DE4240995A1 - Permanentmagnetrotor - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Permanentmagnetrotor für elektrische Maschinen, insbesondere für Synchronmotoren oder elektronisch kommutierte Gleichstrommotoren, der im Oberbegriff des Anspruchs 1 definierten Gattung.

Solche Rotoren mit in Nuten eingespritztem oder eingegossenem Magnetmaterial haben den Vorteil, bei hoher Fliehkraftfestigkeit mit geringen Kosten gefertigt werden zu können. Sie werden bevorzugt in elektrischen Antriebsmotoren für Kraftstoffpumpen oder Handwerkzeugmaschinen eingesetzt. Als Magnetmaterial wird dabei vorzugsweise kunststoffgebundenes, spritzbares Neodym-Eisen-Bor (NdFeB) verwendet. Die fertigen Rotoren werden zur Aufmagnetisierung in einer Magnetisiereinrichtung einer Magnetisierfeldstärke ausgesetzt, die bei Verwendung von NdFeB ca. 3000 kA/m betragen muß.

Bei einem bekannten Permanentmagnetrotor der eingangs genannten Art (DE-OS 40 33 454) sind die Nuten tief und relativ schmal mit parallel zu der radial ausgerichteten Nutachse verlaufenden Nutflanken ausgeführt. Zur fliehkraftfesten Halterung des Magnetmaterials sind in den Nuten in Radialrichtung wirksame Abstützungen eingebracht, die einstückig mit dem Rotorkörper sind. Solche Abstützungen sind z. B. Axialstege, die von den Nutflanken rechtwinklig ins Nutinnere hinein vorspringen, oder von dem Nutgrund radial ins Nutinnere hinein vorstehende, axial längsdurchgehende Mittelstege mit querabstehenden ringförmigen Abstützschultern. Wird der bekannte Rotor in eine Magnetisiereinrichtung eingesetzt, so wird - da die Magnetisierfeldstärke prinzipbedingt vom Rotorumfang zur Rotorachse hin abnimmt - das Magnetmaterial im Nutgrund der tiefen Nuten nicht ausreichend magnetisiert und damit das Magnetmaterial nur unzureichend ausgenutzt.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Permanentmagnetrotor mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, daß durch die breiten, gekrümmten Querteile der T-förmigen Nuten bei gleichem oder verringertem Nutquerschnitt und damit gleich vielem oder reduziertem Magnetmaterial der Nutgrund sehr viel näher an der Rotoroberfläche liegt und damit die Magnetisierbarkeit des Magnetmaterials deutlich verbessert wird. Außerdem stehen nunmehr die Nuten annähernd senkrecht zum magnetisierenden Magnetfeld in der Magnetisiereinrichtung, wodurch das Magnetmaterial in den Nuten in der gewünschten Richtung magnetisiert wird. Mit den heute üblichen, serientauglichen Magnetisiereinrichtungen kann aufgrund der Nutausbildung eine vollständige Magnetisierung des Magnetmaterials bei minimiertem Energieaufwand erreicht und damit das Magnetmaterial optimal ausgenutzt werden.

Durch die T-förmige Ausbildung der Magnetnuten entsteht ein starker Hinterschnitt für das eingegossene oder eingespritzte Magnetmaterial, so daß eine hohe Fliehkraftfestigkeit erreicht wird und weitgehend auf zusätzliche Maßnahmen zur Magnetmaterialabstützung in Radialrichtung in der Nut verzichtet werden kann. Die zwischen den Querteilen der Magnetnuten verbleibenden Stege des Rotorkörpers werden so schmal ausgebildet, daß noch eine ausreichende Materialstärke im Rotorkörper vorhanden ist, welche die Fliehkraft ohne Festigkeitsverlust aufzunehmen vermag.

Durch die in den weiteren Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Rotors möglich.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in jeder Nut ein Mittelsteg vorgesehen, der vom Nutgrund ausgehend mit der Achse des T-Mittelteils der Nut fluchtet und sich über die gesamte axiale Nutlänge erstreckt. Am freien Ende trägt der Mittelsteg eine Verdickung mit einer zur Rotorachse weisenden, vom Mittelsteg quer abstehenden ringförmigen Abstützschulter für das Magnetmaterial. Der Mittelsteg verläuft dabei in jeder Nut zwischen Nord- und Südpol des magnetisierten Magnetmaterials. Er ist im Breitenverhältnis zur Nut möglichst schmal gehalten, um die Verluste im Magnetkreis vernachlässigbar klein zu machen. Da die Nutbreite aber relativ groß ist, kann der Mittelsteg relativ stark ausgeführt werden, so daß er hohe Fliehkräfte aufzunehmen vermag. Der Mittelsteg ist einstückig mit dem Rotorkörper und weist eine breite, mit Rundungsradien versehene Stegwurzel auf. Der Mittelsteg endet bevorzugt im Abstand vom Rotorumfang und wird U-förmig von dem Magnetmaterial in der Nut umschlossen. Sein Ende ist dann gerundet, um eine möglichst geringe Kerbwirkung auf das Magnetmaterial sicherzustellen.

Zeichnung

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt eines Rotors,

Fig. 2 eine ausschnittweise Darstellung des Magnetfeldverlaufs in einer Magnetisiereinrichtung mit eingesetztem Rotor.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Der in Fig. 1 im Querschnitt dargestellte Permanentmagnetrotor oder Dauermagnetläufer für eine elektrische Maschine, insbesondere für einen Synchronmotor oder einen elektronisch kommutierten Gleichstrommotor, ist besonders für höherpolige Maschinen geeignet. Er ist in dem Ausführungsbeispiel in Fig. 1 sechspolig ausgeführt und weist einen zylindrischen Rotorkörper 10 aus ferromagnetischem Material auf, in dem die sechs Permanentmagnetpole integriert sind. Der Rotorkörper 10 ist quer zur Rotorachse 14 laminiert ausgeführt, d. h. er besteht aus einer Vielzahl von Blechlamellen 11 aus Elektroblech von ca. 0,3-1 mm Blechdicke, die in Achsrichtung zu einem Blechpaket zusammengesetzt sind. Die einzelnen Blechlamellen 11 sind entweder durch stanztechnisches Verzapfen an mehreren Stellen oder durch Verkleben mittels Backlack fest miteinander verbunden. Der laminierte oder geblechte Rotorkörper 10 bietet den Vorteil der geringeren Eisenverluste und somit eines höheren Wirkungsgrades. Außerdem kann durch das Stanzen nahezu jede beliebige Form hergestellt werden. Der Querschnitt des Rotorkörpers 10 gemäß Fig. 1 ist damit identisch einem Blechstanzschnitt.

In den Rotorkörper 10 sind sechs um gleiche Umfangswinkel gegeneinander versetzte Nuten 12 durch Ausstanzen der einzelnen Blechlamellen 11 eingebracht, die im Querschnitt T-Form aufweisen. Der radial ausgerichtete Mittelteil 121 des T mündet am Rotorumfang und bildet dort die Nutöffnung 13, während der Querteil 122 des T zur Rotorachse 14 hin liegt. Die quer zum T-Mittelteil 121 verlaufenden Querflanken 122a und 122b des T-Querteils 122, von denen die Querflanke 122a den Nutgrund bildet, sind kreisbogenförmig mit einem in der Rotorachse 14 liegenden Krümmungsmittelpunkt gekrümmt ausgeführt. Der Übergang von der den Nutgrund bildenden Querflanke 122a des T-Querteils 122 zu den quer dazu verlaufenden Längsflanken 122c und 122d ist bogenförmig. Die in Umfangsrichtung gesehene Breite des T-Querteils 122 ist so bemessen, daß zwischen den T-Querteilen 122 benachbarter Nuten 12 ein nur schmaler Steg 15 im Rotorkörper 10 verbleibt, der so breit bemessen ist, daß er noch die auf das ihm vorgelagerte Segment 16 des Rotorkörpers 10 wirkenden Fliehkräfte aufnehmen kann. Die die Stege 15 jeweils begrenzenden Längsflanken 122c und 122d der T-Querteile 122 benachbarter Nuten 12 sind - bis auf den bogenförmigen Übergang zum Nutgrund 122a - parallel zueinander und zu der radial ausgerichteten Stegmittelachse. Die radialen Abmessungen von T-Querteil 122 und T-Mittelteil 121 sind annähernd gleich groß. Die Seitenflanken 121a und 121b des T-Mittelteils 121 verlaufen parallel zueinander und parallel zur radial ausgerichteten Mittelachse des T-Mittelteils 121 der Nut 12.

Die Nuten 12 dienen zur fliehkraftfesten Aufnahme jeweils eines Permanentmagneten 16. Die Permanentmagnete 16 werden durch Einspritzen oder Eingießen von Magnetmaterial eingebracht, wozu der Rotorkörper 10 in einer entsprechenden Spritzform aufgenommen wird. Als Magnetmaterial wird bevorzugt eine kunststoffgebundene, spritzbare Neodym-Eisen-Bor-Legierung (NeFeB) verwendet. Die eingespritzten Permanentmagnete 16 werden in einer Magnetisiereinrichtung 17, wie sie in Fig. 2 schematisch angedeutet ist, einer Magnetisierfeldstärke H von etwa 3000 kA/m ausgesetzt. Durch die vorstehend beschriebene Form der Nuten 12 steht jede Nut 12 annähernd senkrecht zum magnetisierenden Feld, das in Fig. 2 durch Feldlinien dargestellt ist. Da das Magnetmaterial bei der prinzipbedingt vom Rotorumfang zur Rotorachse 14 hin abnehmenden Magnetisierfeldstärke insgesamt sehr nahe dem Rotorumfang liegt, wird das Magnetmaterial optimal magnetisiert. Aufgrund der Magnetisierung bildet sich zwischen benachbarten Nuten 12 in den über die Stege 15 mit dem Rotorkörper 10 einstückig verbundenen Segmenten 18 des Rotorkörpers 10 aufeinanderfolgend Nord- und Südpole aus, wie dies in Fig. 1 durch N und S verdeutlicht ist.

Durch die T-förmige Ausbildung der Nuten 12 entsteht zwischen dem Querteil 122 und dem in der Nutöffnung 13 mündenden Mittelteil 121 ein starker Hinterschnitt, wie er durch die Querflanken 122b des Querteils 122 gebildet ist. Durch diesen Hinterschnitt kann sich das Magnetmaterial sehr gut in Radialrichtung abstützen und ist weitgehend fliehkraftgesichert. Zur weiteren Verbesserung der Fliehkraftfestigkeit des Rotors sind im Blechstanzschnitt des Rotorkörpers 10 Mittelstege 19 ausgestanzt, die in jeder Nut 12, vom Nutgrund 122a ausgehend und mit der Achse des T-Mittelteils 121 fluchtend, in die Nut 12 hineinragen und sich dabei über die gesamte Länge des Rotorkörpers 10 erstrecken. Jeder Mittelsteg 19 endet mit Abstand vor der Nutöffnung 13 und trägt an seinem freien Ende eine Verdickung 191 mit einer zur Rotorachse 14 weisenden, vom Mittelsteg 19 quer abstehenden ringförmigen Abstützschulter 20 für das Magnetmaterial. Das freie Ende der Verdickung 191 ist dabei mit einem Radius gerundet. An der Stegwurzel geht der Mittelsteg 19 mit Rundungsradien in den Nutgrund 122a über. Der Mittelsteg 19 wird U-förmig von dem Magnetmaterial umschlossen und bildet damit eine weitere radiale Abstützung für das im mittleren Bereich der Nut 12 sich befindliche Magnetmaterial. Die Rundungsradien an der Verdickung 191 und an der Stegwurzel des Mittelstegs 19 reduzieren dabei die Kerbwirkung des Mittelstegs 19 auf das Magnetmaterial auf ein Minimum.

Im Rotorkörper 10, nahe der Stegwurzel der zwischen den T- Querteilen 122 benachbarten Nuten 12 verbleibenden Stege 15 sind jeweils längsdurchgehende Radialbohrungen 21 vorgesehen. Diese Axialbohrungen 21, die beim Stanzschnitt der einzelnen Blechlamellen 11 mit ausgestanzt werden, unterdrücken nachhaltig die magnetischen Verluste in den Stegen 15. Die Axialbohrungen 21 können alternativ auch auf der gegenüberliegenden Seite der Stege 15 in den Segmenten 18 des Rotorkörpers angeordnet werden, doch ist die in Fig. 1 dargestellte Anordnung der Axialbohrungen 21 die magnetisch günstigste Ausführung.

Claims (9)

1. Rotor für elektrische Maschinen, insbesondere für Synchronmotoren oder elektronisch kommutierte Gleichstrommotoren, mit einem zylindrischen Rotorkörper (10) aus ferromagnetischem Material und mit im Rotorkörper (10) angeordneten Permanentmagneten (16), die von in äquidistant angeordneten Nuten (12) eingegossenem oder eingespritztem Magnetmaterial gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Nuten (12) im Querschnitt etwa T-Form aufweisen, wobei der radial ausgerichtete Mittelteil (121) des T am Rotorumfang, dort die Nutöffnung (13) bildend, mündet und der Querteil (122) des T zur Rotorachse (14) hin liegt, daß die quer zum T-Mittelteil (121) verlaufenden Querflanken (122a, 122b) des T-Querteils (122), von denen die rotorachsennähere Querflanke (122a) den Nutgrund bildet, kreisbogenförmig mit in der Rotorachse (14) liegendem Krümmungsmittelpunkt gekrümmt sind, daß die radialen Abmessungen von T- Mittelteil (121) und T-Querteil (122) annähernd gleich groß sind und daß zwischen den T-Querteilen (122) benachbarter Nuten (12) ein mit dem Rotorkörper (10) einstückiger, vorzugsweise schmaler Steg (15) mit radialer Stegachse verbleibt.

2. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Übergang von der den Nutgrund bildenden Querflanke (122a) des T-Querteils (122) zu den quer dazu verlaufenden Längsflanken (122c, 122d) des T-Querteils (122) bogenförmig ausgebildet ist.

3. Rotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der T-Mittelteil (121) zueinander und zu seiner radialen Mittelachse parallel verlaufende Seitenflanken (121a, 121b) aufweist.

4. Rotor nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß in die Nut (12) ein vom Nutgrund (122a) ausgehender, mit der Achse des T-Mittelteils (121) fluchtender, sich über die gesamte axiale Nutlänge erstreckender Mittelsteg (19) hineinragt und daß der Mittelsteg (19) am freien Ende eine Verdickung (191) mit einer zur Rotorachse (14) weisenden, vom Mittelsteg (19) quer abstehenden ringförmigen Abstützschulter (20) für das Magnetmaterial trägt.

5. Rotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelsteg (19) mit Abstand vor der Nutöffnung (13) am Rotorumfang endet.

6. Rotor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das freie Ende des Mittelstegs (19) mit einem Radius gerundet ist.

7. Rotor nach einem der Ansprüche 4-6, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelsteg (19) einstückig aus dem Rotorkörper (10) ausgeformt ist und an seiner Stegwurzel mit Rundungsradien in den Nutgrund (122a) übergeht.

8. Rotor nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsflanken (122c, 122d) der T-Querteile (122) benachbarter Nuten (12), die den zwischen diesen T-Querteilen (122) verbleibenden Steg (15) begrenzen, zueinander und zu der Stegachse parallel verlaufen.

9. Rotor nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß im Rotorkörper (10) nahe des äußeren oder inneren Endes der zwischen den T- Querteilen (122) benachbarter Nuten (12) verbleibenden Stege (15) jeweils eine längsdurchgehende Axialbohrung (21) vorgesehen ist.