DE4234108C1

DE4234108C1 - Permanent magnet rotary electrical machine has permanent magnet rotor or stator segments partly lying within coil winding heads.

Info

Publication number: DE4234108C1
Application number: DE19924234108
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Hill
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-10-09
Filing date: 1992-10-09
Publication date: 1994-04-21
Anticipated expiration: 2012-10-10

Abstract

The machine has a radial air-gap and overlapping phase windings, with the permanent magnets of the rotor or stator divided into segments (2) of hard and soft magnetic materials, lying axially partly within the winding head (16). Segments are then fixed into place by a carrier ring (1), or are attached to a shaft by T- shaped carrier segments. The permanent magnet segments may lie radially within the air-gap so that the boundary surfaces of the adjacent segments lie at different angles. ADVANTAGE - Increased efficiency and power density.

Description

Die Erfindung betrifft eine permanentmagneterregte elektrische Maschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Maschine.The invention relates to a permanent magnet-excited electrical machine according to the preamble of claim 1 and a method for producing such a machine.

Permanentmagneterregte elektrische Maschinen, insbesondere wenn sie bürstenlos, hochpolig und mit sich überlappenden Phasenträgern ausgebildet werden, erreichen höchste Leistungsdichten. Durch die Überschneidung der Phasenstränge vergrößert sich jedoch der in den Wickelköpfen verlaufende Leiteranteil, der eine Verminderung der Leistungsdichte und des Wirkungsgrades verursacht.Permanent magnet excited electrical machines, especially if they are brushless, multi-pole and with overlapping phase carriers are formed achieve the highest power densities. However, the overlap of the phase strands increases that in the winding heads trending conductor portion, which reduces the power density and efficiency caused.

Aus der DE-AS 10 56 253 ist eine permanentmagneterregte elektrische Maschine mit radialem Luftspalt bekannt, deren segmentierter Innenläufer mit Permanentmagneten versehen ist, die mit gleichnamigen Polen einander zugekehrt und in Umfangsrichtung durch Polplatten getrennt sind. Beim Zusammensetzen des Läufers wird das letzte Segment radial von außen oder axial eingeschoben und mittels eines Keiles in ringförmig verlaufenden Nuten fixiert.From DE-AS 10 56 253 is a permanent magnet excited electrical machine with a radial Air gap known, the segmented inner rotor is provided with permanent magnets, the with poles of the same name facing each other and circumferentially through pole plates are separated. When assembling the runner, the last segment becomes radial from the outside or inserted axially and fixed in an annular groove by means of a wedge.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine permanentmagneterregte Radialluftspaltmaschine mit sich überlappenden Phasensträngen derart weiterzubilden, daß der Wirkungsgrad und die Leistungsdichte gesteigert wird.The invention is based on the object of a permanent magnet excited radial air splitting machine to develop with overlapping phase strands such that the efficiency and Power density is increased.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale der Ansprüche 1 und 6 gelöst.This object is achieved by the characterizing features of claims 1 and 6.

In o-förmigen Wickelköpfen nutzen die sich überschneidenden Phasenstränge radial auch den Raum auf Höhe des Luftspaltes, der Permanentmagnete und deren Rückschlüsse zur Strom leitung aus, wodurch eine Verringerung der Leiterlänge in den Wickelköpfen und damit eine Steigerung der Leistungsdichte und des Wirkungsgrades erreicht wird.In o-shaped winding heads, the overlapping phase strands also use that radially Space at the level of the air gap, the permanent magnets and their conclusions about the current line, which leads to a reduction in the conductor length in the end windings and thus a Increase in power density and efficiency is achieved.

Bei der Aufteilung des mit den Magneten versehenen Körpers ist bei radial außerhalb des Luftspaltes angeordneten Magneten nur eine Segmentbauform erforderlich, während bei innerhalb des Luftspaltes angeordneten Magneten zwei Segmentbauformen notwendig sind, damit in dieser Bauform die tangentiale Breite des zuletzt einzusetzenden Segments mit zunehmendem Radius abnehmen bzw. konstant bleiben kann. Die Segmente vereinfachen durch ihre kleinen Außenabmessungen und großen Stückzahlen die Automatisierung des Herstellungsverfahrens. Weiterhin wird die Wiederverwertung des Magnetmaterials durch Aufmagnetisieren nach der Demontage erleichtert.When dividing the body provided with the magnets is at radially outside of the Air gap arranged magnets only require a segment design while at inside of the air gap, two segment designs are necessary, thus the tangential width of the last segment to be used in this design increasing radius can decrease or remain constant. Simplify the segments due to their small external dimensions and large quantities, the automation of the Manufacturing process. Furthermore, the recycling of the magnetic material is carried out Magnetization easier after disassembly.

In der Beschreibung wird im folgenden von einer elektrisch kommutierten Maschine ausge gangen, deren Wicklung im Stator angeordnet ist. Der segmentierte Aufbau und das Her stellungsverfahren gilt natürlich ebenfalls für mechanisch kommutierte Maschinen, bei denen die Wicklung rotiert und die Magnete feststehen.The description below is based on an electrically commutated machine went, whose winding is arranged in the stator. The segmented structure and the fro The setting procedure naturally also applies to mechanically commutated machines which the winding rotates and the magnets are fixed.

Die Zeichnungen stellen vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung dar.The drawings represent advantageous embodiments of the invention.

Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus dem Querschnitt eines permanentmagneterregten Außen läufers mit Trägerring, Fig. 1 shows a detail of the cross section of a permanent magnet external rotor with carrier ring,

Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus dem Querschnitt eines permanentmagneterregten Innen läufers mit Trägersegmenten, Fig. 2 shows a detail of the cross section of a permanent-magnet internal rotor with support segments,

Fig. 3 zeigt drei Arbeitsschritte beim Zusammenbau eines sechspoligen Innenläufers. Fig. 3 shows three steps in assembling a six-pole inner rotor.

Fig. 1 zeigt einen permanentmagneterregten Außenläufer, dessen als Zahnrad ausgebildetes Gehäuse gleichzeitig als Trägerring 1 die hart- und weichmagnetischen Rotorsegmente 2 radial fixiert. Durch die variierende radiale Ausdehnung der Rotorsegmente 2 und des Trägerrings 1 entsteht eine periodisch zur Polteilung gewellte Grenzfläche, durch die tangentiale hohe Drehmomente von den Rotorsegmenten zum Trägerring übertragbar sind. Durch den segmentierten Aufbau des weichmagnetischen Rotorkörpers 3 können die aufge klebten Magnete 4 als Teil der Rotorsegmente 2 noch nachträglich in eine Wicklung 5 einge setzt werden, die o-förmige Wickelköpfe aufweist. Der Trägerring 1 kann jederzeit mit einem speziellen Abzieher axial von den Rotorsegmenten gezogen werden. Mit den Rotor segmenten liegen die Magnetpole 4 einzeln vor und können separat getestet, aufmagnetisiert oder ausgetauscht werden. Fig. 1 shows a permanent magnet-excited external rotor of which formed as a gear housing fixed at the same time as the support ring 1, the hard and soft magnetic rotor segments 2 radially. The varying radial expansion of the rotor segments 2 and of the carrier ring 1 creates an interface which is periodically corrugated with respect to the pole pitch and through which tangential high torques can be transmitted from the rotor segments to the carrier ring. Due to the segmented structure of the soft magnetic rotor body 3 , the magnets 4 glued on as part of the rotor segments 2 can still be inserted into a winding 5 which has o-shaped winding heads. The carrier ring 1 can be pulled axially from the rotor segments at any time with a special puller. With the rotor segments, the magnetic poles 4 are present individually and can be tested, magnetized or exchanged separately.

Fig. 2 zeigt einen permanentmagneterregten Innenläufer, dessen Rotorsegmente 6 durch T-förmige Trägersegmente 7 in ihrer Position fixiert werden. Bei ringförmigen Maschinen übernehmen die Trägersegmente eine Funktion wie die Speichen bei einem Rad. Sie übertragen das Drehmoment in radialer Richtung auf eine Welle, deren Durchmesser deutlich geringer ist als der Innendurchmesser der Rotorsegmente. Je hochpoliger und ringförmiger die Maschine ausgelegt wird, um so einfacher ist das Einsetzen des letzten Rotorsegments. Nach dem Einsetzen des letzten Rotorsegments 6 werden die Rotorteile radial nach innen gezogen, wodurch ein stabiler Aufbau mit geringen Stoßspalten entsteht. Da die permanentmagneterregte magnetische Flußdichte in der tangentialen Mitte der Magnetpole 8 ein Minimum einnimmt, beginnen und enden die Rotorsegmente 6 in Umfangsrichtung anstatt in den Pollücken 9 in der tangentialen Mitte der Magnetpole. Der Stator besteht ebenfalls aus Segmenten 10, die in einer vorgefertigten, dreiphasigen Wicklung 11 stecken und durch das mit Kühlrippen versehene Gehäuse 12 fixiert werden. Fig. 2 shows a permanent magnet excited inner rotor, the rotor segments 6 are fixed in position by T-shaped carrier segments 7 . In ring-shaped machines, the carrier segments perform a function like the spokes on a wheel. They transmit the torque in the radial direction to a shaft, the diameter of which is significantly smaller than the inside diameter of the rotor segments. The more multi-pole and ring-shaped the machine is, the easier it is to insert the last rotor segment. After the insertion of the last rotor segment 6 , the rotor parts are pulled radially inwards, which results in a stable structure with small shock gaps. Since the permanent magnet excited magnetic flux density takes a minimum in the tangential center of the magnetic poles 8 , the rotor segments 6 begin and end in the circumferential direction instead of in the pole gaps 9 in the tangential center of the magnetic poles. The stator also consists of segments 10 , which are inserted in a prefabricated, three-phase winding 11 and are fixed by the housing 12 provided with cooling fins.

Fig. 3 zeigt die Montage von hart- und weichmagnetischen Rotorsegmenten 13, 14 eines sechspoligen permanentmagneterregten Innenläufers in einen schematisch dargestellten Stator 15 mit o-förmigen Wickelköpfen 16. Fig. 3 shows the assembly of hard and soft magnetic rotor segments 13, 14 of a six-pole permanent-magnet internal rotor in a schematically illustrated stator 15 with o-shaped winding heads 16.

In Fig. 3a wird das erste Rotorsegment 13′ durch die vom Wickelkopf 16 verengte Öffnung eingesetzt. Während der Montage werden die Rotorsegmente vom Einsetzwerkzeug 17 in ihrer Position gehalten, wozu die Rotorsegmente an ihren äußeren Ecken nach innen gerichtete Erhöhungen 18 aufweisen. Durch diese Erhöhungen wird zusätzlich die Kontakt fläche zu den benachbarten Segmenten bzw. zum Trägerring 19 vergrößert und damit der Übergangswiderstand für den magnetischen Fluß und die Verlustwärme vermindert.In Fig. 3a, the first rotor segment 13 'is inserted through the opening narrowed by the winding head 16 . During assembly, the rotor segments are held in position by the insertion tool 17 , for which purpose the rotor segments have inward elevations 18 at their outer corners. Through these increases, the contact area to the adjacent segments or to the carrier ring 19 is also increased and thus the contact resistance for the magnetic flux and the heat loss is reduced.

Das Einsetzen des letzten Rotorsegments 14′ in Fig. 3b wird erleichtert, indem benachbarte Rotorsegmente 13, 14 an ihren tangentialen Stoßflächen unterschiedliche Anstellwinkel aufweisen. Hierdurch kann das letzte Rückschlußsegment 14′ eines Innenläufers radial von innen nach außen eingesetzt werden.The insertion of the last rotor segment 14 'in Fig. 3b is facilitated in that adjacent rotor segments 13 , 14 have different angles of attack at their tangential abutment surfaces. As a result, the last inference segment 14 'of an inner rotor can be used radially from the inside to the outside.

Zur Veranschaulichung des Rotoraufbaus wurde in Fig. 3c ein Teil des ringförmigen Stators 15 entfernt. Im dargestellten letzten Montageschritt übernimmt ein Trägerring 19, der von der gegenüberliegenden Seite eingeschoben wird, die Haltefunktion der sechs Ein setzwerkzeuge 17. Hierbei erfassen die Nuten des Trägerrings die entsprechend trapez förmigen Erhöhungen 18 und ziehen die Rotorsegmente dabei nach innen, wobei die Rotor segmente in der Vorrichtung durch dünne Stäbe (nicht dargestellt), die von außen genau auf die Erhöhungen 18 der Rotorsegmente drücken, axial fixiert werden.To illustrate the rotor structure, part of the annular stator 15 has been removed in FIG. 3c. In the last assembly step shown, a carrier ring 19 , which is inserted from the opposite side, takes over the holding function of the six insertion tools 17th Here, the grooves capture the carrier ring which are correspondingly trapezoidal elevations 18 and pull the rotor segments toward the inside, whereby the rotor segments in the device by thin bars (not shown) that press exactly at the ridges 18 of the rotor segments from the outside, axially fixed .

Alternativ können Trägersegmente entweder bereits starr mit der Welle verbunden wie ein genuteter Trägerring axial auf die positionierten Rotorsegmente aufgeschoben oder schon außerhalb der Maschine mit ihren Rotorsegmenten zusammengefügt und so einzeln nacheinander in die Maschine eingesetzt werden. Das tangentiale Zusammenpressen der Rotorsegmente erfolgt dann durch radial nach innen gerichtete Zugkräfte, die beim Zusammenfügen der inneren Trägersegmentenden mit der Welle entstehen.Alternatively, carrier segments can either already be rigidly connected to the shaft as a Grooved carrier ring pushed axially onto the positioned rotor segments or already outside the machine with its rotor segments and so one after the other be used in the machine. The tangential compression of the rotor segments is then carried out by radially inward tensile forces when assembling of the inner ends of the carrier segments with the shaft.

Claims

1. Permanent magnet excited electrical machine with a radial air gap and overlapping phase strands, the rotor or stator provided with permanent magnets is broken down into segments ( 2 , 6 , 13 , 14 ), characterized in that the hard and soft magnetic segments ( 2 , 6 , 13 , 14 ) lie partially axially within the winding heads ( 16 ).

2. Permanent magnet excited electrical machine according to claim 1, characterized in that the segments ( 2 , 13 , 14 ) are fixed by a carrier ring ( 1 , 19 ).

3. Permanent magnet excited electrical machine according to claim 1, wherein the permanent magnets are arranged radially within the air gap, characterized in that the segments ( 6 ) by T-shaped carrier segments ( 7 ) are connected to a shaft.

4. Permanent magnet excited electrical machine according to claim 1, wherein the permanent magnets are arranged radially within the air gap, characterized in that adjacent segments ( 13 , 14 ) have different angles of attack at their interfaces.

5. Permanent magnet excited electrical machine according to one of the preceding claims, characterized in that the segments ( 13 , 14 ) have radial elevations ( 18 ) at their tangential ends.

6. Process for producing a permanent magnet excited electrical machine with radial Air gap and overlapping phase strands, the one with permanent magnets provided rotor or stator is broken down into segments, characterized in that the hard and soft magnetic First insert segments axially and then radially one after the other and finally be fixed in an axial position within the winding heads.

7. Method for producing a permanent magnet excited electrical machine according to An saying 6, characterized in that the assembly of the hard and soft magnetic segments without additional binders.