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Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine, insbesondere für einen Elektromotor.
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Aus dem Stand der Technik sind eine Vielzahl von möglichen Ausführungsformen eines Rotors einer elektrischen Maschine bzw. eines Elektromotors bekannt. Insbesondere kennt der Stand der Technik elektrische Maschinen mit internen Permanentmagneten (IPM) und Halbach-Motoren.
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Elektrische Maschinen mit internen Permanentmagneten (IPM) weisen sowohl ein Reluktanzdrehmoment als auch ein Drehmoment auf, das aus der magnetischen Wechselwirkung zwischen den Polen des Stators und den internen Permanentmagneten gebildet wird.
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Ein Nachteil der elektrischen Maschinen mit internen Permanentmagneten (IPM) ist, dass diese eine Drehmomentwelligkeit (pulsierendes Drehmoment) aufweisen können. Durch die Drehmomentwelligkeit werden die Antriebskomponenten der elektrischen Maschine deutlich stärker belastet. Auch tritt eine vergleichsweise hohe Geräuschbelastung auf.
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Ein Halbach-Motor ist eine elektrische Maschine, die einen Rotor umfasst, der auf seinem Außenumfang eine Halbach-Anordnung (Halbach-Array) aufweist. Nach dem Stand der Technik bildet die Halbach-Anordnung für elektrische Maschinen eine kreis- und/oder zylinderförmige Struktur aus, die geschlossen um einen Kern des Rotors liegt. Hierbei weist die Halbach-Anordnung eine entlang des Außenumfangs (azimutal) rotierende Magnetisierung auf.
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Ein wesentlicher Nachteil des nach dem Stand der Technik mit außenliegenden Permanentmagneten aufgebauten Halbach-Motors gegenüber einem Motor mit internen Permanentmagneten (IPM) ist, dass dieser kein Reluktanzdrehmoment aufweist.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Halbach-Motor anzugeben, der ein Reluktanzdrehmoment aufweist.
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Die Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
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Der erfindungsgemäße Rotor für eine elektrische Maschine, insbesondere einen Elektromotor, umfasst wenigstens zwei Halbach-Anordnungen und eine ferromagnetische Zylinderstruktur, wobei die Halbach-Anordnungen azimutal entlang der Zylinderstruktur derart angeordnet sind, dass azimutal zwischen zwei benachbarten Halbach-Anordnungen wenigstens ein Abschnitt der Zylinderstruktur liegt.
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Die Richtungen axial, radial und azimutal beziehen sich stets auf eine Drehachse des Rotors und bilden in ihrer Gesamtheit ein zylindrisches Koordinatensystem (Rotorkoordinatensystem) aus.
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Der erfindungsgemäße Rotor ist allgemein in elektrischen Maschinen, wie beispielsweise in Elektromotoren für elektrisch betriebene Kraftfahrzeuge und/oder Generatoren einsetzbar.
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Durch den erfindungsgemäßen Rotor wird erfindungsgemäß ein Halbach-Motor angegeben, der ein Reluktanzdrehmoment aufweist. Hierbei wird das Reluktanzdrehmoment durch den zwischen zwei Halbach-Anordnungen liegenden ferromagnetischen Abschnitt der Zylinderstruktur gebildet. Die Halbach-Anordnungen bilden hierbei die Pole des Rotors aus.
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Durch die azimutal zwischenliegende Anordnung der Abschnitte kann vorteilhafterweise eine magnetische Flussdichte, die beispielsweise durch einen Stator gebildet wird, durch einen Abschnitt um wenigstens eine Halbach-Anordnung zu einem azimutal nächsten bzw. benachbarten Abschnitt geführt werden. Durch die Führung der magnetischen Flussdichte durch die zwischenliegenden Abschnitte wird ein Reluktanzdrehmoment ermöglicht und somit ein zusätzliches Drehmoment für den Halbach-Motor bereitgestellt. Dadurch wird vorteilhafterweise das Gesamtdrehmoment des erfindungsgemäßen Rotors erhöht. Vorteilhafterweise ist hierbei eine hohl ausgebildete Zylinderstruktur vorgesehen, so dass auf einen voll ausgebildeten ferromagnetischen Kern des Rotors verzichtet werden kann. Dadurch werden Wirbelströme, die im Kern des Rotors auftreten würden, verringert, so dass sich die Energieeffizienz der elektrischen Maschine verbessert. Zudem wird das Massenträgheitsmoment des Rotors reduziert.
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Vorteilhafterweise wird durch die zwischen zwei Abschnitten liegenden Halbach-Anordnungen eine magnetische Flussdichte in einem Luftspalt, der radial zwischen Stator und Rotor liegt, verstärkt. Der erfindungsgemäße Rotor weist somit die Vorteile eines Halbach-Motors und eines Reluktanzmotors auf.
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Ein Vorteil der Halbach-Anordnung liegt darin begründet, dass die magnetische Flussdichte hauptsächlich im Luftspalt, der radial zwischen Stator und Rotor liegt, verläuft. Beispielsweise können die Halbach-Anordnungen mittels eine Mehrzahl von Permanentmagneten gebildet sein, so dass durch eine spezielle Anordnung der einzelnen Permanentmagneten die magnetische Flussdichte in radial nach innen gerichteter Richtung (innerhalb des Rotors) abgeschwächt wird, während sie im Luftspalt (außerhalb des Rotors) selbst verstärkt und/oder konzentriert wird. Durch die Abschwächung der magnetischen Flussdichte innerhalb des Rotors werden Verluste, die aufgrund von Wirbelströmen im Rotor auftreten, verringert. Zudem wird durch die im Luftspalt verstärkte und/oder konzentrierte magnetische Flussdichte ein höheres Drehmoment bereitgestellt und die Leistungsdichte erhöht. Generell kann sogar auf einen gebräuchlichen Eisenrückschluss verzichtet werden, wodurch das Massenträgheitsmoment des Rotors weiter reduziert wird.
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Der Verlauf der magnetischen Flussdichte kann bei einigen Reluktanzmotoren im Luftspalt annähernd rechteckförmig sein. Die steil ausgeprägten Kanten der Rechteckform führen zur Erzeugung höherer harmonischer Anteile. Die Halbach-Anordnungen glätten erfindungsgemäß die steilen Kanten und führen zu einem annähernd sinusförmigen und somit harmonischen räumlichen Verlauf bzw. zu einer annähernd sinusförmigen räumlichen Variation der magnetischen Flussdichte im Luftspalt. Dadurch wird eine Drehmomentwelligkeit des Rotors, beispielsweise gegenüber elektrischen Maschinen mit außenliegenden Permanentmagneten, verringert. Der erfindungsgemäße Rotor ermöglicht es somit ein Reluktanzdrehmoment für einen Halbach-Motor bereitzustellen und dabei gleichzeitig die Drehmomentwelligkeit möglichst gering zu halten. Dies führt insgesamt vorteilhafterweise zu einem ruhigeren Lauf des Rotors und zu einer Entlastung von Lagern.
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Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Rotors ist, dass die ferromagnetische Zylinderstruktur desaturiert ist. Die Desaturierung ist dadurch verursacht, dass im Wesentlichen allein die magnetische Flussdichte, die durch die Pole des Stators gebildet ist, durch die ferromagnetische Zylinderstruktur verläuft. Vorteilhafterweise kann dadurch die ferromagnetische Zylinderstruktur möglichst dünn in radialer Richtung ausgebildet sein. Insbesondere kann die Zylinderstruktur radial dünner als bei elektrischen Maschinen mit internen Permanentmagneten (IPM) ausgebildet sein. Zudem wird die Leistung einer elektrischen Maschine, die den erfindungsgemäßen Rotor umfasst, in Bezug auf ihren Drehzahlbereich verbessert.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Abschnitte der ferromagnetischen Zylinderstruktur als radial nach außen gerichtete Zähne ausgebildet, wobei jeweils zwischen zwei azimutal benachbarten Zähnen eine Halbach-Anordnung liegt.
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Dadurch wird vorteilhafterweise ein Reluktanzmotor bereitgestellt, dessen Pole durch die radial nach außen gerichteten Zähne gebildet sind. Ein Halbach-Motor wird durch die zwischenliegenden Halbach-Anordnungen ermöglicht.
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Vorteilhafterweise können dadurch nach dem Stand der Technik bekannte Rotoren, beispielsweise von elektrischen Maschinen mit internen, vergrabenen oder außenliegenden Permanentmagneten, zu einer Herstellung des erfindungsgemäßen Rotors verwendet werden. Dadurch verringert sich der Entwicklungsaufwand, der beispielsweise bei elektrischen Maschinen mit internen Permanentmagneten besonders hoch ist, für den Rotor.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung bilden die Halbach-Anordnungen in Verbindung mit den Zähnen einen zylinderförmigen radial außenliegenden Abschluss des Rotors aus. Dadurch wird vorteilhafterweise ein annähernd zylinderförmiger Rotor geschaffen. Überdies wird besonders vorteilhafterweise ein Zwischenraum, der azimutal zwischen zwei Zähnen der Zylinderstruktur ausgebildet ist, maximal für die Halbach-Anordnungen genutzt. Ein Über- und/oder Unterstand der Halbach-Anordnungen gegenüber den Zähnen wird hierbei vermieden.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst der Rotor eine zylinderförmige Bandage, die zu einer radialen Stützung der Halbach-Anordnungen ausgebildet ist.
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Durch die zylinderförmige Bandage, die vorteilhafterweise an einem Außenumfang des Rotors angeordnet ist, werden die Halbach-Anordnungen, die in dem azimutalen Zwischenraum zwischen zwei Zähnen angeordnet sind, form- und/oder kraftschlüssig in Position gehalten. Insbesondere bei erhöhten Drehzahlen ist eine zusätzliche radiale Stützung der Halbach-Anordnungen gegenüber den einwirkenden hohen Fliehkräften von Vorteil. Diese Stützung wird vorteilhafterweise durch die anliegende Bandage bereitgestellt. Insbesondere ist eine Bandage, die Kohlefaser und/oder Kunststofffaser umfasst, von Vorteil. Dadurch ergibt sich eine Bandage, die den radialen Fliehkräften gewachsen ist und zugleich eine geringe Masse aufweist, so dass das Massenträgheitsmoment des Rotors durch die zusätzliche Bandage nur möglichst geringfügig vergrößert wird. Überdies ermöglicht die Bandage einen Schutz der Halbach-Anordnungen gegenüber äußeren Einwirkungen, wie beispielsweise Schmutz und/oder Wasser.
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In einer Notfallsituation, in der der Rotor beispielsweise mit einem weiteren Bauteil der elektrischen Maschine in Berührung kommt, insbesondere mit dem Stator, stellt die Bandage eine Notlaufbeschichtung dar. Insbesondere ist vorgesehen die Bandage mit einem möglichst geringen Gleitreibungskoeffizienten auszugestalten.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist die ferromagnetische Zylinderstruktur eine Mehrzahl von Taschen auf, die zu einer form- und/oder kraftschlüssigen Aufnahme der Halbach-Anordnungen ausgebildet sind.
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Vorteilhafterweise werden durch die Taschen (Ausnehmungen) in der ferromagnetischen Zylinderstruktur die darin eingebetteten bzw. vergrabenen Halbach-Anordnungen in ihrer Position gehalten. In dieser Ausführungsform kann eine zusätzliche Bandage, die an dem Außenumfang des Rotors angeordnet ist, entfallen. Die Halbach-Anordnungen, die in den Taschen eingebettet sind, werden vorteilhafterweise allein durch die Taschen form- und kraftschlüssig gegenüber radialen, axialen und/oder azimutalen Kräften gestützt. Zusätzliche verbindende Elemente, die die Halbach-Anordnungen mit dem Rotor und/oder mit der ferromagnetischen Zylinderstruktur form- oder kraftschlüssig verbinden, können somit entfallen.
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In der genannten Ausgestaltung des Rotors mit Taschen wird die Verteilung bzw. der Verlauf des magnetischen Widerstandes (Reluktanzdrehmoment) durch die Abschnitte der Zylinderstruktur ermöglicht, wobei die Abschnitte jeweils zwischen zwei azimutal benachbarten Taschen liegen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Halbach-Anordnungen jeweils aus einer Mehrzahl von einander anschließenden permanentmagnetischen Segmenten gebildet.
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Dadurch können vorteilhafterweise aus dem Stand der Technik bekannte Halbach-Anordnungen für den erfindungsgemäßen Rotor verwendet werden. Überdies übergibt sich ein einfacher Aufbau und/oder Zusammenbau. Beispielsweise lassen sich dadurch die Halbach-Anordnungen auf eine Form der Taschen anpassen. Auch auf den Zwischenraum, der azimutal zwischen zwei Zähnen der ferromagnetischen Zylinderstruktur liegt, können die einzelnen Segmente und somit die Halbach-Anordnungen insgesamt angepasst werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die permanentmagnetischen Segmente quaderförmig ausgebildet.
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Durch die quaderförmige Ausbildung der einzelnen Segmente der Halbach-Anordnungen wird ein einfacher Aufbau der Halbach-Anordnungen ermöglicht. Sind die quaderförmigen Segmente der Halbach-Anordnungen zwischen zwei Zähnen der ferromagnetischen Zylinderstruktur angeordnet, so ergibt sich vorteilhafterweise annähernd ein zylinderförmiger Abschluss des Rotors. Hierbei sind/ist eine Höhe und/oder eine Breite der einzelnen Segmente auf Platzverhältnisse im Zwischenraum abgestimmt.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die permanentmagnetischen Segmente keilsteinartig ausgebildet.
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Vorteilhafterweise werden dadurch Druckkräfte, die auf den einzelnen Segmenten lasten, beispielsweise bei erhöhten Drehzahlen, auf bezüglich der Richtung der Druckkraft seitliche Segmente übertragen. Insbesondere werden die Druckkräfte, wie beispielsweise bei Keilsteinen eines Steinbogens, auf seitlich unmittelbare anliegende Segmente übertragen. Dadurch ergibt sich besonders vorteilhafterweise eine gute thermische und kraft- und/oder formschlüssige Verbindung von einzelnen Segmenten der Halbach-Anordnung. Hierbei ist es zudem vorgesehen, die einzelnen Segmente und somit die Halbach-Anordnungen in eine zylinderförmige Bandage, die an dem Außenumfang des Rotors angeordnet ist, einzupressen und/oder einzuschrumpfen. Durch die keilsteinartige Ausbildung der einzelnen Segmente werden daher die Druckkräfte, die sich aus einem Einpressen und/oder einem Einschrumpfen der Halbach-Anordnungen ergeben ring- und/oder zylinderartig sowohl radial als auch azimutal in ihrer Position gehalten. Hieraus resultiert vorteilhafterweise eine hohe mechanische Stabilität. Zusätzliche Komponenten für eine mechanische Verbindung der einzelnen Segmente und/oder einer Verbindung mit der ferromagnetischen Zylinderstruktur entfallen somit. Keilsteinartige Segmente sind besonders von Vorteil, da sie eine formschlüssige, zylinderförmige Anordnung ermöglichen.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfassen die Halbach-Anordnungen jeweils ein erstes und ein letztes Segment, die eine entgegengesetzte Magnetisierung aufweisen.
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Dadurch wird vorteilhafterweise eine im Wesentlichen räumlich harmonisch (sinusförmig) verlaufende magnetische Flussdichte im Luftspalt, der radial zwischen dem Rotor und dem Stator liegt, ermöglicht. Zudem ist vorgesehen, dass ein erstes Segment einer Halbach-Anordnung und ein letztes Segment einer azimutal benachbarten Halbach-Anordnung eine im Wesentlichen parallele Magnetisierung aufweisen. Dadurch wird vorteilhafterweise die magnetische Flussdichte über die zwischenliegenden Abschnitte der Zylinderstruktur, insbesondere über die ferromagnetischen Zähne der Zylinderstruktur, die zwischen den beiden benachbarten Halbach-Anordnung liegen, kurzgeschlossen. Dadurch wird ein verbesserter harmonischer (sinusförmiger) Verlauf der magnetischen Flussdichte ermöglicht. Durch das magnetische Schließen der magnetischen Flussdichte zwischen zwei benachbarten Halbach-Anordnungen wird insgesamt eine effektive Halbach-Anordnung geschaffen, die im Wesentlichen den gesamten Außenumfang der Zylinderstruktur bedeckt. Der harmonische Verlauf der magnetischen Flussdichte im Luftspalt wird nur möglichst geringfügig durch die zwischenliegenden Abschnitte der ferromagnetischen Zylinderstruktur gestört. Das letzte Segment einer Halbach-Anordnung und das erste Segment einer azimutal benachbarten Halbach-Anordnung wirken somit zusammen mit dem zwischenliegenden Abschnitt der ferromagnetischen Zylinderstruktur wie ein effektives Segment einer zylinderförmig schlüssigen effektiven Halbach-Anordnung. Mit anderen Worten wirken das genannte letzte und das genannte erste Segment wie ein effektives Polpaar einer zylinderförmig schlüssigen Halbach-Anordnung. Dennoch wird erfindungsgemäß durch die zwischenliegenden Abschnitte der ferromagnetischen Zylinderstruktur ein zusätzliches Reluktanzdrehmoment des Rotors bereitgestellt.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung liegt bei jeder Halbach-Anordnung zwischen zwei benachbarten Segmenten der jeweiligen Halbach-Anordnung ein weiterer Abschnitt der ferromagnetischen Zylinderstruktur.
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Dadurch kann vorteilhafterweise die magnetische Flussdichte im Luftspalt weiter verändert und/oder optimiert werden. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung sind hierbei die einzelnen Segmente der Halbach-Anordnungen in einzelnen Taschen der ferromagnetischen Zylinderstruktur angeordnet.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst jede Halbach-Anordnung ein Segment, insbesondere ein mittiges Segment, das im Vergleich zu allen weiteren Segmenten der jeweiligen Halbach-Anordnung eine größere azimutale Ausdehnung aufweist.
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Dadurch wird die magnetische Flussdichte, die durch die Halbach-Anordnungen im Luftspalt ausgebildet wird, weiter verbessert, optimiert und/oder konzentriert. Insbesondere kann die magnetische Flussdichte an die Pole des Stators optimal angepasst werden. Zudem ist durch die azimutale Vergrößerung eines Segmentes oder mehrerer Segmente, insbesondere des mittigen Segmentes, vorgesehen die Form bzw. den räumlichen Verlauf der magnetischen Flussdichte im Luftspalt zu verbessern. Dadurch werden höhere Harmonische, die eine Laufunruhe des Motors verursachen und somit zu einer erhöhten Belastung von Lagern und/oder weiteren Bauteilen führen, vermieden. Generell ist es von besonderem Vorteil, die magnetische Flussdichte im Luftspalt harmonisch und somit sinusförmig auszugestalten. Dies kann durch eine Vergrößerung der azimutalen Ausdehnung wenigstens eines Segmentes der Halbach-Anordnungen gelingen.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst jede Halbach-Anordnung wenigstens zwei Halbach-Unteranordnungen, wobei die Halbach-Unteranordnungen jeweils aus einer Mehrzahl voneinander anschließenden permanent magnetischen Segmenten gebildet sind und jede Halbach-Unteranordnung ein erstes und ein letztes Segment umfasst, wobei zwischen einer Magnetisierung des ersten und des letzten Segmentes der jeweiligen Halbach-Unteranordnung ein Winkel von π/2 liegt.
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Dadurch kann die Form bzw. der räumliche Verlauf der magnetischen Flussdichte im Luftspalt weiter verbessert werden. Die zwei Halbach-Unteranordnungen können zu einer Formbildung, also zu einer geometrischen Anordnung der Halbach-Anordnungen ausgebildet sein. Beispielsweise lassen sich die zwei Halbach-Unteranordnungen azimutal derart nebeneinander anordnen, dass ein weiterer Abschnitt der ferromagnetischen Zylinderstruktur zwischen den zwei Halbach-Unteranordnungen liegt.
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Durch die vorteilhafte Ausrichtung der Magnetisierung der Segmente der Halbach-Unteranordnungen wird eine effektive Halbach-Anordnung geschaffen, bei der beispielsweise das mittige Segment zweigeteilt ist. Dadurch wird die Form der magnetischen Flussdichte weiter angepasst und insbesondere im Luftspalt konzentriert. Generell ermöglichen die Halbach-Unteranordnungen eine Vielzahl von Ausrichtungen bzw. Anordnungen, die die magnetische Flussdichte im Luftspalt wie gewünscht anpassen und/oder konzentrieren.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sind die Halbach-Unteranordnungen V-förmig ausgebildet.
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Dadurch wird die magnetische Flussdichte im Luftspalt in seiner Form bzw. in seinem räumlichen Verlauf zusätzlich konzentriert. Ein Vorteil der V-förmigen Ausbildung ist, dass eine Breite der Gesamtoberfläche der Halbach-Anordnung größer ist als eine Polbreite. Dadurch wird die magnetische Flussdichte im Luftspalt vergrößert.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die räumliche Variation der Richtung der Magnetisierung der Halbach-Anordnungen im Wesentlichen kontinuierlich.
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Durch die kontinuierliche Variation der Richtung der Magnetisierung wird die Form der magnetischen Flussdichte im Luftspalt weiter verbessert. Für eine kontinuierliche Variation der Richtung der Magnetisierung wird beispielsweise die Halbach-Anordnung aus einem idealen Halbach-Magnet (Multipolmagnet) mittels einer Multipolmagnetisierung gebildet. Zudem ist vorgesehen auch die Halbach-Unteranordnungen aus einem solchen idealen Halbach-Magnet auszubilden. Generell können alle Halbach-Anordnungen und/oder Halbach-Unteranordnungen und somit alle genannten Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung eine im Wesentlichen kontinuierliche Variation der Richtung der Magnetisierung aufweisen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die einzelnen Halbach-Anordnungen einer Mehrzahl n von Halbach-Anordnungen jeweils in einem Teilsegment der ferromagnetischen Zylinderstruktur angeordnet, wobei eine azimutale Ausdehnung der Teilsegmente höchstens 2π/n beträgt. Hierbei sind die einzelnen Halbach-Anordnungen jeweils azimutal mittig in jeweils einem der Teilsegmente der ferromagnetischen Zylinderstruktur angeordnet.
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Dadurch sind die Halbach-Anordnungen regelmäßig innerhalb der Teilsegmente der ferromagnetischen Zylinderstruktur azimutal angeordnet. Durch die n Halbach-Anordnungen weist die ferromagnetische Zylinderstruktur wenigstens n zwischenliegende Abschnitte auf, die insbesondere als Zähne ausgebildet sind. Dadurch ergibt sich effektiv eine n-polige elektrische Maschine. Durch eine erhöhte Anzahl von Polen des Rotors, die durch die Zähne der ferromagnetischen Zylinderstruktur gebildet sind, wird ein annähernd harmonischer, beispielsweise sinusförmiger Verlauf der magnetischen Flussdichte im Luftspalt ermöglicht. Generell ist die Anzahl n der Pole und somit die Anzahl n der Halbach-Anordnungen mit dem Zweck des erfindungsgemäßen Rotor abzustimmen. So kann je nach Anwendung oder Anwendungsbereich eine höhere bzw. eine niedrigere Anzahl n von Halbach-Anordnungen und/oder Polen der ferromagnetischen Zylinderstruktur von Vorteil sein.
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Durch die mittige Anordnung der Halbach-Anordnungen im jeweiligen Teilsegment der ferromagnetischen Zylinderstruktur wird vorteilhafterweise eine gleichmäßige Verteilung der Halbach-Anordnung entlang der ferromagnetischen Zylinderstruktur ermöglicht. Um ein genügend hohes Reluktanzdrehmoment des Rotors zu schaffen, sind genügend große Abschnitte, die zwischen den Halbach-Anordnungen liegen, vorgesehen. Durch eine azimutale Ausdehnung der Halbach-Anordnungen von beispielsweise höchstens 30° wird bei einer azimutalen Ausdehnung der Teilsegmente von 45° ein vorteilhafter Kompromiss zwischen der Ausdehnung der Halbach-Anordnungen und der Ausdehnung der zwischenliegenden Abschnitte der ferromagnetischen Zylinderstruktur geschaffen.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von drei bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in der
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1 eine Schnittdarstellung einer Grundkonfiguration eines Rotors mit acht Polen zeigt;
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2 zwei Teilsegmente einer ferromagnetischen Zylinderstruktur und zwei eingebettete Halbach-Anordnungen (Halbach-Pole) darstellt;
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3 ein Teilsegment der ferromagnetischen Zylinderstruktur und eine Halbach-Anordnung mit abgetrenntem ersten und letztem Segment zeigt;
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4 ein Teilsegment der ferromagnetischen Zylinderstruktur mit zwei Halbach-Unteranordnungen zeigt.
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Gleichartige Elemente werden in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Richtungen axial, radial und azimutal DA, RR, AR beziehen sich stets auf eine Drehachse DA des Rotors 1. Die axiale Richtung DA zusammen mit einer radialen Richtung RR und einer azimutalen Richtung AR bilden ein zylindrisches Koordinatensystem (Rotorkoordinatensystem) aus, wobei die axiale Richtung DA der Drehachse DA entspricht.
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1 zeigt einen zur Drehachse DA senkrechten Schnitt des Rotors 1. Hierbei ist der Rotor 1 für eine elektrische Maschine zu verwenden, die einen nicht gezeigten Stator umfasst. Der Rotor 1 und der Stator sind koaxial zueinander ausgerichtet. Weiterhin zeigt 1 eine Mehrzahl von Halbach-Anordnungen 2, die sich jeweils aus einer Mehrzahl von Segmenten 4a...e zusammensetzen, wobei jedes Segment 4a...e eine Magnetisierung 5a...e aufweist. Zwischen je zwei Halbach-Anordnungen 2 ist ein radial nach außen gerichteter Zahn 8 der ferromagnetischen Zylinderstruktur 6 angeordnet. Die Zylinderstruktur 6 ist somit im gezeigten Ausführungsbeispiel zahnradartig bzw. hohlzahnradartig ausgebildet. Insgesamt umfasst der in 1 gezeigte Rotor 1 acht Halbach-Anordnungen 2, acht Zähne 8 und somit acht Teilsegmente 12.
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Die Halbach-Anordnungen 2 sind regelmäßig entlang der azimutalen Richtung AR auf einer Außenseite der Zylinderstruktur 6 angeordnet. Hierbei schließen die Halbach-Anordnungen 2 radial mit den radial nach außen gerichteten Zähnen 8 der Zylinderstruktur 6 ab. Dadurch ergibt sich in der Schnittdarstellung ein im Wesentlichen ringförmiger Rotor 1.
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Die Variation der Richtung der Magnetisierung der Halbach-Anordnungen 2 kann hierbei auch kontinuierlich anstatt in diskreten Schritten erfolgen. Eine kontinuierliche Variation der Richtung der Magnetisierung kann beispielsweise durch entsprechend aufmagnetisierte Magnete (Multipolmagnete) erreicht werden. Wird die Halbach-Anordnung 2 aus einer Mehrzahl von Permanentmagneten 4a...e gebildet, so wird wie in 1 dargestellt eine diskrete und somit schrittweise Variation der Richtung der Magnetisierung der Halbach-Anordnung 2 durch eine entsprechende Variation der Magnetisierung 5a...e der einzelnen Permanentmagnete 4a...e ermöglicht.
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Von besonderem Vorteil ist, dass die ferromagnetische Zylinderstruktur 6 – in der Schnittdarstellung ringförmige Zylinderstruktur 6 – hohl ausgebildet ist. Es wird daher auf einen Eisenrückschlusskern des Rotors 1 verzichtet, so dass das Massenträgheitsmoment des Rotors 1 möglichst gering gehalten werden kann und zudem mehr Bauraum verfügbar ist.
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Die einzelnen Segmente 4a...e jeder Halbach-Anordnung 2 sind quaderförmig ausgebildet. Insbesondere weisen ein erstes Segment 4a und ein letztes Segment 4e eine entgegengesetzt gerichtete Magnetisierung 5a, 5e auf. Hierbei sind die Magnetisierungen des letzten Segmentes 5e und des ersten Segmentes 5a einer benachbarten Halbach-Anordnung 2 parallel ausgerichtet.
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Durch die dargestellte Anordnung der Halbach-Anordnungen 2 wird ein Halbach-Motor bereitgestellt, der ein Reluktanzdrehmoment aufweist. Die Halbach-Anordnungen 2 ermöglichen, dass eine zugehörige magnetische Flussdichte MH, die einen Anteil der magnetischen Gesamtflussdichte (Gesamtmagnetfeld) ausbildet, annähernd harmonisch (bspw. sinusförmig), in einem Luftspalt, der radial zwischen dem Rotor 1 und dem nicht gezeigten Stator liegt, ausgebildet ist. Durch die Zähne 8 der Zylinderstruktur 6 wird im magnetischen Feld des Stators zudem eine magnetische Flussdichte MR ermöglicht, die entlang eines Weges mit einer geringen Reluktanz (Flusswege) fließt und die ein Reluktanzdrehmoment des Rotors 1 bereitstellt. Hierbei verläuft die magnetische Flussdichte MR von einem Zahn 8 zu einem azimutal benachbarten Zahn 8 radial unterhalb einer zwischenliegenden Halbach-Anordnung 2. Das Gesamtmagnetfeld setzt sich somit aus den zwei magnetischen Flussdichten MH, MR zusammen.
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Der in 1 dargestellte Rotor 1 kombiniert somit die Vorteile eines Reluktanzmotors mit einem Halbach-Motor. Insbesondere wird ein Reluktanzdrehmoment bereitgestellt, ohne dass der harmonische räumliche Verlauf der magnetischen Flussdichte MH oder der magentischen Gesamtflussdichte im Luftspalt wesentlich gegenüber einen Halbach-Motor mit einer zylinderförmig schlüssigen Halbach-Anordnung gestört ist. Generell kann eine azimutale Ausdehnung der Zähne 8 und der Halbach-Anordnungen 2 zur Optimierung der magnetischen Flussdichten MH, MR angepasst werden. Die Gesamtanzahl der Zähne 8 und der Halbach-Anordnungen 2 kann je nach Anforderung an die elektrische Maschine angepasst werden. Durch die Halbach-Anordnungen 2 oder die Zähne 8 ergeben sich nur geringe anharmonische Anteile der magnetischen Flussdichte MH oder der magnetischen Gesamtflussdichte im Luftspalt, so dass eine Laufruhe des Rotors 1 gegenüber dem Stand der Technik erhöht ist. Zudem werden Verluste im Rotor 1 minimiert.
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Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist ein Teilsegment 12 der ferromagnetischen Zylinderstruktur 6 eine azimutale Ausdehnung 14 von 45° auf. Die Halbach-Anordnungen 2 weisen jeweils eine azimutale Ausdehnung 16 von 30° auf. Hierbei weist die Zylinderstruktur 6 insgesamt eine radiale Dicke im Bereich von 17 mm bis 18 mm auf. Jede der insgesamt acht Halbach-Anordnungen 2 ist aus einer Mehrzahl von Segmenten 4a...e aufgebaut, die jeweils eine azimutale Ausdehnung von etwa 6° aufweisen. Dadurch umfasst jede Halbach-Anordnung 2 insgesamt fünf Segmente 4a...e. Jeder Zahn 8 der ferromagnetischen Zylinderstruktur 6 weist eine azimutale Ausdehnung von höchstens 15° auf.
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In 2 sind zwei Teilsegmente 12 der ferromagnetischen Zylinderstruktur 6 gezeigt. Hierbei ist die ferromagnetische Zylinderstruktur 6 wiederum in einem Schnitt senkrecht zu einer nicht dargestellten Drehachse DA des Rotors 1 dargestellt.
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Jeweils in einem Teilsegment 12 ist eine Halbach-Anordnung 2 in Taschen 10 der ferromagnetischen Zylinderstruktur 6 angeordnet. Die Taschen 10 sind hierbei kreissegmentartig ausgebildet. Jede Halbach-Anordnung 2 weist wie bereits in 1 fünf Segmente 4a...e auf. Die einzelnen Segmente 4a...e sind form- und/oder kraftschlüssig in die Taschen 10 eingepresst. Die Zähne 8 der ferromagnetischen Zylinderstruktur 6 sind durch Abschnitte 8 ausgebildet, die jeweils zwischen zwei Halbach-Anordnungen 2 liegen. Durch die Einbettung der Halbach-Anordnungen 2 in Taschen 10 der Zylinderstruktur 6 können die Halbach-Anordnungen 2 auch bei erhöhten Drehzahlen in Position gehalten werden. Generell kann durch eine Form der Taschen 10 eine gewünschte geometrische Anordnung der einzelnen Segmente 4a...e der Halbach-Anordnungen 2 geschaffen werden. Ein besonderer Vorteil ist der Schutz gegen eine Entmagnetisierung der Halbach-Anordnungen und eine niedrige Leerlaufspannung.
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Der in diesem Ausführungsbeispiel gezeigte Rotor 1 besitzt unter anderem den Vorteil, dass auf eine an der Zylinderstruktur 6 radial außen anliegende Bandage, die die Halbach-Anordnungen 2 auch bei erhöhten Drehzahlen an der Zylinderstruktur 6 halten, verzichtet werden kann. Die Bandage wird schlicht durch die Zylinderstruktur 6 selbst ausgebildet.
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3 zeigt ein Teilsegment 12 mit einer Halbach-Anordnung 2. Die Halbach-Anordnung 2 umfasst fünf Segmente 4a...e, die keilsteinartig ausgebildet sind. Die Halbach-Anordnung 2 bildet somit in der Schnittdarstellung eine kreissegmentartige Struktur aus. Zusätzlich zeigt 3 ein mittleres Segment 4c, das eine im Vergleich zu allen weiteren Segmenten 4a, 4b, 4d, 4e azimutal größere Ausdehnung aufweist. Die einzelnen Segmente 4a...e der Halbach-Anordnung 2 sind wiederum in Taschen 10 der ferromagnetischen Zylinderstruktur 6 eingebettet. Zwischen jeweils zwei benachbarten Segmenten 4a, 4b; 4d, 4e ist ein weiterer Abschnitt 9 der ferromagnetischen Zylinderstruktur 6 angeordnet.
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Die Abschnitte 9 ermöglichen vorteilhafterweise eine mechanische Verstärkung, zusätzliche Flusswege und eine geometrische Anpassung der Halbach-Anordnungen 2. Beispielsweise kann die azimutale Ausdehnung der Halbach-Anordnungen 2 optimiert werden. Auch ein mittiger Abschnitt 9, der das mittige Segment 4c teilt, ist vorgesehen.
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Die Abschnitte 9, die jeweils zwischen den zwei benachbarten Segmenten 4a, 4b; 4d, 4e liegen, ermöglichen zudem eine weitere Anpassung der magnetischen Flussdichten MH, MR. Durch eine Veränderung der azimutalen Ausdehnung der einzelnen Segmente 4a...e einer Halbach-Anordnung 2 können die jeweilige magnetischen Flussdichten MH, MR zusätzlich beeinflusst werden. Dadurch wird weiterer Spielraum für Optimierungen geschaffen. Hierbei verläuft die Gesamtflussdichte (Gesamtmagnetfeld) vom Stator zum Rotor und folgt den Flusswegen, die den magnetischen Flussdichten MH, MR entsprechen.
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4 zeigt wiederum ein Teilsegment 12 der ferromagnetischen Zylinderstruktur 6 in einer Schnittdarstellung, wobei der Schnitt wiederum senkrecht zu einer nicht dargestellten Drehachse DA verläuft. 4 zeigt eine Halbach-Anordnung 2, die unter Verwendung zweier Halbach-Unteranordnungen 21 V-förmig ausgebildet ist. Eine V-Form der Halbach-Anordnung 2 ergibt sich aus einer Verkippung der linear ausgebildeten Halbach-Unteranordnungen 21 gegenüber der azimutalen Richtung AR.
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Jede der Halbach-Unteranordnungen 21 weist drei Teilsegmente 4a...c auf. Hierbei ist eine Magnetisierung 5a eines ersten Elementes 4a gegenüber einer Magnetisierung 5c eines letzten Elementes 4c einer Halbach-Unteranordnung 21 um π/2 (90°) gedreht. Die Halbach-Unteranordnungen 21, die eine Halbach-Anordnung 2 ausbilden, sind wiederum jeweils einzeln in Taschen 10 der ferromagnetischen Zylinderstruktur 6 eingebettet. Hierbei schließen die Taschen 10 nicht formschlüssig mit den Halbach-Unteranordnungen 21 ab. Dadurch werden Lufttaschen 18 ausgebildet, die die Halbach-Unteranordnungen 21 magnetisch gegeneinander und gegenüber der umliegenden ferromagnetischen Zylinderstruktur 6 isolieren. Die Luftaschen 18 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel an den Halbach-Unteranordnungen 21 angeordnet. Vorteilhafterweise wird durch die Lufttaschen 18 das Drehmoment des Rotors 1 erhöht.
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Durch einen azimutalen Abstand der Halbach-Unteranordnungen 21 wird ein zwischenliegender Abschnitt 9 der ferromagnetischen Zylinderstruktur 6 ausgebildet. Dadurch ergibt sich eine Anpassung der magnetischen Flussdichte MR, die aus der Reluktanz des Rotors 1 resultiert. Insgesamt wird durch die V-Form der Halbach-Anordnung 2 eine verbesserte magnetische Flussdichte MH im Luftspalt ermöglicht. Die magnetische Flussdichte MH wird somit annähernd vollständig im Luftspalt konzentriert. Zusätzlich weist der Rotor 1 ein Reluktanzdrehmoment auf, dass durch die zwischenliegenden ferromagnetischen Abschnitte 8, 9 ausgebildet wird. Der weitere Abschnitt 9, der azimutal zwischen zwei benachbarten Halbach-Unteranordnungen 21 liegt, dient hierbei zur Führung (Flusswege) der magnetischen Flussdichte MR, wobei die magnetische Flussdichte MR durch Pole des nicht gezeigten Stators verursacht wird.
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Erfindungsgemäß ist eine Mehrzahl von Variationen der Halbach-Anordnungen 2 möglich. So kann die azimutale Ausdehnung 16 der Halbach-Anordnungen 2 oder die Anzahl der zwischenliegenden ferromagnetischen Abschnitte 8, 9 und/oder die einzelne Form der Halbach-Unteranordnungen 21 variiert werden. Auch können die einzelnen Segmente 4a...e der Halbach-Anordnungen 2 in Größe, Form, Beschaffenheit, Material und/oder weiterer nach dem Stand der Technik bekannter Parameter variiert und angepasst werden, so dass sich die magnetische Gesamtflussdichte MR, MH im Luftspalt zwischen Rotor 1 und Stator vergrößert und sich in ihrem Verlauf verbessert. Insbesondere können die Halbach-Anordnungen 2 und/oder Unteranordnungen 21 durch Halbach-Magnete ausgebildet sein, die eine kontinuierliche räumliche Variation der Richtung der Magnetisierung aufweisen (Multipolmagnete).
