-
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
-
Es ist bekannt, bei elektrischen Antrieben für die Luftfahrt Elektromotoren einzusetzen, bei denen Oberflächenmagnete außenliegend auf dem Rotor des Elektromotors angeordnet sind. Die Oberflächenmagnete werden dabei durch eine außenliegende Bandage auf dem Rotor gehalten. Allerdings kann mittels einer solchen Konstruktion die genaue Lage der Magnete nur in begrenzter Weise eingestellt werden. Auch sind solche Bandagen wegen hoher Anforderungen an das Material der Bandagen teuer und bei der Verarbeitung technisch anspruchsvoll. Weitere Nachteile bestehen darin, dass die Bandage im Betrieb stark belastet wird und Bauraum einnimmt.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine bereitzustellen, bei der auf der Außenseite des Rotors angeordnete Oberflächenmagnete in effektiver Weise befestigt sind.
-
Diese Aufgabe wird durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
-
Danach betrachtet die vorliegende Erfindung eine elektrische Maschine, die einen Stator und einen Rotor umfasst, wobei der Rotor innenseitig des Stators um eine Längsachse rotiert. Der Rotor weist eine Mehrzahl außenliegender Oberflächenmagnete auf, die entlang des Umfangs des Rotors angeordnet sind.
-
Es ist vorgesehen, dass die Oberflächenmagnete jeweils mittels mindestens einer Speiche am Rotor befestigt und radial fixiert sind.
-
Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, zur Befestigung und radialen Fixierung der Oberflächenmagnete Speichen einzusetzen, die die Oberflächenmagnete am Rotor befestigen. Damit ist der Vorteil verbunden, dass der Einsatz von Bandagen zur Befestigung der Oberflächenmagnete nicht mehr erforderlich ist. Die mit dem Einsatz von Bandagen verbunden Nachteile entfallen. Auch führt die erfindungsgemäße Lösung zu Gewichtseinsparungen und einer Kostenreduktion durch den Wegfall der Bandage.
-
Ein weiterer, mit der Erfindung verbundener Vorteil besteht darin, dass mittels der Speichen die radiale Position der Oberflächenmagnete am Rotor exakt definiert werden kann. Sofern die Speiche aus einem Material mit einem hohen Elastizitätsmodul wie beispielsweise Stahl besteht, ist eine Längenänderung bei einer Zugbelastung minimal, so dass die radiale Position des Oberflächenmagneten mit hoher Genauigkeit vorgebbar ist und sich auch im Betrieb kaum ändert.
-
Allgemein bestehen die Speichen beispielsweise aus Metall oder einer Metalllegierung oder einem Kunststoff, insbesondere einem Hartplastik.
-
Bei dem Rotor handelt es sich um einen Innenläufer, der innerhalb des den Rotor umgebenen Stators rotiert.
-
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Speichen ein radial äußeres Ende und ein radial inneres Ende aufweisen, wobei das radial äußere Ende mit mindestens einem der Oberflächenmagnete verbunden ist. Die radial inneren Enden der Speichen sind mit einer Rotorwelle verbunden. Eine solche Verbindung kann direkt erfolgen oder indirekt. Im zweiten Fall sind die radial inneren Enden der Speichen beispielsweise mit einer Rotornabe verbunden, die auf die Rotorwelle drehfest aufgesetzt ist.
-
Die Speichen sind in ihrem Querschnitt beispielsweise kreisförmig, elliptisch oder polygonal ausgebildet. Da die Speichen entsprechend ihrer Natur vergleichsweise dünn ausgebildet sind, ist die Länge der Speichen deutlich größer als ihr Durchmesser, wobei das Verhältnis von Länge zu Durchmesser in Ausführungsbeispielen größer als 10 ist und beispielsweise im Bereich zwischen 10 und 200 liegt.
-
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Speichen an ihrem radial äußeren Ende jeweils formschlüssig mit mindestens einem Oberflächenmagnet verbunden sind. Hierzu ist beispielsweise vorgesehen, dass die Speichen an ihrem radial äußeren Ende jeweils einen Kopf ausbilden, der in einer entsprechend geformten Ausnehmung des Oberflächenmagnets formschlüssig angeordnet ist. Der Kopf wird beispielsweise durch eine konische Verbreiterung gebildet, die in einer entsprechend geformten Ausnehmung des Oberflächenmagnets formschlüssig anliegt.
-
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass jede der Speichen längenverstellbar angeordnet ist. Eine Längenverstellung ermöglicht die genaue Einstellung der radialen Position des jeweiligen Oberflächenmagneten und der auf die Oberflächenmagnete wirkenden Zugspannung. Zur Bereitstellung einer Längenverstellung der Speichen ist beispielsweise vorgesehen, dass die Speichen ein Außengewinde aufweisen, das mit einem Innengewinde verschraubbar ist. Das Innengewinde ist beispielsweise in einer Bohrung im Oberflächenmagnet oder einem am Oberflächenmagnet befestigten Teil ausgebildet. Alternativ kann eine Längenverstellbarkeit durch ein Außengewinde am radial inneren Ende der Speichen bereitgestellt werden, das mit einem Innengewinde verschraubbar ist, wobei das Innengewinde in einer Bohrung im Rotor, in einer Rotornabe, oder in einem mit dem Rotor oder einer Rotornabe verbundenen Teil ausgebildet ist.
-
Dabei wird darauf hingewiesen, dass die Bereitstellung einer Längenverstellung über eine Schraubverbindung nur beispielhaft zu verstehen ist. Andere Mittel zur Längenverstellung können alternativ implementiert werden.
-
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass jedem Oberflächenmagnet genau eine Speiche zugeordnet ist, deren radial äußeres Ende typischerweise mittig im Oberflächenmagneten befestigt ist. Jedoch können alternativ auch Ausgestaltungen vorgesehen sein, bei denen die Speichen jeweils zwischen zwei benachbarten Oberflächenmagneten angeordnet sind und dabei jeweils zwei benachbarte Oberflächenmagnete an deren Rand fixieren. Dementsprechend ist bei solchen Ausgestaltungen vorgesehen, dass jede Speiche mit ihrem radial äußeren Ende im Bereich zwischen zwei benachbarten Oberflächenmagneten angeordnet ist und dabei jeweils zwei benachbarte Oberflächenmagnete an deren Rand fixiert. Dabei kann vorgesehen sein, dass jeder Oberflächenmagnet durch zwei Speichen randseitig fixiert wird.
-
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass mittels der Speichen die radialen Positionen der Oberflächenmagnete derart optimiert sind, dass eine Unwucht des Rotors minimiert ist. Eine solche Optimierung der radialen Positionen der Oberflächenmagnete ist insbesondere dann in einfacher Weise gegeben, wenn die Speichen längenverstellbar sind. Durch geeignete radiale Positionierung der Oberflächenmagnete kann ein Auswuchten des Rotors zumindest näherungsweise vorgenommen werden.
-
Bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine handelt es sich beispielsweise um einen Elektromotor, insbesondere einen Permanentmagnet-Synchronmotor. Bei einem permanent-Synchronmotor ist der Stator mit Spulen besetzt, während auf dem Rotor außenliegende Oberflächenmagnete angebracht sind. Die Wechselspannung liegt an den Statorspulen an.
-
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
- 1 in Querschnittsansicht ein Ausführungsbeispiel eines Elektromotors, der einen Rotor mit Oberflächenmagneten aufweist, die durch Speichen radial fixiert sind;
- 2 in Querschnittsansicht eine vergrößerte Darstellung eines Oberflächenmagnets, der durch eine Speiche fixiert ist;
- 3 in Draufsicht eine Ausführungsvariante der Anordnung mehrerer Oberflächenmagnete und Speichen, wobei jedem Oberflächenmagnet eine Speiche zugeordnet ist, die den Oberflächenmagnet radial fixiert;
- 4 in Draufsicht eine weitere Ausführungsvariante der Anordnung mehrerer Oberflächenmagnete und Speichen, wobei in axialer Richtung benachbarten Oberflächenmagneten jeweils eine Speiche gemeinsam zugeordnet ist, die die benachbarten Oberflächenmagnete randseitig radial fixiert;
- 5 in Draufsicht eine weitere Ausführungsvariante der Anordnung mehrerer Oberflächenmagnete und Speichen, wobei in Umfangsrichtung benachbarten Oberflächenmagneten jeweils eine Speiche gemeinsam zugeordnet ist, die die benachbarten Oberflächenmagnete randseitig radial fixiert; und
- 6 in Querschnittsansicht einen Elektromotor, der einen Rotor mit Oberflächenmagneten umfasst, gemäß dem Stand der Technik.
-
Zum besseren Verständnis der Erfindung und der Unterschiede zwischen der Erfindung und dem Stand der Technik wird zunächst anhand der 6 eine elektrische Maschine in Form eines Elektromotors gemäß dem Stand der Technik erläutert.
-
Der Elektromotor der 6 umfasst einen Stator 1 und einen Rotor 2. Der Stator 1 ist lediglich schematisch dargestellt und umfasst in an sich bekannter Weise eine Mehrzahl von Spulen (nicht dargestellt). Zwischen dem Stator 1 und dem Rotor 2 ist ein Luftspalt 3 ausgebildet, der nicht maßstabsgerecht dargestellt ist. Der Rotor 2 ist innenseitig des Stators 1 angeordnet und rotiert um eine Längsachse 41, die eine axiale Richtung x definiert. Es handelt sich um einen innenlaufenden Rotor 2.
-
Der Rotor 2 umfasst eine Rotorwelle 4 und eine Vielzahl von Permanentmagneten, die als Oberflächenmagnete 5 außenliegend am Rotor 2 angeordnet sind. Die magnetische Polung der Oberflächenmagnete 5 ist in an sich bekannter Art und Weise ausgebildet. Beispielsweise sind die Oberflächenmagnete 5 in Umfangsrichtung alternierend umgekehrt gepolt oder Gruppen von Oberflächenmagneten sind in Umfangsrichtung alternierend umgekehrt gepolt. Hierauf kommt es im vorliegenden Kontext nicht an. Ebenso wenig kommt es auf die Anzahl der Oberflächenmagnete 5 an.
-
Die Oberflächenmagnete 5 sind am Außenumfang 43 des Rotors 2 angeklebt und werden durch eine Bandage 7 radial fixiert. Die Bandage 7 wird beispielsweise durch eine Glashülse oder eine Kohlefaserhülse gebildet. Durch die Bandage 7 entsteht ein Anpressdruck auf die Magnete 5.
-
In der Schnittdarstellung der 6 ist nur die obere Hälfte des Rotors 2 dargestellt. Dies erfolgt lediglich für eine bessere Übersichtlichkeit der Darstellung. Die untere Hälfte des Rotors 2 ist in entsprechender Weise ausgebildet und der Rotor 2 kann rotationssymmetrisch ausgebildet sein.
-
Der in der 6 dargestellte Elektromotor wird auch als Permanentmagnet-Synchronmotor bezeichnet. Im Betrieb wird eine Wechselspannung an die Statorspulen angelegt, wodurch diese bei Stromfluss ein Magnetfeld ausbilden, das sich durch eine Dreiphasigkeit des Stroms fortlaufend im Kreis bewegt. Ein weiteres Magnetfeld bilden die Oberflächenmagnete 5 des Rotors 2.
-
Die 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Elektromotors gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei ebenso wie in der 1 nur die obere Hälfte des Rotors dargestellt ist. Die untere Hälfte des Elektromotors ist in entsprechender Weise ausgebildet, wobei der Elektromotor rotationssymmetrisch ausgebildet sein kann. Der Elektromotor der 1 unterscheidet sich vom Elektromotor gemäß dem Stand der Technik der 6 durch die Art der Befestigung der Oberflächenmagnete 5. Im Hinblick auf die übrigen Bestandteile des Elektromotors wird auf die Beschreibung der 6 Bezug genommen.
-
Bei dem Elektromotor der 1 ist die Bandage 7 der 6 weggefallen. Stattdessen sind die einzelnen Oberflächenmagnete 5 durch Speichen 6 mit der Rotorwelle 4 verbunden. Hierzu sind die radial äußeren Enden 61 der Speichen 6 formschlüssig jeweils mit einem Oberflächenmagnet 5 verbunden. Die 1 zeigt zur besseren Übersichtlichkeit der Darstellung nur eine der Speichen 6. In entsprechender Weise sind sämtliche Oberflächenmagnete 5 durch Speichen 6 mit der Rotorwelle 4 verbunden.
-
Eine Ausführungsvariante der formschlüssige Verbindung zeigt die Schnittdarstellung der 2. Danach bildet die Speiche 6 an ihrem radial äußeren Ende einen Kopf 62 aus, der im dargestellten Ausführungsbeispiel, jedoch nicht notwendigerweise durch einen Konus gebildet ist. Der Kopf 62 wird formschlüssig in einer ebenfalls konischen Ausnehmung 51 des Oberflächenmagneten 5 gehalten. Die konische Ausnehmung 51 geht in eine Bohrung 55 über, in der die Speiche 6 verläuft.
-
Das radial innere Ende 63 ist direkt oder indirekt mit der Rotorwelle 4 verbunden. Hierzu ist im Ausführungsbeispiel der 1 eine Rotornabe 42 vorgesehen, die die Rotorwelle 4 drehfest umgibt. Die radial inneren Enden 63 der Speichen 6 sind dabei mit der Rotornabe 42 fest verbunden. In alternativen Ausgestaltungen sind die radial inneren Enden 63 der Speichen 6 direkt mit der Rotorwelle 4 verbunden.
-
Im dargestellten Ausführungsbeispiel, jedoch nicht notwendigerweise, sind die Speichen 6 längenverstellbar angeordnet. Hierzu ist zum einen vorgesehen, dass das radial innere Ende 63 der Speichen 6 mit einem Außengewinde versehen ist. Zum anderen ist vorgesehen, dass in der Rotornabe 42 mit einem Innengewinde versehene Bohrungen 420 oder dergleichen ausgebildet sind, über die die Speichen 6 längenverstellbar mit der Rotornabe 42 verbunden sind. Auch kann vorgesehen sein, dass die Bohrungen in einem gesonderten Teil ausgebildet sind, das in die Rotornabe 72 eingesetzt ist.
-
Weiter wird darauf hingewiesen, dass die Bereitstellung einer Längenverstellbarkeit der Speichen 6 alternativ durch ein Au ßengewinde am radial äußeren Ende 61 der Speichen 6 bereitgestellt werden kann, wobei in einem solchen Fall das Außengewinde beispielsweise in einen mit dem Oberflächenmagneten 5 verbundenen Nippel mit Innengewinde eingeschraubt wird.
-
Die 3 bis 5 zeigen verschiedene Konfigurationen bei der Befestigung und radialen Fixierung der Oberflächenmagnete 5 am Rotor 2. Die in Umfangsrichtung nebeneinander angeordneten Oberflächenmagnete 5 bilden gemäß der 1 einen Ring. Dieser Ring ist in der Darstellung der 3 bis 5 gedanklich aufgeschnitten, wobei die Oberflächenmagnete 5 in einer Ebene ausgerollt sind.
-
Gemäß der Ausgestaltung der 3 sind eine Mehrzahl von Oberflächenmagneten 5 in Umfangsrichtung φ nebeneinander angeordnet. Jeder der Oberflächenmagnete 5 ist mittig mit einer Bohrung versehen, in die entsprechend der Ausgestaltung der 2 eine Speiche 6 eingesetzt ist. In der Draufsicht der 3 ist der Speichenkopf 62 zu erkennen. Jedem Oberflächenmagnet 5 ist somit eine Speiche 6 zugeordnet.
-
Es wird darauf hingewiesen, dass bei der Ausgestaltung der 3 in axialer Richtung x versetzt weitere Reihen von Oberflächenmagneten in entsprechender Weise am Rotor 2 befestigt sein können.
-
Die 4 zeigt eine alternative Konfiguration, bei der in axialer Richtung x versetzt zwei sich jeweils in Umfangsrichtung erstreckende Reihen von Oberflächenmagneten 5, 5' vorgesehen sind. Die Oberflächenmagnete 5 bilden eine erste Reihe und die Oberflächenmagnete 5' bilden eine zur ersten Reihe axial versetzte zweite Reihe.
-
Dabei ist vorgesehen, dass zwei in axialer Richtung benachbarten Oberflächenmagneten 5, 5' jeweils eine Speiche 6 zugeordnet ist, die zwischen den benachbarten Oberflächenmagneten 5, 5' positioniert ist. Dabei fixiert die Speiche 6 die beiden benachbarten Oberflächenmagnete 5, 5' jeweils randseitig. So wird der eine Oberflächenmagnet 5 entlang seines einen Rands 50 fixiert. Der andere Oberflächenmagnet 5' wird entlang seines einen Rands 50' fixiert. Hierzu ist an dem jeweiligen Rand 50, 50' sprechend der 2 jeweils eine Trichterform 51, 51' ausgebildet, die sich jedoch nur über einen Winkelbereich von 180° erstreckt. In der Draufsicht der 4 sind nur die oberen Ränder der Trichter 51, 51' erkennbar.
-
Es wird darauf hingewiesen, dass bei der Ausgestaltung der 4 in axialer Richtung x versetzt eine oder mehrere weitere Reihen von Oberflächenmagneten am Rotor 2 befestigt sein können, wobei diese dann durch entsprechende weitere Reihen von Speichen 6 am Rotor befestigt sind.
-
Die 5 zeigt eine weitere alternative Konfiguration, bei der zwei in Umfangsrichtung benachbarten Oberflächenmagneten 5, 5" jeweils eine Speiche 6 gemeinsam zugeordnet ist, die die benachbarten Oberflächenmagnete 5, 5" randseitig radial fixiert. Dabei sind in axialer Richtung x versetzt eine Mehrzahl solcher Oberflächenmagnete 5, 5" dargestellt. Es kann vorgesehen sein, dass sich an die dargestellten Oberflächenmagnete in Umfangsrichtung jeweils weitere Oberflächenmagnete anschließen, so dass ebenso wie in den 1, 3 und 4 jeweils ein in Umfangsrichtung geschlossener Ring von Oberflächenmagneten vorliegt.
-
Dabei ist vorgesehen, dass zwei in Umfangsrichtung Richtung benachbarten Oberflächenmagneten 5, 5" jeweils eine Speiche 6 zugeordnet ist, die zwischen den benachbarten Oberflächenmagneten 5, 5" positioniert ist. Dabei fixiert die Speiche 6 die beiden benachbarten Oberflächenmagnete 5, 5" jeweils randseitig. So wird der eine Oberflächenmagnet 5 entlang seines einen Rands 52 fixiert. Der andere Oberflächenmagnet 5" wird entlang seines einen Rands 52" fixiert. Hierzu ist an dem jeweiligen Rand 50, 50" sprechend der 2 jeweils eine Trichterform 51, 51" ausgebildet, die sich jedoch nur über einen Winkelbereich von 180° erstreckt. In der Draufsicht der 5 sind nur die oberen Ränder der Trichter 51, 51" erkennbar.
-
Es wird darauf hingewiesen, dass die Darstellung des Rotors 2 in den 1-5 lediglich schematisch und beispielhaft ist. Beispielsweise sind eine Vielzahl von Ausgestaltungen möglich, wie der Außenumfang 43 des Rotors 2, auf dem die Oberflächenmagnete 5 angeordnet sind, mit der Rotorwelle 4 verbunden ist. Neben einer Ausbildung des Rotors 2 als Vollzylinder sind dabei auch Leichtbauvarianten möglich, bei denen eine Verbindung zwischen der Rotorwelle 4 und dem Außenumfang 43 beispielsweise lediglich über Stege erfolgt.
-
Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist und verschiedene Modifikationen und Verbesserungen vorgenommen werden können, ohne von den hier beschriebenen Konzepten abzuweichen. Weiter wird darauf hingewiesen, dass beliebige der beschriebenen Merkmale separat oder in Kombination mit beliebigen anderen Merkmalen eingesetzt werden können, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen. Die Offenbarung dehnt sich auf alle Kombinationen und Unterkombinationen eines oder mehrerer Merkmale aus, die hier beschrieben werden und umfasst diese. Sofern Bereiche definiert sind, so umfassen diese sämtliche Werte innerhalb dieser Bereiche sowie sämtliche Teilbereiche, die in einen Bereich fallen.
