DE102005048735A1 - Permanent magnet rotor for e.g. electrical synchronous machine, has adhesive film formed between permanent magnets and yoke, where adhesive film from symmetric axis of magnets is formed in circumferential direction with increased thickness - Google Patents

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Abstract

The rotor has a laminated core (12) with radially arranged retaining projections (15) that extend in an axial direction of the core. The width of the core is extended at the radial outer end in a circumferential direction of the core. Permanent magnets (18) are arranged between adjacent retaining projections. An adhesive film (23a) is formed between the permanent magnets and the core, where the film runs in the circumferential direction. The adhesive film from a symmetric plane (SE) of the permanent magnets is formed in the circumferential direction with increased thickness.

Description

Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine permanentmagneterregte elektrische Maschine in Innenläuferbauart gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The The invention relates to a rotor for a permanent magnet electric machine in internal rotor design according to the generic term of claim 1

Permanentmagneterregte Synchronmaschinen sind aus zahlreichen Anwendungen unter Ausnutzung der generatorischen oder motorischen Betriebsweise allgemein bekannt. Bei motorischem Betrieb tritt bei einem Motor in Innenläuferbauart 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.Permanent magnet Synchronous machines are taking advantage of numerous applications the generator or motor operation generally known. In motorized operation occurs in an internal-rotor motor the magnetic field at the outer peripheral surface of the Rotor arranged plurality of permanent magnets with an im Stator interacting magnetic field generated. It is on the Rotor exerted a torque, which accelerates this rotationally and synchronously to the stator magnetic field drives.

Die Permanentmagnete sind bei hohen Rotordrehzahlen außerordentlichen Belastungen ausgesetzt, was aufgrund der wirkenden Fliehkräfte und infolge der Sprödigkeit gebräuchlicher Magnetwerkstoffe, bspw. NdFeB, einerseits zu Bruchschäden und andererseits bei elektrischen Innenläufermaschinen zum Herauslösen der Permanentmagnetpole aus deren Halterungsstruktur am Rotor führen kann.The Permanent magnets are extraordinary at high rotor speeds Exposed to stress, which due to the centrifugal forces and as a result the brittleness common Magnetic materials, eg. NdFeB, on the one hand to breakage damage and on the other hand, in electrical internal rotor machines for dissolving the Permanent magnetic poles can lead from the support structure on the rotor.

Das erzielbare Drehmoment einer elektrischen Maschine hängt wesentlich von der Größe des radialen Luftspalts zwischen den am Rotor angeordneten Permanentmagnetpolen 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 hohe Bedeutung zu.The recoverable torque of an electric machine depends significantly on the size of the radial Air gap between the arranged on the rotor permanent magnet poles and the stator poles, which are dimensioned as small as possible should. The structural design of the magnetic support structure comes thus in terms of reliability and efficiency of such Machine is very important too.

Die DE 39 13 618 C2 beschreibt einen gattungsgemäßen Permanentmagnet-Rotor, bei dem sich mehrere Haltevorsprünge radial auswärts von einem Joch erstrecken, das am Außenumfang einer Rotorwelle befestigt ist, wobei sich die Haltevorsprünge in Axialrichtung des Joches erstrecken und ihre Breite an den radial äußeren Enden in Umfangsrichtung des Joches vergrößert ist und wobei mehrere Permanentmagnete jeweils zwischen benachbarten Haltevorsprüngen angeordnet und zwischen diesen befestigt sind. Dabei verbleiben zwischen wenigstens einem Teil der Umfangsoberflächen der Permanentmagnete und der gegenüberliegenden Flächen des Joches einschließlich der mit diesem fest verbundenen Haltevorsprüngen Klebespalte, in welche ein wärmeaushärtbares synthetischen Harz eingefüllt ist und die Permanentmagnete in konstanter Stellung bezüglich der Rotorwelle und des Joches hält.The DE 39 13 618 C2 describes a generic permanent magnet rotor in which a plurality of retaining projections extend radially outwardly from a yoke which is fixed to the outer periphery of a rotor shaft, wherein the retaining projections extend in the axial direction of the yoke and its width is increased at the radially outer ends in the circumferential direction of the yoke and wherein a plurality of permanent magnets are each disposed between adjacent retaining projections and secured between them. In this case remain between at least a portion of the peripheral surfaces of the permanent magnets and the opposing surfaces of the yoke including the holding projections firmly connected thereto adhesive gaps, in which a thermosetting synthetic resin is filled and holds the permanent magnets in a constant position with respect to the rotor shaft and the yoke.

Bei einer solchen Befestigung der Magnete besteht das Problem, dass sich dennoch bei hohen Drehzahlen und/oder Temperaturwechselbelastungen Permanentmagnete von ihrer Harz-Unterlage ablösen können.at such a fastening of the magnets is the problem that Nevertheless, at high speeds and / or thermal cycling Permanent magnets from their resin pad can replace.

Die Aufgabe der Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik darin, einen Rotor für eine permanenterregte elektrische Maschine bereitzustellen, an dem die Permanentmagnete betriebssicherer befestigt sind.The The object of the invention is based on the state of the art in that a rotor for to provide a permanent magnet electric machine on which the permanent magnets are attached more reliable.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Permanentmagnet-Rotor durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.These Task is by a generic permanent magnet rotor through solved specified in the characterizing part of claim 1 features. advantageous Further developments and refinements of the invention are specified in the subclaims.

Die Erfinder haben bei Temperaturwechseltests ohne Fliehkrafteinwirkung im Betriebstemperaturbereich von ca. –40°C –+ 160°C festgestellt, dass sich einzelne Per manentmagnete von deren Jochunterlage am Rotor gelöst haben. Daraus wurde abgeleitet, dass die thermischen Ausdehnungseigenschaften des aus Elektroblech gefertigten Jochs und der Permanentmagnete sowie die thermomechanischen Eigenschaften des Klebemittels die Haftung der Permanentmagnete auf deren Jochunterlage entscheidend beeinflussen. So weisen beispielsweise NdFeB-Magnete einen negativen thermischen Ausdehnungskoeffizienten αT = –1 × 10–6 K–1 und Elektroblech einen positiven thermischen Ausdehnungskoeffizienten αT = +12 × 10–6 K–1 auf. Das Einkleben der Permanentmagnete mittels eines wärmeaushärtbaren synthetischen Harzes erfolgt üblicherweise bei Temperaturen von größer 100°C. Daraus ergeben sich bereits bei Umgebungstemperatur und bei Temperaturwechselbelastungen beim Betreiben eines Rotors starke Zug-, Druck- und Scherspannungen, die eine wesentliche Ursache für das Ablösen der Permanentmagnete darstellen.The inventors have found in temperature cycling tests without centrifugal force in the operating temperature range of about -40 ° C - + 160 ° C that individual per manentmagnete have detached from the yoke support on the rotor. From this it was derived that the thermal expansion properties of the yoke made of electrical sheet metal and of the permanent magnets and the thermomechanical properties of the adhesive decisively influence the adhesion of the permanent magnets to their yoke underlay. For example, NdFeB magnets have a negative coefficient of thermal expansion α T = -1 × 10 -6 K -1, and electrical steel has a positive thermal expansion coefficient α T = + 12 × 10 -6 K -1 . The bonding of the permanent magnets by means of a thermosetting synthetic resin is usually carried out at temperatures greater than 100 ° C. This results in strong tensile, compressive and shear stresses already at ambient temperature and at thermal cycling when operating a rotor, which represent a significant cause for the detachment of the permanent magnets.

Von dieser grundlegenden Erkenntnis ausgehend, schlägt die Erfindung einen Permanentmagnet-Rotor der eingangs genannten Art vor, bei welchem der in Wesentlichen in Umfangsrichtung verlaufende Klebemittelfilm von einer Symmetrieebene eines Permanentmagneten ausgehend in Umfangsrichtung mit einer ansteigenden Dicke ausgebildet ist. Da ein Permanentmagnet mit einem bspw. rechteckigen oder trapezförmigen Querschnitt in Umfangsrichtung beidseitig von benachbarten Haltevorsprüngen des Jochs eingefasst ist, bleibt der Mittenbereich des unter dem Magneten befindlichen Klebemittelfilmes in Näherung in Umfangsrichtung frei von thermomechanisch induzierten Spannungen, wohingegen die Verspannung der Klebemittelschicht in Richtung der beidseitigen Endbereichen des Magneten stetig zunimmt. Diese Scherspannungen können durch eine mit steigender Verspannung wachsende Dicke des Klebemittelspaltes vom Joch in Richtung eines Permanentmagneten aufgefangen werden, ohne dass es zu einem Aufreißen der Klebemittelschicht kommt. Die gemeinsame Kontaktfläche von Permanentmagnet und Klebemittel wird durch die erfindungsgemäße Lösung deutlich von Verspannungen entlastet.Based on this basic knowledge, the invention proposes a permanent magnet rotor of the type mentioned, in which the substantially circumferentially extending adhesive film is formed from a plane of symmetry of a permanent magnet in the circumferential direction with an increasing thickness. Since a permanent magnet with a rectangular or trapezoidal cross-section in the circumferential direction is enclosed on both sides by adjacent holding projections of the yoke, the center region of the adhesive film below the magnet remains approximately free in the circumferential direction of thermomechanically induced stresses, whereas the clamping of the adhesive layer in FIG Direction of the two-sided end portions of the magnet steadily increases. These shear stresses can be absorbed by a growing with increasing strain thickness of the adhesive gap from the yoke in the direction of a permanent magnet, without causing tearing of the adhesive layer. The common contact surface of the permanent magnet and adhesive is significantly relieved of tension by the inventive solution.

Gemäß Anspruch 2 sind in vorteilhafter Weise zwischen den Permanentmagneten und den Haltevorsprüngen Klebemittelfilme mit einer nach radial außen abnehmenden Dicke ausgebildet. Auf diese Weise wird zwischen den Haltevorsprüngen und den dazu benachbarten Seitenflächen der Permanentmagnete ein Klebemittelkeil erzeugt, der den dort vorhandenen Zwischenraum vollständig ausfüllt und einen Permanentmagnet bei Fliehkrafteinwirkung sicher an dessen Position verklemmt.According to claim 2 are advantageously between the permanent magnets and the retaining projections Adhesive films formed with a decreasing radially outward thickness. In this way, between the retaining projections and the adjacent thereto faces the permanent magnets generates an adhesive wedge, the existing there Gap completely fills and a permanent magnet at centrifugal force safely at the Position jammed.

Es ist gemäß Anspruch 3 vorteilhaft, wenn die Haltevorsprünge zur zumindest mittelbaren Fixierung der Permanentmagnete in der Lateralebene des Jochs elastisch verformbare Halteabschnitte aufweisen. Durch deren Verformung können zumindest teilweise am Rotor auftretende thermomechanische Belastungen aufgenommen werden, so dass der Stress in dem zwischen den Permanentmagneten und den Haltevorsprüngen befindlichen Klebemittelfilm zumindest teilweise reduziert wird und das Risiko einer Schädigung des Klebemittelfilms und/oder dessen Ablösung vom Joch bzw. den Permanentmagneten deutlich reduziert wird.It is according to claim 3 advantageous if the retaining projections for at least indirect Fixation of the permanent magnets in the lateral plane of the yoke elastic have deformable holding portions. By their deformation can at least partially taken on the rotor thermo-mechanical loads recorded so that the stress in the between the permanent magnets and the retaining projections befindliches adhesive film is at least partially reduced and the risk of injury of the adhesive film and / or its detachment from the yoke or the permanent magnet clearly is reduced.

Im Folgenden wird die Erfindung beispielhaft anhand der beigefügten Figur erläutert. Diese zeigt ausschnittweise einen Bereich eines Permanentmagnet-Rotors im Radialschnitt mit einer an dessen Außenumfangsfläche ausgebildeten Struktur zur Aufnahme von Permanentmagneten.in the The invention will now be described by way of example with reference to the attached FIGURE explained. This section shows a portion of a permanent magnet rotor in radial section with a formed on the outer peripheral surface Structure for receiving permanent magnets.

In der Figur ist ein Ausschnitt eines Permanentmagnet-Rotors 10 für eine elektrische Synchronmaschine in Innenläuferbauart gezeigt, der ein aus Elektroblechlamellen gebildetes kreisförmiges Joch 12 umfasst. An dessen Außenumfangsfläche ist eine Mehrzahl identischer und äquidistant am Joch 12 beabstandeter, sich nach radial außen verbreiternder Haltevorsprünge 15 ausgebildet, die zwischen sich nutförmige Aufnahmeräume 16 zur Aufnahme von Permanentmagneten 18, die bspw. aus dem Materialsystem NdFeB hergestellt sind, definieren. Die Haltevorsprünge 15 sind hier einteilig mit dem Joch 12 ausgeführt, jedoch können diese auch als separate Ele mente vorliegen und bspw. in das Joch 12 eingeschoben oder anderweitig an diesem befestigt werden.In the figure is a section of a permanent magnet rotor 10 for an internal-rotor type electric synchronous machine, which is a circular yoke formed of electric-sheet laminations 12 includes. At its outer peripheral surface is a plurality of identical and equidistant at the yoke 12 spaced, radially outwardly widening retaining projections 15 formed between the groove-shaped receiving spaces 16 for receiving permanent magnets 18 , which are made, for example, from the material system NdFeB define. The retaining projections 15 are here in one piece with the yoke 12 executed, but these may also be present as separate ele ments and, for example, in the yoke 12 inserted or otherwise attached to this.

Jeder Aufnahmeraum 16 weist eine Grundfläche 20 auf, die in Umfangsrichtung des Rotors 10 in zwei nach radial außen einander zugeneigte Flanken von Halteabschnitten 22 der Haltevorsprünge 15 übergeht. Die Halteabschnitte 22 sind an den Haltevorsprüngen 15 zumindest in einem äußeren Bereich in der Lateralebene elastisch verformbar ausgeführt, wodurch diese in Umfangsrichtung des Jochs 12 wirkende Verspannungen zwischen den Permanentmagneten 18 und dem Joch 12 aufnehmen können.Each recording room 16 has a base 20 on, in the circumferential direction of the rotor 10 in two radially outwardly mutually inclined flanks of holding sections 22 the retaining projections 15 passes. The holding sections 22 are at the retaining projections 15 designed to be elastically deformable at least in an outer region in the lateral plane, whereby these in the circumferential direction of the yoke 12 acting tension between the permanent magnets 18 and the yoke 12 be able to record.

Die Permanentmagnete 18 sind in der Zeichenebene zu einer Symmetrieebene SE spiegelsymmetrisch ausgeführt und weisen eine Höhe H und am Grund des Aufnahmeraums 16 eine Breite B auf, wobei des Breite ein Vielfaches der Höhe beträgt. Im vorliegenden Beispiel weisen die Permanentmagnete 18 einen trapezförmigen Querschnitt mit einem Verhältnis Breite/Höhe von etwa 4 auf, wobei die zwei Parallelflächen 26, 28 des Trapezes radial zur Mittelachse des Rotors 10 angeordnet sind und mit dem magnetischen N- und S-Pol zusammenfallen. Der Steigungswinkel α zwischen der Grundfläche 20 und den Halteabschnitten 22 der Aussparung 16 ist etwas kleiner als der Trapezwinkel β, der sich zwischen der Basisfläche 28 und den Schrägflächen 30, d.h. den Trapezschenkeln 30 aufspreizt. Zwischen den Trapezschenkeln 30 und den Halteabschnitten 22 ergibt sich somit ein keilförmiger Spalt 23b mit einer nach radial außen abnehmenden Dicke bzw. Breite.The permanent magnets 18 are mirror-symmetrical in the drawing plane to a plane of symmetry SE and have a height H and at the bottom of the receiving space 16 a width B, wherein the width is a multiple of the height. In the present example, the permanent magnets 18 a trapezoidal cross-section having a width / height ratio of about 4, the two parallel surfaces 26 . 28 of the trapezoid radially to the central axis of the rotor 10 are arranged and coincide with the magnetic N and S pole. The pitch angle α between the base 20 and the holding sections 22 the recess 16 is slightly smaller than the trapezoidal angle β, which is between the base surface 28 and the inclined surfaces 30 ie the trapezoidal legs 30 spreads. Between the trapezoidal legs 30 and the holding sections 22 thus results in a wedge-shaped gap 23b with a decreasing radially outward thickness or width.

Innerhalb der Grundfläche 20 sind zwei sich in Axialrichtung erstreckende Vorsprünge 21 ausgebildet, wodurch ein vorgebbarer Abstand eines Permanentmagneten 18 zu der Grundfläche 20 und damit eine ebenfalls definierte Dicke eines zwischen der Basisfläche 28 eines Permanentmagneten 18 und dem Joch 12 ausgebildeten Klebemittelfilmes 23a eingestellt werden kann. Aus der Figur ist erkennbar, dass der Klebemittelfilm 23a von der Symmetrieebene SE eines Permanentmagneten 18 ausgehend in Umfangsrichtung des Jochs 12 mit einer ansteigenden Dicke ausgebildet ist, wodurch thermomechanisch induzierte Spannungen infolge einer Temperaturwechselbelastung des Rotors 10 im Bereich des Klebemittelfilms 23a günstiger verteilt werden können.Within the base area 20 are two axially extending projections 21 formed, whereby a predeterminable distance of a permanent magnet 18 to the base area 20 and thus a likewise defined thickness of one between the base surface 28 a permanent magnet 18 and the yoke 12 trained adhesive film 23a can be adjusted. From the figure it can be seen that the adhesive film 23a from the plane of symmetry SE of a permanent magnet 18 starting in the circumferential direction of the yoke 12 is formed with an increasing thickness, whereby thermomechanically induced stresses due to a thermal cycling of the rotor 10 in the area of the adhesive film 23a cheaper to distribute.

Der Spalt 23b ist ebenfalls mit dem Klebemittel, welches vorzugsweise ein wärmeaushärtbares synthetischen Harz darstellt, ausgefüllt, so dass die gesamte zum Joch 12 gerichtete Kontaktfläche eines Permanentmagneten 18 mittels eines vorzugsweise geschlossenen Klebemittelfilms 23a, b an dem Joch 12 anliegt.The gap 23b is also filled with the adhesive, which is preferably a thermosetting synthetic resin, so that the entire to the yoke 12 directed contact surface of a permanent magnet 18 by means of a preferably closed adhesive film 23a , b at the yoke 12 is applied.

1010
Rotorrotor
1212
Blechpaketlaminated core
1515
Haltevorsprungretaining projection
1616
Aussparungrecess
1818
Permanentmagnetpermanent magnet
2020
GrundflächeFloor space
2121
Vorsprüngeprojections
2222
Halteabschnittholding section
23a, b23a, b
KlebemittelfilmAdhesive film
26, 2826 28
Parallelflächeparallel surface
3030
Trapezschenkeltrapezoidal leg
HH
Höheheight
BB
Breitewidth
NN
magnetischer Nordpolmagnetic North Pole
SS
magnetischer Südpolmagnetic South Pole
SESE
Symmetrieebeneplane of symmetry
α, βα, β
Winkelangle

Claims (3)

Permanentmagnet-Rotor (10), umfassend – ein Joch (12) mit radial auswärts gerichteten Haltevorsprüngen (15), welche sich in Axialrichtung des Joches (12) erstrecken und wobei deren Breite an den radial äußeren Enden in Umfangsrichtung des Joches (12) vergrößert ist und wobei – zwischen benachbarten Haltevorsprüngen (15) Permanentmagnete (18) angeordnet sind, wobei – zwischen den Permanentmagneten (18) und dem Joch (12) ein im wesentlichen am Joch (12) in Umfangsrichtung verlaufender Klebemittelfilm (23a) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebemittelfilm (23a) von einer Symmetrieebene (SE) eines Permanentmagneten (18) ausgehend in Umfangsrichtung mit einer ansteigenden Dicke ausgebildet ist.Permanent magnet rotor ( 10 ), comprising - a yoke ( 12 ) with radially outwardly directed retaining projections ( 15 ), which in the axial direction of the yoke ( 12 ) And whose width at the radially outer ends in the circumferential direction of the yoke ( 12 ) and wherein - between adjacent retaining projections ( 15 ) Permanent magnets ( 18 ), wherein - between the permanent magnets ( 18 ) and the yoke ( 12 ) a substantially at the yoke ( 12 ) in the circumferential direction adhesive film ( 23a ), characterized in that the adhesive film ( 23a ) of a symmetry plane (SE) of a permanent magnet ( 18 ) is formed starting in the circumferential direction with an increasing thickness. Permanentmagnet-Rotor (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Permanentmagneten (18) und den Haltevorsprüngen (15) Klebemittelfilme (23b) mit einer nach radial außen abnehmenden Dicke ausgebildet sind.Permanent magnet rotor ( 10 ) according to claim 1, characterized in that between the permanent magnets ( 18 ) and the retaining projections ( 15 ) Adhesive films ( 23b ) are formed with a decreasing radially outward thickness. Permanentmagnet-Rotor (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorsprünge (15) zur zumindest mittelbaren Fixierung der Permanentmagnete (18) in der Lateralebene des Jochs (12) elastisch verformbare Halteabschnitte (22) aufweisen.Permanent magnet rotor ( 10 ) according to claim 1 or 2, characterized in that the retaining projections ( 15 ) for the at least indirect fixation of the permanent magnets ( 18 ) in the lateral plane of the yoke ( 12 ) elastically deformable holding sections ( 22 ) exhibit.
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