DE102005019368A1 - Rotor mit Permanentmagneten sowie elektrische Maschine mit einem derartigen Rotor - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rotor (ROT) mit Permanentmagneten (PM), wobei die Permanentmagnete (PM) in radial betrachtet übereinander angeordneten, parallel verlaufenden, axial ausgerichteten Ausnehmungen (AS1, AS2) angeordnet sind.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor mit Permanentmagneten, die in Ausnehmungen des Rotors angeordnet sind und eine elektrische Maschine mit einem derartigen Rotor.
• Bei bisherigen Rotoren mit Permanentmagneten wurden diese entweder in Ausnehmungen angeordnet oder entlang der Oberfläche mit Polschuhen ausgestattet.
• Aus der Dissertation von Herrn Keller "Auslegung und Betrieb eines permanenterregten Stromrichtermotors" sind auf Seite 2, Bild 1.1 und insbesondere Bild 1.2 unterschiedlichste Magnetanordnungen bei permanenterregten Rotoren zu sehen, so zeigt Bild 1.2 einen Rotor mit eingegrabenem Magneten in einer Schenkelpolläuferbauart.
• Nachteilig bei den bisher vergrabenen Permanentmagneten im Rotor ist die vergleichsweise geringe Grundwellenkomponente im Vergleich zu den auftretenden höheren Harmonischen. Damit wird die Spannungsqualität bei ungünstigen Oberwicklungsfaktoren herabgesetzt. Dies führt zwangsläufig zu einem Anstieg der Oberwellenverluste in der elektrischen Maschine.
• Ausgehend davon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Rotor mit Permanentmagneten zu schaffen, der die Grundwellenkomponente anhebt und damit die Spannungsqualität verbessert.
• Die Lösung der gestellten Aufgabe gelingt dadurch, dass die Permanentmagnete in radial betrachtet übereinander angeordneten parallel verlaufenden, axial ausgerichteten Ausnehmungen angeordnet sind.
• Mit Permanentmagneten, die eine relative Permeabilität von ungefähr eins aufweisen, kann eine relativ hohe magnetische Achsigkeit, die im wesentlichen durch die spezielle Form des Blechschnitts gegeben ist, erreicht werden. Unter einer magnetischen Achsigkeit wird die unterschiedliche magnetische Leitfähigkeit in Abhängigkeit der räumlichen Richtung verstanden. Eine vergleichsweise gut ausgebildete Grundwelle der radialen Luftspaltinduktion, d.h. sowohl den Sinusverlauf als auch die Amplitude betreffend, wird durch die zumindest zwei unterschiedlichen breiten und übereinander radial angeordneten Lagen von Permanentmagneten erreicht. Beide Schichten sind dabei gegeneinander um ca. eine halbe Breite eines Permanentmagneten zueinander versetzt angeordnet.
• Um mögliche Wirbelströme innerhalb des Magnetvolumens einer Ausnehnung zu unterdrücken, werden Permanentmagnetstücke mit einem Seitenverhältnis von Magnethöhe zu Magnetbreite von 1:1,2 eingesetzt.
• Weitere Vorteile und Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen. Dabei zeigen in Prinzipdarstellung:
• 1 perspektivische Darstellung eines Rotors,
• 2 Querschnitt eines Rotors,
• 3 Detailansicht eines Rotors,
• 4, 5 Darstellung der Felderregungsdurchflutung,
• 6 weitere Ausführungsform eines Rotors,
• 7 Prinzipdarstellung einer elektrischen Maschine mit Zahnspulen
• 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Rotor ROT, der ein geschichtetes Blechpaket MB mit Permanentmagneten PM aufweist. Der Rotor ROT ist mit einer Welle W einer nicht näher dargestellten elektrischen Maschine drehfest verbunden. Die Permanentmagnete PM liegen in Ausnehmungen AS1 und AS2, wobei die dem Luftspalt der elektrischen Maschine am nächsten liegenden Ausnehmungen AS1 in ihrer Ausdehnung in Umfangsrichtung kür zer als die radial weiter innen liegenden Ausnehmungen ausgeführt sind.
• Der Rotor ROT ist für eine Polpaarzahl von 2p = 4 ausgelegt. Die Permanentmagnete PM der Ausnehmung AS1 weisen gegenüber den Permanentmagneten PM der Ausnehmung AS2 einen vorgebbaren Versatz VS auf. Die Permanentmagnete PM sind vorteilhafterweise beschichtet und werden als Einzelmagnete oder als vorab Verbundpaket in die Ausnehmungen AS1 und AS2 eingesetzt.
• 2 zeigt in einem Querschnitt des Rotors ROT die Anordnung der Permanentmagnete PM eines Pols P1, mit den magnetischen Achsen p und q. Der Rotor ROT weist vier Pole P1, P2, P3 und P4 mit den jeweiligen Verteilungen der Permanentmagnete PM auf.
• 3 zeigt in einer Detaildarstellung den Pol P1, die insbesondere die geometrischen Verhältnisse näher darstellt. Die Ausnehmungen AS1 und AS2 sind an ihren enden jeweils mit Nasen NA versehen, die die Montage der Permanentmagnete PM erleichtern und als Flusssperre dienen. Die Länge b1 der Ausnehmung AS2 ist dabei größer als die Länge b2 der Ausnehmung AS1. Die radiale Ausdehnung der Ausnehmungen AS1 und AS2 ist jeweils I.
• Für die weiteren Erläuterungen dienen zusammen mit 4 und 5 die nunmehr aufgeführten formelmäßigen Zusammenhänge.
• Erregung bei „vergrabenen Permanentmagneten PM" bei einer 2-poligen Ersatzanordnung
• Ausgehend von einer glatten Stator- und Rotorbohrung (Anwendung zum Beispiel beim zweigeteilten Ständer), sowie der Annahme ideal permeablen Eisens, ergibt sich zufolge der Magneten im Luftspalt die fiktive radiale magnetische Felderregerdurchflutung

  

  wobei die Amplitude im Wesentlichen durch die Remanenzflussdichte der Anordnung sowie den einzelnen Höhen 1 der Permanentmagneten PM bestimmt wird. Die geometrischen Winkel sind entsprechend
  α = π,

  

  gegeben.
• Aus dem Zusammenhang des magnetischen Kreises

  

  findet man leicht bei näherungsweise konstanten Luftspalt δ(x) = δ₀ den Ausdruck für die stückweise konstante radiale magnetischen Flussdichte zu

  
• Die zugeordnete Fourier-Reihe gestaltet sich in der Form

  

  wobei die zugeordneten Amplituden

  

  Verwendung finden.
• Das folgende analytische Beispiel soll anhand einfacher Zahlenwerte die positive Auswirkung einer gewählten gestapelten Magnetanordnung abschätzen.
• 
• Aus dem gezeigten Vergleich ist sofort ersichtlich, dass die erfindungsgemäße mehrlagige Magnetanordnung zu einer um ca. 24% verbesserte Ausbeute der Grundwelle k = 1 der magnetischen Luftspaltflussdichte im Vergleich zu einer einlagigen Ausführung führt.
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• 
• Die störenden höheren Harmonischen sind bei der gestapelten Ausführung stets nur 76% so hoch, als bei der einfachen Ausführung. In beiden Fällen nehmen die höheren Harmonischen mit ihrer Ordnungszahl k im Vergleich zur Grundwelle ab.
• Abschätzung der stellungsabhängigen Hauptfeldinduktivität bei „vergrabenen Permanentmagneten PM"

  
• Abschätzung der Achsigkeit zufolge der stellungsabhängigen Induktivität

  
• Für die Annahme von

  

  würde sich daraus beispielhaft ein relativ großes Verhältnis von

  

  ergeben.
• 6 zeigt in einer weiteren Ausführung einen Rotor ROT dessen Ausnehmungen AS1 und AS2 gekrümmt ausgeführt sind. Die Krümmung kann dabei der Krümmung des Rotors ROT folgen oder andere Radien aufweisen. Ebenso können die Permanentmagnete PM eine insbesondere daran angepasste Krümmung aufweisen, oder quaderförmig ausgeführt sein.
• 7 zeigt in einer prinzipiellen Darstellung eine elektrische Maschine, vorzugsweise eine permanentmagneterregte Syn chronmaschine, mit einem erfindungsgemäßen Rotor ROT. Der Stator weist wie es prinzipiell dargestellt ist, ein Jochblechpaket JB auf, das entweder einteilig mit den jeweiligen Zähnen ZA2 verbunden ist oder in das Zähne ZA1 mit ihrem Zahnköpfen ZK stoff- und/oder formschlüssig eingesetzt sind. Die Zähne ZA1 und ZA2 sind jeweils von Zahnspulen ZS umschlossen.
• Bei den Zähnen ZA2 werden die Zahnspulen ZS über die Statorbohrung eingesetzt. Bei den Zähnen ZA1 werden die Zahnspulen ZS von außen auf die Einzelzähne oder ein Sternpaket gesetzt und anschließend in das Jochblechpaket JB eingesetzt. Die Zahnspulen werden dabei auch von den Zahnköpfen ZK gehalten.

Claims (5)

1. Rotor (ROT) mit Permanentmagneten (PM), dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (PM) in radial betrachtet übereinander angeordneten parallel verlaufenden axial ausgerichteten Ausnehmungen (AS1, AS2) angeordnet sind.
2. Rotor (ROT) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in jeweiligen Ausnehmungen (AS1, AS2) eingesetzten Permanentmagnete (PM) ein- oder mehrstückig ausgeführt sind.
3. Rotor (ROT) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei mehrstückigen Permanentmagneten (PM) diese durch dementsprechende Schichten voneinander beabstandet und/oder zusammengefasst sind.
4. Rotor (ROT) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die in den verschiedenen übereinander angeordneten Ausnehmungen (AS1, AS2) vorgesehenen Permanentmagnete (PM) einen Versatz (VS) aufweisen.
5. Elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor (ROT) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator Zahnspulen (ZS) aufweist.