DE102017205858A1 - Rotor für eine permanenterregte Synchronmaschine und Verfahren zur Herstellung eines solchen Rotors - Google Patents
Rotor für eine permanenterregte Synchronmaschine und Verfahren zur Herstellung eines solchen Rotors Download PDFInfo
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Abstract
Rotor (1) für eine permanenterregte Synchronmaschine, der Rotor (1) umfassend einen Rotorkörper (2) in welchem zumindest eine Ausnehmung (3), die sich im Wesentlichen in eine axiale Richtung zumindest teilweise durch den Rotorkörper (2) erstreckt, ausgebildet ist, und zumindest zwei Permanentmagneten (4', 4"), wobei die Ausnehmung (3) zumindest zwei länglich verlaufende erste Bereiche (5', 5") und zumindest einen in eine radiale Richtung verlaufenden zweiten Bereich (6), der sich radial zwischen den beiden ersten Bereichen (5', 5") erstreckt, aufweist, wobei in jeweils einen ersten Bereich (5', 5") jeweils ein Permanentmagnet (4', 4") aufgenommen ist und in dem zweiten Bereich (6) ein Verbindungselement (7) aufgenommen ist, das entsprechend der Kontur des zweiten Bereichs (6) der Ausnehmung (3) an seinen jeweiligen Enden (8', 8") eine geometrische Verbreiterung (9', 9") aufweist sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Rotors (1).
Description
- Gebiet der Erfindung
- Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor für eine permanenterregte Synchronmaschine sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors für eine permanenterregte Synchronmaschine.
- Stand der Technik
- Im Bereich elektrischer Traktionsantriebe macht sich ein Trend zu immer höheren Drehzahlen bemerkbar, um sowohl die Leistungsdichte wie auch die Materialausnutzung zu optimieren. Dabei müssen immer mehr Kompromisse zwischen der Strukturfestigkeit und der effizienten Ausnutzung der elektromagnetischen Eigenschaften im Rotordesign eingegangen werden.
- Bei hochdrehenden elektrischen Maschinen, insbesondere hochdrehenden permanenterregten Synchronmaschinen, werden Materialaussparungen zur Aufnahme von Permanentmagneten und Sättigungsstege zwischen diesen Permanentmagneten eingesetzt, um die Festigkeit des Rotors gegenüber Fliehkräften sicherzustellen. Die Materialaussparungen reduzieren jedoch die Designfreiheiten bezüglich Elektromagnetik. Die Sättigungsstege vermindern die magnetische Ausnutzung der Permanentmagnete, denn ein Teil des magnetischen Flusses schließt sich über die Stege kurz, ohne etwas zur Drehmomentenbildung beizutragen.
- Zusammenfassung der Erfindung
- Es ist zum einen Aufgabe der Erfindung einen Rotor für eine elektrische Maschine, insbesondere eine permanenterregte Synchronmaschine, anzugeben, der sich durch ein streuflussreduziertes sowie strukturfestes Design auszeichnet. Weiterhin ist es Aufgabe der Erfindung ein kosten- sowie zeiteffizientes Verfahren zur Herstellung eines eben solchen Rotors anzugeben.
- Die Lösung des ersten Aspekts der Aufgabe erfolgt durch einen Rotor für eine permanenterregte Synchronmaschine gemäß dem Anspruch 1; die Lösung des zweiten Aspekts der Aufgabe erfolgt durch ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors für eine permanenterregte Synchronmaschine nach dem Anspruch 5.
- Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung sowie den beigefügten Zeichnungen angegeben.
- Der erfindungsgemäße Rotor umfasst einen Rotorkörper sowie zumindest zwei Permanentmagnete.
- In dem Rotorkörper ist erfindungsgemäß zumindest eine Ausnehmung, die sich im Wesentlichen in eine axiale Richtung zumindest teilweise durch den Rotorkörper erstreckt, ausgebildet.
- Die Begrifflichkeit „axial“ beschreibt eine Richtung entlang oder parallel zu einer zentralen Achse des Rotors.
- Die Begrifflichkeit „radial“ beschriebt eine Richtung normal auf die zentrale Achse des Rotors.
- Entsprechend der vorliegenden Erfindung weist die Ausnehmung zumindest zwei länglich verlaufende erste Bereiche und zumindest einen in eine radiale Richtung verlaufenden zweiten Bereich, der sich radial zwischen den beiden ersten Bereichen erstreckt, auf. In jeweils einem ersten Bereich ist erfindungsgemäß jeweils ein Permanentmagnet aufgenommen und in dem zweiten Bereich ist erfindungsgemäß ein Verbindungselement aufgenommen.
- Gemäß der vorliegenden Erfindung weist das Verbindungselement entsprechend der Kontur des zweiten Bereichs der Ausnehmung an seinen jeweiligen Enden eine geometrische Verbreiterung auf. Der zweite Bereich der Ausnehmung im Rotorkörper weist somit eine Kontur auf, die im Wesentlichen der Außenkontur des Verbindungselements entspricht - der zweite Bereich der Ausnehmung ist nämlich in Bezug auf seine radiale Erstreckung im Bereich seiner distalen Enden breiter ausgeführt als in seiner Mitte. Der zweite Bereich weist somit eine im Wesentlichen knochenförmige Kontur auf.
- Die erfindungsgemäße Ausbildung des Rotors offenbart eine Möglichkeit den anfangs angesprochenen Kompromiss zwischen der Strukturfestigkeit und der effizienten Ausnutzung der elektromagnetischen Eigenschaften im Rotordesign zu umgehen und einen streuflussreduzierten, strukturfesten und demnach leistungsoptimierten sowie zuverlässigen Rotor darzustellen.
- Die geometrische Verbreiterung an den jeweiligen Enden des Verbindungselements ist bevorzugt schwalbenschwanz- oder pilzförmig ausgebildet.
- Die Ausnehmung quer zu einer zentralen Achse des Rotors weist vorzugsweise eine V-förmige, eine rechteckige oder eine bogenförmige Grundfläche auf.
- Das Verbindungselement besteht vorzugsweise aus einem magnetisch nicht leitfähigem Material.
- Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Rotors für eine permanenterregte Synchronmaschine geht von einem Rotor mit einem Rotorkörper und zumindest zwei Permanentmagneten aus. Im Rotorkörper ist zumindest eine axiale Ausnehmung ausgebildet, wobei die Ausnehmung zumindest zwei länglich verlaufende erste Bereiche und zumindest einen in eine radiale Richtung verlaufenden zweiten Bereich, der sich radial zwischen den beiden ersten Bereichen erstreckt, aufweist. In jeweils einem ersten Bereich ist jeweils ein Permanentmagnet aufnehmbar und in dem zweiten Bereich ist ein Verbindungselement aufnehmbar, wobei die Ausnehmung in Bezug auf die aufnehmbaren Permanentmagnete und das aufnehmbare Verbindungselement größer ausgebildet ist und das aufnehmbare Verbindungselement entsprechend der Kontur des zweiten Bereichs der Ausnehmung an seinen jeweiligen Enden eine geometrische Verbreiterung aufweist.
- Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte:
- - Aufbringen einer in Richtung zu einer zentralen Achse des Rotors gerichteten externen Kraft auf den Außenumfang des Rotorkörpers im Bereich der Ausnehmung,
- - Einpressen des Verbindungselements in den zweiten Bereich der Ausnehmung im Rotorkörper,
- - Zurücknehmen der auf den Außenumfang des Rotorkörpers im Bereich der Ausnehmung aufgebrachten externen Kraft,
- - Einschieben jeweils eines Permanentmagneten in jeweils einen ersten Bereich der Ausnehmung im Rotorkörper.
- Der oben zuletzt genannte Verfahrensschritt des Einschiebens jeweils eines Permanentmagneten in jeweils einen ersten Bereich der Ausnehmung im Rotorkörper kann ebenso zu Beginn des Verfahrens, d.h. vor dem ersten Verfahrensschritt, nämlich dem Aufbringen der in Richtung zu einer zentralen Achse des Rotors gerichteten externen Kraft auf den Außenumfang des Rotorkörpers im Bereich mit der Ausbuchtung, erfolgen.
- Figurenliste
- Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
-
1 zeigte eine Querschnittansicht eines Rotors für eine permanenterregte Synchronmaschine. -
2 zeigt eine Querschnittansicht auf einen Rotorkörper als Ausgangspunkt für ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors für eine permanenterregte Synchronmaschine. -
3 zeigt eine Querschnittansicht auf einen Rotorkörper unter Einwirkung einer externen Kraft. -
4 zeigt eine Explosionsdarstellung eines Rotorkörpers mit zum Teil eingeschobenen Verbindungselementen. - Detaillierte Beschreibung der Erfindung
- In
1 ist ein beispielhafter erfindungsgemäßer Rotor1 für eine permanenterregte Synchronmaschine dargestellt. - Der Rotor
1 umfasst einen Rotorkörper2 sowie mehrere Permanentmagnete4' ,4" , hier zwölf Permanentmagnete4' ,4" . Der Rotorkörper2 ist ein Blechpaket, das wiederum aus einer Vielzahl axial geschichteter Blechschichten besteht. Die Permanentmagnete4' ,4" des Rotors1 können über ihre axiale Erstreckung mehrteilig ausgeführt sein. - Die Begrifflichkeit „axial“ beschreibt eine Richtung entlang oder parallel zu einer zentralen Achse
10 des Rotors1 . - Die Begrifflichkeit „radial“ beschriebt eine Richtung normal auf die zentrale Achse
10 des Rotors1 . - In dem Rotorkörper
2 sind mehrere Ausnehmungen3 , hier sechs Ausnehmungen3 , ausgebildet. Die Ausnehmungen erstrecken sich jeweils im Wesentlichen in eine axiale Richtung zumindest teilweise durch den Rotorkörper2 . Die Ausnehmungen3 sind in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel in Umfangsrichtung des Rotorkörpers2 gleichmäßig voneinander beabstandet im Rotorkörper2 ausgebildet. Es ist jedoch auch denkbar die axialen Ausnehmungen3 im Rotorkörper2 in Umfangsrichtung des Rotorkörpers2 nicht gleichmäßig voneinander beabstandet auszubilden. - Ebenso ist es denkbar in radialer Richtung voneinander beabstandet mehrere Ausbuchtungen
3 hintereinander im Rotorkörper2 auszubilden. - Die Ausnehmungen
3 weisen jeweils quer zu der zentralen Achse10 des Rotors1 eine im Wesentlichen V-förmige Grundfläche auf. Die Ausnehmungen3 weisen jeweils zwei länglich verlaufende erste Bereiche5' ,5" und einen in eine radiale Richtung verlaufenden zweiten Bereich6 , der sich radial zwischen den beiden ersten Bereichen5' ,5" erstreckt, auf. In jeweils einem ersten Bereich5' ,5" ist jeweils ein Permanentmagnet4' ,4" und in dem zweiten Bereich6 ist jeweils ein Verbindungselement7 aufgenommen. - Die Kontur des zweiten Bereichs
6 einer jeweiligen Ausnehmung3 ist knochenförmig ausgebildet, d.h. in Bezug auf die radiale Erstreckung des zweiten Bereichs6 der jeweiligen Ausnehmung3 sind die Bereiche der distalen Enden des zweiten Bereichs6 der jeweiligen Ausnehmung3 breiter ausgeführt als in dessen Mitte. - Die Verbindungselemente
7 weisen entsprechend der Kontur des zweiten Bereichs6 der jeweiligen Ausnehmung3 an ihren jeweiligen Enden8' ,8" eine geometrische Verbreiterung9' ,9" auf. Die geometrische Verbreiterung9' ,9" an den jeweiligen Enden8' ,8" des jeweiligen Verbindungselements7 ist schwalbenschwanzförmig ausgebildet. Die Verbindungselemente7 im Einzelnen sind entsprechend der Kontur des zweiten Bereichs6 der jeweiligen Ausnehmung knochenförmig ausgebildet. Die Verbindungselemente7 sind aus einem magnetisch nicht leitfähigem Material gefertigt. - Das Verbindungselement
7 und der Rotorkörper2 sind aufgrund deren Ausbildung formschlüssig miteinander verbunden. - In weiterer Folge wird anhand der
2 bis4 das Verfahren zur Herstellung eines zuvor beschriebenen Rotors1 für eine permanenterregte Synchronmaschine erklärt. Das beispielhafte Verfahren zur Herstellung eines Rotors1 für eine permanenterregte Synchronmaschine geht von einem Rotorkörper2 des Rotors1 mit sechs Ausbuchtung11 an dem Außenumfang12 des Rotorkörpers2 aus - die Ausbuchtungen11 sind an dem Außenumfang12 des Rotorkörpers2 gleichmäßig verteilt ausgebildet. Ein Verfahren zur Herstellung eines Rotors1 für eine permanenterregte Synchronmaschine der erfindungsgemäßen Art kann jedoch von einem Rotorkörper2 mit beliebiger Außenkontur ausgehen. Der Rotorkörper2 weist somit eine wellige Außenkontur auf. In dem Rotorkörper2 sind wie bereits beschrieben sechs axiale Ausnehmungen3 ausgebildet, wobei jeweils eine axiale Ausnehmung3 im Bereich jeweils einer Ausbuchtung11 an dem Außenumfang12 des Rotorkörpers2 im Rotorkörper2 ausgebildet ist. Jede der Ausnehmungen3 weist zwei länglich verlaufende erste Bereiche5' ,5" und einen in eine radiale Richtung verlaufenden zweiten Bereich6 , der sich radial zwischen den beiden ersten Bereichen5' ,5" erstreckt, auf (2 ). - Die ersten Bereiche
5' ,5" jeder Ausnehmung3 dienen der Aufnahme jeweils eines Permanentmagneten4' ,4" ; der zweite Bereich6 jeder Ausnehmung3 dient jeweils der Aufnahme eines Verbindungselements7 . Die Verbindungselemente7 weisen entsprechend der Kontur der jeweiligen zweiten Bereiche5' ,5" der Ausnehmungen3 an ihren jeweiligen Enden8' ,8" eine geometrische Verbreiterung9' ,9" auf (2 ). - Die Ausnehmungen
3 werden über ein Stanz- oder Zuschnittverfahren in den Rotorkörper2 des Rotors1 eingebracht und haben in Bezug auf eine Ebene quer zu der zentralen Achse10 des Rotors1 eine im Wesentlichen V-förmig Grundfläche (2 ). - Die Aufnahmen
3 im Rotorkörper2 werden in Bezug auf die in die Ausnehmungen3 einzusetzenden Bauteile, nämlich die Permanentmagnete4' ,4" und das Verbindungselement7 , bewusst zu groß ausgeführt. - In einem ersten Verfahrensschritt wird eine in Richtung zu der zentralen Achse
10 des Rotors1 gerichtete externe Kraft auf den Außenumfang12 des Rotorkörpers2 im Bereich jeder Ausbuchtung12 aufgebracht. In3 wird die externe Kraft schematisch durch die Richtungspfeile13 angezeigt. - In einem zweiten Verfahrensschritt werden die Verbindungselemente
7 jeweils axial in die knochenförmigen zweiten Bereiche6 der jeweiligen Ausnehmung3 eingepresst (4 ). Das jeweilige Verbindungselement7 wird so formschlüssig mit dem Rotorkörper2 des Rotors1 verbunden. - Anschließend, in einem dritten Verfahrensschritt, wird die auf den Außenumfang
12 des Rotorkörpers2 im Bereich der Ausbuchtungen11 aufgebrachte externe Kraft zurückgenommen und so das Verbindungselement7 radial verspannt. Durch die Vorspannung der Verbindungselemente7 in eine radiale Richtung können Verformungen des Rotorkörpers2 und gegebenenfalls auch Spannungen im Rotorkörper2 unter Drehzahleinfluss minimiert werden. - Durch die übergroße Ausbildung der Ausnehmungen
3 in Bezug auf die in die Ausnehmungen3 einzusetzenden Bauteile, nämlich die Permanentmagnete4' ,4" und das Verbindungselement7 , ist es möglich durch das anschließende Aufbringen der in Richtung zu der zentralen Achse10 des Rotors1 gerichteten externen Kraft auf den Außenumfang12 des Rotorkörpers2 im Bereich jeder Ausbuchtung12 eine Vorspannung der Verbindungselemente7 zu erzeugen. - Die Assemblierung der Permanentmagnete
4' ,4" in die jeweiligen ersten Bereiche5' ,5" der Ausnehmungen3 erfolgt in einem vierten Verfahrensschritt. Eine Assemblierung der Permanentmagnete in die jeweiligen ersten Bereiche5' ,5" der Ausnehmungen3 ist jedoch auch zu Beginn des beschriebenen Verfahrens, d.h. vor dem ersten beschriebenen Verfahrensschritt, denkbar. - Bezugszeichenliste
-
- 1
- Rotor
- 2
- Rotorkörper
- 3
- Ausnehmung
- 4', 4"
- Permanentmagnete
- 5', 5"
- Erster Bereich (der Ausnehmung)
- 6
- Zweiter Bereich (der Ausnehmung
- 7
- Verbindungselement
- 8', 8"
- Ende (des Verbindungselements)
- 9', 9"
- Geometrische Verbreiterung
- 10
- Zentrale Achse
- 11
- Ausbuchtung
- 12
- Außenumfang
- 13
- Richtungspfeil
Claims (5)
- Rotor (1) für eine permanenterregte Synchronmaschine, der Rotor (1) umfassend - einen Rotorkörper (2) in welchem zumindest eine Ausnehmung (3), die sich im Wesentlichen in eine axiale Richtung zumindest teilweise durch den Rotorkörper (2) erstreckt, ausgebildet ist, und - zumindest zwei Permanentmagneten (4', 4"), wobei die Ausnehmung (3) zumindest zwei länglich verlaufende erste Bereiche (5', 5") und zumindest einen in eine radiale Richtung verlaufenden zweiten Bereich (6), der sich radial zwischen den beiden ersten Bereichen (5', 5") erstreckt, aufweist, wobei in jeweils einen ersten Bereich (5', 5") jeweils ein Permanentmagnet (4', 4") aufgenommen ist und in dem zweiten Bereich (6) ein Verbindungselement (7) aufgenommen ist, das entsprechend der Kontur des zweiten Bereichs (6) der Ausnehmung (3) an seinen jeweiligen Enden (8', 8") eine geometrische Verbreiterung (9', 9") aufweist.
- Rotor (1) nach
Anspruch 1 , wobei die geometrische Verbreiterung (9', 9") an den jeweiligen Enden des Verbindungselements (7) schwalbenschwanz- oder pilzartig ausgebildet ist. - Rotor (1) nach
Anspruch 1 oder2 , wobei die Ausnehmung (3) quer zu einer zentralen Achse (10) des Rotors (1) eine V-förmigen, eine rechteckige oder eine bogenförmige Grundfläche aufweist. - Rotor (1) nach
Anspruch 1 ,2 oder3 , wobei das Verbindungselement (7) aus einem magnetisch nicht leitfähigem Material besteht. - Verfahren zur Herstellung eines Rotors (1) für eine permanenterregte Synchronmaschine nach einem der
Ansprüche 1 bis4 , mit einem Rotorkörper (2) und zumindest zwei Permanentmagneten (4', 4"), wobei in dem Rotorkörper (2) zumindest eine Ausnehmung (3), die sich im Wesentlichen in eine axiale Richtung zumindest teilweise durch den Rotorkörper (2) erstreckt, ausgebildet ist, wobei die Ausnehmung (3) zumindest zwei länglich verlaufende erste Bereiche (5', 5") und zumindest einen in eine radiale Richtung verlaufenden zweiten Bereich (6), der sich radial zwischen den beiden ersten Bereichen (5', 5") erstreckt, aufweist, wobei in jeweils einem ersten Bereich (5', 5") jeweils ein Permanentmagnet (4', 4") aufnehmbar ist und in dem zweiten Bereich (6) ein Verbindungselement (7) aufnehmbar ist, wobei die Ausnehmung (3) in Bezug auf die aufnehmbaren Permanentmagnete (4', 4") und das aufnehmbare Verbindungselement (7) größer ausgebildet ist und wobei das aufnehmbare Verbindungselement (7) entsprechend der Kontur des zweiten Bereichs (6) der Ausnehmung (3) an seinen jeweiligen Enden (8', 8") eine geometrische Verbreiterung (9', 9") aufweist, nach den folgenden Schritten: - Aufbringen einer in Richtung zu einer zentralen Achse (10) des Rotors (1) gerichteten externen Kraft auf den Außenumfang (12) des Rotorkörpers (2) im Bereich der Ausnehmung (3), - Einschieben des Verbindungselements (7) in den zweiten Bereich (6) der Ausnehmung (3) im Rotorkörper (2), - Zurücknehmen der auf den Außenumfang (12) des Rotorkörpers (2) im Bereich der Ausnehmung (11) aufgebrachten externen Kraft, - Einschieben jeweils eines Permanentmagneten (4', 4") in jeweils einen ersten Bereich (5', 5") der Ausnehmung (3) im Rotorkörper (2).
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Legal Events
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R082 | Change of representative |
Representative=s name: RAUSCH, GABRIELE, DIPL.-PHYS. DR.RER.NAT., DE |
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