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Die Erfindung betrifft einen permanenterregten Rotor für eine elektrische Maschine, eine Anordnung zum Magnetisieren des Rotors, eine elektrische Maschine mit einem solchen Rotor, ein Verfahren zum Herstellen des Rotors sowie ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug (sogenanntes eCar). Ein Rotor der genannten Art ist beispielsweise aus der
DE 10 2010 043 224 A1 bekannt.
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Motoren mit Rotoren, die innenliegende Permanentmagneten aufweisen, sind sehr gut geeignet für eCar-Anwendungen, da sie einen ausgeprägten Feldschwächbereich und einen guten Leistungsfaktor bei Maximaldrehmoment aufweisen. Dies wird durch einen hohen Anteil an Reluktanzmoment erreicht. Um dieses hohe Reluktanzmoment zu erreichen, ist es erforderlich, dass die Aussparungen oder Magnettaschen des Blechpakets, in welchen die Permanentmagneten des Rotors angeordnet sind, verhältnismäßig tief im Rotor angeordnet sind. Mit „tief“ ist hierbei gemeint, dass ein Abstand der Permanentmagneten vom Außenumfang des Rotors verhältnismäßig groß sein muss, also die Strecke, wie sie vom Außenumfang aus zur Rotationsachse hin gemessen wird.
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Die Permanentmagneten sind typischerweise aus einer Seltenerdlegierung (beispielsweise NdFeB) mit einem hohen Energieprodukt (BxH) gefertigt. Der Verbau von solchen Magneten im magnetisierten Zustand erfordert während der Fertigung eines solchen Rotors unerwünschte Einschränkungen, beispielsweise die Verwendung von a-magnetischen Werkzeugen, die nicht von den Permanentmagneten durch eine Magnetkraft angezogen werden. Auch können keine Schüttgutbehältnisse verwendet werden, da durch die Magnetkräfte darin befindliche Gegenstände bewegt und dann durch einen Zusammenstoß beschädigen würden.
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Bisher wurde aber dieser Nachteil in Kauf genommen und die Rotoren mit magnetisierten Permanentmagneten gefertigt, indem man die Permanentmagneten unter entsprechenden Vorkehrungen in die Taschen der Blechpakete eingeschoben hat.
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Eine nachträgliche Magnetisierung, also nach dem Einführen in die Taschen, ist bei heutigen Rotoren für eCar-Anwendungen in der Regel nicht möglich. Das Aufmagnetisieren von Magnetkörpern in den Taschen des Blechpakets müsste durch das weichmagnetische Blechpaket des Rotors hindurch geschehen. Dies erfordert ein sehr starkes Magnetfeld, so dass sich entsprechende Abmessungen der Spulen der zum Aufmagnetisieren genutzten Anlage (sogenanntes Magnetisierungsjoch) ergeben, wenn man die Magnetkörper in der beschriebenen Weise möglichst tief im Inneren des Rotors anordnen möchte. Die für die nachträgliche Magnetisierung nötigen elektrischen Spulen müssen nämlich mit einem entsprechend starken elektrischen Strom beaufschlagt werden, was wiederum Wicklungsdrähte mit großem Durchmesser sowie mechanische Stabilisierungsmaßnahmen erfordert, was beides Platz benötigt. Bei dem in der oben genannten Druckschrift genannten Rotor lässt sich eine solch große und mechanisch stabilisierte Spule nicht poldeckend über den einzelnen Magnetpolen des Rotors anordnen, ohne dass es zu einer Wechselwirkung mit den benachbarten Magnetpolen kommt. Die Spulen mit ihren mechanischen Einfassungen sind hierzu einfach zu breit.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen permanenterregten Rotor für einen Antriebsmotor eines elektrischen Kraftfahrzeugs kostengünstig und aufwandsarm herzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch einen Rotor gemäß Patentanspruch 1, eine Anordnung gemäß Patentanspruch 9, eine elektrische Maschine gemäß Patentanspruch 10, ein Kraftfahrzeug gemäß Patentanspruch 11 sowie ein Verfahren gemäß Patentanspruch 12 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Unteransprüche gegeben.
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Der erfindungsgemäße Rotor weist den Vorteil auf, dass er sich nachträglich magnetisieren lässt, dass also nachträglich eine permanente Magnetisierung in den Magnetkörpern eingeprägt werden kann, wenn diese sich schon im Rotor befinden. Dies ist möglich, obwohl der Rotor in der beschriebenen Weise verhältnismäßig tiefliegende Permanentmagneten aufweist. Der erfindungsgemäße Rotor weist also in sich bekannter Weise mehrere, entlang einer Umfangsrichtung angeordnete Magnetpole auf. Jeder Magnetpol umfasst dabei zumindest einen Permanentmagneten, der in einer Tasche im Inneren des Rotors angeordnet ist. Der Rotor weist dabei in seinem Querschnitt einen ganz bestimmten Aufbau auf. Unter Querschnitt ist hierbei ein Schnitt senkrecht zur bestimmungsgemäßen Rotationsachse des Rotors zu verstehen. Im Querschnitt sind die Permanentmagneten insbesondere vollständig innenliegend angeordnet, also vollständig von weichmagnetischem Material umgeben.
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Die im Folgenden erläuterten Bedingungen für den Querschnitt gelten -in axialer Richtung betrachtet- für einen überwiegenden Teil des Rotors, insbesondere für den gesamten magnetisch aktiven Teil. Wie bereits ausgeführt, spielt die Magnettiefe bei dem erfindungsgemäßen Rotor eine Rolle. Diese ist hier definiert als eine in dem Querschnitt gemessene, durch eine vom Außenumfang des Rotors zur Rotationsachse hin gemessene, radiale Tiefe des zumindest einen Permanentmagneten. Mit anderen Worten reicht bei jedem Magnetpol zumindest einer der Permanentmagneten in radialer Richtung bis zu einem tiefsten Punkt in den Rotor hinein. Dieser tiefste Punkt ist hier als Magnettiefe T bezeichnet.
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Des Weiteren gilt bei jedem Magnetpol, dass er zu einem oder beiden seiner in Umfangsrichtung benachbarten Magnetpole einen bestimmten Abstand aufweist. Im Folgenden ist nur einer der beiden benachbarten Magnetpole betrachtet. Zwischen jedem Magnetpol und seinem benachbarten Magnetpol besteht durch den Abstand eine Pollücke. Diese Pollücke weist eine Pollückenbreite B auf, die wie folgt definiert ist: Es handelt sich um den Abstand zweier virtueller Austrittspunkte, an denen jeweils ein Strahl den Außenumfang des Rotors schneidet, wobei für die beiden Strahlen folgendes gilt. Der erste Strahl verläuft von der Rotationsachse aus durch den Punkt geringster radialer Tiefe des ersten der beiden die Pollücke begrenzenden Permanentmagneten. Der zweite Strahl verläuft entsprechend von der Rotationsachse aus durch den Punkt geringster radialer Tiefe des zweiten der beiden die Pollücke begrenzenden Permanentmagneten. Für den Fall, dass die Permanentmagneten in der Weise angeordnet sind, dass sich zwei oder mehrere Punkte an dem Permanentmagneten ergeben, die die gleiche geringste radiale Tiefe aufweisen, so wird natürlich der Punkt betrachtet, welcher der Pollücke am nächsten gelegen ist, also der in radialer Richtung äußerste Punkt geringster radialer Tiefe in Richtung zur Pollücke hin.
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Um nun einen mechanisch stabilen Rotor bereitzustellen, dessen Magnetkörper sich zudem noch im Nachhinein, also nach dem Einführen der Magnetkörper in die Taschen des Blechpakets des Rotors, aufmagnetisieren lassen, ist bei dem erfindungsgemäßen Rotor für einen oder mehrere oder insbesondere alle der Magnetpole vorgesehen, dass ein Verhältnis der Pollückenbreite B zur Magnettiefe T in einem Bereich von 0,7 bis 1,6 liegt, so dass also B = [0,7 bis 1,6]·T, d.h. 0,7·T ≤ B ≤ 1,6·T gilt (· steht für die skalare Multiplikation). Durch dieses Verhältnis ist sichergestellt, dass sich elektrische Spulen eines Magnetisierungsjochs über den Magnetpolen positionieren lassen und ohne eine unerwünschte Wechselwirkung zwischen den Magnetpolen die Magnetkörper mit einem Stromstoß durch die elektrischen Spulen aufmagnetisieren lassen. Die so aus den Magnetkörpern gebildeten Permanentmagneten liegen dabei immer noch tief genug, um den eingangs beschriebenen vorteilhaften Effekt des verhältnismäßig relativ hohen Reluktanzmoments zu erhalten. Insbesondere gilt eines der folgenden Verhältnisse: x·T ≤ B ≤ y·T, wobei x einer aus den Werten 0,7; 0,8; 0,9; 1,0; 1,1 und y einer aus den Werten 1,6; 1,5; 1,4; 1,3; 1,2 ist.
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Wie bereits ausgeführt, ergibt sich der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Rotors dadurch, dass er sich nach dem Einführen der Magnetkörper in das Blechpaket des Rotors nachträglich aufmagnetisieren lässt. Somit ist die Herstellung des Rotors ohne besondere Vorsichtsmaßnahmen betreffend das Auftreten starker magnetischer Kräfte möglich. In diesem Zusammenhang umfasst die Erfindung auch eine Anordnung aus dem Rotor und einem Magnetisierungsjoch. Ein Magnetisierungsjoch ist eine Anordnung zum Einprägen einer permanenten Magnetisierung in die Magnetkörper des Rotors, während diese bereits im Blechpaket in ihren Taschen angeordnet sind. Das Magnetisierungsjoch umfasst zumindest eine elektrische Spule, die am Außenumfang des Rotors angeordnet wird, und zwar in der Weise, dass das Spulenauge, also der Feldaustrittsbereich der Spule, einen Bereich abdeckt, der einen Magnetpol des Rotors bilden soll. Als Rotor wird hierbei eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotors verwendet, so dass bei der Anordnung sichergestellt ist, dass die Wicklungen der Spule an einer Pollücke anliegen. Die Spulenstärke und die mechanische Stabilisierung der Spulen im Magnetisierungsjoch weist dabei Abmessungen auf, die ausreichen, um mit der Spule ein Magnetfeld zu erzeugen, das stark genug ist, um die Magnetkörper in den Taschen permanent in einer gewünschten Weise zu magnetisieren. Da zusätzlich beim erfindungsgemäßen Rotor das Verhältnis aus Pollückenbreite und Magnettiefe in der beschriebenen Weise aufeinander abgestimmt ist, ist auch sichergestellt, dass die benötigten Abmessungen der Spulendrähte und der mechanischen Stabilisierung immer noch schmal genug sind, um durch die Magnetisierung nicht auch die benachbarten Magnetpole zu beeinträchtigen. Insbesondere kann das Magnetisierungsjoch weitere Spulen aufweisen, um gleichzeitig benachbarte Magnetpole des Rotors aufzumagnetisieren.
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Das Herstellen des erfindungsgemäßen Rotors geschieht nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wie folgt: Zunächst wird in Taschen eines magnetischen Blechpakets jeweils zumindest ein Magnetkörper aus einem Material eingeführt, dass zwar keine Magnetisierung aufweist, aber ein ferromagnetisches Material oder eine Seltenerdlegierung umfasst. Dieser Montageschritt ist ungefährlich, da keine Magnetkräfte auf die Bauteile wirken. Die Magnetisierung ist zumindest so gering, dass sich die Magnetkörper nicht gegen die Schwerkraft an eines der Blechpakete haften können. Nach dem Einführen der Magnetkörper in ihre Taschen wird anschließend aus dem Blechpaket mit den darin angeordneten Magnetkörpern die beschriebene Anordnung mit dem Magnetisierungsjoch gebildet. Mit anderen Worten werden die Spulen des Magnetisierungsjochs an dem Blechpaket angelegt. Die elektrischen Spulen des Magnetisierungsjochs werden dann mit einem elektrischen Strom beaufschlagt, was aufgrund der Stabilität des Rotors und der mechanischen Stabilisierung des Magnetisierungsjochs auch mittels eines Stromstoßes ermöglicht sein kann, der beispielsweise durch Entladen einer Kondensatorbatterie erzeugt werden kann. Die elektrischen Spulen erzeugen bei Stromfluss dann ein magnetisches Magnetisierungsfeld, mittels welchem das Material der Magnetkörper in den Taschen in der gewünschten Weise magnetisiert wird.
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Um das Reluktanzmoment zu verbessern, ist gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Rotors vorgesehen, dass in einer oder mehreren oder allen der Pollücken jeweils von beiden angrenzenden Magnetpolen her eine Tasche, in der ein Permanentmagnet angeordnet ist, über den darin angeordneten Permanentmagnet hinaus in die Pollücke hineinragt. Mit anderen Worten ist die Tasche in Umfangsrichtung breiter als der Permanentmagnet, wobei in dem überstehenden Teil kein magnetisches Material, also kein ferromagnetisches oder weichmagnetisches Material, angeordnet ist, sondern beispielsweise Luft oder ein unmagnetisches Material, also ein nicht-ferromagnetisches oder ein nicht-weichmagnetisches, wie beispielsweise ein Kunstharz oder eine Keramik. Die in die Pollücke hineinragenden Taschen bilden dadurch einen unmagnetischen Flusssperrenbereich, welcher die Reaktanz des Rotors im Bereich der Pollücken reduziert. Durch Ausfüllen der Flusssperrenbereiche mit einem festen unmagnetischen Material ergibt sich der zusätzliche Vorteil, dass hierdurch der Rotor mechanisch stabilisiert wird.
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Durch den Abstand zwischen den Flusssperrenbereichen ist ein Flusssperrenabstand F definiert. Mit Abstand ist hierbei in herkömmlicher Weise die Länge der Strecke gemeint, welche die kürzeste, die beiden Flusssperrenbereiche verbindenden Strecke ist. Bei dem erfindungsgemäßen Rotor ergibt sich nun ein weiterer Vorteil, wenn ein Verhältnis der Pollückenbreite B zum Flusssperrenabstand F kleiner als 4 ist, so dass also B < 4·F gilt. Hierdurch ergibt sich der zusätzliche Vorteil, dass der Rotor eine besondere mechanische Festigkeit aufbringt, wie sie nötig ist, um den mechanischen Ruck unbeschadet zu widerstehen, der bei der Verwendung eines besonders starken Magnetisierungsjoches während des Aufmagnetisierens der Magnetkörper entsteht. Insbesondere sind die folgenden Verhältnisse vorgesehen: B < z·F, wobei z einer aus den Werten 4,0; 3,5; 3,0; 2,5, 2,0 oder 1,5 ist.
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Die Permanentmagneten werden bevorzugt in radialer Richtung magnetisiert, das heißt eine radiale Komponente des Vektors ihrer Magnetisierung ist größer als eine in Umfangsrichtung weisende tangentiale Komponente. Auch dies kann für die gesamte magnetische Polabdeckung immer noch zuverlässig mittels des oben beschriebenen Verhältnisses von Pollückenbreite und Magnettiefe zuverlässig auch bei einer nachträglichen Magnetisierung sichergestellt werden.
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Wie bereits ausgeführt kann ein Magnetpol (im Querschnitt) einen einzelnen Magneten aufweisen oder mehrere. Die Verwendung mehrerer Magneten weist hierbei den Vorteil auf, dass sich der Magnetfluss im Blechpaket des Rotors flexibler ausrichten lässt. Zudem vereinfacht die Verwendung von Teilmagneten, also mehreren kleineren Magnetkörpern, die Herstellung des Rotors noch weiter.
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Eine Ausführungsform des Rotors sieht hierbei vor, dass zumindest einer der Magnetpole (im Querschnitt des Rotors betrachtet) jeweils zwei V-förmig angeordnete Permanentmagnete aufweist. Hierdurch wird der magnetische Fluss konzentriert.
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In axialer Richtung des Rotors gesehen, also entlang seiner Rotationsachse, sind die Permanentmagneten als längliche Körper ausgestaltet, insbesondere längliche Quader, wobei die Permanentmagnete in Richtung ihrer längsten Erstreckung parallel zur Rotationsachse angeordnet sind oder zumindest mit der Rotationsachse höchstens einen Winkel von 20° einschließt. Die leicht schräge Anordnung in Bezug auf die Rotationsachse kann den Vorteil bringen, dass eine Welligkeit eines zeitlichen Verlaufs des vom Rotor erzeugten Drehmoments geringer ist als bei einer parallelen Anordnung. Insbesondere ist hierzu ein Winkel zwischen 5° und 20° vorgesehen.
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Wie bereits ausgeführt, gehört zu der Erfindung auch eine elektrische Maschine, bei der in einem Stator mit elektrischen Spulen zum Erzeugen eines Drehfeldes eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotors angeordnet ist. Die erfindungsgemäße Maschine ist bevorzugt als elektrischer Motor, insbesondere als Synchronmotor, ausgestaltet.
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Schließlich gehört zu der Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Maschine zum Antreiben des Kraftfahrzeugs für eine Fahrt, wobei es sich bei der elektrischen Maschine um eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Maschine handelt. Das erfindungsgemäße Fahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen, ausgestaltet.
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Die Erfindung ist im Folgenden noch mal anhand eines konkreten Ausführungsbeispiels erläutert. Hierzu zeigt:
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1 eine schematische Darstellung eines Längsschnitts durch eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine,
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2 eine schematische Darstellung eines Querschnitts durch einen Rotor der elektrischen Maschine von 1, wobei sich der Rotor in einem Magnetisierungsjoch befindet,
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3 eine schematische Darstellung eines weiteren Querschnitts des Rotors von 2, wobei Abmessungen des Rotors veranschaulicht sind,
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4 eine schematische Darstellung eines Querschnitts einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotors,
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5 eine schematische Darstellung eines Querschnitts einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotors, und
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6 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs.
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Die Beispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dar.
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Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtenden Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbildet und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereit beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
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In 1 ist eine elektrische Maschine 10 gezeigt, bei der es sich vorzugsweise um einen Synchronmotor handelt. Die elektrische Maschine 10 ist insbesondere als elektrischer Antriebsmotor für ein Kraftfahrzeug, insbesondere einen Kraftwagen, ausgestaltet. Die elektrische Maschine 10 umfasst einen Stator 12, in dem Wicklungen 14 von elektrischen Spulen angeordnet sind, wobei in 1 nur eine der Wicklungen 14 dargestellt ist. Die Wicklungen 14 werden durch einen (nicht dargestellten) Umrichter nacheinander bestromt, wodurch im Inneren des Stators 12 ein magnetisches Drehfeld in einem Luftspalt 28 der elektrischen Maschine 10 entsteht. Im Inneren des Stators 12 befindet sich ein Rotor 16, der drehfest mit einer Welle 18 verbunden ist. Die Welle 18 ist um eine Rotationsachse 20 drehbar gelagert. Der Rotor 16 ist eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotors. Der Rotor 16 umfasst ein Blechpaket 22, in welchem Permanentmagnete angeordnet sind, von denen in 1 nur ein Permanentmagnet 24 dargestellt ist. Das Blechpaket 22 besteht aus Einzelblechen, die sich senkrecht zur Rotationsachse 20 erstrecken und gegeneinander elektrisch isoliert sind. Die Einzelbleche des Blechpakets 22 weisen Aussparungen auf, die in axialer Richtung fluchtend hintereinander angeordnet sind, so dass sich in dem Blechpaket 22 Schächte, Aussparungen oder Taschen ergeben, in welchen die Permanentmagneten, also auch der Permanentmagnet 24, angeordnet sind. Die Taschen können beispielsweise durch Ausstanzen entsprechender Aussparrungen in jedem der Rotorbleche des Blechpakets 22 gebildet sein. Jeder der Permanentmagneten 24 erstreckt sich in Richtung seiner längsten Erstreckung parallel zur Rotationsachse 20.
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Durch die Permanentmagneten 24 sind an einer Oberfläche 26 entlang eines Außenumfangs des Rotors 16 Magnetfelder abwechselnder Polarität ausgebildet, das heißt eine magnetische Wechselwirkung des Drehfelds des Stators mit den magnetischen Polen des Rotors 16 erzeugt eine Drehkraft, durch welche der Rotor 16 im Stator 12 gedreht wird.
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Beim Bau des Rotors 16 mussten keine besonderen Vorsichtsmaßnahmen ergriffen werden, um den Permanentmagneten 24 in dem Blechpaket 22 anzuordnen. Die Permanentmagneten wurden als unmagentische Magnetkörper in die Taschen des Blechpakets 22 eingeführt und erst hinterher durch ein Magnetisierungsfeld permanent magnetisiert.
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2 zeigt hierzu einen Herstellungsschritt während der Herstellung des Rotors 16. Der dargestellte Querschnitt ist senkrecht zur Rotationsachse 20 gebildet. Der Rotor 16 befindet sich in einem Magnetisierungsjoch 30. Das Magnetisierungsjoch 30 weist eine mechanische Trägeranordnung oder einen Träger 32 auf, in welchem elektrische Spulen 34 angeordnet sind, die mit einer Kondensatorbatterie 36 oder einer anderen elektrischen Energiequelle verbunden sein können. In die Taschen 38 des Blechpakets 22 sind die Permanentmagneten in noch unmagnetisiertem Zustand, also Magnetkörper 24’, eingeschoben worden. Sie wurden hierzu parallel zur Rotationsachse 20 in das Blechpaket 22 geschoben. Anstelle eines einzigen Permanentmagneten können in axialer Richtung, das heißt entlang der Rotationsachse 20, auch jeweils mehrere Permanentmagneten hintereinander angeordnet sein. Dies macht die Herstellung einfacher.
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In dem gezeigten Beispiel von 2 wird durch das Magnetfeld der Spulen 34 in zwei der insgesamt vier Permanentmagneten gleichzeitig eine Magnetisierung M eingeprägt, deren Orientierung in der 2 durch einen Pfeil dargestellt ist. Dementsprechend ergeben sich an den Oberflächen der Permanentmagneten 24 dann ein magnetischer Nordpol (N) und ein magnetischer Südpol (S) an den Magnetpolen.
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Die Magnetkörper 24’ werden dabei durch das externe Magnetfeld, das mittels des Magnetisierungsjochs 30 erzeugt wird, permanent magnetisiert. Hierzu kann beispielsweise mittels der Kondensatorbatterie 36 ein Stromstoß erzeugt werden, durch welchen ein Spulenstrom I durch die Spulen 34 fließt, so dass die Spulen 34 an der Oberfläche 26 ein verhältnismäßig starkes magnetisches Feld erzeugen. Das magnetische Feld wird durch den Stromstoß auch in verhältnismäßig kurzer Zeit erzeugt, so dass eine große Anzahl von Rotoren wie der Rotor 16 hintereinander aufmagnetisiert werden können. Durch die Geschwindigkeit, in welcher das Magnetfeld aufgebaut wird, wirkt in den Spulen 34 auch eine große mechanische Kraft. Die Spulen werden hierbei aber durch den Träger 32 fest in ihrer Position gehalten und können sich auch nicht in sich verformen. Bei der in der 2 gezeigten Anordnung 40 aus Rotor 16 und Magnetisierungsjoch 30 ist es auch in besonderer Weise möglich, jeweils eine der Spulen 34 einen der Magnetkörper 24’ anzuordnen und hierbei dennoch genug Platz für mechanische Stabilisierungsbereiche 48 des Trägers 32 zu haben. Die Stabilisierungsbereiche 38 und die Windungen der Spule können insbesondere vollständig im Bereich der Pollücken 50 aufgestützt werden, sodass Spulenaugen der Spulen 34 vollständig die Magnetpole 52 abdecken können (vollständige Polabdeckung).
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Denn die nötige maximale Stärke des Spulenstromes I hängt von einer Magnettiefe T ab. In 2 ist gezeigt, dass die Magnettiefe T der jeweils tiefste Punkt (gemessen entlang einer radialen Richtung 42 senkrecht zur Rotationsachse 20) der Permanentmagneten 24 ist, also der Abstand des am weitesten vom Außenumfang 44 des Rotors 16, also hier der Oberfläche 26, entfernte Punkt der Permanentmagneten 24. Durch den symmetrischen Aufbau des Rotors 16 weisen alle Permanentmagneten 24 die gleiche Magnettiefe T auf, das heißt ihre jeweils tiefsten Punkte liegen auf einem gemeinsamen Teilkreis 46, der kleiner als der kreisförmige Außenumfang 44 ist. Bei der Anordnung 40 ist nun das Verhältnis aus der Abmessung der mechanischen Stabilisierungsbereiche 48 in Umfangsrichtung U des Rotors 16, auf die maximale Stromstärke des Magnetisierungsstroms I abgestimmt, also letztendlich auf die Magnettiefe T: Ein Verhältnis der Magnettiefe T zu dem Abstand der Magnetkörper 24´ entlang der Umfangsrichtung U ist derart gewählt, dass ein entsprechender breiter Stabilisierungsbereich 48 des Trägers 32 für den nötigen Magnetisierungsstrom I zur Verfügung vorhanden ist. Da das Magnetisierungsjoch 32 besonders stabil ausgelegt sein kann, kann es für besonders viele Magnetisierungsvorgänge verwendet werden, das heißt eine große Standzeit des Magnetisierungsjochs 16 ist gewährleistet.
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Die hierzu nötigen speziellen Abmessungen des Rotors 16 sind in 3 veranschaulicht. Die Magnettiefe T steht in einem besonderen Verhältnis zur Breite der Pollücken zwischen den Magnetpolen 52 des Rotors 16. Hierbei gilt im Zusammenhang mit der Erfindung die folgende Definition: Eine Pollücke 50 erstreckt sich jeweils zwischen zwei Austrittspunkten 54, 56 von jeweils einem besonderen Strahl 58, 60, die jeweils in der folgenden Weise konstruiert sind. Der erste Strahl 58 geht von der Rotationsachse 20 aus als gerade Linie durch einen Punkt 62 eines Permanentmagneten 24, welcher die Pollücke 50 begrenzt, wobei der Punkt 62 derjenige mit der geringsten Tiefe t des Permanentmagneten 24 zum Außenumfang 44, d.h. hier zur Oberfläche 26 hin ist. Die Verlängerung der Verbindung zwischen der Rotationsachse 20 und dem Punkt 62 geringster Tiefe t ergibt den Austrittspunkt 54. In der gleichen Weise ist auf der anderen Seite der Pollücke 50 ein Punkt 64 definiert, bei welchem der dort an die Pollücke 50 angrenzende Permanentmagnet 24 die geringste Tiefe t zur Oberfläche 26 des Rotors 16, also zu dessen Außenumfang 44 hin aufweist. Die Verlängerung der geraden Linie von der Rotationsachse 20 durch den Punkt 64 ergibt den Austrittspunkt 56. Der Abstand der Austrittspunkte 54, 56 bildet die Pollückenbreite B. Für eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotors gilt nun, das folgende Verhältnis: 0,7·T <= B <= 1,6·T, d.h. 0,7·T ≤ B ≤ 1,6·T.
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Der Rotor 16 weist auch eine besonders für die Verwendung der elektrischen Maschine 10 geeignete Reluktanz auf. Hierzu sind die Taschen 38 in Umfangsrichtung U länger als die in ihnen angeordneten Permanentmagneten 24. Die Taschen 38 ragen insbesondere in den Bereich der Pollücke 50 hinein. In diesem Bereich befindet sich in den Taschen 38 kein magnetisches, insbesondere kein weichmagnetisches, Material. Hierdurch bilden die Taschen 38 in diesem Bereich eine Flusssperre K. Ein Abstand der Flusssperren 56 in der Pollücke 50, das heißt der Flusssperrenabstand F, erfüllt dabei die folgende Bedienung: Die Pollückenbreite B ist kleiner als 3 Mal die Flusssperrenabstand F, das heißt B < 4·F. Insbesondere kann gelten: B < 3·F, insbesondere B < 2·F. Dies gewährleistet eine für die Verwendung des Rotors 16 in einem Antriebsmotor für ein Elektrofahrzeug eine hohe mechanische Stabilität. Insbesondere ist der erfindungsgemäße Rotor allgemein geeignet, für eine Drehzahl von größer als 7.000 Umdrehungen pro Minute, insbesondere größer als 10.000 Umdrehungen pro Minute verwendet zu werden.
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Die beschriebenen Verhältnisse sind auch für geteilte und winklig angestelltem Permanentmagneten sowie Variationen in der Form der Flusssperren K gültig. Zwei mögliche Variationen sind im folgendem anhand von zwei weiteren Ausführungsbeispielen des erfindungsgemäßen Rotors in 4 und 5 gezeigt. Der Übersichtlichkeit halber sind dabei auch in 4 und 5 jeweils Elemente, welche dieselbe Funktion aufweisen, wie korrespondierende Elemente in 1 bis 3, mit den Selben Bezugszeichen wie in 1 bis 3 versehen.
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In 4 und 5 weist jeder Magnetpol 52 zwei Permanentmagnete 24 auf. Zur Verdeutlichung des Zusammenwirkens der jeweiligen beiden Permanentmagnete 24 innerhalb eines Magnetpols 52 sind in 4 und 5 exemplarisch eine q-Achse und eine d-Achse des Rotors gezeigt, wie sie sich durch die Magnetpole 52 und die Pollücken 50 ergeben.
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In 4 ist gezeigt, dass in jedem Magnetpol 52 dabei die Magnetisierungen M der Permanentmagnete 24 jeweils gleichgerichtete radiale Komponenten ihrer Vektoren aufweisen, das heißt sie weisen beide entweder radial nach außen von der Rotationsachse 20 weg oder zu ihr hin. Die Ausführungsform gemäß 4 weist Flusssperrbereiche K auf, die sich in radialer Richtung 42 senkrecht zur Rotationsachse 20 eine größere Ausdehnung aufweisen als die Permanentmagneten 24. Insbesondere reichen die Flusssperrbereiche 56 näher an den Außenumfang 44 heran als die Permanentmagnete 24. Hierdurch gibt sich eine besonders geeignete Flussführung, um einen magnetischen Kurzschluss gering zu halten.
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In 5 sind für jeden magnetischen Pol 52 jeweils zwei Permanentmagnete 24 V-förmig angeordnet. Zusätzlich die Flusssperrbereiche K kantenfrei ausgebildet, das heißt im Querschnitt, wie er in 5 gezeigt ist, sind die Ecken der Flusssperrbereiche K abgerundet. Hierdurch sind Feldspitzen im magnetischen Feld des Rotors vermieden.
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In 4 und 5 sind bevorzugt der erste und der zweite Permanentmagnet eines jeden Magnetpols 52 symmetrisch innerhalb des Magnetpols 52 angeordnet. Das heißt zum Beispiel, dass die durch Spiegeln an einer durch die Mitte des Magnetpols 52 und durch den Rotormittelpunkt 20 verlaufenden Linie, das heißt der jeweiligen d-Achse, aufeinander abgebildet werden können. Der erste und der zweite Permanentmagnet 24 können jeweils eine Längsachse im gezeigten Querschnitt aufweisen, die in einer Ebene senkrecht zur Rotationsachse 20 des Rotors 16 liegt.
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Zur Verdeutlichung der Ausdehnung eines einzelnen Magnetpols 52 ist in 4 und 5 noch ein weiterer in der beschriebenen Weise konstruierter Strahl 58´ gezeigt, welcher zusammen mit dem Strahl 60 den einen Magnetpol 52 begrenzt. Der erste und der zweite Permanentmagnet 24 jedes Magnetpols weisen gemeinsam eine Magnetbreite entlang der Umfangsrichtung U auf, die einem Winkel 52 entspricht, der zwischen einer ersten Sekante 60 und einer zweiten Sekante 58´ gebildet ist. Sowohl die erste Sekante 60, als auch die zweite Sekante 58´ verlaufen durch den Mittelpunkt 20 des Rotors und können auch als erste und zweite Zentrale bezeichnet werden. Die erste Sekante 60 verläuft ferner durch den ersten Magneten 24 in einem Punkt 64, der dem Rotorrand 44 am nächsten liegt. Ist der erste Magnet 24 in etwa parallel zum Rotorrand 44 angeordnet, so kann die erste Sekante 60 durch einen Punkt 64 des Magneten 24 verlaufen, der dem benachbarten Pol am nächsten ist. Der Rotorrand 44 kann dabei zum Beispiel der Umfang 44 des Rotors sein. Analog verläuft die zweite Sekante 58´ durch den zweiten Magneten 24 in einem Punkt 62´ der dem Rotorrand 44 am nächsten liegt. Zum Beispiel liegt dieser Punkt 62´ des Zweitmagneten 24 dem anderen benachbarten Pol am nächsten. Bei den gezeigten Ausführungsbeispielen gilt dann die folgende Formulierung:
Breite der Pollücke B = (0,7 bis 1,6)·Magnettiefe T und
Breite der Pollücke B < 4·Flusssperrenabstand F.
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In 6 ist in schematischer Darstellung eines Kraftfahrzeugs 66 gezeigt, das beispielsweise ein Personenkraftwagen sein kann. Das Kraftfahrzeug 66 weist einen elektrischen Antriebsmotor 68 auf, in dessen Gehäuse 70 sich beispielsweise die elektrische Maschine 10 befinden kann. Die Welle 18 der elektrischen Maschine 10 kann z.B. über ein Getriebe 72 mit einem Antriebsstrang 74 des Kraftfahrzeugs 66 gekoppelt sein. Der Antriebsstrang 74 kann beispielsweise ein Hinterrad 76 des Kraftwagens 66 antreiben.
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Durch die Beispiele ist gezeigt, wie ein Rotor mit innerliegenden Permanentmagneten bereitgestellt werden kann, welcher eine insbesondere für eine eCar-Anwendung geeignete elektrische Performance bietet, eine hohe mechanische Festigkeit aufbringt und die Voraussetzung erfüllt, um erst nach der Montage aufmagnetisiert werden zu können, wobei hierzu ein Magnetisierungsjoch verwendbar ist, das verschleißfrei ausgestaltet werden kann, so dass sich für das Magnetisierungsjoch eine große Standzeit ergibt. Hierdurch ist insgesamt ein kostenoptimiertes Herstellen möglich, wobei der Aufwand in der Fertigung mit Magnethandling durch die nachträgliche Aufmagnetisierung minimiert wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010043224 A1 [0001]
