DE19737391A1

DE19737391A1 - Elektrische Maschine, deren Rotor aus Dauermagneten und Magnetfluß-Leitstücken aufgebaut ist

Info

Publication number: DE19737391A1
Application number: DE19737391A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr Ehrhart; Gerhard Dr Reiner; Ludwig Lindner; Christian Lucas; Fritz Walter
Original assignee: Magnet Motor Gesellschaft fuer Magnetmotorische Technik GmbH
Current assignee: L3 Magnet Motor GmbH
Priority date: 1997-08-27
Filing date: 1997-08-27
Publication date: 1999-03-04
Also published as: AU9347198A; CA2301535A1; CA2301535C; ZA987728B; EP1008224A1; US6384504B1; WO1999010962A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrische Maschine gemäß dem Oberbegriff der Ansprüche 1, 2, 9 und 10, somit eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor, die durch einen Luftspalt getrennt sind, wobei

(a) der Rotor mit im wesentlichen in Umfangsrichtung magnetisierten Dauermagneten und jeweils einer Magnetfluß-Leitstückanordnung aus mindestens einem Magnetfluß-Leitstück zwischen zwei benachbarten Dauermagneten aufgebaut ist;
(b) die Dauermagnete - die Gesamtgeometrie betrachtet - jeweils eine von dem luftspaltseitigen Kopfbereich zu dem Fußbereich zunehmende Umfangsbreite haben;
(c) und die Leitstückanordnungen zwischen zwei benachbarten Dauermagneten - die Gesamtgeometrie betrachtet - jeweils eine von dem luftspaltseitigen Kopfbereich zu dem Fußbereich abnehmende Umfangsbreite haben.

Bei der elektrischen Maschine kann es sich insbesondere um einen Elektromotor oder einen Stromgenerator handeln. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf elektrische Maschinen, bei denen der Luftspalt eine im wesentlichen zylindrische Konfiguration hat.

Bei den elektrischen Maschinen der eingangs genannten Art wirkt auf die Magnetfluß-Leitstückanordnungen jeweils eine erhebliche Magnetkraft in Richtung zum Luftspalt hin. Wenn die Maschine mit einem Innenrotor ausgebildet ist, überlagert sich beim Betrieb der Maschine der magnetischen Anziehungskraft verstärkend die auf die Magnetfluß-Leitstückanordnung wirkende Fliehkraft. Wenn die Maschine mit Außenrotor ausgebildet ist, überlagert sich beim Betrieb der Maschine der magnetischen Anziehungskraft die jetzt in umgekehrter Richtung auf die Magnetfluß-Leitstückanordnungen wirkende Fliehkraft.

Die Gesamtgeometrie der Leitstückanordnungen mit von dem luftspaltseitigen Kopfbereich zu dem Fußbereich abnehmender Umfangsbreite erschwert die sichere Festlegung der Leitstückanordnungen im Rotor noch weiter.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, elektrische Maschinen der eingangs genannten Art verfügbar zu machen, bei denen die Leitstückanordnungen auf konstruktiv einfache Weise, aber äußerst zuverlässig am Rotor gehalten sind.

Nach einer ersten erfindungsgemäßen Lösung dieser Aufgabe ist die Maschine dadurch gekennzeichnet,

(d) daß die Leitstücke jeweils am Fußende eine Verbreiterung in Umfangsrichtung mit mindestens einer Schulter aufweisen, mit der sie sich an einem benachbarten Dauermagneten gegen Verlagerung in Richtung zum Luftspalt abstützen.

Durch das Vorsehen der Verbreiterung am Fußende des betreffenden Leitstücks befindet sich die Verbreiterung zwar in einem unter dem Gesichtspunkt der mechanischen Festigkeit nicht optimalen Bereich, der in Umfangsrichtung schmaler ist als weiter zum Kopfende hin. Andererseits befindet sich die Verbreiterung in einem Bereich, wo sich die relativ geringste Beeinträchtigung der für die Magnetflußführung günstigen Konfiguration ergibt.

Es wird darauf hingewiesen, daß die mindestens eine Schulter sich nicht unbedingt im wesentlichen in Tangentialrichtung des Rotors erstrecken muß (obwohl dies eine besonders günstige Ausführungsform ist), sondern z. B. auch schräg zu der Tangentialrichtung, aber parallel zur Rotorachse, verlaufen kann.

Nach einer zweiten erfindungsgemäßen Lösung der genannten Aufgabe ist die Maschine dadurch gekennzeichnet,

(d) daß die Leitstücke jeweils mindestens eine Schulter aufweisen, mit der sie sich an einem Halterungsteil gegen Verlagerung in Richtung zum Luftspalt abstützen, wobei das Halterungsteil durch den Rotor gebildet ist oder an dem Rotor befestigt ist.

Bei dieser erfindungsgemäßen Lösung ist somit die mindestens eine Schulter nicht mehr unbedingt am Fußende des betreffenden Leitstücks vorgesehen, sondern kann an irgendeiner Stelle der radialen Erstreckung des Leitstücks vorgesehen sein.

Bei zahlreichen Ausführungsformen der Erfindung weist die jeweilige Leitstückanordnung zwischen zwei benachbarten Dauermagneten nur ein Leitstück auf. Insbesondere in diesem Fall ist es in der Regel praktisch und günstig, das jeweilige Leitstück beidseitig mit Schulter auszustatten, wiewohl es alternativ durchaus möglich ist, mit nur einseitiger Schulter des Leitstücks zu arbeiten.

Nach einer anderen, bevorzugten Weiterbildung der Erfindung bestehen die Leitstückanordnungen jeweils aus zwei Leitstücken, einseitig oder beidseitig mit Schulter. Es sind auch Leitstückanordnungen mit mehr als zwei Leitstücken möglich.

Vorzugsweise kann man jeweils zwei Leitstücke aus benachbarten Leitstückanordnungen über den dazwischenliegenden Dauermagneten hinweg miteinander verbinden. So entsteht eine U-förmige Leitstückkonfiguration, die den dazwischenliegenden Dauermagneten umfaßt und sich so an ihm hält.

Ferner ist bevorzugt, zwischen den zwei Leitstücken der betreffenden Leitstückanordnung eine Tasche auszubilden, in der ein Halterungsteil angeordnet ist. Bei dieser Ausbildung wird also ein Bereich der Leitstücke zu ihrer Festlegung am Rotor benutzt, der nicht den Dauermagneten benachbart ist. In Weiterbildung ist es günstig, zwei Halterungsteile von zwei benachbarten Leitstückanordnungen zu einem gemeinsamen Halterungsrahmen zu verbinden. Dies macht zwar die Konstruktion etwas aufwendiger, führt aber zu der Möglichkeit besonders stabiler Festlegung der Halterungsteile am Rotor.

Die vorstehend mehrfach verwendete Ausdrucksweise "mindestens eine Schulter" deckt einerseits die Möglichkeiten, daß nur an einem Umfangsende eine Schulter vorhanden ist oder daß an beiden Umfangsenden eine Schulter vorhanden ist. Andererseits werden aber auch die Möglichkeiten gedeckt, daß an der entsprechenden Stelle zwei oder gar noch mehr Schultern radial hintereinander vorgesehen sind (z. B. ein sogenannter Tannenbaumfuß) oder nur eine Schulter ohne radial beabstandete Nachbarschulter (was der häufigste Ausführungsfall ist).

Nach einer dritten erfindungsgemäßen Lösung der genannten Aufgabe ist die Maschine dadurch gekennzeichnet,

(d) daß die Leitstückanordnungen jeweils aus einem Leitstück bestehen, das mit einem axial verlaufenden Bolzen an dem Rotor gehalten ist.

Diese Ausbildung ist hinsichtlich der Herstellung der Leitstückanordnungen besonders einfach, weil keine äußeren Schultern, Taschen oder dergleichen hergestellt werden müssen, sondern der Bolzen z. B. durch ein gebohrtes oder ein durch Stanzung erzeugtes Loch in der Leitstückanordnung geführt werden kann. Ein Vorsehen des Bolzens im Fußendbereich des Leitstücks ist normalerweise bevorzugt, weil dort die Magnetflußführung am wenigsten beeinträchtigt wird.

Nach einer vierten erfindungsgemäßen Lösung der genannten Aufgabe ist die Maschine dadurch gekennzeichnet,

(d) daß der Rotor mehrere in Richtung der Rotorachse beabstandete, dünne Ronden aufweist und daß die Leitstückanordnungen und/oder die Dauermagnete in axiale Teillängen aufgeteilt sind, die an den Ronden befestigt sind.

Die vierte Lösung verwirklicht die Konzeption, die an den Leitstückanordnungen und/oder den Dauermagneten auftretenden Kräfte (insbesondere die magnetischen Anziehungskräfte in Radialrichtung und die Fliehkräfte) auf Teillängen der Leitstückanordnungen und/oder der Dauermagnete aufzuteilen und gleichsam portioniert abzutragen. Wie nachfolgend noch deutlicher werden wird, gibt es eine Reihe bevorzugter Möglichkeiten zur Schaffung der Verbindungen zwischen den Teillängen und den Ronden, insbesondere durch Verklebung und durch Zusammenspannen. Es versteht sich, daß die Ronden vorzugsweise in der restlichen Rotorstruktur, z. B. auch der weiter unten noch zu beschreibenden Bandage, festgelegt sind und dorthin die Haltekräfte zum Halten der Teillängen der Leitstückanordnungen und/oder der Dauermagnete abtragen.

Es ist bevorzugt, für die Ronden nicht-ferromagnetisches Material zu verwenden. Es ist besonders bevorzugt, wenn das Material zusätzlich elektrisch nichtleitend ist.

Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, daß die offenbarten vier Lösungen, wenn gewünscht einschließlich einer oder mehrerer zugeordneter Weiterbildungen, zu zweit, zu dritt oder auch zu viert miteinander kombiniert sein können. So ist es z. B. möglich, die vierte Lösung (Befestigung von axialen Teillängen an Ronden, die ihrerseits Bestandteil des Rotors sind bzw. an diesem angebracht sind) mit der ersten Lösung (Schulter-Auflagerung der Leitstücke an benachbarten Dauermagneten) zu kombinieren, um sozusagen eine zweite Sicherheitslinie vorzusehen.

Die Ronden haben vorzugsweise im wesentlichen die gleiche Radialabmessung wie die Leitstückanordnungen und die Dauermagnete oder haben vorzugsweise an der luftspaltabgewandten Seite einen radialen Überstand. Auch im erstgenannten Fall kann man fertigungstechnisch so vorgehen, daß beim Zusammenbau des Rotors zunächst ein radialer Überstand der Ronden radial innen und/oder radial außen vorhanden ist, der danach z. B. durch Überdrehen entfernt wird. Die alternative Beibehaltung eines radialen Überstands der Ronden an der luftspaltabgewandten Seite erbringt den Vorteil, daß sich die mechanische Stabilität des Rotors erhöht, daß in Axialrichtung längere Rotoren gebaut werden können und daß höhere Drehzahlen des Rotors zugelassen werden können.

Es ist in Weiterbildung bevorzugt, das "Paket" aus Ronden und Teillängen der Leitstückanordnungen und/oder der Dauermagnete durch mehrere, über den Umfang verteilte, axial verlaufende Bolzen zusammenzuspannen. Die Bolzen kann man durch den geschilderten, radialen Überstand der Ronden gehen lassen. Dann wird das magnetischen Fluß leitende Material (Dauermagnete, Leitstückanordnungen) im Querschnitt nicht reduziert. Man kann aber auch Randausnehmungen in den Leitstückanordnungen und/oder den Dauermagneten vorsehen und dort die Bolzen durch die Ronden und die Ausnehmungen gehen lassen, wodurch in Radialrichtung kein zusätzlicher Raum für die Bolzen benötigt wird. Schließlich ist es möglich, die Bolzen durch die Löcher in den Ronden und durch Löcher in den Leitstückanordnungen und/oder den Dauermagneten hindurchgehend zu lassen.

Vorzugsweise weisen die Teillängen der Leitstückanordnungen und/oder der Dauermagnete Vertiefungen oder Erhebungen auf, die für eine formschlüssige Verbindung in entsprechende Erhebungen und Vertiefungen in den Ronden eingreifen. In diesem Fall kann das Zusammenhalten des "Pakets" aus Ronden und Leitstückanordnungen und Dauermagneten mit geringer Spannkraft erfolgen, weil man nicht (allein) auf den Zusammenhalt durch die mittels Zusammenspannen erzeugten Reibkräfte angewiesen ist.

Es ist generell ein großer Vorteil insbesondere der dritten und der vierten Lösung, daß die weiter unten zu beschreibende Bandage nicht zwingend erforderlich ist (aber gewünschtenfalls vorhanden sein kann).

Man kann dadurch die für die Bandage benötigte Zusatzdicke vermeiden und die Maschine im Gehäusedurchmesser kleiner oder im Bohrungsdurchmesser größer bauen. Der Aufbau ohne Bandage schafft außerdem die Voraussetzung dafür, daß man problemlos zweiseitige Maschinen bauen kann, d. h. einen Stator radial innerhalb des Rotors und einen weiteren Stator radial außerhalb des Rotors vorsehen kann.

Die folgenden bevorzugten Weiterbildungen lassen sich bei allen vier Lösungen verwirklichen:
Vorzugsweise sind die Leitstückanordnungen jeweils symmetrisch zu einer die Rotorachse enthaltenden Radialebene. Dies bringt häufig Herstellungsvorteile mit sich, aber auch Vorteile bei der perfekteren Verteilung des Magnetflusses in der betreffenden Leitstückanordnung.

In Weiterbildung der Erfindung ist es bevorzugt, die Leitstückanordnungen jeweils geblecht auszubilden, d. h. aus gestapelten Einzelblechen aufzubauen, die jeweils in einer sich rechtwinklig zur Rotorachse erstreckenden Ebene liegen. Eine ebenfalls günstige Alternative ist die Herstellung aus kunststoffgebundenen Eisenteilchen. Die Leitstückanordnungen müssen aber nicht zwingend geblecht ausgebildet sein oder müssen nicht so dünn geblecht sein, wie die Wicklungskerne des Stators, weil sie ja nicht dauernd ummagnetisiert werden.

Vorzugsweise ist der Rotor ein Außenrotor, wobei die Dauermagnete und die Leitstückanordnungen an der Innenseite einer ringförmigen Bandage, vorzugsweise aus faserverstärktem Kunststoffmaterial, montiert sind. Die äußere Bandage ist perfekt zur Aufnahme der auf die Dauermagnete und die Leitstückanordnungen wirkenden Fliehkräfte geeignet. Sie kann aber auch der Befestigung der Leitstückanordnungen am Rotor dienen, wie einige der Ausführungsbeispiele noch verdeutlichen werden.

Außen um die Bandage herum kann eine metallische Lage zur Aufnahme von Rest-Magnetflüssen vorgesehen sein, damit in einem etwaigen, äußeren Metallgehäuse der Maschine keine Wirbelströme induziert werden.

Wird die metallische Lage aus ferromagnetischem und elektrisch leitfähigem Material vorgesehen, werden die nach außen tretenden Wechselflüsse im Rotorbereich effizient abgeschirmt. Besonders bevorzugt ist es, hierbei geblechtes Material zu verwenden, um die mit dem Abschirmungseffekt, d. h. den Wirbelströmen, verbundenen Verluste zu reduzieren. Die Lage wird dabei am günstigsten durch in Achsrichtung geschichtete Ronden aus gestanztem Blech gebildet. Je nach Festigkeit der metallischen Lage kann es ausreichend sein, die ringförmige Bandage nur noch als Isolationsschicht zwischen Dauermagneten und Leitstückanordnungen einerseits und metallischer Lage andererseits auszubilden, d. h. sie kann extrem dünn sein. Bei nicht wesentlich lastaufnehmender Ausbildung einer derartigen Isolationsschicht erhält die metallische Lage zusätzlich die Funktion einer lastaufnehmenden Bandage.

Die Induzierung von Wirbelströmen im äußeren Metallgehäuse der Maschine kann äquivalent auch durch eine geblechte metallische Lage, die an der Innenseite des Maschinengehäuses feststehend angebracht ist, verhindert werden. Es gelten dabei dieselben vorgenannten Überlegungen, wobei jedoch zusätzlich die durch die Rotation hervorgerufenen Wechselflüsse abgeschirmt werden müssen.

In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung weist der Rotor mindestens an einer Seite axial neben den Dauermagneten und den Leitstückanordnungen einen zur Befestigung der Dauermagnete und/oder der Leitstücke und/oder der Halterungsteile und/oder der Bolzen genutzten Bereich auf. Es ist nämlich unter konstruktiven Gesichtspunkten zuweilen günstiger, zur Befestigung der genannten Bauteile am Rotor nicht zu einem größeren Rotordurchmesser gehen zu müssen, sondern sich der genannten, gleichsam axial nebengeordneten Bereiche zu bedienen.

Häufig ist es günstig, zwischen den Dauermagneten und den Leitstücken, gegebenenfalls auch zwischen den mehreren Leitstücken einer Leitstückanordnung, eine Verklebung vorzusehen. Die Verklebungen vereinigen die Dauermagnete und die Leitstücke des Rotors gleichsam zu einem integralen Ganzen. Es gibt "weiche" Kleber, die gewisse Relativverlagerungen zwischen den zwei verklebten Bauteilen erlauben bzw. aufzunehmen vermögen. Andererseits gibt es "harte" Kleber, die dies nicht tun. In Ausführung der Erfindung kann man auch unterschiedliche Kleber an unterschiedlichen Stellen des Rotors einsetzen; ein weiter unten beschriebenes Ausführungsbeispiel wird das noch mehr verdeutlichen.

Eingangs der Beschreibung ist die Ausdrucksweise "die Gesamtgeometrie (des betreffenden Dauermagneten oder der betreffenden Leitstückanordnung) betrachtet" verwendet worden. Hiermit soll zum Ausdruck gebracht werden, daß die Umfangsbreite nicht zwingend gleichmäßig oder monoton von dem Kopfbereich zu dem Fußbereich zunehmen bzw. abnehmen muß. Es kommt auf die Gesamtkonfiguration an, wobei z. B. eine insgesamt zunehmende Umfangsbreite durchaus einmal für ein Stück abnehmen und dann wieder zunehmen kann. Ein gutes Beispiel sind auch die erfindungsgemäßen Verbreiterungen am Fußende der Leitstücke. Obwohl bei den Leitstückanordnungen - die Gesamtgeometrie betrachtet - die Umfangsbreite von dem luftspaltseitigen Kopfbereich zu dem Fußbereich abnimmt, deckt die gewählte Ausdrucksweise eine mehr lokale Verbreiterung in Umfangsrichtung am Fußende.

Außerdem wird darauf hingewiesen, daß die erfindungsgemäße Maschine vorzugsweise nach dem Flußkonzentrationsprinzip aufgebaut ist. Die halbe Flußaustrittsfläche jeder Leitstückanordnung am Luftspalt soll kleiner sein als die Projektionsfläche eines der zwei benachbarten Dauermagneten, wobei die Projektionsfläche in einer die Rotorachse enthaltenden Radialebene liegt. Aufgrund dieser Bedingung hat man am Luftspalt eine größere Magnetflußkonzentration als in den magnetflußerzeugenden Dauermagneten.

Die Erfindung und Weiterbildungen der Erfindung werden nachfolgend anhand von schematisiert dargestellten Ausführungsbeispielen noch näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 einen Teil eines Außenrotors erster Ausführungsform einer elektrischen Maschine im Querschnitt;

Fig. 2 einen Teil eines Außenrotors zweiter Ausführungsform einer elektrischen Maschine im Querschnitt;

Fig. 3 einen Teil eines Außenrotors dritter Ausführungsform einer elektrischen Maschine im Querschnitt;

Fig. 4 einen Teil eines Außenrotors vierter Ausführungsform einer elektrischen Maschine im Querschnitt;

Fig. 5 einen Teil eines Außenrotors fünfter Ausführungsform einer elektrischen Maschine im Querschnitt;

Fig. 6 eine Teilansicht des Außenrotors von Fig. 5 in Ansicht von radial außen;

Fig. 7 einen Teil eines Außenrotors sechster Ausführungsform einer elektrischen Maschine im Querschnitt;

Fig. 8 einen Halterungsrahmen des Außenrotors von Fig. 7 in perspektivischer Darstellung;

Fig. 9 einen Teil eines Außenrotors siebter Ausführungsform einer elektrischen Maschine im Längsschnitt;

Fig. 10 einen Teil eines Außenrotors achter Ausführungsform einer elektrischen Maschine im Querschnitt.

Der gezeichnete Rotor 2 besteht im wesentlichen aus einer äußeren Bandage 4 aus faserverstärktem Kunststoff und an der Innenseite der Bandage 4 - in Umfangsrichtung 6 miteinander abwechselnd - Dauermagneten 8 und Magnetfluß-Leitstückanordnungen 10. Der Luftspalt 12 der elektrischen Maschine (Elektromotor oder Stromgenerator), zu der der gezeichnete Rotor 2 gehört, befindet sich am radial inneren Umfang des Rotors 2. Radial innen von dem Luftspalt befindet sich der nicht eingezeichnete Stator der elektrischen Maschine, der in Umfangsrichtung eine Folge von bewickelten Statorpolen in der Teilung der Leitstücke 10 oder einer davon leicht unterschiedlichen Teilung hat. Man erkennt, daß die radial nach innen weisenden Magnetfluß-Austrittsflächen 14 der Flußleitstücke ein kleines Stück radial weiter nach innen positioniert sind als die radial inneren Begrenzungsflächen 16 der Dauermagnete 8. Dennoch kann man den Luftspalt 12 als im wesentlichen zylindrisch bezeichnen.

Abgesehen von der nachfolgend noch genauer zu beschreibenden Gestaltgebung der Dauermagnete 8 und der Leitstücke 10 zur Verankerung der Leitstücke 10 am Rotor 2, hätten die Leitstücke 10 in dem betrachteten Schnitt quer zur Rotationsachse der Maschine eine trapezförmige Gestalt mit der sehr schmalen, kürzeren Trapezseite radial außen. Die Dauermagnete 8 hätten, betrachtet im gleichen Schnitt, ebenfalls eine trapezförmige Gestalt, allerdings mit der kürzeren Trapezseite, die nicht ganz so schmal wie bei den Leitstücken 10 ist, radial innen. Der dem Luftspalt 12 nahe Bereich sowohl der Dauermagnete 8 als auch der Leitstücke 10 wird im vorliegenden Patent "Kopfbereich" genannt, während der von dem Luftspalt 12 entfernte Endbereich (bzw. der Bandage 4 benachbarte Bereich) als "Fußbereich" bezeichnet wird.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 1 besteht jede Leitstückanordnung 10 aus einem Leitstück. Ausführungen weiter unten werden vor Augen führen, daß die betreffende Leitstückanordnung 10 auch aus zwei Leitstücken oder noch mehr Leitstücken bestehen kann.

Ausgehend von der angesprochenen Trapez-Grundform ist bei jedem Leitstück 10 am radial äußeren Fußende eine Verbreiterung in Umfangsrichtung vorgesehen. Da jedes Leitstück 10 im betrachteten Schnitt symmetrisch zu der eingezeichneten, die Rotorachse enthaltenden, radialen Mittelebene 18 ist, wird hierdurch an jeder Umfangsseite eine Schulter 20 gebildet. Die jeweilige, der Abstützung am benachbarten Dauermagneten 8 dienende Schulterfläche 22 verläuft beim gezeichneten Ausführungsbeispiel nicht tangential, sondern unter einem Winkel von ca. 70 Grad schräg zur Tangentialrichtung. Die Dauermagnete 8 sind komplementär geformt, so daß die Dauermagnete 8 in ihrem Fußbereich wieder schmäler in Umfangsrichtung werden. Somit stützt sich jedes Leitstück 10 formschlüssig mit seinen Schultern 20 auf zwei benachbarten Dauermagneten 8 ab und ist auf diese Weise gegen Verlagerung nach radial innen, d. h. in Richtung zum Luftspalt 12 festgelegt. Die Dauermagnete 8 können sich nicht nach radial innen verlagern, da sie gleichsam jeweils zwischen zwei benachbarten Leitstücken 10 eingekeilt sind.

Die Bandage 4 nimmt die auf die Dauermagnete 8 und die Leitstücke 10 wirkenden Fliehkräfte auf. Wenn die auf die Leitstücke 10 anziehend nach radial innen wirkenden Magnetkräfte die auf das betreffende Leitstück 10 nach radial außen wirkende Fliehkraft übersteigen, werden die Leitstücke 10 durch eine gewölbeartige Abstützung an den jeweils benachbarten Dauermagneten 8 gehalten. Eine Befestigung der Leitstücke 10 in der Bandage 4 gegen Verlagerung nach radial innen ist nicht erforderlich, wiewohl eine solche zusätzlich vorgesehen sein könnte.

Die Dauermagnete 8 sind in Umfangsrichtung 6 magnetisiert. In den Leitstücken 10 biegt der Magnetfluß in die Radialrichtung um. Die halbe Magnetfluß-Austrittsfläche 14 jedes Leitstücks 10 ist erheblich weniger breit (in Umfangsrichtung) als die Radialerstreckung eines benachbarten Dauermagneten 8 ist, so daß eine Magnetflußkonzentration von etwa 3 : 1 gegeben ist.

An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 2, 4, 5, 7 eine äußere Bandage 4 entsprechend der in Fig. 1 gezeichneten Bandage 4 nicht eingezeichnet, aber normalerweise vorhanden ist. Andererseits wird hier darauf hingewiesen, daß eine äußere Bandage 4 nicht zwingend erforderlich ist. Im Zusammenhang mit Fig. 2 wird ausgeführt werden, wie man sich einen alternativen Aufbau vorstellen kann.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 2 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß Fig. 1 zunächst einmal darin, daß die Schultern 20 der Leitstücke 10 nicht durch schräg verlaufende Schulterflächen gebildet sind, sondern durch in Tangentialrichtung verlaufende Schulterflächen 22. Außerdem ist eine Besonderheit, daß die Umfangsbreite der Leitstücke 10 radial ein Stück weiter innen sprunghaft zunimmt. Das muß nicht so sein; die betreffende Schulter 20 könnte auch von der schrägen Trapezfläche aus losgehen, müßte dann aber in Umfangsrichtung etwas weiter gehen als beim gezeichneten Ausführungsbeispiel.

Ein weiterer Unterschied besteht darin, daß die Leitstücke 10 sich nicht an komplementär gestalteten, benachbarten Dauermagneten 8 abstutzen sondern jeweils an zwei benachbarten Halterungsteilen 24, die ihrerseits an der Rotorstruktur befestigt sind. Radial innen von jedem Halterungsteil 24 befindet sich ein unmodifiziert trapezförmiger Dauermagnet 8.

Die Halterungsteile 24 bestehen z. B. aus Kunststoff und sind auf irgendeine dem Fachmann geläufige Weise an der Rotorstruktur befestigt. Anhand des Ausführungsbeispiels der Fig. 2 kann man sich die Möglichkeit vorstellen, daß überhaupt keine äußere Bandage 4 vorhanden ist, sondern an beiden Seiten des Rotors 2 axial neben den Dauermagneten 8, den Leitstücken 10 und den Halterungsteilen 24 ein Befestigungsbereich z. B. in Form einer Ringscheibe, die 1/4 der radialen Höhe der Leitstücke 10 einnimmt, vorgesehen ist. In diesen Ringscheiben können die Halterungsteile 24 z. B. durch einen Bolzen 26 befestigt sein.

Anhand der Fig. 2 kann man sich auch veranschaulichen, daß es alternativ möglich ist, statt eines integralen Leitstücks 10 zwischen zwei benachbarten Dauermagneten 8 eine Leitstückanordnung 10 aus zwei zueinander symmetrischen Leitstücken vorzusehen. Jedes einzelne Leitstück hätte dann nur eine einseitige Schulter 20 zur Abstützung an einem benachbarten Halterungsteil 24.

Die Ausführungsform gemäß Fig. 3 unterscheidet sich von der Ausführungsform gemäß Fig. 1 im wesentlichen dadurch, daß die Leitstücke 2 am Fußende eine im betrachteten Schnitt nahezu vollkreisförmige Verbreiterung 28 haben. Man könnte auch in anderen Worten sagen, daß die so gebildeten Schultern 20 kreisbogenförmig gekrümmt sind. Mit den Schultern 20 stützen sich die Leitstücke 10 an Halterungsteilen 24 aus Kunststoff ab. Eine äußere Bandage 4 ist eingezeichnet.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 ist jede Leitstückanordnung 10 entlang einer Radialebene, die die Rotationsachse des Rotors 2 enthält, in zwei Leitstücke 10a und 10b unterteilt. Ein Leitstück 10a ist mit einem Leitstück 10b einer benachbarten Leitstückanordnung 10 radial außen über den dazwischenliegenden Dauermagneten 8 hinweg verbunden. Mit dieser "Verbindungsbrücke" 30 stützen sich die beiden Leitstücke 10a und 10b auf dem dazwischenliegenden Dauermagneten 8 ab. Zwischen der Verbindungsbrücke 30 und dem dortigen Dauermagneten befindet sich ein Zwischenstück 32 aus Kunststoff. Jede Verbindungsbrücke 30 kann man sich als "zusammengewachsenen" Übergang zwischen den Schultern der zwei Leitstücke 10b, 10a aus zwei benachbarten Leitstückanordnungen 10 vorstellen.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 und 6 ist jedes Leitstück 10 mittels eines axial verlaufenden Bolzens 34 gehalten, der seinerseits an der Rotorstruktur festgelegt ist. Zum Beispiel kann man sich hierfür Befestigungsbereiche des Rotors 2 vorstellen, die beidseitig axial neben den Dauermagneten 8 und den Leitstücken 10 vorgesehen sind, analog wie im Zusammenhang mit Fig. 2 beschrieben. Außerdem ist in Fig. 6 dargestellt, daß das betreffende Leitstück 10 geblecht ausgebildet ist. Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, daß bei allen Ausführungsbeispielen alternativ vorgesehen sein kann, die Leitstücke 10 geblecht auszubilden.

Es ist günstig, wenn die Bolzen 34 nach dem Zusammenbau des Rotors 2 Zugvorspannung haben. Ferner ist es günstig, die beiden aus dem Leitstück 10 vorragenden Enden des jeweiligen Bolzens 34 (bzw. den Bolzenkopf und die Bolzenmutter) mit relativ großem Durchmesser und/oder relativ großer Axiallänge auszubilden, so daß die Festlegung des Bolzens 34 in der Rotorstruktur mit relativ geringer Flächenpressung erfolgen kann, und die Scherspannung auf den Bolzen beim Übergang vom Leitstück 10 auf den axial außen befindlichen Befestigungsbereich minimiert wird.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 7 und 8 hat man wiederum Leitstückanordnungen 10, die jeweils zwischen zwei benachbarten Dauermagneten entlang einer die Rotationsachse des Rotors enthaltenden Radialebene in zwei Leitstücke 10a und 10b unterteilt sind. Im Bereich der Teilungsebene zwischen den zwei Leitstücken 10a, 10b ist eine Tasche 36 eingearbeitet, die im betrachteten Schnitt die Gestalt eines hohen, in Umfangsrichtung schmalen Rechtecks hat. Auf diese Weise wird durch das radial äußere Ende der Tasche 36 in jedem Leitstück 10a, 10b eine schmale Schulter 20 ausgebildet. Durch jede Tasche 36 verläuft ein Halterungsteil 24, das eine komplementäre Gestalt eines hohen, in Umfangsrichtung schmalen Rechtecks hat. Die Halterungsteile 24 sind jeweils paarweise mittels Stirnplatten 38 zu einem Halterungsrahmen 40 verbunden, der in Fig. 8 gezeichnet ist. Die Stirnplatten 38 weisen in Axialrichtung ausladende Auskragungen 42 auf, mit denen sie an der Rotorstruktur befestigt sind, z. B. mittels Schrauben von radial innen her an der nicht eingezeichneten Bandage 4. Eine andere Möglichkeit ist, daß sich die Halterungsrahmen 40 einerseits an der Bandage und andererseits an Befestigungsbereichen des Rotors 2, die beidseitig axial neben den Dauermagneten 8 und den Leitstücken 10 vorgesehen sind, abstützen.

Es wird darauf hingewiesen, daß es alternativ möglich ist, nicht zwei benachbarte Halterungsteile 24 zu einem Halterungsrahmen 40 zu verbinden, sondern einzeln in der Rotorstruktur zu befestigen, z. B. in Befestigungsbereichen des Rotors 2, die axial neben den Dauermagneten 8 und den Leitstücken 10a und 10b vorgesehen sind.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 9 ist jede Leitstückanordnung 10 (die sich - im Querschnitt durch die Rotorachse betrachtet - zwischen einer im Umfangsrichtung links benachbarten Dauermagnetanordnung 8 und einer in Umfangsrichtung rechts anschließenden Dauermagnetanordnung 8 befindet) in mehrere, in Axialrichtung gestapelte Teillängen 44 aufgeteilt, die man auch als Leitstückplättchen, die in axialer Sicht eine trapezförmige Gestalt haben, bezeichnen könnte. Jeweils zwischen zwei benachbarten Leitstückplättchen 44 befindet sich eine Ronde 46, die in axialer Sicht eine kreisringförmige Gestalt mit Innendurchmesser und Außendurchmesser hat. Jede Ronde 46 besteht aus nicht-ferromagnetischem Material, vorzugsweise aus Kunststoff. Das ganze "Paket" aus Flußleitplättchen 44 und Ronden 46 ist mittels eines Bolzens 34, der durch entsprechende Löcher in den Flußleitplättchen 44 und den Ronden 46 gesteckt ist, an dem Rotor 2 befestigt. An jeder Kontaktfläche zwischen einem Flußleitplättchen 44 und einer Ronde 46 sind die beiden Bauteile miteinander verklebt. Außerdem ist es als günstig bevorzugt, über den Bolzen 34 eine Zusammenklemmkraft auf das beschriebene "Paket" auszuüben.

In Umfangsrichtung benachbart ist entweder ein in Axialrichtung durchgehender Dauermagnet 8 vorhanden; in diesem Fall müßten die in Umfangsrichtung ja durchgehenden Ronden 46 dort entsprechend ausgenommen sein. Oder man verwirklicht auch bei den Dauermagneten 8 eine entsprechende axiale Unterteilung wie bei den Leitstückanordnungen 10. Dann sieht die zeichnerische Darstellung auch dort ganz analog wie in Fig. 9 aus. Wieder ein Stück in Umfangsrichtung weiter folgt ein "Paket" aus Leitstückplättchen 44 und Ronden 46.

Man erkennt, daß jede Verklebung zwischen einem Leitstückplättchen 44 (bzw. Dauermagnetplättchen) und zwei benachbarten Ronden 46 nur diejenigen Kräfte aufnehmen muß, die von dem betreffenden Leitstückplättchen 44 herrühren. Man kann die Öffnungen in den Leitstückplättchen 44 und in den Ronden 46 für den Bolzen 34 größer als den Bolzendurchmesser ausführen, könnte ihn aber auch gleich groß ausführen.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 10 hat man ebenfalls Ronden 46, im Grundsatz wie beschrieben im Zusammenhang mit Fig. 9. Allerdings haben die Ronden 46 radial außen einen Überstand 48 relativ zu den Leitstückplättchen 44 und den Dauermagneten 8 bzw. Dauermagnetplättchen. Man kann den radialen Überstand 48 benutzen, um dort durch Öffnungen 50 über den Umfang verteilt mehrere axial verlaufende, nicht eingezeichnete Bolzen zu stecken und mittels der Bolzen das Paket der Ronden 46 und Leitstückplättchen und/oder Dauermagnetplättchen zusammenzuspannen. Zusätzlich können, müssen aber nicht, Bolzen durch die Leitstückplättchen 44 hindurch vorgesehen sein, analog Ausführungsform von Fig. 9.

Insbesondere bei den Ausführungsformen gemäß Fig. 9 und 10 sieht man, daß keine umhüllende, bzw. kraftaufnehmende Struktur, z. B. nach Art der geschilderten Bandage, erforderlich ist.

Es ist bei allen Ausführungen in der Regel günstig, die Leitstückanordnungen 10 außerdem an der Bandage 4, sofern vorhanden, anzukleben. Verklebungen der Leitstücke bzw. Teillängen der Leitstücke mit Dauermagneten 8 und/oder Bandage 4 und/oder Ronden 46 wirkt dämpfend und erniedrigt das Geräuschniveau des Rotors 2 beim Betrieb.

Claims

1. Elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor (2), die durch einen Luftspalt (12) getrennt sind, wobei

(a) der Rotor (2) mit im wesentlichen in Umfangsrichtung magnetisierten Dauermagneten (8) und jeweils einer Magnetfluß-Leitstückanordnung (10) aus mindestens einem Magnetfluß-Leitstück (10a; 10b) zwischen zwei benachbarten Dauermagneten (8) aufgebaut ist;
(b) die Dauermagnete (8) - die Gesamtgeometrie betrachtet - jeweils eine von dem luftspaltseitigen Kopfbereich zu dem Fußbereich zunehmende Umfangsbreite haben;
(c) und die Leitstückanordnungen (10) zwischen zwei benachbarten Dauermagneten (8) - die Gesamtgeometrie betrachtet - jeweils eine von dem luftspaltseitigen Kopfbereich zu dem Fußbereich abnehmende Umfangsbreite haben, dadurch gekennzeichnet,
(d) daß die Leitstücke (10a; 10b) jeweils am Fußende eine Verbreiterung in Umfangsrichtung mit mindestens einer Schulter (20) aufweisen, mit der sie sich an einem benachbarten Dauermagneten (8) gegen Verlagerung in Richtung zum Luftspalt (12) abstützen.

2. Elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor (2), die durch einen Luftspalt (12) getrennt sind, wobei

(a) der Rotor (2) mit im wesentlichen in Umfangsrichtung magnetisierten Dauermagneten (8) und jeweils einer Magnetfluß-Leitstückanordnung (10) aus mindestens einem Magnetfluß-Leitstück (10a; 10b) zwischen zwei benachbarten Dauermagneten (8) aufgebaut ist;
(b) die Dauermagnete (8) - die Gesamtgeometrie betrachtet - jeweils eine von dem luftspaltseitigen Kopfbereich zu dem Fußbereich zunehmende Umfangsbreite haben;
(c) und die Leitstückanordnungen (10) zwischen zwei benachbarten Dauermagneten (8) - die Gesamtgeometrie betrachtet - jeweils eine von dem luftspaltseitigen Kopfbereich zu dem Fußbereich abnehmende Umfangsbreite haben, dadurch gekennzeichnet,
(d) daß die Leitstücke (10a; 10b) jeweils mindestens eine Schulter (20) aufweisen, mit der sie sich an einem Halterung steil (24) gegen Verlagerung in Richtung zum Luftspalt (12) abstützen, wobei das Halterungsteil (24) durch den Rotor (2) gebildet ist oder an dem Rotor (2) befestigt ist.

3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitstückanordnungen (10) jeweils aus einem Leitstück (10), beidseitig mit Schulter (20) bestehen.

4. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitstückanordnungen (10) jeweils aus zwei Leitstücken (10a; 10b), einseitig oder beidseitig mit Schulter (20), bestehen.

5. Elektrische Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei Leitstücke (10a; 10b) aus benachbarten Leitstückanordnungen (10) über den dazwischenliegenden Dauermagneten (8) hinweg miteinander verbunden sind.

6. Elektrische Maschine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den zwei Leitstücken (10a; 10b) der betreffenden Leitstückanordnung (10) eine Tasche (36) ausgebildet ist, in der ein Halterungsteil (24) angeordnet ist.

7. Elektrische Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Halterungsteile (24) von zwei benachbarten Leitstückanordnungen (10) zu einem gemeinsamen Halterungsrahmen (40) verbunden sind.

8. Elektrische Maschine nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitstücke (10a; 10b) radial hintereinander jeweils mehrere Schultern aufweisen.

9. Elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor (2), die durch einen Luftspalt (12) getrennt sind, wobei

(a) der Rotor (2) mit im wesentlichen in Umfangsrichtung magnetisierten Dauermagneten (8) und jeweils einer Magnetfluß-Leitstückanordnung (10) aus mindestens einem Magnetfluß-Leitstück (10a; 10b) zwischen zwei benachbarten Dauermagneten (8) aufgebaut ist;
(b) die Dauermagnete (8) - die Gesamtgeometrie betrachtet - jeweils eine von dem luftspaltseitigen Kopfbereich zu dem Fußbereich zunehmende Umfangsbreite haben;
(c) und die Leitstückanordnungen (10) zwischen zwei benachbarten Dauermagneten (8) - die Gesamtgeometrie betrachtet - jeweils eine von dem luftspaltseitigen Kopfbereich zu dem Fußbereich abnehmende Umfangsbreite haben,
dadurch gekennzeichnet,
(d) daß die Leitstückanordnungen (10) jeweils aus einem Leitstück (10) bestehen, das mit einem axial verlaufenden Bolzen (34) an dem Rotor (2) gehalten ist.

10. Elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor (2), die durch einen Luftspalt (12) getrennt sind, wobei

a) der Rotor (2) mit im wesentlichen in Umfangsrichtung magnetisierten Dauermagneten (8) und jeweils einer Magnetfluß-Leitstückanordnung (10) aus mindestens einem Magnetfluß-Leitstück (10a; 10b) zwischen zwei benachbarten Dauermagneten (8) aufgebaut ist;
b) die Dauermagnete (8) - die Gesamtgeometrie betrachtet - jeweils eine von dem luftspaltseitigen Kopfbereich zu dem Fußbereich zunehmende Umfangsbreite haben;
c) und die Leitstückanordnungen (10) zwischen zwei benachbarten Dauermagneten (8) - die Gesamtgeometrie betrachtet - jeweils eine von dem luftspaltseitigen Kopfbereich zu dem Fußbereich abnehmende Umfangsbreite haben, dadurch gekennzeichnet,
d) daß der Rotor mehrere in Richtung der Rotorachse beabstandete dünne Ronden aufweist, und daß die Leitstückanordnungen (10) und/oder die Dauermagnete (8) in axiale Teillängen aufgeteilt sind, die mit den Ronden verbunden sind.

11. Elektrische Maschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ronden im wesentlichen die gleiche Radialabmessung wie die Leitstückanordnungen (10) und die Dauermagnete (8) haben.

12. Elektrische Maschine nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ronden gegenüber den Leitstückanordnungen (10) und den Dauermagneten (8) auf der luftspaltabgewandten Seite einen radialen Überstand haben.

13. Elektrische Maschine nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß in dem radialen Überstand der Ronden Löcher vorgesehen sind, durch die axial verlaufende Bolzen zum Zusammenspannen der Ronden gesteckt sind.

14. Elektrische Maschine nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Teillängen der Leitstückanordnungen (10) und/oder der Dauermagnete (8) beidseitig mit den Ronden flächig verklebt sind.

15. Elektrische Maschine nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Teillängen der Leitstückanordnungen (10) und/oder der Dauermagnete (8) zwischen den Ronden festgeklemmt sind.

16. Elektrische Maschine nach mindesten einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Teillängen der Leitstückanordnungen (10) und/oder der Dauermagnete Vertiefungen oder Erhebungen aufweisen, die für eine formschlüssige Verbindung in entsprechende Erhebungen und Vertiefungen in den Ronden eingreifen.

17. Elektrische Maschine nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Teillängen der Leitstückanordnungen (10) und/oder der Dauermagnete (8), wie auch die Ronden, Löcher aufweisen, durch die axial verlaufende Bolzen gesteckt sind.

18. Elektrische Maschine nach mindestens einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Ronden axial vorstehende Halterungsvorsprünge zum Hintergreifen der Teillängen der Leitstückanordnungen (10) und/oder der Dauermagnete (8) aufweisen.

19. Elektrische Maschine nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitstückanordnungen (10) jeweils symmetrisch zu einer die Rotorachse enthaltenden Radialebene sind.

20. Elektrische Maschine nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitstückanordnungen (10) jeweils geblecht sind.

21. Elektrische Maschine nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (2) ein Außenrotor ist; und daß die Dauermagnete (8) und die Leitstückanordnungen (10) an der Innenseite einer ringförmigen Bandage (4), vorzugsweise aus faserverstärktem Kunststoffmaterial, montiert sind.

22. Elektrische Maschine nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß außen um die Bandage (4) herum eine metallische Lage zur Aufnahme von Rest-Magnetflüssen vorgesehen ist.

23. Elektrische Maschine nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß das Material der metallischen Lage ferromagnetisch, und elektrisch leitfähig ist.

24. Elektrische Maschine nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die metallische Lage aus geblechtem Material ausgeführt ist.

25. Elektrische Maschine nach mindestens einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Dauermagneten (8) und den Leitstückanordnungen (10) einerseits und der metallischen Lage andererseits eine Schicht vorhanden ist, die im wesentlichen nur die Funktion der elektrischen Isolation hat.

26. Elektrische Maschine nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (2) mindestens an einer Seite axial neben den Dauermagneten (8) und den Leitstückanordnungen (10) einen zur Befestigung der Dauermagnete (8) und/oder der Leitstücke (10) und/oder der Halterungsteile (24) und/oder der Bolzen (34) genutzten Bereich aufweist.

27. Elektrische Maschine nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß Verklebungen zwischen den Dauermagneten (8) und den Leitstücken (10) vorgesehen sind.