DE102016114362A1

DE102016114362A1 - Rotor für eine elektrische Maschine sowie elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102016114362A1
Application number: DE102016114362.6A
Authority: DE
Inventors: Gurakuq Dajaku
Original assignee: FEAAM GmbH
Current assignee: FEAAM GmbH
Priority date: 2016-08-03
Filing date: 2016-08-03
Publication date: 2018-02-08
Also published as: CN109643918A; WO2018024605A1; US20190165625A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rotor (3) für eine elektrische Maschine (1), der Rotor aufweisend einen Rotorkern (4), einen Permanentmagneten (5) und ein Haltemittel (9, 12), wobei das Haltemittel (9, 12) formschlüssig mit dem Rotorkern (4) verbunden ist und der Permanentmagnet (5) mittels des Haltemittels (9, 12) an dem Rotorkern (4) gehalten ist. Die Erfindung betrifft des Weiteren einen weiteren Rotor (3) sowie eine elektrische Maschine (1).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Rotoren für eine elektrische Maschine. Weiterhin betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine mit einem solchen Rotor.
Typischerweise umfassen elektrische Maschinen einen Stator und einen dazu relativ beweglichen Rotor. Elektrische Maschinen können motorisch oder generatorisch arbeiten, wobei elektrische Energie in Bewegungsenergie oder umgekehrt konvertiert wird. Bei elektrischen Maschinen werden verschiedene Typen, beispielsweise Synchronmaschinen oder Asynchronmaschinen, unterschieden.
Beispielsweise existieren Synchronmaschinen, die mit Permanentmagneten bestückte Rotoren haben. Dabei findet man typischerweise zwei unterschiedliche, wesentlichen Rotortopologien, wobei die Permanentmagneten entweder als vergrabene Permanentmagneten innerhalb eines Rotorkerns angeordnet oder von außen an den Rotorkern (oberflächenmontierte Permanentmagneten) montiert sind.
Bei oberflächenmontierten Permanentmagneten wird typischerweise eine Hülle, auch Bandage, zur Fixierung der Magneten benötigt, die zusätzlich vor auftretenden Zentrifugalkräften schützt, insbesondere bei hohen Rotorgeschwindigkeiten. Die Bandage vergrößert jedoch einen effektiven Luftspalt zwischen den Magneten und einem den Rotor umgebenden Stator. Dadurch werden beispielsweise ein maximales Drehmoment der elektrischen Maschine sowie einen Wirkungsgrad dieser reduziert.
Bei Maschinen mit vergrabenen Magneten, bei denen verschiedenste Topologien existieren, werden typischerweise "Eisenbrücken" (Verbindungsabschnitte genuteter Bereiche des Rotorkerns) vorgesehen, die für eine mechanische Stabilität des Rotors sorgen. Je dicker diese Eisenbrücken sind, desto vorteilhafter wirkt sich dies auf eine mechanische Stabilität des Rotors aus. Jedoch wirkt sich die Dicke der Brücken negativ auf eine elektromagnetische Leistungsfähigkeit der Maschine, etwa den Wirkungsgrad, aus. Insbesondere können verstärkt sogenannte Streuflüsse auftreten, wobei Hauptmagnetflüsse abgeschwächt werden. Streuflüsse bewirken beispielsweise Drehmomentverluste der elektrischen Maschine.
Auch bei synchronen Reluktanzmaschinen, die typischerweise mehrere luftgefüllte Magnetbarrieren verschiedenster Ausprägungen aufweisen, sind Eisenbrücken vorgesehen, um die mechanische Stabilität der Rotoren zu gewährleisten. Analog zu oben, beinträchtigen diese jedoch die elektromagnetische Leistungsfähigkeit der Maschine.
Eine Aufgabe, die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegt, ist es, ein Konzept für Rotoren für elektrische Maschinen anzugeben, welches insbesondere zu einer mechanischen Stabilität des Rotors beiträgt unter gleichzeitiger Verbesserung elektromagnetischer Eigenschaften der Maschine, etwa der einer Drehmomentdichte und/oder einer Drehmomenteffizienz.
Das Konzept basiert auf der Idee, die mechanische Stabilität der Rotoren dadurch zu verbessern, dass zumindest ein Haltemittel vorgesehen ist, welches formschlüssig mit dem Rotorkern verbunden ist und dabei je nach Typ der elektrischen Maschine entweder dazu beiträgt, einen Permanentmagneten formschlüssig an dem Rotor zu halten bzw. zu befestigen und/oder zwei Rotorbereiche, die durch eine Nut oder einen Luftspalt getrennt sind, formschlüssig zu verbinden. Aufgrund der formschlüssigen, mechanischen Verbindung wird eine hohe mechanische Robustheit oder Festigkeit erreicht. Das Haltemittel stellt beispielsweise eine versteifende, mechanische Brücke dar. Mit anderen Worten handelt es sich um ein Versteifungsmittel. Insbesondere ist es beispielsweise möglich, aus Stabilitätsgründen herkömmlich nötige Eisenbrücken durch ein oder mehrere Haltemittel zu ergänzen oder sogar zu ersetzen. Andererseits ist es ebenso möglich, beispielsweise auf die eingangs erwähnte Bandage zu verzichten.
Gemäß einem Aspekt wird ein Rotor für eine elektrische Maschine offenbart, welcher einen Rotorkern, einen Permanentmagneten und ein Haltemittel aufweist. Das Haltemittel ist formschlüssig mit dem Rotorkern verbunden und der Permanentmagnet ist mittels des Haltemittels an dem Rotorkern gehalten.
Mit anderen Worten ist der Permanentmagnet durch Zusammenwirken des Haltemittels mit dem Rotorkern formschlüssig mit dem Rotorkern verbunden oder an diesem gehalten. Dadurch wird dazu beigetragen, eine mechanische Stabilität des Rotors zu erhöhen. Weiterhin wird dazu beigetragen, dass der Permanentmagnet mechanisch sicher und stabil gehalten wird. Beispielsweise ist dadurch ermöglicht, Eisenbrücken zu vermeiden oder besonders klein auszugestalten, wodurch magnetische Streuflüsse vermieden oder zumindest reduziert werden können.
Unter "Halten" wird verstanden, dass der Permanentmagnet zumindest bezüglich einer Richtung, beispielsweise in radialer Richtung bezogen auf eine Rotordrehachse, formschlüssig gehalten wird. Die formschlüssige Verbindung ist bevorzugt so ausgebildet, dass zumindest zwei Freiheitsgrade einer Relativbewegung zwischen Permanentmagnet und Rotorkern unterbunden sind. Die formschlüssige Verbindung ist beispielsweise so ausgebildet, dass zumindest eine Hinterschneidung der für den Formschluss ineinander greifenden Elemente vorliegt. Mit anderen Worten weisen der Rotorkern und das Haltemittel jeweils ein Formschluss- bzw. Gegenformschlusselement auf, die hinsichtlich ihrer Formgebungen aufeinander zum Bilden des Formschlusses abgestimmt oder angepasst sind. Der Rotorkern ist typischerweise ein Eisenkern oder weist Eisenmaterial auf.
Gemäß einer Ausgestaltung weist die formschlüssige Verbindung des Haltemittels mit dem Rotorkern eine Schwalbenschwanzverbindung auf. Mit anderen Worten ist das Haltemittel über eine Schwalbenschwanzverbindung mit dem Rotorkern verbunden oder bildet eine Schwalbenschwanzverbindung aus. Beispielsweise weisen der Rotorkern und das Haltemittel entsprechend aufeinander abgestimmte Formgebungen auf.
Gemäß einer Ausgestaltung ist das Haltemittel Teil des Permanentmagneten. Mit anderen Worten ist das Haltemittel direkt an dem Permanentmagneten angeformt bzw. ist der Permanentmagnet einstückig mit dem Haltemittel ausgebildet. Dadurch wird eine direkte mechanische Verbindung des Magneten mit dem Rotorkern erreicht. Dies erhöht erheblich die mechanische Stabilität des Rotors, insbesondere bei hohen Drehgeschwindigkeiten dessen. Beispielsweise kann dadurch auf die Bandage bei außenmontierten Magneten verzichtet werden. Andererseits ist es beispielsweise bei vergrabenen Magneten möglich, diese besonders nah an eine Außenseite des Rotors anzubringen und beispielsweise besonders dünne Eisenbrücken zu einem Rand oder zu anderen Magneten hin zu realisieren. Es ist auch denkbar, auf ein oder mehrere Eisenbrücken zu verzichten.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist der Permanentmagnet ein weiteres Haltemittel auf, welches über einen Formschluss mit dem Rotorkern verbunden ist. Beispielsweise sind die beiden Haltemittel einstückig mit dem Permanentmagnet gebildet, etwa angeordnet auf gegenüberliegenden Seiten. Dadurch können beispielsweise zwei Bereiche des Rotorkerns über den Permanentmagneten und dessen formschlüssige Verbindung über die Haltemittel verbunden werden. Auch das trägt dazu bei, besonders dünne Eisenbrücken zu realisieren oder auf diese gänzlich zu verzichten.
Beispielsweise ist der Permanentmagnet im Wesentlichen tangential innerhalb des Rotorkerns vergraben angeordnet, wobei ein Haltemittel auf einer der Rotordrehachse zugewandten Seite des Magneten angeordnet ist und das weitere Haltemittel auf einer der Rotordrehachse abgewandten Seite des Permanentmagneten. Dadurch werden die zuvor erwähnten Vorteile und Funktionen ermöglicht.
Gemäß einer Ausgestaltung ist das Haltemittel ein zu dem Permanentmagneten separates Halteelement. Dadurch wird eine mittelbare, formschlüssige Verbindung des Permanentmagneten mit dem Rotorkern ermöglicht. Beispielsweise ist der Permanentmagnet mittels des Halteelements am Rotor gehalten. Beispielsweise ist das Halteelement an einer Seite des Permanentmagneten, etwa seitlich bei einem außen montieren Magneten, formschlüssig angeordnet. Beispielsweise ist das Halteelement an einer von der Rotordrehachse abgewandten Seite eines vergrabenen Permanentmagneten innerhalb des Rotorkerns angeordnet. Eine solche Anordnung des Halteelements ist beispielsweise bei einem radial angeordneten vergrabenen Permanentmagneten vorteilhaft. Optional ist das Halteelement eingerichtet für eine Versteifung des Rotors bzw. des Rotorkerns zu sorgen.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist ein weiteres Haltemittel als ein zu dem Permanentmagneten separates Halteelement vorgesehen, wobei der Permanentmagnet über die beiden Halteelemente an dem Rotorkern formschlüssig gehalten ist. Insbesondere ist der Permanentmagnet zwischen beiden Halteelementen angeordnet, insbesondere berührend oder formschlüssig. Zusätzlich oder alternativ ist der Permanentmagnet zwischen beiden Halteelementen eingeklemmt.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist ein separates Halteelement so eingerichtet und/oder in dem Rotorkern angeordnet, dass zwei getrennte Bereiche des Rotorkerns formschlüssig verbunden sind. Beispielsweise ersetzt ein separates Halteelement eine Eisenbrücke und/oder verbindet die zwei Bereiche des Rotorkerns formschlüssig, wobei es zusätzlich auch dazu dienen kann, den Permanentmagneten an dem Rotorkern formschlüssig zu halten. Die getrennten Bereiche sind Bereiche des Rotorkerns, die bezüglich einer radialen Richtung ausgehend von der Rotordrehachse getrennt sind, etwa durch mit Luft gefüllte Nuten. Mit anderen Worten bewirkt das Halteelement zusätzlich eine Versteifung des Rotors bzw. des Rotorkerns. Das Haltemittel stellt beispielsweise eine versteifende, mechanische Brücke dar. Mit anderen Worten handelt es sich um ein Versteifungsmittel.
Gemäß einer Ausgestaltung weist ein separates Halteelement ein nichtmagnetisches oder nichtmagnetisierbares Material auf. Beispielsweise ist ein separates Halteelement aus einem Keramikwerkstoff, einem Kunststoffwerkstoff oder Aluminiumwerkstoff gefertigt.
Gemäß einer Ausgestaltung weist ein Haltemittel eine Nut oder eine Vorsprung auf und der Rotorkern ein korrespondierendes Gegenhaltemittel, welches für den Formschluss eine Formgebung aufweist, die komplementär zu dem Haltemittel ausgebildet ist. Damit lässt sich eine Nut-Vorsprung- bzw. Nut-Feder-Verbindung oder die oben erwähnte Schwalbenschwanzverbindung herstellen.
Gemäß einer Ausgestaltung ist der Permanentmagnet an einer Außenseite des Rotorkerns oder vergraben innerhalb des Rotorkerns angeordnet. Vergraben bedeutet beispielsweise, dass ein Magnet in einer Tasche, Nut, Ausnehmung oder Aussparung des Rotorkerns angeordnet ist. Bei solchen Topologien werden die genannten Vorteile und Funktionen beispielsweise ermöglicht.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Rotor für eine elektrische Maschine offenbart, der einen Rotorkern mit zumindest einer Ausnehmung aufweist, die als Magnetflussbarriere ausgebildet ist. Beispielsweise ist die Ausnehmung als Tasche oder Nut geformt, die als Magnetflusshindernis mit Luft gefüllt ist. Der Rotor weist weiter ein Haltemittel auf, welches als zu dem Rotorkern separates Halteelement ausgebildet ist, wobei das Haltemittel formschlüssig an dem Rotorkern in der Ausnehmung angeordnet ist, so dass zwei durch die Ausnehmung getrennte Bereiche des Rotorkerns durch das Haltemittel verbunden sind. Bei dem Rotor handelt es sich beispielsweise um einen Reluktanzrotor. Die beiden Bereiche des Rotorkerns können auch als Lagen, Schichten, oder Abschnitte des Rotorkerns bezeichnet werden und sind insbesondere bezogen auf eine radiale Richtung bezüglich einer Rotordrehachse des Rotors angeordnet.
Durch das Halteelement und die Verbindung der getrennten Bereiche wird die mechanische Stabilität des Rotors besonders erhöht. Insbesondere kann das Haltemittel beispielsweise Eisenbrücken ersetzen, die ansonsten notwendig gewesen wären. Das Haltemittel stellt beispielsweise eine versteifende, mechanische Brücke dar. Mit anderen Worten handelt es sich um ein Versteifungsmittel.
Gemäß einer Ausgestaltung füllt das Haltemittel die Ausnehmung vollständig aus. Das Ausfüllen bezieht sich zumindest auf eine Ebene, normal zu einer Rotordrehachse. Dadurch können die magnetischen Eigenschaften, ein Wirkungsgrad der Maschine und vor allem die mechanische Robustheit erheblich verbessert werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird eine elektrische Maschine mit einem Rotor nach einem der vorher beschriebenen Ausgestaltungen offenbart, die weiter ein Stator aufweist, wobei der Rotor relativ zu dem Stator beweglich ist. Die elektrische Maschine ermöglicht die vorgenannten Vorteile und Funktionen.
Weitere Vorteile und Funktionen sind in den Unteransprüchen und in der nachfolgenden, ausführlichen Beschreibung von Ausführungsbeispielen offenbart.
Die Ausführungsbeispiele werden unter Zuhilfenahme der angehängten Figuren nachfolgend beschrieben. Gleichartige oder gleichwirkende Elemente sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind nicht alle gezeigten und schon beschriebenen Merkmale stets mit einem Bezugszeichen versehen.
In den Figuren zeigen:
1 und 2 eine elektrische Maschine und einen Rotor für die elektrische Maschine mit Oberflächenmagneten,
3 bis 6 verschiedene schematische Ansichten von Rotoren mit außenmontierten Permanentmagneten gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung,
7 und 8 eine weitere elektrische Maschine und einen Rotor für die elektrische Maschine mit tangential vergrabenen Magneten,
9 bis 11 schematische Teilansichten von Rotoren gemäß verschiedener weiterer Ausführungsbeispiele,
12 eine elektrische Maschine mit einem Rotor gemäß dem Ausführungsbeispiel nach 11,
13 schematische Ansicht des Rotor der elektrischen Maschine gemäß 12,
14 bis 17 schematische Teilansichten von Rotoren verschiedener weiterer Ausführungsbeispiele,
18 und 19 eine elektrische Maschine und einen Rotor für die elektrische Maschine mit V-förmig vergrabenen Magneten,
20 bis 24 schematischen Teilansichten von Rotoren gemäß verschiedener weiterer Ausführungsbeispiele,
25 und 26 eine elektrische Maschine und Rotor gemäß der Ausführungsform nach 21,
27 ein Rotor mit radial vergraben angeordneten Permanentmagneten,
28 bis 30 drei schematische Teilansichten von Rotoren mit radialer Anordnung von Permanentmagneten gemäß verschiedener weiterer Ausführungsbeispiele,
31 bis 43 schematische (Teil-)Ansichten von Reluktanzrotoren gemäß verschiedener weiterer Ausführungsbeispiele.
1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel einer elektrischen (Synchron-)Maschine 1 mit einem Stator 2 und einem Rotor 3. 2 zeigt den Rotor 3 ohne den Stator 2. Der Rotor 3 ist relativ zu dem Stator 2 drehbar bezüglich einer Rotordrehachse 11. Die elektrische Maschine 1 ist als Synchronmaschine ausgeführt. Der Rotor 3 hat einen Rotorkern 4, der als Eisenkern ausgebildet ist, und vier außenmontierte (auch oberflächenmontiert genannt) Permanentmagneten 5.
Entsprechend der Anzahl und Anordnung der Permanentmagneten 5 hat die elektrische Maschine 1 vier Magnetpole. Die Permanentmagneten 5 sind an dem Rotorkern 4 mittels einer Bandage 6 fixiert oder gehalten.
3 bis 6 zeigen verschiedene Ansichten von Rotoren 3 gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele, die auf der in 2 gezeigten Rotortopologie basieren.
Gemäß 3 ist jeder Permanentmagnet 5 über eine formschlüssige Verbindung direkt mechanisch mit dem Rotorkern 4 verbunden. Hierzu weist jeder Permanentmagnet 5 ein erstes Haltemittel 9 auf, welches mechanisch mit einem entsprechenden ersten Gegenhaltemittel des Rotorkerns 4 zusammenwirkt. Das erste Haltemittel 9 weist eine Nut 7 auf, während das erste Gegenhaltemittel 10 einen Vorsprung 8 aufweist, der in die jeweilige Nut 7 eingreift. Mit anderen Worten ist jedes erste Haltemittel 9 als ein Abschnitt oder Teil des jeweiligen Permanentmagneten 5 zu sehen ist, welcher eine Formgebung zur Bildung der Nut 7 hat. Demgegenüber hat der Rotorkern 4 die ersten Gegenhaltemittel 10, die entsprechende Formgebungen zur Bildung der Vorsprünge 8 aufweist. Mit wieder andern Worten ist jedes erste Haltemittel 9 als Nut 7 ausgebildet und jedes erste Gegenhaltemittel 10 ist ein Vorsprung 8. Die Nuten 7 sind hinsichtlich ihrer Formgebungen an die Vorsprünge 8 angepasst, so dass diese ineinander formschlüssig eingreifen können. Gemäß 3 sind die Permanentmagneten jeweils gemäß einer Schwalbenschwanzverbindung formschlüssig mechanisch verbunden. Im verbundenen Zustand sind zumindest zwei (translatorische) Freiheitsgrade durch die Ausgestaltung des Formschlusses unterbunden.
Hier und auch im Folgenden gilt, dass ein erstes Haltemittel 9 als eingangs erwähntes Haltemittel gesehen werden kann. Weiterhin gilt, dass ein erstes Gegenhaltemittel 10 als Gegenhaltemittel wie eingangs erwähnt gesehen werden kann.
Diese Ausführung ermöglicht die eingangs genannten Vorteile und Funktionen. Insbesondere werden ein Wirkungsgrad einer elektrischen Maschine mit einem solchen Rotor 3 verbessert, da auf die außen um die Magneten 5 geführte Bandage 6 verzichtet werden kann. Dadurch wird der effektive Luftspalt zwischen Stator 2 und Rotor 3 verringert. Weiterhin sind die Magneten 5 mechanisch besonders sicher an dem Rotorkern 4 gehalten. Dies trägt zu einer mechanischen Stabilität des Rotors 3 bei.
Die in 4 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich gegenüber dem in 3 gezeigten Rotor dahingehend, dass die Zahl der ersten Haltemittel 9 bzw. ersten Gegenhaltemittel 10 verdoppelt ist. Das erhöht die mechanische Sicherheit und Robustheit des Rotors 3.
In 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel gezeigt, wobei die Permanentmagneten 5 nicht selbst ein Haltemittel aufweisen. Vielmehr sind in Zwischenbereichen zweier Pole zwischen zwei Permanentmagneten 5 jeweils ein zweites Haltemittel 12 vorgesehen, welches als zu den Magneten 5 separates Halteelement ausgebildet ist. Ein separates Halteelement kann auch als Fixierelement bezeichnet werden. Jedes zweite Haltemittel 12 weist einen Vorsprung 8 zum Zusammenwirken mit einem entsprechenden zweiten Gegenhaltemittel 13 des Rotorkerns 4 auf, wobei das weitere Gegenhaltemittel 13 eine Nut 7 aufweist.
Das Zusammenwirken von zweiten Haltemitteln 12 und zweiten Gegenhaltemitteln 13 erfolgt analog zu oben, wobei wiederum ein Formschluss nach Art einer Schwalbenschwanzverbindung vorliegt. Die zweiten Haltemittel 12 sind so ausgebildet, dass jeweils zwei von ihnen einen Permanentmagneten 5 formschlüssig an dem Rotorkern 4 halten. Insofern sind die Permanentmagneten 5 mittelbar formschlüssig mittels der zweiten Haltemittel 12 an dem Rotorkern 4 gehalten. Auch diese Ausführung ermöglicht die genannten Vorteile einer besonders sicheren mechanischen Kopplung der Permanentmagnete 5 an den Rotorkern, wobei der effektive Luftspalt zum Stator 2 reduziert werden kann.
Die separaten Halteelemente 12 sind aus einem nicht magnetischen Material, etwa aus einem Keramikwerkstoff, Kunststoffwerkstoff oder Aluminiumwerkstoff, hergestellt. Die Halteelemente tragen dazu bei, dass magnetische Streuflüsse, insbesondere zwischen den Magnetpolen, vermieden werden.
Hier und auch im Folgenden gilt, dass ein zweites Haltemittel 12 ebenfalls als eingangs erwähntes Haltemittel gesehen werden kann. Weiterhin gilt, dass ein zweites Gegenhaltemittel 13 ebenfalls als Gegenhaltemittel wie eingangs erwähnt gesehen werden kann.
6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, wobei die Ausführungsformen gemäß 3 und 5 kombiniert sind. Demzufolge haben die Permanentmagnete 5 integrale erste Haltemittel 9, die mit entsprechenden ersten Haltemitteln 10 des Rotorkerns 4 zusammenwirken. Zudem sind zweite Haltemittel 12 und zweite Gegenhaltemittel 13 vorgesehen.
Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass hier und auch im Folgenden das Zusammenwirken der Vorsprünge 8 mit den Nuten 7 auch wahlweise vertauscht ausgeführt sein kann. Beispielsweise können ein oder alle Permanentmagneten 5 gemäß 3 einen Vorsprung 8 aufweisen, der mit in den Rotorkern 4 eingebrachten Nuten 7 zusammenwirkt. Ebenso kann der Formschluss mit den Haltemitteln auch über andere geometrische Formgestaltungen erreicht werden.
7 zeigt schematisch eine weitere elektrische Maschine 1 mit einem Stator 2 und einem Rotor 3, die sich in der Rotortopologie zu den zuvor beschriebenen Ausführungen unterscheidet. 8 zeigt den Rotor 3 ohne den Stator 2. Die elektrische Maschine 1 ist als Synchronmaschine mit Permanentmagneten 5 ausgeführt. Die Permanentmagnete 5 sind vergraben innerhalb des Rotorkerns 4, im Wesentlichen tangential angeordnet. Entsprechend der Anzahl und Anordnung der Permanentmagneten 5 hat die elektrische Maschine 1 vier Magnetpole.
Die Permanentmagneten 5 sind in Ausnehmungen 14 innerhalb des Eisen-Rotorkerns 4 angeordnet, wobei an seitlich gegenüberliegenden Enden Magnetflussbarrieren 15 anschließen, welche als luftgefüllte Hohlräume realisiert sind. Eine Stabilität des Rotors 3 wird über sogenannte Eisenbrücken 16 sichergestellt, die einen dünnsten Bereich des Rotorkerns 4 zwischen einer Außenseite und den Magnetflussbarrieren 15 definieren bzw. den Ausnehmungen 14 definieren.
9 bis 11 zeigen Teilansichten von Rotoren 3 gemäß weiterer Ausführungsbeispiele. Dabei ist hier wie auch bei folgenden Teilansichten eines von vier gleichen Vierteln eines Rotors 3 gezeigt, welches einem Magnetpol des Rotors 3 entspricht.
Analog zu oben weisen die in 9 bis 11 gezeigten Permanentmagneten 5 ein oder mehrere erste Haltemittel 9 auf, die Nuten 7 aufweisen. Wie oben wird ein Formschluss zu dem Rotorkern 4 mittels Schwalbenschwanzverbindung erreicht. Aufgrund des Formschlusses und der dadurch gewonnenen mechanischen Stabilität des Rotors 3, können insbesondere die Eisenbrücken 16 besonders dünn ausgestaltet sein. Dadurch können vor allem magnetische Streuflüsse an den seitlichen Rändern der Magnete 5 erheblich reduziert werden, was zu einem höheren Wirkungsgrad einer elektrischen Maschine beiträgt.
Hervorzuheben ist bei der Ausführungsform gemäß 11, dass durch das Vorsehen von ersten Haltemitteln 9 auf zwei gegenüberliegenden Seiten eines Permanentmagnets 5 bezüglich einer radialen Richtung 17 ausgehend von der Rotordrehachse 11, ein erster Bereich 18 und ein zweiter Bereich 19 des Rotorkerns 4, die durch die Ausnehmung 14 und somit einen Permanentmagnet 5 getrennt sind, mechanisch verbunden werden. Das trägt erheblich zur mechanischen Festigkeit des Rotors 3, insbesondere bei hohen Rotordrehzahlen in einem Betrieb bei.
12 und 13 zeigen eine elektrische Maschine 1 mit einem vollständig dargestellten Rotor 3 nach 11.
14 zeigt eine Teilansicht eines Rotors 3 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, wobei im Unterschied zu 9 die Ausgestaltung des ersten Haltemittels 9 und des ersten Gegenhaltemittels 10 verstauscht ist.
15 bis 17 zeigen weitere Ausführungsbeispiele von Rotoren 3. Auch diese Rotoren 3 ermöglichen die bereits erwähnten Vorteile und Funktionen.
In 15 sind ähnlich zu 5 zweite Haltemittel 12 vorgesehen, die separat zu den Permanentmagneten 5 ausgebildet sind. Diese weisen beispielsweise wie oben ein nicht magnetisches Material auf und sind formschlüssig an gegenüberliegenden Schmalseiten (lateralen Seiten) eines Permanentmagnets 5 angeordnet mit dem Rotorkern 4 verbunden. Wie bereits mit Hinblick auf 11 beschrieben, verbinden die zweiten Haltemittel 12 jeweils zwei Bereiche 18, 19 des Rotorkerns 4, wobei jedes zweite Haltemittel 12 jeweils zwei gegenüberliegende Vorsprünge 8 aufweist, die formschlüssig mit zweiten Gegenhaltemitteln 13 des Rotorkerns 4 zusammenwirken. Der Permanentmagnet 5 ist zwischen den beiden zweiten Haltemitteln 12 angeordnet und formschlüssig gehalten, beispielsweise geklemmt. Weiterhin tragen die zweiten Haltemittel 12 dazu bei, dass jeder Permanentmagnet 5 formschlüssig an dem Rotorkern 4 gehalten ist, um beispielsweise Fliehkräfte im Betrieb, insbesondere bei hohen Drehzahlen des Rotors 3, besser aufgenommen werden können. Die separaten Halteelemente 12 versteifen den Rotor 3.
Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass ein Haltemittel 12 auch zwei Nuten 7 oder jeweils eine Nut 7 oder einen Vorsprung 8 haben oder entsprechend ausgebildet sein können.
16 und 17 zeigen weitere Ausführungsbeispiele von Rotoren 3, die ähnlich zu dem Rotor 3 der 6 ausgebildet sind, wobei zusätzlich neben zweiten Haltemitteln 12 und zweiten Gegenhaltemittel 13 auch erste Haltemittel 9 und erste Gegenhaltemittel 10 vorgesehen sind, so dass auch ein direkter Formschluss der Permanentmagneten 5 mit dem Rotorkern 4 bewerkstelligt ist.
Die beschriebenen Ausführungsbeispiele gemäß 9 bis 17 lassen sich auch auf weitere Rotor-Topologien für Rotoren mit vergrabenen Permanentmagneten übertragen. Neben den beschriebenen, tangential angeordneten Magneten sind die beschriebenen Lösungen auch bei Rotoren mit V-förmige Permanentmagneten oder radial angeordneten Permanentmagneten (sogenannte Spoke-Magnete) umsetzbar, wie nachfolgend beschrieben.
Beispielsweise in 18 und 19 sind eine elektrische Maschine 1 und ein Rotor 3 gezeigt mit V-förmig angeordneten Permanentmagneten 5. Dabei stellen immer zwei V-förmig angeordnete Magneten 5, die ein nach außen geöffnetes "V" bilden, einen Magnetpol des Rotors 3 dar. Analog zu oben finden sich Eisenbrücken 16 zum äußeren Rand des Rotors 3 hin, wobei zusätzlich weitere Eisenbrücken 20 im Bereich des nächsten Abstandes zweier Permanentmagneten 5 eines Magnetpols vorgesehen sind.
20 bis 23 zeigen Ausführungsbeispiele von Rotoren 3, die entsprechende Merkmale aufweisen, wie sie bereits zuvor beschrieben worden sind.
So zeigen 20 und 21 Rotoren 3, bei denen die Permanentmagnete 5 selbst erste Haltemittel 9 mit Nuten 7 aufweisen, die entsprechend mit ersten Gegenhaltemitteln 10 der Rotorkerne 4, die Vorsprünge 8 aufweisen, formschlüssig zusammenwirken.
22 bis 24 zeigen weitere Ausführungsbeispiele von Rotoren 3 im Sinne der zuvor beschriebenen Ausführungen, wobei entweder separate Halteelemente alleine oder in Kombination mit ersten Haltemitteln 9 der Permanentmagnete 5 vorgesehen sind.
Dabei gilt für die 20 bis 24, dass die Eisenbrücken 16 und die weiteren Eisenbrücken 20 aufgrund der neuartigen Ausgestaltung deutlich verringert, etwa dünner, und/oder sogar ganz weggelassen werden können.
25 und 26 zeigen eine elektrische Maschine 1 und den zugehörigen Rotor 3 gemäß dem in 21 gezeigten Ausführungsbeispiel.
27 zeigt eine Ausführungsform eines Rotors 3 gemäß einer weiteren Rotortopologie mit vergrabenen Magneten, wobei vier Permanentmagnete 5 radial im Rotorkern 4 angeordnet sind. Wiederum sind Magnetflussbarrieren 15 vorgesehen, die auf einer der Rotordrehachse 11 zugewandten Seite und einer der Rotordrehachse 11 abgewandten Seite der Permanentmagneten 5 ausgebildet sind.
28 bis 30 zeigen weitere Ausführungsbeispiele von Rotoren 3 mit vergrabenen Permanentmagneten 5 gemäß der in 27 gezeigten Topologie, wobei wieder auf die bereits beschriebenen Merkmale mit Hinblick auf die Haltemittel zurückgegriffen ist.
In 28 sind erste Haltemittel 9 an der der Rotordrehachse 11 zugewandten Seite jedes Permanentmagneten 5 vorgesehen, die in beschriebener Weise formschlüssig mit dem Rotorkern 4 zusammenwirken.
In 29 sind zweite Haltemittel 12 als separate Halteelemente in beschriebener Art und Weise vorgesehen.
30 zeigt eine Ausführungsform, in der die Merkmale der 28 und 29 analog zu obigen Ausführungsformen kombiniert sind.
Auch die Rotoren 3 der 28 bis 30 ermöglichen die beschriebenen Vorteile und Funktionen.
31 und 32 zeigen zwei Ansichten eines Rotors 3, der als Reluktanzrotor ausgebildet ist. Ein reiner Reluktanzrotor hat keine Permanentmagnete. Der Reluktanzrotor 3 weist einen Rotoreisenkern 4 auf, in den doppelt V-förmige Ausnehmungen 14 als Magnetflussbarrieren 15 mit fehlendem Eisen eingebracht sind. Analog zu oben sind erste Eisenbrücken 16 und zweite Eisenbrücken 20 ausgebildet, die herkömmlich für eine Stabilität des Rotors 3 sorgen.
Die 33 bis 43 zeigen weitere Ausführungsbeispiele von Reluktanzrotoren 3 entsprechend der bereits beschriebenen Prinzipien. Dabei ist den Rotoren 3 gemein, dass in die Ausnehmungen 14 zumindest ein zweites Haltemittel 12 als Haltemittel eingefügt ist, welches durch die Ausnehmungen 14 bezüglich der radialen Richtung 17 getrennte Bereiche 18, 19, 21 des Rotors 3 bezüglich der Rotordrehachse 11 verbindet. Die zweiten Haltemittel 12 sind dabei wie bereits zuvor beschrieben formschlüssig im Eingriff mit dem Rotorkern 4, insbesondere mit entsprechenden zweiten Gegenhaltemitteln 13. Dabei sind in jedem der gezeigten Ausführungsbeispiele zumindest die weiteren, zweiten Eisenbrücken 20 ersetzt, während die ersten Eisenbrücken 16 am Rand der Rotoren 3 zumindest deutlich verringert sind. Weiterhin ist erkenntlich, dass teilweise die gesamten Ausnehmungen 14 mit zweiten Haltemitteln 12 gefüllt sind. Beispielsweise sind die Ausnehmungen 14 mittels Gießverfahren mit den zweiten Haltemitteln 12 teilweise oder vollständig gefüllt.
Hervorzuheben ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 43, dass die Bereiche 18, 19 und 21 des Rotorkerns 4 voneinander vollständig getrennt sind, ergo nicht durch Eisenbrücken oder andere Abschnitte des Rotorkerns 4 oder dessen Eisenmaterial verbunden sind. Vielmehr sind die Bereiche 18, 19 und 21 ausschließlich über die Haltemittel 12 formschlüssig, mechanisch verbunden.
Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass der Rotorkern 4 beispielsweise durch ein Rotor-Blechpaket gebildet ist und sämtliche Formgebungen des Rotorkerns 4 beispielsweise durch Stanzen oder entsprechender Bearbeitung des Blechpakets hergestellt sind.
Sämtlichen beschriebenen Ausführungsbeispielen ist das generelle Prinzip gemein, dass Haltemittel vorgesehen sind, die formschlüssig mit dem Rotorkern verbunden sind. Dadurch wird einerseits eine mechanische Robustheit der Rotoren erhöht, ohne wie eingangs erwähnt, magnetische Eigenschaften und damit verbunden Wirkungsgrade elektrischer Maschinen zu schwächen. Vielmehr werden letztere sogar verbessert.
Die Merkmale der beschriebenen und gezeigten Ausführungsbeispiele sind miteinander kombinierbar.
Bezugszeichenliste

1: elektrische Maschine
2: Stator
3: Rotor
4: Rotorkern
5: Permanentmagnet
6: Bandage
7: Nut
8: Vorsprung
9: erstes Haltemittel
10: erste Gegenhaltemittel
11: Rotordrehachse
12: zweites Haltemittel
13: zweites Gegenhaltemittel
14: Ausnehmung
15: Magnetflussbarriere
16: Eisenbrücke
17: radiale Richtung
18: erster Bereich
19: zweiter Bereich
20: weitere Eisenbrücke
21: dritte Bereich

Claims

Rotor (3) für eine elektrische Maschine (1), der Rotor aufweisend einen Rotorkern (4), einen Permanentmagneten (5) und mindestens ein Haltemittel (9, 12), wobei das Haltemittel (9, 12) formschlüssig mit dem Rotorkern (4) verbunden ist und der Permanentmagnet (5) mittels des Haltemittels (9, 12) an dem Rotorkern (4) gehalten ist.
Rotor (3) nach Anspruch 1, wobei die formschlüssige Verbindung des Haltemittels (9, 12) mit dem Rotorkern (4) eine Schwalbenschwanzverbindung aufweist.
Rotor (3) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Haltemittel (9) Teil des Permanentmagneten (5) ist.
Rotor (3) nach Anspruch 3, wobei der Permanentmagnet (5) mindestens ein weiteres Haltemittel (9) aufweist, welches über einen Formschluss mit dem Rotorkern (4) verbunden ist.
Rotor (3) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Haltemittel (12) ein zu dem Permanentmagneten (12) separates Haltelement ist.
Rotor (3) nach Anspruch 5, wobei ein weiteres Haltemittel (12) als ein zu dem Permanentmagneten (5) separates Halteelement vorgesehen ist, wobei der Permanentmagnet (5) über die beiden Halteelemente (12) an dem Rotorkern (4) formschlüssig gehalten ist.
Rotor (3) nach Anspruch 5 oder 6, wobei ein separates Halteelement derart eingerichtet und/oder in dem Rotorkern (4) angeordnet ist, dass zwei getrennte Bereiche (18, 19, 21) des Rotorkerns (4) formschlüssig verbunden sind.
Rotor (3) nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei ein separates Haltelement ein nicht magnetisches oder nicht magnetisierbares Material aufweist.
Rotor (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein Haltemittel (9, 12) eine Nut (7) oder einen Vorsprung (8) aufweist, und der Rotorkern (4) ein korrespondierendes Gegenhaltemittel (10, 13) aufweist, welches für den Formschluss eine Formgebung aufweist, die komplementär zu dem Haltemittel (9, 12) ausgebildet ist.
Rotor (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Permanentmagnet (5) an einer Außenseite des Rotorkerns (4) oder vergraben innerhalb des Rotorkerns (4) angeordnet ist.
Rotor (3) für eine elektrische Maschine, aufweisend einen Rotorkern (4) mit zumindest einer Ausnehmung (14), die als Magnetflussbarriere (15) ausgebildet ist, und mindestens ein Haltemittel (12), welches als separates Haltelement ausgebildet ist, wobei das Haltemittel (12) formschlüssig an dem Rotorkern (4) in der Ausnehmung (14) angeordnet ist, so dass zwei durch die Ausnehmung (14) getrennte Bereiche (18, 19, 21) des Rotorkerns (4) durch das Haltemittel (12) verbunden sind.
Rotor (3) nach Anspruch 11, wobei das Haltemittel (12) die Ausnehmung (14) vollständig ausfüllt.
Rotor (3) nach Anspruch 11 oder 12, wobei das Haltemittel (12) zwei Nuten (7), zwei Vorsprünge (8) oder einen Vorsprung (8) und eine Nut (7) aufweist, und der Rotorkern (4) jeweils korrespondierende Gegenhaltemittel (13) aufweist, welche für den Formschluss mit dem Haltmittel (12) jeweils eine Formgebung aufweisen, die komplementär zu dem Haltemittel (12) ausgebildet ist.
Rotor (3) nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei das Haltemittel (12) ein nicht magnetisches oder nicht magnetisierbares Material aufweist.
Rotor (3) nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei der Rotor (3) als Reluktanzrotor ausgebildet ist.
Elektrische Maschine (1) mit einem Rotor (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 15 sowie weiter aufweisend einen Stator (2), wobei der Rotor (3) relativ zu dem Stator (2) beweglich ist.