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Die Erfindung betrifft einen Rotorkern. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Rotor mit einem derartigen Rotorkern, eine elektrische Maschine mit einem derartigen Rotor und ein Fahrzeug mit einer derartigen Maschine.
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Stand der Technik
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Die
DE 10 2013 219 020 A1 zeigt eine elektrische Drehmaschine mit einem Stator mit Statorwicklungen und einem Rotor mit einem magnetisch leitenden Rotorkern, in dem mehrere Sätze innenliegender Dauermagnete eingebettet sind, wobei jeder Satz pro Pol ein Paar von Dauermagneten aufweist, die in einer "V"-förmigen Gestaltung angeordnet sind, die sich zu einem Außenumfang des Rotors hin öffnet. Für die Dauermagnete jedes Paars ist der Rotor mit einem Satz von Öffnungen ausgeführt, die in einer "V"-förmigen Gestaltung angeordnet sind, welche sich zu dem Außenumfang hin öffnet, um die Dauermagnete, die jeweils über ihre Länge hinweg das gleiche rechteckige Querschnittprofil aufweisen und sich in der Achsenrichtung entlang der Rotorachse erstrecken, fest aufzunehmen, indem gestattet wird, dass ihre Ecken in den Satz von Öffnungen eingesetzt werden.
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Die Öffnungen jedes Satzes umfassen Magnetöffnungen, die so gestaltet sind, dass sie die Dauermagnete des entsprechenden Paars aufnehmen und einschließen, erste Öffnungen, die über jedem der Dauermagnete angeordnet sind und voneinander in der Richtung seiner Breite getrennt sind und als äußere Flussbarrieren dienen, um zu verhindern, dass sich der Magnetfluss um den Dauermagneten dreht, und zweite Öffnungen, welche sich zwischen den Dauermagneten jedes Paars befinden und als innere Flussbarrieren dienen. Zwischen den zweiten Öffnungen je eines Paars befindet sich eine Mittelbrücke, die sich in einer radialen Richtung von der Rotorachse erstreckt, um die Innen- und die Außenkante, welche die Öffnung definieren, zu verbinden, um die Dauermagnete gegen die Zentrifugalkraft, die erzeugt wird, wenn sich der Rotor mit einer hohen Geschwindigkeit dreht, in Position zu halten. Die inneren Flussbarrieren sind um ein Mehrfaches größer als die äußeren Flussbarrieren. Der Rotor teilt und trennt die Magnetflusslinien der Statorwicklungen durch die großen inneren Flussbarrieren und durch eine Mittelnut pro Magnetpol am Außenumfang des Rotors wirksam in zwei. Dies verursacht, dass der Rotor wirksam ein Reluktanzmoment erzeugt und die Drehmomentwelligkeit beschränkt wird, während das Drehmoment verbessert wird.
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Darstellung der Erfindung: Aufgabe, Lösung, Vorteile
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Die Erfindung hat die Aufgabe, bei einem Rotor einer permanentmagneterregten elektrischen Maschine der beschriebenen Art die Drehmomentwelligkeit weiter zu verringern und das mittlere Drehmoment zu vergrößern.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen magnetisch leitfähigen Rotorkern eines Rotors einer permanentmagneterregten elektrischen Maschine, mit
- • je Magnetpol des Rotors wenigstens zwei Dauermagneten, die in einer "V"-förmigen Gestaltung, die sich zu einer Rotoraußenfläche hin öffnet, angeordnet sind,
- • zu jedem der Dauermagnete der „V“-förmigen Gestaltung je einer Ausnehmung,
– die an je eine der Rotoraußenfläche zugewandte Seitenfläche der Dauermagnete der „V“-förmigen Gestaltung grenzt
– und sich von dieser Seitenfläche zur Rotoraußenfläche hin erstreckt,
– gegenüber der sie an einer Stirnseite der Ausnehmung durch einen im Rotorkern gebildeten Verbindungssteg berandet ist,
- • wobei jede der Ausnehmungen in einer in Umfangsrichtung des Rotorkerns
– zum Äußeren der „V“-förmigen Gestaltung hin weisenden ihrer Berandungen eine als Stützschulter für den Dauermagneten ausgestaltete Einformung
– und zum Inneren der „V“-förmigen Gestaltung hin weisenden ihrer Berandungen eine Ausformung
aufweist,
- • wobei die Ausformung eine Ebene einer dem Inneren der „V“-förmigen Gestaltung zugewandten Polfläche des Dauermagneten zum Inneren der „V“-förmigen Gestaltung hin überragt.
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Der erfindungsgemäß gestaltete Rotorkern weist somit je Magnetpol des Rotors zwei oder mehrere Dauermagnete auf, von denen ein Teil oder alle, aber wenigstens zwei, in der "V"-förmigen Gestaltung angeordnet sind. Insbesondere sind die Dauermagnete in einer radialen Ebene des Rotors gesehen von wenigstens nahezu rechteckigem Querschnitt und erstrecken sich in axialer Richtung des Rotors wenigstens nahezu über die axiale Länge des Rotorkerns. Bevorzugt sind bei dem rechteckigen Querschnitt der Dauermagnete zwei Polflächen und zwei Seitenflächen gebildet, wobei die Dauermagnete "flach" ausgestaltet sind, d.h. die Polflächen haben eine größere Abmessung als die Seitenflächen. In der "V"-förmigen Gestaltung sind die Polflächen gleichnamiger Pole zweier Dauermagnete einander zugekehrt, wohingegen je eine Seitenfläche radial einwärts und radial auswärts weist bzw. gerichtet ist; letztere ist also der Rotoraußenfläche zugewandt.
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An je eine dieser auswärts gerichteten Seitenflächen schließt sich je eine der erfindungsgemäß gestalteten Ausnehmungen an und erstreckt sich zur Rotoraußenfläche hin bis auf einen Verbindungssteg aus dem magnetisch leitenden Werkstoff des Rotorkerns; dieser Verbindungssteg trennt die Ausnehmung von der Rotoraußenfläche. Vorteilhaft nimmt dabei die Ausnehmung in einer groben Näherung eine vierseitige Gestalt ein, d.h. ihre Berandung gliedert sich in vier Abschnitte:
- • einen ersten Abschnitt entlang der Seitenfläche des Dauermagneten und
- • einen zweiten Abschnitt entlang des Verbindungsstegs; diese beiden Abschnitte sind wenigstens zu einem überwiegenden Anteil bis wenigstens nahezu vollständig geradlinig gestaltet;
- • ein dritter Abschnitt ist in der Umfangsrichtung dem Äußeren der "V"-förmigen Gestaltung der Dauermagnete zugekehrt und mit einer Einformung bzw. Einschnürung oder Verengung bzw. Verkleinerung bzw. Verschmälerung der Ausnehmung gestaltet, die eine Stützschulter bildet, an der sich der Dauermagnet mit einem Abschnitt, insbesondere Endabschnitt, seiner radial auswärts weisenden Seitenfläche abstützt, insbesondere gegen Fliehkräfte;
- • ein vierter Abschnitt ist in der Umfangsrichtung dem Inneren der "V"-förmigen Gestaltung der Dauermagnete zugekehrt und mit einer Ausformung, also einer Ausbuchtung, ausgebildet, durch die die Ausnehmung zum Inneren der "V"-förmigen Gestaltung hin erweitert, d.h. vergrößert, ist, und zwar ragt diese Ausformung über die zum Inneren der "V"-förmigen Gestaltung hin weisende Polfläche des Dauermagneten, d.h. über eine Ebene, die durch diese Polfläche aufgespannt wird bzw. in der diese Polfläche liegt, hinaus.
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Dieser dritte und vierte Abschnitt der Berandung der Ausnehmung sind bevorzugt zu einem überwiegenden Anteil ihrer Erstreckungen nicht geradlinig ausgestaltet, sondern ausgerundet, wie nachfolgend noch näher erläutert ist.
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Bevorzugt sind die Ausnehmungen zu Dauermagneten derselben "V"-förmigen Gestaltung symmetrisch zu einer radialen Mittelachse dieser "V"-förmigen Gestaltung angeordnet und gestaltet.
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Die Erfindung ermöglicht die Gestaltung eines Rotorkerns, der eine hohe mechanische Festigkeit und eine gute Verteilung mechanischer Spannungen im Betrieb sowie eine sehr geringe Drehmomentwelligkeit und damit eine große Laufruhe mit geringer Geräuschentwicklung aufweist. Der magnetische Fluss kann zum Erzielen einer verbesserten Nutzung der Masse des Werkstoffs des Rotorkerns und auch derjenigen der Dauermagnete in diesem gesteuert werden, d.h. Bereiche des Rotorkerns, die im Betrieb vom magnetischen Fluss nicht oder nur geringfügig durchsetzt werden, werden noch weitergehend von einer Ausbildung mit dem Werkstoff des Rotorkerns ausgenommen. Dabei wird durch die Einformung, d.h. Stützschulter, eine kraft- und formschlüssige, wirkungsvolle Fixierung der Dauermagnete im Rotorkern erzielt. Außerdem verhindern oder zumindest verringern die Ausnehmungen sehr wirkungsvoll einen magnetischen Kurzschluss zwischen den Polen der Dauermagnete. Zum anderen wird der magnetische Fluss der Dauermagnete sehr günstig, gezielt und wirkungsvoll in den Stator der elektrischen Maschine gelenkt, was zur Verringerung der Geräuschentwicklung beiträgt. Durch eine erzielte Bündelung des magnetischen Flusses wird zudem das sogenannte Vollpolmoment gesteigert, so dass unter Zulassen einer hohen elektromotorischen Kraft eine besonders hohe Leistung abgegeben werden kann. Durch die Verbindungsstege werden die auftretenden mechanischen Belastungen wirkungsvoll aufgenommen.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Eine bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Rotorkerns ist dadurch gekennzeichnet, dass
- • die Seitenfläche des Dauermagneten und ein geradliniger, mittlerer Abschnitt der Stirnseite der Ausnehmung unter einem vorgegebenen, sich zum Äußeren der „V“-förmigen Gestaltung hin öffnenden Winkel angeordnet sind, dass
- • eine größte Länge der Ausnehmung zwischen der Seitenfläche des Dauermagneten und der Stirnseite der Ausnehmung sich an der der Einformung zugekehrten Berandung der Ausnehmung, d.h. zum Äußeren der „V“-förmigen Gestaltung hin weisend, befindet, und dass
- • eine kleinste Länge der Ausnehmung zwischen der Seitenfläche des Dauermagneten und der Stirnseite der Ausnehmung sich an der der Ausformung zugekehrten Berandung der Ausnehmung, d.h. zum Inneren der „V“-förmigen Gestaltung hin weisend, befindet.
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Die der Einformung bzw. Stützschulter zugekehrte Berandung der Ausnehmung bildet, mit anderen Worten, die Einformung bzw. Stützschulter bzw. ist mit der Einformung bzw. Stützschulter ausgestaltet. In vergleichbarer Weise bildet die der Ausformung zugekehrte Berandung der Ausnehmung die Ausformung, d.h. diese Berandung ist mit der Ausformung ausgestaltet. Die in grober Näherung vierseitige Gestalt der Ausnehmung bildet dann mit den oben beschriebenen vier Abschnitten der Berandung ein schiefwinkliges Viereck, das sich zum Äußeren der „V“-förmigen Gestaltung hin öffnet. Damit wird ein möglichst großer Bereich der radialen Querschnittsfläche des Rotorkerns von der Ausnehmung überdeckt, d.h. die Ausnehmung erstreckt sich über einen möglichst großen Anteil der radialen Querschnittsfläche des Rotorkerns und trägt so zu einer Verringerung der Masse des Rotorkerns bei. Zugleich trägt diese Ausgestaltung der Ausnehmung zu einer noch besseren Steuerung des magnetischen Flusses und so zu einer weiteren Steigerung des mittleren Drehmoments und einer weiteren Verringerung der Drehmomentwelligkeit bei.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotorkerns ist dadurch gekennzeichnet, dass
- • der Verbindungssteg entlang des geradlinigen, mittleren Abschnitts der Stirnseite der Ausnehmung eine wenigstens nahezu konstante oder eine zum Inneren der „V“-förmigen Gestaltung hin sich verringernde, in radialer Richtung des Rotorkerns bestimmte Breite aufweist und dass
- • sich in Abhängigkeit davon der Winkel zwischen der Seitenfläche des Dauermagneten und dem geradlinigen, mittleren Abschnitt der Stirnseite der Ausnehmung bestimmt.
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Der Winkel zwischen der Seitenfläche des Dauermagneten und der Stirnseite der Ausnehmung ergibt sich somit einerseits durch eine vorgegebene Verjüngung des Verbindungsstegs zwischen seiner breitesten und seiner schmalsten Stelle oder, wenn die Stirnseite sich wenigstens nahezu parallel zur Rotoraußenfläche bzw. zu einer zur Rotoraußenfläche im Bereich der Ausnehmung tangentialen Richtung erstreckt, durch die Erstreckungsrichtung des Verbindungsstegs, andererseits durch eine Krümmung der Rotoraußenfläche und die Lage und Neigung der Dauermagnete der "V"-förmigen Gestaltung im Rotorkern. Dabei bestimmt sich die Breite des Verbindungsstegs und ggf. deren Verjüngung durch die aufzunehmenden mechanischen Spannungen im Betrieb, wobei, um Werkstoff des Rotorkerns einzusparen und ggf. zum Erzielen möglichst geringer magnetischer Leitfähigkeit in diesem Bereich zum Verringern unerwünschter magnetischer Flüsse, die Breite des Verbindungsstegs so gering wie möglich gewählt ist.
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Nach einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotorkerns beträgt
- • das Maß, mit dem die Ausformung die dem Inneren der „V“-förmigen Gestaltung zugewandte Polfläche des Dauermagneten zum Inneren der „V“-förmigen Gestaltung hin maximal überragt, 5 bis 20%, insbesondere wenigstens nahezu 10%, einer Dickenabmessung des Dauermagneten zwischen der dem Inneren der „V“-förmigen Gestaltung zugewandten Polfläche des Dauermagneten und einer dem Äußeren der „V“-förmigen Gestaltung zugewandten Polfläche des Dauermagneten,
- • und ist vorzugsweise die Ausformung mit einem Radius ausgerundet, der wenigstens nahezu das Doppelte der kleinsten Länge der Ausnehmung zwischen der Seitenfläche des Dauermagneten und der Stirnseite der Ausnehmung beträgt.
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Durch diese Gestaltung der Ausformung wird eine besonders günstige Lenkung des magnetischen Flusses bei höchstmöglicher Erstreckung der Ausnehmung erzielt. Dem dient auch die Ausrundung der Ausformung, wobei dadurch zugleich eine besonders günstige Homogenisierung mechanischer Spannungen erhalten wird.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Rotorkerns ist dadurch gekennzeichnet, dass
- • das Maß, mit dem die Einformung von der dem Äußeren der „V“-förmigen Gestaltung zugewandten Polfläche des Dauermagneten zum Inneren der „V“-förmigen Gestaltung hin maximal rückspringt, 10 bis 40%, vorzugsweise 20 bis 30%, besonders bevorzugt wenigstens nahezu 27%, einer Dickenabmessung des Dauermagneten zwischen der dem Inneren der „V“-förmigen Gestaltung zugewandten Polfläche des Dauermagneten und der dem Äußeren der „V“-förmigen Gestaltung zugewandten Polfläche des Dauermagneten beträgt,
- • und dass vorzugsweise die Einformung mit einem Radius ausgerundet ist, der
– wenigstens nahezu die Hälfte der kleinsten Länge der Ausnehmung zwischen der Seitenfläche des Dauermagneten und der Stirnseite der Ausnehmung beträgt,
– besonders bevorzugt wenigstens nahezu gleich dem Radius ist, mit dem die Ausformung ausgerundet ist.
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Durch diese Ausbildung der Einformung, d.h. Stützschulter, wird nicht nur ebenfalls eine besonders günstige Lenkung des magnetischen Flusses bei höchstmöglicher Erstreckung der Ausnehmung erzielt, sondern auch eine Gestaltung, die eine besonders günstige Lastübertragung vom Dauermagneten auf die Stützschulter ermöglicht. Dem dient auch die Ausrundung der Einformung bzw. Stützschulter, die zugleich eine besonders günstige Verteilung mechanischer Spannungen ermöglicht.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rotorkerns ist dadurch gekennzeichnet, dass
- • die Berandung der Ausnehmung in einem ersten Übergangsbereich zwischen der Ausformung und der Stirnseite der Ausnehmung ausgerundet ist,
- • bevorzugt mit einem Radius, der
– wenigstens nahezu vier Drittel der kleinsten Länge der Ausnehmung zwischen der Seitenfläche des Dauermagneten und der Stirnseite der Ausnehmung beträgt,
– wahlweise wenigstens nahezu gleich der
- • größten Länge der Ausnehmung zwischen der Seitenfläche des Dauermagneten und der Stirnseite der Ausnehmung,
- • besonders bevorzugt wenigstens nahezu gleich dem 0,9-fachen dieser größten Länge ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Rotorkern dadurch gekennzeichnet, dass
- • die Berandung der Ausnehmung in einem zweiten Übergangsbereich zwischen der Einformung und der Stirnseite der Ausnehmung ausgerundet ist,
- • bevorzugt mit einem Radius, der
– wenigstens nahezu das 0,3-fache der kleinsten Länge der Ausnehmung zwischen der Seitenfläche des Dauermagneten und der Stirnseite der Ausnehmung beträgt,
– wahlweise wenigstens nahezu gleich dem 0,2-fachen der größten Länge der Ausnehmung zwischen der Seitenfläche des Dauermagneten und der Stirnseite der Ausnehmung ist.
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Die beschriebenen Ausrundungen der Übergangsbereiche zwischen der Stirnseite der Ausnehmung einerseits und der Stützschulter bzw. der Ausformung andererseits dient der weiteren Homogenisierung mechanischer Spannungen im Werkstoff des Rotorkerns im Betrieb unter Beachtung einer günstigen Lenkung des magnetischen Flusses.
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Die oben genannte Aufgabe wird weiterhin gelöst durch eine permanentmagneterregte elektrische Maschine, die gekennzeichnet ist durch einen Rotor der vorbezeichneten Art und/oder durch einen Rotorkern der vorbeschriebenen Bauform. Eine derartige Maschine ist bevorzugt einsetzbar für Traktionsantriebe von Fahrzeugen, insbesondere Straßenfahrzeugen mit elektrischen Antrieben, bevorzugt batteriegespeisten Antrieben. Die erfindungsgemäße Maschine erlaubt einen Betrieb mit hohen Drehzahlen, weist ein hohes mittleres Drehmoment sowie eine allenfalls nur noch sehr geringe Drehmomentenwelligkeit auf. Dadurch kann nicht nur das Traktionsverhalten verbessert, sondern auch die Geräuschentwicklung verringert werden, wodurch der Fahrkomfort und die Fahrleistungen eines derart ausgerüsteten Fahrzeugs gesteigert werden.
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Die Abmessungen der Ausnehmungen können an unterschiedliche Gestaltungen und Dimensionierungen verschiedener Rotorkerne unterschiedlich ausgebildeter elektrischer Maschinen angepasst werden und erlauben daher eine große Flexibilität in der konstruktiven Auslegung. Die erfindungsgemäßen Ausnehmungen lenken den magnetischen Fluss aus den beiden Dauermagneten der „V“-förmigen Gestaltung zusätzlich für ein verstärktes und homogenisiertes Magnetfeld bzw. einen verstärkten und homogenisierten magnetischen Fluss in den Stator der elektrischen Maschine, wodurch außer einer Verringerung der Drehmomentenwelligkeit und damit direkt der Geräuschentwicklung auch eine Steigerung des sogenannten Vollpolmoments erzielt wird.
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Die der Erfindung als minimale Magnetanordnung je Magnetpol zugrunde gelegte „V“-förmige Gestaltung der beiden Dauermagnete kann wahlweise um weitere Dauermagnete ergänzt werden. Insbesondere kann je Magnetpol und damit zu jeder der „V“-förmigen Gestaltungen der beiden Dauermagneten ein dritter Dauermagnet hinzugefügt werden, der tangential entlang der Umfangsrichtung des Rotorkerns wenigstens nahezu mittig zu der "V"-förmigen Gestaltung angeordnet ist. Die erfindungsgemäßen Ausnehmungen lenken den magnetischen Fluss aus den beiden Dauermagneten der „V“-förmigen Gestaltung bei dieser Magnetanordnung zusätzlich für ein verstärktes Magnetfeld bzw. einen verstärkten magnetischen Fluss vor den dritten Dauermagneten, wodurch ebenfalls das Vollpolmoment steigt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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In der Zeichnung, in der übereinstimmende Elemente in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen sind und zu der auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird, zeigen:
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1 eine Darstellung eines Rotorkerns in einer grob schematischen, axialen Ansicht mit drei Dauermagneten je Magnetpol,
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2 eine ausschnittsweise, grob schematische Darstellung des Rotorkerns nach 1 mit Ausnehmungen gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, und
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3 einen vergrößerten Ausschnitt aus der Darstellung des Rotorkerns nach 2 mit einer detaillierten Wiedergabe einer der Ausnehmungen gemäß der Ausführungsform der Erfindung.
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Das in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im nachfolgenden näher beschrieben.
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Bevorzugte Ausführungsform der Erfindung
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In 1 ist mit dem Bezugszeichen 100 ein Rotorkern bezeichnet, wie er für die nachstehend erläuterten Ausführungsbeispiele der Erfindung als Grundlage dient. Der Rotorkern 100 ist in einer axialen Ansicht wiedergegeben, also einer Ansicht in Richtung einer Rotationsachse 110 des Rotorkerns 100 und damit eines mit diesem aufgebauten Rotor einer permanentmagneterregten elektrischen Maschine. Der Rotorkern 100 weist hier beispielsweise zehn Magnetpole auf. Zu jedem Magnetpol des Rotorkerns 100 bzw. des damit aufgebauten Rotors sind drei Dauermagnete 101, 102, 103 vorgesehen, von denen zwei 101, 102 in einer "V"-förmigen Gestaltung 101, 102, die sich zu einer Rotoraußenfläche 104, d.h. radial nach außen, hin öffnet, und der dritte 103 tangential entlang einer Umfangsrichtung 105 und damit entlang der Rotoraußenfläche 104 des Rotorkerns 100 wenigstens nahezu mittig zu einer radialen Mittelachse 106 der "V"-förmigen Gestaltung 101, 102 angeordnet sind. Alle Dauermagnete 101, 102, 103 sind – soweit es die mechanische Stabilität des Rotorkerns 100 ermöglicht – dicht an die Rotoraußenfläche 104 gerückt. In Umfangsrichtung 105 des Rotorkerns 100 überdeckt die "V"-förmige Gestaltung 101, 102, d.h. die Konfiguration aus dem ersten 101 und dem zweiten 102 der beiden Dauermagnete 101, 102, einen Winkelbereich 107, der gleich der Polteilung des Rotorkerns 100 ist. Die Übergänge je zweier benachbarter, zwei benachbarten der Magnetpole zugeordneter und in Umfangsrichtung 105 von der "V"-förmigen Gestaltung 101, 102 überdeckter Winkelbereiche 107, d.h. die Stellen, wo je zwei der dreieckigen Anordnungen von Dauermagneten 101, 102, 103 in der Umfangsrichtung 105 des Rotorkerns 100 aneinandergrenzen, sind in 1 durch Schnittlinien 108 bezeichnet. Auf die Darstellung konstruktiver Einzelheiten des Rotorkerns 100 ist in 1 verzichtet und lediglich die Anordnung der Dauermagnete 101, 102, 103 relativ zum äußeren Umfang des Rotorkerns 100, d.h. zur Rotoraußenfläche 104, und zur Rotorwellenöffnung 109 wiedergegeben.
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In 2 ist ein entlang der Schnittlinien 108 nach 1 ausgeschnittener Teil des Rotorkerns 100, d.h. einer der Winkelbereiche 107 mit den drei Dauermagneten 101, 102, 103, vergrößert in grob schematischer Darstellung wiedergegeben.
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Zu jedem der Dauermagnete 101, 102 der „V“-förmigen Gestaltung 101, 102, d.h. zu dem ersten 101 und dem zweiten 102 der beiden Dauermagneten 101, 102, ist je eine Ausnehmung – eine erste Ausnehmung 111 bzw. eine zweite Ausnehmung 112 – vorgesehen, die in je einem Raumbereich innerhalb des Rotorkerns 100 angeordnet ist, der an je eine der Rotoraußenfläche 104 zugewandte Seitenfläche 115 bzw. 116 des ersten 101 bzw. des zweiten 102 der Dauermagnete 101, 102 der „V“-förmigen Gestaltung grenzt. Von diesen Seitenflächen 115 bzw. 116 erstrecken sich die Ausnehmungen 111 bzw. 112 zur Rotoraußenfläche 104 hin. Gegenüber der Rotoraußenfläche 104 sind die Ausnehmungen 111, 112 an einer Stirnseite 117 bzw. 118 der betreffenden Ausnehmung 111 bzw. 112 durch einen im Rotorkern 100, d.h. aus dessen Werkstoff, gebildeten Verbindungssteg 113 bzw. 114 berandet. Die Verbindungsstege 113, 114 sind zur radialen Mittelachse 106 in entlang der Umfangsrichtung 105 vorteilhaft verjüngt gestaltet.
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Jede der Ausnehmungen 111, 112 weist in einer in Umfangsrichtung 105 des Rotorkerns 100 zum Äußeren der „V“-förmigen Gestaltung 101, 102 hin weisenden Berandung 119 bzw. 120 eine als Stützschulter für den ersten bzw. zweiten Dauermagneten 101 bzw. 102 ausgestaltete Einformung 121 bzw. 122 auf. In einer in Umfangsrichtung 105 des Rotorkerns 100 zum Inneren der „V“-förmigen Gestaltung 101, 102, d.h. zur radialen Mittelachse 106, hin weisenden Berandung 123 bzw. 124 weist jede der Ausnehmungen 111, 112 je eine Ausformung 125 bzw. 126 auf. Diese Ausformungen 125, 126 überragen jede eine Ebene einer dem Inneren der „V“-förmigen Gestaltung 101, 102 zugewandten Polfläche 127 bzw. 128 der Dauermagnete 101 bzw. 102 zum Inneren der „V“-förmigen Gestaltung 101, 102 hin.
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Die Ausnehmungen 111, 112 sind bezüglich der radialen Mittelachse 106 symmetrisch zueinander gestaltet und angeordnet. In axialer Richtung des Rotorkerns 100, d.h. in Richtung der Rotationsachse 110, erstrecken sich die Ausnehmungen 111, 112 mit konstantem Querschnitt durch wenigstens nahezu den gesamten Rotorkern 100 entlang der Dauermagnete 101, 102.
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3 zeigt einen vergrößerten Ausschnitt aus der Darstellung des Rotorkerns 100 nach 2 mit einer detaillierten Wiedergabe der ersten Ausnehmung 111. Anhand der 3 ist die Gestaltung der ersten Ausnehmung 111 beispielhaft näher beschrieben. Dabei ist die zweite Ausnehmung 112 der ersten spiegelbildlich gestaltet, so dass auf eine gesonderte Beschreibung der zweiten Ausnehmung 112 verzichtet werden kann.
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In 3 ist der Übersichtlichkeit halber der erste Dauermagnet 101 nur mit seinem Umriss grob eingezeichnet; im Übrigen zeigt 3 nur eine Ausnehmung 129 im Rotorkern 100, die zum Aufnehmen des ersten Dauermagneten 101 eingerichtet und bestimmt ist, sowie die Lage der der Rotoraußenfläche 104 zugewandten Seitenfläche 115 des ersten Dauermagneten 101. Eine Dickenabmessung des ersten Dauermagneten 101 zwischen der dem Inneren der „V“-förmigen Gestaltung 101, 102 zugewandten Polfläche 127 des ersten Dauermagneten 101 und einer dem Äußeren der „V“-förmigen Gestaltung 101, 102 zugewandten Polfläche 130 des ersten Dauermagneten 101 ist mit I1 bezeichnet.
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Die der Rotoraußenfläche 104 zugewandte Seitenfläche 115 des ersten Dauermagneten 101, nachfolgend vereinfacht als die Seitenfläche 115 bezeichnet, bildet mit einem geradlinigen, mittleren Abschnitt 131 der Stirnseite 117 der ersten Ausnehmung 111 einen spitzen Winkel a1. Der Winkel a1 öffnet sich zum Äußeren der „V“-förmigen Gestaltung (101, 102) hin. Dadurch bildet die erste Ausnehmung 111 ein schiefwinkliges Viereck, dessen Ecken hier allerdings ausgerundet sind, wie nachfolgend noch erläutert ist.
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In einer Richtung parallel zu den Polfläche 127, 130 weist dieses schiefwinklige, ausgerundete Viereck eine größte Länge I4 auf, die somit eine größte Länge I4 der ersten Ausnehmung 111 zwischen der Seitenfläche 115 des ersten Dauermagneten 101 und der Stirnseite 117 der ersten Ausnehmung 111 bildet. Diese größte Länge I4 befindet sich an der der Einformung, d.h. Stützschulter, 121 zugekehrten Berandung 119 der ersten Ausnehmung 111, d.h. zum Äußeren der „V“-förmigen Gestaltung 101, 102 hin weisend. Eine kleinste Länge I7 der ersten Ausnehmung 111 zwischen der Seitenfläche 115 des ersten Dauermagneten 101 und der Stirnseite 117 der ersten Ausnehmung 111, wiederum in einer Richtung parallel zu den Polfläche 127, 130 gemessen, befindet sich an der der Ausformung 125 zugekehrten Berandung 123 der ersten Ausnehmung 111, d.h. zum Inneren der „V“-förmigen Gestaltung 101, 102 hin weisend.
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Der in 3 nur angeschnitten dargestellte Verbindungssteg 113 weist bei der vorbeschriebenen Ausbildung der ersten Ausnehmung 111 entlang des geradlinigen, mittleren Abschnitts 131 der Stirnseite 117 der ersten Ausnehmung 111 eine wenigstens nahezu konstante oder eine zum Inneren der „V“-förmigen Gestaltung 101, 102 hin sich verringernde, in radialer Richtung des Rotorkerns 100 gemessene Breite auf. In Abhängigkeit von dieser Breite bestimmt sich der Winkel a1 zwischen der Seitenfläche 115 des ersten Dauermagneten 101 und dem geradlinigen, mittleren Abschnitt 131 der Stirnseite 117 der ersten Ausnehmung 111.
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Die Ausformung 125 in der Berandung 123 überragt die dem Inneren der „V“-förmigen Gestaltung 101, 102 zugewandte Polfläche 127 des ersten Dauermagneten 101 zum Inneren der „V“-förmigen Gestaltung 101, 102, d.h. zur radialen Mittelachse 106, hin maximal um ein Maß I5. Dieses Maß I5 beträgt erfindungsgemäß 5 bis 20%, der Dickenabmessung I1 des ersten Dauermagneten 101 zwischen der dem Inneren der „V“-förmigen Gestaltung 101, 102 zugewandten Polfläche 127 des ersten Dauermagneten 101 und der dem Äußeren der „V“-förmigen Gestaltung 101, 102 zugewandten Polfläche 130 des ersten Dauermagneten 101. Besonders bevorzugt und in 3 dementsprechend dargestellt beträgt das Maß I5 wenigstens nahezu 10% der Dickenabmessung I1 des ersten Dauermagneten 101.
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Dabei ist vorzugsweise die Ausformung 125 mit einem Radius R2 ausgerundet, der wenigstens nahezu das Doppelte der kleinsten Länge I7 der ersten Ausnehmung 111 zwischen der Seitenfläche 115 des ersten Dauermagneten 101 und der Stirnseite 117 der ersten Ausnehmung 111 beträgt. Das Maß I5 bestimmt sich dann als maximales Maß am Scheitelpunkt dieser Ausrundung mit dem Radius R2.
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Die Einformung 121 springt von der dem Äußeren der „V“-förmigen Gestaltung 101, 102 zugewandten Polfläche 130 des ersten Dauermagneten 101 zum Inneren der „V“-förmigen Gestaltung 101, 102 hin maximal, d.h. an einem Scheitelpunkt der Einformung, um ein Maß I6 zurück, das erfindungsgemäß 10 bis 40%, vorzugsweise 20 bis 30%, besonders bevorzugt wenigstens nahezu 27%, der Dickenabmessung I1 des ersten Dauermagneten 101 beträgt und dementsprechend auch in 3 abgetragen ist.
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Vorzugsweise ist auch die Einformung 121 ausgerundet, und zwar mit einem Radius R3, der wenigstens nahezu die Hälfte der kleinsten Länge I7 der ersten Ausnehmung 111 zwischen der Seitenfläche 115 des ersten Dauermagneten 101 und der Stirnseite 117 der ersten Ausnehmung 111 beträgt. Besonders bevorzugt ist der Radius R3, mit dem die Einformung 121 ausgerundet ist, wenigstens nahezu gleich dem Radius R2, mit dem die Ausformung 125 ausgerundet ist. Auch dies ist im Ausführungsbeispiel nach 3 in dieser Weise wiedergegeben.
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Wie bereits erwähnt, sind die Berandungen der ersten Ausnehmung 111 in Übergangsbereichen 132, 133 zwischen der Stirnseite 117 einerseits und der Ausformung 125 in der zum Äußeren der „V“-förmigen Gestaltung 101, 102 hin weisenden Berandung 119 der ersten Ausnehmung 111 bzw. der Stützschulter 121 in der zum Inneren der „V“-förmigen Gestaltung 101, 102, d.h. zu 106, hin weisenden Berandung 123 der ersten Ausnehmung 111 andererseits ausgerundet.
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In einem ersten 132 der Übergangsbereiche, der sich zwischen der Ausformung 125 und der Stirnseite 117 der ersten Ausnehmung 111 erstreckt, weist diese Ausrundung einen Radius R4 auf. Der Radius R4 bemisst sich erfindungsgemäß zu wenigstens nahezu vier Dritteln der kleinsten Länge I7 der ersten Ausnehmung 111 zwischen der Seitenfläche 115 des ersten Dauermagneten 101 und der Stirnseite 117 der ersten Ausnehmung 111. Wahlweise kann der Radius R4 auch derart bemessen sein, dass er wenigstens nahezu gleich der größten Länge I4 der ersten Ausnehmung 111 zwischen der Seitenfläche 115 des ersten Dauermagneten 101 und der Stirnseite 117 der ersten Ausnehmung 111 ist. In einer besonders bevorzugten, in 3 dargestellten Dimensionierung ist der Radius R4 wenigstens nahezu gleich dem 0,9-fachen dieser größten Länge I4.
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In einem zweiten 133 der Übergangsbereiche, der sich zwischen der Einformung, d.h. Stützschulter, 121 der zum Äußeren der „V“-förmigen Gestaltung 101, 102 hin weisenden Berandung 119 der ersten Ausnehmung 111 und der Stirnseite 117 der ersten Ausnehmung 111 erstreckt, weist die Ausrundung einen Radius R1 auf. Der Radius R1 beträgt erfindungsgemäß wenigstens nahezu das 0,3-fache der kleinsten Länge I7 der ersten Ausnehmung 111 zwischen der Seitenfläche 115 des ersten Dauermagneten 101 und der Stirnseite 117 der ersten Ausnehmung 111. Wahlweise kann der Radius R1 auch derart bemessen sein, dass er wenigstens nahezu gleich dem 0,2-fachen der größten Länge I4 der ersten Ausnehmung 111 zwischen der Seitenfläche 115 des ersten Dauermagneten 101 und der Stirnseite 117 der ersten Ausnehmung 111 ist.
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Parallel zu den Polfläche 127, 130 und damit rechtwinklig zu seiner Dickenabmessung I1 weist der erste Dauermagnet 101 eine Breite I3 auf. Ferner weist die erste Ausnehmung 111 parallel z der Dickenabmessung I1 des ersten Dauermagneten 101 eine größte Weite I2 auf, die sich aus der Dickenabmessung I1, dem Maß I5, um das die Ausformung 125 die Polfläche 127 des ersten Dauermagneten 101 zum Inneren der „V“-förmigen Gestaltung 101, 102, d.h. zur radialen Mittelachse 106, hin maximal überragt, und dem Maß I6, um das die Stützschulter 121 von der Polfläche 130 zum Inneren der „V“-förmigen Gestaltung 101, 102 hin maximal zurückspringt, bestimmt. Bevorzugt ist die Dickenabmessung I1 des ersten Dauermagneten 101 nur höchstens 10%, bevorzugt wenigstens nahezu exakt 8%, größer als die größte Weite I2 der ersten Ausnehmung 111.
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Eine Dimensionierung eines besonders bevorzugten Ausführungsbeispiels gibt die nachfolgende Tabelle wieder:
| a1 | 17,95° |
| I1 | 4,3 mm |
| I2 | 3,98 mm |
| I1 / I2 | 1,08 |
| I3 | 14 mm |
| I4 | 2,87 mm |
| I3 / I4 | 4,878 |
| I5 | 0,42 mm |
| I6 | 1,15 mm |
| I7 | 1,91 mm |
| R1 | 0,58 mm |
| R2 | 0,95 mm |
| R3 | 0,98 mm |
| R4 | 2,63 mm |
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Zusammengefasst wird durch die vorliegende Erfindung ein magnetisch leitfähiger Rotorkern eines Rotors einer permanentmagneterregten elektrischen Maschine vorgeschlagen, der für geringe Drehmomentenwelligkeit und hohes Drehmoment je Magnetpol des Rotors zwei Dauermagnete in sich zur Rotoraußenfläche hin öffnender "V"-förmiger Gestaltung und zu jedem Dauermagneten eine an dessen der Rotoraußenfläche zugewandte Seitenfläche grenzende, sich zur Rotoraußenfläche hin erstreckende und davon durch einen Verbindungssteg berandete Ausnehmung umfasst. Jede der Ausnehmungen weist in einer in Umfangsrichtung des Rotorkerns zum Äußeren der „V“-förmigen Gestaltung hin weisenden ihrer Berandungen eine Stützschulter für den Dauermagneten und in einer zum Inneren der „V“-förmigen Gestaltung hin weisenden ihrer Berandungen eine Ausformung auf. Die Ausformung überragt eine Ebene einer dem Inneren der „V“-förmigen Gestaltung zugewandten Polfläche des Dauermagneten zum Inneren der „V“-förmigen Gestaltung hin.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Rotorkern
- 101
- Dauermagnet der "V"-förmigen Gestaltung 101, 102
- 102
- Dauermagnet der "V"-förmigen Gestaltung 101, 102
- 103
- Dauermagnet
- 104
- Rotoraußenfläche, d.h. äußerer Umfang von 100
- 105
- Umfangsrichtung von 100
- 106
- Radiale Mittelachse der "V"-förmigen Gestaltung 101, 102
- 107
- Entlang 105 von der "V"-förmigen Gestaltung 101, 102 überdeckter Winkelbereich 107, gleich der Polteilung von 100
- 108
- Schnittlinien, bezeichnen Übergänge je zweier benachbarter Winkelbereiche 107
- 109
- Rotorwellenöffnung von 100
- 110
- Rotationsachse von 100
- 111
- Erste Ausnehmung in 100 innerhalb 107
- 112
- Zweite Ausnehmung in 100 innerhalb 107
- 113
- Verbindungssteg zwischen 111 und 104
- 114
- Verbindungssteg zwischen 112 und 104
- 115
- Der Rotoraußenfläche 104 zugewandte Seitenfläche von 101
- 116
- Der Rotoraußenfläche 104 zugewandte Seitenfläche von 102
- 117
- Stirnseite von 111
- 118
- Stirnseite von 112
- 119
- Zum Äußeren der „V“-förmigen Gestaltung 101, 102 hin weisende Berandung von 111
- 120
- Zum Äußeren der „V“-förmigen Gestaltung 101, 102 hin weisende Berandung von 112
- 121
- Einformung / Stützschulter in 119 von 111 für 101
- 122
- Einformung / Stützschulter in 120 von 112 für 102
- 123
- Zum Inneren der „V“-förmigen Gestaltung 101, 102, d.h. zu 106, hin weisende Berandung von 111
- 124
- Zum Inneren der „V“-förmigen Gestaltung 101, 102, d.h. zu 106, hin weisende Berandung von 112
- 125
- Ausformung in 123 von 111
- 126
- Ausformung in 124 von 112
- 127
- Dem Inneren der „V“-förmigen Gestaltung 101, 102 zugewandte Polfläche von 101
- 128
- Dem Inneren der „V“-förmigen Gestaltung 101, 102 zugewandte Polfläche von 102
- 129
- Ausnehmung in 100 für 101
- 130
- Dem Äußeren der „V“-förmigen Gestaltung 101, 102 zugewandte Polfläche von 101
- 131
- Geradliniger, mittlerer Abschnitt von 117
- 132
- Erster Übergangsbereich zwischen 131 von 117 und 125 von 123
- 133
- Zweiter Übergangsbereich zwischen 131 von 117 und 119
- a1
- Winkel zwischen 115 von 101 und 131 von 117
- I1
- Dickenabmessung von 101 zwischen 127 von 101 und 130 von 101
- I2
- Größte Weite von 111 parallel zu I1
- I3
- Breite von 101 rechtwinklig zu I1
- I4
- Größte Länge von 111 in einer Richtung parallel zu 127, 130
- I5
- Maß, um das 125 in 123 die Polfläche 127 von 101 zum Inneren der „V“-förmigen Gestaltung 101, 102, d.h. zu 106, hin maximal überragt
- I6
- Maß, um das 121 in 119 von der Polfläche 130 zum Inneren der „V“-förmigen Gestaltung 101, 102 hin maximal zurückspringt
- I7
- Kleinste Länge von 111 in einer Richtung parallel zu 127, 130
- R1
- Radius der Ausrundung von 133
- R2
- Radius der Ausrundung von 125
- R3
- Radius der Ausrundung von 121
- R4
- Radius der Ausrundung von 132
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013219020 A1 [0002]
