DE102023000985A1

DE102023000985A1 - Rotor für eine elektrische Maschine, vorzugsweise einen Elektromotor, und Verfahren zur Herstellung eines Rotors

Info

Publication number: DE102023000985A1
Application number: DE102023000985.7A
Authority: DE
Inventors: Michael Peters; Xenia Y. Ratke; Dirk Noller
Original assignee: Zlehl Abegg Se
Current assignee: Zlehl Abegg Se
Priority date: 2023-03-11
Filing date: 2023-03-11
Publication date: 2024-09-12
Also published as: WO2024188809A1

Abstract

Der Rotor ist für eine elektrische Maschine vorgesehen und hat einen Rotormantel und eine Stirnwand an einem Ende des Rotormantels. Der Rotormantel und die Stirnwand bestehen aus magnetisierbarem Werkstoff und sind wenigstens teilweise magnetisiert. Der Rotor wird aus einem magnetisierbaren Werkstoff hergestellt. Der Rotormantel und die Stirnwand werden mittels einer kombinierten radialen und axialen Halbach-Magnetisiereinrichtung magnetisiert.

Description

Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine, vorzugsweise einen Elektromotor, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Rotors nach dem Oberbegriff des Anspruches 13.
Es sind Elektromotoren bekannt, bei denen der rotierende Rotor einen Stator umgibt (Außenläufertopologie). Beispielhaft sind solche Elektromotoren Permanentmagnetsynchronmotoren, die an der Innenseite des Rotormantels Magnete aufweisen, die in geeigneter Weise am Rotormantel befestigt sind. Sie wirken in bekannter Weise mit den stromdurchflossenen Wicklungen des Stators beim Einsatz des Elektromotors zusammen. Die Magnete sind in der Regel frei von seltenen Erden und haben nur eine geringe Drehmomentdichte. Bei solchen Permanentmagnetsynchronmotoren tritt das Problem der Geräusch- und Schwingungsanregung durch Nutrastmomente auf. Darüber hinaus sind solche Rotoren aufwändig und teuer in der Fertigung. Hat der Rotor bei Außenläufermotoren ein weichmagnetisches Rotorjoch, tritt darüber hinaus das Problem eines hohen Rotorträgheitsmomentes auf.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den gattungsgemäßen Rotor und das gattungsgemäße Verfahren so auszubilden, dass die beschriebenen Nachteile nicht oder nur noch in einem vernachlässigbar kleinen Maß auftreten.
Diese Aufgabe wird beim gattungsgemäßen Rotor erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 und beim gattungsgemäßen Verfahren erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 13 gelöst.
Der erfindungsgemäße Rotor zeichnet sich dadurch aus, dass der Rotormantel und die Stirnwand des Rotors jeweils zumindest teilweise magnetisiert sind. Als Material für den Rotormantel und die Stirnwand wird ein entsprechend magnetisierbares Material verwendet, das mit einer geeigneten Magnetisiereinrichtung magnetisiert werden kann. Da sowohl der Rotormantel als auch die Stirnwand des Rotors magnetisiert sind, ergibt sich eine dreidimensionale Magnetgeometrie mit einer hohen Drehmomentdichte. Infolge der erfindungsgemäßen Ausbildung kann ein Stahlrückschluss im Rotor teilweise, vorteilhaft jedoch vollständig entfallen. Auf diese Weise ergibt sich ein sehr geringes Rotorträgheitsmoment, weil auch die magnetisierte Stirnwand zum Antrieb des Rotors herangezogen werden kann. Insbesondere kann ein Magnetklebeprozess entfallen, wie er bei herkömmlichen Rotoren notwendig ist, um die Magnete am Rotormantel zu befestigen.
Bei einer vorteilhaften Ausbildung ist im Rotormantel und in der Stirnwand jeweils ein mehrpoliges Halbach-Array vorhanden. Die Halbach-Magnetisierung ermöglicht im Vergleich zu anderen magnetischen Anisotropien ein sehr geringes Nutrastmoment. Elektromagnetische Anregungen werden dadurch in hohem Maße verringert.
Vorteilhaft hat der Rotormantel eine vorwiegend radiale magnetische Polarisation.
Die Stirnwand hat hingegen vorteilhaft eine vorwiegend axiale magnetische Polarisation.
Die radiale und axiale Polarisation des Rotormantels und der Stirnwand führt zur dreidimensionalen Magnetgeometrie mit der hohen Drehmomentdichte. Im Übergangsbereich zwischen dem Rotormantel und der Stirnwand kann eine zwischen einer axialen und einer radialen magnetischen Polarisation liegende Polarisation vorgesehen sein, die vor allem diagonale magnetische Polarisationsanteile aufweist.
Vorteilhaft ist es, insbesondere auch im Hinblick auf die Fertigung, wenn der Rotormantel und die Stirnwand eine geradzahlige Polzahl aufweisen.
Bevorzugt haben der Rotormantel und die Stirnwand eine gleiche Polzahl.
Eine besonders vorteilhafte Ausführung ergibt sich, wenn der Rotormantel und die Stirnwand einstückig miteinander ausgebildet sind. Dies ermöglicht eine einfache Fertigung des Rotors.
Der Rotormantel ist in vorteilhafter Weise so magnetisiert, dass er an seiner Innenseite die größte Flussdichte aufweist, die in Richtung auf die Außenseite abnimmt.
Zur weiteren Verringerung der Rotormassenträgheit ist es vorteilhaft, wenn der Rotormantel an seiner Außenseite im Bereich geringer Flussdichten wenigstens eine Aussparung aufweist.
Die Aussparung erstreckt sich in vorteilhafter Weise über die Höhe des Rotormantels.
Die Aussparungen können unterschiedlichste Umrissformen haben, in Axialrichtung des Rotors gesehen. Aufgrund der Aussparungen kann auch Material zur Herstellung des Rotors eingespart werden.
Als Material für den Rotor kommt insbesondere ein kunststoffgebundener Magnetwerkstoff in Betracht, mit dem eine einfache und zuverlässige Herstellung des Rotors möglich ist. Solche Werkstoffe sind vorteilhaft kunststoffgebundene Dauermagnetwerkstoffe, mit denen der Rotor in vorteilhafter Weise im Spritz- oder im Druckgussverfahren kostengünstig hergestellt werden kann.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden die Stirnwand und der Rotormantel aus einem magnetisierbaren Werkstoff hergestellt und der Rotormantel und die Stirnwand mit Hilfe einer kombinierten radialen und axialen Halbach-Magnetisiereinrichtung magnetisiert. Dieser Magnetisiervorgang ist einfach durchzuführen und ermöglicht eine einfache Herstellung des Rotors.
Der Rotor kann in vorteilhafter Weise mittels eines Spritz- oder Druckgussverfahrens hergestellt werden. Hierfür wird ein entsprechendes Material eingesetzt, vorzugsweise ein kunststoffgebundener Dauermagnetwerkstoff, der kostengünstig ist und eine problemlose Fertigung ermöglicht.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden der Rotormantel und die Stirnwand beim Herstellprozess magnetisiert.Es entsteht ein anisotroper Magnet. Die Magnetisierung wird somit bereits während des Herstellverfahrens des Rotors vorgenommen
Wird beim Herstellprozess auf ein Magnetfeld verzichtet, entsteht ein isotroper Magnet. Die Magnetisierung des Rotormantels und der Stirnwand wird dann vorteilhaft nach dem Herstellprozess vorgenommen.
Die Verfahren können weiterhin kombiniert werden, so dass während des Herstellprozesses eine partielle Orientierung des Magnetmaterials erlangt wird und der Rotor im Anschluss mit Hilfe einer Magnetisiervorrichtung vollständig aufmagnetisiert wird.
Der Anmeldungsgegenstand ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch durch alle in den Zeichnungen und der Beschreibung offenbarten Angaben und Merkmale. Sie werden, auch wenn sie nicht Gegenstand der Ansprüche sind, als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.
Die Erfindung wird anhand einiger in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen

1 in schematischer Darstellung einen erfindungsgemäßen Rotor in Seitenansicht,
2 in schematischer Darstellung eine Stirnwand des Rotors gemäß 1 mit eingezeichnetem Magnetfluss,
3 in schematischer Darstellung eine Stirnansicht des Mantels des Rotors gemäß 1 mit Magnetflusslinien,
4 in schematischer Darstellung den Rotor gemäß 1 zusammen mit einer Magnetisiereinrichtung,
5 eine Stirnansicht der Magnetisiereinrichtung gemäß 4,
6 in Axialansicht den Mantel des Rotors gemäß 4 mit der Magnetisiereinrichtung und den Magnetflusslinien im Rotormantel,
7 in schematischer Darstellung und in Achsansicht eine weitere Ausführungsform eines Rotormantels eines erfindungsgemäßen Rotors,
8 in schematischer Darstellung eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rotors mit einer Magnetisiereinrichtung für Mantel und Stirnwand mit einteiliger Spule und eingezeichneten Feldlinien in der Stirnwand,
8a in schematischer und perspektivischer Darstellung die Magnetisiereinrichtung gemäß 8,
8b und 8c in einer Darstellung entsprechend 8a weitere Ausführungsformen von geschrägten Magnetisiereinrichtungen,
9 im Axialhalbschnitt eine konkrete Ausführungsform eines Elektromotors mit einem erfindungsgemäßen Rotor,
10 in einer Darstellung entsprechend 9 eine weitere Ausführungsform eines Elektromotors mit einem erfindungsgemäßen Rotor.

9 zeigt im Axialhalbschnitt einen Teil eines Elektromotors mit einem Rotor 1, der einen zylindrischen Mantel 2 aufweist, der mit geringem Abstand einen Stator 3 umgibt. Er ist nur schematisch dargestellt, weil seine Ausbildung bekannt ist. Der Stator 3 hat eine Statorbuchse 4, in die eine Rotorwelle 5 ragt. Ihr in 9 rechtes Ende ist in einer Stirnwand 6 des Rotors 1 befestigt. Vorteilhaft ist dieses Ende der Rotorwelle 5 in einer Einlegebuchse 7 gehalten, die vorteilhaft in die Stirnwand 6 eingebettet ist. Vorteilhaft wird die Einlegebuchse 7 beim formgebenden Herstellungsprozess des Rotors 1 eingebracht, so dass die Einlegebuchse 7 in die Stirnwand 6 eingebettet ist. Ein zusätzlicher Befestigungsvorgang für die Einlegebuchse 7 ist darum nicht erforderlich.
Anstelle der Einlegebuchse 7 kann zur Befestigung der Rotorwelle 5 auch jedes andere geeignete Verbindungselement verwendet werden.
Die Rotorwelle 5 ist in der Statorbuchse 4 mittels wenigstens eines Lagers 7, vorzugsweise mittels zweier Lager 8 drehbar gelagert. Sie liegen mit axialem Abstand voneinander und sind im Ausführungsbeispiel Kugellager. Es können auch andere Wälzlager eingesetzt werden. Selbst Gleitlager sind für die Drehlagerung der Rotorwelle 5 in Stator 3 möglich.
Die Lager 8 sind in geeigneter Weise in der Innenwandung 9 der Statorbuchse 4 sowie auf der Rotorwelle 5 befestigt.
An die Statorbuchse 4 schließt ein Statorflansch 10 an, der sich von der Statorbuchse 4 aus radial nach außen erstreckt und vorteilhaft einstückig mit der Statorbuchse 4 ausgebildet ist.
Am Statorflansch 10 kann in bekannter Weise ein (nicht dargestelltes) Gehäuse befestigt werden, das beispielhaft eine Leistungselektronik des Elektromotors aufnimmt.
Am Rotor 1 können Anbauteile vorgesehen sein, wie beispielsweise ein Laufrad eines Ventilators. Ein solches Laufrad ist dann am Mantel 2 des Rotors 1 vorgesehen. Auch können am Mantel 2 beispielsweise Kühlrippen vorgesehen sein, die an einem Außenflansch des Mantels 2 vorgesehen sind und vorteilhaft gegen den Statorflansch 10 gerichtet sind.
Am Statorflansch 10 können ebenfalls Kühlrippen vorhanden sein, die den Kühlrippen des rotorseitigen Flansches zugewandt sind. Die Kühlrippen des Statorflansches 10 sowie des Rotormantels 2 dienen zur Kühlung im Einsatz des Elektromotors.
Der Mantel 2 und die Stirnwand 6 bestehen im dargestellten Ausführungsbeispiel aus einem magnetisierbaren Werkstoff. Als solcher Werkstoff dient beispielsweise ein kunststoffgebundener Dauermagnetwerkstoff, wie Hartferrite p, ReFeB p, AlNiCo p und dergleichen. Mit diesen Werkstoffen kann der Rotor 1 im Spritz- oder Druckgussverfahren hergestellt werden.
Für den Rotor 1 kommt ein isotroper kunststoffgebundener Dauermagnet in Betracht, der anschließend magnetisiert wird, oder ein anisotroper kunststoffgebundener Dauermagnet, der während des Herstellungsverfahrens mittels einer Magnetisier/Ausrichteinrichtung magnetisiert wird.
Der Rotor 1 hat, wie beispielhaft aus 9 hervorgeht, unterschiedliche Richtungen des magnetischen Flusses. In 9 sind die entsprechenden magnetischen Polarisationen J angegeben. Im Bereich des Rotormantels 2 ist eine radiale Komponente J_radial der magnetischen Polarisation J und im Bereich der Stirnwand 6 eine axiale Feldkomponente J_axial der magnetischen Polarisation J vorhanden. Im Übergangsbereich zwischen dem Mantel 2 und der Stirnwand 6 ist eine diagonale Komponente J_diag magnetischen Polarisation J vorhanden.
Wird als Material für den Rotor 1 ein isotroper kunststoffgebundener Dauermagnet eingesetzt, wird er nach der Herstellung des Rotors 1 magnetisiert. Hierfür wird in Kombination ein axialer und ein radialer Halbach-Magnetisierkopf eingesetzt.
Bei einem anisotropen Dauermagnet wird die magnetische Polarisation J während der Herstellung des Rotors 1 mittels einer Ausrichtvorrichtung hergestellt.
Wie aus 9 hervorgeht, ist beim Rotor 1 eine dreidimensionale Führung des magnetischen Flusses durch die Kombination aus einem radial-tangentialen und einem axial-tangentialen Halbach-Magnetsystem gegeben. Dadurch wird die Drehmomentdichte wesentlich erhöht. Während des Herstellungsprozesses wird das externe Magnetfeld so angelegt, dass sowohl in radialer als auch in axialer Richtung ein mehrpoliges Halbach-Array entsteht. Dadurch kann in vorteilhafter Weise ein Stahlrückschluss im Rotor 1 zumindest teilweise vorteilhaft sogar vollständig entfallen. Dies hat zur Folge, dass das Rotorträgheitsmoment gesenkt werden kann. Ein Magnetklebeprozess, wie er bei herkömmlichen Rotoren mit angeklebten Magneten vorgesehen ist, entfällt. Die Halbach-Magnetisierung ermöglicht im Vergleich zu anderen magnetischen Anisotropien das niedrigste Nutrastmoment und verringert so die elektromagnetischen Anregungen der elektrischen Maschine.
Im Ausführungsbeispiel ist der gesamte Mantel 2 und die gesamte Stirnwand 6 aus dem magnetisierbaren Werkstoff hergestellt. Grundsätzlich ist es auch möglich, den Rotormantel 2 und die Stirnwand 6 nur in denjenigen Bereichen aus einem magnetisierbaren Werkstoff herzustellen, der anschließend magnetisiert werden soll.
Beim Ausführungsbeispiel nach 10 sind der Mantel 2 und die Stirnwand 5 des Rotors 1 voneinander getrennte Teile. Die Stirnwand 6 ist eine flache Scheibe, die an der einen Stirnseite 11 des zylindrischen Mantels 2 so befestigt ist, dass sie nicht radial über den Mantel 2 vorsteht. Vorteilhaft haben der Mantel 2 und die Stirnwand 6 gleichen Außendurchmesser.
Die Verbindung zwischen dem Mantel 2 und der Stirnwand 6 kann in jeder geeigneten Weise erfolgen. So kann die Stirnwand 6 beispielsweise an die Stirnseite 11 des Mantels 2 angeklebt sein. Die scheibenförmige Stirnwand 6 kann auch im Herstellprozess in die Form eingelegt werden, so dass sie im Herstellprozess mit dem Rotormantel 2 fest verbunden wird. Auch ein Einpressen, ein Verschrauben, ein Nieten oder dergleichen zur Verbindung der Stirnwand 6 mit dem Rotormantel 2 ist möglich.
Die Rotorwelle 5 kann entsprechend der vorigen Ausführungsform mit der Stirnwand 6 drehfest verbunden werden.
Die Rotorwelle 5 ist außerdem entsprechend dem vorigen Ausführungsbeispiel über mindestens ein Lager 8, vorzugsweise über zwei mit axialem Abstand voneinander angeordnete Lager, drehbar in der Statorbuchse 4 des Stators 3 gelagert.
Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Rotormantel 2 entsprechend der vorigen Ausführungsform ausgebildet, der die magnetische Polarisation J_radial hat. Die Stirnwand 6 hat die magnetische Polarisation J_axial. Der Rotormantel 2 kann insgesamt oder aus Teilen aus dem magnetisierbaren Werkstoff bestehen, wie anhand der vorigen Ausführungsform erläutert worden ist.
Die 1 bis 3 zeigen schematisch den Rotor 1 entsprechend dem Ausführungsbeispiel gemäß 10. Der Rotor 1 hat den zylindrischen Mantel 2 und die Stirnwand 6. An der Stirnwand 6 ist die Rotorwelle 5 drehfest befestigt. Sie steht axial auf der von der Stirnwand 6 angewandten Seite über den Rotormantel 2 vor.
Der Mantel 2 und die Stirnwand 6 bestehen aus kunststoffgebundenem magnetischen Werkstoff, in den beim Fertigungsprozess Einlegeteile integriert werden können, wie anhand der 9 und 10 erläutert worden ist.
Die Stirnwand 6 ist mit einer axial-tangentialen Halbach-Anisotropie versehen bzw. wird mit einer axial-tangentialen Aufmagnetisierung behandelt. Hierunter ist zu verstehen, dass die Magnetfeldlinien beim Magnetisiervorgang vom Magnetisiergerät zunächst axial in die Stirnwand 6 eintreten, dort tangential verlaufen und axial wieder aus der Stirnwand 6 austreten.
2 zeigt schematisch den Verlauf der entsprechenden Magnetfeldlinien in der Stirnwand 6.
Der Rotormantel 2 hat eine radial-tangentiale Halbach-Anisotropie bzw. ist mit einer radial-tangentialen Aufmagnetisierung behandelt worden. Hierunter ist zu verstehen, dass die Magnetfeldlinien beim Magnetisiervorgang vom Magnetisiergerät radial in den Rotormantel 2 eintreten, im Rotormantel 2 tangential verlaufen und radial aus dem Rotormantel 2 austreten. 3 zeigt schematisch den Verlauf der Magnetfeldlinien im Rotormantel 2.
Vorteilhaft ist die Polzahl und die Polarität der Magnetisierung der Stirnwand 6 und des Rotormantels 2 gleich. Es ist eine beliebige geradzahlige Polzahl (2, 4, 6, 8 usw.) denkbar.
Wie anhand von 9 beispielhaft erläutert worden ist, kann der Übergang der Magnetisierung bzw. der magnetischen Anisotropie von der Stirnwand 6 zum Rotormantel 2 gegebenenfalls mit einer gemischt radialen, tangentialen und axialen Halbach-Komponente J_diag versehen sein.
4 zeigt in schematischer Darstellung zwei Magnetisiereinrichtungen 12, mit welchen der Rotormantel 2 und die Stirnwand 6 magnetisiert werden. Die Magnetisiereinrichtung 12 hat eine ein- oder mehrteilige Magnetisier- bzw. Ausrichtvorrichtung 13, die elektrisch erregte Feldspulen oder Dauermagnete aufweist. Außerdem ist die Magnetisiereinrichtung 12 mit einer axial-tangentialen Magnetisier- bzw. Ausrichtvorrichtung 14 versehen.
Mit der Magnetisier/Ausrichtvorrichtung 13 wird der Rotormantel 2 und mit der Magnetisier/Ausrichtvorrichtung 14 die Stirnwand 6 des Rotors 1 magnetisiert.
In 4 ist schematisch die magnetische Feldstärke $\vec{H}$
angegeben. Sie ist die Folge eines magnetischen Feldes, das um die stromdurchflossenen Leiter der Magnetisier/Ausrichtvorrichtungen 13, 14 entsteht.
Die Magnetisier/Ausrichtvorrichtung 13 für den Rotormantel 2 hat zwei Polkerne 16, 17, die jeweils von (nicht dargestellten) stromdurchflossenen Spulen umgeben sind. Die Polkerne 16, 17 liegen parallel zueinander und parallel zur Achse 44 des Rotormantels 2. Im Ausführungsbeispiel hat die Magnetisiereinrichtung 12 vier Magnetisier/Ausrichtvorrichtungen 13, 14, die über den Umfang des Rotormantels 2 gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Vorteilhaft ist es, wenn die Magnetisier/Ausrichtvorrichtungen 13, 14 radial und/oder axial einstellbar sind, so dass sie jeweils optimal in Bezug auf die zylindrische Innenseite des Rotormantels 2 bzw. die Stirnseite 6 einstellbar sind.
6 zeigt schematisch und beispielhaft eine Magnetisiereinrichtung 12, die acht Magnetisier/Ausrichtvorrichtungen aufweist, von denen nur die Magnetisier/Ausrichtvorrichtungen 13 für den Rotormantel 2 dargestellt sind. Sie sind gleich ausgebildet wie die Magnetisier/Ausrichtvorrichtungen 13, 14 gemäß den 4 und 5.
Die Polkerne 16, 17 sind von entsprechenden stromdurchflossenen Spulen umgeben und liegen mit geringem Abstand der Innenseite 15 des Rotormantels 2 (6) und der Unterseite der Stirnwand 6 gegenüber.
Entsprechend der vorigen Ausführungsform können die Magnetisier/Ausrichtvorrichtungen 13, 14 axial und/oder radial einstellbar sein.
Die Magnetisier/Ausrichtvorrichtungen 13, 14 sind jeweils gleich ausgebildet und haben eine große Polbreite 24 und eine geringe Polübergangsbreite 25. Die in Achsrichtung des Rotors 1 gemessene Länge der Polkerne 16, 17 bestimmt das axiale Maß der Magnetisierung des Rotormantels 2.
Wie aus 6 hervorgeht, sind benachbarte Magnetisier/Ausrichtvorrichtungen 13, 14 jeweils um 180° verdreht zueinander angeordnet. Die Polkerne 16, 17 bilden die radial-tangentiale Magnetisier/Ausrichtvorrichtung 13.
Die der Stirnwand 6 zugewandten Enden der Polkerne 16, 17 sind durch einen Polkern 18 miteinander verbunden. Er ist vorteilhaft bogenförmig ausgebildet (5) und wird von wenigstens einer (nicht dargestellten) stromdurchflossenen Spule umgeben. Der Polkern 18 bildet die axial-tangentiale Magnetisier/Ausrichtvorrichtung 14, mit der die Stirnwand 6 magnetisiert wird.
Die axial-tangentiale Magnetisier/Ausrichtvorrichtung 14 befindet sich innerhalb des vom Rotormantel 2 umschlossenen Innenraumes 30 des Rotors 1 mit geringem Abstand zur Unterseite der Stirnwand 6.
Die Polkerne 18 sind jeweils etwa halbkreisförmig ausgebildet und mit den elektrisch erregbaren Feldspulen versehen, mit denen die Magnetisierung der Stirnwand 6 durchgeführt wird. Die Polkerne 18 sind vorteilhaft gleich ausgebildet und haben die Polbreite 31 und die Poltiefe 32.
Die Polkerne 18 sind so mit Abstand voneinander angeordnet, dass die Polübergangsbreite 33 verhältnismäßig klein ist.
Bezogen auf die kreisscheibenförmige Stirnwand 6 sind die Polkerne 18 über den Umfang der Stirnwand 6 verteilt angeordnet. Die Polkerne 18 liegen mit einem Abstand 34 (4) der Unterseite der Stirnwand 6 gegenüber. Vorteilhaft sind die Polkerne 18 so ausgebildet, dass sie über ihre Länge konstante Dicke haben. Dann liegen die Polkerne 18 insgesamt mit dem Abstand 34 unterhalb der Stirnwand 6. Der Abstand 34 ist vorteilhaft minimal ausgebildet.
Gemäß 5 sind benachbarte Polkerne 18 um 180° verdreht zueinander angeordnet, so dass die stromzuführenden Enden benachbarter Magnetisier/Ausrichtvorrichtungen 14 benachbart zueinander liegen.
Die Polkerne 18 sind so positioniert, dass sie nicht über den Rand der Stirnwand 6 vorstehen, sondern ihre Polenden geringen Abstand vom Rand der Stirnwand 6 haben.
Die Magnetisier/Ausrichtvorrichtung 14 ist so ausgebildet, dass die Polkerne 18 ein optimiertes Verhältnis aus möglichst großer Polbreite 31, möglichst großer Poltiefe 32 und möglichst geringer Polübergangsbreite 33 haben. Mit der Polteilung τ_P (5) ergibt sich eine optimale Polbreite bei Werten zwischen ¾ bis etwa 1 · τ_P bei einer Polübergangsbreite 33 von 0 bis etwa ¼ · τ_P. Eine optimale Poltiefe 32 wird mit Werten von etwa 30% bis etwa 50 % des Außendurchmessers der Magnetisier/Ausrichtvorrichtung 14 erzielt.
Die Magnetisiereinrichtung 12 mit den Magnetisier/Ausrichtvorrichtungen 13, 14 kann einteilig, aber auch mehrteilig ausgebildet sein.
Anstelle der elektrisch erregten Feldspulen können die Magnetisier/Ausrichtvorrichtungen 13, 14 auch Dauermagneten aufweisen, mit denen der Rotormantel 2 und die Stirnwand 6 magnetisiert werden können.
Wie aus den 3 und 4 hervorgeht, wirkt das Magnetfeld $\vec{H}$
der Magnetisier/Ausrichtvorrichtung 13 in radialer und tangentialer Richtung, bezogen auf den zylindrischen Rotormantel 2. Die Magnetisier/Ausrichtvorrichtung 14 hingegen wirkt, bezogen auf die Stirnwand 6 des Rotors 1, in axialer und tangentialer Richtung (2 und 4).
Durch diese Ausbildung der Magnetisier/Ausrichtvorrichtung 12 lässt sich die Magnetisierung mit den Komponenten J_radial und J_axial und gegebenenfalls J_diag einfach und zuverlässig herstellen.
Die Magnetisiereinrichtung 12 stellt einen Halbach-Magnetisierkopf dar, mit dem am Rotor 1 eine Kombination aus radial-tangentialem und axial-tangentialem Halbach-Magnetsystem hergestellt werden kann. Durch diese Kombination aus radial-tangentialem und axial-tangentialem Halbach-Magnetsystem ergibt sich ein Rotor 1 mit einer dreidimensionalen Führung des magnetischen Flusses, die in einem einzigen Magnetisierungsprozess erzeugt werden kann.
Die Magnetisiereinrichtung 12 kann während des Spritz- oder Druckgrussprozesses zur Herstellung des Rotors 1 für die Magnetisierung eingesetzt werden. Die Magnetisiereinrichtung 12 wird in die Form eingesetzt, so dass der Magnetisiervorgang in der Form stattfinden kann. Wird der Rotor 1 der Form entnommen, ist er bereits im erforderlichen Maße magnetisiert. Durch dieses Verfahren entsteht ein anisotroper Magnet.
Es ist aber auch möglich, den Rotor 1 zunächst herzustellen und anschließend mit der Magnetisiereinrichtung 12 zu magnetisieren. Es entsteht ein isotroper Magnet.
Für die nachträgliche Magnetisierung nach der Herstellung des Rotors 1 kann die gleiche Magnetisiereinrichtung 12 verwendet werden, wie sie zuvor beispielhaft beschrieben worden ist.
6 zeigt die Magnetfeldlinien im Rotormantel 2. Mit der Magnetisiereinrichtung 12 bzw. der Magnetisier/Ausrichtvorrichtung 13 ergeben sich im Rotormantel 2 in Umfangsrichtung aneinander anschließende Magnetfeldsektoren 36, die an der zylindrischen Innenseite 15 des Rotormantels 2 eine hohe Magnetflussdichte aufweisen. Radial nach außen nimmt die Magnetflussdichte der Magnetfeldsektoren 36 ab.
Die Magnetfeldsektoren 36 schließen über den Umfang des Rotormantels 2 aneinander an.
7 zeigt die beispielhafte Möglichkeit, an der Außenseite 37 des Rotors 1 Aussparungen 38 vorzusehen, die vorteilhaft über den Umfang des Rotormantels 2 gleichmäßig verteilt angeordnet sind und sich über die axiale Höhe des Rotormantels 2 erstrecken. Die Aussparungen 38 werden im Bereich geringer Flussdichten vorgesehen, beispielsweise in den vorwiegend radialen Halbach-Sektoren. Die Form der Aussparungen 38 kann grundsätzlich beliebig sein. Im dargestellten Ausführungsbeispiel haben die Aussparungen 38 einen konkav gekrümmten Boden 39, der sich bis zur Außenseite 37 erstreckt.
Der Boden 39 kann beispielhaft auch gerade verlaufende Abschnitte aufweisen, so dass die Aussparung 38, in Axialrichtung des Rotors 1 gesehen, etwa Rechteckform oder Trapezform aufweist.
Da die Aussparungen 38 im Bereich der geringen Flussdichten vorgesehen sind, wird die Funktion des Rotors 1 für den Elektromotor nicht beeinträchtigt. Darüber hinaus ergibt sich durch die Aussparungen 38 der Vorteil, dass die Massenträgheit des Rotors minimiert wird. Auch wird weniger Material für den Rotor 1 benötigt.
8 und 8a zeigen eine Magnetisiereinrichtung 12, bei welcher die Magnetisier/Ausrichtvorrichtung 14 für die Stirnwand 6 des Rotors 1 und die Magnetisier/Ausrichtvorrichtung 13 für den Rotormantel 2 einstückig miteinander ausgebildet sind.
Die beiden Magnetisier/Ausrichtvorrichtungen 13, 14 sind entsprechend dem vorigen Ausführungsbeispiel so miteinander verbunden, dass sowohl die Stirnwand 6 als auch der Rotormantel 2 gleichzeitig magnetisiert werden können.
Über den Umfang des Rotormantels 2 können mehrerer solcher Magnetisiereinrichtungen 12 angeordnet sein, wie dies beispielhaft in 5 dargestellt ist.
Entsprechend der Zahl der Magnetisiereinrichtungen 12 haben der Rotormantel 2 und die Stirnwand 6 eine entsprechende Zahl von Polen.
Die Magnetisiereinrichtung 12 hat die beiden mit den stromdurchflossenen (nicht dargestellten) Spulen versehenen Polkerne 41, 42, die beim Magnetisiervorgang der Innenseite 15 des Rotormantels 2 gegenüberliegen. Die beiden Polkerne 41, 42 sind an einem Ende durch einen einstückig mit ihnen ausgebildeten gekrümmten Polkern 43 miteinander verbunden. Er verläuft quer, vorzugsweise senkrecht zu den parallel zueinander sich erstreckenden Polkernen 41, 42. Der Polkern 43 liegt der Stirnwand 6 gegenüber und ist ebenfalls von wenigstens einer (nicht dargestellten) stromdurchflossenen Spule umgeben.
Wie bei den vorigen Ausführungsbeispielen wird durch die Magnetisiereinrichtung 12 erreicht, dass die Magnetflussdichte nicht nur an der zylindrischen Innenwand 15 des Rotormantels 2, sondern auch an der Unterseite 40 der Stirnwand 6 am dichtesten ist. Radial nach außen bzw. in Richtung auf die Außenseite 41 der Stirnwand 6 nimmt die Magnetflussdichte ab, wie sich aus 8 für die Stirnwand 6 und aus den 6 und 7 für den Rotormantel 2 ergibt.
Mit Hilfe der Magnetisiereinrichtung 12 ist es bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen möglich, am Rotormantel 2 eine geschrägte Topologie der Magnetisierung vorzusehen. Hierzu werden die entsprechenden Spulen oder Dauermagnete der Magnetisiereinrichtungen 12 entsprechend schräg angeordnet, so dass sich die gewünschte Schrägung ergibt. Auf diese Weise kann eine kontinuierliche Schrägung, eine Staffelschrägung, eine V-Schrägung und dergleichen erzeugt werden. Bei der kontinuierlichen Schrägung verläuft die Schrägung über die Höhe des Rotormantels 2 durchgehend schräg. Bei einer Staffelschrägung verläuft die Schrägung nur über einen Teil der Höhe des Rotormantels 2, wobei benachbarte Schrägungen gestaffelt zueinander angeordnet sind. Bei einer V-Schrägung ergibt sich über die Höhe des Rotormantels 2 durch eine entsprechende Schrägstellung eine V-Form, in Radialrichtung des Rotormantels 2 gesehen.
8b zeigt ein Beispiel für eine solche Magnetisiereinrichtung 12, mit der die beschriebene schräge Magnetisiertopologie erreicht werden kann. Die Magnetisiereinrichtung 12 ist grundsätzlich gleich ausgebildet wie die Ausführungsform gemäß 8a. Der Unterschied besteht lediglich darin, dass die zueinander parallelen Polkerne 41, 42 nicht parallel zur Achse 44 des Rotormantels 2 verlaufen, sondern unter einem Schrägungswinkel α, senkrecht zur Rotormantelachse 44 gesehen.
8c zeigt eine Magnetisiereinrichtung 12, die Dauermagnete 45, 46 zur Magnetisierung des Rotormantels 2 und der Stirnwand 6 des Rotors 1 aufweist. Die Dauermagnete 46 bilden die Magnetisier/Ausrichtvorrichtung 14 zur Magnetisierung der Stirnwand 6 und die Dauermagnete 45 die Magnetisier/Ausrichtvorrichtung 13 zur Magnetisierung des Rotormantels 2. In Höhenrichtung der Magnetisiereinrichtung 12 liegen die Dauermagnete 45 entsprechend dem angestrebten Schrägungswinkel α versetzt zueinander.
Aus 8c ist die Halbach-Struktur der Magnetisiereinrichtung 12 deutlich ersichtlich. Die erforderliche Ausrichtung der Dauermagnete ist in üblicher Weise angegeben.
In der anhand der verschiedenen Ausführungsformen beschriebenen Weise wird am Rotormantel 2 und an der Stirnwand 6 sowohl in radialer als auch in axialer Richtung ein mehrpoliges Halbach-Array gebildet. Durch Einsatz der Halbachstruktur kann der üblicherweise vorgesehene Stahlrückschluss im Rotor 1 zumindest teilweise, vorteilhaft sogar vollständig entfallen. Die beschriebene Halbach-Magnetisierung ermöglicht im Vergleich zu den üblichen magnetischen Anisotropien das niedrigste Nutrastmoment. Dadurch werden die elektromagnetischen Anregungen der elektrischen Maschine, in die der Rotor 1 eingebaut ist, verringert. Da nicht nur der Rotormantel 2, sondern auch die Stirnwand 6 magnetisiert ist, trägt die Stirnwand 6 zur Erzeugung des Drehmomentes des Rotors 1 bei. Dies hat den Vorteil, dass die Drehmomentdichte gesteigert wird.

Claims

Rotor für eine elektrische Maschine, vorzugsweise einen Elektromotor, mit einem Rotormantel (2) und einer Stirnwand (6) an einem Ende des Rotormantels (2), dadurch gekennzeichnet, dass der Rotormantel (2) und die Stirnwand (6) aus magnetisierbarem Werkstoff bestehen und wenigstens teilweise magnetisiert sind.
Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Rotormantel (2) und in der Stirnwand (6) jeweils ein mehrpoliges Halbach-Array vorhanden ist.
Rotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotormantel (2) eine vorwiegend radiale magnetische Polarisation (J_radial) hat.
Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnwand (6) eine vorwiegend axiale magnetische Polarisation (J_diag) hat.
Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Übergangsbereich zwischen dem Rotormantel (2) und der Stirnwand (6) eine vorwiegend diagonale magnetische Polarisation (J_axial) vorhanden ist.
Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotormantel (2) und die Stirnwand (6) eine geradzahlige Polzahl aufweisen.
Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotormantel (2) und die Stirnwand (6) eine gleiche Polzahl haben.
Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotormantel (2) und die Stirnwand (6) einstückig miteinander ausgebildet sind.
Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotormantel (2) an seiner Innenseite (15) die größte Flussdichte hat, die in Richtung auf die Außenseite (37) abnimmt.
Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotormantel (2) an seiner Außenseite (37) im Bereich geringer Flussdichten wenigstens eine Aussparung (38) aufweist.
Rotor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Aussparung (38) über die Höhe des Rotormantels (2) erstreckt.
Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (1) aus kunststoffgebundenem Magnetwerkstoff besteht.
Verfahren zur Herstellung eines Rotors (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (1) aus einem magnetisierbaren Werkstoff hergestellt wird und dass der Rotormantel (2) und die Stirnwand (6) mittels einer kombinierten radialen und axialen Halbach-Magnetisiereinrichtung (12) magnetisiert werden.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (1) mittels eines Spritz- oder Druckgussverfahrens hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotormantel (2) und die Stirnwand (6) beim Herstellungsprozess magnetisiert werden.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotormantel (2) und die Stirnwand (6) nach dem Herstellprozess magnetisiert werden.