DE102013018277A1

DE102013018277A1 - Elektrische Maschine

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Publication number: DE102013018277A1
Application number: DE201310018277
Authority: DE
Inventors: Sunny Zhang; Elmar Hoppach
Original assignee: Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Current assignee: Brose Fahrzeugteile SE and Co KG
Priority date: 2013-10-31
Filing date: 2013-10-31
Publication date: 2015-04-30

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine (1, 31), insbesondere Elektromotor eines Kraftfahrzeugs, umfassend einen in einem Gehäuse (7, 37) angeordneten Stator (3, 33), einen koaxial zum Stator (3, 33) angeordneten Rotor (5, 35), sowie einen an dem Rotor (5, 35) angeordneten Magnetkörper (11, 41) mit einer einheitlichen Materialzusammensetzung, wobei der Magnetkörper (11, 41) wenigstens zwei Teilbereiche (13, 15, 47, 49, 55) umfasst, die sich in ihrem Grad an magnetischer Anisotropie unter-scheiden, wobei der Grad an Anisotropie im zweiten Teilbereich (13, 15, 47, 49, 55) gegenüber dem ersten Teilbereich (13, 15, 47, 49, 55) geringer ist. Weiterhin betrifft die Erfindung einen Magnetkörper (11, 41), der in einer elektrische Maschine (1, 31) einsetzbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere einen Elektromotor eines Kraftfahrzeugs, sowie einen Magnetkörper für eine elektrische Maschine.
In einem modernen Kraftfahrzeug werden Elektromotoren in vielfältiger Weise als Antriebe für unterschiedliche Stellelemente eingesetzt. Elektromotoren sind beispielsweise als Fensterheber-, Schiebedach- oder Sitzverstellantrieb, als Lenkungsantrieb (EPS, Electrical Power Steering), als Kühlerlüfterantrieb oder als Getriebeaktuator eingesetzt. Derartige Elektromotoren müssen eine relativ hohe Drehmoment- oder Leistungsdichte aufweisen und auch bei hohen Temperaturen betriebssicher sein.
Ein Elektromotor weist üblicherweise einen mit einer Feldwicklung versehenen Stator auf, der koaxial zu einem Rotor mit einem oder mehreren Permanentmagneten angeordnet ist. Sowohl der Rotor als auch der Stator sind gängigerweise als Blechpakete aufgebaut, wobei Statorzähne in dazwischenliegenden Statornuten die Spulen der Feldwicklung tragen. Diese werden von einer (elektronischen) Schaltung angesteuert, um ein Drehfeld zu erzeugen, welches ein Drehmoment am permanent erregten Rotor verursacht.
Sowohl hohe Betriebstemperaturen als auch äußere magnetische Felder, die beispielsweise durch in der statorseitige Feldwicklung induzierte Stromspitzen verursacht werden, können zu einer unerwünschten Entmagnetisierung der rotorseitigen Permanentmagneten führen. Aus diesem Grund werden üblicherweise Magnetmaterialien mit einer möglichst hohen Koerzitivfeldstärke eingesetzt. Hierzu eigenen sich insbesondere Legierungen mit Bestandteilen oder Anteilen von Elementen der Seltenen Erden (Seltenerdelemente). Seltenerdelemente bzw. die kristallinen Strukturen von Magneten mit solchen Elementen weisen eine hohe Remaneszenzflussdichte und eine hohe magnetische Koerzitivfeldstärke auf, zeigen also eine sehr hohe magnetische Energiedichte. Zudem weisen ihre kristallinen Strukturen eine magnetische Anisotropie auf. Sie können demnach in einer Richtung leichter als in einer anderen Richtung magnetisiert werden. Durch eine makroskopische Ausrichtung der Kristalle kann demnach in einer Vorzugsrichtung eine sehr große Koerzitivfeldstärke erreicht werden.
Bei Seltenen Erden unterscheidet man schwere Seltenerdelemente (Heavy Rare Earth Elements, HREE) und leichte Seltenerdelemente (Light Rare Earth Elements, LREE). Während schwere Seltenerdelemente, wie beispielsweise Terbium oder Dysprosium, teuer sind und sich aufgrund dessen nur begrenzt zur Verwendung als Magnetmaterialien eignen, sind die leichten Seltenerdelemente wie Samarium oder Neodym und damit die hieraus hergestellten Magnetlegierungen wie Samarium-Cobalt oder Neodym-Eisen-Bor deutlich günstiger und eignen sich gleichermaßen dazu, aufgrund der hohen magnetischen Anisotropie der kristallinen Struktur die Koerzitivfeldstärke eines Magneten zu erhöhen und den nutzbaren Temperaturbereich zu erweitern.
Allerdings ist die Fertigung von Magnetkörpern mit Seltenerdelementen vergleichsweise aufwändig, da aufgrund des Herstellungsverfahrens nicht sichergestellt werden kann, dass der Magnetkörper an jeder Stelle die gewünschten anisotropen magnetischen Eigenschaften aufweist. Insbesondere in den Randbereichen eines Magnetkörpers kann bei den gängigen Herstellverfahren die Anisotropie nicht ausreichend sichergestellt werden. Die Randbereiche, also beispielsweise der Boden eines topfförmig gefertigten Magnetkörpers, wie er aus der EP 1 180 772 B1 bekannt ist, müssen dementsprechend entfernt werden, um eine insbesondere für Elektromotoren genügend hohe Qualität zu erzielen. Dies verteuert durch die Notwendigkeit zusätzlicher Fertigungsschritte zum Ablängen die Herstellkosten. Zudem fällt teures Rohmaterial als Abfall an.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine mit einem Magnetkörper anzugeben, der bei gleicher magnetischer Güte kostengünstig herzustellen ist. Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt darin, einen für eine elektrische Maschine geeigneten Magnetkörper anzugeben, der kostengünstig herzustellen ist.
Die erste Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß gelöst durch eine elektrische Maschine, insbesondere ein Elektromotor eines Kraftfahrzeugs, umfassend einen Stator, einen koaxial zum Stator angeordneten Rotor, sowie einen an dem Rotor angeordneten Magnetkörper mit einer einheitlichen Materialzusammensetzung. Der Magnetkörper umfasst wenigstens zwei Teilbereiche, die sich in ihrem Grad an magnetischer Anisotropie unterscheiden, wobei der Grad an magnetischer Anisotropie im zweiten Teilbereich gegenüber dem ersten Teilbereich geringer ist.
Ausgangspunkt bei der Lösungsfindung ist die Überlegung, dass beim Einsatz von Seltenen Erden zur Herstellung von Permanentmagneten herstellungsbedingt Teilbereiche der resultierenden Magnetkörper, insbesondere aufgrund eines nur gering erzielten Anisotropiegrades, unzureichende magnetische Eigenschaften aufweisen. Diese Teilbereiche werden bislang kostenaufwändig entfernt, obwohl kostbare Rohstoffe enthalten sind.
Die Erfindung erkennt nun, dass es möglich ist, einen mittels gängiger Verfahren hergestellten Magnetkörper kostensparend und ressourcenschonend in einer elektrischen Maschine einzusetzen, ohne dass die Teilbereiche entfernt werden müssen. Zwar zeigen die bislang entfernten Teilbereiche des Magnetkörpers (im folgenden „zweite Teilbereiche” genannt) für die elektrische Maschine an sich ungenügende magnetische Eigenschaften. Die Koerzitivfeldstärke ist im zweiten Teilbereich geringer. Entlang einer für die Magnetisierung in der elektrischen Maschine gewünschten Vorzugsrichtung, auf die herstellungsbedingt die magnetische Anisotropie „ausgerichtet” ist, lässt sich der zweite Teilbereich nur schwerer magnetisieren. Die erreichbare Sättigungsmagnetisierung ist im zweiten Teilbereich gegenüber dem übrigen Bereich (im folgenden „erster Teilbereich” genannt) ebenfalls niedriger. Trotzdem sind die magnetischen Eigenschaften des zweiten Teilbereichs noch sinnhaft für die elektrische Maschine einsetzbar, indem diese beispielsweise mittels eines Hallsensors zur Erkennung der Drehzahl der Maschine eingesetzt werden. Oder aber es wird die Formgebung der zweiten Teilbereiche sinnvoll zur Befestigung des Magnetkörpers in der elektrischen Maschine, insbesondere am Rotor ausgenutzt.
Mit anderen Worten erkennt die Erfindung, dass die bisher abgetrennten zweiten Teilbereiche eines Permantmagneten kostensparend und resourcenschonend funktional in eine elektrische Maschine integriert werden können. Für einen Hallsensor entfällt hierdurch beispielsweise die Notwendigkeit für einen zusätzlichen magnetischen Signalgeber.
Unter einheitlicher Materialzusammensetzung wird vorliegend verstanden, dass der Magnetkörper aus einem Material gefertigt ist, das an jeder Stelle zumindest makroskopisch die gleiche chemische Zusammensetzung aufweist. Eine veränderliche Dichte bei gleicher Zusammensetzung soll hierdurch eingeschlossen sein.
Unter der vorgenannten Vorzugsrichtung wird die Ausrichtung der magnetischen Kristalle eines Seltenerdmagneten in einer bestimmten Richtung verstanden, die während des Herstellungsprozesses in einer Fließphase beispielsweise durch ein starkes äußeres Magnetfeld erreicht wird. Seltenerdmagnete, die derart hergestellt sind, erhalten entlang der Vorzugsrichtung die gewünschten exzellenten magnetischen Eigenschaften und können insbesondere nur sehr schwer in eine andere Richtung ummagnetisiert werden (magnetische Anisotropie). Wird der Grad an erreichter Anisotropie verringert, verschlechtern sich auch die magnetischen Eigenschaften in der Vorzugsrichtung. Die magnetischen Eigenschaften insgesamt werden „isotroper”.
Die elektrische Maschine ist insbesondere ein Elektromotor, wie beispielsweise ein bürstenbehafteter Gleichstrommotor, und umfasst einen Stator und einen Rotor. Der Stator und der Rotor sind koaxial zueinander angeordnet, wobei der Rotor um eine Rotationsachse bezüglich des Stators drehbar gelagert ist. Der Rotor kann den Stator beispielsweise nach Art eines Außenläufers umgeben oder in Form eines Innenläufers innerhalb des Stators angeordnet sein. Der Stator und der Rotor sind geeigneterweise innerhalb eines Gehäuses angeordnet, das die beiden vor etwaigen Beschädigungen und/oder Umwelteinflüssen schützt.
Bei einer Innenläuferkonfiguration, die im Folgenden näher betrachtet wird, ist am Stator vorzugsweise ein Elektromagnet mit zumindest einem Spulenkörper angeordnet, der in einer vorgegebenen Position zu dem Rotor montiert ist. Der Spulenkörper wird zeitlich versetzt angesteuert und erzeugt im Falle eines Elektromotors ein zeitlich veränderliches Magnetfeld, insbesondere ein magnetisches Drehfeld, welches ein Drehmoment am permanent erregten Rotor verursacht.
Der Magnetkörper ist am innerhalb des Stators angeordneten Rotor angeordnet und ist hinsichtlich seiner Form zweckmäßigerweise auf die Geometrie und die Abmessungen des Rotors abgestimmt. Der erste Teilbereich des Magnetkörpers weist unabhängig von seiner Geometrie in einer gewünschten Vorzugsrichtung herstellungsbedingt bei großer Koerzitivfeldstärke eine hohe Magnetisierung auf. Mit anderen Worten ist das Material des Magnetkörpers im ersten Teilbereich mit einer hohen magnetischen Anisotropie hergestellt. Durch die hohe Magnetisierung wird das magnetische Drehfeld in ein hohes Drehmoment am Rotor umgesetzt. Der erste Teilbereich lässt sich insbesondere nur schwer ummagnetisieren. Der zweite Teilbereich weist herstellungsbedingt gegenüber dem ersten Teilbereich einen verringerten Grad an magnetischer Anisotropie auf. Entsprechend sind die magnetischen Eigenschaften insgesamt verschlechtert. Der zweite Teilbereich lässt sich insbesondere entlang der Vorzugsrichtung leichter ummagnetisieren. Die Magnetisierung ist geringer. Die Koerzitivfeldstärke ist niedriger. Auch der zweite Teilbereich verbleibt am Magnetkörper und wird funktional eingesetzt. Beispielsweise ist der zweite Teilbereich außerhalb des Luftspalts zwischen Rotor und Stator angeordnet.
Um einen magnetisch anisotropen Permanentmagneten herzustellen, wird auf kleinste Korngrößen gemahlenes magnetisch isotropes Pulver (beispielsweise NdFeB-Pulver) in einem geeigneten Presswerkzeug unter hohem Druck und hohen Temperaturen, vorzugsweise in einem Temperaturbereich zwischen 850°C und 950°C, verflüssigt und in Form gepresst. Hierzu werden entsprechende Formen und Stempel eingesetzt, die die Fertigung eines Magnetkörpers mit der gewünschten Geometrie ermöglichen.
Die anisotropen magnetischen Eigenschaften des zum Betrieb einer elektrischen Maschine notwendigen Magnetkörpers werden durch das Anlegen eines äußeren Magnetfelds, entweder in Pressrichtung oder senkrecht dazu, während des Verdichtungsvorgangs voreingestellt. Der resultierende Magnetkörper weist dann in zumindest einem Teilbereich magnetisch anisotrope Eigenschaften auf und lässt sich in der eingeprägten Vorzugsrichtung wie erwähnt stark magnetisieren.
Herstellungsbedingt weist der Randbereich des hergestellten Magnetkörpers, also der zweite Teilbereich einen verringerten Grad an magnetischer Anisotropie und somit gegenüber dem gewünschten Zustand verschlechterte magnetische Eigenschaften auf. Von einem verringerten Grad an magnetischer Anisotropie ist insbesondere auch eine magnetische Isotropie umfasst.
Die vorbeschriebenen Effekte sind selbstverständlich unabhängig von der Konfiguration der elektrischen Maschine und sowohl für eine Innenläuferkonfiguration als auch für eine Außenläuferkonfiguration gültig. Entsprechendes gilt auch für die folgende Beschreibung. Alle vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung sind sinngemäß auf beide möglichen Konfigurationen anwendbar.
Der Magnetkörper kann auch mehr als zwei Teilbereiche unterschiedlichen Grades an magnetischer Anisotropie aufweisen. So kann beispielsweise im Falle eines zylindrischen Magnetkörpers an beiden axialen Enden jeweils ein Teilbereich ausgebildet sein, der gegenüber dem ersten Teilbereich einen verringerten Grad an magnetischer Anisotropie aufweist.
Bevorzugt ist der Magnetkörper aus einer Seltenerd-Legierung, beispielsweise aus einer Neodym-Eisen-Bor-Legierung oder aus einer Samarium-Kobalt-Legierung, gefertigt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung erstreckt sich der zweite Teilbereich des Magnetkörpers in zumindest einer axialen Richtung über den Stator hinaus, so dass der zweite Teilbereich beispielsweise zur Erfassung der Drehlage des Rotors, der Drehgeschwindigkeit und/oder der Drehrichtung genutzt werden kann. Die schlechteren magnetischen Eigenschaften des zweiten Teilbereichs verändern das Leistungsvermögen der elektrischen Maschine nicht oder nur unwesentlich, da im Luftspalt zwischen Rotor und Stator im Wesentlichen der erste Teilbereich angeordnet ist. Auf diese Weise wird so der Einsatz eines nach gängigen Herstellungsverfahren hergestellten Magnetkörpers ermöglicht. Eine Entfernung des isotropen zweiten Teilbereiches ist nicht notwendig.
Vorzugsweise ist der Magnetkörper als ein Hohlzylinder ausgebildet, der mit dem ersten Teilbereich im Zwischenraum zwischen dem Stator und dem Rotor angeordnet ist. Der Hohlzylinder wird beim Zusammenbau der elektrischen Maschine über den Rotor geschoben und an dessen Außenumfang befestigt. Der zweite Teilbereich ist im Randbereich des Hohlzylinders ausgebildet und erstreckt sich zweckmäßigerweise in zumindest einer axialen Richtung über den Stator hinaus. Selbstverständlich kann der Hohlzylinder auch zwei zweite Teilbereiche aufweisen, die sich jeweils in axialer Richtung an beiden Stirnseiten über den Stator hinaus erstrecken.
In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung ist der Magnetkörper in Form eines Topfes mit einem Boden und einer Wandung ausgebildet. Eine solche Ausgestaltung ist fertigungstechnisch leicht umsetzbar. Um eine Welle durch den Rotor und den Magnetkörper führen zu können, ist der Boden des Topfes vorteilhaft mit einer bodenseitigen Öffnung ausgebildet. Eine solche Öffnung oder Durchführung wird zweckmäßigerweise bereits bei der Fertigung des Magnetkörpers durch die Wahl der entsprechenden Gegenform bzw. durch die Wahl der eingesetzten Stempel eingebracht. Alternativ ist grundsätzlich auch ein nachträgliches Einbringen der bodenseitigen Öffnung möglich.
Die Wandung des Topfes bildet zweckmäßigerweise den ersten Teilbereich und der Boden des Topfes den zweiten Teilbereich des Magnetkörpers. Die Wandung des Topfes, die in Vorzugsrichtung eine hohe Magnetisierung aufweist, ist im Zwischenraum zwischen dem Stator und dem Rotor angeordnet. Der Boden des Topfes erstreckt sich vorzugsweise in zumindest einer axialen Richtung über den Stator hinaus. Der Boden des Topfes kann so zur Erfassung der Drehlage des Rotors, die Drehgeschwindigkeit und/oder die Drehrichtung genutzt werden. Der Boden des Topfes ist insbesondere zum Befestigen der Welle eingesetzt.
Selbstverständlich sind auch andere Ausgestaltungen des Magnetkörpers für den Einsatz in einer elektrischen Maschine möglich, und nicht auf die hier beschriebenen Geometrien beschränkt.
Zweckmäßigerweise weisen der erste und/oder der zweite Teilbereich des Magnetkörpers in Umfangsrichtung einander benachbarte Segmente unterschiedlicher Polarisierung auf. Eine solche Polarisierung kann durch das Magnetisieren des Magnetkörpers in einer entsprechenden Magnetisiereinrichtung erreicht werden. Durch die benachbarten Segmente unterschiedlicher Polarisierung wird eine Drehung des Rotors und damit die Funktion des Elektromotors (bzw. allgemein einer elektrischen Maschine) sichergestellt. Die Anzahl der benachbarten Segmente kann hierbei je nach Maschine und nach Größe des Rotors variieren.
Weiter von Vorteil ist es, wenn am Stator oder an einem Gehäuse des Stators ein Magnetsensor angeordnet ist, der zu einer berührungslosen Erfassung der Drehrichtung und/oder der Drehzahl und/oder der Drehgeschwindigkeit des Rotors ausgebildet ist. Als Magnetsensor eignet sich beispielsweise ein Hall-Sensor, der die Änderungen eines Magnetfeldes erfassen kann. Wird ein Hall-Sensor von einem Strom durchflossen und in ein senkrecht dazu verlaufendes Magnetfeld gebracht, liefert er eine Ausgangsspannung, die proportional zum Produkt aus magnetischer Feldstärke und Strom ist. Alternativ sind beispielsweise auch magnetoresistive Sensoren möglich.
Der Magnetsensor ist zweckmäßigerweise derart ortsfest zum Stator angeordnet, dass er die magnetischen Fluktuationen des zweiten Teilbereichs des Magnetkörpers erfasst. So kann über die magnetischen Fluktuationen des zweiten Teilbereichs die Drehrichtung und/oder der Drehzahl und/oder der Drehgeschwindigkeit des Rotors bestimmt werden.
Die zweite Aufgabe der Erfindung wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Magnetkörper für eine elektrische Maschine, insbesondere für einen Elektromotor eines Kraftfahrzeugs, mit einer einheitlichen Materialzusammensetzung, der wenigstens zwei Teilbereiche umfasst, wobei der Magnetkörper wenigstens zwei Teilbereiche umfasst, die sich in ihrem Grad an magnetischer Anisotropie unterscheiden, wobei der Grad an Anisotropie im zweiten Teilbereich gegenüber dem ersten Teilbereich geringer ist Bevorzugte Ausgestaltungen finden sich in den auf den Magnetkörper gerichteten Unteransprüchen. Die für die elektrische Maschine genannten Vorteile können hierbei sinngemäß auf den Magnetkörper übertragen werden.
Bevorzugt ist der Magnetkörper aus einer Seltenerd-Legierung gefertigt.
Zweckmäßigerweise ist der Magnetkörper als ein Hohlzylinder ausgebildet ist, wobei der zweite Teilbereich ein- oder beidendseitig des ersten Teilbereichs angeordnet ist. In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung ist der Magnetkörper in Form eines Topfes mit einem Boden und einer Wandung ausgebildet, wobei die Wandung des Topfes den ersten Teilbereich und der Boden des Topfes den zweiten Teilbereich bildet.
Vorteilhafterweise weisen der erste Teilbereich und/oder der zweite Teilbereich des Magnetkörpers in Umfangsrichtung einander benachbarte Segmente unterschiedlicher Polarisierung auf.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
1 einen Elektromotor mit einem als Hohlzylinder ausgebildeten Magnetkörper in einer schematischen Darstellung,
2 den als Hohlzylinder ausgebildeten Magnetkörper gemäß 1,
3 einen weiteren Elektromotor mit einem als Topf ausgebildeten Magnetkörper in einer schematischen Darstellung, sowie
4 den als Topf ausgebildeten Magnetkörper gemäß 3.
In 1 ist eine als Elektromotor ausgebildete elektrische Maschine 1 für ein Kraftfahrzeug gezeigt. Der Elektromotor 1 ist in Form eines sogenannten Innenläufers ausgebildet und umfasst einen Stator 3 mit einem als Spule ausgebildeten Elektromagneten 4, sowie einen koaxial zu dem Stator 3 angeordneten Rotor 5, die beide innerhalb eines Gehäuses 7 angeordnet sind. Am Außenumfang 9 des Rotors 5 ist ein hohlzylindrischer Magnetkörper 11 mit einer einheitlichen Materialzusammensetzung angeordnet.
Der Magnetkörper 11 besteht aus zwei Teilbereichen 13, 15. Der erste Teilbereich 13 weist anisotrope magnetische Eigenschaften, also in einer Vorzugsrichtung eine hohe Magnetisierung bei hoher Koerzitivfeldstärke auf, und ist im Zwischenraum 17 zwischen dem Stator 3 und dem Rotor 5 angeordnet. Der zweite Teilbereich 15 des Magnetkörpers 11 weist stattdessen annähernd isotrope magnetische Eigenschaften bzw. einen geringeren Grad an magnetischer Anisotropie, also gegenüber dem ersten Teilbereich 13 schlechtere magnetische Eigensachten auf. Der zweite Teilbereich 15 des Magnetkörpers 11 erstreckt sich in axialer Richtung 18 über den Stator 3 hinaus.
Um eine Drehung des Rotors 3 und damit die Funktion des Elektromotors 1 zu ermöglichen, weisen sowohl der erste Teilbereich 13 als auch der zweite Teilbereich 15 des Magnetkörpers 11 in Umfangsrichtung einander benachbarte Segmente 19, 21 unterschiedlicher Polarisierung auf. Diese Segmente 19, 21 sind der separaten Darstellung des Magnetkörpers 11 in 2 zu entnehmen.
Zusätzlich ist am Gehäuse 7 und somit ortsfest zum Stator 3 ein als Hall-Sensor ausgebildeter Magnetsensor 23 angeordnet, der die vorhandenen magnetischen Fluktuationen des zweiten Teilbereichs 15 des Magnetkörpers 11 erfasst und so berührungslos die Drehrichtung, die Drehzahl und/oder die Drehgeschwindigkeit des Rotors 5 erfasst.
In 2 ist der Magnetkörper 11 gemäß 1 gezeigt. Der Magnetkörper 11 weist in seinen beiden Teilbereichen 13, 15 herstellungsbedingt unterschiedliche magnetische Eigenschaften auf. Die Vorzugsrichtung des ersten, magnetisch anisotropen Teilbereichs 13 ergibt sich durch die Formgebung, bei der eine Ausrichtung der einzelnen Kristalle des Magnetkörpers 11 in Vorzugsrichtung erfolgt. Die gewünschte Anisotropie wird bei einem Pressen und Verdichten von isotropen Pulver bei hohen Drücken und Temperaturen oberhalb von 850°C durch das Anlegen eines äußeren Magnetfelds voreingestellt und der resultierende Magnetkörper 11 schließlich in der eingeprägten Vorzugsrichtung durch ein starkes Magnetfeld magnetisiert.
Der zweite Teilbereich 15 weist stattdessen annähernd magnetisch isotrope Eigenschaften auf. Der zweite Teilbereich 15 kann jedoch zur Erfassung der Drehlage des Rotors, der Drehgeschwindigkeit und/oder der Drehrichtung genutzt werden.
Die Segmente 19, 21 des Magnetkörpers 11 weisen in Umfangsrichtung eine abwechselnde Polarisierung auf. Eine solche Polarisierung wird durch das Magnetisieren des Magnetkörpers 11 in einer entsprechenden Magnetisiereinrichtung erreicht. Hierdurch erhält auch der zweite Teilbereich 15 eine gewisse, in Umfangsrichtung wechselnde magnetische Polarisierung.
In 3 ist eine weitere als Elektromotor (Innenläufer) ausgebildete elektrische Maschine 31 für ein Kraftfahrzeug gezeigt. Der Elektromotor 31 umfasst ebenfalls einen Stator 33 mit einem als Spule ausgebildeten Elektromagneten 34, sowie einen koaxial zu dem Stator 33 angeordneten Rotor 35, die beide innerhalb eines Gehäuses 37 angeordnet sind. Ebenso ist am Außenumfang 39 des Rotors 35 ein Magnetkörper 41 mit einer einheitlichen Materialzusammensetzung angeordnet.
Im Unterschied zu den 1 und 2 ist der Magnetkörper 41 in Form eines Topfes mit einem Boden 43 und einer Wandung 45 ausgebildet. Die Wandung 45 des Topfes bildet hierbei den ersten Teilbereich 47 und der Boden 43 des Topfes den zweiten Teilbereich 49 des Magnetkörpers 41.
Die Wandung 45 des Topfes, die den anisotropen ersten Teilbereich 47 des Magnetkörpers 41 bildet, ist im Zwischenraum 51 zwischen Stator 33 und Rotor 35 angeordnet. Der Boden 43 des Topfes, der den annähernd isotropen zweiten Teilbereich 49 des Magnetkörpers 41 bildet, erstreckt sich in axialer Richtung 53 über den Stator 33 hinaus.
Zusätzlich ist der Magnetkörper 41 mit einem weiteren Teilbereich 55 ausgebildet, der sich auf der dem zweiten Teilbereich 49 gegenüberliegenden Seite in axialer Richtung 53 über den Stator 33 hinaus erstreckt. Dieser Teilbereich 55 hat wie der Teilbereich 49 annähernd isotrope magnetische Eigenschaften und dient der berührungslosen Erfassung der Drehrichtung, der Drehzahl und der Drehgeschwindigkeit des Rotors 55.
Entsprechend sind am Gehäuse 37 zwei als Hall-Sensoren ausgebildete Magnetsensoren 57, 59 angeordnet, die die magnetischen Fluktuationen der Teilbereiche 49, 55 des Magnetkörpers 41 erfassen. Wie auch in 1 und 2 weisen die Teilbereiche 47, 49, 55 einander benachbarte Segmente 61, 63 unterschiedlicher Polarisierung auf. Die Segmente 61, 63 sind der Darstellung des Magnetkörpers 41 aus 4 zu entnehmen.
In 4 ist der Magnetkörper 41 gemäß 1 separat gezeigt. Hierbei sind deutlich die drei Teilbereiche 47, 49, 55 zu erkennen. Der Teilbereich 49, also der Boden des Topfes, ist hierbei mit einer Durchführung 65 für eine Welle ausgebildet. Die Durchführung 65 kann beispielsweise bereits bei der Fertigung des Magnetkörpers durch die Wahl der entsprechenden Gegenform bzw. durch die Wahl der eingesetzten Stempel eingebracht werden.
Die gewünschte magnetische Anisotropie des ersten Teilbereichs 47 wird wie auch beim Magnetkörper 11 bei einem Pressen und Verdichten von isotropen Pulver bei hohen Drücken und Temperaturen oberhalb von 850°C durch das Anlegen eines äußeren Magnetfelds voreingestellt. Der zweite Teilbereich 49, also der Boden 43 des Topfes, ebenso wie der dritte Teilbereich 55 erhalten stattdessen herstellungsbedingt annähernd isotrope und somit verschlechterte magnetische Eigenschaften. Ihre magnetischen Eigenschaften dienen jedoch der Erfassung der Drehlage des Rotors, der Drehgeschwindigkeit und/oder der Drehrichtung oder zur Befestigung der Welle.
Die Segmente 61, 63 des Magnetkörpers 41 weisen in Umfangsrichtung eine unterschiedliche Polarisierung auf. Eine solche Polarisierung wird durch das Magnetisieren des Magnetkörpers 41 in einer entsprechenden Magnetisiereinrichtung erreicht.
Bezugszeichenliste

1: Elektrische Maschine
3: Stator
5: Rotor
7: Gehäuse
9: Außenumfang
11: Magnetkörper
13: erster Teilbereich
15: zweiter Teilbereich
17: Zwischenraum
18: axiale Richtung
19: Segment
21: Segment
23: Magnetsensor
31: Elektrische Maschine
33: Stator
35: Rotor
37: Gehäuse
39: Außenumfang
41: Magnetkörper
43: Boden
45: Wandung
47: erster Teilbereich
49: zweiter Teilbereich
51: Zwischenraum
53: axiale Richtung
55: dritter Teilbereich
57: Magnetsensor
59: Magnetsensor
61: Segment
63: Segment
65: Durchführung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1180772 B1 [0006]

Claims

Elektrische Maschine (1, 31), insbesondere Elektromotor eines Kraftfahrzeugs, umfassend einen Stator (3, 33), einen koaxial zum Stator (3, 33) angeordneten Rotor (5, 35), sowie einen an dem Rotor (5, 35) angeordneten Magnetkörper (11, 41) einheitlicher Materialzusammensetzung, wobei der Magnetkörper (11, 41) wenigstens zwei Teilbereiche (13, 15, 47, 49, 55) umfasst, die sich in ihrem Grad an magnetischer Anisotropie unterscheiden, wobei der Grad an Anisotropie im zweiten Teilbereich (13, 15, 47, 49, 55) gegenüber dem ersten Teilbereich (13, 15, 47, 49, 55) geringer ist.
Elektrische Maschine (1, 31) nach Anspruch 1, wobei der Magnetkörper (11, 41) aus einer Seltenerd-Legierung gefertigt ist.
Elektrische Maschine (1, 31) nach Anspruch 1 oder 2, wobei sich der zweite Teilbereich (13, 15, 47, 49, 55) des Magnetkörpers (11, 41) in zumindest einer axialen Richtung (18, 53) über den Stator (3, 33) hinaus erstreckt.
Elektrische Maschine (1, 31) nach Anspruch 3, wobei der Magnetkörper (11, 41) als ein Hohlzylinder ausgebildet ist, der mit dem ersten Teilbereich (13, 15, 47, 49, 55) im Zwischenraum (17, 51) zwischen dem Stator (3, 33) und dem Rotor (5, 35) angeordnet ist, und der sich mit dem zweiten Teilbereich (13, 15, 47, 49, 55) über den Stator (3, 33) hinaus erstreckt.
Elektrische Maschine (1, 31) nach Anspruch 3, wobei der Magnetkörper (11, 41) in Form eines Topfes mit einem Boden (43) und einer Wandung (45) ausgebildet ist, wobei die Wandung (45) des Topfes den ersten Teilbereich (13, 15, 47, 49, 55) und der Boden (43) des Topfes den zweiten Teilbereich (13, 15, 47, 49, 55) des Magnetkörpers (11, 41) bildet.
Elektrische Maschine (1, 31) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Teilbereich (13, 15, 47, 49, 55) und/oder der zweite Teilbereich (13, 15, 47, 49, 55) des Magnetkörpers (11, 41) in Umfangsrichtung einander benachbarte Segmente (19, 21, 61, 63) unterschiedlicher Polarisierung aufweisen.
Elektrische Maschine (1, 31) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei am Stator (3, 33) ein Magnetsensor (23, 57, 59) angeordnet ist, der zu einer berührungslosen Erfassung der Drehrichtung und/oder der Drehzahl und/oder der Drehgeschwindigkeit des Rotors (5, 35) ausgebildet ist.
Elektrische Maschine (1, 31) nach Anspruch 7, wobei der Magnetsensor (23, 57, 59) derart am Stator (3, 33) angeordnet ist, dass er im Betrieb die magnetischen Fluktuationen des zweiten Teilbereichs (13, 15, 47, 49, 55) des Magnetkörpers (11, 41) erfasst.
Magnetkörper (11, 41) für eine elektrische Maschine, insbesondere für einen Elektromotor eines Kraftfahrzeugs, mit einer einheitlichen Materialzusammensetzung, der wenigstens zwei Teilbereiche (13, 15, 47, 49, 55) umfasst, wobei der Magnetkörper (11, 41) wenigstens zwei Teilbereiche (13, 15, 47, 49, 55) umfasst, die sich in ihrem Grad an magnetischer Anisotropie unterscheiden, wobei der Grad an Anisotropie im zweiten Teilbereich (13, 15, 47, 49, 55) gegenüber dem ersten Teilbereich (13, 15, 47, 49, 55) geringer ist
Magnetkörper (11, 41) nach Anspruch 9, der aus einer Seltenerd-Legierung gefertigt ist.
Magnetkörper (11, 41) nach Anspruch 9 oder 10, der als ein Hohlzylinder ausgebildet ist, wobei der zweite Teilbereich (13, 15, 47, 49, 55) ein- oder beidendseitig des ersten Teilbereichs (13, 15, 47, 49, 55) ist.
Magnetkörper (11, 41) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, der in Form eines Topfes mit einem Boden (43) und einer Wandung (45) ausgebildet ist, wobei die Wandung (45) des Topfes den ersten Teilbereich (13, 15, 47, 49, 55) und der Boden (43) des Topfes den zweiten Teilbereich (13, 15, 47, 49, 55) bildet.
Magnetkörper (11, 41) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei der erste Teilbereich (13, 15, 47, 49, 55) und/oder der zweite Teilbereich (13, 15, 47, 49, 55) in Umfangsrichtung einander benachbarte Segmente (19, 21, 61, 63) unterschiedlicher Polarisierung aufweisen.