen, so daß keine Bruchgefahr für die Magnete besteht. Eine besonders einfache Ausführung ergibt sich, wenn der Kunststoffträger direkt auf die Welle aufgespritzt wird. Der Kunststoffträger ist ferner so variabel, daß eine Erhöhung der Leistung des Rotors und/oder eine Schrägung des Rotors durch Stapeln mehrerer Trägerbauteile erreicht werden kann. Die erfindungsgemäße Anordnung eignet sich sowohl für niedrige als auch für hohe Polzahlen. Trotz Verwendung von Einzelmagneten mit einfacher Magnetform kann eine Halbach-Magnetisierung erreicht werden.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.

14: Magnetring
20: Rotorkörper
22: Magnetträger
24: Kunststoffträger
26: Welle
28, 30: Permanentmagnete
32: Stator
34: Rotoranordnung
36: Einzelmagnet
40: Kunststoffträger
42: Ausnehmung
44: Welle
46: Abdeckung
48: Außenwand
50: Grundkörper
52: Zusatzkörper
54: Abdeckung

Claims

Rotoranordnung für eine elektrische Maschine mit einem Rotorkörper und in den Rotorkörper eingebetteten Permanentmagneten, wobei die Permanentmagnete eine Vielzahl von anisotropen Einzelmagneten umfassen, die in dem Rotorkörper entlang von Linien angeordnet und magnetisiert sind, welche einer Halbach-Feldlinienverteilung wenigstens näherungsweise entsprechen.
Rotoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotorkörper einen Kunststoffträger umfaßt, in dem die Einzelmagnete aufgenommenen sind.
Rotoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoffträger Taschen zur Aufnahme der Einzelmagneten aufweist.
Rotoranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Taschen Verdrängungsnasen aufweisen, die mit den Einzelmagneten in Eingriff sind.
Rotoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelmagnete in den Kunststoffträger eingespritzt sind.
Rotoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein durch die Permanentmagnete gebildetes Polpaar aus mehreren Einzelmagneten zusammengesetzt ist.
Rotoranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelmagnete im wesentlichen die gleiche Form, Größe und Magnetisierungsrichtung haben.
Rotoranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelmagnete im wesentlichen quaderförmig sind.
Rotoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils ein durch die Permanentmagnete gebildetes Polpaar aus einem Einzelmagneten aufgebaut ist.
Rotoranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelmagnete entlang einer Linie gekrümmt sind, die im wesentlichen einer Halbach-Feldlinienverteilung entspricht.
Rotoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Einzelmagnete in Längsrichtung der Welle nebeneinander angeordnet sind.
Rotoranordnung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die in Längsrichtung der Welle nebeneinander angeordneten Einzelmagnete in ihrer Winkellage versetzt sind, um eine Schrägung der Magnetfeldverteilung zu erzeugen.
Rotoranordnung nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotorkörper einen Kunststoffträger mit einem Grundkörper und wenigstens einem Zusatzkörper umfaßt, die in Längsrichtung der Welle nebeneinander angeordnet sind.
Rotoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotorkörper eine kunststoffträger umfaßt, der formschlüssig auf die Welle aufgebracht ist.
Rotoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotorkörper einen Kunststoffträger umfaßt, der auf die Welle aufgespritzt ist.
Rotoranordnung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoffträger an seiner Außenseite eine dünne Kunststoffschicht aufweist, welche die Magnete von der Umgebung trennt, und daß die Kunststoffschicht Verstärkungsrippen aufweist.
Rotoranordnung nach Anspruch 2 und einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kunststoffträger mit den darin aufgenommenen Magneten ohne Zwischenschaltung eines Rückschlusses auf die Welle aufgebracht ist.
Permanentmagnetmotor mit einer Rotoranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.