DE102015117081A1

DE102015117081A1 - Rotorkörper für einen Elektromotor und Synchron-Reluktanzmotor

Info

Publication number: DE102015117081A1
Application number: DE102015117081.7A
Authority: DE
Inventors: Andrey Pulnikov
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2015-10-07
Filing date: 2015-10-07
Publication date: 2017-04-13

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rotorkörper für einen Elektromotor mit einem zylindrischen Rotorkern und mit Permanentmagneten, die in den Rotorkern eingebettet sind, wobei der Rotorkern eine Drehachse aufweist, die Permanentmagnete eine Hufeisenform oder eine angenäherte Hufeisenform haben und die Öffnung des Hufeisens von der Drehachse des Rotorkerns abgewandt ist, wobei die Öffnung des Hufeisens schmaler als die größte lichte Weite eines Abschnitts im Inneren des Hufeisens ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Rotorkörper für einen Elektromotor mit einem zylindrischen Rotorkern und mit Permanentmagneten, die in den Rotorkern eingebettet sind. Die Erfindung betrifft auch einen durch Permanentmagnete unterstützten Elektromotor, beispielsweise einen Synchron-Rekuktanzmotor, der einen solchen Rotorkörper aufweist.
Ein Reluktanzmotor ist grundsätzlich eine Bauform eines Elektromotors, bei dem das Drehmoment im Rotor ausschließlich durch die Reluktanzkraft erzeugt wird und nicht zu wesentlichen Anteilen durch die Lorenzkraft. Dies bedeutet, dass die Maschine weder mit Permanentmagneten bestückt sein muss, noch befinden sich am Rotor elektrische Wicklungen. Der Synchron-Reluktanzmotor hat einen bewickelten mehrphasigen Stator, wie eine Asynchron-Maschine. Der Rotor ist aber nicht rund, sondern weist ausgeprägte Pole auf.
Zur Erhöhung des elektromagnetischen Drehmoments konventioneller Synchron-Reluktanzmotoren, wurden Permanentmagnet-unterstützte Synchron-Reluktanzmotoren entwickelt. Beispiele solcher Motoren sind beschrieben in der US 2006/0043812 A1 und in der DE 103 45 417 A1 .
8A, 8B und 8C illustrieren verschiedene Beispiele, wie Permanentmagnete in einen zylindrischen Rotorkern eingebettet sein können, um einen durch Permanentmagnete unterstützen Synchron-Reluktanzmotor aufzubauen. Die Permanentmagnete erzeugen Rotorpole, so dass der Rotorkern nicht durch mechanisch ausgeprägte Pole aufgebaut sein muss.
Wie in den Beispielen der 8A, 8B und 8C gezeigt, ist in einem durch Permanentmagnete unterstützten Synchron-Reluktanzmotor ein zylindrischer Rotorkern 10 mit U-förmigen Flusssperren 12 ausgestaltet, in die Permanentmagnete 14 eingebracht sind, um die Rotorpole zu erzeugen und den magnetischen Fluss zu steuern. Solche U-förmigen Flusssperren sind beispielsweise auch in der DE 10345417 A1 gezeigt
Grundsätzlich wird der Magnetfluss durch die Flusssperren 12 gesperrt, so dass die magnetische Reluktanz in Richtung der Flusssperren erhöht wird. Durch Einfügen der Permanentmagnete 14 in die Flusssperren 12 kann sowohl das Reluktanz-Drehmoment als auch das durch die Magnete erzeugte Drehmoment für die Rotation des Rotors relativ zu dem Stator genutzt werden, um den Wirkungsgrad zu erhöhen.
Die Permanentmagnete müssen in dem Rotor fixiert werden, wobei im Stand der Technik am Außenumfang des Rotorkerns 10 Stege 16 gebildet sind, welche die Flusssperren 12 abschließen. Diese Stege 16 dienen einerseits dazu, die einzelnen Teile des Rotorkerns 10 miteinander zu verbinden, so dass der Rotorkern aus zusammenhängenden Blechschnitten aufgebaut werden kann; andererseits sichern sie die Permanentmagnete 14 in dem Rotorkern 10, so dass diese nicht bei Rotation durch Zentrifugalkraft aus dem Rotorkörper gezogen werden können.
Wenn die Stege 16 sehr schmal sind, gehen sie bei Betrieb des Motors schnell in die magnetische Sättigung und wirken wie ein Luftspalt, was für die Funktion des Reluktanzmotors tendenziell nachteilig ist.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen Rotorkörper für einen Elektromotor, insbesondere für einen Permanentmagnet-unterstützten Synchron-Reluktanzmotor anzugeben, der einfach herzustellen ist. Spezieller ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen solchen Rotorkörper anzugeben, in dem die Permanentmagnete sicher fixiert sind.
Diese Aufgabe wird durch einen Rotorkörper mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 oder 15 und durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 18 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung sieht einen Rotorkörper für einen Elektromotor mit einem zylindrischen Rotorkern und mit Permanentmagneten, die in den Rotorkern eingebettet sind, vor. Der Rotorkern hat eine Drehachse, und die Permanentmagnete haben eine Hufeisenform oder eine angenäherte Hufeisenform, wobei die Öffnung des Hufeisens von Drehachse des Rotorkerns abgewandt ist.
Erfindungsgemäß ist die Öffnung des Hufeisens schmaler als die größte lichte Weite eines Abschnitts des Rotorkerns, der im Inneren des Hufeisens liegt. Dadurch wird der innenliegende Abschnitt bei einer Rotation des Rotors in Position gehalten. Insbesondere werden somit die innenliegenden Abschnitte gegen ein Verrutschen in radialer Richtung gesichert. Die lichte Weite ist dabei entlang einer Richtung parallel zur Öffnung des Hufeisens, also senkrecht zur Symmetrieachse des Hufeisens, zu verstehen.
Eine Hufeisenform beschreibt insbesondere eine U-förmige oder ungefähr U-förmige Form mit zwei Schenkeln, welche die Öffnung des Hufeisens eingrenzen und in Richtung des Außenumfangs des Rotorkerns konvergieren.
Durch die besondere Gestalt der Permanentmagnete sind diese in dem Rotorkern selbsthaltend, so dass sie auch dann, wenn die Permanentmagnete am Außenumfang des Rotorkerns nicht durch Stege eingegrenzt sind, im Betrieb des Rotorkörpers nicht durch Fliehkraft herausgezogen oder herausgedrückt werden können. Vielmehr verkeilen sich die Permanentmagnete aufgrund der Hufeisenform mit den sie umgebenden Teilen des Rotorkerns, nach Art eines Puzzle-Teils, wobei Permanentmagnete und die sie umgebenden Teile des Rotorkerns so ineinandergreifen, dass sie durch radial wirkende Kräfte nicht voneinander getrennt werden können.
Anders ausgedrückt sind Permanentmagnete und Rotorkörper derart verschachtelt, dass sie in radialer Richtung eine Haltekraft erzeugen, die der bei Drehung des Rotors entstehenden Fliehkraft entgegenwirkt. Diese Haltekraft wird auch dann erzeugt, wenn die Permanentmagnete am Außenumfang des Rotorkerns freiliegen, also nicht durch Stege eingegrenzt sind. Im Einzelnen werden die hufeisenförmigen Permanentmagnete in dem Rotorkern durch das sie umgebende Material des Rotorkerns in Position gehalten, und die Teile des Rotorkerns, die von den Schenkeln der jeweiligen Hufeisen eingegrenzt werden, werden durch diese konvergierenden Schenkel in Position gehalten.
Dadurch schafft die Erfindung einen Rotorkörper mit eingebetteten Permanentmagneten, der sehr einfach aufgebaut ist und in dem sich die Permanentmagnete und die Teile des Rotorkörpers, die an die Permanentmagnete angrenzen, gegenseitig fixieren und somit selbsthaltend sind.
Eine alternative Variante der Erfindung umfasst daher einen Rotorkörper für einen Elektromotor mit einem zylindrischen Rotorkern und mit Permanentmagneten, die in den Rotorkern eingebettet sind. Die Permanentmagnete haben eine Hufeisenform oder eine angenäherte Hufeisenform und die Öffnung des Hufeisens ist von einer Drehachse des Rotorkerns abgewandt.
Erfindungsgemäß ist in dieser Variante die größte Ausdehnung der Hufeisen in Umfangsrichtung der Permanentmagnete nicht an der radial äußersten Stelle der Permanentmagnete.
In einer Ausgestaltung ist jedes Hufeisen gebildet ist durch einen ersten Abschnitt, der sich senkrecht zu einer Mittellinie erstreckt, welche die Symmetrieachse des Hufeisens bildet und die Drehachse des Rotorkerns schneidet, daran angrenzende zweite Abschnitte, die in ihrem Verlauf radial nach außen von der Mittellinie weg divergieren, welche Symmetrieachsen benachbarter Permanentmagnete bilden und die Drehachse des Rotorkerns schneiden, und daran angrenzende dritte Abschnitte, die relativ zu den zweiten Abschnitten abgewinkelt sind und in ihrem Verlauf radial nach außen in Richtung der Mittellinie konvergieren. In dieser Ausgestaltung kann der Permanentmagnet somit zusammengesetzt werden aus mehreren geraden Abschnitten, wodurch seine Fertigung einfach wird. Die zweiten Abschnitte können sich beispielsweise parallel zu Zwischenlinien erstrecken.
Dabei können zwischen dem ersten und den zweiten Abschnitten und zwischen den zweiten und den dritten Abschnitten Radien gebildet sein.
In einer Ausführung dieser mehrteiligen Ausgestaltung weisen die dritten Abschnitte eine innere und eine äußere Kante auf, wobei die Kanten mit zu der Mittellinie parallelen Geraden einen Winkel einschließen, der im Bereich von 1° bis 30° liegt. Ferner können die Kanten mit zu der Zwischenlinie parallelen Geraden einen Winkel einschließen, der im Bereich von 30° bis 60° liegt. Die genannten Neigungen der durch die dritten Abschnitte gebildeten Schenkel der U-förmigen Permanentmagnete haben sich in der Praxis als brauchbare Werte erwiesen, um einerseits die gewünschte Beeinflussung des Magnetfelds durch die Permanentmagnete zu erzielen und andererseits die Selbsthaltewirkung der Permanentmagnete in dem Rotorkern zu erhalten.
In einer alternativen Ausgestaltung ist jedes Hufeisen durch einen U-förmigen oder teilkreisförmigen Bodenabschnitt und zwei daran angrenzende Schenkel gebildet, wobei die Schenkel eine innere und eine äußere Kante aufweisen und wobei der Bodenabschnitt senkrecht zu einer Mittellinie ausgerichtet ist, welche die Symmetrieachse des Hufeisens bildet und die Drehachse des Rotorkerns schneidet, und wobei die Innenkanten oder die Außenkanten der Schenkel im Verlauf radial nach außen in Richtung der Mittellinie konvergieren. Die Schenkel können, ähnlich wie in der vorhergehenden Ausgestaltung, eine innere und eine äußere Kante aufweisen, wobei eine Tangente an eine der Kanten an oder in der Nähe der Öffnung des Hufeisens mit einer zu der Mittellinie parallelen Geraden einen Winkel einschließt, der im Bereich von 1° bis 30° liegt.
In einer oder mehreren Ausgestaltungen ist die Dicke der Permanentmagnete in Richtung senkrecht zu der Drehachse des Rotorkerns gleich oder ungefähr gleich dem kleinsten Abstand zwischen benachbarten Permanentmagneten. Dieses Verhältnis hat sich wiederum in Bezug auf die Erzeugung des gewünschten Magnetfelds durch die Permanentmagnete und auf die Stabilität des Rotorkernaufbaus als vorteilhaft herausgestellt.
Jeweils die beiden Schenkel eines hufeisenförmigen Permanentmagneten können gegensinnig magnetisiert sein, und die benachbarten Schenkel benachbarter Permanentmagnete können gleichsinnig magnetisiert sein.
In einer oder mehreren Ausgestaltungen sind die beiden Schenkel der hufeisenförmigen Permanentmagnete an ihren radial außen liegenden Enden an der Außenseite des Rotorkerns freiliegend. Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Gestaltung des Rotormagneten ist, dass über den radial außenliegenden Enden der Schenkel der hufeisenförmigen Permanentmagnete keine Stege zum Halten der Magnete notwendig sind. Dadurch können Streuflüsse weitgehend vermieden werden. Erfindungsgemäß ist es jedoch nicht ausgeschlossen, dass die beiden Schenkel der hufeisenförmigen Permanentmagnete an ihren radial außen liegenden Enden von dem Rotorkern durch einen dünnen Steg eingegrenzt sind. In diesem Fall sind die Stege jedoch möglichst dünn und gerade ausreichend, um die einzelnen Bleche, aus denen der Rotorkern gebildet werden kann, zusammenzuhalten, um einen einteiligen Blechschnitt vorsehen zu können. Die Stege sind nicht notwendig, um die Permanentmagnete in ihrer Position zu fixieren und können entsprechend dünn ausgebildet sein. Üblicherweise werden die einzelnen Bleche in einem Stanzverfahren gefertigt, wobei die Breite der Stege größer oder gleich der Dicke eines einzelnen Blechs gewählt werden. Typische Bleche weisen eine Dicke im Bereich von 0,2 mm bis 0,5 mm auf. Allerdings können die Stege in einem weiteren Verfahrensschritt nachbearbeitet und deren Breite dabei verkleinert oder die Stege vollständig entfernt werden. Insbesondere bei schnelldrehenden Elektromotoren, die beispielsweise mit mehr als 3000 Umdrehungen pro Minute betrieben werden, kann es in manchen Ausgestaltungen des Rotors vorteilhaft sein, die Stege nicht, beziehungsweise nicht vollständig zu entfernen. Jedoch können die Stege dünner ausgestaltet sein als bei herkömmlichen Rotoren. Beispielsweise können die gestanzten Bleche in einem spanabhebenden Verfahren, wie einem Drehverfahren, nachbearbeitet werden, wobei die Breite der Stege verringert wird. Werden die Stege nicht vollständig entfernt, können diese insbesondere eine Stärke in der Größenordnung von 0,02 mm bis 1 mm haben.
Rotoren von Synchron-Reluktanzmotoren weisen eine magnetische Vorzugsrichtung mit geringem magnetischen Widerstand auf, die jeweils radial in Richtung der Magnetpole zeigt. Diese Richtung wird üblicherweise als d-Richtung bezeichnet. Die dazwischenliegenden Flusssperren legen eine sogenannte q-Richtung mit hohem magnetischen Widerstand fest. Die d- und q-Richtung sind in den 5 und 8B illustriert. Es ist dabei vorteilhaft, wenn der Unterschied im magnetischen Widerstand zwischen der d- und der q-Richtung möglichst groß ist, wodurch ein großes Drehmoment erzeugt werden kann. Breite Stege haben den Vorteil, dass sie die mechanische Stabilität erhöhen. Andererseits stellen Sie Pfade für den magnetischen Fluss bereit, so dass ein Teil des idealerweise in d-Richtung fließenden Flusses über die Stege und nicht in d-Richtung fließt, wodurch der Wirkungsgrad des Synchron-Reluktanzmotors verringert wird. Die Verluste des magnetischen Flusses entlang der Stege können mehr als 20% betragen. In manchen Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Rotors ist die Breite der Stege daher sehr klein, wodurch der magnetische Widerstand entlang der Stege erhöht und der magnetische Fluss entlang der Stege verringert wird, wodurch ein Elektromotor mit hohem Wirkungsgrad bereitgestellt werden kann. Ebenso kann dadurch, bei gleichem Magnetvolumen, ein hohes Drehmoment erreicht werden, das bis zu 50% größer als in einem herkömmlichen Synchron-Reluktanzmotors ist. Durch das Vorsehen einer einzigen magnetischen Flusssperre pro Magnetpol können die Flusssperren relativ breit ausgestaltet sein, wodurch die Stege relativ lang sein können, wodurch der magnetische Widerstand entlang der Stege weiter erhöht wird.
Der Rotorkern kann mit Aussparungen ausgebildet sein, die sich parallel zu seiner Drehachse durch den Rotorkern erstrecken, und die Permanentmagnete können durch Einspritzen oder Einpressen von Magnetmaterial in den Aussparungen gebildet sind. Alternativ kann der Rotorkern Schlitze aufweist, die sich parallel zu seiner Drehachse durch den Rotorkern erstrecken und in die die Permanentmagnete eingeschoben werden.
Die Erfindung sieht auch eine Synchron-Reluktanzmaschine mit einem Stator und mit einem Rotorkörper vor, der eine der oben beschriebenen Ausgestaltungen haben kann.
In einer Ausgestaltung eines Verfahrens zur Herstellung eines Rotorkörpers der oben beschriebenen Art wird der Rotorkern aus einem Blechstapel aufgebaut wird, dessen Bleche einen zusammenhängenden Blechschnitt aufweisen, wobei nach dem Zusammenfügen der Bleche am Außenumfang des Rotorkerns gebildete Stege, welche die Permanentmagnete eingrenzen, entfernt werden.
Die Erfindung ist im Folgenden anhand verschiedener Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert.
1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung durch einen Permanentmagnetunterstützen Synchron-Reluktanzmotor gemäß einem Beispiel;
2A/2B zeigen schematische Schnittdarstellungen durch einen Rotorkörper gemäß verschiedenen Beispielen der Erfindung;
3 zeigt eine Schnittdarstellung durch einen Teil des Rotorkörpers der 2A zur Erläuterung des Beispiels;
4 zeigt eine ähnliche Teilschnittdarstellung wie 3 zur Erläuterung weiterer Aspekte des Beispiels;
5 zeigt eine ähnliche Darstellung wie 1, wobei die Magnetisierung der Permanentmagnete und das im Betrieb entstehende Magnetfeld illustriert sind;
6 zeigt eine ähnliche Darstellung wie 5 für einen bürstenlosen Gleichstrommotor;
7 zeigt ein Diagramm des Drehmomentverlaufs über dem Drehwinkel für verschiedene Motortypen; und
8A, 8B und 8C zeigen schematische Schnittdarstellungen durch Rotorkörper gemäß verschiedenen Ausgestaltungen des Standes der Technik.
1 zeigt schematisch eine Schnittdarstellung durch einen Permanentmagnet-unterstützten Synchron-Reluktanzmotor gemäß einem Beispiel. Der Motor umfasst einen Stator 20, der Statorpole 22 und Statorwicklungen 24 aufweist, die in 1 nur schematisch dargestellt sind. Der Stator 20 mit den Statorpolen 22 kann aus einem laminierten Blechstapel hergestellt sein. Der Motor umfasst ferner einen Rotor 30 mit einem Rotorkörper 32 und darin eingebetteten hufeisenförmigen oder annähernd hufeneisenförmigen Permanentmagneten 34. Der Rotorkörper 32 hat die Form eines Zylinders und ist in einem Ausführungsbeispiel aus mehreren laminierten Blechen als ein Blechstapel aufgebaut. In den Blechen können Aussparungen durch Ausstanzen entsprechender Formen zur Aufnahme der Permanentmagnete 34, die sich in axialer Richtung durch den Rotorkörper 32 erstrecken, ausgebildet sein.
Zwischen dem Stator 20 und dem Rotor 30 ist ein schmaler Luftspalt 36 gebildet, der in der Größenordnung von einigen zehntel Millimetern liegen kann. Der Einsatz von Permanentmagneten in Reluktanzmotoren erlaubt es, den Luftspalt zwischen Rotor und Stator größer zu dimensionieren als bei reinen Reluktanzmotoren üblich, wobei die Luftspaltbreite bei einem reinen Reluktanzmotor in der Größenordnung von wenigen Zehntel Millimetern liegen und durchaus kleiner als 0,1 mm sein kann.
Der Rotorkörper 30 der 1 ist im vergrößerten Maßstab in 2A wiedergegeben. Weitere Teile des Motors, wie ein Gehäuse, eine Drehachse, Ansteuerelektronik etc. sind in 1 der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.
Eine alternative Ausgestaltung der hufeisenförmigen Permanentmagnete 34‘, die in den Rotorkörper 32‘ eingebettet sind, ist in 2B gezeigt.
Die Hufeisenform der Permanentmagnete 34, 34‘ ist gekennzeichnet durch einen mittleren oder Bodenabschnitt, der sich senkrecht zum Radius des Rotorkörpers 32 erstreckt und zwei daran angrenzende Schenkel, welche die Öffnung des Hufeisens eingrenzen und in Richtung des Außenumfangs des Rotorkerns konvergieren. Dabei ist die Öffnung des Hufeisens schmaler als die größte lichte Weite eines Abschnitts 32i im Inneren des Hufeisens, so dass die beiden Schenkel der hufeisenförmigen Permanentmagnete 34 den Abschnitt 32i des Rotorkörpers 32, der innerhalb der Hufeisenform liegt, in radialer Richtung fixieren. Die Permanentmagnete 34 ihrerseits werden durch Vorsprünge des Rotorkörpers 32 fixiert, welche die Hufeisenform umgreifen. Dies ist im Einzelnen mit Bezug auf 3 näher erläutert, wobei diese Überlegungen in gleicher Weise für die gerundete Form der 2B wie für die winklige Form der 2A gelten.
Die Hufeisenform der Permanentmagnete 34 gemäß einem Ausführungsbeispiel ist mit weiteren Einzelheiten in Bezug auf 3 erläutert. In dem Ausführungsbeispiel der 3 kann jeder Permanentmagnet 34 aufgeteilt werden in einen ersten Abschnitt (1), zwei zweite Abschnitte (2) und zwei dritte Abschnitte (3). Der erste Abschnitt (1) erstreckt sich senkrecht zu einer Mittellinie 40, welche die Symmetrieachse des Hufeisens bildet und die Drehachse 42 des Rotorkerns 32 schneidet. Die zweiten Abschnitte (2) divergieren in ihrem Verlauf radial nach außen von der Mittellinie weg, beispielsweise erstrecken sie sich parallel zu Radiallinien oder Zwischenlinien 44, welche Symmetrieachsen zwischen benachbarten Permanentmagneten 34 bilden und die Drehachse 42 des Rotorkerns schneiden. Die daran angrenzenden dritten Abschnitte (3) sind gegenüber den zweiten Abschnitten (2) abgewinkelt und konvergieren in ihrem Verlauf radial nach außen in Richtung der Mittellinie 40. Die lichte Weite w der Hufeisenform an seiner dem Außenumfang des Rotorkerns 32 zugewandten Öffnung ist kleiner als die größte lichte Weite W im Innern des Hufeisens, so dass die Hufeisenform der Permanentmagnete 34 den Teil 32i des Rotorkerns 32, der von dem Hufeisen umschlossen wird, bei Rotation gegen die Wirkung der Zentrifugalkraft sichern. Aufgrund der Hufeisenform ergeben sich ferner in den Teilen 32a des Rotorkerns 32 außerhalb der Hufeisen Vorsprünge 46, welche die hufeisenförmigen Permanentmagnete 34 umgreifen und so bei Rotation gegen die Wirkung der Zentrifugalkraft fixieren.
In der Ausgestaltung der 3 ist ferner gezeigt, dass die Permanentmagnete 34 an dem Außenumfang des Rotorkerns 32 durch Stege 48 eingegrenzt sind. Diese Stege sind aus fertigungstechnischen Gründen vorteilhaft, zur Fixierung der Permanentmagnete in radialer Richtung aber nicht notwendig.
Abweichend von der Darstellung der 3 können die einzelnen Abschnitte (1), (2) und (3) der Permanentmagnete 34, beziehungsweise die Übergänge zwischen den Abschnitten (1), (2) und (3) mit Radien ausgebildet sein, wie in 2A gezeigt. Auch ist es möglich, die hufeisenförmigen Permanentmagnete 34‘ ringförmig auszubilden, wie in 2B gezeigt. Die Stege 48 können fehlen.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Abstand b zwischen zwei benachbarten Permanentmagneten 34 in Richtung senkrecht zur radialen Richtung des Rotorkerns 10 gleich oder ungefähr gleich der Dicke der Permanentmagnete a in derselben Richtung, wie in 4 illustriert ist. Die absoluten Größen sind abhängig von der Anzahl der Pole des Rotors sowie vom Außendurchmesser des Rotors, gemäß der Beziehung: a ≅ b ≅ ( τ / 7 ÷ τ / 5), wobei gilt τ = πD / 2p, wobei D der Außendurchmesser des Rotorkerns 32 und p die Anzahl der Polpaare ist, ohne die Erfindung auf diese Verhältnisse zu beschränken.
Wie weiterhin in 4 gezeigt, kann die Hufeisenform der Permanentmagnete 34 auch definiert werden über die Winkel α und β, wobei der Winkel α definiert werden kann als der Winkel zwischen einer Geraden, die parallel zur Symmetrieachse 44 ist, und der Außenkante des konvergierenden Abschnitts (3), und wobei der Winkel β definiert werden kann als der Winkel zwischen einer Geraden, die parallel zur Symmetrieachse 40 ist, und einer Kante des konvergierenden Schenkels oder Abschnitts (3) des Hufeisens. Beide Winkel α und β sind größer als 0, damit die Permanentmagnete 34 sicher im Rotorkern 32 fixiert werden. Ein brauchbarer Wertebereich für den Winkel β ist 1° ≤ β ≤ 30°, und ein brauchbarer Winkelbereich für den Winkel α ist 31° ≤ α ≤ 60°, ohne Beschränkung hierauf.
5 zeigt ein Beispiel eines Permanentmagnet-unterstützten Synchron-Reluktanzmotors gemäß einem Ausführungsbeispiel. Der Motor umfasst, ähnlich wie in der Darstellung der 1, ein Stator 20 mit Statorpolen 22 und Statorwicklungen 24 und einen Rotor 30 mit einem Rotorkörper 32 und hufeisenförmigen Permanentmagneten 34. Für diese gilt das oben Gesagte.
5 illustriert die Magnetisierungsrichtung der Permanentmagnete 34, wobei die Pfeile die Magnetisierungsrichtung von N→S anzeigen. Wie in 5 dargestellt, sind jeweils die beiden Schenkel eines hufeisenförmigen Permanentmagneten 34 gegensinnig magnetisiert, und die benachbarten Schenkel benachbarter Permanentmagnete sind gleichsinnig magnetisiert. Dadurch ergeben sich Magnetfeldpole N und S jeweils innerhalb der hufeisenförmigen Permanentmagnete.
6 zeigt das Magnetfeld eines herkömmlichen bürstenlosen Gleichstrommotors als ein Vergleichsbeispiel zu dem Permanentmagnet-unterstützten Synchron-Reluktanzmotor der 5. In 6 ist der Stator 20 mit Statorpolen 22 und Statorwicklung 24 identisch zu der Ausgestaltung der 5 aufgebaut. Der Rotor 30 weist gegensinnig magnetisierte Permanentmagnete 38 auf seinem Außenumfang auf und bildet ebenso wie der Rotor der 5 drei Polpaare. Das Magnetvolumen der beiden in 5 und 6 gezeigten Motoren ist gleich.
Untersuchungen des Permanentmagnet-unterstützten Synchron-Reluktanzmotors der 5 im Vergleich zu dem herkömmlichen bürstenlosen Gleichstrommotor der 6 haben gezeigt, dass mit dem Reluktanzmotor eine Drehmomentkonstante erzielt werden kann, die ungefähr 1,4-mal größer ist als die des bürstenlosen Gleichstrommotors, wenn dasselbe Magnetvolumen eingesetzt wird. Da Magnetmaterial ein relevanter Kostenfaktor bei der Herstellung von Motoren ist, liegen die Vorteile auf der Hand.
7 zeigt den Verlauf der Motorkonstanten als magnetische Flussdichte (Drehmoment/Motorstrom) für den in 5 gezeigten Permanentmagnet-unterstützten Synchron-Reluktanzmotor und für das Vergleichsbeispiel des bürstenlosen Gleichstrommotors der 6. Die Kurve Kt-H zeigt den Verlauf der Motorkonstanten über dem Drehwinkel für den erfindungsgemäßen Synchron-Reluktanzmotor, wobei auch der zugehörige Mittelwert dargestellt ist. Die Kurve Kt-BLDC zeigt den entsprechenden Verlauf der Motorkonstanten für den bürstenlosen Gleichstrommotor der 6, wobei auch hier der zugehörige Mittelwert dargestellt ist. Die Kurve Kt-R schließlich zeigt die Motorkonstante eines hinsichtlich der Baugröße vergleichbaren Reluktanzmotors ohne Permanentmagnet-Unterstützung, wobei auch hier der zugehörige Mittelwert dargestellt ist.
Es ist erkennbar, dass sich in Vergleich zu einem bürstenlosen Gleichstrommotor eine deutliche Verbesserung des erzielten Drehmoments ohne Erhöhung des magnetischen Materials erreichen lässt. Die Verbesserung gegenüber einen hinsichtlich des Bauvolumens vergleichbaren reinen Reluktanzmotor ist noch deutlicher. Durch die Permanentmagnetunterstützung kann ein größeres, bis zu doppelt so hohes Drehmoment und eine erhebliche Verbesserung des Wirkungsgrades erreicht werden, die bis zu 500 % betragen kann.
Der erfindungsgemäße Permanentmagnet-unterstützte Synchron-Reluktanzmotor kann beispielsweise eingesetzt werden für Stelleinrichtungen, Pumpen und Ähnliches in der Automobiltechnik, beispielsweise für Aktuatoren, für Lüfter, Lüftungsgitter, Lichter und dergleichen. Er kann auch eingesetzt werden als Spindelmotor in Festplatten und in verschiedenen industriellen Anwendungen. Seine Leistung ist vergleichbar mit der Leistung von Induktionsmotoren, wobei er bei geringerer Größe und geringerem Aufwand an magnetischem Material eine vergleichbare Leistung erzielt. Im Vergleich zu üblichen bürstenlosen Gleichstrommotoren kann ein Permanentmagnet-unterstützter Synchron-Reluktanzmotor bei einem ähnlichen oder nur geringfügig kleinerem Wirkungsgrad wesentlich kostengünstiger hegestellt werden.
Die Größe des Motors ist nach unten begrenzt nur durch fertigungstechnische Vorgaben, wobei der Rotor einen Durchmesser in der Größenordnung von 10 bis 20 mm, aber auch kleiner bei einer Höhe in der Größenordnung von 15 bis 50 mm haben kann. Aber auch größere Rotordurchmesser sind bei dieser Technologie denkbar, beispielsweise Rotordurchmesser von bis zu 100 mm. Abhängig von der Größe des Motors kann seine Leistung im Bereich von 1 bis 10 W oder 50 bis 100 W oder 200 W oder darüber liegen.
Wie oben dargelegt kann der Rotorkörper 32 aus einem laminierten Stapel gestanzter Bleche hergestellt werden, wobei es für die Fertigung des Blechstapels zweckmäßig ist, die Stege 48 vorzusehen, um einen zusammenhängenden Blechschnitt zu erzeugen. Die Blechstapel können beispielsweise aus Elektroblech gefertigt sein. Nach dem Zusammenfügen der einzelnen Bleche und dem Einbringen der Permanentmagnete 34 können die Stege 48 entfernt werden, indem beispielsweise der gesamte Rotorkörper in einem spanabhebenden Verfahren, beispielsweise in einem Drehverfahren, nachbearbeitet wird.
Die Permanentmagnete 34 können beispielsweise durch Einspritzen oder Einpressen von magnetisierbarem Material, wie magnetischem Verbundmaterial, insbesondere hartmagnetischem Verbundmaterial, in entsprechend geformte Ausnehmungen in dem Rotorkern ausgebildet werden, wobei das Material anschließend magnetisiert wird. Die magnetischen Verbundmaterialien können beispielsweise Magnetpartikel aus Eisen, Neodym, eine Neodym-Eisen-Bor-Legierung oder eine Samarium-Cobalt-Legierung enthalten, wobei die Magnetpartikel beispielsweise in einem thermoplastischen Bindemittel wie einem Polyamid oder in einem Epoxidharz gebunden sind. Es ist auch möglich ein- oder mehrteilige Magnete in die hufeisenförmigen Ausnehmungen in dem Rotorkern einzuschieben.
Bezugszeichenliste

10: Rotorkern
12: Flusssperren
14: Permanentmagnete
16: Steg
20: Stator
22: Statorpole
24: Statorwicklungen
30: Rotor
32, 32‘: Rotorkörper
32i: Abschnitt des Rotorkörpers innerhalb der Permanentmagnete 14
32a: Abschnitt des Rotorkörpers außerhalb der Permanentmagnete 14
33: Teilstück des Rotorkörpers
34, 34‘: Permanentmagnete
36: Luftspalt
38: Permanentmagnete
40: Symmetrieachse des Hufeisens
42: Drehachse
44: Symmetrieachse zwischen Permanentmagneten
46: Vorsprung
48: Steg
a: Dicke der Permanentmagnete 34, 34‘
b: Abstand zwischen zwei benachbarten Permanentmagneten 34, 34‘
w: Weite der Öffnung eines Hufeisenförmigen Permanentmagneten 34, 34‘
W: größte lichte Weite des Abschnitts 32i im Inneren des Hufeisens

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2006/0043812 A1 [0003]
DE 10345417 A1 [0003, 0005]

Claims

Rotorkörper für einen Elektromotor mit einem zylindrischen Rotorkern (10) und mit Permanentmagneten (34, 34’), die in den Rotorkern (10) eingebettet sind, wobei der Rotorkern (10) eine Drehachse aufweist, die Permanentmagnete (34, 34‘) eine Hufeisenform oder eine angenäherte Hufeisenform haben und die Öffnung des Hufeisens von der Drehachse des Rotorkerns (10) abgewandt ist, wobei die Öffnung (w) des Hufeisens schmaler als die größte lichte Weite (W) eines Abschnitts (32i) im Inneren des Hufeisens ist.
Rotorkörper für einen Elektromotor mit einem zylindrischen Rotorkern (10) und mit Permanentmagneten (34, 34’), die in den Rotorkern (10) eingebettet sind, wobei der Rotorkern (10) eine Drehachse aufweist, die Permanentmagnete (34, 34‘) eine Hufeisenform oder eine angenäherte Hufeisenform haben und die Öffnung des Hufeisens von der Drehachse des Rotorkerns (10) abgewandt ist, wobei die größte Ausdehnung in Umfangsrichtung der Permanentmagnete (34, 34‘) nicht an der radial äußersten Stelle der Permanentmagnete (34, 34‘) ist.
Rotorkörper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hufeisenform zwei Schenkel umfasst, welche die Öffnung des Hufeisens eingrenzen und sich in Richtung des Außenumfangs des Rotorkerns (10) erstrecken.
Rotorkörper nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Hufeisen gebildet ist durch einen ersten Abschnitt, der sich senkrecht zu einer Mittellinie erstreckt, welche die Symmetrieachse des Hufeisens bildet und die Drehachse des Rotorkerns (10) schneidet, daran angrenzende zweite Abschnitte, die in ihrem Verlauf radial nach außen von der Mittellinie weg divergieren, welche Symmetrieachsen zu benachbarten Permanentmagneten (34, 34’) bilden und die Drehachse des Rotorkerns (10) schneiden, und daran angrenzende dritte Abschnitte, die relativ zu den zweiten Abschnitten abgewinkelt sind und ihrem Verlauf radial nach außen in Richtung der Mittellinie konvergieren.
Rotorkörper nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten und den zweiten Abschnitten und zwischen den zweiten und den dritten Abschnitten Radien gebildet sind.
Rotorkörper nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die dritten Abschnitte eine innere und eine äußere Kante aufweisen, wobei die inneren Kanten mit zu der Mittellinie parallelen Geraden Winkel einschließen, die im Bereich von 1° bis 30° liegen.
Rotorkörper nach Anspruch 6, wobei die äußeren Kanten mit zu der Zwischenlinie parallelen Geraden Winkel einschließen, die im Bereich von 30° bis 60° liegen.
Rotorkörper nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Hufeisen gebildet ist durch einen U-förmigen oder teilkreisförmigen Bodenabschnitt und zwei daran angrenzende Schenkel, wobei die Schenkel eine innere und eine äußere Kante aufweisen und wobei der Bodenabschnitt senkrecht zu einer Mittellinie ausgerichtet ist, welche die Symmetrieachse des Hufeisens bildet und die Drehachse des Rotorkerns (10) schneidet, und wobei die Innenkanten oder die Außenkanten der Schenkel im Verlauf radial nach außen in Richtung der Mittellinie konvergieren.
Rotorkörper nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Tangente an eine der Kanten an oder in der Nähe der Öffnung des Hufeisens mit einer zu der Mittellinie parallelen Geraden einen Winkel einschließt, der im Bereich von 1° bis 30° liegt.
Rotorkörper nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der Permanentmagnete (34, 34’) in der Ebene senkrecht zu Drehachse des Rotorkerns (10) gleich oder ungefähr gleich dem kleinsten Abstand zwischen benachbarten Permanentmagneten (34, 34’) ist.
Rotorkörper nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils die beiden Schenkel eines hufeisenförmigen Permanentmagneten (34, 34’) gegensinnig magnetisiert sind und die benachbarten Schenkel benachbarter Permanentmagnete (34, 34’) gleichsinnig magnetisiert sind.
Rotorkörper nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Schenkel der hufeisenförmigen Permanentmagnete (34, 34’) an ihren radial außen liegenden Enden an der Außenseite des Rotorkerns (10) freiliegen.
Rotorkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Schenkel der hufeisenförmigen Permanentmagnete (34, 34’) an ihren radial außen liegenden Enden von dem Rotorkern (10) durch einen dünnen Steg (48) umschlossen sind.
Rotorkörper nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorkern (10) Aussparungen aufweist, die sich parallel zu seiner Drehachse durch den Rotorkern (10) erstrecken, und die Permanentmagnete (34, 34’) durch Einspritzen oder Einpressen von Magnetmaterial in den Aussparungen gebildet sind.
Rotorkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotorkern Schlitze aufweist, die sich parallel zu seiner Drehachse durch den Rotorkern (10) erstrecken, in welche die Permanentmagnete (34, 34’) eingeschoben sind.
Rotorkörper für einen Elektromotor mit einem zylindrischen Rotorkern (10) und mit Permanentmagneten (34, 34’), die in den Rotorkern (10) eingebettet sind, wobei Permanentmagnete (34, 34’) und Rotorkörper (10) derart verschachtelt sind, dass sie in radialer Richtung eine Haltekraft erzeugen, die der bei Drehung des Rotors entstehenden Fliehkraft entgegenwirkt.
Rotorkörper nach Anspruch 16, wobei jeder Permanentmagnet (34, 34’) zwei am Außenumfang des Rotors frei liegende Schenkel aufweist.
Elektromotor mit einem Stator und mit einem Rotorkörper nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Verfahren zur Herstellung eines Rotorkörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei der Rotorkern (10) aus einem Blechstapel aufgebaut wird, dessen Bleche einen zusammenhängenden Blechschnitt aufweisen, wobei nach dem Zusammenfügen der Bleche am Außenumfang des Rotorkerns (10) gebildete Stege (48), welche die Permanentmagnete (34, 34’) eingrenzen, entfernt werden.