DE10247907A1 - Rotor für eine elektrische Maschine - Google Patents

Abstract

Bei einem Rotor für eine elektrische Maschine, insbesondere für einen permanenterregten Synchronmotor, mit einem Träger (12) und an dem Träger befestigten, aus einem Sintermaterial ausgebildeten Permanentmagneten (10) ist vorgesehen, dass zur Halterung der Permanentmagnete (10) auf der dem Rotor zugewandten Unterseite jedes Permanentmagneten eine Führungsausnehmung (16) vorgesehen ist, in die jeweils ein am Umfang des Trägers ausgebildeter korrespondierender Führungssteg (14) eingreift, so dass die Permanentmagnete stirnseitig aufgeschoben werden können und in Richtung der Zentrifugalkraft ohne zusätzliche Panzerung sicher fixiert sind. Die Permanentmagnete (10) sind entlang des Außenumfangs des Rotors derart beabstandet, dass zwischen zwei Permanentmagneten jeweils eine nicht vom Träger ausgefüllte Lücke (18) verbleibt. Bevorzugt weisen die Führungsausnehmungen (16) und die Führungsstege (14) ein schwalbenschwanzförmiges Profil auf.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine, insbesondere für einen permanenterregten Synchronmotor, mit einem Träger und an dem Träger befestigten, aus einem Sintermaterial ausgebildeten Permanentmagneten.
• Bei derartigen Rotoren von permanenterregten Synchronmotoren (Servomotoren) besteht eine konstruktive Schwierigkeit darin, die Magnete so zu befestigen, dass diese den bei höheren Drehzahlen auftretenden hohen Zentrifugalkräften standhalten, ohne sich vom Träger zu lösen.
• Bei bekannten Rotoren werden die Permanentmagnete auf den Rotorträger aufgeklebt. Da die Klebeverbindung den auftretenden Zentrifugalkräften jedoch in vielen Fällen nicht standhalten kann, wird eine zusätzliche Panzerung über den Rotor gestülpt, wie z. B. eine Glasfaserbandage oder eine Kohlefaserhülse, die aufgrund ihrer Zugfestigkeit die auftretenden Zentrifugalkräfte aufzunehmen vermag. Der Nachteil dieser zusätzlichen Panzerung besteht jedoch in einer signifikanten Vergrößerung des magnetischen Luftspaltes. Der Luftspalt ist jedoch so klein wie möglich zu wählen, um eine Scherung des Magneten und eine Verringerung der Luftspaltflussdichte zu vermeiden. Wenn beispielsweise bei einem Motor ohne Panzerung aufgrund mechanischer Toleranzen ein Luftspalt von 0,5 mm möglich wäre, so muss der Luftspalt bei Verwendung einer Panzerung typischerweise auf 1,0 mm vergrößert werden, was insgesamt zu einer geringeren Motoreffizienz führt. Außerdem verursacht eine Panzerung zusätzlichen Aufwand bei der Montage sowie zusätzliche Kosten.
• Bei einer anderen Anordnung, wie sie z. B. aus der DE 196 42 784 A1 bekannt ist, werden die Magnete im Träger eingelassen (sog. Spoke-Magnete). Dabei wird zwar die durch eine Panzerung bedingte Vergrößerung des magnetischen Luftspalts vermieden. Nachteilig ist jedoch, dass durch die zwischen den eingelassenen Permanentmagneten vorhandenen Eisenmassen des Trägers hohe magnetische Streuflüsse entstehen. Zusätzlich führen Reluktanzmomente aufgrund des unsymmetrischen magnetischen Kreises zu unerwünschten Pendelmomenten und damit zu einer erhöhten Drehmomentwelligkeit.
• Eine weitere konstruktive Schwierigkeit bei der Konstruktion eines Rotors für Servomotoren besteht darin, ein möglichst sinusförmiges Luftspaltfeld zu erzeugen, um unerwünschte Rastmomente zu minimieren. Im Stand der Technik wird versucht, diesem Effekt durch eine Diametralmagnetisierung entgegenzuwirken. Hierzu wird ein permamentmagnetisches Ringsegment nicht in radialer Richtung magnetisiert, sondern es wird eine Magnetisierung mit einem parallelen Feldlinienverlauf vorgenommen. Bei höherpoligen Rotoren ist der Effekt der diametralen Magnetisierung jedoch nur beschränkt wirksam und damit ein sinusförmiger Verlauf des Luftspaltfeldes nicht erreichbar.
• Alternativ ist es bekannt, eine axiale Schrägung der Statornuten vorzunehmen, so dass die Winkelposition der Statorspulen in axialer Richtung variiert, so dass sich die Rastmomente im Ergebnis wegmitteln. Durch eine derartige Schrägung der Statornuten ist allerdings ein maschinelles Einbringen der Wicklung in den geschrägten Stator nicht oder nur sehr schwer realisierbar.
• Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht dementsprechend darin, einen Rotor der eingangs genannten Art derart zu verbessern, dass eine sichere Halterung der Permanentmagnete gegenüber der Zentrifugalkraft mit geringem Aufwand und bei minimalem Luftspalt und magnetischen Streuflüssen ermöglicht wird.
• Die Lösung der vorstehend genannten Aufgabe erfolgt gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
• Im Rahmen der Erfindung weisen die Permanentmagnete an ihrer Unterseite ein magnetseitiges Führungselement auf. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich dabei um eine schwalbenschwanzförmige Ausnehmung. In diese Ausnehmung greift in der bevorzugten Ausführungsform ein korrespondierender länglicher schwalbenschwanzförmiger Steg auf dem Träger ein, so dass der Permanentmagnet in radialer Richtung fixiert ist und lediglich in axialer Richtung verschoben werden kann. Die Form des magnetseitigen und des trägerseitigen Führungselementes kann jedoch auch eine Vielzahl anderer Konturen aufweisen, die eine Form- und kraftschlüssige Verbindung ermöglichen. Unabhängig davon, dass bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel trägerseitig ein stegförmiges Element und magnetseitig eine korrespondierende Ausnehmung vorgeschlagen wird, kann die Befestigung prinzipiell auch umgekehrt ausgebildet sein.
• In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Permanentmagnete entlang des Außenumfangs des Rotors derart beabstandet, dass zwischen zwei Permanentmagneten jeweils eine nicht vom Träger ausgefüllte Lücke verbleibt, d. h., dass die Magnete nicht oder zumindest nicht vollständig in den Rotor versenkt sind, sondern über dessen Außenumfang hervorstehen. Dies führt im Gegensatz zu in den Träger versenkten Permanentmagneten, wie sie bei Spoke-Anordnungen verwendet werden, zu einer Reduzierung der magnetischen Streuflüsse und der Reluktanzmomente. Bei herkömmlichen Motoren wäre eine derartige Anordnung insbesondere im Hinblick auf die Montage problematisch, da die einzelnen Permanentmagnete ohne die erfindungsgemäß vorgesehene axiale Führung leicht aneinanderschnappen würden.
• Durch die erfindungsgemäße Fixierung der Permanentmagnete kann auf eine zusätzliche Panzerung verzichtet werden. Dies bringt den weiteren Vorteil mit sich, dass die Außenkontur der Permanentmagnete ohne Rücksicht auf die Panzerung beliebig gestaltet werden kann. Bei der erfindungsgemäßen Rotoranordnung ist es somit ohne Probleme möglich, den Krümmungsradius der Oberseite der Permanentmagnete jeweils kleiner auszubilden als den Radius eines den Rotor umhüllenden Kreises. Dies bewirkt, dass die Permanentmagnete zu ihren Rändern beidseitig stärker abfallen, als dies eigentlich der Kreislinie an dieser Stelle entspricht. Durch diese Maßnahme wird die magnetische Flussdichte in den randseitigen Bereichen der Permanentmagnete reduziert, so dass sich bei geeigneter Wahl der Krümmung ein näherungsweise sinusförmiges magnetisches Luftspaltfeld ergibt, wodurch nur sehr geringe Rastmomente erzeugt werden.
• Bevorzugt wird das magnetseitige Führungselement in dem Permanentmagneten selbst gebildet, indem das Sintermaterial beispielsweise entsprechend bearbeitet wird.
• Der erfindungsgemäße Rotor erlaubt ferner eine vereinfachte Montage der Permanentmagnete, da diese in einfacher Weise über die Stirnseite des Trägers aufgeschoben werden können. Dabei zentriert sich das System praktisch selbstständig, da der Magnet in die Position gleitet, in der er die größte Eisenmenge unter sich bringen kann. Die axiale Position kann weiterhin durch Einbringen eines Klebers - insbesondere eines Kapillarklebers - gesichert werden, durch den auch der Luftspalt zwischen Rotorträger und Magnet ausgefüllt wird, so dass Schwingungen bzw. Vibrationen vermieden werden. An diese Klebeverbindung werden jedoch im Gegensatz zum Stand der Technik keine hohen Festigkeitsanforderungen gestellt, da lediglich ein Schutz vor Verschiebungen durch die (relativ geringen) axialen Kräfte erforderlich ist. Alternativ kann der Spalt auch mit einem Kunstharz ausgegossen werden.
• Ein weiterer Vorteil bei der Montage besteht darin, dass beim Aufschieben der Permanentmagneten auf die Führungsstege ein Zusammenschnappen der Magnete zuverlässig vermieden wird. Bei Verwendung nicht geführter Magnete bestand dagegen bei einem etwaigen Zusammenschnappen der entgegengesetzten Magnetpole die Gefahr ernster Verletzungen des Montagepersonals, insbesondere Quetschungen der Finger.
• Weiterhin können mit der erfindungsgemäßen Rotorkonzeption mittels einer Bauform eines Permanentmagneten mit einer vorgegebenen Segmentlänge eine Mehrzahl unterschiedlicher Motoren aufgebaut werden, indem mehrere Permanentmagnete hintereinander auf die Führungsstege geschoben werden. Hierdurch können die Permanentmagnete in einer bestimmten Bauform in größerer Stückzahl hergestellt und die Lagerhaltungskosten vermindert werden.
• In einer Ausführungsform der Erfindung kann zur Reduzierung der Rastmomente mit geringem Aufwand eine der axialen Schrägung der Statornuten entsprechende Maßnahme durchgeführt werden, indem Permanentmagnete verwendet werden, bei denen die Führungsausnehmungen nicht mittig, sondern seitlich versetzt angeordnet sind. Durch die Anordnung von Permanentmagneten hintereinander, bei denen die Führungsausnehmungen jeweils seitlich versetzt angeordnet sind, können Permanentmagnetpakete gebildet werden, die jeweils um einen bestimmten Winkelbetrag gegeneinander versetzt sind. Hierdurch wird - vergleichbar mit der Maßnahme der Schrägung der Statornuten - erreicht, dass sich unerwünschte Rastmomente wegmitteln.
• Bevorzugt können identisch ausgebildete Permanentmagnete, bei denen die Führungsausnehmung nicht mittig angeordnet ist, in zwei verschiedenen Richtungen aufgeschoben werden, so dass mittels eines Bauteils zwei verschiedene Winkelverschiebungen (z. B. +10° und -10°) erreicht werden können. Alternativ ist es zur Reduktion von Rastmomenten auch denkbar, die Permanentmagnete oder den Träger mit schräg verlaufenden Führungselementen zu versehen.
• Alternativ ist es weiterhin möglich, anstelle der magnetseitigen Führungselemente die trägerseitigen Führungselemente zu unterteilen und in bestimmten axialen Bereichen gegeneinander zu versetzen. Der Rotor kann von vornherein entsprechend versetzt ausgebildet sein (insbesondere bei zwei Permanentmagnetpaketen, die von beiden Seiten auf die Führungselemente aufgeschoben werden können); oder die Führungselemente können zunächst fluchtend ausgerichtet sein und erst nach Aufschieben der Permanentmagnete gegeneinander versetzt werden.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
• Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rotors in zwei schematischen Schnittdarstellungen;
• Fig. 2 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rotors in zwei schematischen Schnittdarstellungen, und
• Fig. 3 eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rotors in zwei schematischen Schnittdarstellungen.
• Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Rotor mit acht jeweils identisch ausgebildeten, aus einem Sintermaterial gefertigten Permanentmagneten 10 alternierender Polarität, die auf einem Eisenträger 12 befestigt sind. Der Träger 12 weist eine achteckige Grundkontur auf, wobei auf den ebenen Flächen jeweils mittig durchgehende, schwalbenschwanzförmig ausgebildete Führungsstege 14 vorgesehen ist, d. h., die Führungsstege 14 weisen jeweils ein trapezförmiges Profil auf, wobei die dem Träger zugewandte Seite kürzer ausgebildet ist. Auf diesen Führungsstegen 14 werden die Permanentmagnete 10 mittels einer in dem jeweiligen Magneten vorgesehenen, ebenfalls schwalbenschwanzförmigen korrespondierenden Führungsausnehmung 16 gehalten. Die Ausnehmung wird direkt durch eine materialabtragende Bearbeitung des Sintermaterials gefertigt. Die einzelnen Magnete sind mittels eines Klebers - z. B. eines Kapillarklebers - axial fixiert. Zwischen den einzelnen Magneten verbleiben jeweils Lücken 18, die nicht durch Trägermaterial ausgefüllt sind. Wie in Fig. 1 dargestellt, kann die Lücke zwischen den Permanentmagneten 10 keilförmig ausgebildet sein. Die Außenkontur der Permanentmagnete 10 ist - wie vorstehend bereits erläutert - durch eine starke Krümmung gekennzeichnet. Hierdurch wird ein nahezu sinusförmiges Feld erzeugt.
• In Fig. 2 ist ein Rotor dargestellt, der aus zwei hintereinanderliegenden Permanentmagnetpaketen 20, 22 gebildet ist. Hierzu sind die Führungsausnehmungen 16 der Permanentmagnete außermittig angeordnet, so dass durch die Wahl der Orientierung der Permanentmagnete bei der Montage zwei verschiedene Winkelpositionen realisierbar sind. Durch die zwei versetzten Permanentmagnetpakete 20, 22 wird die Bildung von Rastmomenten zusätzlich reduziert.
• Bei der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform ist die Grundkontur des Trägers 12 rund, so dass der entsprechende Versatz der Permanentmagnete 10, die in diesem Ausführungsbeispiel eine entsprechend gekrümmte Unterseite aufweisen, ohne Probleme möglich ist.
• In Fig. 3 ist eine alternative Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Rotors mit versetzten Permanentmagnetpaketen dargestellt, bei der Träger in zwei axiale Bereiche 20, 22 zweigeteilt ausgebildet ist. Die Permanentmagnete 10 weisen jeweils mittig angeordnete Führungsausnehmungen auf. Die beiden axialen Bereiche 20, 22 sind um einen vorbestimmten Winkelbetrag gegeneinander verdreht, so dass sich wiederum zwei gegeneinander versetzte Permanentmagnetpakete ergeben. Der Träger 12 ist wie in Fig. 1 achteckig ausgebildet.

Claims (13)

1. Rotor für eine elektrische Maschine, insbesondere für einen permanenterregten Synchronmotor, mit einem Träger (12) und an dem Träger befestigten, aus einem Sintermaterial ausgebildeten Permanentmagneten (10), dadurch gekennzeichnet, dass zur Halterung der Permanentmagnete (10) auf der dem Rotor zugewandten Unterseite jedes Permanentmagneten ein im Wesentlichen parallel zur Rotorachse verlaufendes, in dem Sintermaterial gebildetes magnetseitiges Führungselement (16) vorgesehen ist, in das jeweils ein am Außenumfang des Trägers ausgebildetes korrespondierendes trägerseitiges Führungselement (14) eingreift, wobei das magnetseitige und das trägerseitige Führungselement ein korrespondierendes Profil derart aufweisen, dass die Permanentmagneten wenigstens in radialer Richtung form- und kraftschlüssig gegenüber dem Träger (12) fixiert sind.

2. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (10) entlang des Außenumfangs des Rotors derart beabstandet sind, dass zwischen zwei Permanentmagneten jeweils eine nicht vom Träger ausgefüllte Lücke (18) verbleibt.

3. Rotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetseitige Führungselement als in dem Sintermaterial ausgesparte, wenigstens zu einer Stirnseite des Permanentmagneten und zur Unterseite hin offene Führungsausnehmung (16) ausgebildet ist, und dass das trägerseitige Führungselement als länglicher Führungssteg (14) ausgebildet ist.

4. Rotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsausnehmungen (16) und die Führungsstege (14) ein schwalbenschwanzförmiges Profil aufweisen.

5. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Profil der Permanentmagnete (10) einen dem Träger (12) zugewandten quaderförmigen Grundbereich und einen in Gebrauchslage an den Stator angrenzenden oberen Bereich aufweist, wobei der obere Bereich eine gekrümmte Kontur aufweist, deren Krümmungsradius jeweils kleiner ist als der Radius eines den Rotor umhüllenden Kreises, derart, dass sich ein näherungsweise sinusförmiges magnetisches Luftspaltfeld ergibt.

6. Rotor nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenumfang des Trägers (12) eine n-eckförmige Kontur mit darauf angeordneten Führungsstegen aufweist, wobei n der Polzahl entspricht, so dass sich für jeden Permanentmagneten (10) eine plane Kontaktfläche zum Träger (12) ergibt, und dass die Permanentmagnete eine entsprechende plane Grundseite aufweisen.

7. Rotor nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Außenumfang des Trägers (12) eine kreisförmige Kontur mit darauf angeordneten Führungsstegen (14) aufweist.

8. Rotor nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsausnehmungen (16) jeweils in der Mitte der Permanentmagnete (10) ausgebildet sind und eine Breite aufweisen, die etwa 50% der Breite des Permanentmagneten entspricht.

9. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsausnehmungen (16) der Permanentmagnete (10) in axialer Richtung jeweils durchgängig ausgebildet sind, und dass die Permanentmagnete (10) in axialer Richtung mittels eines Kapillarklebers fixiert sind.

10. Rotor nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Führungsstege (14) jeweils mehrere, axial hintereinander angeordnete Permanentmagnete (10) aufgeschoben sind, die insgesamt mehrere axial hintereinanderliegende Permanentmagnetpakete (20, 22) bilden.

11. Rotor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die trägerseitigen Führungselemente der einzelnen Permanentmagnetpakete jeweils um einen vorbestimmten Winkelbetrag gegeneinander versetzt sind, so dass die Permanentmagnetpakete entsprechend gegeneinander versetzt sind.

12. Rotor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils hintereinanderliegenden Permanentmagnete an ihrer Unterseite gegenüber der Mittenachse versetzte Führungselemente aufweisen, derart, dass jeweils um einen bestimmten Winkelbetrag gegeneinander versetzte, axial hintereinanderliegende Permanentmagnetpakete (20, 22) gebildet werden.

13. Rotor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwei der radial gegeneinander versetzten Permanentmagnetpakete jeweils durch Aufschieben von identisch profilierten Permanentmagneten mit einer jeweils nicht mittig angeordnetem Führungselement gebildet sind, wobei der radiale Versatz dadurch erreicht wird, dass die Permanentmagnete mit nicht mittig angeordneten Führungselementen zur Bildung des ersten Permantmagnetpakets (20) in der einen Richtung und zur Bildung des zweiten Permantmagnetpakets (22) in der entgegengesetzten Richtung auf den jeweiligen Führungssteg aufgeschoben sind.