DE69930040T2 - Elektrische Maschine mit insbesondere für hohe Geschwindigkeiten angepasstem Rotor - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf rotierende elektrische Maschinen, deren Rotor Permanentmagnete aufweist. Die Erfindung betrifft insbesondere Maschinen, bei denen die Magnete in Ausnehmungen des Rotors angeordnet sind. Allgemein werden elektrische Maschinen, um die es sich hier handelt, als Maschinen "mit vergrabenen Magneten" bezeichnet.
• Das Dokument EP 0 431 514 A beschreibt eine solche elektrische Maschine, die eine Welle aufweist, die von Überschiebmuffen umgeben ist, die aus einem nichtmagnetischen Material bestehen.
• Die Dimensionierung einer rotierenden elektrischen Maschine hängt von ihrem Nenn-Drehmoment ab. Je größer das Drehmoment ist, das ein Motor zu liefern vermag, desto voluminöser wird der Elektromotor, wenn alles andere gleichgehalten wird. Es gibt allerdings Anwendungen, bei denen es erwünscht ist, zugleich hohe Leistungen und eine hohe Kompaktheit des Motors zu erzielen. Wenn es, um einfach ein konkretes Beispiel anzuführen, erwünscht ist, Elektromotoren zum Antrieb in den Rädern von Kraftfahrzeugen einzusetzen, ist es wünschenswert, dass pro Motor Leistungen von mindestens 10 kW und sogar in der meisten Zeit von mindestens 25 oder 30 kW entwickelt werden können, und zwar bei geringstmöglichem Gewicht, um die ungefederten Massen nicht zu schwer werden zu lassen. Es ist ferner erwünscht, wenn auch der Raumbedarf sehr verringert ist und das Innenvolumen des Rades geringstmöglich übersteigt, damit sich keine Störungen mit Elementen des Fahrzeugs beim Durchfedern und anderen Arten von Radbewegungen in Bezug auf die Karosserie ergeben.
• Diese beiden Forderungen (erhöhte Leistung, geringer Raumbedarf und geringes Gewicht) machen den Einsatz von Elektromotoren zum Antrieb in den Rädern von Personenkraftwagen sehr problematisch, wenn nicht das Verhältnis von Gewicht zu Leistung der gegenwärtig auf dem Markt erhältlichen elektrischen Maschinen radikal verbessert wird.
• Die Wahl einer höheren Drehzahl für einen Elektromotor stellt eine Lösung dar, die es erlaubt, das Drehmoment und damit den Raumbedarf bei gegebener Leistung zu verringern. Anders ausgedrückt ist bei gegebener Nennleistung des Motors sein Raumbedarf umso geringer, je höher seine Nenndrehzahl ist. Die Erhöhung der Drehzahl einer rotierenden elektrischen Maschine führt allerdings zu zahlreichen Problemen der mechanischen Haltbarkeit, die noch verschärft sind, wenn das Gewicht und der Raumbedarf der rotierenden elektrischen Maschine in Grenzen gehalten werden sollen.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Konstruktion einer rotierenden elektrischen Maschine anzugeben, die es erlaubt, hohe Drehzahlen zu erzielen, beispielsweise mindestens 12 000 U/min, ohne dass Probleme hinsichtlich der Drehmomentübertragung oder hinsichtlich Zentrifugalwirkungen beim Rotor auftreten.
• Gemäß der Erfindung besitzt die rotierende elektrische Maschine, die ein Außengehäuse, das eine Tragekonstruktion bildet, und einen Stator enthält, einen Rotor, der aufweist:
• • eine einstückige Welle aus einem nichtmagnetischen Material, die über Lager am Außengehäuse angebracht ist, wobei die Lager eine Drehachse der Welle vorgeben,
• • eine Einheit, die mehrere Feldpole, welche die Welle umgeben, und Permanentmagnete aufweist, wobei die Feldpole untereinander Ausnehmungen begrenzen, die von der Oberfläche der Welle bis zum Luftspalt zwischen Rotor und Stator reichen, wobei die Ausnehmungen die Permanentmagnete enthalten,
• • einen Seitenflansch auf jeder Seite der Einheit, wobei die Welle durch eine am Seitenflansch angebrachte zentrale Ausnehmung axial durch den Seitenflansch hindurchgeht,
• • mindestens eine Spannstange pro Feldpol, die durch jeden Feldpol hindurchgeht und das Einspannen der Feldpole zwischen den Seitenflanschen erlaubt,
bei der die Welle im Schnitt senkrecht zur Drehachse eine nicht kreisförmige konvexe Form besitzt, die mit der Einheit so zusammenwirkt, dass sich die Einheit gegenüber der Welle nicht verdrehen kann.
• Der Aufbau der Welle erlaubt eine direkte Drehmomentübertragung von den Feldpolen auf die Welle, zumindest lokal, oder bevorzugt über die gesamte axiale Länge der Feldpole. Die Welle hat im Schnitt senkrecht zur Drehachse bevorzugt die Form eines konvexen regelmäßigen Polygons, das durch Kanten voneinander getrennte ebene Facetten aufweist. Jeder Feldpol weist dann im Schnitt senkrecht zur Drehachse in Bezug auf die Magnete im Wesentlichen radiale Ränder auf und bildet in Bezug auf die Welle einen einspringenden Winkel, der zur Zentrierung des Feldpols auf einer der Kanten der Welle dient. Eine hexagonale Polygonform ist für die Drehmomentübertragung von den Feldpolen auf die Welle ganz besonders günstig, wobei zugleich eine gute Kompaktheit der Welle gewährleistet ist.
• Die Erfindung wird anhand der Beschreibung eines nicht einschränkenden Beispiels unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert, wobei 1 eine perspektivische Ansicht des Rotors eines erfindungsgemäßen Motors zeigt.
• In der Zeichnung ist eine sechspolige Maschine gezeigt, von welcher der Rotor 1, die Welle 2 und die Position der Lager 20 dargestellt sind. Es sind ferromagnetische Bleche 3 dargestellt, die zu sechs Feldpolen 30 zusammengebaut sind. Jedes Blech steht im Wesentlichen senkrecht zur Achse der Welle. Es sei hier noch am Rande erwähnt, dass die Erfindung auch im Fall massiver Feldpole eingesetzt werden kann. Auf beiden Seiten der Welle 2 ist in Axialrichtung ein Seitenflansch 5 (bevorzugt aus einem nichtmagnetischen Material) dargestellt, der auf jeder Seite der Feldpole 30 angeordnet ist. Jeder Seitenflansch 5 weist eine zentrale Ausnehmung auf, deren Form der Form der Welle 2 angepasst ist. Eine Spannstange 6 pro Feldpol 30 geht durch jeden Stapel von Blechen 3 hindurch und erlaubt das Einspannen der Bleche zwischen den Seitenflanschen 5. In den Aufnahmen zwischen den Feldpolen 30 sind Permanentmagnete 4 angeordnet. Die radial äußere Seite 32 jedes Blechs 3 hat die Form eines Kreisbogens, dessen Mittelpunkt auf der Achse des Rotors liegt. Die Seite 32 weist beiderseits kleine Vorsprünge 33 auf, welche die Magnete 4 gegen die Zentrifugalwirkung zurückhalten. Die Magnete sind ferner in ihren Aufnahmen eingeklebt.
• Die Spannstangen 6 übertragen die durch die Zentrifugalkraft bedingte Last auf die Seitenflansche 5. Diese sind aufgrund ihres einstückigen Aufbaus, durch den die Welle 2 hindurchgeht und der an die Welle angepasst ist, vollkommen fest mit der Welle verbunden, wodurch die Festigkeit aller Teile des Rotors gegen Zentrifugalbeanspruchung gewährleistet ist. Bei dieser Anordnung wirken lediglich die Spannstangen 6 der Zentrifugalkraft, welche die Magnete 4 auf die Bleche 3 jedes Feldpols ausüben, sowie der Zentrifugalkraft entgegen, der die Bleche 3 selbst unterliegen (wobei die Wirkung aufgrund der Reibung zwischen jedem Blech sowie die Verklebung der Magnete 4 auf der Welle 2 vernachlässigt sind). Der Luftspalt, der zwischen dem Rotor 1 und dem Stator (nicht dargestellt) vorliegt, muss ferner so klein wie möglich sein, damit die Reluktanz des Magnetkreises so klein wie möglich wird. Eine kleine Reluktanz erlaubt den Einsatz kleinerer Magnete für einen gegebenen Wert des Nenn-Drehmoments. Dank dieser Konstruktion ist die Welle 2 sehr kompakt, da sie keinerlei Zinkung oder eine ähnliche Ausbildung aufweist, die dazu dient, die Feldpole und/oder die Magnete gegen die Zentrifugalwirkung zurückzuhalten.
• Zur weiteren Verbesserung der Haltbarkeit der Bleche gegen Zentrifugalwirkung ist es möglich, einen oder mehrere Zwischenflansche 7 zu verwenden. Diese bestehen bevorzugt aus einem nichtmagnetischen Material. Hierdurch wird eine Begrenzung der Verschiebungen der Bleche durch eine geringfügige Vergrößerung hinsichtlich der axialen Länge des Rotors erkauft, die für die Ausbildung eines Flusses im Luftspalt nicht wirksam ist. Dies erlaubt eine sehr freie Verlängerung des Rotors, erforderlichenfalls durch Vervielfachen der Anzahl der Zwischenflansche, wobei sichergestellt ist, dass der kleine Luftspalt mit sehr hohen Drehzahlen kompatibel bleibt.
• Jeder Feldpol 30 ist so in mehrere Sektoren 30A, 30B, ... aufgeteilt, die axial ausgerichtet und durch einen Zwischenflansch 7 voneinander getrennt sind, der vorzugsweise aus einem nichtmagnetischen Material besteht, wobei jeder Zwischenflansch 7 eine zentrale Ausnehmung aufweist, deren Form der Form der Welle angepasst ist. Der Zwischenflansch 7 kann beim Zusammenbau sehr leicht auf die Welle 2 aufgeschoben werden. Jeder Zwischenflansch 7 ist, ebenso wie die Seitenflansche 5, aufgrund seines einstückigen Aufbaus, durch den die Welle 2 hindurchgeht und der genau auf die Welle 2 passt, vollkommen fest mit der Welle 2 verbunden. Jeder Zwischenflansch 7 trägt somit dazu bei, Verschiebungen, welche die Zentrifugalkraft bei sehr hohen Drehzahlen verursachen könnte, zu verhindern. Durch jeden Zwischenflansch geht mindestens eine Spannstange 6 pro Feldpol hindurch.
• Die Drehmomentübertragung ist durch die ebenen Auflageflächen, die von der konvexen polygonalen Form der Welle herrühren, sichergestellt, wobei die ebenen Auflageflächen mit den Facetten zusammenwirken, die an der Einheit vorgesehen sind, damit sie sich gegenüber der Welle nicht verdrehen kann. Auf diese Weise erfolgt die Übertragung des Drehmoments direkt zwischen den Feldpolen und der Welle. Die konvexe polygonale Form erstreckt sich bevorzugt über eine große Länge der Welle 2. Aus dem dargestellten Beispiel der Erfindung ist ersichtlich, dass die Welle auch bei jedem Zwischenflansch 7 eine konvexe polygonale Auflagefläche aufweist, die mit den Facetten komplementärer Form zusammenwirkt, die in der zentralen Ausnehmung 70 jedes der Zwischenflansche 7 vorgesehen sind, um ein Verdrehen gegenüber der Welle zu verhindern. Die Welle weist ferner auch bei jedem Seitenflansch 5 eine konvexe polygonale Auflagefläche auf, die mit den Facetten komplementärer Form zusammenwirkt, die in der zentralen Ausnehmung 50 jedes der Seitenflansche 5 vorgesehen sind, um ein Verdrehen gegenüber der Welle zu verhindern.
• Die Welle weist vorzugsweise in jeder axialen Position zwischen den Seitenflanschen 5 und in Bezug auf diese einen identischen Querschnitt auf (im vorliegenden Fall einen polygonalen Querschnitt), wodurch die für die Drehmomentübertragung nutzbare Länge maximal wird. Die Welle besitzt im vorliegenden Fall auf praktisch ihrer gesamten axialen Länge zwischen den Lagern einen hexagonalen Querschnitt. Die Einheit aus den Blechen sowie die Seitenflansche und Zwischenflansche wirken bei der Drehmomentübertragung auf die Welle zusammen, wodurch die Belastungen in den Flanschen verringert werden. Es ist ferner noch festzustellen, dass die Polygonkonzeption der Welle und die sich daraus ergebende Form der Blechböden die Montage des Motors durch leichte Positionierung der Bleche auf der Welle erleichtert.
• Diese Ausbildung der Welle mit einem polygonalen Querschnitt, der entsprechend ebene Facetten aufweist, ist an sich sehr interessant, um den radialen Raumbedarf des Rotors so weit wie möglich zu verringern. So ist demgemäß der Boden der Aufnahme für jeden der Magnete 4 plan. Dies erlaubt das Einsetzen von quaderförmigen Magneten ohne Platzverlust. Die Permanentmagnete 4 stehen in direktem Kontakt mit der Welle 2; diese ist einstückig; jeder Magnet ist in Anlage auf einer der (ebenen) Flächen des Polygons. Dieses Konstruktionsprinzip verlangt, dass die Welle aus einem nichtmagnetischen Material besteht, damit die Welle keinen magnetischen Kurzschluss hervorruft. Jedes Blech eines Feldpols weist einen Querschnitt senkrecht zur Drehachse auf, der allgemein wie ein Dreieck aussieht, dessen Spitze 31 so formangepasst ist, dass sie sich genau auf einer der sechs Kanten 21 der Welle 2 zentriert.
• Zur weiteren Verbesserung der Kompaktheit des Motors kann vorgesehen werden, dass der Stator Leitungen zum Umwälzen eines Kühlfluids aufweist, beispielsweise einer Kühlflüssigkeit der Art von Kühlflüssigkeiten, wie sie zur Kühlung von thermischen Kraftmaschinen von Kraftfahrzeugen verwendet werden. Selbstverständlich können auch Wechselstromlichtmaschinen in gleicher Weise konstruiert werden.

Claims (8)

1. Rotierende elektrische Maschine mit einem Außengehäuse, das eine Tragekonstruktion bildet und einen Stator enthält, wobei die Maschine einen Rotor (1) besitzt, der aufweist: • eine einstückige Welle (2) aus einem nichtmagnetischen Material, die über Lager (20) am Außengehäuse angebracht ist, wobei die Lager (20) eine Drehachse der Welle vorgeben, • eine Einheit, die mehrere Feldpole (30), welche die Welle umgeben, und Permanentmagnete (4) aufweist, wobei die Feldpole untereinander Ausnehmungen begrenzen, die von der Oberfläche der Welle bis zum Luftspalt zwischen Rotor und Stator reichen, wobei die Ausnehmungen die Permanentmagnete (4) enthalten, • einen Seitenflansch (5) auf jeder Seite der Einheit, wobei die Welle durch eine am Seitenflansch angebrachte zentrale Ausnehmung axial durch den Seitenflansch (5) hindurchgeht, • mindestens eine Spannstange (6) pro Feldpol, die durch jeden Feldpol hindurchgeht und das Einspannen der Feldpole zwischen den Seitenflanschen erlaubt, bei der die Welle im Schnitt senkrecht zur Drehachse eine nicht kreisförmige konvexe Form besitzt, die mit der Einheit so zusammenwirkt, dass sich die Einheit gegenüber der Welle nicht verdrehen kann.
2. Maschine nach Anspruch 1, bei der die Welle im Schnitt senkrecht zur Drehachse die Form eines konvexen Polygons besitzt, das durch Kanten (21) voneinander getrennte ebene Facetten aufweist.
3. Maschine nach Anspruch 2, bei der jeder Feldpol im Schnitt senkrecht zur Drehachse in Bezug auf die Magnete im Wesentlichen radiale Ränder aufweist und in Bezug auf die Welle einen einspringenden Winkel bildet, der zur Zentrierung des Feldpols auf einer der Kanten (21) der Welle dient.
4. Maschine nach Anspruch 2 oder 3, bei der die Einheit quaderförmige Magnete in direktem Kontakt mit den ebenen Facetten der Welle (2) aufweist.
5. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Welle in jeder axialen Position zwischen den Seitenflanschen und in Bezug auf diese identischen Querschnitt aufweist.
6. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der jeder Feldpol einen Stapel von ferromagnetischen Blechen (3) aufweist, wobei jedes Blech im Wesentlichen senkrecht zur Achse der Welle liegt.
7. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, die mindestens einen Zwischenflansch (7) aufweist, wobei jeder Feldpol in mehrere Sektoren (30A, 30B, ...) aufgeteilt ist, die axial ausgerichtet und durch einen Zwischenflansch voneinander getrennt sind, wobei die Welle durch eine zentrale Ausnehmung durch jeden Zwischenflansch hindurchgeht und durch jeden Zwischenflansch mindestens eine Spannstange pro Feldpol hindurchgeht.
8. Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator Leitungen zum Umwälzen eines Kühlfluids aufweist.