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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor eines Elektromotors. Des Weiteren betrifft die Erfindung einen Elektromotor, umfassend einen derartigen Rotor. Insbesondere weist der Rotor eine Vielzahl von Permanentmagneten auf, die in einer VC-Anordnung angebracht sind.
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Aus dem Stand der Technik sind Elektromotoren bekannt. Diese umfassen einen Rotor, der eine Vielzahl von Permanentmagneten aufweist. Dazu ist vorgesehen, dass der Rotor gestapelte Bleche aufweist, wobei besagte Bleche Ausnehmungen aufweisen, in die Permanentmagnete einschiebbar sind. Für die Anordnung der Permanentmagneten innerhalb des Blechpakets sind verschiedene Ausführungen möglich. So ist aus der
WO 2012/059 258 A1 eine einzelne V-Anordnung bekannt. Bei dieser sind pro Pol jeweils zwei Permanentmagnete in Form eines „V“ angeordnet. Ebenfalls offenbart das Dokument
DE 10 2012 022 152 A1 eine solche V-Anordnung. Des Weiteren ist eine VC-Anordnung bekannt, beispielsweise aus der
DE 10 2009 046 165 A1 , bei der die V-förmig angeordneten Magneten von einer zusätzlichen Magnetreihe umschlossen werden, wobei diese zusätzliche Magnetreihe eine C-Form aufweist. Um eine VC-Anordnung zu bilden, wird üblicherweise eine V-Anordnung verwendet, wofür zwei Permanentmagnete notwendig sind. Mit zumindest vier Permanentmagneten wird die V-Anordnung durch eine C-Anordnung umschlossen, wobei die C-Anordnung aufgrund ihres Aufbaues aus vier Permanentmagneten eine Kombination von zwei V-Winkeln zwischen radial inneren Permanentmagneten und radial äußeren Permanentmagneten umfasst. Aus der
US 8 994 240 B1 ist eine VC-Anordnung bekannt, die auf maximalen Rotorfluss ausgelegt ist. Schließlich ist aus der
FR 2973179 B1 eine Multi-C-Anordnung bekannt, die sehr viele kleine Permanentmagnete aufweist.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Rotor eines Elektromotors erlaubt eine geringe Drehmomentwelligkeit und einen möglichst geringen Geräuschpegel. Gleichzeitig ist eine im Vergleich zum Stand der Technik erhöhte Entmagnetisierungsfestigkeit und somit Rotorgrenztemperatur erzielbar, ohne dabei Rotorfluss, Drehmomentwelligkeit und Geräuschpegel negativ zu beeinflussen. Die Höhe der Permanentmagnete wird durch einen Kompromiss aus Kosten und Entmagnetisierungsfestigkeit bestimmt und hat somit auch direkt Einfluss auf die Rotorgrenztemperatur.
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Der Rotor eines Elektromotors umfasst ein Rotorblechpaket und eine Vielzahl von Permanentmagneten. Die Permanentmagnete sind in Ausnehmungen des Rotorblechpakets angeordnet. Dabei ist vorgesehen, dass die Permanentmagnete zumindest zwei V-förmig angeordnete erste Permanentmagnete und eine Vielzahl von C-förmig angeordneten zweiten Permanentmagneten aufweist. Die Vielzahl von zweiten Permanentmagneten umgreifen die ersten Permanentmagneten bevorzugt zumindest teilweise. Durch die V-förmig angeordneten ersten Permanentmagnete und die C-förmig angeordneten zweiten Permanentmagnete wird insbesondere ein Rotorpol gebildet. Es ist weiterhin vorgesehen, dass ein Winkel zwischen den ersten Permanentmagneten zwischen 115° und 153° beträgt. Durch einen derartigen V-Winkel der ersten Permanentmagnete wird eine im Vergleich zum Stand der Technik flache V-Anordnung erreicht. Somit kann insbesondere die Vielzahl von C-förmig angeordneten zweiten Permanentmagneten näher an dem Luftspalt zwischen Rotor und Stator des Elektromotors angeordnet werden, was bedeutet, dass die zweiten Permanentmagnete näher an einer radialen Außenfläche des Rotors angebracht sind.
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Ein solches Design ist leichter aufmagnetisierbar und ermöglicht mehr Freiraum zur Optimierung für reduzierte Drehmomentwelligkeit und Drehmomentrastverhalten sowie für verbessertes akustisches Verhalten. Des Weiteren steht mehr Freiraum für Kühlungslöcher in dem Rotorblechpaket zur Verfügung. Auch ist weniger Magnetmasse notwendig, da insbesondere kein Zwang für stets gleich große Permanentmagnete wie im Stand der Technik vorhanden ist, wodurch der Rotor hinsichtlich Materialkosten günstiger ausgeführt werden kann. Schließlich ist durch die feiner ausjustierbare Magnetmasse ein Feldschwächestrom in der D-Achse reduzierbar, wodurch die Dauerleistung des mit dem Rotor ausgestatteten Elektromotors verbessert ist. Dieses Verhalten ist insbesondere proportional zum Kurzschlussstrom der Maschine. Dies bedeutet, dass im Falle eines Ansteigens der Magnetmasse der Kurzschlussstrom steigt, wodurch die Dauerleistung sinkt und umgekehrt.
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Die Unteransprüche haben bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
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Der Rotor weist insbesondere eine Vielzahl von Rotorpolen auf. Sämtliche Rotorpole wiederum weist lediglich die zwei V-förmig angeordneten ersten Permanentmagnete und die C-förmig angeordneten zweiten Permanentmagnete auf. Besonders vorteilhaft weist der Rotorpol keine weiteren Permanentmagnete auf, sondern ausschließlich die beschriebenen ersten Permanentmagnete und zweiten Permanentmagnete.
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Besonders vorteilhaft sind die V-förmig angeordneten ersten Permanentmagnete (4) und die C-förmig angeordneten zweiten Permanentmagnete jeweils symmetrisch zu einer Polmitte des Rotorpols angeordnet. Die Polmitte ist insbesondere eine Mittelachse, die sich Radial von einem Mittelpunkt des Rotors erstreckt. Somit sind die ersten Permanentmagnete und die zweiten Permanentmagnete achssymmetrisch angeordnet. Ein radial innerster Punkt der ersten Permanentmagnete und ein radial innerster Punkt der zweiten Permanentmagnete weist somit einen geringsten Abstand zu besagter Polmitte bzw. der die Polmitte anzeigenden Mittelachse auf.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Vielzahl von zweiten Permanentmagneten bezüglich einer Umfangsrichtung des Rotors zwei innere Permanentmagnete und zwei äußere Permanentmagnete umfassen. Somit sind insbesondere zwei innere zweite Permanentmagnete und zwei äußere zweite Permanentmagnete zusätzlich zu den ersten Permanentmagneten vorhanden. Die inneren zweiten Permanentmagnete weisen einen Winkel zueinander zwischen 101° und 104° auf. Alternativ oder zusätzlich weisen die äußeren zweiten Permanentmagnete einen Winkel zueinander zwischen 64° und 105° auf. Durch eine derartige Anordnung wird erreicht, dass sämtliche zweite Permanentmagnete nahe an der äußeren Umfangsfläche des Rotors angebracht sind, wodurch die zweiten Permanentmagnete nahe an einem Luftspalt des Elektromotors zwischen Rotor und Stator angeordnet werden können. Dies hat Vorteile hinsichtlich der Leistung des Elektromotors sowie hinsichtlich der Geräuschemission und Drehmomentwelligkeit.
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Ein erster Polabdeckungswinkel der ersten Permanentmagnete umfasst bevorzugt zwischen 59,5° und 72°. Alternativ oder zusätzlich umfasst ein zweiter Polabdeckungswinkel der zweiten Permanentmagnete zwischen 111,5° und 122,5°. Bei dem Polabdeckungswinkel handelt es sich insbesondere um einen solchen Winkel, den die ersten Permanentmagnete und/oder die zweiten Permanentmagnete insgesamt überstreichen. So ist für jeden Pol des Elektromotors eine V-Anordnung aus ersten Permanentmagneten und eine C-Anordnung aus zweiten Permanentmagneten vorhanden. Pro Pol lassen sich somit ein erster Polabdeckungswinkel der ersten Permanentmagnete und ein zweiter Polabdeckungswinkel der zweiten Permanentmagnete einstellen. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist der erste Polabdeckungswinkel und der zweite Polabdeckungswinkel jeweils nicht ausschließlich auf maximalen Rotorfluss ausgelegt, vielmehr ist auch eine geringe Drehmomentwelligkeit und ein geringer Geräuschpegel erreicht.
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Eine erste Magnethöhe der ersten Permanentmagnete ist vorteilhafterweise unterschiedlich von einer zweiten Magnethöhe der zweiten Permanentmagnete. Besonders bevorzugt ist die erste Magnethöhe kleiner als die zweite Magnethöhe. Unter Magnethöhe ist insbesondere eine Stärke der Permanentmagnete zu verstehen, das bedeutet eine Abmessung der Permanentmagnete senkrecht zur V-Richtung und/oder senkrecht zur C-Richtung. Durch die Verwendung unterschiedlicher Magnethöhen von ersten Permanentmagneten und zweiten Permanentmagneten ist insbesondere vermieden, dass sämtliche Permanentmagnete dieselben Abmessungen aufweisen. Dadurch kann die Anordnung von ersten Permanentmagneten und zweiten Permanentmagneten flexibel gestaltet werden, wodurch sich insbesondere die zuvor beschriebenen Vorteile hinsichtlich hoher Leistung und geringer Geräuschemissionen sowie geringer Drehmomentwelligkeit einstellen lassen.
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Des Weiteren ist vorgesehen, dass eine Mittelstegbreite der ersten Permanentmagnete unterschiedlich von einer zweiten Mittelstegbreite der zweiten Permanentmagnete ist. Bei der Mittelstegbreite handelt es sich insbesondere um eine Breite eines Stegs zwischen den Ausnehmungen in dem Rotorblechpaket, in denen jeweils die Hälfte der ersten Permanentmagnete und/oder zweiten Permanentmagnete angeordnet sind. So ist durch die V-Anordnung aus ersten Permanentmagneten und die C-Anordnung aus zweiten Permanentmagneten eine symmetrische Anordnung bezüglich einer Mittelachse erreicht, wobei diese symmetrische Anordnung insgesamt vier Ausnehmungen im Rotorblechpaket umfasst. So sind zwei Ausnehmungen für die ersten Permanentmagnete vorhanden, während ebenfalls zwei Ausnehmungen für die zweiten Permanentmagnete vorhanden sind. Diese Ausnehmungen treffen an der Mittelachse nicht aufeinander, sondern weisen hier einen Mittelsteg auf. Wie bereits beschrieben, sind die Mittelstegbreiten der Ausnehmungen für die ersten Permanentmagnete und die Mittelstegbreite für die Ausnehmungen der zweiten Permanentmagnete nicht identisch. Vielmehr ist bevorzugt vorgesehen, dass die zweite Mittelstegbreite der zweiten Permanentmagnete größer ist als die erste Mittelstegbreite der ersten Permanentmagnete. Besonders vorteilhaft ist die erste Mittelstegbreite zwischen 0,5 mm und 1,2 mm ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich beträgt die zweite Mittelstegbreite zwischen 2,0 und 3,2 mm.
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Eine erste Steghöhe zwischen denjenigen Ausnehmungen, in denen die ersten Permanentmagnete angeordnet sind und einer Blechpaketaußenfläche und eine zweite Steghöhe zwischen denjenigen Ausnehmungen, in denen die zweiten Permanentmagnete angeordnet sind, und einer Blechpaketaußenfläche, sind insbesondere konstant. Sollte sich die Steghöhe entlang des Umfangs des Rotorblechpakets verändern, so ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass die Steghöhe in Richtung der Polmitte zunimmt. Somit trennt die Steghöhe die Ausnehmungen für die ersten Permanentmagneten und/oder zweiten Permanentmagneten von der Rotoraußenfläche und damit von dem Luftspalt ab. Insbesondere ist vorgesehen, dass die erste Steghöhe kleiner ist als die zweite Steghöhe. Besonders vorteilhaft ist vorgesehen, dass die erste Steghöhe zumindest zwischen 0,7 mm und 1,5 mm beträgt. Die zweite Steghöhe beträgt vorteilhafterweise zumindest zwischen 0,8 mm und 2,2 mm. Durch derartige Steghöhen lassen sich die Permanentmagnete nahe an der Rotoraußenfläche und damit nahe an dem Luftspalt anordnen. Dies ist vorteilhaft hinsichtlich einer hohen Leistung sowie optimaler Drehmomentwelligkeit und geringer Geräuschemissionen.
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Die Erfindung betrifft außerdem einen Elektromotor. Der Elektromotor umfasst einen Rotor wie zuvor beschrieben. Außerdem umfasst der Elektromotor einen Stator zum Antreiben des Elektromotors. Aufgrund der Ausgestaltung des Rotors weist der Elektromotor ein hohes Drehmoment sowie eine hohe Leistung auf. Gleichzeitig ist eine gute akustische Eigenschaft realisiert, indem der Elektromotor eine geringe Geräuschemission aufweist. Schließlich ist außerdem erreicht, dass der Elektromotor eine geringe Drehmomentwelligkeit aufweist.
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Schließlich ist bevorzugt vorgesehen, dass ein Stegwinkel in der q-Achse zwischen 7,5° und 16° beträgt. Somit kann insbesondere erreicht oder zumindest unterstützt werden, dass ein erhöhter Rotorfluss nicht zu einer Erhöhung von Verlusten führt.
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Der Elektromotor weist besonders vorteilhaft einen Luftspalt zwischen 1,0 mm und 1,7 mm auf. Durch einen derartigen Luftspalt ist insbesondere erreicht, dass ein erhöhter Rotorfluss nicht zu einer Erhöhung von Verlusten in dem Elektromotor führt. Dazu ist der Luftspalt tendenziell groß ausgelegt. Insbesondere im Feldschwächebereich lassen sich somit Verluste minimieren oder vermeiden.
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Besonders vorteilhaft beträgt die erste Magnethöhe der ersten Permanentmagnete zwischen 2,6 mm und 4,8 mm. Die zweite Magnethöhe der zweiten Permanentmagnete beträgt vorteilhafterweise zwischen 4,0 mm und 6,5 mm. Somit ist ein kompakter Aufbau für eine VC-Anordnung der Permanentmagnete erreicht.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 eine schematische Abbildung eines Ausschnitts aus einem Elektromotor gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Ausführungsform der Erfindung
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1 zeigt schematisch einen Ausschnitt aus einem Elektromotor 2 umfassend einen Rotor 1 sowie einen Stator 8. Es ist lediglich ein Ausschnitt aus dem Elektromotor 2 gezeigt, der einen Pol des Elektromotors 2 umfasst.
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Der Rotor 1 ist um eine Rotationsachse 100 ausgebildet und umfasst ein Rotorblechpaket 3, das eine Vielzahl von gestapelten Blechen umfasst. Das Rotorblechpaket 3 umfasst eine Vielzahl von Ausnehmungen 6, wobei in den Ausnehmungen 6 erste Permanentmagnete 4 und zweite Permanentmagnete 5 angeordnet sind. Dabei bilden die ersten Permanentmagnete 4 eine V-Form, währen die zweiten Permanentmagnete 5 eine C-Form ausbilden. Somit sind die Permanentmagnete 4, 5 des Elektromotors 2 in einer VC-Anordnung angebracht. Die C-Anordnung aus zweiten Permanentmagneten 5 umgreift die V-Anordnung aus ersten Permanentmagneten zumindest teilweise. Die V-Anordnung aus ersten Permanentmagneten 4 umfasst zwei erste Permanentmagnete 4, die symmetrisch um eine Mittelachse des Pols angeordnet sind. Die C-Anordnung der zweiten Permanentmagnete 5 ist ebenfalls symmetrisch um eine Mittelachse des Pols ausgebildet und umfasst insgesamt vier zweite Permanentmagnete. Dadurch ergeben sich zwei V-Winkel für die zweiten Permanentmagnete, da zwei radial innere Permanentmagnete 5a und zwei radial äußere Permanentmagnete 5b vorhanden sind. Die inneren zweiten Permanentmagnete 5a weisen einen ersten V-Winkel auf, während die äußeren zweiten Permanentmagnete 5b einen zweiten V-Winkel aufweisen.
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Es ist vorgesehen, dass ein Winkel αa zwischen den ersten Permanentmagneten 4 zwischen 115° und 153° beträgt. Ein Winkel α2 zwischen den inneren zweiten Permanentmagneten 5a beträgt zwischen 101° und 140°. Ein Winkel α1 zwischen den äußeren zweiten Permanentmagneten 5b beträgt zwischen 64° und 105°. Durch eine derartige Anordnung ist eine flache VC-Anordnung realisiert, bei der sämtliche Permanentmagnete 4, 5 möglichst nahe an der Blechpaketaußenfläche 7 angebracht sind. Somit ist insbesondere erreicht, dass ein sehr leicht aufmagnetisierbares Design vorhanden ist. Insbesondere ist jeder Magnet, der radial möglichst weit außen an dem Rotorblechpaket 3 angeordnet ist, einfacher aufzumagnetisieren, als wenn dieser radial innen in dem Rotorblechpaket 3 angebracht ist. Des Weiteren entsteht durch ein solches Design mehr Freiraum zur Optimierung für reduzierte Drehmomentwelligkeiten und Rastmomente, sowie ein verbessertes akustisches Verhalten durch geringe Geräuschemissionen. Auch steht mehr Freiraum für Kühlungslöcher innerhalb des Rotorblechpakets 3 zur Verfügung. Schließlich ist außerdem vorteilhaft, dass die gesamte Magnetmasse der Permanentmagnete 4, 5 geringer ausfallen kann als im Stand der Technik. Dies ist insbesondere vorteilhaft hinsichtlich der Materialkosten. Außerdem lassen sich Feldschwächeströme in der D-Achse reduzieren, wodurch die Dauerleistung des Elektromotors 2 steigt.
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Des Weiteren ist ein erster Polabdeckungswinkel βi der ersten Permanentmagnete 4 zwischen 111,5° und 122,5° ausgebildet. Ein zweiter Polabdeckungswinkel βa der zweiten Permanentmagnete 5 beträgt bevorzugt zwischen 59,5° und 72°. Somit ist erreicht, dass neben einem hohen Rotorfluss auch eine geringe Drehmomentwelligkeit und ein möglichst geringer Geräuschpegel vorhanden sind. Im Gegensatz zum Stand der Technik ist damit der Rotor 1 nicht allein auf maximalen Rotorfluss ausgelegt. Vielmehr ist auch auf die Drehmomentwelligkeit sowie dem Geräuschpegel eingegangen, um auch diese Parameter zu optimieren.
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Um keine vergrößerten Verluste aufgrund eines erhöhten Rotorflusses zu erhalten, ist außerdem bevorzugt der Luftspalt δ relativ groß ausgeführt. Insbesondere beträgt der Luftspalt δ zwischen 1,0 mm und 1,7 mm. Gleichzeitig ist der Stegwinkel in der q-Achse optimiert, wodurch insbesondere der Stegwinkel in der q-Achse φq zwischen 7,5° und 16° beträgt.
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Um ein kompaktes Design wie zuvor beschrieben zu erreichen, ist insbesondere vorgesehen, dass eine erste Magnethöhe hma der ersten Permanentmagnete 4 und eine zweite Magnethöhe hmi der zweiten Permanentmagnete 5 unterschiedlich ist. Insbesondere beträgt die erste Magnethöhe hma zwischen 2,6 mm und 4,8 mm. Die zweite Magnethöhe hmi beträgt bevorzugt zwischen 4,0 mm und 6,5 mm. Ebenso ist bevorzugt ein erster Mittelsteg bsa kleiner als ein zweiter Mittelsteg bsi , wobei der erste Mittelsteg bsa der Mittelsteg der Ausnehmungen 6 der ersten Permanentmagnete ist, während der zweite Mittelsteg bsi der Mittelsteg zwischen den Ausnehmungen 6 der zweiten Permanentmagnete 5 ist. Die erste Mittelstegbreite bsa beträgt insbesondere zwischen 0,5 mm und 1,2 mm. Die zweite Mittelstegbreite bsi beträgt bevorzugt zwischen 2,0 mm und 3,2 mm.
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Des Weiteren ist eine minimale Steghöhe zwischen der Blechpaketaußenfläche 7 und den Ausnehmungen 6 vorhanden. Eine erste Steghöhe hsa zwischen den Ausnehmungen 6 der ersten Permanentmagnete 4 und eine zweite Steghöhe hsi zwischen den Ausnehmungen 6 der zweiten Permanentmagnete 5a und der Blechpaketaußenfläche 7 sind insbesondere unterschiedlich. Des Weiteren nehmen die erste Steghöhe hsa und die zweite Steghöhe hsi vorteilhafterweise in Richtung der Polmitte zu oder sind konstant. Bevorzugt beträgt die erste Steghöhe hsa zumindest zwischen 0,7 mm und 1,5 mm. Die zweite Steghöhe hsi beträgt vorteilhafterweise mindestens zwischen 0,8 mm und 2,2 mm.
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Durch eine derartige Anordnung der ersten Permanentmagnete 4 und der zweiten Permanentmagnete 5 ist erreichbar, dass der Elektromotor 2 optimal als permanent erregte Synchronmaschine ausgelegt ist. Insbesondere ergeben sich ein hohes Drehmoment sowie eine hohe Leistung des Elektromotors 2. Auch ergibt sich eine hohe Drehzahlfestigkeit sowie optimale akustische Eigenschaften, indem ein geringer Geräuschpegel realisiert ist. Des Weiteren ist eine geringe Drehmomentwelligkeit vorhanden. Außerdem sind Verluste, insbesondere Eisenverluste und Magnetverluste, minimiert. Gleichzeitig ist der Elektromotor 2 einfach und kostengünstig herstellbar, so dass die Materialkosten und Herstellungskosten minimiert sind. Schließlich ergeben sich eine hohe Entmagnetisierungsfestigkeit sowie hohe Rotorgrenztemperaturen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2012/059258 A1 [0002]
- DE 102012022152 A1 [0002]
- DE 102009046165 A1 [0002]
- US 8994240 B1 [0002]
- FR 2973179 B1 [0002]
