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Die
Erfindung betrifft einen Rotor für
eine permanentmagneterregte elektrische Maschine in Innenläuferbauart
gemäß dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Permanentmagneterregte
Synchronmaschinen sind aus zahlreichen Anwendungen unter Ausnutzung
der generatorischen oder motorischen Betriebsweise bereits seit
längerem
allgemein bekannt. Bei motorischem Betrieb tritt das Magnetfeld
der an der Außenumfangsfläche des
Rotors angeordneten Mehrzahl von Permanentmagneten mit einem im Stator
erzeugten Magnetfeld in Wechselwirkung. Dabei wird auf den Rotor
ein Drehmoment ausgeübt, was
diesen rotatorisch beschleunigt und synchron zum Statormagnetfeld
antreibt. Die Permanentmagnete können
bei der Rotation des Rotors sehr hohen Belastungen ausgesetzt sein,
was infolge der Sprödigkeit
gebräuchlicher
Magnetwerkstoffe einerseits zu Bruchschäden und andererseits, insbesondere bei
elektrischen Innenläufermaschinen,
aufgrund der wirkenden Fliehkräfte
zum Herauslösen
aus der Halterungsstruktur am Rotor führen kann. Das erzielbare Drehmoment
einer elektrischen Maschine hängt
wesentlich von der Größe des radialen
Luftspalts zwischen den am Rotor angeordneten Permanentmagneten
und den Statorpolen ab, wobei dieser dazu möglichst klein dimensioniert
werden sollte. Der konstruktiven Ausgestaltung der Magnet-Halterungsstruktur
kommt somit hinsichtlich Betriebssicherheit und Effizienz einer
derartigen Maschine eine enorme Bedeutung zu.
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Die
DE 202 01 831 U1 beschreibt
einen gattungsgemäßen Rotor,
wobei an dessen Außenumfangsfläche Aufnahmen
zur Anordnung von trapezförmigen
Magnetelementen ausgeführt
sind, welche in einem Basisbereich und an zwei angrenzenden geneigten
Lateralflächen
jeweils drei federnde bzw. elastische Platten aufweisen, die an
der zur Rotorachse gerichteten Basisfläche und den angrenzenden Seitenflächen des
Trapezes anliegen. Wenn ein Magnetelement in eine Aufnahme eingelegt
wird, werden die elastischen bzw. federnden Platten verformt, um
das Magnetelement federnd und jedoch auch dauerhaft festzulegen.
Gleichzeitig wird durch eine elastische Verformung der jeweiligen
federnden, bzw. restlichen Platten des Blechpakets der Aufnahmebereich
für einen
Magneten vergrößert. Somit wird
gewährleistet,
dass ein Magnetelement ohne dieses dabei zu beschädigen in
die Aufnahme eingelegt und fest aufgenommen ist.
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Die
erläuterte
Anordnung gewährleistet
zwar eine sichere Aufnahme eines Magnetelementes, jedoch tritt andererseits
durch die elastische Verformung des Blechpakets bereits während der
Montage eine erhebliche Schädigung
der zur Führung
des magnetischen Flusses erforderlichen Lamellenstruktur auf, woraus
Verluste für
den zwischen Rotor und Stator gebildeten Magnetkreis resultieren.
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Die
Aufgabe der Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik darin,
einen Rotor für
eine permanentmagneterregte elektrische Maschine in Innenläuferbauart
bereitzustellen, an dem Magnetelemente sowohl betriebssicher befestigt
werden können,
wobei einen Schädigung
der Lamellenstruktur des Blechpakets minimiert wird.
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Die
Erfindung löst
die gestellte Aufgabe durch einen Rotor mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1.
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Die
Erfinder haben erkannt, dass die in der Aufgabenstellung an sich
gegenläufigen
Forderungen in Einklang bringen lassen, wenn ein Magnetelement ausschließlich durch
Anlage an den Halteflächen
des Blechpakets an dessen Position gehalten wird, wobei die Verbindung
von Magnetelement und Blechpaket selbsthemmend ausgeführt ist.
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Diese
räumlich
sehr kompakte Ausgestaltung der Halteanordnung bewirkt, dass bei
Stillstand der elektrischen Maschine die Magnetelemente im Wesentlichen
allein wegen der zwischen diesen und den Halteflächen am Rotor wirkenden Reibkräfte an deren
Position gehalten werden. Das bedeutet, dass die Magnetelemente
in diesem Zustand im Wesentlichen frei von äußeren Kräften, bspw. Anpreßkräften, sind
und dadurch sowohl die Magnetelemente als auch das Rotorblechpaket
ohne eine gegenseitige Schädigung
in Anlagekontakt sind. Beim Betreiben der elektrischen Maschine
können
sich infolge der mit steigender Drehzahl einstellenden Fliehkraftwirkung
die Magnetelemente noch fester an die Halteflächen anlegen und werden dadurch
effektiv an einer nach radial außen gerichteten Bewegung gehindert.
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Eine
auf dem Prinzip der Selbsthemmung basierende Magnetbefestigung gestattet
ferner, dass die Magnetelemente nur mit einem geringen Teil ihrer Bauhöhe im Rotor
radial eingesetzt werden müssen. Bei
einer aufgrund der Magnetkreisauslegung vorgegebenen Dimensionierung
der Magnetelemente können
diese weiter als bisher radial außen angeordnet werden, wodurch
der Radialluftspalt einer elektrischen Maschine verringert werden
und die Effizienz somit erheblich gesteigert werden kann.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Gemäß Anspruch
2 sind in vorteilhafter Weise die Schräg- und Halteflächen so
ausgebildet, dass der Effekt der Selbsthemmung über den gesamten vorgesehe nen
Einsatztemperaturbereich des Rotors wirkt. Wenn sich die vorgesehene
Rotortemperatur beispielsweise etwa zwischen –30°C und +160°C erstreckt, so ist bei jeder
Betriebstemperatur eine sichere Magnetelementanordnung realisiert,
wodurch sonst ggf. nötige
weitere Stütz-
bzw. Haltestrukturen entbehrlich sind.
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Gemäß Anspruch
3 können
die Magnetelemente mit einem gleichschenkligtrapezförmigen Querschnitt
besonders einfach und äußerst maßhaltig
gefertigt werden. Die sich an einem Magnetelement gegenüberliegenden
Parallelflächen
fallen mit den magnetischen Nord- und Süd-Polen zusammen. Diese Flächen, insbesondere
die dem Rotor zugewandte Basisfläche
sind bei der vorgeschlagenen Lösung
kräftefrei,
d.h. diese sind nicht in die Halteanordnung eines Magnetelementes
integriert, was eine ungestörte
Ausbreitung des magnetischen Flusses begünstigt.
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Die
in Anspruch 4 vorgeschlagene Anordnung der Magnetelemente, nämlich von
der Außenumfangsfläche des
Rotors abstehend, bewirkt, dass die aus einem Magnetpol austretenden
magnetischen Feldlinien bevorzugt in den am Stator der elektrischen
Maschine gegenüberliegenden
Pol eintreten und der Anteil von in das Rotorblechpaket umgelenkten
Feldlinien gering bleibt.
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Insgesamt
bietet die erfindungsgemäße Lösung Vorteile
hinsichtlich der Ausbildung eines sehr geringen Radialluftspaltes
zwischen den magnetisch aktiven Bereichen von Rotor und Stator.
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Im
folgenden wird die Erfindung beispielhaft anhand der beigefügten Figuren
erläutert.
Es zeigen:
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1 ein
Ausschnitt eines Rotors mit einer an dessen Außenumfangsfläche ausgebildeten
Aussparung zur Aufnahme eines Magnetelementes,
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2 ein
Rotor gemäß 1 mit
einem in einer Aussparung angeordneten Magnetelement.
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In
den Figuren ist ein Ausschnitt eines Rotors 10 für eine permanentmagneterregte
elektrische Maschine in Innenläuferbauart
gezeigt, der ein aus Elektroblechlamellen gebildetes kreisförmiges Blechpaket 12 umfasst,
an dessen Außenumfangsfläche 14 eine
Mehrzahl identischer offener nutförmiger Aussparungen 16 zur
Aufnahme von Magnetelementen 18, bspw. aus dem Materialsystem
NdFeB, ausgeführt
ist. Jede Aussparung 16 weist eine Grundfläche 20,
die in Umfangsrichtung des Rotors 10 in zwei nach radial
außen
einander zugeneigte Flanken bzw. Halteflächen 22 übergeht,
wobei zwei Ausbuchtungsabschnitte 24 eingeschlossen werden.
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Die
Magnetelemente 18 sind in 2 mit einem
gleichschenklig-trapezförmigen
Querschnitt ausgeführt,
wobei die zwei Parallelflächen 26, 28 des Trapezes
radial zum Rotor 10 angeordnet sind und mit den magnetischen
N- und S-Polen zusammenfallen. Der Steigungswinkel α zwischen
der Grundfläche 20 und
den Halteflächen 22 der
Aussparung 16 ist zu dem Trapezwinkel β, der sich zwischen der Basisfläche 28 und
den Schrägflächen 30,
d.h. den Trapezschenkeln 30 aufspreizt, identisch. Der
Winkel α, β ist dabei
so gewählt,
dass aufgrund der Reibwerte der in Eingriff stehenden Werkstoffe
das Magnetelement 18 in 2 ausschließlich durch
Anlage der Schrägflächen 30 an
den Halteflächen 22 des
Blechpakets 12 an dessen Position gehalten wird, was bedeutet,
dass der Winkel α, β als Selbsthemmungswinkel
ausgeführt
ist. Für
die vorliegenden Werkstoffkombination ergibt sich unter Zugrundelegung
einer Reibzahl μ =
0,15 ein theoretischer Mindeststeigungswinkel von 81,47° und für μ = 0,3 ein
theoretischer Mindeststeigungswinkel von 73,30°.
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Die
Montage eines Magnetelementes 18 erfolgt bei der höchstzulässigen Betriebstemperatur des
Rotors 10, die bspw. für
das eingangs genannte Magnetmaterial 160°C betragen kann. Die Aussparung 16 ist
so dimensioniert, dass bei dieser Temperatur das Magnetelement 18 leicht;
jedoch im Wesentlichen spielfrei, senkrecht zur Zeichenebene in die
Aussparung 16 eingeschoben werden kann. Zur Fixierung der
Magnetelemente 18 mittels des Selbsthemmungseffektes kann
der Rotor 10 auf eine sehr hohe Drehzahl beschleunigt werden,
wobei die Magnetelemente 18 infolge der Fliehkraft nach
radial außen
verlagert und dort dauerhaft selbstgehemmt angeordnet werden. Die
Magnetelemente 18 stehen dabei, wie in 2 zu
erkennen, mit deren größten Teil
von der Außenumfangsfläche 14 des
Rotors 10 ab und sind etwa nur mit einem Viertel bis einem
Drittel ihrer Bauhöhe
h am Rotor 10 verankert.
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Ein
sich gleichzeitig mit der radialen Verlagerung der Magnetelemente 18 in
deren vorbestimmte Lage ergebender Radialspalt 32, der
zur besseren Veranschaulichung in den Figuren vergrößert dargestellt
ist, kann nach erfolgter Montage offen bleiben und somit zu einer
effektiven Kühlung
der Unterseite der Magnetelemente 18 durch Wärmestrahlung über die
Basisfläche 28 beitragen.
Alternativ besteht jedoch auch die Möglichkeit, den Radialspalt 32 mit
einem anderen Werkstoff zu füllen,
z.B. mit einem Komponentenkleber wie Thermabond.
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Anstelle
einer Positionierung der Magnetelemente 18 durch einen
Schleudervorgang kann dieses auch durch eine Montagehilfe in Form
eines zwischen den Flächen 20, 28 einspannbaren
dünnwandigen
Federelementes z.B. aus Federstahl erfolgen, welches ein Magnetelement 18 bis
zum Eintritt der Selbsthemmung nach radial außen drückt. Da die Montagehilfe danach
ihren Zweck erfüllt
hat und keine weitere Funktion übernehmen
muss, kann diese sodann wieder aus dem Radialspalt 32 entfernt
werden oder aber auch an diesem Ort verbleiben, wodurch ein Arbeitsgang
entfallen kann. Falls die Montagehilfe jedoch dort verbleibt, sind
für die
Ausbreitung des Magnetflusses innerhalb des Rotors 10 auch
keine erwähnenswerten
Effizienzeinbußen
zu erwarten.
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Beim
Abkühlen
des Rotors 10 zieht sich das Blechpaket 12 geringfügig zusammen,
wobei sich die Anlage der Halteflächen 22 an den Magnetelementen 18 leicht
verstärkt.
Die Schräg- 30 und
Halteflächen 22 sind
auch so ausgebildet, dass der Effekt der Selbsthemmung über den
gesamten vorgesehenen Einsatztemperaturbereich des Rotors 10 wirken kann.
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Es
soll nicht unerwähnt
bleiben, dass die an einem innenlaufenden Rotor hier beispielhaft
erläuterte
selbsthemmende Halterungsstruktur selbstverständlich in analoger Weise auch
auf einen außenlaufenden
Rotor übertragen
werden kann.
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- 10
- Rotor
- 12
- Blechpaket
- 14
- Außenumfangsfläche
- 16
- Aussparung
- 18
- Magnetelement
- 20
- Grundfläche
- 22
- Haltefläche
- 24
- Ausbuchtungsabschnitt
- 26,
28
- Parallelfläche
- 30
- Trapezschenkel
- 32
- Radialspalt
- N
- magnetischer
Nordpol
- S
- magnetischer
Südpol
- α, β
- Winkel