DE102016205246A1 - rotor assembly - Google Patents

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Abstract

Es wird eine Rotoranordnung (RA) für Doppelkamm-Maschinen in Radialfluss-Anordnung vorgeschlagen, die gewichtsreduziert und vereinfacht zu fertigen und darüber hinaus in mobilen Anwendungen wie in der Luftfahrt als elektrische Antriebsmaschine einsetzbar ist. Erreicht ist dies ausgehend von einer Rotoranordnung (RA), die einen außenseitig angeordneten ersten Stator (S1) mit einem Polspulensystem, einen innenseitig angeordneten zweiten Stator (S2) mit einem Polspulensystem und einem dazwischen angeordneten Doppelkamm-Rotor (R2) mit zwei permanent erregten Magnetsystemen in Halbach-Anordnung aufweist, von denen das eine mit dem außenseitig angeordneten Stator (S1) und das andere mit dem innenseitig angeordneten zweiten Stator (S2) interagiert, dadurch, dass der Doppelkamm-Rotor (R2) als ein Doppelkamm-Rotor (R3) mit lateral magnetisierten linsenförmigen Magneten (LM) gemäß ERFM 201501718 für die Magnetsysteme in Halbach-Anordnung konstruiert ist.It is proposed a rotor assembly (RA) for double-comb machines in radial flow arrangement, the weight-reduced and simplified to manufacture and also can be used in mobile applications such as in aviation as an electric drive machine. This is achieved on the basis of a rotor arrangement (RA) which has a first stator (S1) arranged on the outside with a pole coil system, a second stator (S2) arranged on the inside with a pole coil system and a double comb rotor (R2) arranged therebetween with two permanently excited magnet systems in a Halbach arrangement, one of which interacts with the stator (S1) arranged on the outside and the other with the second stator (S2) arranged on the inside, in that the double-comb rotor (R2) acts as a double-comb rotor (R3) is constructed with laterally magnetized lenticular magnets (LM) according to ERFM 201501718 for the magnet systems in Halbach arrangement.

Description

Die Erfindung betrifft eine Rotoranordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. The invention relates to a rotor assembly according to the preamble of claim 1.

Dem Fachmann sind permanent erregte Doppelkamm-Maschinen in Radialfluss-Anordnung bekannt. Dabei weist der darin verwendete Doppelkamm-Rotor zwei Magnetsysteme auf, wobei ein erstes Magnetsystem mit einem ersten Stator, zum Beispiel einem Außenstator, das heißt einem Stator, der an einer Außenseite der Maschine angeordnet ist, interagiert, und wobei ein zweites Magnetsystem mit einem zweiten Stator, zum Beispiel einem Innenstator, das heißt einem Stator, der an einer Innenseite der Maschine angeordnet ist, interagiert. Dazu ist in dem jeweiligen Stator ein jeweiliges Polspulensystem integriert. The person skilled in the art is aware of permanently excited double-comb machines in a radial flow arrangement. In this case, the double-comb rotor used therein has two magnet systems, wherein a first magnet system with a first stator, for example an external stator, that is, a stator, which is arranged on an outer side of the machine, interacts, and wherein a second magnet system with a second Stator, for example, an inner stator, that is, a stator, which is arranged on an inner side of the machine interacts. For this purpose, a respective Polspulensystem is integrated in the respective stator.

Die rotorseitigen Magnetsysteme sind, wie aus der 1 ersichtlich, mit Hilfe von Oberflächenmagneten gebildet, die auf einer darunter liegenden weichmagnetischen Struktur, zum Beispiel auf einem Blechpaket, platziert sind. The rotor-side magnet systems are, as shown in 1 can be seen, formed with the aid of surface magnets, which are placed on an underlying soft magnetic structure, for example on a laminated core.

Derartige Maschinen sind relativ schwer. Für mobile Anwendungen, beispielsweise in der Luftfahrt, sind sie daher nicht besonders geeignet. Such machines are relatively heavy. For mobile applications, for example in aviation, they are therefore not particularly suitable.

Auf ein rotorseitiges Blechpaket kann verzichtet und damit Gewicht eingespart werden, wenn, wie die 2 näher zeigt, Magnetsysteme des Doppelkamm-Rotors in so genannter Halbach-Anordnung auf dem Doppelkamm-Rotor angebracht sind. Durch die Anwendung von Halbach-Magneten kann der in der 2 skizzierte und schraffierte Bereich weggelassen werden. Der verbleibende Bereich unterhalb der Magnete dient als Tragstruktur, der nicht zwingend aus magnetisch leitfähigem Material bestehen muss. On a rotor-side laminated core can be omitted and thus saved weight when, like the 2 shows closer, magnetic systems of the double comb rotor are mounted in the so-called Halbach arrangement on the double comb rotor. The use of Halbach magnets can be used in the 2 sketched and hatched area are omitted. The remaining area below the magnets serves as a supporting structure, which does not necessarily have to consist of magnetically conductive material.

Zur näheren Erklärung der 2 sei erwähnt, dass die dort dargestellte Halbach-Anordnung eine diskrete Halbach-Anordnung ist, bei der die Magnete jeweils diskret um einen bestimmten Winkel zueinander versetzt magnetisiert sind. Zu deren Realisierung müssen die Magnete aus einem Rohling jeweils entlang der Anisotropie richtig ausgerichtet ausgeschnitten werden. Das führt zu hohem Materialausschuss. Außerdem ist die Anordnung der Einzelmagnete auf der Tragstruktur aufwendig. For a more detailed explanation of the 2 It should be mentioned that the Halbach arrangement shown there is a discrete Halbach arrangement in which the magnets are each magnetized discretely offset by a certain angle. To realize this, the magnets must be cut out of a blank in each case aligned along the anisotropy. This leads to high material waste. In addition, the arrangement of the individual magnets on the support structure is complicated.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Rotoranordnung für Doppelkamm-Maschinen in Radialfluss-Anordnung anzugeben, durch die einerseits eine Gewichtseinsparung bei Beibehaltung eines hohen Leistungsgewichts und andererseits deren Herstellung in einfacher Weise realisierbar ist, so dass eine damit entwickelte Maschine wegen der Leichtbauausführung und vereinfachten Herstellung sich nunmehr auch als elektrische Antriebsmaschine für mobile Anwendungen wie zum Beispiel Luftfahrtanwendungen eignet. Object of the present invention is to provide a rotor assembly for double-comb machines in radial flow arrangement, on the one hand a weight saving while maintaining a high performance weight and on the other hand their production can be realized in a simple manner, so that a developed machine because of the lightweight construction and simplified Production is now also suitable as an electric drive machine for mobile applications such as aerospace applications.

Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Rotoranordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch eine Rotoranordnung gelöst, die das im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebene Merkmal aufweist. This object is achieved on the basis of a rotor assembly of the type mentioned according to the invention by a rotor assembly having the feature specified in the characterizing part of claim 1.

Danach ist der Doppelkamm-Rotor als ein Doppelkamm-Rotor mit lateral magnetisierten linsenförmigen Magneten gemäß ERFM 201501718 für die Magnetsysteme in Halbach-Anordnung konstruiert. Thereafter, the double comb rotor is constructed as a double comb rotor with laterally magnetized lenticular magnets according to ERFM 201501718 for the magnet systems in Halbach arrangement.

Diese linsenförmigen Magnete produzieren nicht mehr den hohen Materialausschuss wie früher und es entfällt auch das aufwendige Aufbringen von Einzelmagneten. Es können Bereiche eingespart werden, was eine Leichtbauausführung befördert bei Aufrechterhaltung des Leistungsgewichts. Dazu trägt die Möglichkeit bei, dass auf eine rotorseitige weichmagnetische Struktur wie zum Beispiel ein Rotorblechpaket verzichtet werden kann. Zur Flussleitung dienen, wie bei der Halbach-Anordnung auch, die Magnete selbst. These lenticular magnets no longer produce the high scrap of material as before and it also eliminates the costly application of individual magnets. It can be saved areas, which promotes a lightweight construction while maintaining the performance weight. Contributing to this is the possibility that can be dispensed with a rotor-side soft magnetic structure such as a rotor laminated core. For the flux conduction serve, as with the Halbach arrangement also, the magnets themselves.

Anstatt einer weichmagnetischen Struktur kann ein anderes Material verwendet werden, das im Wesentlichen nur noch tragende und drehmomentübertragende Funktionen wahrnehmen muss. Es handelt sich demnach um eine Tragstruktur. Der Volumenbedarf und damit auch der Gewichtsbedarf der Tragstruktur nimmt gegenüber Oberflächenmagneten ab, wie das der schraffierte Bereich in den Figuren andeutet. Es ist eine mobile Anwendung beispielsweise in der Luftfahrt, wie bereits erwähnt, möglich. Instead of a soft magnetic structure, another material can be used, which essentially only has to perform load-bearing and torque-transmitting functions. It is therefore a support structure. The volume requirement and thus also the weight requirement of the support structure decreases with respect to surface magnets, as indicated by the hatched area in the figures. It is a mobile application, for example in aviation, as already mentioned possible.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen. Advantageous embodiments of the invention are the subject of dependent claims.

Danach ist in einer besonderen Ausgestaltung ein unterhalb der linsenförmigen Magnete sich befindender Strukturbereich des Doppelkamm-Rotors mit nicht magnetisch leitfähigem Material konstruiert. Thereafter, in a particular embodiment, a structural region of the double comb rotor located below the lenticular magnets is constructed with non-magnetically conductive material.

In einer anderen besonderen Ausgestaltung ist ein unterhalb der linsenförmigen Magnete sich befindender Strukturbereich des Doppelkamm-Rotors mit nicht magnetisch leitfähigem Material und ohne Blechpaketcharakteristik konstruiert. In another particular embodiment, a structural region of the double comb rotor located beneath the lenticular magnets is constructed with a non-magnetically conductive material and without a lamination packet characteristic.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein unterhalb der linsenförmigen Magnete sich befindender Strukturbereich des Doppelkamm-Rotors mit nicht magnetisch leitfähigem Material und ohne Blechpaketcharakteristik konstruiert. In a further advantageous embodiment of the invention, a structural region of the double comb rotor located below the lenticular magnets is constructed with a non-magnetically conductive material and without a lamination packet characteristic.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der unterhalb der linsenförmigen Magnete sich befindende Strukturbereich des Doppelkamm-Rotors mit einem Faserverbundwerkstoff konstruiert. In a further advantageous embodiment of the invention, the below the lenticular magnets located structural region of the double-comb rotor is constructed with a fiber composite material.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der unterhalb der linsenförmigen Magnete sich befindende Strukturbereich des Doppelkamm-Rotors mit Aluminium mit oder ohne Kühlschlitzen konstruiert. In a further advantageous embodiment of the invention, the structural region of the double comb rotor located below the lenticular magnets is constructed with aluminum with or without cooling slots.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen wenigstens einzelne linsenförmige Magnete Luftspalt bildende Aussparungen auf. In a further advantageous embodiment of the invention, at least individual lenticular magnets have air gap-forming recesses.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist in Luftspalt bildenden Aussparungen der linsenförmigen Magnete ein elektrisch und magnetisch nicht leitfähiges Material axial stabförmig angeordnet. In a further advantageous embodiment of the invention, an electrically and magnetically non-conductive material is arranged axially rod-shaped in air gap forming recesses of the lenticular magnets.

In einer abschließenden vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die linsenförmigen Magnete auf eine Weise gefertigt, dass wenigstens zwei linsenförmige Magnete ineinander liegend angeordnet sind und dass zwischen zwei benachbarten, ineinander liegenden linsenförmigen Magneten ein weichmagnetisches Material angeordnet ist. In a concluding advantageous embodiment of the invention, the lenticular magnets are manufactured in such a way that at least two lenticular magnets are arranged one inside the other and that a soft magnetic material is arranged between two adjacent, lenticular magnets.

All diese Maßnahmen tragen insbesondere zum Erhalt der vorteilhaften Wirkungen des vorliegenden Erfindungsgegenstands bei. All of these measures contribute in particular to obtaining the beneficial effects of the present subject matter.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen: An embodiment of the invention will be explained in more detail with reference to a drawing. Show:

1 einen ersten Stand der Technik, 1 a first prior art,

2 einen zweiten Stand der Technik, und die 2 a second prior art, and the

3A bis 3C Ausführungsbeispiele gemäß der Erfindung. 3A to 3C Embodiments according to the invention.

Alle Figuren zeigen verschiedene Radialfeld-Topologien in einer Abwicklung. Tatsächlich sind die jeweiligen Maschinen rotationssymmetrisch ausgeführt. All figures show different radial field topologies in one development. In fact, the respective machines are rotationally symmetrical.

Grundlage für die Ausführungen gemäß der 1 bis 3A ist eine Rotoranordnung RA, aufweisend einen außenseitig angeordneten ersten Stator S1 mit einem Polspulensystem, einen innenseitig angeordneten zweiten Stator S2 mit einem Polspulensystem und einem dazwischen angeordneten Doppelkamm-Rotor R1; R2; R3 mit zwei permanent erregten Magnetsystemen beispielsweise in Halbach-Anordnung (2), von denen das eine mit dem außenseitig angeordneten Stator S1 und das andere mit dem innenseitig angeordneten zweiten Stator S2 interagiert. Zwischen den Statoren S1, S2 und dem Doppelkamm-Rotor R1; R2; R3 sind Luftspalte δ1, δ2 ausgebildet. Basis for the statements according to the 1 to 3A is a rotor assembly RA, comprising a first stator S1 arranged on the outside with a pole coil system, a second stator S2 arranged on the inside with a pole coil system and a double-comb rotor R1 arranged therebetween; R2; R3 with two permanently excited magnet systems, for example in a Halbach arrangement ( 2 ), one of which interacts with the stator S1 arranged on the outside and the other with the second stator S2 arranged on the inside. Between the stators S1, S2 and the double-comb rotor R1; R2; R3 are formed air gaps δ1, δ2.

Die bei der erfindungsgemäßen Rotoranordnung RA gemäß der 3A bis 3C erzielte rotorseitige Leichtbauweise ist insbesondere erreicht durch:

  • (a) Verzicht auf weichmagnetisches Material, insbesondere ein Blechpaket zur Flussführung, im Doppelkamm-Rotor R3, und
  • (b) Anwendung von lateral magnetisierten linsenförmigen Magnete LM gemäß ERFM 201501718.
The rotor assembly according to the invention RA according to the 3A to 3C achieved rotor-side lightweight construction is achieved in particular by:
  • (a) dispensing with soft magnetic material, in particular a laminated core for flux guidance, in the double comb rotor R3, and
  • (b) Application of laterally magnetized lenticular magnets LM according to ERFM 201501718.

In einer Ausführungsform gemäß der Erfindung ist die Tragstruktur des Doppelkamm-Rotors R3 aus einem Faserverbundwerkstoff hergestellt. Vorteilhaft hierbei ist, dass diese Tragstruktur eine Leichtbauanordnung ist. In an embodiment according to the invention, the support structure of the double comb rotor R3 is made of a fiber composite material. The advantage here is that this support structure is a lightweight construction.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist die Tragstruktur aus Aluminium hergestellt. In dem in der 3A schraffierten Teil kann zusätzlich eine Anordnung von Kühlschlitzen zum Luftdurchsatz vorgesehen sein. In a further embodiment, the support structure is made of aluminum. In the in the 3A hatched part may additionally be provided an arrangement of cooling slots for air flow.

Aluminium ist ein wärmeleitfähiges Material und ist zur Abfuhr der in den linsenförmigen Magneten LM entstehenden Wärme verwendbar. Die Wärmeabfuhr erfolgt über die Kühlschlitze. Aluminum is a thermally conductive material and is useful for dissipating heat generated in the lenticular LM magnets. The heat dissipation takes place via the cooling slots.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist, wie die 3B näher zeigt, in luftspaltseitigen Aussparungen der linsenförmigen Magnete LM ein elektrisch und magnetisch nicht leitfähiges Material M axial stabförmig angeordnet. An den Stirnseiten werden die Stäbe miteinander verbunden, so dass sich eine Anordnung ähnlich dem Käfigläufer einer Asynchronmaschine ergibt. In a further embodiment, like the 3B shows in detail, in air-gap side recesses of the lenticular magnets LM an electrically and magnetically non-conductive material M arranged axially rod-shaped. At the end faces, the rods are connected to each other, so that an arrangement similar to the squirrel cage of an asynchronous machine results.

Die Stäbe können aus einem Verbundwerkstoff gefertigt sein. Diese Anordnung kann als zusätzliche Tragstruktur vorgesehen sein, die die erfindungsgemäße Rotoranordnung RA gegen radial wirkende Kräfte sichert. The rods can be made of a composite material. This arrangement can be provided as an additional support structure, which secures the rotor assembly RA according to the invention against radially acting forces.

In einem letzten, in der 3C näher gezeigten Ausführungsbeispiel sind die linsenförmigen Magnete LM auf eine Weise gefertigt, dass wenigstens zwei linsenförmige Magnete LM1, LM2 ineinander liegend angeordnet sind. In a last, in the 3C In more detail, the lenticular magnets LM are manufactured in such a way that at least two lenticular magnets LM1, LM2 are arranged one inside the other.

Zwischen zwei benachbarten, ineinander liegenden linsenförmigen Magnete LM1, LM2 ist ein weichmagnetisches Material WM angeordnet. Mit dieser Anordnung ist bei entsprechend richtiger Bestromung zusätzlich ein Reluktanzmoment nutzbar. Das weichmagnetische Material WM kann ein Blechpaket sein oder aus SMC (soft magnetic composite) gefertigt sein, welches auch durch additive Fertigungsmethoden einbringbar ist. Between two adjacent lens-shaped magnets LM1, LM2, a soft magnetic material WM is arranged. With this arrangement, in addition, a reluctance torque can be used with correspondingly correct energization. The soft magnetic material WM may be a laminated core or be made of SMC (soft magnetic composite), which can also be introduced by additive manufacturing methods.

Claims (8)

Rotoranordnung (RA), aufweisend einen außenseitig angeordneten ersten Stator (S1) mit einem Polspulensystem, einen innenseitig angeordneten zweiten Stator (S2) mit einem Polspulensystem und einem dazwischen angeordneten Doppelkamm-Rotor (R2) mit zwei permanent erregten Magnetsystemen in Halbach-Anordnung, von denen das eine mit dem außenseitig angeordneten Stator (S1) und das andere mit dem innenseitig angeordneten zweiten Stator (S2) interagiert, dadurch gekennzeichnet, dass – der Doppelkamm-Rotor (R2) als ein Doppelkamm-Rotor (R3) mit lateral magnetisierten linsenförmigen Magneten (LM) gemäß ERFM 201501718 für die Magnetsysteme in Halbach-Anordnung konstruiert ist. Rotor arrangement (RA) comprising a first stator (S1) arranged on the outside with a pole coil system, a second stator (S2) arranged on the inside with a pole coil system and a double comb rotor (R2) arranged therebetween with two permanently excited magnet systems in a Halbach arrangement, of the one interacts with the stator (S1) arranged on the outside and the other with the second stator (S2) arranged on the inside, characterized in that - the double comb rotor (R2) as a double comb rotor (R3) with laterally magnetized lenticular magnets (LM) is constructed in accordance with ERFM 201501718 for the Halbach magnet systems. Rotoranordnung (RA) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – ein unterhalb der linsenförmigen Magnete (LM) sich befindender Strukturbereich des Doppelkamm-Rotors (R3) mit nicht magnetisch leitfähigem Material konstruiert ist. Rotor arrangement (RA) according to claim 1, characterized in that - a structural region of the double-comb rotor (R3) located below the lenticular magnets (LM) is constructed with non-magnetically conductive material. Rotoranordnung (RA) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – ein unterhalb der linsenförmigen Magnete (LM) sich befindender Strukturbereich des Doppelkamm-Rotors (R3) mit nicht magnetisch leitfähigem Material und ohne Blechpaketcharakteristik konstruiert ist. Rotor arrangement (RA) according to claim 1, characterized in that - a structure of the double-comb rotor (R3) located below the lenticular magnets (LM) is constructed with non-magnetically conductive material and without laminated core characteristic. Rotoranordnung (RA) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass – der unterhalb der linsenförmigen Magnete (LM) sich befindende Strukturbereich des Doppelkamm-Rotors (R3) mit einem Faserverbundwerkstoff konstruiert ist. Rotor arrangement (RA) according to claim 2 or 3, characterized in that - the structure area of the double-comb rotor (R3) located beneath the lenticular magnets (LM) is constructed with a fiber composite material. Rotoranordnung (RA) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass – der unterhalb der linsenförmigen Magnete (LM) sich befindende Strukturbereich des Doppelkamm-Rotors (R3) mit Aluminium mit oder ohne Kühlschlitzen konstruiert ist. Rotor arrangement (RA) according to claim 2 or 3, characterized in that - the structural region of the double-comb rotor (R3) located below the lenticular magnets (LM) is constructed with aluminum with or without cooling slots. Rotoranordnung (RA) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass – wenigstens einzelne linsenförmige Magnete (LM) Luftspalt bildende Aussparungen aufweisen. Rotor arrangement (RA) according to one of claims 1 to 5, characterized in that - at least individual lenticular magnets (LM) have air gap forming recesses. Rotoranordnung (RA) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass – in Luftspalt bildenden Aussparungen der linsenförmigen Magnete (LM) ein elektrisch und magnetisch nicht leitfähiges Material (M) axial stabförmig angeordnet ist. Rotor arrangement (RA) according to claim 6, characterized in that - in the air gap forming recesses of the lenticular magnets (LM) an electrically and magnetically non-conductive material (M) is arranged axially rod-shaped. Rotoranordnung (RA) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass – die linsenförmigen Magnete (LM) auf eine Weise gefertigt sind, dass wenigstens zwei linsenförmige Magnete (M1; M2) ineinander liegend angeordnet sind, und – zwischen zwei benachbarten, ineinander liegenden linsenförmigen Magneten (LM1; LM2) ein weichmagnetisches Material (WM) angeordnet ist. Rotor arrangement (RA) according to one of claims 1 to 7, characterized in that - the lenticular magnets (LM) are manufactured in such a way that at least two lenticular magnets (M1; M2) are arranged one inside the other, and - between two adjacent ones, lenticular magnets (LM1, LM2) are arranged in a soft magnetic material (WM).
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