DE102009000216A1

DE102009000216A1 - Remanenztoleranzausgleich für elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102009000216A1
Application number: DE102009000216A
Authority: DE
Inventors: Seven Andrew Evans
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-01-14
Filing date: 2009-01-14
Publication date: 2010-07-15
Also published as: EP2387816A2; CN102439823A; WO2010081572A2; WO2010081572A3; JP2012515523A

Abstract

Eine Komponente (24) für eine elektrische Maschine (12), insbesondere für einen Läufer (24) oder Stator umfasst mindestens einen Permanentmagneten (10) zur Erregung der elektrischen Maschine (12). Die Komponente (24) weist ein Ausgleichsteil (18) zur Beeinflussung einer Reluktanz eines durch den Permanentmagneten (10) verlaufenden magnetischen Kreises auf. Das Ausgleichsteil (18) ist relativ zu dem Permanentmagneten (10) unsymmetrisch oder ausrichtbar angeordnet. In einer Alternative ist das Ausgelichsteil (18) relativ zu dem Träger (26) für den Permanentmagneten (10) unsymmetrisch oder ausrichtbar angeordnet. In zwei unterschiedlichen Herstellungsverfahren erfolgt ein Ausrichten eines Ausgleichsteils (18) der Komponente relativ zu dem Permanentmagneten (10), um eine Abweichung der Ist-Remanenz von einer Soll-Remanenz des Permanentmagneten (10) auszugleichen.

Description

Die Erfindung betrifft eine erste Komponente für eine elektrische Maschine, insbesondere für einen Läufer oder Stator, wobei die Komponente mindestens einen Permanentmagneten zur Erregung der elektrischen Maschine umfasst; wobei die Komponente ein Ausgleichsteil zur Beeinflussung einer Reluktanz eines durch den Permanentmagneten verlaufenden magnetischen Kreises aufweist. Außerdem betrifft die Erfindung eine zweite Komponente für eine elektrische Maschine, insbesondere für einen Läufer oder Stator, wobei die Komponente mindestens einen Permanentmagneten zur Erregung der elektrischen Maschine und einen Träger für den Permanentmagneten umfasst; wobei die Komponente ein Ausgleichsteil zur Beeinflussung einer Reluktanz eines durch den Permanentmagneten verlaufenden magnetischen Kreises aufweist. Weiterhin betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine. Darüberhinaus betrifft die Erfindung zwei Herstellungsverfahren für eine Komponente einer elektrischen Maschine, insbesondere für einen Läufer oder Stator.
Stand der Technik
Die DE 16 13 368 C3 beschreibt eine konventionelle elektrische Maschine, in der ein zur Läuferwelle konzentrisch verlaufender Schlitz zum formschlüssigen Einlegen eines Rückschlussblechs vorgesehen ist, um mittels Verwendung verschieden breiter Segmentschalen und Rückschlussbleche eine anpassende Änderung des magnetischen Kreises bei sonst baugleichen Motorteilen zu ermöglichen. Dauermagnetische Segmentschalen stützen sich gegen Haltestege ab, die zum Toleranzausgleich mit einem stiftförmigen Spreizmittel in tangentialer Richtung gespreizt werden. Das Aufspreizen, der Haltestege hat den Nachteil, dass die Segmentschalen durch das Aufspreizen unmittelbar gegen das Rückschlussblech und mittelbar gegen einen Rahmen gepresst werden. Dadurch ändert sich sowohl eine Kraftverteilung im Ständeraufbau wie auch eine Dicke des Luft spalts. Solche Nebenwirkungen sind bei einem Toleranzausgleichs unerwünscht. Insbesondere würde eine Anwendung dieses konventionellen Ausgleichskonzepts auf einen Rotor zu einer Massenverschiebung im Rotor führen und damit das Trägheitsmoment des Rotors verändern und/oder eine Unwucht des Rotors herbeiführen.
Offenbarung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gattungsgemäße Komponente für eine elektrische Maschine bereitzustellen, mit der ein Remanenztoleranzausgleich durchgeführt werden kann, ohne dass damit eine Änderung einer mechanischen oder geometrischen Eigenschaft der Komponente einhergeht, die die Funktion der Komponente innerhalb der elektrischen Maschine beeinflusst. Darüber hinaus ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Herstellungsverfahren für eine erfindungsgemäße Komponente anzugeben. Diese Aufgabe wird mit den Merkmalskombinationen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung baut auf der ersten gattungsgemäßen Komponente für eine elektrische Maschine dadurch auf, dass das Ausgleichsteil relativ zu dem Permanentmagneten unsymmetrisch oder ausrichtbar angeordnet ist, insbesondere in Umfangsrichtung und/oder in Richtung einer Achse des Läufers unsymmetrisch bzw. verschiebbar angeordnet ist.
Die Erfindung baut auf der zweiten gattungsgemäßen Komponente für eine elektrische Maschine dadurch auf, dass das Ausgleichsteil relativ zu dem Träger für den Permanentmagneten unsymmetrisch oder ausrichtbar angeordnet ist, insbesondere in Umfangsrichtung und/oder in Richtung einer Achse des Läufers unsymmetrisch bzw. verschiebbar angeordnet ist.
Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Komponente auch die Merkmalskombination einer Komponente gemäß Anspruch 2 aufweist.
Das Ausgleichsteil kann einen Umfangswinkelbereich erfassen, der etwa so groß ist, wie ein Umfangswinkelrasterabstand zwischen auf dem Träger benachbart angeordneten Permanentmagneten und/oder dass die Komponente so viele Ausgleichsteile um fasst wie Permanentmagnete.
Eine andere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass benachbarte Ausgleichsteile mittels Stegen, insbesondere jeweils mittels eines Mittelsteges und/oder mittels zweier Seitenstege miteinander verbunden sind.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die mittels Stegen verbundenen Ausgleichsteile einen strukturierten Ring bilden, der insbesondere an mindestens einer Stelle unterbrochen ist oder eine Verbindungsstelle aufweist.
Eine bevorzugte Weiterbildung sieht vor, dass das Ausgleichsteil ferromagnetisches Material umfasst und/oder dass der Träger für den Permanentmagneten ferromagnetisches Material umfasst, wobei ein überwiegender Anteil des Flusses des magnetischen Kreises durch den Träger für den Permanentmagneten verläuft.
Weiterhin baut die Erfindung auf einer gattungsgemäßen elektrischen Maschine dadurch auf, dass die Elektrische Maschine eine erfindungsgemäße Komponente, insbesondere einen erfindungsgemäßen Läufer und/oder einen erfindungsgemäßen Stator umfasst.
Außerdem baut die Erfindung auf einem gattungsgemäßen Herstellungsverfahren dadurch auf, dass das Herstellungsverfahren folgende Schritte umfasst: Anbringen eines Permanentmagneten an einem Träger für den Permanentmagneten, wobei der Permanentmagnet zur Erregung der elektrischen Maschine vorgesehen ist; Ermitteln einer Ist-Remanenz des Permanentmagneten, wobei dieser Schritt vor und/oder nach dem Schritt des Anbringens des Permanentmagneten ausgeführt wird; und Ausrichten eines Ausgleichsteils der Komponente relativ zu dem Permanentmagneten, um eine Abweichung der Ist-Remanenz von einer Soll-Remanenz des Permanentmagneten auszugleichen.
Des Weiteren baut die Erfindung auf einem gattungsgemäßen Herstellungsverfahren dadurch auf, dass das Herstellungsverfahren folgende Schritte umfasst: Anbringen eines Permanentmagneten an einem Träger für den Permanentmagneten, wobei der Permanentmagnet zur Erregung der elektrischen Maschine vorgesehen ist; Ermitteln einer Eigenschaft der Komponente, wobei die Eigenschaft von eine Höhe einer Ist-Remanenz des Permanentmagneten beeinflusst wird; und Ausrichten eines Aus gleichsteils der Komponente relativ zu dem Permanentmagneten, um eine Abweichung der Ist-Remanenz von einer Soll-Remanenz des Permanentmagneten auszugleichen.
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die begleitenden Figuren anhand besonders bevorzugter Ausführungsformen erläutert.
Es zeigen:
1 eine Abhängigkeit eines normalisierten maximalen Flusses durch einen Zahn in Abhängigkeit von einer normalisierten Remanenz des Permanentmagneten;
2 für zwei unterschiedliche Remanenzen je einen Verlauf einer normalisierten Elektromotorischen Kraft (EMK) in Abhängigkeit von einer Rotorposition (pole pitch);
3 für zwei unterschiedliche Remanenzen je einen Verlauf eines normalisierten Drehmoments in Abhängigkeit von einer Rotorposition (pole pitch);
4a und 4b eine Schnittansicht in Axialrichtung einer erfindungsgemäßen elektrische Maschine mit einem zusätzlichen Eisenring in einer ersten bzw. in einer zweiten Stellung;
5a und 5b einen erfindungsgemäßen Läufer in einer perspektivischen Vorder- bzw. Rückansicht;
6a bis 6c berechnete Flusslinienverteilungen in drei verschiedenen Umfangsstellungen der Ausgleichsteile;
7 eine Abhängigkeit eines normalisierten maximalen Flusses durch einen Zahn in Abhängigkeit von einer normalisierten Remanenz des Permanentmagneten und der Umfangsstellung der Ausgleichsteile in Umfangsrichtung;
8 eine Abhängigkeit eines normalisierten maximalen Flusses durch einen Zahn in Abhängigkeit von einer normalisierten Remanenz des Permanentmagneten und der Umfangsstellung der Ausgleichsteile bei remanenzabhängiger optimal ausgleichender Stellung der Ausgleichsteile in Umfangsrichtung;
9 für zwei unterschiedliche Remanenzen je einen Verlauf einer normalisierten Elektromotorischen Kraft in Abhängigkeit von einer Rotorposition (pole pitch) bei optimal ausgleichender Stellung der Ausgleichsteile in Umfangsrichtung;
10 für zwei unterschiedliche Remanenzen je einen Verlauf eines normalisierten Drehmoments in Abhängigkeit von einer Rotorposition (pole pitch) bei optimal ausgleichender Stellung der Ausgleichsteile in Umfangsrichtung; und
11a bis 11f sechs Ausführungsbeispiele für zusätzliche Eisenringe.
Die Schwankung der Remanenz von Permanentmagneten 10 innerhalb einer selben Fertigungscharge ist sehr klein, weil alle Permanentmagneten 10 zur selben Zeit und unter identischen Produktionsbedingungen hergestellt werden. Die Remanenz von Permanentmagneten 10 kann sich allerdings von Charge zu Charge infolge von kleiner Unterschiede in der Mischung des Permanentmagnetpulvers, geringfügiger Temperaturunterschiede des Ofens usw. ändern. Die Toleranz von Permanentmagneten, insbesondere aus Neodym-Eisen-Bor (NdFeB) beträgt üblicherweise +/–3%. Im ungesättigten Zustand ist der Fluss in einer permanentmagneterregten elektrischen Maschine 12 direkt proportional zur Permanentmagnet-Remanenz.
1 zeigt eine Abhängigkeit eines normalisierten maximalen Flusses (Ordinate) durch einen Zahn 14 in Abhängigkeit von einer normalisierten Remanenz des Permanentmagneten 10 (Abzisse). 2 zeigt für eine normalisierte Remanenz von 0,97 sowie für eine normalisierte Remanenz von 1,03 je einen Verlauf der normalisierten Elektromotorischen Kraft in Abhängigkeit von einer Rotorposition (pole pitch).
Mit der Remanenz ändert sich auch das Drehmomentverhalten der elektrischen Maschine 12. 3 zeigt für die beiden Remanenzen je einen Verlauf eines normalisierten Drehmoments (Ordinate) in Abhängigkeit von einer Rotorposition (pole pitch) über einen Winkelbereich, der einer Hauptharmonischen des Drehmoments (6-te Harmonische, 1/6 des Polrasterabstand) entspricht.
4a zeigt eine Schnittansicht in Axialrichtung einer erfindungsgemäßen elektrische Maschine 12 mit einem zusätzlichen Eisenring 16 in einer ”Nullstellung”, in der die Ausgleichsteile 18 aus Eisen (Stege 18) mittig unter den Permanentmagneten 10 angeordnet sind. Der zusätzliche Eisenring 16 ist so zu positionieren, wenn die Remanenz die obere Toleranzgrenze erreicht. Damit wird der zu starke Fluss der Permanentmagnete 10 mittels des erhöhten magnetischen Widerstands des magnetischen Kreises zwischen den Permanentmagneten 10 verringert. 4b zeigt eine Stellung des zusätzlichen Eisenrings 16, in der die Ausgleichsteile 18 mittig zwischen zwei Polen 20, 22 positioniert sind. Diese Stellung wird benutzt, wenn die Remanenz die untere Toleranzgrenze erreicht hat. Hierbei wird mittels der im magnetischen Kreis zwischen den Polen 20, 22 angeordneten Ausgleichsteile 18 der magnetische Widerstand des magnetischen Kreis verringert, wodurch der magnetische Fluss erhöht wird.
5a und 5b zeigen einen erfindungsgemäßen Läufer 24 in einer perspektivischen Vorder- bzw. Rückansicht. Die Drehstellung des in den Permanentmagnetträger 26 eingelegten und dort befestigten zusätzlichen Eisenring 16 kann in Bezug auf den Permanentmagnetträger 26 zumindest beim Zusammenbau innerhalb eines Einstellbereichs verändert oder bestimmt werden. Durch Verdrehen des Eisenrings 16 gegenüber dem Permanentmagnetträger 26 können Remanenztoleranzen infolge der innerhalb eines Zahnrasterabstands ungleichen Verteilung der Eisenmenge (Ausgleichsteil 18) im Eisenring 16 ausgeglichen werden. Mit dem Verdrehen des Eisenrings 16 wird eine lokale Sättigung in dem Permanentmagnetträger 26 verringert oder erhöht. Die Befestigung kann mittels gängiger Befestigungsverfahren wie Kleben, Verschrauben, Vernieten, Verlöten, Verschweißen oder Einsetzen eines Eisenrings 16 in einen aufgeheizten Permanenmagnetträger 26 erfolgen.
6a zeigt eine Flusslinienverteilung für den Fall, dass die Remanenz des Permanentmagneten 10 an ihrer unteren Toleranzgrenze von 0,97 ist und sich die Ausgleichsteile 18 – in Umfangsrichtung gesehen – mittig zwischen zwei Permanentmagneten 10 befinden. 6b zeigt eine Flusslinienverteilung für den Fall, dass die Remanenz des Permanentmagneten 10 ihren Sollwert hat und sich die Ausgleichsteile 18 – in Umfangsrichtung gesehen – 0,34 Polrasterabstände von ihrer jeweiligen Nullposition entfernt positioniert ist. 6c zeigt eine Flusslinienverteilung für den Fall, dass die Remanenz des Permanentmagneten 10 an ihrer oberen Toleranzgrenze von 1,03 ist und sich die Ausgleichsteile 18 in Nullposition befinden.
7 zeigt eine Abhängigkeit eines normalisierten maximalen Flusses (Ordinate) durch einen Zahn 14 in Abhängigkeit von einer normalisierten Remanenz (Kennlinien) des Permanentmagneten 10 und der Stellung der Ausgleichsteile 18 (Abzisse) in Umfangsrichtung. Hieraus ist ersichtlich, dass unabhängig von der Permanentmagnet-Remanenz der maximale Fluss im Statorzahn 14 mittels Drehpositionierung des zusätzlichen Eisenrings 16 konstant gehalten werden kann. 8 verdeutlicht diesen Zusammenhang zusammenfassend.
9 zeigt, dass der Verlauf einer normalisierten EMK (Ordinate) in Abhängigkeit von einer Rotorposition (pole pitch) (Abzisse) bei optimal ausgleichender Stellung der Ausgleichsteile 18 für eine Remanenz an der oberen Toleranzgrenze nahezu identisch zu dem Verlauf der EMK verläuft, wenn die Remanenz an der unteren Toleranzgrenze ist. Wie 10 zeigt, gilt entsprechendes auch für den Verlauf eines normalisierten Drehmoments (Ordinate) in Abhängigkeit von einer Rotorposition (Abzisse) bei optimal ausgleichender Stellung der Ausgleichsteile 18 in Umfangsrichtung. Damit beträgt der Unterschied der mittleren Drehmomente nur 0,6% trotz einer Remanenzschwankung von 6%.
11a bis 11f zeigen sechs Ausführungsbeispiele für einen zusätzlichen Eisenring 16 mit einer sich mit Polrasterabstand wiederholenden Formgebung. Der zusätzliche Eisenring 16 für eine n-polige Maschine 12 sollte n Segmente aufweisen. Der Ring 16 kann aus einem Blechstreifen 28 gebildet werden, der aus einem Stahlblech ausgestanzt wird. Der Eisenring 16 kann auch mehrstückig sein.
Mit jeder neuen Charge oder Lieferung von Permanentmagneten 10 sollte die Remanenz der Permanentmagnete 10 oder die Elektromotorische Kraft einer Phase einer mit den neuen Permanentmagneten 10 hergestellten elektrischen Maschine 12 gemessen werden. Bei dieser Messung sollte der zusätzliche Eisenring 16 in Nullstellung positioniert sein. Aus den Messdaten sollte die mittlere Elektromotorische Kraft einer Phase der elektrischen Maschine 12 für einen Polrasterabstand berechnet werden. Außerdem kann so der Umfangswinkel bestimmt werden, auf den der zusätzliche Eisenring 16 zu positionieren ist, um die Abweichung der Remanenz von dem Sollwert auszugleichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 1613368 C3 [0002]

Claims

Komponente (24) für eine elektrische Maschine (12), insbesondere Läufer (24) oder Stator, wobei die Komponente (24) mindestens einen Permanentmagneten (10) zur Erregung der elektrischen Maschine (12) umfasst; wobei die Komponente (24) ein Ausgleichsteil (18) zur Beeinflussung einer Reluktanz eines durch den Permanentmagneten (10) verlaufenden magnetischen Kreises aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichsteil (18) relativ zu dem Permanentmagneten (10) unsymmetrisch oder ausrichtbar angeordnet ist, insbesondere in Umfangsrichtung und/oder in Richtung einer Achse des Läufers (24) unsymmetrisch bzw. unsymmetrisch verschiebbar angeordnet ist.
Komponente (24) für eine elektrische Maschine (12), insbesondere Läufer (24) oder Stator, wobei die Komponente (24) mindestens einen Permanentmagneten (10) zur Erregung der elektrischen Maschine (12) und einen Träger (26) für den Permanentmagneten (10) umfasst; wobei die Komponente (24) ein Ausgleichsteil (18) zur Beeinflussung einer Reluktanz eines durch den Permanentmagneten (10) verlaufenden magnetischen Kreises aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichsteil (18) relativ zu dem Träger (26) für den Permanentmagneten (10) unsymmetrisch oder ausrichtbar angeordnet ist, insbesondere in Umfangsrichtung und/oder in Richtung einer Achse des Läufers (24) unsymmetrisch bzw. verschiebbar angeordnet ist.
Komponente (24) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente (24) auch die Merkmalskombination einer Komponente (24) gemäß Anspruch 2 aufweist.
Komponente (24) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichsteil (18) einen Umfangswinkelbereich erfasst, der etwa so groß ist, wie ein Umfangswinkelrasterabstand zwischen auf dem Träger (26) benachbart angeordneten Permanentmagneten (10) und/oder dass die Komponente (24) so viele Ausgleichsteile (12) umfasst wie Permanentmagnete (10).
Komponente (24) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Ausgleichsteile (18) mittels Stegen, insbesondere jeweils mittels eines Mittelsteges und/oder mittels zweier Seitenstege miteinander verbunden sind.
Komponente (24) gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mittels Stegen verbundenen Ausgleichsteile (18) einen strukturierten Ring (16) bilden, der insbesondere an mindestens einer Stelle unterbrochen ist oder eine Verbindungsstelle aufweist.
Komponente (24) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichsteil (18) ferromagnetisches Material umfasst und/oder dass der Träger (26) für den Permanentmagneten (10) ferromagnetisches Material umfasst, wobei ein überwiegender Anteil des Flusses des magnetischen Kreises durch den Träger (26) für den Permanentmagneten (10) verläuft.
Elektrische Maschine (12), dadurch gekennzeichnet, dass die Elektrische Maschine (12) eine Komponente (24), insbesondere einen Läufer (24) und/oder einen Stator, gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 umfasst.
Herstellungsverfahren für eine Komponente (24) einer elektrischen Maschine (12), insbesondere für einen Läufer (24) oder Stator, dadurch gekennzeichnet, dass das Herstellungsverfahren folgende Schritte umfasst: – Anbringen eines Permanentmagneten (10) an einem Träger (26) für den Permanentmagneten (10), wobei der Permanentmagnet (10) zur Erregung der elektrischen Maschine (12) vorgesehen ist; – Ermitteln einer Ist-Remanenz des Permanentmagneten (10), wobei dieser Schritt vor und/oder nach dem Schritt des Anbringens des Permanentmagneten (10) ausgeführt wird; und – Ausrichten eines Ausgleichsteils (18) der Komponente relativ zu dem Permanentmagneten (10), um eine Abweichung der Ist-Remanenz von einer Soll-Remanenz des Permanentmagneten (10) auszugleichen.
Herstellungsverfahren für eine Komponente (24) einer elektrischen Maschine (12), insbesondere für einen Läufer (24) oder Stator, dadurch gekennzeichnet, dass das Herstellungsverfahren folgende Schritte umfasst: – Anbringen eines Permanentmagneten (10) an einem Träger (26) für den Permanentmagneten (10), wobei der Permanentmagnet (10) zur Erregung der elektrischen Maschine (12) vorgesehen ist; – Ermitteln einer Eigenschaft der Komponente (24), wobei die Eigenschaft von eine Höhe einer Ist-Remanenz des Permanentmagneten (10) beeinflusst wird; und – Ausrichten eines Ausgleichsteils (18) der Komponente (24) relativ zu dem Permanentmagneten (10), um eine Abweichung der Ist-Remanenz von einer Soll-Remanenz des Permanentmagneten (10) auszugleichen.