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Die Erfindung bezieht sich auf einen ringförmigen Permanentmagneten zur Erzeugung eines Erregerfelds in einer elektrischen Maschine, insbesondere in einem Elektromotor.
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Stand der Technik
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Bekannt sind permanenterregte Gleichstrommotoren, die an der Innenseite des Stators einen bzw. mehrere Permanentmagnete aufweisen, über die ein Erregerfeld erzeugt wird, welches mit einem Feld zusammenwirkt, das in Wicklungen eines Ankerpakets auf der Rotorwelle generiert wird. Beim Umlaufen der Rotorwelle entstehen Rastmomente, die um so höher sind, je geringer die Polanzahl ist. Diese Rastmomente bewirken einen ungleichmäßigen Verlauf des abgegebenen Motordrehmoments.
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Zur Glättung derartiger Rastmomente ist es aus der
DE 10 2008 054 529 A1 bekannt, den Stator aus einer Vielzahl von über den Umfang verteilt angeordneten Trägerzähnen zusammenzusetzen, die jeweils Träger einer bestrombaren Spule sind, wobei die Trägerzähne mit der Statorlängsachse einen Winkel einschließen, um die gewünschte Vergleichmäßigung des Drehmomentverlaufes zu erzielen.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen konstruktiven Maßnahmen in elektrischen Maschinen einen geglätteten Drehmomentverlauf einzustellen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst, die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
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Der ringförmige Permanentmagnet kann in permanenterregten Gleichstrommaschinen, insbesondere Elektromotoren, zur Erzeugung eines Erregerfelds eingesetzt werden, wobei das Magnetfeld des Permanentmagneten mit einem Wechselfeld interagiert, das durch Bestromung von Ankerspulen erzeugt wird. Der ringförmige Permanentmagnet ist entweder Bestandteil des Stators oder des Rotors. In Betracht kommen beispielsweise Innenläufermotoren, wobei gegebenenfalls auch eine Anwendung bei Außenläufermotoren möglich ist. Derartige Elektromotoren werden beispielsweise als Stellmotoren in Kraftfahrzeugen eingesetzt, beispielsweise als Fensterhebermotoren oder Scheibenwischermotoren.
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Der ringförmige Permanentmagnet weist in Umfangsrichtung eine wechselnde Polarität auf, so dass sich in Umfangsrichtung Nord- und Südpol bzw. -pole abwechseln. Zwischen den Polen besteht als neutrale Zone ein Polübergangsbereich in Form eines Streifens, der sich im Wesentlichen in Achsrichtung erstreckt, jedoch gegenüber der Achse unter einem Winkel schräg verlaufen kann. Die winklige Ausrichtung des Polübergangsbereichs bzw. die damit einhergehende schräge Ausrichtung der Polbereiche bewirkt eine Reduzierung der Rastmomente im Betrieb der elektrischen Maschine und damit eine Glättung des Verlaufs des abgegebenen Drehmoments.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der ringförmige Permanentmagnet aus mindestens zwei Ringelementen zusammengesetzt ist, die jeweils die gleiche Polarität besitzen und stirnseitig aneinander grenzen. Jedes Ringelement weist in Umfangsrichtung eine wechselnde Polarität auf. Des Weiteren ist vorgesehen, dass jedes Ringelement einen zwischen zwei Polen verlaufenden und sich in Achsrichtung erstreckenden Polübergangsbereich aufweist, welcher aus einer magnetischen Vororientierung resultiert, sowie darüber hinaus einen weiteren Polübergangsbereich, der schräg verläuft und aus der endgültigen Magnetisierung herrührt. Der sich axial erstreckende Polübergangsbereich der magnetischen Vororientierung und der schräg verlaufende Polübergangsbereich der Magnetisierung schneiden sich. Jeder Übergangsbereich weist die Form eines Streifens auf, wobei die Breite der Streifen zumindest annähernd gleich sein kann.
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Die Ringelemente sind in der Weise winkelversetzt zusammengesetzt, dass die schräg verlaufenden Polübergangsbereiche aus der Magnetisierung ohne Versatz ineinander übergehen.
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In dieser Ausführung ist wie bei einem einteiligen ringförmigen Permanentmagneten ein sich zwischen den gegenüberliegenden Stirnseiten durchgehend erstreckender Polübergangsbereich aus der Magnetisierung in Form eines schräg verlaufenden Streifens gegeben. Allerdings besteht im Unterschied zu einteiligen Ausführungen ein höherer Überdeckungsgrad zwischen dem schräg verlaufenden Übergang der Magnetisierung und dem geraden, sich in Achsrichtung erstreckenden Polübergangsbereich aus der magnetischen Vororientierung. Der Grund hierfür liegt in der geringeren axialen Erstreckung der einzelnen Ringelemente im Vergleich zur gesamten axialen Länge des aus den Ringelementen zusammengesetzten Permanentmagneten. Daraus resultiert bei gleichem Winkel und gleicher Breite der Polübergangsbereiche pro Ringelement der höhere Überdeckungsgrad zwischen geradem und schräg verlaufendem Polübergangsbereich, wobei der höhere Überdeckungsgrad auch für den gesamten Permanentmagneten gilt. Ein hoher Überdeckungsgrad ist Voraussetzung dafür, dass eine Verringerung der Rastmomentreduzierung als Folge eines nicht-idealen Polübergangs möglichst klein ausfällt, also die Rastmomentreduzierung in bestmöglicher Weise durchgeführt werden kann, so dass auch eine gute Glättung des abgegebenen Drehmoments erreicht wird. Durch die winkelversetzte Anordnung der Ringelemente zueinander ist der schräg verlaufende Polübergangsbereich aus der Magnetisierung im Wesentlichen identisch mit dem Verlauf eines entsprechenden Polübergangsbereiches eines einteilig ausgebildeten Permanentmagneten.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführung beträgt der Winkel, unter dem die aus der Magnetisierung stammenden Polübergangsbereiche gegenüber der Längsachse des Permanentmagneten schräg verlaufen, kleiner als 30°. In Betracht kommt beispielsweise ein Winkel von 5°, 10° oder 15° bzw. auch alle anderen Winkel im angegebenen Winkelbereich. Ein Winkel von beispielsweise 15° lässt sich produktionstechnisch gut herstellen, zugleich ist eine ausreichende Reduzierung des Rastmoments gegeben.
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Gemäß eines weiteren Aspektes der Erfindung sind die einzelnen Ringelemente so weit zueinander winkelversetzt angeordnet, dass die axialen Polübergangsbereiche, die aus der magnetischen Vororientierung stammen, sich im Bereich der aneinander grenzenden Stirnseiten nicht überdecken. Dies wird durch eine entsprechend gewählte Breite der Übergangsbereiche in Verbindung mit einem entsprechend gewählten Winkel des schräg verlaufenden Polübergangsbereichs aus der Magnetisierung erreicht.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung ist vorgesehen, dass innerhalb eines Ringelements die Polübergangsbereiche aus der magnetischen Vororientierung sowie aus der Magnetisierung sich über die gesamte axiale Länge dieses Ringelementes teilweise überdecken. Auch in diesem Fall ist die Breite der beiden Übergangsbereiche sowie der Winkel des schräg verlaufenden Übergangsbereichs so aufeinander abgestimmt, dass die teilweise Überdeckung über die axiale Länge des Ringelements gegeben ist.
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Die Breite – in Umfangsrichtung gesehen – der beiden Übergangsbereiche ist zweckmäßigerweise gleich groß. Gleichwohl können auch Ausführungen mit unterschiedlichen Breiten der beiden Polübergangsbereiche vorteilhaft sein.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausführung sind die Ringelemente untereinander identisch aufgebaut. Dies hat sowohl Vorteile bei der Herstellung, da die Ringelemente in gleicher Weise produziert werden können, als auch beim Zusammensetzen zu dem ringförmigen Permanentmagneten, da die Ringelemente den gleichen Innen- und Außendurchmesser sowie die gleiche axiale Höhe besitzen und auch gleiche geradlinige, sich in Achsrichtung erstreckende sowie schräg verlaufende Polübergangsbereiche.
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Bei einem Verfahren zur Herstellung eines ringförmigen Permanentmagneten werden zunächst in einem ersten Schritt die einzelnen Ringelemente durch einen Sinter- oder einen Spritzprozess erzeugt, außerdem wird durch Aufbringen eines Magnetfelds die Vororientierung der im Material enthaltenen Elementarmagnete durchgeführt, ohne jedoch den Elementarmagneten eine Polarität aufzuprägen. Die Vororientierung durch Anlegen eines geeigneten Magnetfelds kann während der Formgebung durchgeführt werden.
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Anschließend werden in einem zweiten Schritt die Ringelemente stirnseitig zu dem gewünschten Permanentmagneten zusammengesetzt und durch erneutes Aufbringen eines Magnetfelds magnetisiert. Dieser zweite Schritt kann entweder nach der Montage der Ringmagnete zu dem ringförmigen Permanentmagneten erfolgen, was den Vorteil hat, dass die Ringelemente bis zu dem Zusammensetzen zum Permanentmagneten nach außen unmagnetisch sind. Gegebenenfalls erfolgt die Magnetisierung auch erst nach dem Einbau in die elektrische Maschine. Möglich ist es darüber hinaus aber auch, die einzelnen Ringelemente zu magnetisieren und anschließend zu dem ringförmigen Permanentmagneten zusammenzusetzen.
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Die Verbindung der Ringelemente zum Permanentmagneten erfolgt beispielsweise mittels Verkleben. Darüber hinaus kommen aber weitere Verbindungstechniken in Betracht, beispielsweise mithilfe von Verbindungselementen.
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Der fertig zusammengesetzte Permanentmagnet besteht aus mindestens zwei einzelnen Ringelementen. In Betracht kommen auch drei, vier oder fünf bzw. noch mehr Ringelemente, die zweckmäßigerweise untereinander identisch aufgebaut sind und jeweils stirnseitig aufeinander gesetzt werden.
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Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht eines aus zwei einzelnen Ringelementen zusammengesetzten Permanentmagneten, der eine in Umfangsrichtung wechselnde Polarität besitzt,
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2 die Mantelfläche des aus den beiden Ringelementen zusammengesetzten Permanentmagneten in Projektion in eine Ebene.
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In den Figuren ist ein ringförmiger Permanentmagnet 1 dargestellt, der zur Erzeugung eines Erregerfelds in einer elektrischen Maschine, beispielsweise einem permanenterregten Gleichstrom-Elektromotor, eingesetzt wird. Der Permanentmagnet 1 kann sowohl Bestandteil des Stators als auch des Rotors sein.
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Der Permanentmagnet 1 ist hohlzylindrisch ausgebildet und besteht aus zwei einzelnen Ringelementen 2, die zueinander identisch aufgebaut sind und stirnseitig aneinander grenzen. Die Ringelemente 2 sind im Bereich der aneinander grenzenden Stirnseiten fest miteinander verbunden, beispielsweise verklebt. Die Ringelemente 2 bzw. der gesamte Permanentmagnet 1 weisen die Längsachse 3 auf.
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Wie 2 zu entnehmen, ist jedes Ringelement 2 in Umfangsrichtung polarisiert, so dass in Umfangsrichtung abwechselnd ein Nordpol N und ein Südpol S gegeben ist, wobei zwischen den Polen N, S jeweils ein Übergangsbereich angeordnet ist. Je nach Polarität können in Umfangsrichtung mehrere Nordpole N und Südpole S vorhanden sein. Der Übergangsbereich zwischen jeweils einem Nordpol N und einem Südpol S besteht jeweils aus einem streifenförmigen Polübergangsbereich 4, der sich in Richtung der Längsachse 3 erstreckt, sowie einem weiteren Polübergangsbereich 5, der gegenüber der Längsachse 3 unter einem Winkel α geneigt ist, welcher sich in einem Winkelbereich bis 30° bewegt, beispielsweise 15°. Der erste Polübergangsbereich 4, der sich in Achsrichtung erstreckt, stammt aus einer magnetischen Vororientierung und wird in einem ersten Herstellungsschritt der Ringelemente während des Sinter- oder Spritzprozesses durch Aufbringen eines Magnetfeldes erzeugt. Der zweite, schräg verlaufende Polübergangsbereich 5 stammt aus einem Magnetisierungsschritt, der sich an die magnetische Vororientierung anschließt. Hierbei wird insbesondere nach dem Zusammensetzen der beiden Ringelemente 2 zum Permanentmagneten 1 erneut ein Magnetfeld aufgebracht, der die Pole der Ringelemente remanent ausbildet.
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Der axial verlaufende Polübergangsbereich 4 aus der magnetischen Vororientierung und der schräg verlaufende Polübergangsbereich 5 aus der Magnetisierung überdecken sich teilweise. Jeder streifenförmige Polübergangsbereich 4, 5 weist die gleiche Breite auf, es ist insbesondere über die axiale Länge jedes Ringelementes 2 eine teilweise Überdeckung zwischen den beiden Polübergangsbereichen 4 und 5 gegeben.
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Wie 2 weiter zu entnehmen, sind die beiden Ringelemente 2 zueinander winkelversetzt positioniert und in Umfangsrichtung um den Betrag a zueinander verschoben. Der Betrag a bzw. der Winkelversatz der Ringelemente 2 ist so gewählt, dass die schräg verlaufenden Polübergangsbereiche 5 aus der Magnetisierung unmittelbar ineinander übergehen. Die Verschiebung a in Umfangsrichtung ist hierbei größer als die Breite der axial verlaufenden Polübergangsbereiche 4 aus der magnetischen Vororientierung, so dass sich die Polübergangsbereiche 4 von einem Ringelement 2 zum nächsten Ringelement nicht unmittelbar aneinander anschließen.
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Aufgrund der schrägen Ausrichtung des Polübergangsbereiches 5 aus der Magnetisierung ist eine deutliche Reduzierung der Rastmomente gegeben. Der hohe Überdeckungsgrad zwischen dem axial verlaufenden Polübergangsbereich 4 aus der magnetischen Vororientierung und dem schräg verlaufenden Polübergangsbereich 5 aus der Magnetisierung gewährleistet, dass Flächen mit nicht-idealer Magnetisierung reduziert sind, so dass die Rastmomentreduzierung in bestmöglicher Weise erfolgt. Der axiale Verlauf des Polübergangsbereichs aus der Vororientierung, der sich fertigungstechnisch in günstiger Weise herstellen lässt, kann somit beibehalten werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008054529 A1 [0003]
