DE102020115365B3 - Rotor für eine Synchronmaschine und Synchronmaschine mit einem solchen Rotor - Google Patents

Abstract

Rotor für eine Synchronmaschine, mit mehreren um den Rotorumfang verteilt angeordneten Permanentmagneten (12), die radial verschiebbar in einem axial positionsfesten Magnethalter (16) angeordnet und direkt oder indirekt an einer oder mehreren Keilflächen (11) eines axial verschiebbaren Keilelements (8) gelagert sind, das über ein drehmomentabhängig gesteuertes Stellelement (25) in Abhängigkeit eines auf den Rotor (5) wirkenden Drehmoments axial bewegbar ist.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Rotor für Synchronmaschine, mit mehreren um den Rotorumfang verteilt angeordneten Permanentmagneten.
• Eine Synchronmaschine mit einem Rotor, an dem mehrere um den Umfang verteilt angeordnete Permanentmagneten vorgesehen sind, wird üblicherweise auch als permanenterregte Synchronmaschine bezeichnet. Sie umfasst neben dem Rotor, mitunter auch als Läufer bezeichnet, einen Stator, mitunter auch Ständer genannt, über den ein magnetisches Drehfeld erzeugt werden kann, das über einen Luftspalt mit dem Dauermagneten des Rotors koppelt. Zur Erzeugung des umlaufenden magnetischen Drehfelds ist am Stator üblicherweise eine dreisträngige und mit einem dreiphasigen Wechselstrom betriebene Wicklung vorgesehen. Durch die magnetische Wechselwirkung zwischen dem Drehfeld und einem von dem Dauermagneten des Rotors erzeugten Erregerfeld ergibt sich das resultierende Drehmoment der Maschine.
• Die Steuerung der Synchronmaschine erfolgt zumeist über einen Frequenzumrichter und eine Pulsweitenmodulation, worüber eine variable Drehzahl in einem relativ breiten Drehzahlband geregelt werden kann. Wenn die Drehzahl des Rotors der Drehzahl des statorseitigen Drehfelds entspricht, ist ein stationärer Betrieb gegeben, das heißt, dass die Rotordrehzahl synchron zur Statorfelddrehzahl ist. Die Drehzahl definiert sich über die Frequenz der am Ständer anliegenden Spannung beziehungsweise des ständerseitigen Wechselstroms. Infolge der Wechselwirkung des statorseitigen Drehfelds mit dem rotorseitigen Drehfeld kommt es zu einer Spannungsinduktion in der Statorwicklung, wobei die induzierte Spannung mit zunehmender Drehzahl steigt. Die Spannungsinduktion resultiert aus einer Überlagerung der Statorflussverkettung mit der Rotorflussverkettung. Die maximal stellbare Spannung, die über die Steuer- respektive Leistungselektronik eingeregelt wird, ist begrenzt. Ab einer gewissen Spannung kann der gewünschte erforderliche Strom nicht mehr gestellt werden, da die Spannungsgrenze erreicht ist. Bei hohen Drehzahlen befindet sich daher die Maschine in einem sogenannten Feldschwächebereich. Um die Drehzahl dennoch weiter erhöhen zu können, ist es erforderlich, das Magnetfeld des Rotors zu schwächen, so dass die statorseitige Spannung für die Einspeisung des erforderlichen Stroms ausreicht. Gleichzeitig soll der Rotor dennoch eine möglichst große Rotor- oder Permanentmagnetflussverkettung erzeugen, damit hohe Grunddrehzahlmomente bei gleichem Maschinenvolumen erzeugt werden können. Dies führt allerdings zu vergleichsweise hohen Eisenverlusten im Teillastbereich und damit zu einem schlechten Wirkungsgrad.
• Um daher bei hohen Drehzahlen die gewünschte Feldschwächung zu erreichen, ist es bekannt, regelungstechnisch am Stator ein entsprechendes Gegenfeld zu erzeugen, also einen negativen Längsstrom einzuprägen, der das Gegenfeld erzeugt, das dem Rotormagnetfeld entgegenwirkt. Im Feldschwächebereich und in Betriebspunkten des unteren Teillastbereichs jedoch ist die über den negativen Längsstrom erreichbare Feldschwächung nicht effizient genug.
• Aus der JP 2009 - 208 195 A ist ein Rotor für eine Synchronmaschine mit mehreren um den Rotorumfang verteilt angeordneten Permanentmagneten bekannt, wobei der Rotor über ein drehmomentabhängig gesteuertes Stellelement axial bewegbar ist.
• Bezüglich weiteren Standes der Technik wird auf die JP H10- 191 604 A , die US 2007 / 0 241 628 A1 und die DE 10 2005 016 365 A1 verwiesen.
• Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, einen Rotor anzugeben, der die Erzielung einer großen Feldschwächung bei geringem Drehmoment und hoher Drehzahl ermöglicht.
• Zur Lösung dieses Problems ist erfindungsgemäß ein Rotor für eine Synchronmaschine vorgesehen, mit mehreren um den Rotorumfang verteilt angeordneten Permanentmagneten, der sich dadurch auszeichnet, dass die Permanentmagnete radial verschiebbar in einem axial positionsfesten Magnethalter angeordnet und direkt oder indirekt an Keilflächen eines axial verschiebbaren Keilelements gelagert sind, das über ein drehzahlabhängig gesteuertes Stellelement in Abhängigkeit eines auf den Rotor wirkenden Drehmoments axial bewegbar ist.
• Die Erfindung schlägt einen Rotor vor, mit der Möglichkeit, den Luftspalt zwischen Rotor und Stator gezielt zu verändern und über die Spaltveränderung gezielt die Feldschwächung zu erwirken. Je größer der Luftspalt zwischen Rotor und Stator, desto größer ist die Feldschwächung. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, diese Luftspaltveränderung drehmomentabhängig zu steuern, das heißt, bei einer Erhöhung des Drehmoments den Luftspalt gezielt zu verschmälern und bei einer Erniedrigung des Drehmoments den Luftspalt zu vergrößern. Dies führt dazu, dass im Falle einer Drehzahlerhöhung und daraus resultierend einer Erhöhung des Drehmoments der Luftspalt gezielt verkleinert wird und eine geringere Feldschwächung und damit auch eine höhere Feldkopplung gegeben ist, so dass auch auf sehr hohe Drehzahlen beschleunigt werden kann, während gleichzeitig bei geringem Drehmoment und hoher Drehzahl die Spaltbreite wieder vergrößert wird und demzufolge eine große Feldschwächung bei gleichzeitiger Verringerung der Gesamtmagnetisierung der Synchronmaschine gegeben ist.
• Um diese drehmomentabhängige Luftspaltveränderung zu realisieren, sind die Permanentmagnete erfindungsgemäß in einem axial gesehen positionsfesten Magnethalter angeordnet und in diesem radial verschiebbar geführt, das heißt, dass sie radial relativ zum Magnethalter verschoben werden können. Der Abstand der Permanentmagnete zu dem sie umgebenden Stator definiert die Luftspaltbreite. Erfindungsgemäß ist zur Radialverstellung der Permanentmagnete ein Keilelement vorgesehen, das axial verschiebbar ist, und das entsprechende Keilflächen aufweist, an denen die Permanentmagnete direkt oder indirekt geführt sind. Wird demzufolge das Keilelement über das drehmomentabhängig gesteuerte Stellelement axial verschoben, so werden die Permanentmagnete radial aus dem Magnethalter oder in den Magnethalter bewegt, wobei diese Radialbewegung im Bereich nur weniger Millimeter erfolgt. Das heißt, dass über das erfindungsgemäß vorgesehene, drehmomentabhängig gesteuerte Keilsystem in Verbindung mit der radialen Permanentmagnetverschiebung eine gezielte, betriebs- oder lastpositionsbezogene Luftspaltveränderung und damit Feldschwächung erfolgen kann.
• Das Stellelement ist wie beschrieben drehmomentabhängig steuerbar. Hierzu weist das Stellelement in einer konkreten Erfindungsausgestaltung zwei gegeneinander verdrehbare Elementteile auf, die jeweils eine Kugelbahn aufweisen, wobei die Kugelbahnen einander zu einem Kugelkanal ergänzen, in dem mehrere Kugeln aufgenommen sind, wobei ein Elementteil in der Montagestellung axial positionsfest ist und das andere Elementteil mit dem Keilelement bewegungsgekoppelt ist. Die beiden Elementteile sind relativ zueinander verdrehbar, jedoch über die Kugeln in dem Kugelkanal miteinander gekoppelt, so dass sie miteinander rotieren. Die Ausgestaltung der Kugelbahnen respektive des Kugelkanals ist derart, dass bei einer Relativverdrehung beider Elementteile zueinander das eine Elementteil, das mit dem Keilelement bewegungsgekoppelt ist, axial relativ zum anderen, axial positionsfesten Elementteil verschoben wird, unter Beibehaltung der gemeinsamen Rotation. Rotiert der Rotor mit konstanter Drehzahl, so wirkt auf die beiden Elementteile kein aus der Trägheit der Elementteile und der verdrehbaren Kugelkopplung resultierendes Differenzdrehmoment. Wird jedoch die Drehzahl erhöht, kommt es also zu einer Beschleunigung, so wirkt zwangsläufig über den Rotor ein ansteigendes Drehmoment auf das mit ihm gekoppelte Elementteil. Dieses verdreht sich damit zwangsläufig geringfügig relativ zu dem über die bewegliche Kugelkopplung gekoppelten, axial positionsfesten anderen Elementteil, das also trägheitsbedingt geringfügig nachläuft. Durch diese Relativverdrehung über das Differenzdrehmoment kommt es zur axialen Verschiebung des mit dem Keilelement bewegungsgekoppelten Elementteil, so dass das Keilelement ebenfalls axial verschoben wird und mit ihm die Permanentmagnete radial nach außen bewegt werden, was wiederum in einer Luftspaltverkleinerung und damit einer geringeren Feldschwächung resultiert, wie sie für die Beschleunigung respektive in diesem Lastbereich erforderlich ist, um die Drehzahl zu erhöhen. Sobald eine gewünschte Drehzahl erreicht ist und der Beschleunigungsvorgang beendet wird, liegt zwangsläufig nur noch ein niedrigeres Drehmoment am Stellelement an, was dazu führt, dass das axial verschobene Elementteil quasi wieder zurückgestellt wird, es bewegt sich axial wieder zum anderen, axial positionsfesten Elementteil. Zwangsläufig wird damit aber auch das Keilelement wieder zurückbewegt und die Permanentmagneten wieder radial nach innen bewegt, der Luftspalt vergrößert sich wieder, die Feldschwächung wird wieder erhöht. Die Permanentmagnete sind z.B. mit dem Keilelement derart gekoppelt, dass sie im Rahmen der Rückstellbewegung automatisch mitgenommen werden, wobei diese mechanische Kopplung auch verhindert, dass die Permanentmagnete fliehkraftbedingt sich relativ zum Magnethalter radial bewegen können. Auf diese Weise kann über das erfindungsgemäß vorgesehene Stellelement eine einfache, drehmomentgesteuerte Axialverschiebung erreicht werden, die auf einfache und schnelle Weise erwirkt, in gleicher Weise aber auch wieder abgebaut werden kann.
• Das Keilelement selbst ist auf einer Rotorwelle, über die der Rotor im Maschinengehäuse drehgelagert ist, entweder als separates Element befestigt, oder das Keilelement wird von der Rotorwelle selbst gebildet, das heißt, dass in diesem Fall die Rotorwelle entsprechende, radial vorstehende Keilabschnitte aufweist, mit denen die Permanentmagneten gekoppelt sind. In jedem Fall ist die Rotorwelle, mit der das axial verstellbare Elementteil des Stellelements verbunden ist, geringfügig axial verschiebbar. Diese axiale Verschiebung erfordert einerseits eine Verbindung zwischen dem an der Rotorwelle befestigten Magnethalter derart, dass eine drehfeste Verbindung gegeben ist, gleichzeitig aber auch eine eine Axialverschiebung der Rotorwelle ermöglichende Verbindung. Zweckmäßigerweise ist diese Verbindung in Form einer Längsverzahnung realisiert. In entsprechender Weise ist dann auch eine entsprechende Längsverzahnungsverbindung zwischen der Rotorwelle, die die Abtriebswelle der Synchronmaschine bildet und einer mit ihr verbundenen Antriebswelle, beispielsweise an einer Fahrzeughinterachse, vorzusehen, damit die Rotorwelle auch relativ zu dieser axial verstellt werden kann.
• Wie beschrieben wird bei einer Drehzahlerhöhung und damit einer Drehmomenterhöhung das mit dem Keilelement respektive der Rotorwelle gekoppelte Elementteil axial bewegt. Bei einer Reduzierung der Beschleunigung beziehungsweise Erreichen einer konstanten Drehzahl und damit einer Reduzierung des Drehmoments, wird das Elementteil axial wieder zurückgestellt. Um diese Rückstellbewegung zu ermöglichen respektive zu unterstützen, sieht die Erfindung ferner vor, dass die axiale Bewegung des axial bewegbaren Elementteils oder des Keilelements gegen eine, vorzugsweise über ein Federelement, insbesondere eine Schraubenfeder, erzeugte Rückstellkraft erfolgt. Wird also das axial bewegbare Elementteil respektive das Keilelement axial verschoben, so wird hierbei eine Rückstellkraft aufgebaut, das heißt, dass das Federelement, insbesondere die Schraubenfeder, komprimiert wird. Im Falle einer Reduzierung der Drehzahlerhöhung respektive des Drehmoments schiebt die Rückstellkraft respektive das Federelement das Elementteil beziehungsweise Keilelement wieder zurück, so dass die radial ausgefahrenen Permanentmagnete wieder zurückgestellt werden. Als ein solches Federelement eignet sich insbesondere eine Schraubenfeder, alternativ dazu ist auch die Verwendung eines Tellerfederpakets oder dergleichen denkbar.
• Für eine zweckmäßige Integration des Federelements in den Rotoraufbau kann das Federelement einerseits an dem Magnethalter oder einem mit diesem verbundenen Bauteil, insbesondere einem Lagerring eines den Magnethalter lagernden Wälzlagers und andererseits an dem axial beweglichen Elementteil aufgelagert sein. Das Federelement ist also einerseits an einer positionsfesten Fläche, also am Magnethalter oder beispielsweise dem Lagerring, und andererseits an einer axial beweglichen Fläche, also dem axial bewegbaren Elementteil, abgestützt, wobei dies die Integration in einen ohnehin vorhandenen, schmalen Bauraum ermöglicht.
• Wie beschrieben erfolgt die radiale Verstellung der Permanentmagneten über ein Keilflächensystem, indem am Keilelement entweder eine quasi konisch umlaufende Keilfläche, also eine Kegelfläche, ausgebildet ist, oder indem am Keilelement eine der Magnetanzahl entsprechende Anzahl an Keilabschnitten radial vorspringen. Mit der respektive diesen Keilflächen sind die Permanentmagneten gekoppelt respektive direkt oder indirekt auf diesen geführt. Dabei ist gemäß einer ersten Erfindungsalternative vorgesehen, dass die Permanentmagneten selbst Keilflächen aufweisen, mit denen sie direkt auf der oder den Keilflächen des Keilelements gelagert sind. Die Permanentmagneten weisen demzufolge eine Trapezform auf. Die Magnetaußenseite, die dem Stator zugewandt ist, verläuft parallel zur Statorfläche respektive parallel zur Drehachse der Rotorwelle, während die radial innere Magnetfläche unter einem Winkel hierzu verläuft, eine Keilfläche bildend. Das heißt, dass sich das Magnetvolumen axial verändert, die Querschnittsfläche nimmt von einem Magnetende zum anderen zu. Alternativ ist es denkbar, dass jeder Permanentmagnet auf einem Magnetträger angeordnet ist, der eine Keilfläche aufweist und mit dieser auf der oder einer Keilfläche des Keilelements gelagert ist. Hier weist also jeder Permanentmagnet einen über seine Länge konstanten Querschnitt auf, die Keilfläche ist über den zwischengeschalteten Magnetträger, beispielsweise ein einfaches Kunststoffbauteil, mit dem der Permanentmagnet fest verbunden, z.B. verklebt ist, gebildet.
• Wie beschrieben sind die Permanentmagneten in dem Magnethalter radial geführt. Der Magnethalter ist hierzu zweckmäßigerweise hohlzylindrisch ausgebildet und weist eine der Anzahl an Permanentmagneten entsprechende Anzahl an Radialausnehmungen auf. Er weist ferner beidseits radial nach innen verlaufende Radialflansche und an diese anschließende, sich axial erstreckende Ringflansche auf, über die der Magnethalter auf der Rotorwelle aufsitzt, das heißt, dass an diesen axialen, zylindrischen Ringflanschen die Längsverzahnung ausgebildet ist, die in die Längsverzahnung an der Rotorwelle eingreift, und einerseits die drehfeste Verbindung von Rotorwelle und Magnethalter bildet, andererseits aber auch die axiale Verschiebbarkeit der Rotorwelle relativ zum positionsfesten Magnethalter ermöglicht.
• Um sicherzustellen, dass die Radialverstellung der Permanentmagnete nur in einem definierten Verstellbereich erfolgt, das heißt, dass die Permanentmagnete nur zwischen einer definierten Innenposition und einer definierten Außenposition verstellt werden können, nicht aber darüber hinaus, sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, dass an der Rotorwelle zwei Axialanschläge vorgesehen sind, die die Verschiebebewegung der Rotorwelle relativ zum Magnethalter begrenzen. Die Axialbewegung der Rotorwelle ist also über diese beiden Anschläge begrenzt, worüber aber auch der maximale Verstellweg der Permanentmagnete begrenzt ist.
• Zur Ausbildung der Keilflächen am Keilelement sind unterschiedliche Ausgestaltungen denkbar. Zum einen ist es möglich, wie bereits beschreiben, an der Rotorwelle eine der Anzahl an Permanentmagneten entsprechende Anzahl an längslaufenden Vorsprüngen beziehungsweise Stegen auszubilden, an denen die radial außenliegenden Keilflächen ausgebildet sind. Dies ermöglicht eine entsprechend leichte Ausgestaltung der Rotorwelle, da nur die schmalen Keilabschnitte vorzusehen sind. Die eigentliche Radialführung der Permanentmagnete geschieht über den Magnethalter, der beispielsweise entsprechende, radial nach innen gerichtete Führungsflächen, an denen die Permanentmagneten geführt sind, aufweist. Alternativ zu dieser Ausgestaltung des Keilelements ist es aber auch denkbar, an der Rotorwelle quasi einen zylindrischen oder kegelförmigen, sich radial erstreckenden Ringabschnitt als Keilelement auszubilden, in dem entsprechende Nuten ausgebildet sind, die radial nach innen von jeweils einer Keilfläche begrenzt sind, wobei die Permanentmagnete und gegebenenfalls die Magnetträger in den Nuten aufgenommen sind. Hier sind also in dem größer volumigen Keilelement entsprechende längslaufende Nuten ausgebildet, in denen jeweils ein Permanentmagnet und, sofern vorgesehen, der Magnethalter eingesetzt ist, wobei diese Nuten im Nutgrund die Keilflächen bilden. Hier erfolgt die Radialführung der Permanentmagnete über das Keilelement respektive die Nutflanken selbst.
• Neben dem Rotor betrifft die Erfindung des Weiteren eine Synchronmaschine, umfassend einen Rotor der vorstehend beschriebenen Art. Es handelt sich demzufolge um eine permanenterregte Synchronmaschine.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen:
• 1 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Synchronmaschine mit einem erfindungsgemäßen Rotor mit radial innen liegenden respektive eingefahrenen Permanentmagneten, und
• 2 die Anordnung aus 1 mit radial ausgefahrenen Permanentmagneten.
• 1 zeigt eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Synchronmaschine 1, mit einem Maschinengehäuse 2, in dem ein Stator 3 mit Blechpaket und Statorwicklung 4 sowie ein erfindungsgemäßer Rotor 5 aufgenommen ist. Der Rotor 5 ist über entsprechende Wälzlager 6 drehbar im Maschinengehäuse 2 in an sich bekannter Weise gelagert. Der erfindungsgemäße Rotor 5 weist eine Rotorwelle 7 auf, die mit einem Keilelement 8 versehen ist beziehungsweise an der ein Keilelement 8 integral ausgebildet ist, wobei das Keilelement 8 über einen hier konischen, sich radial erstreckenden Absatz 9 gebildet ist, an dem eine Mehrzahl an Nuten 10 ausgebildet ist, deren Nutgrund jeweils eine Keilfläche 11 aufweist, also keilförmig verläuft. In jeder Nut 10 und auf der jeweiligen Keilfläche 11 aufsitzend ist ein Permanentmagnet 12 angeordnet, der auf der Keilfläche 11 beweglich aufgenommen ist. Da die Rotorwelle 7 und mit ihr das Keilelement 8, wie durch den Pfeil P1 dargestellt ist, axial beweglich ist, die Permanentmagneten 12 jedoch axial gesehen positionsfest sind, kommt es zu einem Abgleiten der Permanentmagneten 12 auf den Keilflächen 11, wodurch die Permanentmagneten 12 radial nach außen bewegt werden.
• Dabei ist es möglich, wie in 1 am oberen Permanentmagneten 12 dargestellt ist, dass der Permanentmagnet 12 selbst eine Keilfläche 13 aufweist, so dass sich eine Trapezform ergibt und der Magnetquerschnitt von einem Ende zum anderen Ende veränderlich ist. Alternativ dazu ist es, wie am unteren Permanentmagneten 12 dargestellt, auch denkbar, einen Magnetträger 14 zwischen den Permanentmagneten 12 und das Keilelement 8 zu setzen, wobei in diesem Fall am Magnetträger 14, beispielsweise einem einfachen Kunststoffbauteil, eine Keilfläche 15 ausgebildet ist, die auf der Keilfläche 11 aufsitzt. Hier ist der Permanentmagnet 12 ein rechteckiges Bauteil, das einen konstanten Querschnitt über seine Länge aufweist.
• Die Permanentmagneten 12 sind in einem Magnethalter 16 aufgenommen, der ein hohlzylindrisches Bauteil ist und eine der Anzahl an Permanentmagneten 12 entsprechende Anzahl an schlitzförmigen Ausnehmungen 17 aufweist. Durch diese Ausnehmungen 17 kann jeder Permanentmagnet 12 geringfügig radial nach außen in Richtung des Stators 3 bewegt werden, so dass sich der zwischen Stator 3 und Rotor 5 gegebene Luftspalt 18 in seiner Breite verringert und bei einem Zurückbewegen der Permanentmagneten 12 wieder vergrößert. Die Führung jedes Permanentmagneten 12 im Rahmen der radialen Bewegung kann entweder über die entsprechenden, längslaufenden Flanken der jeweiligen Nut 10 erfolgen, in der die Permanentmagneten 12 und gegebenenfalls der Magnetträger 14 aufgenommen sind, oder über entsprechende, radial nach innen gerichtete wandartige Führungsabschnitte am Magnethalter 16 selbst.
• Der Magnethalter 16, vorzugsweise ein Kunststoffbauteil, weist wie beschrieben eine hohlzylindrische Form auf. An den zylindrischen, mit den Ausnehmungen 17 versehenen Abschnitt schließt sich endseitig jeweils ein radial nach innen verlaufender Radialflansch 19 und an diesen ein hohlzylindrischer, sich axial erstreckender Ringflansch 20 an, wobei der Magnethalter 16 über eine an den Ringflanschen 20 ausgebildete, am Innenumfang vorgesehene Längsverzahnung in eine entsprechende, an der Rotorwelle 7 ausgebildete äußere Längsverzahnung eingreift. Über diesen Verzahnungseingriff ist zum einen eine drehfeste Verbindung realisiert, so dass demzufolge die gesamte Einheit aus Rotorwelle 7 und Magnethalter 16 zusammen dreht, andererseits ist auch eine axiale Verschiebbarkeit der Rotorwelle 7 relativ zum Magnethalter 16, der positionsfest ist, gegeben.
• Wie 1 ferner zeigt, sitzen außenseitig auf den Ringflanschen 20 die beiden Wälzlager 6 mit ihrem jeweiligen Innenring 21 auf, während der Außenring 22 in einem entsprechenden Lagersitz 23 des Maschinengehäuses 2 aufgenommen ist.
• Wie beschrieben ist die Rotorwelle 7 und mit ihr das Keilelement 8 axial verschiebbar, wie durch den Pfeil P1 dargestellt ist, um die Permanentmagnete 12 gezielt radial nach außen zu schieben und den Luftspalt 18 zu verkleinern, oder radial nach innen zurückzubewegen, um den Luftspalt zu vergrößern. Damit diese Radialverstellung wegmäßig exakt begrenzt ist, sind an der Rotorwelle 7 zwei Axialanschläge 24 in Form von Ringbunden vorgesehen, die je nach Verstellbewegung gegen den benachbarten Innenring 21 des benachbarten Wälzlagers 6 laufen.
• Die axiale Verstellung erfolgt bei der erfindungsgemäßen Synchronmaschine 1 über ein drehmomentabhängig gesteuertes Stellelement 25. Dieses Stellelement 25 umfasst ein erstes Elementteil 26, das axial gesehen positionsfest ist und an dem Innenring 21 des rechts gezeigten Wälzlagers 6 drehgelagert ist. Das Stellelement 25 umfasst des Weiteren ein axial bewegliches zweites Elementteil 27, das fest mit der Rotorwelle 7 verbunden ist und demzufolge mit dieser bewegt wird. Beide Elementteile 26, 27 weisen entsprechende Kugelbahnen 28, 29 auf, die miteinander einen Kugelkanal definieren, in dem mehrere Kugeln 30 aufgenommen sind. Die Geometrie dieses Kugelkanals ist derart, dass er leicht gebogen, also geringfügig schraubenartig verläuft, also seinen Abstand zur Rotorwelle 7 verändert.
• Vorgesehen ist des Weiteren ein Federelement 31 in Form einer Schraubenfeder 32, die mit ihrem rechten Ende an der Stützfläche 33 des Elementteils 27 und mit ihrem linken Ende am Außenring 21 des benachbarten, positionsfesten Wälzlagers 6 abgestützt ist.
• Die beiden Elementteile 26, 27 sind demzufolge relativ zueinander verdrehbar und, aus der Verdrehung resultierend, aufgrund der Kugelkopplung in Verbindung mit der Geometrie des Kugelkanals auch axial zueinander bewegbar. Da das Elementteil 26 axial gesehen positionsfest ist, kommt es bei einer Relativverdrehung der beiden Elementteile 26, 27 dazu, dass das zweite Elementteil 27 vom ersten Elementteil 26 axial wegbewegt wird, was aufgrund der festen Verbindung des Elementteils 27 mit der Rotorwelle 7 dazu führt, dass auch die Rotorwelle 7, wie durch den Pfeil P1 gezeigt ist, axial verschoben wird. Hieraus resultiert wiederum, dass die Permanentmagnete 12, die axial gesehen positionsfest sind, radial nach außen aus dem Magnethalter 16 durch die Radialausnehmungen 17 geschoben werden (siehe Pfeil P3 in 1), und demzufolge näher zum Stator 3 positioniert werden, was in einer Verschmälerung des Luftspalts 18 führt. Diese Verstellbewegung setzt dann ein, wenn die Drehzahl erhöht wird und mithin ein Beschleunigungsvorgang einsetzt, woraus eine Erhöhung des auf das Stellelement 25 wirkenden Drehmoments resultiert. Das steigende Drehmoment wird über die Rotorwelle 7 auf das Elementteil 27 gegeben. Aufgrund der beweglichen Kugelkopplung kommt es dazu, dass das Elementteil 27 aufgrund des anliegenden Drehmoments quasi beschleunigt wird, das Elementteil 26 läuft trägheitsbedingt etwas nach, das heißt, dass eine Drehmomentdifferenz gegeben ist, die dazu führt, dass das Elementteil 27 geringfügig relativ zum Elementteil 26 verdreht wird. Dies führt wiederum dazu, dass aufgrund der Kugelkopplung das Elementteil 27 in Folge der Bewegung der Kugeln 30 im Kugelkanal axial in Richtung des Pfeils P1 verschoben wir, resultierend in der Rotorwellenverschiebung und der Permanentmagnetverschiebung. Diese Bewegung erfolgt gegen das Federelement 31, das heißt, dass die Schraubenfeder 32 komprimiert wird und eine Rückstellkraft aufbaut.
• Die Verstellsituation ist in 2 gezeigt, wo ersichtlich das Elementteil 27 samt Rotorwelle 7 maximal nach links geschoben sind, der Anschlag 24 liegt am Innenring 21 des rechten Wälzlagers 6 an. Die Permanentmagnete 12 sind ersichtlich geringfügig radial nach außen geschoben, der Luftspalt 18 ist verkleinert. Hierüber wird die bei dem vormals gegebenen größeren Luftspalt 18 realisierte Feldschwächung reduziert, es kommt zu einer veränderten Feldkopplung zwischen Statorfeld und Rotorfeld, was das Anfahren auch sehr hoher Drehzahlen ermöglicht.
• Mit Erreichen wiederum einer konstanten Drehzahl nimmt das beschleunigungsbedingt angestiegene Drehmoment wieder ab. Dies führt dazu, dass das Federelement 31 das Elementteil 27 wieder zurückstellt. Die Kugelkopplung läuft wieder zurück, das Elementteil 27 wird wieder in die in 1 gezeigte Ausgangsstellung näher zum quasi nachgeführten Elementteil 26 bewegt. Gleichzeitig wird damit aber auch wieder, wie durch den Pfeil P2 gezeigt, die Rotorwelle 7 nach rechts zurückgestellt, die Permanentmagneten 12 laufen auf den Keilflächen 11 wieder ab und werden radial nach innen in den Magnethalter 16 geführt, wie der Pfeil P4 wieder zeigt. Dabei ist natürlich eine entsprechende Zwangsführung der Permanentmagnete 12 mit der Rotorwelle 7 bzw. dem Keilelement 8 gegeben, das heißt, dass eine entsprechende mechanische Kopplung gegeben ist, beispielsweise über einen Nuteingriff oder Ähnliches, die sicherstellt, dass trotz höherer Drehzahl die Permanentmagnete 12 auch definiert wieder mit nach innen bewegt werden, und die gleichzeitig auch sicherstellt, dass die Permanentmagnete 12 nicht allein fliehkraftbedingt radial nach außen geführt werden.
• Bezugszeichenliste

1

Synchronmaschine

2

Maschinengehäuse

3

Stator

4

Statorwicklung

5

Rotor

6

Wälzlager

7

Rotorwelle

8

Keilelement

9

Absatz

10

Nut

11

Keilfläche

12

Permanentmagnet

13

Keilfläche

14

Magnetträger

15

Keilfläche

16

Magnethalter

17

Ausnehmung

18

Luftspalt

19

Radialflansch

20

Ringflansch

21

Innenring

22

Außenring

23

Lagersitz

24

Axialanschlag

25

Stellelement

26

Elementteil

27

Elementteil

28

Kugelbahn

29

Kugelbahn

30

Kugel

31

Federelement

32

Schraubenfeder

33

Stützfläche

P1

Pfeil

P2

Pfeil

P3

Pfeil

Claims (10)

1. Rotor für eine Synchronmaschine, mit mehreren um den Rotorumfang verteilt angeordneten Permanentmagneten (12), die radial verschiebbar in einem axial positionsfesten Magnethalter (16) angeordnet und direkt oder indirekt an einer oder mehreren Keilflächen (11) eines axial verschiebbaren Keilelements (8) gelagert sind, das über ein drehmomentabhängig gesteuertes Stellelement (25) in Abhängigkeit eines auf den Rotor (5) wirkenden Drehmoments axial bewegbar ist.
2. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement (25) zwei gegeneinander verdrehbare Elementteile (26, 27) aufweist, die jeweils eine Kugelbahn (28, 29) aufweisen, die einander zu einem Kugelkanal ergänzen, in dem mehrere Kugeln (30) aufgenommen sind, wobei ein Elementteil (26) in der Montagestellung axial positionsfest ist und das andere Elementteil (27) mit dem Keilelement (8) bewegungsgekoppelt ist.
3. Rotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Keilelement (8) auf einer Rotorwelle (7) befestigt oder von der Rotorwelle (8) selbst gebildet ist.
4. Rotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Bewegung des axial bewegbaren Elementteils (27) oder des Keilelements (8) gegen eine Rückstellkraft erfolgt.
5. Rotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (31) einerseits an dem Magnethalter (16) oder einem mit diesem verbundenen Bauteil und andererseits an dem axial beweglichen Elementteil (27) aufgelagert ist.
6. Rotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagneten (12) selbst Keilflächen (13) aufweisen, mit denen sie direkt auf der oder den Keilflächen (11) des Keilelements (8) gelagert sind, oder dass jeder Permanentmagnet (12) auf einem Magnetträger (14) angeordnet ist, der eine Keilfläche (15) aufweist und mit dieser auf der oder einer Keilfläche (11) des Keilelements (8) gelagert ist.
7. Rotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnethalter (16) hohlzylindrisch ist und eine der Anzahl an Permanentmagneten (12) entsprechenden Anzahl an Radialausnehmungen (17) aufweist, und beidseits radial nach innen verlaufende Radialflansche (19) und an diese anschließende, sich axial erstreckende Ringflansche (20) aufweist, über die der Magnethalter (16) auf der Rotorwelle (8) aufsitzt.
8. Rotor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass an der Rotorwelle (7) zwei Axialanschläge (24) vorgesehen sind, die die Verschiebebewegung der Rotorwelle (7) relativ zum Magnethalter (16) begrenzen.
9. Rotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Keilelement (8) Nuten (10) aufweist, die radial nach Innen von jeweils einer Keilfläche (11) begrenzt sind, wobei die Permanentmagnete (12) und gegebenenfalls die Magnetträger (15) in den Nuten (10) aufgenommen sind.
10. Synchronmaschine, umfassend einen Rotor (5) nach einem der vorangehenden Ansprüche.

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