-
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Ständer und einem Rotor, wobei der Ständer während des Betriebes der Maschine ein um eine Drehachse des Rotors rotierendes (insbesondere näherungsweise sinusförmiges) Magnetfeld erzeugt und wobei der Rotor in der Richtung der Drehachse gestapelte Lagen aus magnetisierbarem Material aufweist. Bei den gestapelten Lagen handelt es sich üblicherweise um Metallbleche aus weichmagnetischem Material. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen Maschine.
-
Heutzutage werden derartige Maschinen üblicherweise als Induktionsmotor, auch Asynchronmotor genannt, hergestellt und betrieben. Das rotierende Magnetfeld, welches der Ständer erzeugt, wird durch Drehstrom und entsprechende Spulen in dem Ständer generiert. Ein solcher Induktionsmotor hat eine gute Leistungsdichte. Der Rotor ist kostengünstig herstellbar, insbesondere wenn er als Aluminiumdruckgussläufer hergestellt wird. Die Induktionsmaschine kann bei hohen Drehzahlen betrieben werden und zeigt ein gutes Betriebsverhalten bei großem Feldschwächbereich, d. h. ein Betrieb mit konstanter Leistung in einem großen Drehzahlbereich ist möglich.
-
Nachteilig an einem Induktionsmotor sind der nur mäßig gute Wirkungsgrad im besten Betriebspunkt, ein schlechter Wirkungsgrad bei niedrigen Drehzahlen und – aufgrund der Schlupfverluste im Rotor – erhöhte Lagertemperaturen. Speziell bei einem Aluminiumdruckgussläufer ist der Wirkungsgrad noch geringer als bei einem Kupferstabrotor.
-
Es ist bereits vorgeschlagen worden, zur Überwindung der Nachteile der Induktionsmaschine Synchronmaschinen einzusetzen. Zu dieser Maschinenfamilie gehören permanent erregte Drehstrom-Synchronmotoren, Drehstrom-Reluktanzmotoren und Drehstrom-Reluktanzmotoren mit unterstützendem Permanentmagneten im Rotor.
-
Eine weitere Klasse von elektrischen Maschinen bilden die geschalteten Reluktanzmotoren und hochpolige Permanentmagnetmotoren mit Zahnspulen. Dabei handelt es sich nicht um Drehfeldmaschinen im Sinne der eingangs genannten Art.
-
Der permanentmagneterregte Synchronmotor benötigt für eine dem Asynchronmotor vergleichbare Leistungsdichte eine größere Menge von hochqualitativem ferromagnetischem Material, wobei heutzutage meist das hochpreisige Neodym-Magnetmaterial eingesetzt wird. Es gibt die Möglichkeit, die Magnete an der Oberfläche des Rotors zu befestigen. Dies hat jedoch Nachteile: einerseits ist der Motor dann nicht so einfach feldschwächbar und kann nicht in einem weiten Drehzahlbereich eingesetzt werden, andererseits besteht bei bestimmten Fehlerfällen, in denen ein hoher Strom im Ständer fließt, die Gefahr, dass die Magnete teilweise abmagnetisiert werden könnten. Es wurde daher bereits vorgeschlagen, die Magnete nicht an der Oberfläche des Rotors zu montieren, sondern in Ausnehmungen des Rotors zu platzieren. Ein Permanentmagnet-Synchronmotor mit oberflächenmontierten oder versenkt im Rotor eingebauten Magneten kann höhere Leistungsdichten und bessere Wirkungsgrade erreichen als ein Induktionsmotor, die Herstellkosten sind aber auch höher.
-
Der Drehstrom-Reluktanzmotor ist z. B. aus der
DE 1638401 bekannt. Er erreicht jedoch nicht die Leistungsdichte eines Asynchronmotors, wenn am Außenumfang des Rotors lediglich die Oberflächenbereiche ausgespart sind, die in den Pollücken, d. h. in Umfangsrichtung in den Bereichen zwischen den magnetischen Polen, liegen. Z. B. bei einem vierpoligen Rotor ergäbe sich bei einer solchen einfachen Konstruktion ein im Wesentlichen kreuzförmiger Querschnitt des Rotors.
-
Um die Eigenschaften von Reluktanzmotoren weiter zu verbessern, sind Aussparungen im Rotor eingebracht worden, die mit Luft oder einem anderen unmagnetischen Material gefüllt werden und dazu dienen, den Verlauf des magnetischen Flusses in bestimmten Richtungen zu erschweren, sogenannte Flusssperren. Ziel ist es, die magnetischen Pole zu stärken und den magnetischen Fluss zwischen Ständer und Rotor in den Bereichen der Pollücken zu schwächen. Trotz dieser Flusssperren werden selten Verhältnisse des magnetischen Leitwertes in Polrichtung zu dem Leitwert in Richtung der Pollücken von 3 zu 1 überschritten. Bei einem solchen Leitwertverhältnis werden die Leistungsdichten von Asynchronmotoren nicht erreicht. Auch konnte mit reinen Reluktanzmotoren keine nennenswerte Wirkungsgradverbesserung gegenüber Induktionsmotoren erreicht werden.
-
Zur besseren Führung des magnetischen Flusses ist in der
DE 871183 vorgeschlagen worden, die Bleche bzw. Lagen des Rotors nicht in Richtung der Drehachse übereinander zu stapeln, sondern abgewinkelte Bleche zu stapeln, die sich parallel zur Drehachse des Rotors erstrecken, so dass Grenzen zwischen den Blechen ebenfalls in Richtungen parallel zur Drehachse verlaufen. Jedoch ist die Herstellung solcher Rotoren im Verhältnis zu der üblichen Stapeltechnik sehr viel aufwendiger. Bei der üblichen Übereinanderstapelung der Lagen in Richtung der Drehachse werden die für die Rotorwelle ausgesparten Lagen auf die Welle aufgeschrumpft, insbesondere durch Erwärmen der Blechlagen und anschließendes Abkühlen auf der Welle. Bevorzugtermaßen wird dieses kostengünstige Herstellverfahren bei der hier beschriebenen Maschine beibehalten.
-
Bei der oben erwähnten Klasse von Maschinen mit permanentmagnetunterstützten Reluktanz-Rotoren werden zusätzliche Permanentmagnete im Rotor so angeordnet, dass die von ihnen definierte Nord-Süd-Richtung etwa tangential zum Außenumfang des Rotors verläuft, bzw. dass die Polachse des Magneten etwa in Umlaufrichtung des Magneten um die Rotationsachse des Rotors orientiert ist. Dabei wechseln sich die Orientierungen der Magnetpole in Umfangsrichtung gesehen ab. Im Ergebnis liegen die magnetischen Pole des Rotors zwischen den Bereichen, in denen die Permanentmagnete angebracht sind. Dementsprechend sind die Permanentmagnete in den Bereichen der Pollücken angeordnet. Im Motorbetrieb der Maschine wird dadurch das Drehmoment erhöht. Im Generatorbetrieb dagegen, wenn der Rotor mechanisch angetrieben wird und dadurch nutzbare elektrische Energie im Ständer induziert, verringert diese Ausrichtung der Permanentmagnete das Drehmoment. Dies ist bereits eine erste Erkenntnis, die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegt. Die im Folgenden vorgeschlagene elektrische Maschine soll aber sowohl im Motorbetrieb als auch im Generatorbetrieb bei hohem Drehmoment arbeiten.
-
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Maschine der eingangs genannten Art anzugeben, die bei geringen Herstellungskosten eine hohe Leistungsdichte bzw. ein hohes Drehmoment ermöglicht und dabei einen guten Wirkungsgrad besitzt.
-
Es wird eine elektrische Reluktanzmaschine mit Permanentmagnetunterstützung im Rotor vorgeschlagen. Dabei werden Permanentmagnete in Nuten vorgesehen, die am Außenumfang des Rotors enden und sich in das Innere des Rotors bis zu einem jeweiligen Nutgrund erstrecken. In den Nuten wird jeweils ein Permanentmagnet so angeordnet, dass die Nord-Süd-Richtung nicht tangential in Umfangsrichtung verlaufend, sondern im Wesentlichen radial ausgerichtet ist. Insbesondere soll die Neigung der Nord-Süd-Richtung zu der radialen Linie, die sich von der Drehachse zum nächstgelegenen Bereich des Außenumfangs erstreckt, vorzugsweise höchstens 30° betragen. Dabei können die Neigungen der einzelnen Nuten verschieden sein.
-
Die Nuten und damit die in den Nuten liegenden Permanentmagnete werden in ersten Oberflächenbereichen im Bereich der Magnetpole des Rotors vorgesehen. Zwischen den ersten Oberflächenbereichen befindet sich in Umfangsrichtung des Rotors jeweils ein zweiter Oberflächenbereich, in dem eine Pollücke liegt. Aufgrund der im Wesentlichen radialen Ausrichtung der Magnetfelder werden die Pole des Rotors in den ersten Oberflächenbereichen gebildet und liegen die Pollücken in den zweiten Oberflächenbereichen.
-
Insbesondere wird folgendes vorgeschlagen: Eine elektrische Maschine mit einem Ständer und einem Rotor, wobei der Ständer während des Betriebes der Maschine ein um eine Drehachse des Rotors rotierendes Magnetfeld erzeugt und wobei der Rotor in der Richtung der Drehachse gestapelte Lagen aus magnetisierbarem Material aufweist, wobei
- – der Rotor an seinem Außenumfang in Umfangsrichtung eine der magnetischen Polzahl des Rotors entsprechende Anzahl von ersten Oberflächenbereichen aufweist, die zu dem Ständer einen Spalt mit einer ersten Breite definieren, wobei die radial nach außen, zum Ständer weisenden magnetischen Pole des Rotors jeweils in einem der ersten Oberflächenbereiche liegen,
- – in Umfangsrichtung zwischen den ersten Oberflächenbereichen jeweils ein zweiter Oberflächenbereich liegt, der zu dem Ständer einen Spalt mit einer zweiten Breite definiert, welche größer ist als die erste Breite,
- – sich in den ersten Oberflächenbereichen jeweils eine Mehrzahl von Nuten ausgehend vom Außenumfang in das Innere des Rotors erstrecken, in die jeweils permanent magnetisches Material eingebracht ist, sodass der magnetische Pol in dem ersten Oberflächenbereich ausgebildet ist.
-
Ferner wird ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Maschine angegeben, wobei ein Ständer der Maschine bereitgestellt wird, der ausgestaltet ist, während des Betriebes der Maschine ein um eine Drehachse des Rotor rotierendes Magnetfeld zu erzeugen und wobei zur Herstellung des Rotors der Maschine in der Richtung der Drehachse der Maschine Lagen aus magnetisierbarem Material gestapelt werden und wobei
- – am Außenumfang des Rotors in dessen Umfangsrichtung eine der magnetischen Polzahl des Rotors entsprechende Anzahl von ersten Oberflächenbereichen vorgesehen wird, die zu dem Ständer einen Spalt mit einer ersten Breite definieren, wobei die radial nach außen, zum Ständer weisenden magnetischen Pole des Rotors jeweils in einem der ersten Oberflächenbereiche ausgebildet werden,
- – in Umfangsrichtung zwischen den ersten Oberflächenbereichen jeweils ein zweiter Oberflächenbereich vorgesehen wird, der zu dem Ständer einen Spalt mit einer zweiten Breite definiert, welche größer ist als die erste Breite,
- – in den ersten Oberflächenbereichen jeweils eine Mehrzahl von Nuten ausgehend vom Außenumfang in das Innere des Rotors ausgeformt werden, in die jeweils permanent magnetisches Material eingebracht wird, sodass der magnetische Pol in dem ersten Oberflächenbereich ausgebildet wird.
-
Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Herstellungsverfahrens ergeben sich aus der Beschreibung von Ausgestaltungen und Weiterbildungen der elektrischen Maschine. Insbesondere ist das permanent magnetische Material in radialer Richtung magnetisiert bzw. wird das permanent magnetische Material derart in die Nuten eingebracht, dass es in radialer Richtung magnetisiert ist. Unter der Richtung der Magnetisierung wird die Richtung der Nord-Süd-Richtung und die Richtung der Süd-Nord-Richtung des Magnetfeldes verstanden.
-
Ferner gehört zum Umfang der Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine, nämlich der elektrischen Maschine in einer der Ausgestaltungen, die hier beschrieben werden.
-
Da die Nuten in den ersten Oberflächenbereichen ausgehend vom Außenumfang in das Innere des Rotors ausgeformt werden bzw. ausgeformt sind, lassen sich die Nuten besonders einfach einbringen und können auch die Permanentmagneten einfach und kostengünstig im Rotor angeordnet werden.
-
Insbesondere wird es bevorzugt, die Nuten am Außenumfang mit einem nicht magnetischen und nicht magnetisierbaren Material zu verschließen, wenn der jeweilige Permanentmagnet in die Nut eingebracht worden ist. Insbesondere ist dieses Verschlussmaterial daher nicht weichmagnetisch.
-
Die radiale Ausrichtung der Permanentmagnete im Rotor an dessen Außenumfang ermöglicht es, die zweiten Oberflächenbereiche, d. h. die Bereiche der Pollücken, als einwärts gekrümmte Bereiche auszugestalten. Anders formuliert weist der zweite Oberflächenbereich zwischen jeweils zwei benachbarten ersten Oberflächenbereichen eine im Querschnitt des Rotors gekrümmte Einbuchtung auf, die sich in Richtung parallel zu der Drehachse durch den Stapel der Lagen aus magnetisierbarem Material erstreckt. Unter dem Querschnitt des Rotors wird ein Querschnitt senkrecht zur Drehachse verstanden, d. h. der Querschnitt liegt insbesondere innerhalb einer einzigen Stapel-Lage.
-
Durch die Einbuchtung wird wirksam verhindert, dass sich im Bereich der Pollücken ein erheblicher magnetischer Fluss aufbauen kann, der in radialer Richtung nach außen zum Ständer gerichtet ist. Die magnetischen Feldlinien, die sich zwischen benachbarten Polen ausbilden, werden im Innern der Lagen aus magnetisierbarem Material um die Einbuchtung herumgeführt und verstärken somit die magnetische Flussdichte im Bereich der Pole.
-
Vorzugsweise befindet sich in radialer Richtung innerhalb der Außenoberfläche der zweiten Oberflächenbereiche jeweils eine erste Aussparung im magnetisierbaren Material. Diese erste Aussparung weist einen geschlossen umlaufenden Rand auf, der von dem magnetisierbaren Material gebildet wird. Die erste Aussparung verhindert zusätzlich, dass sich ein nennenswerter magnetischer Fluss in den Pollücken in radialer Richtung aufbauen kann.
-
Vorzugsweise ist die erste Aussparung symmetrisch zu einer in radialer Richtung verlaufenden Symmetrieebene des zweiten Oberflächenbereichs geformt. Im Querschnitt entspricht der Symmetrieebene eine Symmetrieachse. Insbesondere sind die die Symmetrieebene des zweiten Oberflächenbereichs kreuzenden Ränder der ersten Aussparung gekrümmt, wobei die Enden der Aussparung radial weiter außen liegen als der Bereich der Aussparung an der Symmetrieebene. Z. B. erfüllt eine sichelmondförmige erste Aussparung diese Definition, wenn der Rand mit dem geringeren Krümmungsradius radial weiter außen liegt als der Rand mit dem größeren Krümmungsradius. Diese gekrümmte Ausgestaltung der ersten Aussparung führt die magnetischen Feldlinien auf einem erwünschten gekrümmten Verbindungspfad zwischen den benachbarten Polen.
-
Bevorzugt wird, dass Enden der ersten Aussparung jeweils in gleichem radialen Abstand zur Drehachse des Rotors angeordnet sind, wie ein Abschnitt einer Nut, die sich von dem ersten Oberflächenbereich ausgehend in das Innere des Rotors erstreckt und mit permanent magnetischem Material gefüllt ist, so dass zwischen dem Abschnitt der Nut und dem Ende der ersten Aussparung ein Steg aus magnetisierbarem Material verbleibt, der eine dem Abstand der Nut und des Endes entsprechende Breite hat. Vorzugsweise liegt die genannte Breite bzw. der Abstand im Bereich von 0,5 bis 1,5% des Durchmessers des Rotors. Z. B. bei einem Rotordurchmesser von 200 mm beträgt die Breite 1 mm bis 3 mm. Bei einer optionalen Ausgestaltung der ersten Aussparung ist die erste Aussparung geteilt, z. B. durch einen Steg aus dem magnetisierbaren Material im Bereich der Symmetrieebene bzw. Symmetrieachse, die oben erwähnt wurde. Bei einer solchen geteilten ersten Aussparung kann die Breite des Steges zwischen der ersten Aussparung und der benachbarten Nut an jedem Ende geringer sein als andernfalls. Die geteilte Aussparung (d. h. der zumindest eine Steg, der die Aussparung teilt) stabilisiert den Rotor mechanisch, insbesondere um den bei der Rotation wirkenden Fliehkräften standzuhalten.
-
In besonderer Ausgestaltung befindet sich in radialer Richtung innerhalb der ersten Aussparung jeweils eine zweite Aussparung des magnetisierbaren Materials, die insbesondere ebenfalls gekrümmt sein kann, um, wie erwähnt, den Verlauf der magnetischen Flusslinien von Pol zu Pol zu optimieren.
-
Die Enden der zweiten Aussparung können in einem radialen Abstand zu den inneren Enden der Nuten angeordnet sein, wobei der radiale Abstand vorzugsweise im Bereich von 1,5 bis 3,5% des Durchmessers des Rotors liegt. Unter dem radialen Abstand wird verstanden, dass der Nutgrund der nächst benachbarten Nut und das Ende der Aussparung versetzt auf unterschiedlichen radialen Achsen liegen können. Sie können jedoch auch auf derselben radialen Achse liegen. In diesem Fall ist der radiale Abstand gleich dem tatsächlichen Abstand. Diese Ausführungsform wird aus Gründen einer erhöhten Stabilität und einer verbesserten magnetischen Flusssperre in Querrichtung bevorzugt.
-
Wie auch bei der bevorzugten Ausführungsform der ersten Aussparung können die zwischen den Enden der zweiten Aussparung verlaufenden Ränder der zweiten Aussparung gekrümmt verlaufen, wobei die Enden der zweiten Aussparung radial weiter außen liegen als der dazwischen liegende mittlere Bereich der Ränder.
-
Es können weitere Aussparungen, die geschlossen, d. h. umlaufend von einem Rand aus magnetisierbarem Material gebildet werden, in den Lagen des Rotors vorgesehen sein. Dabei sind die Position, Größe und Form der Aussparungen vorzugsweise in allen Lagen des Rotors gleich. Ein Betrachter könnte daher durch die Aussparungen in einer Richtung parallel zur Rotationsachse hindurchsehen.
-
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere auch einen synchronen Antriebsmotor mit Permanentmagneten für Elektrofahrzeuge wie z. B. Schienenfahrzeuge, Elektroautos, Elektrobusse oder fahrerlose People-Mover.
-
Die Leistungsklasse der elektrischen Maschine liegt insbesondere im Bereich von 30 kW bis 250 kW. Die Maschine wird typischerweise mit Hilfe eines Leistungs-Stromrichters versorgt. Sie kann als Motor und als Generator betrieben werden, d. h. im Generatorbetrieb kann eine Rückspeisung von Bremsenergie in ein Stromversorgungsnetz oder einen Energiespeicher stattfinden. Der dabei verwendete Drehzahlbereich liegt typischerweise im Bereich von 4500 bis 6000 Umdrehungen/min.
-
Die elektrische Maschine ist kostengünstig herstellbar, kann als Drehstrommotor betrieben werden und hat bei einer vergleichbaren Baugröße wie ein Induktionsmotor einen um 2% bis 3% verbesserten Wirkungsgrad. Durch das Einbringen des permanent magnetischen Materials kann der Magnetisierungsstrom gegenüber einem reinen Reluktanzmotor gesenkt werden. Bei gleicher Stromtragfähigkeit der Statorspulen kann mehr Drehmoment bildender Strom fließen. Dadurch steigt die Leistungsdichte gegenüber einem reinen Reluktanzmotor an. Umgekehrt ist bei gleichem Drehmoment der Gesamtstrom niedriger, was zu einem höheren Wirkungsgrad führt.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Die einzelnen Figuren der Zeichnung zeigen:
-
1 eine dreidimensionale Ansicht eines Rotors gemäß der vorliegenden Erfindung, der auf einer Welle der elektrischen Maschine montiert ist, und
-
2 einen Querschnitt durch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Rotors, wobei die Aussparungen am Außenumfang des Rotors in den Pollücken kleiner sind als in dem Fall von 1.
-
Der in 1 dargestellte Rotor 1 ist auf einer Welle 101 einer elektrischen Maschine montiert. Der nicht dargestellte Ständer der Maschine weist eine entsprechende Aussparung auf, in der der Rotor auf der Welle 101 rotieren kann. Unter einer Aussparung wird auch der Fall verstanden, dass die Aussparung nachträglich in das Material eingebracht wird, insbesondere ausgestanzt wird.
-
An seinem Außenumfang (betrachtet in einer Ebene senkrecht zur Drehachse der Welle 101) weist der Rotor vier vorspringende Bereiche 30 auf. Zwischen diesen Bereichen 30 befinden sich ausgenommene oder zurückspringende Bereiche 2, die einen in Umfangsrichtung gekrümmten Oberflächenverlauf haben. Die Außenoberflächen der vorspringenden Bereiche 30 würden innerhalb des Ständers der Maschine einen geringen Luftspalt zu der inneren Oberfläche des Ständers haben, während die ausgenommenen Bereiche 2 einen sehr viel größeren Luftspalt zum Ständer aufweisen. Die Ausführung ist in dem hier gezeigten Beispiel vier-polig.
-
Der detaillierte Aufbau des Rotors 1 ist aus 1 nicht erkennbar. Der Rotor 1 ist aus einer Vielzahl von Lagen eines magnetisierbaren Materials aufgebaut, die in Richtung der Drehachse der Welle 101 hintereinander gestapelt sind. D. h. dass jede der Lagen an ihrem Außenumfang Teile der vier vorspringenden Bereiche 30 und der vier ausgenommenen Bereiche 2 bildet.
-
Auch die im Folgenden beschriebenen speziellen Merkmale der Lagen sind in 1 nicht dargestellt.
-
2 zeigt eine solche Lage, die im Wesentlichen aus magnetisierbarem Material gebildet ist. Die Drehachse der Welle verläuft senkrecht zur Bildebene an dem mit einem Kreuz gekennzeichneten Punkt, der mit dem Bezugszeichen 51 bezeichnet ist. Die Konstruktion der Lage ist symmetrisch zu dem Punkt 51 bezüglich Drehungen um 180° bzw. bezüglich Spiegelungen um nicht in 2 dargestellte Symmetrieachsen, die durch den Punkt 51 laufen.
-
Die in 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiele sollen das Prinzip der Erfindung verdeutlichen. Anders als in 1 und 2 dargestellt, kann nicht nur ein vierpoliger Rotor, sondern auch ein höherpoliger Rotor, z. B. ein sechspoliger oder ein achtpoliger Rotor, in entsprechender Weise konstruiert sein. Die Symmetrie solcher höherpoligen Rotoren ist entsprechend anders. Bei einem sechspoligen Rotor z. B. würde bei Drehungen um 120° um die Drehachse der Welle eine identische Abbildung des Rotorquerschnitts auf sich selbst erreicht.
-
Durch eine Drehung um die Hälfte des selbst abbildenden Drehwinkels würden die Nordpole auf Südpole abgebildet und umgekehrt. Für das Ausführungsbeispiel gemäß 2 wird noch genauer auf die Orientierung der permanentmagnetischen Elemente in dem Rotor eingegangen.
-
Der Stator, der zusammen mit dem Rotor eine elektrische Maschine bildet, kann insbesondere identisch wie bei einem Induktionsmotor aufgebaut sein. Lediglich der Aufbau des Rotors unterscheidet daher die Maschine von einem Induktionsmotor.
-
Wie 2 zeigt, sind am Außenumfang, in den vorspringenden Bereichen 30, die auch die magnetischen Pole des Rotors bilden, mehrere Nuten in radialer Richtung, d. h. in Richtung auf den Symmetriepunkt 51, in das magnetisierbare Material des Rotors eingebracht. Im Ausführungsbeispiel sind in jedem der Bereiche 30 sieben solcher Nuten eingebracht. Es können jedoch auch weniger oder mehr solcher Nuten in jedem der Bereiche 30 sein, z. B. fünf bis neun solcher Nuten. In jede der Nuten ist ein permanentmagnetisches Material, z. B. ein Ferrit, Neodym-Magnetmaterial oder ein Pulvermagnetmaterial (z. B. Neodym-Material in einer Kunststoff-Matrix), bis annähernd zu dem Nutgrund 53 eingebracht. Dabei kann der Nutgrund unterschiedlich gestaltet sein, wie noch näher erläutert wird. Die Nuten sind in 2 teilweise mit dem Bezugszeichen 6 bezeichnet. Sie sind außen am Außenumfang offen, wobei in dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel noch ein im Querschnitt trapezförmiger Bereich 55 frei geblieben ist, der optional mit einem Deckel verschlossen werden kann. Ein solcher Deckel besteht aus nicht magnetischem und nicht magnetisierbarem Material.
-
Wie noch näher ausgeführt wird, befinden sich in der in 2 gezeigten Lage mehrere ausgesparte Bereiche, die als Flusssperren dienen, d. h. den magnetischen Fluss in bestimmten Richtungen, nämlich von Pollücke zu Pollücke, behindern. Dadurch werden die Magnetfeldlinien in den Polbereichen in radialer Richtung nach außen weisend gebündelt und wird verhindert, dass sich ein solches gebündeltes Magnetfeld in den Pollücken ausbilden kann.
-
Aber auch die Nuten 6 mit den darin angeordneten Permanentmagneten 7 bilden Flusssperren für einen in Umfangsrichtung von Pollücke zu Pollücke verlaufenden magnetischen Fluss.
-
Die Menge und Stärke des permanentmagnetischen Materials der Magnete 7 wird vorzugsweise so gewählt, dass bei maximaler Drehzahl des Rotors die Maximalspannung der elektrischen Maschine nicht überschritten wird. Dadurch entfallen besondere Maßnahmen zur Vermeidung von Überspannungen, die z. B. dann auftreten könnten, wenn ein Stromrichter, der den Ständer der Maschine mit Strom versorgt, gesperrt ist.
-
Der Anteil des magnetischen Flusses in der Maschine, der durch die Permanentmagnete 7 erzeugt wird, beträgt am Nenn-Betriebspunkt der Maschine insbesondere nur 15% bis 30% des gesamten Magnetflusses. Es wird in diesem Fall der größte Teil der Magnetisierung, wie bei einem reinen Reluktanzmotor, durch im Stator fließende Magnetisierungsströme erzeugt. Da die Maschine nur einen solchen geringen Teil des Magnetflusses durch Permanentmagnete erzeugt, kann preiswertes permanentmagnetisches Material verwendet werden, z. B. Ferrite oder Pulver-Kunststoff-Presslinge aus magnetischem Material.
-
2 zeigt oben und oben rechts zwei Pfeile, von denen einer mit d und einer mit q bezeichnet ist. Der Pfeil d weist in radialer Richtung einer Symmetrieachse des oben in 2 dargestellten vorspringenden Bereichs 30, d. h. des Pols, der oben in 2 liegt. Der Pfeil q weist in Richtung einer radialen Symmetrieachse der benachbarten Pollücke, d. h. des zurückspringenden Bereichs 2. In Richtung des Pfeils d soll der magnetische Fluss verstärkt werden. In Richtung des Pfeils q soll er geschwächt werden.
-
Für eine optimale Kraftentfaltung der Maschinen wird ein hoher magnetischer Leitwert des Rotors in d-Richtung angestrebt. In q-Richtung soll der magnetische Leitwert dagegen niedrig sein. Dem Leitwert in d-Richtung entspricht die Längsinduktivität Ld und dem Leitwert in q-Richtung die Querinduktivität Lq. Zur Schwächung des Leitwertes Lq in Querrichtung ist das magnetisierbare Material des Rotors möglichst weitgehend zu entfernen, ohne das Material in d-Richtung zu entfernen. Gelöst wird dieses Problem, indem mehrere Aussparungen 3, 4, 5 auf den Verbindungslinien von benachbarten Pollücken vorgesehen werden, so dass die magnetischen Feldlinien auf diesen Verbindungslinien häufig in Luft verlaufen müssen, wodurch ein hoher magnetischer Widerstand erzeugt wird. Die Ränder der Aussparungen verlaufen außerdem annähernd parallel zu den magnetischen Feldlinien auf gekrümmten Verbindungslinien zwischen benachbarten magnetischen Polen, so dass diese möglichst nicht durch Luft verlaufen, sondern immer im magnetisierbaren Material verbleiben können.
-
Durch radiale Einschnitte an der Oberfläche der Rotor-Pole wird ebenfalls der unerwünschte magnetische Fluss von Pollücke zu Pollücke behindert. Diese Funktion wird von den Nuten 6 erfüllt, zusätzlich zu der Funktion, permanent magnetisches Material aufzunehmen.
-
Zwischen den Aussparungen 3, 4, 5 und benachbarten Nuten 6, oder Aussparungen 3, 4, 5 verbleiben lediglich dünne Stege 8, 9, 19 aus magnetisierbarem Material, deren Steg-Breite entsprechend den zu erwartenden Fliehkräften beim Betrieb des Rotors zu wählen sind. Die Stege sind unvermeidbar, da der Rotor sonst kein zusammenhängendes Teil bilden und auseinanderfallen würde.
-
Nach dieser prinzipiellen Beschreibung des Ausführungsbeispiels von 2 und ihrer möglichen Varianten, wird nun ein konkretes Ausführungsbeispiel beschrieben.
-
In die vorstehenden Bereiche 30, die die magnetischen Pole bilden, sind die Nuten 6 in ungefähr gleichmäßigem Abstand zueinander eingeschnitten. Die Nuten 6 haben bei einem Rotordurchmesser von 200 mm eine Breite im Bereich von 5 mm bis 8 mm.
-
Bei einem anderen Rotordurchmesser sind die hier genannten Abmessungen entsprechend dem vergrößerten oder verkleinerten Rotordurchmesser größer oder kleiner.
-
Die Tiefe der Nuten beträgt bei 200 mm Rotordurchmesser 15 mm bis 30 mm inklusive dem trapezförmigen Bereich am offenen Ende der Nut 6. Zwischen den Nuten 6 verbleibt jeweils ein sogenannter Zahn 12, der in radialer Höhe des Nutgrundes 53 etwa genauso breit ist wie die Nuten. Das Verhältnis zwischen Zahnbreite und Nutbreite gemessen am Nutgrund liegt in einem Variationsbereich von etwa 45% bis 55%. Zur Befestigung der Magnete 7 können die Nuten auf der Außenseite optional mit Kerben 13 für unmagnetische Nutverschlußkeile versehen werden. Auch andere bekannte Verfahren wie Einkleben oder leichte V-Form der Nut können zur Befestigung der Magnete im Rotor angewendet werden.
-
In die Nuten werden im Ausführungsbeispiel quaderförmige Magnete 7 eingefügt. Je nach Leistungsanforderung des Motors kann dies insbesondere auch preiswertes Ferrit-Magnetmaterial sein. Eine zu starke Eigenmagnetisierung ist bei diesem Motortyp nicht erwünscht, weil andernfalls die induzierte Spannung bei maximaler Drehzahl zu groß wird. Daher können zusätzliche Maßnahmen gegen Überspannungen entfallen. Die Magnete sind in radialer Richtung magnetisiert, innerhalb eines Pols immer bei gleicher Nord-Süd-Orientierung, bei einander benachbarten Polen in umgekehrter Nord-Süd-Orientierung. Die Magnete 7 müssen nicht ganz bis an die Rotor-Außenoberfläche ragen, es kann Platz für Nutverschlusselemente freigelassen werden.
-
Zwischen den Polen befinden sich die Pollücken 2, die z. B. halbkreisförmig, kreissegmentförmig oder ellipsenförmig in den Umfang eingesenkt sind. Am Außenumfang beträgt das Verhältnis der von den Polen und den Pol-Lücken gebildeten Winkelbereichen 2:1 bis 2,5:1. Im speziellen, in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel, wurde ein Verhältnis von 2,2:1 gewählt, d. h. 69% des Umfanges haben einen minimalen Luftspalt zum Ständer von z. B. ca. 1 mm und die Pollücken haben einen sehr viel größeren Luftspalt. Der tiefste Punkt der Einsenkung 2 befindet sich 15 mm–24 mm innerhalb des Rotorumfanges.
-
Im Inneren des Rotors sind die Aussparungen 3, 4, 5 als Ausstanzungen eingebracht. Eine erste Aussparung 3 innerhalb der gekrümmten Pollückenaussparung 2 ist so angeordnet, dass ein Steg 14 zwischen der Aussparung 3 und der Aussparung 2 mit einer Breite von 3 mm bis 5 mm verbleibt. Die erste Aussparung 3 selbst ist in radialer Richtung 5 mm–8 mm breit. Die Abmessung quer zur radialen Richtung ist so gewählt, dass bis zur nächstliegenden Nut 6 ein Steg 8 von 1 mm–2 mm Breite verbleibt. Die Krümmung der Aussparung 3 ist so gewählt, dass eine den Rand verlängernde Linie des innen liegenden Randes ungefähr den Nutgrund 53 der benachbarten Magnetnuten schneidet. Der Steg 8 von 1 mm–2 mm Breite beginnt daher am Nutgrund 53 der benachbarten Nuten 6 und verläuft in radialer Richtung nach außen über eine Länge von 5 mm–8 mm. Die Enden der Aussparung 3 sind ausgerundet um bei den hohen Fliehkräften die Kerbwirkung zu minimieren und Rissbildung vorzubeugen. Der Nutgrund 53 der äußeren Nuten 6 ist ausgerundet, um den Fluss von Pollücke zu Pollücke zusätzlich zu behindern.
-
Eine weiter innen liegende zweite Aussparung 4 bildet die zweite Flußsperre. Sie befindet sich symmetrisch innerhalb der ersten Flußsperre, ist aber in radialer Richtung breiter. Sie verläuft in Form eines Kreissegmentes vom Nutgrund 53 der zweitäußeren Nut des benachbarten Pols auf der einen Seite der Pollücke zur zweitäußeren Nut auf der anderen Seite der Pollücke. Zwischen dem Nutgrund 53 der auf jeder Seite benachbarten Nut und der zweiten Aussparung verbleibt ein Steg 9 mit einer Breite in radialer Richtung von 3 mm bis 7 mm, damit der Rotor nicht auseinanderbrechen kann. Das magnetisierbare Material zwischen der ersten Aussparung 3 und der zweiten Aussparung 4 hat eine Breite in radialer Richtung von 7 mm bis 11 mm. Die zweite Aussparung ist von variabler Breite (betrachtet in radialer Richtung). Die breiteste Stelle liegt in der Mitte der Pollücke. Dort beträgt die Breite 8 mm–12 mm. In Richtung der Nuten wird die Aussparung 4 schmaler. Bevor der Steg 9 zur benachbarten Nut 6 beginnt, ist sie etwa 5 mm–7 mm breit, wenn man die Ausrundung nicht betrachtet. Wie bei der ersten Aussparung 3 ist auch bei der zweiten Aussparung eine Ausrundung der Ecken vorhanden.
-
Für Anwendungen mit höherer Drehzahl kann die zweite Aussparung optional durch zumindest einen Steg 15 von 1 mm–3 mm Breite unterbrochen sein, um das Material zwischen den Aussparungen zusätzlich festzuhalten. Die Fliehkräfte müssen dann nicht über die Stege 9 allein abgefangen werden.
-
Eine optionale dritte Aussparung 5 im mittleren Bereich der Pole, in Richtung der d-Achse radial innerhalb des Nutgrundes 53 angeordnet. Diese Aussparung beginnt 3 mm–7 mm radial innerhalb des Nutgrundes und endet ca. 10 mm–20 mm außerhalb der zentralen Bohrung 16 für die Welle 101. Die Breite der Aussparung im äußeren Bereich beträgt 6 mm–12 mm, im inneren Bereich 15 mm–25 mm. Der Steg 17 zwischen der dritten Aussparung 5 und der zweiten Aussparung 4 hat dadurch an der schmalsten Stelle eine Breite von 12 mm–16 mm.
-
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 1638401 [0007]
- DE 871183 [0009]
