DE102017206759A1 - ROTOR FOR AN ELECTRIC MOTOR WITH A SPECIALLY SHAPED RECYCLING ELEMENT AND METHOD OF MANUFACTURING THEREOF - Google Patents
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Abstract
Ein Rotor für einen Elektromotor umfasst einen Motorspalt (40), mit folgenden Merkmalen: einer Mehrzahl von miteinander befestigten Permanentmagneten (11, 12, 13, 14), wobei jeder Permanentmagnet eine dem Motorspalt zugewandte Seite (15c) aufweist; wobei der Rotor als Außenläuferrotor ausgebildet ist, und ein ringförmiges magnetisches Rückschlusselement (202), wobei das magnetische Rückschlusselement (202) einen ersten Bereich (202a), einen zweiten Bereich (202b) und einen dritten Bereich (202c) aufweist, wobei der erste Bereich (202a) einen ersten Innendurchmesser aufweist, wobei im zweiten Bereich (202b) die Mehrzahl von Permanentmagneten (14) angeordnet ist, und wobei der zweite Bereich einen zweiten Innendurchmesser aufweist, wobei der dritte Bereich einen dritten Innendurchmesser aufweist, und wobei der zweite Innendurchmesser größer als der erste Innendurchmesser und der dritte Innendurchmesser ist, und wobei der dritte Innendurchmesser größer als der erste Innendurchmesser ist, und wobei der dritte Innendurchmesser größer als ein Außendurchmesser eines Stators (200) für den Elektromotor ist A rotor for an electric motor comprises a motor gap (40), comprising: a plurality of permanent magnets (11, 12, 13, 14) attached to each other, each permanent magnet having a side (15c) facing the motor gap; wherein the rotor is configured as an external rotor rotor, and an annular magnetic return element (202), wherein the magnetic return element (202) has a first region (202a), a second region (202b) and a third region (202c), wherein the first region (202a) has a first inner diameter, wherein in the second region (202b) the plurality of permanent magnets (14) is arranged, and wherein the second region has a second inner diameter, wherein the third region has a third inner diameter, and wherein the second inner diameter is larger is the first inner diameter and the third inner diameter, and wherein the third inner diameter is larger than the first inner diameter, and wherein the third inner diameter is larger than an outer diameter of a stator (200) for the electric motor
Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Elektromotoren und insbesondere auf Rotoren für solche Elektromotoren. Die Elektromotoren können universell eingesetzt werden. Es wird jedoch besonders auf den Einsatz in einer Wärmepumpe hingewiesen.The present invention relates to electric motors, and more particularly to rotors for such electric motors. The electric motors can be used universally. However, special attention is drawn to the use in a heat pump.
Die
Die Dissertation ETH Nr. 12870, „Der lagerlose Scheibenmotor“, N. Barletta, 1998, offenbart magnetgelagerte Scheibenmotoren. Magnetlager arbeiten vollständig berührungs-, verschleiß-, wartungs- und schmiermittelfrei. Zur aktiven Stabilisierung eines Freiheitsgrades werden zwei regelbare Elektromagnete inklusive elektronischer Ansteuerung benötigt. Der lagerlose Scheibenmotor wird innerhalb einer lagerlosen Blutpumpe als lagerloser Scheibenmotor mit aktivem Axiallager, als Miniatur-Scheibenmotor, oder als lagerloser Bioreaktor eingesetzt. Durch eine Kombination von passiven Reluktanzmagnetlagern und lagerlosem Motor ist es möglich, einen Scheibenrotor mit nur zwei aktiv stabilisierten radialen Freiheitsgraden vollständig zu lagern. Anforderungen nach einem großen Luftspalt, welcher in hermetischen Systemen nötig ist, werden durch die Wahl eines lagerlosen permanentmagnetisch erregten Synchronmotors erfüllt. Ein lagerloser Scheibenmotor, der zum Antrieb einer Axialpumpe zur Herzunterstützung geeignet ist, ist für Drehzahlen von 30.000 Umdrehungen pro Minute ausgelegt, was zu einer kleineren Baugröße führt.The dissertation ETH No. 12870, "The bearingless disk motor", N. Barletta, 1998, discloses magnetically levitated disk motors. Magnetic bearings work completely free from contact, wear, maintenance and lubricant. For the active stabilization of a degree of freedom, two controllable electromagnets including electronic control are required. The bearingless disc motor is used within a bearingless blood pump as a bearingless disc motor with active axial bearing, as a miniature disc motor, or as a bearingless bioreactor. By a combination of passive reluctance magnetic bearings and bearingless motor, it is possible to completely support a disc rotor with only two actively stabilized radial degrees of freedom. Requirements for a large air gap, which is necessary in hermetic systems, are met by the choice of a bearingless permanent magnetically excited synchronous motor. A bearingless disc motor suitable for driving an axial pump for cardiac assist is designed for speeds of 30,000 revolutions per minute, resulting in a smaller size.
Kommerzielle elektrische Scheibenmotoren sind auch unter der Bezeichnung „Pan Cake-Motor“ („Pfannkuchenmotor“) bekannt. Das in den beiden vorhergehenden Referenzen dargestellte Motorkonzept zeichnet sich dadurch aus, dass sich der Stator um den Rotor herum erstreckt. Solche Motoren werden auch als Innenläufer bezeichnet.Commercial electric disc motors are also known by the name "Pan Cake Motor" ("pancake motor"). The engine concept illustrated in the two preceding references is characterized in that the stator extends around the rotor. Such engines are also referred to as internal rotor.
Bei dem Innenläuferkonzept existiert die Problematik, dass der Stator immer größer als der Rotor sein muss, dass also die Größe und die Ausbildung des Rotors immer durch das Statorgehäuse begrenzt ist bzw. dass der Rotor die Ausbildung des Stators dominiert. Damit ist das Einsatzgebiet eines solchen Scheibenmotors, der als Innenläufer ausgebildet ist, begrenzt.In the case of the internal rotor concept, there is the problem that the stator always has to be larger than the rotor, that is, the size and design of the rotor is always limited by the stator housing or that the rotor dominates the formation of the stator. Thus, the field of application of such a disc motor, which is designed as an internal rotor, limited.
Darüber hinaus ist bei Scheibenmotoren grundsätzlich die Problematik vorhanden, dass der Rotor, unabhängig davon, ob er als Innenläufer oder Außenläufer konzipiert ist, Druckdifferenzen bzw. Drücken in bestimmten Richtungen ausgesetzt ist. Diese Drücke führen dazu, dass ein Lager in der Richtung des Drucks, der auf den Rotor wirkt, belastet wird, und damit ein Verschleiß erhöht wird, bzw. dass dann, wenn eine Auslenkung des Rotors erlaubt wird, der Rotor in dieser Richtung ausgelenkt wird und damit Spielräume für diese Auslenkung bereitgestellt werden müssen. Insbesondere dann, wenn die Pumpe eingesetzt wird, um ein Medium von einem Druckgebiet mit einem ersten Druck auf ein Druckgebiet mit einem zweiten Druck zu pumpen, bzw. um überhaupt eine solche Druckdifferenz zu erzeugen, müssen aufwändige konstruktive Maßnahmen getroffen werden, um entweder eine geforderte Verschleißfestigkeit zu erreichen, oder um einen Spielraum für eine auftretende Auslenkung bereitzustellen.In addition, disk motors generally have the problem that the rotor, regardless of whether it is designed as an internal rotor or external rotor, pressure differences or pressures in certain directions is exposed. These pressures cause a bearing to be loaded in the direction of pressure acting on the rotor, thus increasing wear, or, if rotor deflection is allowed, the rotor is deflected in that direction and thus leeway for this deflection must be provided. In particular, when the pump is used to pump a medium from a pressure area at a first pressure to a pressure area at a second pressure, or to generate such a pressure difference at all, complex design measures must be taken to either a required To achieve wear resistance, or to provide a margin for an occurring deflection.
Nachteilig an Elektromotoren und insbesondere Elektromotoren, die in warmen Umgebungen betrieben werden oder aber eine hohe Leistung schaffen sollen, ist die allgegenwärtige Wärmeentwicklung. Hohe Temperaturen im Elektromotor beeinträchtigen zum einen die typischerweise am Rotor angeordneten Permanentmagneten. Wird also der Stator eines Motors zu warm, so überträgt sich die Wärme über den Motorspalt auf den Rotor und die dort vorhandenen Permanentmagnete mit allen damit verbundenen Problemen. Andererseits ist auch die Erwärmung des Stators selbst kritisch. Der Stator ist typischerweise mit Spulen versehen. Eine Erwärmung der Spulen kann zu einem hohen thermischen Stress führen. Dieser hohe thermische Stress in den Spulen kann auf längere Sicht zu einer Ermüdung der Spulendrahtisolation führen. Außerdem können Probleme bezüglich einer Delaminierung des Blechkörpers, also des Statorkörpers, der aus einem Blechkörper besteht, auftreten. Außerdem können aufgrund erhöhter Temperaturen oder hohem thermischen Dauerstress Verformungen bzw. Verwerfungen im Stator dazu führen, dass der Motor nicht mehr so rund läuft, wie er laufen sollte bzw. könnte.A disadvantage of electric motors and in particular electric motors that are operated in warm environments or to provide high performance, is the ubiquitous heat development. High temperatures in the electric motor on the one hand affect the typically arranged on the rotor permanent magnet. Thus, if the stator of an engine is too warm, the heat is transmitted via the motor gap to the rotor and the permanent magnets present there with all the associated problems. On the other hand, the heating of the stator itself is critical. The stator is typically provided with coils. Heating the coils can lead to high thermal stress. This high thermal stress in the coils can lead to fatigue of the coil wire insulation in the longer term. In addition, problems may occur with respect to a delamination of the sheet metal body, ie the stator body, which consists of a sheet metal body. In addition, due to elevated temperatures or high thermal fatigue deformations or Faults in the stator cause the engine is not as running as it should or could run.
Insbesondere bei schnelldrehenden Motoren mit Drehzahlen über 30.000 Umdrehungen pro Minute ist selbst dann, wenn im Motorspalt ein geringerer Druck im Vergleich zum Umgebungsdruck vorherrscht, die Reibung mit dem dort befindlichen Gas dennoch so groß, dass die Permanentmagnete des Rotors, die direkt im Motorspalt angeordnet sind, dieser hohen Reibungsenergie im Motorspalt und damit der dort entstehenden Wärme ausgesetzt sind. Permanentmagnete haben die Eigenschaft, dass sie, wenn sie zu heiß werden, in ihrer Funktionalität/Magnetisierung nachlassen. Diese Beschädigung ist in bestimmten Fällen sogar nicht reversibel und kann zum kompletten Ausfall des gesamten Elektromotors führen. Doch auch im Betrieb des Elektromotors ist es von großer Bedeutung für sämtliche Parameter, dass die Permanentmagnete in einem optimalen Temperaturbereich gehalten werden, der aufgrund der hohen Wärmeentwicklung wegen der Reibung im Motorspalt keineswegs sichergestellt ist.Especially with high-speed motors with speeds over 30,000 revolutions per minute, even if there is a lower pressure in the engine gap compared to the ambient pressure, the friction with the gas located there is still so great that the permanent magnets of the rotor, which are arranged directly in the motor gap , are exposed to this high friction energy in the motor gap and thus the heat generated there. Permanent magnets have the characteristic that when they get too hot they lose their functionality / magnetization. This damage is in some cases even irreversible and can lead to complete failure of the entire electric motor. But even in the operation of the electric motor, it is of great importance for all parameters that the permanent magnets are kept in an optimal temperature range, which is not ensured due to the high heat generation due to the friction in the motor gap.
Die
Problematisch an diesem Konzept ist jedoch, dass der Rotor gewissermaßen dazu eingesetzt wird, um den Motorspalt zu kühlen. Die Wärme des Motorspalts wird durch den Rand aus thermisch gut leitendem Material direkt auf die Permanentmagnete übertragen. Die Permanentmagnete sind zwar wiederum auf einem thermisch gut leitenden Material, wie beispielsweise Aluminium angeordnet. Allerdings geht eine große Menge an Wärmeenergie, die aus dem Motorspalt abgeleitet wird, durch die Permanentmagnete hindurch bzw. in dieselben hinein. Die Permanentmagnete werden daher dauernd thermischem Stress ausgesetzt. Dieser thermische Stress wird umso höher, je höher die Drehzahlen des Motors werden, d. h. je höher die Reibung im Motorspalt wird.The problem with this concept, however, is that the rotor is effectively used to cool the motor gap. The heat of the motor gap is transmitted by the edge of thermally well conductive material directly to the permanent magnets. Although the permanent magnets are in turn arranged on a thermally highly conductive material, such as aluminum. However, a large amount of heat energy dissipated from the motor gap passes through the permanent magnets. The permanent magnets are therefore constantly exposed to thermal stress. The higher the engine speed, the higher the thermal stress becomes. H. the higher the friction in the motor gap becomes.
Ein weiteres Problem besteht in der Ausgestaltung des magnetischen Rückschlusselements. Eine Möglichkeit, das magnetisches Rückschlusselement vorzusehen, auf dem Permanentmagnete angeordnet sind, besteht darin, einen ein kreisförmiges Rückschlusselement oder ein kreisringförmiges Rückschlusselement je nach Außenläufer oder Innenläufer-Implementierung zu verwenden. Problematisch ist jedoch die Stabilität der gesamten Anordnung. Insbesondere für einen Außenläuferrotor ist bereits der Abstand des Rückschlusselements von der Drehachse so groß, dass beträchtliche Fliehkräfte auf das Rückschlusselement wirken, insbesondere wenn sehr hohe Drehzahlen angestrebt werden, wie beispielsweise über 20.000 U/min. In einem solchen Fall ist das magnetische Rückschlusselement sehr anfällig für eine Zerstörung, was unmittelbar zu einer Zerstörung des gesamten Motors führen würde. Darüber hinaus führt die Masse des magnetischen Rückschlusselements, die aufgrund der Tatsache, dass sie außen an den Permanentmagneten angeordnet ist, und damit weit von der Drehachse entfernt ist, dazu, dass dann, wenn das Rückschlusselement nicht perfekt symmetrisch ausgebildet ist, unmittelbar Unwuchten entstehen können. Andererseits ist eine bestimmte Masse an Rückschlusselement nötig, um die eigentliche Funktion zu erfüllen, nämlich den Rückschluss für die magnetischen Feldlinien zu schaffen.Another problem is the design of the magnetic return element. One way to provide the magnetic return element on which permanent magnets are arranged is to use a circular return element or an annular return element depending on the external rotor or inner rotor implementation. However, the problem is the stability of the entire arrangement. In particular, for an external rotor rotor, the distance of the return element from the axis of rotation is so large that considerable centrifugal forces act on the return element, especially when very high speeds are desired, such as over 20,000 U / min. In such a case, the magnetic return element is very susceptible to destruction, which would immediately lead to destruction of the entire motor. In addition, the mass of the magnetic return element, which is due to the fact that it is located on the outside of the permanent magnet, and thus far away from the axis of rotation, to the fact that when the return element is not perfectly symmetrical, imbalances can immediately arise , On the other hand, a certain mass of return element is necessary to fulfill the actual function, namely to provide the inference for the magnetic field lines.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Konzept für einen Rotor eines Elektromotors zu schaffen.The object of the present invention is to provide an improved concept for a rotor of an electric motor.
Diese Aufgabe wird durch einen Rotor für einen Elektromotor nach Patentanspruch 1, ein Verfahren zum Herstellen des Rotors nach Patanspruch 26, einen Elektromotor nach Patentanspruch 27 oder eine Wärmepumpe nach Patentanspruch 31 gelöst.This object is achieved by a rotor for an electric motor according to
Die vorliegende Erfindung gemäß einem Aspekt basiert auf der Erkenntnis, dass eine optimale Absicherung der Permanentmagnete im Hinblick auf die im Motorspalt entstehende Wärme dadurch erreicht wird, dass die Permanentmagnete gerade nicht mit einem gut wärmeleitenden Material zum Motorspalt hin versehen werden, sondern mit einem Material mit schlechter Wärmeleitfähigkeit, also mit einer Wärmeabschirmungsfunktionalität. Dadurch wird sichergestellt, dass die Wärme im Motorspalt verbleibt und von dort eher kaum in den Rotor mit den empfindlichen Permanentmagneten eingeführt wird, sondern entweder direkt aus dem Motorspalt abgeführt wird oder vom Motorspalt über den Stator und von dort zu einer Wärmesenke geführt wird. Damit wird die wärmeempfindlichste Komponente des gesamten Elektromotors, nämlich die Mehrzahl von Permanentmagneten, die am Rotor angeordnet sind, vor der Wärme im Motorspalt gesichert. Wenn ferner der Stator ungenügend gekühlt wird, kann auch der Fall auftreten, dass sogar der Stator Wärme in den Motorspalt abgibt. Durch die Wärmeabschirmung auf den Permanentmagneten zum Motorspalt hin wird jedoch auch sichergestellt, dass diese Wärme so wenig wie möglich auf den Rotor übertragen wird.The present invention according to one aspect is based on the finding that optimum protection of the permanent magnets with respect to the resulting heat in the motor gap is achieved in that the permanent magnets are not provided with a good heat conducting material to the motor gap out, but with a material with poor thermal conductivity, ie with a heat shielding functionality. This ensures that the heat remains in the motor gap and is hardly introduced from there into the rotor with the sensitive permanent magnet, but is either discharged directly from the motor gap or is led from the motor gap via the stator and from there to a heat sink. Thus, the heat-sensitive component of the entire electric motor, namely the plurality of permanent magnets, which are arranged on the rotor, secured against the heat in the motor gap. Further, if the stator is insufficiently cooled, there may be the case that even the stator gives off heat to the motor gap. Due to the heat shield on the permanent magnet towards the motor gap, however also ensures that this heat is transferred as little as possible to the rotor.
Der Rotor für einen Elektromotor umfasst eine Mehrzahl von miteinander befestigten Permanentmagneten, wobei jeder Permanentmagnet eine dem Motorspalt zugewandte Seite aufweist. Ferner ist als Wärmeabschirmung eine erste Beschichtung an den dem Motorspalt zugewandten Seiten der Permanentmagnete angeordnet, wobei die erste Beschichtung eine erste, niedrige Wärmeleitfähigkeit aufweist. Darüber hinaus ist eine zweite Beschichtung vorgesehen, die in Kontakt mit einer jeweils anderen Seite der Mehrzahl von Permanentmagneten ist, wobei die zweite Beschichtung eine zweite Wärmeleitfähigkeit hat, die größer ist als die erste Wärmeleitfähigkeit. Diese zweite Beschichtung stellt sicher, dass selbst die geringe Wärme, die über die erste Beschichtung mit der niedrigen Wärmeleitfähigkeit in die Permanentmagnete eingebracht wird, von diesen sofort abgeleitet wird. Dadurch dass die zweite Beschichtung an den Permanentmagneten angeordnet ist, und zwar an einer Seite, die nicht mit der ersten Beschichtung in Kontakt ist, kann zusätzlich sogar sichergestellt werden, dass Wärme, die dennoch über die erste Beschichtung dissipiert, nicht durch den Permanentmagneten oder so wenig wie möglich durch den Permanentmagneten abgeführt wird, sondern durch die zweite gut wärmeleitfähige Beschichtung.The rotor for an electric motor comprises a plurality of permanent magnets fixed to each other, wherein each permanent magnet has a side facing the motor gap. Further, as a heat shield, a first coating is disposed on the sides of the permanent magnets facing the motor gap, wherein the first coating has a first, low thermal conductivity. In addition, a second coating is provided which is in contact with a respective other side of the plurality of permanent magnets, wherein the second coating has a second thermal conductivity that is greater than the first thermal conductivity. This second coating ensures that even the low heat that is introduced into the permanent magnets via the first coating with the low thermal conductivity is immediately dissipated by them. In addition, since the second coating is arranged on the permanent magnet, on a side which is not in contact with the first coating, it can even be ensured that heat which nevertheless dissipates via the first coating does not pass through the permanent magnet or so is dissipated as little as possible by the permanent magnet, but by the second good thermal conductivity coating.
Je nach Ausführungsform sind die beiden Beschichtungen aus unterschiedlichen Materialien oder aus demselben Grundmaterial gebildet, wobei die unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten der unterschiedlichen Schichten dadurch erreicht werden, dass eine Anzahl von Füllkörpern in der zweiten gut wärmeleitfähigen Beschichtung größer ist als die Anzahl der Füllkörper in der ersten Beschichtung. So ist beispielsweise Epoxidharz selbst relativ schlecht wärmeleitend, eignet sich also gut für eine Wärmeabschirmung auf den Permanentmagneten. Eine Füllung mit metallischen Füllkörpern erhöht jedoch die Wärmeleitfähigkeit des Epoxidharzes erheblich. Vorzugsweise wird daher als erste Beschichtung Epoxidharz ohne Füllkörper oder mit einer sehr geringen Anzahl von Füllkörpern eingesetzt, während als zweite Beschichtung eine Epoxidharzbeschichtung mit einer hohen Anzahl von Füllkörpern, die auf jeden Fall größer als die Anzahl der Füllkörper in der ersten Beschichtung, verwendet wird. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass auch unterschiedliche Materialien mit unterschiedlichen Wärmeleitfähigkeiten eingesetzt werden können.Depending on the embodiment, the two coatings are formed of different materials or of the same base material, wherein the different thermal conductivities of the different layers are achieved by a number of packing in the second good thermal conductivity coating is greater than the number of packing in the first coating. For example, epoxy resin itself is relatively poor in heat conductivity, so it is well suited for heat shielding on the permanent magnet. However, a filling with metallic packing significantly increases the thermal conductivity of the epoxy resin. Preferably, therefore, the first coating used is epoxy resin without filler or with a very small number of random packings, while the second coating used is an epoxy resin coating with a high number of random packings, which in any case is greater than the number of random packings in the first coating. It should be noted, however, that different materials with different thermal conductivities can be used.
Vorzugsweise ist ferner die Mehrzahl von Permanentmagneten auf einem magnetischen Rückschlusselement aufgebracht, das in Bereichen, die benachbart zu den Permanentmagneten sind, also Bereichen, die seitlich bezüglich des Motorspalts sind, einen Raum definiert, der durch die zweite Beschichtung gefüllt wird.Preferably, furthermore, the plurality of permanent magnets are mounted on a magnetic return element which, in regions adjacent to the permanent magnets, ie regions which are laterally with respect to the motor gap, defines a space which is filled by the second coating.
Ferner wird bevorzugt, dass die erste Beschichtung durchgehend oberhalb der zweiten Beschichtung angeordnet ist, so dass der Motorspalt und auch die angrenzenden seitlichen Bereiche bezüglich des Motorspalts eine durchgehende Fläche am Rotor aufweist. Damit wird die Reibung so klein wie möglich gehalten, weil keine rauen Oberflächen bzw. Oberflächen mit Vertiefungen existieren, sondern eine glatte Oberfläche der ersten Beschichtung, die im Bereich der Permanentmagneten direkt auf den Permanentmagneten ist, und die im Bereich neben den Permanentmagneten auf der zweiten gut wärmeleitenden Beschichtung angeordnet ist, den Abschluss des Rotors zum Motorspalt hin definiert. Damit wird zum einen sichergestellt, dass aufgrund der Wärmeabschirmung so wenig Wärme wie möglich die Permanentmagneten erreicht, während durch die zweite gut wärmeleitende Beschichtung, die unter der Wärmeabschirmung im Bereich neben den Permanentmagneten ist, sichergestellt wird, dass dennoch dissipierte Wärme so gut wie möglich abgeführt wird, ohne die Permanentmagneten dauernd einem zu großen thermischen Stress auszusetzen.It is further preferred that the first coating is arranged continuously above the second coating, so that the motor gap and also the adjacent lateral regions with respect to the motor gap has a continuous surface on the rotor. Thus, the friction is kept as small as possible, because no rough surfaces or surfaces with depressions exist, but a smooth surface of the first coating, which is in the region of the permanent magnet directly on the permanent magnet, and in the area next to the permanent magnet on the second good heat conducting coating is arranged, the completion of the rotor defined towards the motor gap. This ensures, on the one hand, that due to the heat shielding, as little heat as possible reaches the permanent magnets, while the second good heat-conducting coating, which is under the heat shield in the area adjacent to the permanent magnets, ensures that dissipated heat nevertheless dissipates as well as possible is, without permanently exposing the permanent magnets too much thermal stress.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist der Rotor als Außenläuferrotor ausgebildet, bei dem die Permanentmagnet einen Ring mit einem Innendurchmesser definieren, in dem der Stator des Motors, an dem sich die Spulen befinden, angeordnet ist. Die Permanentmagnete sind ferner auf einem ringförmigen magnetischen Rückschlusselement aufgebracht, wobei dieses magnetische Rückschlusselement einen ersten unteren Bereich, einen zweiten, z. B. mittleren Bereich und einen dritten, z. B. oberen Bereich aufweist. Der erste bzw. untere Bereich umfasst einen ersten unteren Innendurchmesser, der zweite, mittlere Bereich trägt die Mehrzahl von Permanentmagneten, und der zweite mittlere Bereich hat ferner einen zweiten bzw. mittleren Innendurchmesser. Darüber hinaus ist im oberen Bereich ebenfalls ein oberer Innendurchmesser bzw. dritter Innendurchmesser vorhanden. Der zweite Innendurchmesser ist ferner größer als der erste Innendurchmesser und der dritte Innendurchmesser ist größer als der erste Innendurchmesser. Darüber hinaus ist auch der dritte Innendurchmesser größer als ein Außendurchmesser eines Stators für den Elektromotor.According to another aspect of the present invention, the rotor is formed as an external rotor rotor, in which the permanent magnets define a ring with an inner diameter, in which the stator of the motor, on which the coils are located, is arranged. The permanent magnets are further applied to an annular magnetic return element, said magnetic return element a first lower portion, a second, z. B. middle area and a third, z. B. upper area. The first and lower regions include a first lower inner diameter, the second central region carries the plurality of permanent magnets, and the second central region further has a second or inner inner diameter. In addition, an upper inner diameter or third inner diameter is also present in the upper region. The second inner diameter is further larger than the first inner diameter and the third inner diameter is larger than the first inner diameter. In addition, the third inner diameter is larger than an outer diameter of a stator for the electric motor.
Damit wird ein im Querschnitt gewissermaßen U-förmiges magnetisches Rückschlusselement erhalten, das zum einen einen guten magnetischen Rückschluss liefert, der für die Funktionalität des Elektromotors unerlässlich ist. Andererseits wird durch die Formung des magnetischen Rückschlusselements sichergestellt, dass so viel Material wie möglich in einem möglichst kleinen Abstand zur zentralen Drehachse angeordnet wird. Je näher nämlich ein Material des magnetischen Rückschlusselements an der Drehachse angeordnet wird, umso näher ist der Schwerpunkt des magnetischen Rückschlusselements insgesamt an der Drehachse angeordnet. Dies ist besonders für einen Außenläuferrotor wichtig, weil die Fliehkräfte, die auf sämtliche Elemente des Außenläuferrotors wirken, umso größer werden, je weiter der entsprechende Materialabschnitt von der Drehwelle entfernt ist. Somit kann eine wesentlich stabilere Konstruktion erhalten werden, im Vergleich zu einem Rückschlusselement, das einfach als Ring hinter den Permanentmagneten angeordnet ist.Thus, a cross-sectionally U-shaped magnetic return element is obtained, which on the one hand provides a good magnetic inference, which is essential for the functionality of the electric motor. On the other hand, it is ensured by the formation of the magnetic return element that as much material as possible in the smallest possible distance is arranged to the central axis of rotation. The closer a material of the magnetic return element is arranged on the axis of rotation, the closer the center of gravity of the magnetic return element is arranged in total on the axis of rotation. This is particularly important for an external rotor rotor, because the centrifugal forces acting on all elements of the external rotor rotor, the larger, the farther the corresponding material portion of the rotary shaft is removed. Thus, a much more stable construction can be obtained, compared to a return element which is simply arranged as a ring behind the permanent magnets.
Um jedoch einen Zusammenbau mit einfachen Mitteln zu ermöglichen, wird jedoch gemäß diesem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Innendurchmesser, nämlich der dritte Innendurchmesser größer als ein Außendurchmesser eines Stators des Elektromotors sein, damit der Stator und der Rotor zueinander montiert werden können, ohne das magnetische Rückschlusselement mehrteilig auszuführen, was wiederum Stabilitätsprobleme mit sich bringen könnte, insbesondere bei sehr hohen Drehzahlen über z. B. 30.000 bis 50.000 Umdrehungen pro Minute. Solche Drehzahlen werden jedoch für insbesondere magnetisch gelagerte Scheibenmotoren für Wärmepumpen nötig, um eine Wärmepumpe mit hoher Raumeffizienz, also mit einer guten Effizienz bezogen auf einen möglichst kleinen Raumverbrauch des Kompressors der Wärmepumpe zu erreichen. Jedoch auch für andere Anwendungen als Wärmepumpen ist eine Raumeffizienz, also ein kleiner Raumbedarf mit hoher Effizienz nützlich.However, in order to enable assembly by simple means, according to this aspect of the present invention, an inner diameter, namely, the third inner diameter will be larger than an outer diameter of a stator of the electric motor, so that the stator and the rotor can be assembled with each other without the magnetic return element perform multi-part, which in turn could bring stability problems with it, especially at very high speeds over z. B. 30,000 to 50,000 revolutions per minute. However, such speeds are required for particular magnetically mounted disc motors for heat pumps to achieve a heat pump with high space efficiency, ie with a good efficiency based on the smallest possible space consumption of the compressor of the heat pump. But also for applications other than heat pumps, a space efficiency, ie a small space requirement with high efficiency is useful.
Dadurch, dass der erste Innendurchmesser kleiner als der dritte Innendurchmesser ist, wird sichergestellt, dass auf der anderen Seite des Rückschlusselements, also auf der Seite, durch die der Stator nicht montiert wird, möglichst viel Material des magnetischen Rückschlusselements möglichst nahe an der Drehachse angeordnet wird, derart, dass Feldlinien einen Rückschluss sehen, wobei dieser Rückschluss jedoch aufgrund der intelligenten Platzierung des Rückschlussmaterials keine oder nur stark reduzierte mechanische Probleme im Hinblick auf die Stabilität des magnetischen Rückschlusselements und der gesamten Anordnung mit sich bringt. Ferner wird es bevorzugt, an dem Bereich des magnetischen Rückschlusselements, der den kleinsten Innendurchmesser hat, einen zu drehenden Abschnitt des Rotors anzubringen, wie beispielsweise ein Radialrad am Beispiel eines Turbomotors bzw. eines Kompressormotors für eine Wärmepumpe. Das Bereitstellen eines Rückschlusselements mit sehr großer Fläche und damit einem sehr kleinen Innendurchmesser erlaubt es, dass eine gute Befestigung zwischen dem Rückschlusselement und dem zu drehenden Element möglich ist, dass also eine hohe Fläche bereitgestellt wird, die konstruktiv genutzt werden kann, um das Rückschlusselement und damit die für den Motor entscheidenden Permanentmagnete an dem zu drehenden Element zu positionieren.Characterized in that the first inner diameter is smaller than the third inner diameter, it is ensured that on the other side of the return element, ie on the side through which the stator is not mounted, as much material of the magnetic return element is arranged as close to the axis of rotation in such a way that field lines see a conclusion, but this inference brings about no or only greatly reduced mechanical problems with regard to the stability of the magnetic return element and the entire arrangement due to the intelligent placement of the return material. Further, it is preferable to attach to the portion of the magnetic return element having the smallest inner diameter a portion of the rotor to be rotated, such as a radial wheel using the example of a turbo-engine or a compressor motor for a heat pump. The provision of a return element with a very large surface and thus a very small inner diameter allows that a good attachment between the return element and the element to be rotated is possible, so that a high surface is provided, which can be used constructively to the return element and in order to position the permanent magnets which are decisive for the motor on the element to be rotated.
Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen des Aspekts mit magnetischem Rückschlusselement wird ferner die erste und die zweite Beschichtung zur Abschirmung der Wärme vor dem Permanentmagneten und zur Ableitung der die Abschirmung durchlaufenden Wärme vorgenommen. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass der Aspekt der Wärmeabschirmung auch für andere Motorkonzepte mit anderen magnetischen Rückschlusselementen eingesetzt werden kann. Gleichermaßen kann der Aspekt des magnetischen Rückschlusselements, das mit unterschiedlichen Innendurchmessern ausgestattet ist und damit im Querschnitt U-förmig ist, auch direkt, also ohne Wärmeabschirmung eingesetzt werden oder sogar, wie im Stand der Technik, mit einer wärmeleitfähigen Beschichtung, also einem wärmeleitfähigen Rand. Diese Einsatzmöglichkeiten für solche Implementierungen ergeben sich dann, wenn die thermischen Probleme nicht so groß sind bzw. wenn die Umgebung, in der der Motor insgesamt läuft, sehr kalt ist und damit automatisch eine Situation vorherrscht, in der thermische Probleme nicht vorhanden sind.In preferred embodiments of the magnetic return element aspect, the first and second coatings are further applied to shield the heat from the permanent magnet and dissipate the heat passing through the shield. It should be noted, however, that the aspect of the heat shield can also be used for other motor concepts with other magnetic return elements. Similarly, the aspect of the magnetic return element, which is equipped with different inner diameters and thus in cross-section U-shaped, can also be used directly, ie without heat shield or even, as in the prior art, with a thermally conductive coating, ie a thermally conductive edge. These applications for such implementations arise when the thermal problems are not so great or when the environment in which the engine is running in total, is very cold and thus automatically prevails a situation in which thermal problems are not present.
Bei besonders bevorzugten Ausführungsbeispielen werden jedoch beide Aspekte miteinander kombiniert, also das U-förmige magnetische Rückschlusselement zusammen mit der wärmeabschirmenden Beschichtung auf den Permanentmagneten und der wärmeleitfähigen Beschichtung neben den Permanentmagneten. Die zweite wärmeleitfähige Beschichtung neben den Permanentmagneten kann dort nämlich insbesondere in dem Bereich des U-förmigen magnetischen Rückschlusselements eingesetzt werden, der neben den Permanentmagneten angeordnet ist.In particularly preferred embodiments, however, both aspects are combined, ie the U-shaped magnetic return element together with the heat-shielding coating on the permanent magnet and the heat conductive coating next to the permanent magnet. The second thermally conductive coating next to the permanent magnets can namely be used there in particular in the region of the U-shaped magnetic return element, which is arranged next to the permanent magnet.
Ferner wird es bevorzugt, den Querschnitt des magnetischen Rückschlusselements noch weiter zu strukturieren, also mit Übergangsbereichen zu versehen, die zwischen dem zweiten bzw. mittleren Bereich, in dem die Magnete angeordnet sind, und dem oberen bzw. unteren Bereich angeordnet sind. Aus Gründen der strukturellen Stabilität und des verbesserten magnetischen Rückschlusses ist der Querschnitt in dem Übergangselement kontinuierlich zunehmend. Die kontinuierliche Zunahme kann eine nicht-lineare Form haben, wie beispielsweise eine Sinus-Form bzw. eine Cosinus-Form, oder aber auch eine Kreisform oder eine kubische Form oder irgendeine andere nicht-lineare Form sein. Aufgrund der einfacheren Herstellbarkeit und der, wie sich herausgestellt hat, optimalen Funktionalität für den magnetischen Rückschluss wird es jedoch bevorzugt, dass der Verlauf der Querschnittszunahme bzw. der Querschnittsabnahme im Übergangsbereich linear ist.Furthermore, it is preferable to further structure the cross section of the magnetic return element, that is to say to provide it with transition regions which are arranged between the second or central region in which the magnets are arranged and the upper or lower region. For reasons of structural stability and improved magnetic return, the cross-section in the transition element is continuously increasing. The continuous increase may have a non-linear shape, such as a sine or cosine shape, or a circular or cubic shape, or any other non-linear shape. Due to the ease of manufacture and, as has been found, optimal functionality for the magnetic inference, however, it is preferred that the course of the cross-sectional increase or the decrease in cross-section in the transition region is linear.
Ferner wird es bevorzugt, dass in dem mittleren Bereich, in dem die Permanentmagnete angeordnet sind, nach oben bzw. unten bezüglich der Permanentmagnete, also neben den Permanentmagneten ein freier Bereich mit einer Höhe auf jeder Seite ist, die wenigstens größer als ein Millimeter ist. Zur genaueren Platzierung der Permanentmagnete kann ferner der Bereich neben den Permanentmagneten einen leicht kleineren Innendurchmesser als der Bereich haben, in dem die Permanentmagnete direkt angeordnet sind. Dann kann eine genaue Platzierung der Permanentmagnete erreicht werden. Andererseits kann durch die Bereiche oberhalb und unterhalb der Permanentmagnete, die noch mit fast oder dem identisch großen Innendurchmesser des magnetischen Rückschlusselements ausgebildet sind, sichergestellt werden, dass das magnetische Rückschlusselement, das sich ja nunmehr gewissermaßen über den Motorspalt bzw. über die Permanentmagnete hinweg erstreckt, nicht zu einem magnetischen Kurzschluss führt, sondern nur die Rückschlussfunktionalität nach wie vor erfüllt und gleichzeitig zur mechanischen Stabilisierung des Rückschlusselements beiträgt. Gleichermaßen wird diese Höhe gut mit der zweiten Beschichtung aufgefüllt, so dass eine stark wirksame Wärmesenke um die Permanentmagnete herum ausgebildet ist, um die Wärme so schnell wie möglich in das ohnehin gut wärmeleitfähige magnetische Rückschlusselement abzuführen, während jedoch diese Wärmesenke, also die zweite Beschichtung dennoch durch die erste Beschichtung vom Motorspalt zumindest signifikant wärmeisoliert ist. Furthermore, it is preferred that in the middle region in which the permanent magnets are arranged, upwards or downwards with respect to the permanent magnets, ie adjacent to the permanent magnets, a free area with a height on each side, which is at least greater than one millimeter. For more precise placement of the permanent magnets, the area next to the permanent magnets can furthermore have a slightly smaller inner diameter than the area in which the permanent magnets are arranged directly. Then, an accurate placement of the permanent magnets can be achieved. On the other hand, it can be ensured by the regions above and below the permanent magnets, which are still formed with almost or identically large inner diameter of the magnetic return element, that the magnetic return element, which so to speak, extends over the motor gap or over the permanent magnets, does not lead to a magnetic short circuit, but only the Rückschlussfunktionalität satisfied and at the same time contributes to the mechanical stabilization of the return element. Likewise, this height is well filled with the second coating so that a highly effective heat sink is formed around the permanent magnets to dissipate the heat as quickly as possible into the already highly thermally conductive magnetic return element, while still providing this heat sink, the second coating is at least significantly thermally insulated by the first coating from the motor gap.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen detailliert erläutert. Es zeigen:
-
1 eine schematische Draufsicht auf einen Elektromotor mit Rotor und Stator in Außenläuferkonstruktion; -
2 eine schematische Seitenansicht eines Elektromotors mit Rotor und Stator gemäß dem ersten Aspekt der thermischen Abschirmung; -
3 eine schematische Darstellung der Ausführung der ersten und zweiten Beschichtung aus einem gleichen Grundmaterial und unterschiedlicher Füllkörperdichte; -
4 eine schematische Schnittdarstellung eines Rotors in Außenläuferkonstruktion mit einem U-förmigen magnetischen Rückschlusselement; -
5 eine schematische Schnittdarstellung eines Rotors für einen Elektromotor mit thermischer Abschirmung gemäß dem ersten Aspekt und U-förmigem magnetischen Rückschlusselement gemäß dem zweiten Aspekt in Kombination zueinander; -
6 eine perspektivische schematische Darstellung eines Rotors für einen Elektromotor gemäß dem zweiten Aspekt mit U-förmigem magnetischen Rückschlusselement ohne Verwendung der wärmeabschirmenden Beschichtung; -
7 eine schematische Darstellung eines Magnetlagers am Beispiel eines Innenläufers mit außenliegendem Stator und Permanentmagneten am innenliegenden Rotor; und -
8 einen schematischen Querschnitt für eine Wärmepumpe mit einem Elektromotor, der den erfindungsgemäßen Rotor aufweist.
-
1 a schematic plan view of an electric motor with rotor and stator in external rotor design; -
2 a schematic side view of an electric motor with rotor and stator according to the first aspect of the thermal shield; -
3 a schematic representation of the execution of the first and second coating of a same base material and different packing density; -
4 a schematic sectional view of a rotor in outer rotor design with a U-shaped magnetic yoke element; -
5 a schematic sectional view of a rotor for a thermal shielding electric motor according to the first aspect and U-shaped magnetic return element according to the second aspect in combination with each other; -
6 a perspective schematic representation of a rotor for an electric motor according to the second aspect with U-shaped magnetic return element without using the heat-shielding coating; -
7 a schematic representation of a magnetic bearing on the example of an internal rotor with external stator and permanent magnets on the inner rotor; and -
8th a schematic cross section for a heat pump with an electric motor having the rotor according to the invention.
Die erste Beschichtung hat eine niedrige Wärmeleitfähigkeit, wie beispielsweise eine Wärmeleitfähigkeit von λ = 0,25 Watt/Km. Dagegen hat die zweite Beschichtung eine höhere Wärmeleitfähigkeit, wie beispielsweise eine viermal so große Wärmeleitfähigkeit von λ = 2 W/Km. Es wird jedoch bereits ein positiver Effekt dadurch erreicht, dass die niedrige Wärmeleitfähigkeit der ersten Beschichtung kleiner als 1 W/Km ist, und dass die hohe Wärmeleitfähigkeit größer als 1,1 W/Km ist. Je größer der Unterschied zwischen den Wärmeleitfähigkeiten ist, und je kleiner insgesamt der Wert der Wärmeleitfähigkeit der ersten Beschichtung ist, umso besser wird die Wärmeabschirmung einerseits und die Ableitung der dennoch durch die erste Beschichtung durchgetretenen Wärme andererseits von den Permanentmagneten
Ferner ist bei dem in
Eine Art und Weise der Herstellung der beiden Beschichtungen in
Damit wird sichergestellt, dass möglichst viel Material des magnetischen Rückschlusselements, wie es in
Insbesondere ist die Mehrzahl von permanenten Magneten so in dem mittleren Bereich
Ferner ist das magnetische Rückschlusselement
Darüber hinaus ist bei dem in
Wie es in
Ferner ist aus
Ferner wird es bevorzugt, dass zwischen dem Permanentmagnet
Darüber hinaus wird es bevorzugt, dass gerade der Innendurchmesser des unteren Bereichs
Der dritte Innendurchmesser im dritten oberen Bereich
Ferner ist bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel die erste Dicke der ersten Beschichtung
In einer Implementierung ist die Anzahl der Permanentmagneten eine gerade Zahl größer
Ferner wird es bevorzugt, dass die Höhe des magnetischen Rückschlusselements zwischen 3 und 5 cm beträgt, oder dass ein Durchmesser des Motorspalts
Während bei den
Vorzugsweis wird der Rotor bezüglich des Stators durch ein Magnetlager gelagert, wie es beispielhaft in
Bei dem in
Zusätzlich zu den Elementen des Scheibenläufermotors, der beispielsweise Bezug nehmend auf eine der vorstehenden Figuren dargestellt worden ist, umfasst der Kompressor ferner einen Leitraum
Zu kühlende Flüssigkeit läuft über einen Verdampferzulauf
Bei dem in
Darüber hinaus ist in
Ferner ist bei dem in
Aus
Nachfolgend werden noch besondere Ausführungsbeispiele insbesondere für einen zweiteiligen Stator, aber auch für einen einteiligen Stator zusammengefasst.Hereinafter special embodiments are summarized in particular for a two-part stator, but also for a one-piece stator.
Obgleich bestimmte Elemente als Vorrichtungselemente beschrieben sind, sei darauf hingewiesen, dass diese Beschreibung gleichermaßen als Beschreibung von Schritten eines Verfahrens und umgekehrt anzusehen ist.Although certain elements are described as device elements, it should be understood that this description is likewise to be regarded as a description of steps of a method and vice versa.
Ferner sei darauf hingewiesen, dass eine Steuerung, die beispielsweise durch das Element
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Rotorrotor
- 1111
- Permanentmagnetpermanent magnet
- 1212
- Permanentmagnetpermanent magnet
- 1313
- Permanentmagnetpermanent magnet
- 1414
- Permanentmagnetpermanent magnet
- 15a15a
- Oberseite des PermanentmagnetenTop of the permanent magnet
- 15b15b
- Unterseite des PermanentmagnetenBottom of the permanent magnet
- 15c15c
- zum Motorspalt gewandte Seite des Permanentmagnetento the motor gap facing side of the permanent magnet
- 15d15d
- vom Motorspalt abgewandte Seite des Permanentmagnetenfrom the motor gap facing away from the permanent magnet
- 1616
- SpuleKitchen sink
- 1717
- Polfußpole foot
- 2020
- erste Beschichtungfirst coating
- 2525
- Füllpartikelfiller particles
- 3030
- zweite Beschichtungsecond coating
- 4040
- Motorspaltmotor gap
- 105105
- zu drehender Bereich (z.B. Radialrad)area to be turned (e.g., radial wheel)
- 200200
- Statorstator
- 201201
- Permanentmagnetpermanent magnet
- 202202
- magnetisches Rückschlusselementmagnetic return element
- 202a202a
- erster Bereichfirst area
- 202b202b
- zweiter Bereichsecond area
- 202c202c
- dritter Bereichthird area
- 202d202d
- erste Übergangsbereichfirst transition area
- 202e202e
- zweiter Übergangsbereichsecond transition area
- 203203
- Bandagebandage
- 207207
- freie Höhefree height
- 209209
- Abstufunggradation
- 250250
- Axialrichtungaxially
- 260260
- Radialrichtungradial direction
- 270270
- RadialerfassungseinrichtungRadial detector
- 271271
- Erfassungsleitungsense line
- 272272
- Steuerleitungcontrol line
- 273273
- Aktorleitungactuator cable
- 280280
- Radial-Steuerung/RegelungseinrichtungRadial-control / regulation device
- 300 300
- VerdampferEvaporator
- 302302
- Verdampferzulaufevaporator feed
- 304304
- Verdampferablaufevaporator flow
- 306306
- TropfenabscheiderDroplet
- 400400
- Kompressorcompressor
- 410410
- Leitwegroute
- 500500
- Kondensierercondenser
- 510510
- Kondensationszonecondensation zone
- 512512
- VerflüssigerzulaufVerflüssigerzulauf
- 514514
- VerflüssigerablaufVerflüssigerablauf
- 516516
- VerflüssigerverteilerVerflüssigerverteiler
- 600600
- Steuerungcontrol
- 602602
- Statorblockstator block
- 603603
- Dichtungsringsealing ring
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
R012 | Request for examination validly filed | ||
R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
R003 | Refusal decision now final |