DE102013020461A1 - Rotor for electromechanical machine - Google Patents
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Abstract
Es wird ein Rotor (1) für eine elektromechanische Maschine (62) genannt, welcher zur Drehung um eine Achse (5) bezüglich eines Stators (60) ausgelegt ist, umfassend einen Rotorrahmen (2), und Permanentmagnete (4), wobei die Permanentmagnete (4) in Taschen, welche in azimutaler Richtung im Rotorrahmen (2) angeordnet sind, eingebracht sind, wobei die Permanentmagnete (4) in azimutaler Richtung magnetisiert sind, und wobei je zwei benachbarte Permanentmagnete (4) mit jeweils gleichem Pol einander zugewandt sind. Hierbei ist vorgesehen, dass die Permanentmagnete (4) in axialer Richtung über den Rotorrahmen überstehen (6) und/oder dass eine Anzahl von Permanentmagneten (4) jeweils einen zur Achse (5) orthogonalen Querschnitt aufweist, welcher abweichend von einer Rechteckform zumindest abschnittsweise trapezförmig ist. Weiter wird eine elektromechanische Maschine (62) angegeben, welche einen Stator (60) und einen derartigen Rotor (1) umfasst.A rotor (1) for an electromechanical machine (62) is named, which is designed to rotate about an axis (5) with respect to a stator (60), comprising a rotor frame (2), and permanent magnets (4), the permanent magnets (4) are placed in pockets, which are arranged in the azimuthal direction in the rotor frame (2), the permanent magnets (4) being magnetized in the azimuthal direction, and two adjacent permanent magnets (4) each with the same pole facing each other. It is provided here that the permanent magnets (4) protrude (6) in the axial direction over the rotor frame and / or that a number of permanent magnets (4) each have a cross-section which is orthogonal to the axis (5) and which, deviating from a rectangular shape, is at least partially trapezoidal is. An electromechanical machine (62) is also specified, which comprises a stator (60) and such a rotor (1).
Description
Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektromechanische Maschine, welcher zur Drehung um eine Achse bezüglich eines Stators ausgelegt ist, umfassend einen Rotorrahmen und Permanentmagnete, wobei die Permanentmagnete in Taschen, welche in azimutaler Richtung im Rotorrahmen angeordnet sind, eingebracht sind, wobei die Permanentmagnete in azimutaler Richtung magnetisiert sind, und wobei je zwei benachbarte Permanentmagnete mit jeweils gleichem Pol einander zugewandt sind. Die Erfindung betrifft weiter eine elektromechanische Maschine mit einem derartigen Rotor.The invention relates to a rotor for an electromechanical machine, which is designed for rotation about an axis with respect to a stator, comprising a rotor frame and permanent magnets, wherein the permanent magnets in pockets, which are arranged in the azimuthal direction in the rotor frame, are introduced, wherein the permanent magnets in azimuthal direction are magnetized, and wherein each two adjacent permanent magnets, each with the same pole face each other. The invention further relates to an electromechanical machine with such a rotor.
In einer möglichen Funktionsweise für elektromechanische Maschine, beispielsweise für einen Elektromotor, wird ein zylindrischer Rotor mit speichenartig angeordneten Permanentmagneten durch ein an einem Stator erzeugtes elektromechanisches Feld angetrieben. Hierbei weisen der Rotor und ein Teil des Stators eine Drehsymmetrie bezüglich der Drehachse auf, bezüglich derer der Rotor, radial vom Stator umgeben, drehbar gelagert ist. Der Rotor umfasst dabei einen meist aus einem axial geschichteten Blechpaket gefertigten Rotorrahmen. Die üblicherweise quaderförmigen Permanentmagnete sind mit einer Magnetisierung in azimutaler Richtung gewöhnlich in axial durchgängigen, speichenartig umlaufenden Aussparungen im Rotorrahmen eingesetzt. Hierbei sind zwei benachbarte Permanentmagnete jeweils entgegengesetzt magnetisiert. In Umfangsrichtung sind also jeweils gleiche Magnetpole je zweier Magnete einander zugewandt, wodurch sich in einem Kreisringsektor des Rotorrahmens zwischen je zwei Permanentmagneten ein Rotorpol entsprechender Polarität bildet.In one possible mode of operation for an electromechanical machine, for example for an electric motor, a cylindrical rotor with spoke-like permanent magnets is driven by an electromechanical field generated at a stator. Here, the rotor and a part of the stator on a rotational symmetry with respect to the axis of rotation, with respect to which the rotor, radially surrounded by the stator, is rotatably mounted. The rotor comprises a rotor frame, which is usually made of an axially stacked laminated core. The usually cuboid permanent magnets are usually used with a magnetization in the azimuthal direction in axially continuous, spoke-like circumferential recesses in the rotor frame. Here, two adjacent permanent magnets are each magnetized opposite. In the circumferential direction, therefore, in each case the same magnetic poles of each two magnets facing each other, which forms a rotor pole corresponding polarity in a circular sector of the rotor frame between two permanent magnets.
An der dem Rotor zugewandten Seite des Stators ist eine Anzahl von elektromechanischen Polen drehsymmetrisch bezüglich der Drehachse des Rotors angeordnet. Ein Pol umfasst hierbei üblicherweise einen radial ausgerichteten Weicheisenkern, um welchen eine definierte Anzahl von Spulenwindungen aus Leiterdraht gewickelt ist, und einen radial dem Rotor zugewandten weichmagnetischen Polschuh, welcher mit dem Weicheisenkern fest gefügt oder einstückig gefertigt sein kann. Die Polschuhe sind vom Rotor jeweils durch einen dünnen Luftspalt getrennt. Die einzelnen Statormagnete können von einer Stromversorgung elektronisch angesteuert bzw. kommutiert werden. Bei einem entsprechenden Ansteuern eines Statormagnete wird durch den Stromdurchfluss der Spulenwindung im Weicheisenkern und damit im Polschuh ein magnetischer Fluss erzeugt, dessen Feldlinien zumindest teilweise radial ausgerichtet sind.On the side of the stator facing the rotor, a number of electromechanical poles are arranged rotationally symmetrically with respect to the axis of rotation of the rotor. A pole here usually comprises a radially oriented soft iron core, around which a defined number of coil turns of conductor wire is wound, and a radially rotor facing the soft magnetic pole piece, which can be fixedly joined to the soft iron core or made in one piece. The pole pieces are each separated from the rotor by a thin air gap. The individual stator magnets can be electronically controlled or commutated by a power supply. In a corresponding driving a stator magnet is generated by the current flow of the coil winding in the soft iron core and thus in the pole piece, a magnetic flux whose field lines are at least partially aligned radially.
Der durch einen angesteuerten Statormagneten im Bereich des Rotors erzeugte magnetische Fluss tritt in Wechselwirkung mit dem durch die Permanentmagneten erzeugten magnetischen Fluss der einzelnen Rotorpole; man spricht dabei von einer Flussverkettung. Der Antrieb des Rotors erfolgt über einen hinsichtlich der Frequenz geeigneten Wechsel der Polarität der Statormagneten und somit ihrer jeweiligen anziehenden oder abstoßenden Wechselwirkung mit den nahe der Polschuhe anliegenden Rotorpolen, wobei die Flussverkettung, insbesondere über den die Polschuhe und den Rotor trennenden Luftspalt hinweg, eine wichtige Zielgröße für die Effizienz und die Leistungsfähigkeit des Elektromotors ist. Soll das maximale Drehmoment, die maximale Drehfrequenz oder die maximale Leistung eines Elektromotors erhöht werden, ist eine Erhöhung der magnetischen Flussverkettung, also des effektiven magnetischen Flusses, notwendig.The magnetic flux generated by a driven stator magnet in the region of the rotor interacts with the magnetic flux of the individual rotor poles generated by the permanent magnets; This is called a flux linkage. The drive of the rotor via a suitable frequency with respect to the change in the polarity of the stator magnet and thus their respective attractive or repulsive interaction with the voltage applied to the pole shoes rotor poles, the flux linkage, in particular over the pole pieces and the rotor separating air gap away, an important Target for the efficiency and performance of the electric motor is. If the maximum torque, the maximum rotational frequency or the maximum power of an electric motor is to be increased, an increase in the magnetic flux linkage, ie the effective magnetic flux, is necessary.
Den möglichen Abmessungen einer elektromechanischen Maschine sind meist durch eine übergeordnete Vorrichtung, in welcher die elektromechanische Maschine Anwendung findet, enge Grenzen gesetzt. Beispielsweise kann der Radius des Rotors oftmals aus Gründen der baulichen Kompaktheit als nicht veränderbare Größe vorausgesetzt werden. Eine mögliche axiale Verlängerung des Rotors und der Polschuhe hat den Nachteil, bei einer gleichbleibenden Windungszahl der Spulenwindungen jeweils den stromdurchflossenen Leiterdraht zu verlängern, wodurch sich der ohmsche Widerstand der einzelnen Spulenwindungen erhöht, was zu Leistungsverlusten führt. Überdies wird durch einen höheren ohmschen Widerstand beim Stromdurchfluss mehr Wärme freigesetzt, welche an den jeweiligen Weicheisenkern übertragen wird und dadurch ebenso dessen magnetische Eigenschaften negativ beeinflusst. Eine eventuelle Erhöhung der Windungszahl der einzelnen Spulenwindungen bei gleichbleibender axialer Länge der Polschuhe scheidet aufgrund der Verlängerung des jeweiligen Leiterdrahtes und der damit einhergehenden Erhöhung des ohmschen Widerstandes gleichsam aus. Zudem erhöht sich mit zunehmender Windungszahl die Induktivität der Spule, was zu einer nachteiligen Gegeninduktion führen kann.The possible dimensions of an electromechanical machine are usually limited by a higher-level device in which the electromechanical machine is used. For example, the radius of the rotor can often be assumed to be unchangeable size for reasons of structural compactness. A possible axial extension of the rotor and the pole pieces has the disadvantage, with a constant number of turns of the coil windings each to extend the current-carrying conductor wire, whereby the ohmic resistance of the individual coil turns increases, resulting in power losses. Moreover, a higher ohmic resistance in the flow of current releases more heat, which is transmitted to the respective soft iron core and thereby adversely affects its magnetic properties. A possible increase in the number of turns of the individual coil turns at the same axial length of the pole pieces is due to the extension of the respective conductor wire and the concomitant increase in the ohmic resistance as it were. In addition, with increasing number of turns, the inductance of the coil increases, which can lead to an adverse mutual induction.
Des Weiteren ist für einen möglichst effizienten Betrieb der elektromechanischen Maschine eine Minimierung der magnetischen Verluste vorteilhaft, welche durch den Kurzschluss des Magnetfeldes über Teile des Rotorrahmens, insbesondere über den dem Stator abgewandten Bereich nahe einer Mantelfläche, erfolgen. Der magnetische Fluss von Feldlinien, welche die zwei gegensätzlichen Pole eines Magneten miteinander verbinden, kann durch den Feldschluss nicht zur Flussverkettung zwischen Rotorfeld und Statorfeld beitragen; diese Verluste gilt es möglichst zu begrenzen.Furthermore, for the most efficient operation of the electromechanical machine, it is advantageous to minimize the magnetic losses which occur due to the short circuit of the magnetic field over parts of the rotor frame, in particular over the region remote from the stator near a lateral surface. The magnetic flux of field lines, which connect the two opposite poles of a magnet together, can not contribute to the flux linkage between the rotor field and the stator field due to the field closure; These losses should be limited as far as possible.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Rotor für eine elektromechanische Maschine anzugeben, welcher einen möglichst hohen effektiven magnetischen Fluss zur Verfügung stellt. Weiter liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine vorteilhafte Anwendung für einen derartigen Rotor anzugeben. The invention has for its object to provide a rotor for an electromechanical machine, which provides the highest possible effective magnetic flux available. Further, the invention has for its object to provide an advantageous application for such a rotor.
Die erstgenannte Aufgabe wird für einen Rotor für eine elektromechanische Maschine, welcher zur Drehung um eine Achse bezüglich eines Stators ausgelegt ist, umfassend einen Rotorrahmen und Permanentmagnete, wobei die Permanentmagnete in Taschen, welche in azimutaler Richtung im Rotorrahmen angeordnet sind, eingebracht sind, wobei die Permanentmagnete in azimutaler Richtung magnetisiert sind, und wobei je zwei benachbarte Permanentmagnete mit jeweils gleichem Pol einander zugewandt sind, erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Permanentmagnete in axialer Richtung über den Rotorrahmen überstehen.The former object is for a rotor for an electromechanical machine, which is designed for rotation about an axis with respect to a stator, comprising a rotor frame and permanent magnets, wherein the permanent magnets in pockets which are arranged in the azimuthal direction in the rotor frame, are introduced Permanent magnets are magnetized in the azimuthal direction, and wherein each two adjacent permanent magnets, each with the same pole face each other, according to the invention achieved in that the permanent magnets protrude in the axial direction over the rotor frame.
Am Stator der elektromechanischen Maschine ist hierbei eine Anzahl von Statorpolen vorgesehen, wobei ein Statorpol als ein Pol eines Elektromagneten oder als ein Pol eines elektrischen Induktionsgenerators ausgebildet sein kann. Ein Statorpol umfasst zweckmäßigerweise einen Polschuh, welcher dem Rotor in radialer Richtung zugewandt ist.At the stator of the electromechanical machine in this case a number of stator poles is provided, wherein a stator pole may be formed as a pole of an electromagnet or as a pole of an electric induction generator. A stator pole expediently comprises a pole shoe, which faces the rotor in the radial direction.
Die Erfindung geht dabei in einem ersten Schritt davon aus, dass die magnetische Flussdichte an einer hinreichend glatten Oberfläche eines Permanentmagneten, welche näherungsweise senkrecht zur azimutalen Richtung und damit zur Magnetisierung steht, als im Wesentlichen, d. h., bis auf vernachlässigbare Randeffekte, unabhängig von der axialen Länge des Permanentmagneten anzunehmen ist, da die Permanentmagnete im Rahmen der vertretbaren Möglichkeiten als bis zur Sättigung magnetisiert vorausgesetzt werden können. Hierbei ist unter einer hinreichend glatten Oberfläche insbesondere eine kantenfreie und einheitlich entweder konvexe oder konkave oder ebene Fläche zu verstehen, sowie näherungsweise senkrecht zur azimutalen Richtung so zu interpretieren, dass in jedem Punkt der Fläche der größte Beitrag der Flächennormalen in azimutaler Richtung erfolgt. Eine axiale Verlängerung eines Permanentmagneten vergrößert verglichen mit einem axial bündig zum Rotorrahmen abschließenden Permanentmagneten eine zur Richtung der Magnetisierung näherungsweise senkrecht stehende Oberfläche. Somit wird durch einen axialen Überstand der Permanentmagneten aufgrund der einheitlichen Flussdichte an den Oberflächen der Permanentmagneten in axialer Richtung (bei möglicher Variation der Flussdichte in radialer Richtung, welche jedoch nicht relevant ist) der magnetische Fluss verstärkt. Hierbei entsteht, abgesehen von den Permanentmagneten selbst, kein weiterer Materialaufwand. Der zusätzliche axiale Platzbedarf bei einem axialen Überstand ist bis in den niedrigen zweistelligen Prozentbereich bezogen auf die axiale Länge des Rotorrahmens anzusetzen und stellt somit kein entscheidendes Hindernis für eine kompakte Bauweise dar.In a first step, the invention proceeds from the fact that the magnetic flux density at a sufficiently smooth surface of a permanent magnet, which is approximately perpendicular to the azimuthal direction and thus to the magnetization, as substantially, d. h., Up to negligible edge effects, regardless of the axial length of the permanent magnet is to be assumed, since the permanent magnets can be assumed to be magnetized within the reasonable possibilities as to saturation. In this case, a sufficiently smooth surface should be understood as meaning, in particular, an edge-free and uniformly either convex or concave or flat surface and approximately perpendicular to the azimuthal direction such that the greatest contribution of the surface normals in the azimuthal direction takes place at each point of the surface. An axial extension of a permanent magnet increases compared to an axially flush with the rotor frame final permanent magnet to the direction of the magnetization approximately perpendicular surface. Thus, by an axial projection of the permanent magnets due to the uniform flux density at the surfaces of the permanent magnets in the axial direction (with possible variation of the flux density in the radial direction, which is not relevant), the magnetic flux is amplified. This creates, apart from the permanent magnets themselves, no additional material. The additional axial space requirement for an axial projection is to be set in the low two-digit percentage range based on the axial length of the rotor frame and thus does not represent a decisive obstacle to a compact design.
In einem weiteren Schritt erkennt die Erfindung, dass aufgrund der hohen Reluktanz der den Rotor umgebenden Luft für das Magnetfeld, welches von den axial überstehenden Anteilen der Permanentmagnete erzeugt wird, der Schluss der Feldlinien über den Rotorrahmen und Komponenten des Stators, welche in der Nähe des Rotors angeordnet sind, gesucht wird. Insbesondere bei einem Rotorrahmen aus leicht magnetisierbarem Material ist es an einem axial überstehenden Anteil eines Permanentmagneten energetisch ungünstig, die Feldlinien von einer azimutalen Seite zur gegenpolig magnetisierten anderen Seite über die umgebende Luft zu schließen, da die Reluktanz dort um mehrere Zehnerpotenzen höher ist als im Rotorrahmen. Bevorzugt ist hierbei der Rotorrahmen aus ferromagnetischem, insbesondere aus weichmagnetischem Material gefertigt.In a further step, the invention recognizes that due to the high reluctance of the air surrounding the rotor for the magnetic field, which is generated by the axially projecting portions of the permanent magnets, the termination of the field lines on the rotor frame and components of the stator, which in the vicinity of Rotors are arranged, is searched. In particular, in a rotor frame made of easily magnetizable material, it is energetically unfavorable at an axially projecting portion of a permanent magnet to close the field lines from one azimuthal side to the opposite pole magnetized other side over the surrounding air, since the reluctance there is higher by several orders of magnitude than in the rotor frame , In this case, the rotor frame is preferably made of ferromagnetic material, in particular of soft magnetic material.
Im Rotorrahmen bilden sich, insbesondere bei einem Rotorrahmen aus leicht magnetisierbarem Material, in den Kreisringsektoren zwischen den einzelnen Permanentmagneten Rotorpole mit der jeweils gleichen Polarität der Magnetisierung der einander zugewandten Flächen je zweier benachbarter Permanentmagnete, welche einen derartigen Rotorpol in Umlaufrichtung begrenzen. Eine beschriebene Verstärkung des magnetischen Flusses im Rotor durch den axialen Überstand zweier benachbarter Permanentmagnete führt demnach zu einer Verstärkung des magnetischen Flusses im entsprechenden Rotorpol. Dieser im Vergleich zu axial bündigen Permanentmagneten verstärkte Fluss führt im Bereich des Rotorpols zu einer erhöhten magnetischen Flussdichte an einer den Statorpolen zugewandten Mantelfläche des Rotorrahmens.In the rotor frame, in particular in the case of a rotor frame of easily magnetizable material, rotor poles each having the same polarity of the magnetization of the mutually facing surfaces of each two adjacent permanent magnets, which bound such a rotor pole in the circumferential direction, form in the circular ring sectors between the individual permanent magnets. A described amplification of the magnetic flux in the rotor by the axial projection of two adjacent permanent magnets thus leads to an amplification of the magnetic flux in the corresponding rotor pole. This flux, which is amplified in comparison to axially flush permanent magnets, leads in the region of the rotor pole to an increased magnetic flux density at a lateral surface of the rotor frame facing the stator poles.
Wird die elektromechanische Maschine als Motor betrieben, und entsprechend ein Statorpol als ein Elektromagnet mit an der radialen Grenzfläche des Statorpols näherungsweise radial gerichteten Feldlinien, so führt bei ansonsten gleich bleibenden Parametern ein axialer Überstand der Permanentmagneten aufgrund der erhöhten Flussdichte an der statorseitigen Mantelfläche des Rotorrahmens im Bereich der Rotorpole zu einem erhöhten effektiven Fluss zwischen einem Rotor- und einem Statorpol bzw. zu einer verbesserten Flussverkettung. Ebenso wird in einem Generatorbetrieb der elektromechanischen Maschine durch die erhöhte Flussdichte an einem Rotorpol ein elektrischer Induktionsgenerator des Stators von einem stärkeren magnetischen Fluss durchdrungen, was zu einer höheren Induktionsspannung führt.If the electromechanical machine is operated as a motor, and correspondingly a stator pole as an electromagnet with approximately radially directed field lines at the radial boundary surface of the stator pole, an axial projection of the permanent magnets results due to the increased flux density at the stator-side lateral surface of the rotor frame in otherwise constant parameters Area of the rotor poles to an increased effective flux between a rotor and a stator pole or for improved Flußverkettung. Likewise, in a generator operation of the electromechanical machine by the increased flux density at a rotor pole, an electrical induction generator of the stator is penetrated by a stronger magnetic flux, which leads to a higher induction voltage.
In einem dritten Schritt wird erkannt, dass bei einem möglichen Kurzschluss des Feldes eines Permanentmagneten über Teile des Rotorrahmens der Rotorrahmen aufgrund des aus dem axialen Überstand der Permanentmagnete resultierenden erhöhtes Flusses leichter magnetisch zu sättigen ist als ohne axialen Überstand. Hierdurch werden mögliche Effizienzverluste der elektromechanischen Maschine verringert. In a third step, it is recognized that in case of a possible short circuit of the field of a permanent magnet over parts of the rotor frame, the rotor frame is easier to magnetically saturate due to the resulting from the axial projection of the permanent magnets increased flow than without axial projection. As a result, possible efficiency losses of the electromechanical machine are reduced.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist hierbei an den axialen Grenzflächen des Rotorrahmens zwischen den axial überstehenden Permanentmagneten ein weichmagnetisches Material angebracht. Das Material für den Rotorrahmen ist oftmals teurerer als ein weichmagnetisches Material, so dass eine Auffüllung des axialen Überstandes mit weichmagnetischem Material insgesamt zu einer Reduktion der Produktionskosten führen kann.In an advantageous embodiment, a soft magnetic material is attached to the axial boundary surfaces of the rotor frame between the axially projecting permanent magnets. The material for the rotor frame is often more expensive than a soft magnetic material, so that a filling of the axial supernatant with soft magnetic material can lead to an overall reduction in production costs.
Alternativ wird die erstgenannte Aufgabe für einen Rotor für eine elektromechanische Maschine, welcher zur Drehung um eine Achse bezüglich eines Stators ausgelegt ist, umfassend einen Rotorrahmen und Permanentmagnete, wobei die Permanentmagnete in Taschen, welche in azimutaler Richtung im Rotorrahmen angeordnet sind, eingebracht sind, wobei die Permanentmagnete in azimutaler Richtung magnetisiert sind, und wobei je zwei benachbarte Permanentmagnete mit jeweils gleichem Pol einander zugewandt sind, erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Anzahl von Permanentmagneten jeweils einen zur Achse orthogonalen Querschnitt aufweist, welcher abweichend von einer Rechteckform zumindest abschnittsweise trapezförmig ist.Alternatively, the first object is for a rotor for an electromechanical machine, which is designed for rotation about an axis with respect to a stator, comprising a rotor frame and permanent magnets, wherein the permanent magnets in pockets, which are arranged in the azimuthal direction in the rotor frame, are introduced the permanent magnets are magnetized in the azimuthal direction, and wherein each two adjacent permanent magnets, each with the same pole face each other, according to the invention achieved in that a number of permanent magnets each having an orthogonal to the axis cross-section, which is at least partially trapezoidal deviating from a rectangular shape.
Hierbei wird in einem ersten Schritt davon ausgegangen, dass, insbesondere für einen im Wesentlichen ringförmigen Rotor, bei rechteckförmigen Permanentmagneten die Kantenlänge an der radialen Innenseite aus baulichen Gründen einen limitierenden Faktor darstellt. Da man die Permanentmagneten als weitgehend bis zur Sättigung magnetisiert annehmen kann, führt eine trapezförmige Verbreiterung eines Permanentmagneten radial nach außen bei konstanter Magnetisierung aufgrund des größeren Volumens zu einem größeren magnetischen Moment in azimutaler Richtung. Wird die elektromechanische Maschine als Motor betrieben, und entsprechend ein Statorpol als ein Elektromagnet mit an der radialen Grenzfläche des Statorpols näherungsweise radial gerichteten Feldlinien, so führt bei ansonsten gleich bleibenden Parametern eine trapezförmige azimutale Verbreiterung der Permanentmagneten aufgrund des dadurch vergrößerten magnetischen Moments in azimutaler Richtung zu einem erhöhten Drehmoment um die Drehachse.In this case, it is assumed in a first step that, in particular for a substantially annular rotor, with rectangular-shaped permanent magnets, the edge length on the radially inner side represents a limiting factor for constructional reasons. Since the permanent magnets can be considered to be largely magnetized to saturation, a trapezoidal broadening of a permanent magnet radially outward at a constant magnetization due to the larger volume leads to a larger magnetic moment in the azimuthal direction. If the electromechanical machine is operated as a motor, and correspondingly a stator pole as an electromagnet with field lines oriented approximately radially at the radial boundary surface of the stator pole, a trapezoidal azimuthal widening of the permanent magnets due to the thereby increased magnetic moment in the azimuthal direction leads, with otherwise constant parameters an increased torque around the axis of rotation.
In einem zweiten Schritt erkennt die Erfindung, dass eine abschnittsweise Trapezform, insbesondere eine trapezförmige Verjüngung am radial äußeren Ende eines Permanentmagneten, die Halterung des Permanentmagneten vereinfacht, da durch eine Verjüngung am radial äußeren Ende eine Tasche für einen Permanentmagneten im Rotorrahmen ohne zusätzliche Haltenasen zu dessen radialer Sicherung auskommt, sondern bei einer Rotation des Rotors auftretende Zentrifugalkräfte auf einen Permanentmagneten durch Formschluss aufnehmen kann. Die Einsparung von weiteren Bauteilen zur radialen Sicherung der Permanentmagnete ermöglicht eine einfachere und kostengünstigere Fertigung des Rotorrahmens.In a second step, the invention recognizes that a sectional trapezoidal shape, in particular a trapezoidal taper on the radially outer end of a permanent magnet, simplifies the mounting of the permanent magnet, as a result of a taper at the radially outer end of a pocket for a permanent magnet in the rotor frame without additional retaining lugs to the radial fuse gets along, but can take on a permanent magnet by positive engagement occurring during rotation of the rotor centrifugal forces. The saving of further components for the radial securing of the permanent magnets enables a simpler and less expensive production of the rotor frame.
Ausgehend von einem gewünschten magnetischen Moment der Permanentmagnete als festem Konstruktionsparameter wird in einem dritten Schritt überdies festgestellt, dass, da die Permanentmagnete als bis zur Sättigung magnetisiert angenommen werden können, eine radial nach außen verbreiterte bzw. radial innen verjüngte Trapezform der Permanentmagnete im Vergleich zu einer Rechteckform eine kürzere Kantenlänge am radial inneren Ende zur Folge hat, und generell im Bereich des radial inneren Endes des Rotorrahmens azimutal weniger Platzbedarf aufweist. Dies verbreitert, im Vergleich zu einer Rechteckform, den Kreisringsektor zwischen zwei Permanentmagneten in diesem Bereich, was zusätzlich die Option eröffnet, den gewonnenen Platz zu einer weiteren baulichen Veränderung des Rotorrahmens in diesem Bereich zu nutzen, welche den Kurzschluss des Feldes eines Permanentmagneten über den Rotorrahmen in diesem Bereich unterdrücken soll.Based on a desired magnetic moment of the permanent magnets as a fixed design parameter is also determined in a third step, since the permanent magnets can be assumed to be magnetized to saturation, a radially outwardly widened or radially inwardly tapered trapezoidal shape of the permanent magnets compared to a Rectangular shape has a shorter edge length at the radially inner end result, and generally azimuthally has less space in the region of the radially inner end of the rotor frame. This widened, compared to a rectangular shape, the circular ring sector between two permanent magnets in this area, which additionally opens the option to use the space gained for a further structural change of the rotor frame in this area, which shorted the field of a permanent magnet on the rotor frame in this area should suppress.
Selbstverständlich wird auch durch eine Kombination der vorgenannten erfinderischen Lösungen die eingangs gestellte erstgenannte Aufgabe gelöst. Demnach ist in einer weiteren erfindungsgemäßen Lösung vorgesehen, dass die Permanentmagnete in axialer Richtung über den Rotorrahmen überstehen, und dass eine Anzahl von Permanentmagneten jeweils einen zur Achse orthogonalen Querschnitt aufweist, welcher abweichend von einer Rechteckform zumindest abschnittsweise trapezförmig ist.Of course, the initially stated object is achieved by a combination of the aforementioned inventive solutions. Accordingly, it is provided in another solution according to the invention that the permanent magnets project in the axial direction over the rotor frame, and that a number of permanent magnets each have an orthogonal to the axis cross-section, which is at least partially trapezoidal deviating from a rectangular shape.
Bevorzugt ist der Rotorrahmen aus einem in axialer Richtung geschichteten Blechpaket gefertigt. Dies unterdrückt bei einer Rotation des Rotors die Entstehung von Wirbelströmen in axial-radialen Ebenen, welche durch ihrerseits induzierte Magnetfelder die Leistung der elektromechanischen Maschine beeinträchtigen können. Dazu sind die einzelnen Lagen des Blechpakets beispielsweise durch einen Lack voneinander elektrisch isoliert.Preferably, the rotor frame is made of a stacked in the axial direction laminated core. This suppresses the formation of eddy currents in axial-radial planes during a rotation of the rotor, which can in turn affect the performance of the electromechanical machine by induced magnetic fields. For this purpose, the individual layers of the laminated core are electrically isolated from each other, for example by a paint.
Günstigerweise sind als Permanentmagnete gesinterte Ferritmagnete und/oder kunststoffgebundene Dauermagnete eingesetzt. Derartige Magnete weisen bezüglich der Anschaffungskosten eine relativ hohe Magnetisierung auf, was sich günstig auf die Produktionskosten auswirkt.Conveniently, sintered ferrite magnets and / or plastic-bonded permanent magnets are used as permanent magnets. Such magnets have with respect to the cost of a relatively high magnetization, which has a favorable effect on the production costs.
In einer vorteilhaften Ausführung ist eine Kante wenigstens eines Permanentmagneten angefast. Hierdurch kann die Halterung des Permanentmagneten im Rotorrahmen vereinfacht werden, indem ein Teil des Rotorrahmens oder ein mit dem Rotorrahmen fest gefügtes Material die Fase komplementär ausfüllt.In an advantageous embodiment, an edge of at least one permanent magnet is chamfered. In this way, the holder of the permanent magnet can be simplified in the rotor frame by a part of the rotor frame or a fixedly joined to the rotor frame material fills the chamfer complementary.
Zweckmäßigerweise sind die Permanentmagnete in den Rotorrahmen eingepresst und/oder eingegossen sind. Dies führt zu einem einfachen und schnellen Produktionsverfahren.Conveniently, the permanent magnets are pressed into the rotor frame and / or cast. This leads to a simple and fast production process.
In einer weiter vorteilhaften Ausgestaltung liegt mindestens ein axial über den Rotorrahmen überstehender Permanentmagnet an mindestens einer seiner axial überstehenden Seitenflächen von einer aus einem axialen Endblech des Blechpaketes axial hervorstehenden Abkantung an. Die Abkantung übt an der Seitenfläche eine Kraft auf den wenigstens einen Permanentmagneten aus und hilft dadurch, diesen in seiner Position zu halten. Bevorzugt handelt es sich hierbei um eine Seitenfläche des mindestens einen Permanentmagneten, welche näherungsweise senkrecht zur azimutalen Richtung ist. Insbesondere kann der wenigstens eine Permanentmagnet an einer weiteren axial überstehenden Seitenfläche an einer weiteren aus einem axialen Endblech des Blechpaketes axial hervorstehenden Abkantung anliegen. Bevorzugt ist die weitere axial überstehende Seitenfläche des Permanentmagneten näherungsweise senkrecht zur azimutalen Richtung, so dass die beiden jeweiligen Abkantungen ähnlich einer Flügeltür aus dem Endblech axial hervorstehen und dazu beitragen, den Permanentmagneten azimutal in seiner Position zu halten. Durch eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Permanentmagneten und den Abkantungen können auch radiale Kräfte auf den Permanentmagneten, insbesondere bei einer Rotation des Rotors auftretende Zentrifugalkräfte, zumindest teilweise aufgenommen werden.In a further advantageous embodiment, at least one axially projecting beyond the rotor frame permanent magnet on at least one of its axially projecting side surfaces of a axially projecting from an axial end plate of the laminated core bending. The fold exerts a force on the at least one permanent magnet on the side surface and thereby helps to keep it in its position. This is preferably a side surface of the at least one permanent magnet, which is approximately perpendicular to the azimuthal direction. In particular, the at least one permanent magnet can abut against a further axially protruding side surface on a further axially projecting from an axial end plate of the laminated core bending. Preferably, the further axially projecting side surface of the permanent magnet is approximately perpendicular to the azimuthal direction, so that the two respective folds protrude axially from the end plate similar to a wing door and help to keep the permanent magnet azimuthal in its position. By a non-positive connection between the permanent magnet and the folds and radial forces on the permanent magnets, in particular during a rotation of the rotor occurring centrifugal forces, at least partially absorbed.
Hierbei kann es sich als günstig erweisen, wenn eine oder jede axial hervorstehende Abkantung des axialen Endbleches eine weitere Abkantung umfasst, welche der axialen Stirnfläche des jeweiligen Permanentmagneten aufliegt. Dadurch können auch axiale Kräfte auf den jeweiligen Permanentmagneten, etwa durch einen unvorhergesehenen Stoß gegen die elektromechanische Maschine, durch die oder jede Abkantung aufgenommen werden, zudem wird die Montage des jeweiligen Permanentmagneten vereinfacht.It may prove to be advantageous if one or each axially projecting fold of the axial end plate comprises a further fold, which rests on the axial end face of the respective permanent magnet. As a result, axial forces on the respective permanent magnets, for example due to an unforeseen impact against the electromechanical machine, can also be absorbed by the or each fold, and the assembly of the respective permanent magnet is simplified.
Zweckmäßigerweise weist zudem eine oder jede axial hervorstehende Abkantung des axialen Endbleches an der dem Stator nach Montage abgewandten Seite in Umlaufrichtung einen Überstand auf, welcher den jeweiligen Permanentmagneten radial in Richtung des Stators drückt. Auch dies vereinfacht die Montage und trägt weiter dazu bei, auf einfache Weise den jeweiligen Permanentmagneten in seiner gewünschten Position zu halten.Expediently, in addition, one or each axially protruding fold of the axial end plate on the side facing away from the stator after assembly in the circumferential direction on a supernatant, which presses the respective permanent magnet radially in the direction of the stator. This also simplifies assembly and further helps to easily hold the respective permanent magnet in its desired position.
Als weiter vorteilhaft erweist es sich, wenn der Rotorrahmen an einer dem Stator nach Montage abgewandten Grenzfläche wenigstens eines Permanentmagneten in radialer Richtung jeweils eine Ausnehmung derart aufweist, dass jede radiale Verbindungslinie von einem Punkt des wenigstens einen Permanentmagneten zu einer dem Stator abgewandten Mantelfläche des Rotors durch die jeweilige Ausnehmung führt. Eine derartige Ausnehmung erschwert den Kurzschluss des magnetischen Feldes des jeweiligen Permanentmagneten über den Rotorrahmen, da das Feld vom Nordpol zum Südpol des Permanentmagneten um die Ausnehmung herum geschlossen werden muss, und somit weniger Material des Rotorrahmens zum Kurzschluss zur Verfügung steht, wodurch das Material bei gleich bleibender Flussdichte eher magnetisch sättigbar ist und somit eine Magnetisierung zum Kurzschluss leichter ablehnt als ohne Ausnehmung. Die Unterdrückung des Kurzschlusses verringert so Leistungsverluste, da der elektromechanischen Maschine effektiv mehr Flussdichte eines Permanentmagneten zur Verfügung steht.It proves to be further advantageous if the rotor frame has a respective recess in the radial direction on a boundary surface of at least one permanent magnet remote from the stator after assembly, such that each radial connecting line passes from a point of the at least one permanent magnet to a lateral surface of the rotor facing away from the stator the respective recess leads. Such a recess impedes the short circuit of the magnetic field of the respective permanent magnet on the rotor frame, since the field from the north pole to the south pole of the permanent magnet must be closed around the recess, and thus less material of the rotor frame is available for short circuit, whereby the material at the same Residual flux density is rather magnetically saturable and thus a magnetization for short-circuit rejects easier than without recess. The suppression of the short circuit thus reduces power losses, as the electromechanical machine is effectively more flux density of a permanent magnet available.
Bevorzugt umgibt hierbei eine oder jede Ausnehmung den jeweiligen Permanentmagneten an dessen azimutalen Grenzflächen in radialer Richtung zumindest teilweise. Dies vergrößert effektiv die Ausnehmung und verlängert somit den für den Kurzschluss des Feldes des jeweiligen Permanentmagneten zurückzulegenden Weg im Material des Rotorrahmens bei gleichzeitiger weiterer Verringerung des zur Verfügung stehenden magnetisierbaren Materials des Rotorrahmens. Hierdurch wird der Kurzschluss des Feldes weiter erschwert, was die Leistungsfähigkeit der elektromechanischen Maschine erhöht.In this case, one or each recess preferably at least partially surrounds the respective permanent magnet at its azimuthal boundary surfaces in the radial direction. This effectively increases the recess and thus extends the distance to be traveled for the short circuit of the field of the respective permanent magnet in the material of the rotor frame while simultaneously reducing the available magnetizable material of the rotor frame. As a result, the short circuit of the field is further complicated, which increases the performance of the electromechanical machine.
Zweckmäßigerweise ist in der Ausnehmung eine Anzahl von federelastischen Bügeln angeordnet, welche den jeweiligen Permanentmagneten radial in Richtung des Stators drückt. Dies hilft, den jeweiligen Permanentmagneten mit möglichst wenig Material, welches das Feld des Permanentmagneten kurzschließen könnte, in radialer Richtung in Position zu halten. Insbesondere kann hierzu der oder jeder Bügel aus dem Material des Rotorrahmens oder aus einem dia- oder paramagnetischen Material gefertigt sein.Conveniently, a number of resilient brackets is arranged in the recess, which presses the respective permanent magnet radially in the direction of the stator. This helps keep the respective permanent magnet in position in the radial direction with as little material as possible, which could short the field of the permanent magnet. In particular, for this purpose, the or each bracket can be made of the material of the rotor frame or of a dia- or paramagnetic material.
Vorteilhafterweise ist im Rotorrahmen zwischen zwei oder je zwei benachbarten Permanentmagneten eine Anzahl spaltartiger Ausnehmungen vorgesehen, welche bis in den Bereich einer statorseitigen Mantelfläche des Rotorrahmens hin ausgebildet sind und welche im Bereich der statorseitigen Mantelfläche im Wesentlichen in radialer Richtung verlaufen. Dies führt dazu, dass der von den einander zugewandten, gleichpolig magnetisierten Flächen der jeweiligen benachbarten Permanentmagnete der magnetische Fluss keine beliebige Ordnung im Kreisringsektor zwischen den jeweiligen Permanentmagneten bilden kann, sondern konzentriert radial zum Stator und damit zu den Statorpolen hin ausgerichtet wird und somit den magnetischen Fluss eines sich in diesem Bereich ausbildenden Rotorpols verstärkt. Dies führt zu einer besseren Flussverkettung zwischen dem Rotor und dem Stator und erhöht somit die Leistungsfähigkeit der elektromechanischen Maschine.Advantageously, a number of gap-like recesses is provided in the rotor frame between two or two adjacent permanent magnets, which extends into the region of a Stator-side lateral surface of the rotor frame are formed out and which extend in the region of the stator lateral surface substantially in the radial direction. The result of this is that the magnetic flux flowing from the mutually facing, unipolarly magnetized surfaces of the respective adjacent permanent magnets can not form any order in the circular sector between the respective permanent magnets, but concentrically aligns radially with the stator and thus with the stator poles and thus with the magnetic flux Flow amplified in this area forming Rotorpols. This leads to a better flux linkage between the rotor and the stator and thus increases the performance of the electromechanical machine.
Bevorzugt ist hierbei die oder jede Ausnehmung des Rotorrahmens ganz oder teilweise mit einem dia- oder paramagnetischen Füllmaterial, insbesondere mit einem Kunststoff, ausgefüllt. Dies verstärkt die Konzentration des magnetischen Flusses eines Rotorpols an der statorseitigen Mantelfläche weiter.Preferably, the or each recess of the rotor frame is completely or partially filled with a dia- or paramagnetic filler, in particular with a plastic. This further enhances the concentration of magnetic flux of a rotor pole on the stator lateral surface.
Zweckmäßigerweise steht das dia- oder paramagnetische Füllmaterial an wenigstens einem axialen Ende des Rotors zumindest teilweise über eine Anzahl von Ausnehmungen über und ist dabei zur Auswuchtung des Rotors eingesetzt und/oder weist eine Form einer Ventilatorschaufel auf. Dies stellt eine besonders vorteilhafte Mehrzweckverwendung des Füllmaterials dar, mit welchem die oder jede Ausnehmung des Rotorrahmens gefüllt oder ausgefüllt ist. Insbesondere kann hierbei von axial überstehendem Füllmaterial durch eine Anzahl als Ventilatorschaufeln ausgeformter Überstände ein Ventilator ausgebildet sein, welcher zur Kühlung einer weiteren in der Nähe der elektromechanischen Maschine angeordneten Vorrichtung eingesetzt werden kann.Conveniently, the dia- or paramagnetic filler at at least one axial end of the rotor at least partially over a number of recesses and is used for balancing the rotor and / or has a shape of a fan blade on. This represents a particularly advantageous multi-purpose use of the filling material, with which the or each recess of the rotor frame is filled or filled. In particular, in this case of axially projecting filler material by a number formed as fan blades projections a fan may be formed, which can be used to cool a further arranged in the vicinity of the electromechanical machine device.
Die zweitgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine elektromechanische Maschine, umfassend einen Stator und einen Rotor der vorbeschriebenen Art. Die Vorteile des Rotors und seiner Weiterbildungen können dabei sinngemäß auf die elektromechanische Maschine übertragen werden.The second object is achieved by an electromechanical machine comprising a stator and a rotor of the type described above. The advantages of the rotor and its developments can be analogously transmitted to the electromechanical machine.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Zeichnungen erläutert. Dabei zeigenEmbodiments of the invention will be explained with reference to drawings. Show
In
Der Rotorrahmen
Durch den axialen Überstand
Die inneren Ausnehmungen
Die Abkantungen
In
In
In
In
In
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Rotorrotor
- 22
- Rotorrahmenrotor frame
- 44
- Permanentmagnetpermanent magnet
- 55
- Achseaxis
- 66
- axialer Überstand eines Permanentmagnetenaxial projection of a permanent magnet
- 88th
- innere Ausnehmunginner recess
- 1010
- äußere Ausnehmungouter recess
- 1212
- Seitenfläche eines PermanentmagnetenSide surface of a permanent magnet
- 1414
- Kreisringsektor zwischen zwei benachbarten PermanentmagnetenAnnular sector between two adjacent permanent magnets
- 1515
- Rotorpolrotor pole
- 1616
- Steg zum KreisringsektorBridge to the circular ring sector
- 1818
- Innenring des RotorrahmensInner ring of the rotor frame
- 1919
- Blechpaketlaminated core
- 2020
- axiales Endblech des Rotorrahmensaxial end plate of the rotor frame
- 2222
- axiale Abkantungaxial fold
- 2424
- azimutale Seitenfläche des axialen Überstandesazimuthal side surface of the axial supernatant
- 2626
- Abkantungfold
- 2828
- axiale Stirnfläche eines Permanentmagnetenaxial end face of a permanent magnet
- 3030
- Überstand an einer AbkantungOverhang on a fold
- 3232
- radial innere Stirnfläche eines Permanentmagnetenradially inner end face of a permanent magnet
- 4040
- weichmagnetisches Materialsoft magnetic material
- 4242
- Bügelhanger
- 4444
- Fase an einem PermanentmagnetenChamfer on a permanent magnet
- 4646
- Bügelhanger
- 5050
- spaltartige Ausnehmung als Flussbarriereslit-like recess as a river barrier
- 5252
- äußere Mantelfläche des Rotorsouter surface of the rotor
- 5454
- nicht magnetisches Füllmaterialnon-magnetic filler
- 5656
- Ventilatorschaufelfan blade
- 5858
- Statorpolstator
- 6060
- Statorstator
- 6262
- elektromechanische Maschineelectromechanical machine
- 6464
- kammartige Strukturcomb-like structure
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