EP1421664A1 - Permanentmagnetisch erregter elektromotor - Google Patents

Permanentmagnetisch erregter elektromotor

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EP1421664A1
EP1421664A1 EP02717982A EP02717982A EP1421664A1 EP 1421664 A1 EP1421664 A1 EP 1421664A1 EP 02717982 A EP02717982 A EP 02717982A EP 02717982 A EP02717982 A EP 02717982A EP 1421664 A1 EP1421664 A1 EP 1421664A1
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EP
European Patent Office
Prior art keywords
rotor
electric motor
permanent magnets
recesses
motor according
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP02717982A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Volker Bosch
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
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    • H02K1/2726—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of a single magnet or two or more axially juxtaposed single magnets
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    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
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    • H02K15/02—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines of stator or rotor bodies
    • H02K15/03—Methods or apparatus specially adapted for manufacturing, assembling, maintaining or repairing of dynamo-electric machines of stator or rotor bodies having permanent magnets
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    • H02K21/00—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H02K21/12—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets
    • H02K21/14—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets rotating within the armatures

Definitions

  • the present invention relates to an electric motor with permanent magnetic excitation, which has a rotor, on whose surface facing the inside of a stator, a plurality of permanent magnets are arranged.
  • Such a permanently magnetically excited electric motor is known, for example, from US Pat. No. 6,204,587 or DE 3 844 074 C2.
  • the rotors of the electric motors described in these publications have permanent magnets on their surface, with adjacent permanent magnets having opposite poles.
  • measures have to be taken in particular in high-speed engines to absorb the centrifugal forces acting on the permanent magnets.
  • a solid hollow cylinder is pushed onto the rotor in such a way that its inner wall rests directly on the permanent magnet.
  • the position of the permanent magnets is fixed on the rotor, thus reliably securing the permanent magnets even at very high speeds.
  • Permanent magnets which have a large wall thickness, are usually pressed from a magnetic material. Pressed magnetic material has only a low mechanical tensile strength, so that a z. B. from DE 3 844 074 C2 bandaging of the permanent magnets is required.
  • the invention has for its object to provide an electric motor of the type mentioned, in which the magnetic material forming the permanent magnets can be applied directly to the surface of the rotor in a relatively thin layer.
  • the rotor on the surface of which the material for the permanent magnets is applied, is provided on its surface and / or in its interior with cutouts which are placed and dimensioned in this way, that they do not interrupt lines of the magnetic flux which are aligned radially with respect to the surface of the rotor and which form a return line via the rotor.
  • the thermal expansion coefficients of the iron of the rotor and of the magnetic material differ very much, and the large heat capacity of the rotor leads to a rapid cooling of the z. B. applied by spraying magnetic material. Because of this, there is a risk that the applied magnetic material will tear. This undesirable effect can be reduced by the measure according to the invention for reducing the heat capacity avoid the rotor by making recesses in the rotor. Since the excitation flux, which runs from the permanent magnets of the rotor in the radial direction to the air gap between the rotor and the stator, increases the available torque of the motor, the recesses are placed in such a way that they just line the magnetic flux in the radial direction Do not interrupt the surface of the rotor.
  • the recesses are advantageously placed and dimensioned such that they are tangential or almost tangential to the rotor Interrupt lines of magnetic flux aligned with the surface of the rotor.
  • the permanent magnets advantageously consist of a layer of a plastic-bonded magnetic material sprayed onto the surface of the rotor.
  • At least one recess can be provided below each transition between two adjacent oppositely polarized permanent magnets, which has the shape of a slot that extends transversely to the longitudinal axis of the rotor. which extends in the direction of the longitudinal axis of the rotor.
  • Recesses in the interior of the rotor lead to a very strong reduction in the heat capacity of the rotor and they form ideal barriers for components of the magnetic flux oriented tangentially to the surface of the rotor.
  • the recesses located inside the rotor can be used to introduce a material into it that compensates for an imbalance in the rotor.
  • the rotor is advantageously constructed from layered iron sheets.
  • the only figure in the drawing shows a cross section through an electric motor, the stator 1 of which is shown only in part with two poles 2, 3 and the associated windings 4, 5.
  • a rotor 7 arranged on a motor shaft 6 is rotatably mounted within the stator 1.
  • the rotor 7 preferably consists of a stack of laminated iron sheets.
  • the stator 1 can consist of laminated iron sheets.
  • the rotor 7 and the stator 1 are preferably punched out of a sheet metal stack in one operation.
  • the electric motor shown in sections is a permanent magnet excited three-phase synchronous motor or a brushless DC motor. Therefore, the rotor 7 is coated on its surface with permanent magnets 8, 9, 10 and 11.
  • 4 permanent magnets 8, 9, 10 and 11 are applied to the surface of the rotor 7 in order to implement 4 magnetic poles, with adjacent permanent magnets being magnetized in the opposite direction radially to the surface of the rotor 7, as indicated by arrows.
  • the 4 permanent magnets 8, 9, 10, 11 are formed by a layer of a preferably plastic-bonded magnetic material (e.g. NdFeB) sprayed directly onto the surface of the rotor 7 forming an air gap with the inside of the stator 1.
  • the rotor 7 made of iron forms the yoke for the magnetic flux of the permanent magnets 8, 9, 10, 11.
  • the coefficients of thermal expansion of the magnetic material and the iron material of the rotor 7 are very different.
  • the heat capacity of the rotor 7 when it is made of a solid material is very high.
  • the heat capacity of the rotor yoke is very greatly reduced by the fact that recesses 12, 13, 14, 15 and / or recesses 16, 17, 18, 19 are made in the surface of the rotor 7 and 7.
  • cutouts 12 to 19 bring about a strong reduction in the thermal capacity of the rotor material, which prevents the magnetic material sprayed onto the rotor 7 from cooling down too quickly and thereby tearing.
  • the recesses 12, 13, 14 and 15, which are omitted in the surface of the rotor 7 and extend in the direction of the longitudinal axis, perpendicular to the plane of the drawing, of the rotor 7 are placed below the transitions between adjacent oppositely polarized permanent magnets 8, 9, 10, 11 ,
  • the placement of the recesses is chosen so that they are tangential or almost tangential to the surface lines of the magnetic flux which are aligned with the rotor and which form a return line via the rotor are interrupted.
  • several slot-shaped cutouts can also be embedded in the rotor 7.
  • the spin resistance of the rotor 7 can be increased by the fact that the recesses 12, 13, 14 and 15 embedded in the surface of the rotor 7 have a dovetail-shaped cross section. Because the dovetail shape of the recesses 12, 13, 14 and 15 enables the permanent magnets 8, 9, 10 and 11 to be wedged, so that they are secured not only against a rotational movement but also against a radial movement.
  • Non-magnetic material (“balancing cement”) can be introduced into the recesses 16, 17, 18, 19, which are in particular recessed in the interior of the rotor 7, in order to compensate for an imbalance of the rotor 7.

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Abstract

Der Rotor (7) eines Elektromotors ist an seiner Oberfläche und/oder in seinem Innern mit Aussparungen (12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19) versehen, die so platziert und so bemessen sind, dass sie radial zur Oberfläche des Rotors (7) ausgerichtete und über den Rotor (7) einen Rückschluss bildende Linien des magnetischen Flusses nicht unterbrechen. Diese Aussparungen reduzieren die Wärmekapazität des Rotors (7) soweit, dass eine mehrere Permanentmagnete (8, 9, 10, 11) bildende Schicht aus einem magnetischen Material auf die Oberfläche des Rotors (7) aufgespritzt werden kann.

Description

Permanentmagnetisch erregter Elektromotor
Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Elektromotor mit permanentmagnetischer Erregung, der einen Rotor besitzt, auf dessen der Innenseite eines Stators zugewandten Oberflache mehrere Permanentmagnete angeordnet sind.
Ein derartiger permanentmagnetisch erregter Elektromotor ist beispielsweise aus der US 6,204,587 oder der DE 3 844 074 C2 bekannt. Die Rotoren der in diesen Veröffentlichungen beschriebenen Elektromotoren tragen auf ihrer Oberflache Permanentmagnete, wobei jeweils benachbarte Permanentmagnete entgegengesetzt gepolt sind. Wie insbesondere aus der DE 3 844 074 C2 hervorgeht, müssen gerade bei hochtourigen Motoren Maßnahmen ergriffen werden, um die auf die Permanentmagnete wirkenden Fliehkräfte aufzunehmen. Dazu wird auf den Rotor ein massiver Hohlzylinder aufgeschoben, und zwar derart, dass er mit seiner Innenwand unmittelbar auf den Permanentmagneten aufliegt. Dadurch werden die Permanentmagnete in ihrer Lage auf dem Rotor fixiert und damit eine auch bei sehr hohen Drehzahlen zuverlässige Befestigung der Permanentmagnete erreicht. Derartige relativ aufwendige Maßnahmen zur Fixierung der Permanentmagnete sind erst recht dann erforderlich, wenn die Permanentmagnete eine große Wandstarke aufweisen, damit sie nicht radial sondern lateral magnetisiert werden können, um auf einen magnetischen Ruckschluß durch den Rotor verzichten zu können. Permanentmagnete, die von großer Wandstarke sind, werden üblicherweise aus einem Magnetmaterial gepreßt. Gepreßtes Magnetmaterial weist aber nur eine geringe mechanische Zugfestigkeit auf, so dass eine z. B. aus der DE 3 844 074 C2 hervorgehende Bandagierung der Permanentmagnete erforderlich ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Elektromotor der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem das die Permanentmagnete bildende Magnetmaterial in einer relativ dünnen Schicht direkt auf die Oberflache des Rotors aufgebracht werden kann.
Vorteil der Erfindung:
Die genannte Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelost, dass der Rotor, auf dessen Oberflache das Material für die Permanentmagnete aufgebracht wird, auf seiner Oberflache und/oder in seinem Inneren mit Aussparungen versehen ist, die so platziert und so bemessen sind, dass sie radial zur Oberflache des Rotors ausgerichtete und über den Rotor einen Ruckschluß bildende Linien des magnetischen Flußes nicht unterbrechen.
Die thermischen Ausdehnungskoeffizienten vom Eisen des Rotors und von dem Magnetmaterial differieren nämlich sehr stark, und die große Wärmekapazität des Rotors fuhrt zu einer schnellen Auskuhlung des auf den Rotor z. B. durch Spritzen aufgebrachten Magnetmaterials. Aufgrund dessen besteht die Gefahr, dass das aufgebrachte Magnetmaterial reißt. Dieser unerwünschte Effekt laßt sich durch die erfmdungsgemaße Maßnahme zur Reduzierung der Wärmekapazität des Rotors durch Einbringen von Aussparungen in den Rotor vermeiden. Da grade der Erregerfluß, der von den Permanentmagneten des Rotors aus in radialer Richtung zum Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator verlauft, das verfugbare Drehmoment des Motors erhöht, sind die Aussparungen so platziert, dass sie gerade die Linien des magnetischen Flußes in radialer Richtung zur Oberflache des Rotors nicht unterbrechen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung gehen aus den Unteranspruchen hervor.
Da die tangential bzw. nahezu tangential zur Oberflache des Rotors ausgerichteten und über den Rotor einen Ruckschluß bildenden Linien des magnetischen Flußes das verfugbare Drehmoment des Rotors verringern, werden die Aussparungen vorteilhafter Weise so platziert und so bemessen, dass sie diese tangential bzw. nahezu tangential zur Oberflache des Rotors ausgerichteten Linien des magnetischen Flußes unterbrechen.
Die Permanentmagnete bestehen vorteilhafter Weise aus einer auf die Oberflache des Rotors aufgespritzten Schicht aus einem kunststoffgebundenen Magnetmaterial.
Es ist zweckmäßig, in der Oberflache des Rotors in Bereichen zwischen jeweils zwei entgegengesetzt gepolten Permanentmagneten Aussparungen einzulassen, die sich in Richtung der Langsachse des Rotors erstrecken. Die Schleuderfestigkeit des Rotors kann dadurch erhöht werden, dass diese Aussparungen einen schwalbenschwanzformigen Querschnitt aufweisen. Denn die Schwalbenschwanzform der Aussparungen ermöglicht eine Verkeilung der Permanentmagnete, so dass sie nicht nur gegen eine Rototionsbewegung sondern auch gegen eine radiale Bewegung gesichert sind. Es kann zusatzlich zu den in der Oberflache des Rotors eingelassenen Aussparungen oder auch ausschließlich im Innern des Rotors jeweils unterhalb eines jeden Übergangs zwischen zwei benachbarten entgegengesetzt gepolten Permanentmagneten mindestens eine Aussparung vorgesehen werden, welche die Form eines sich quer zur Langsachse des Rotors ausdehnenden Schlitzes hat, der sich in Richtung der Langsachse des Rotors erstreckt. Aussparungen im Innern des Rotors fuhren einerseits zu einer sehr starken Reduzierung der Wärmekapazität des Rotors und sie bilden ideale Sperren für tangential zur Oberflache des Rotors ausgerichtete Komponenten des magnetischen Flußes.
Die im Innern des Rotors befindlichen Aussparungen können dazu ausgenutzt werden, um ein Material darin einzubringen, das eine Unwucht des Rotors ausgleicht.
Der Rotor ist vorteilhafter Weise aus geschichteten Eisenblechen aufgebaut.
Beschreibung eines Ausfuhrungsbeispiels:
Die einzige Figur der Zeichnung zeigt einen Querschnitt durch einen Elektromotor, dessen Stator 1 nur ausschnittweise mit zwei Polen 2, 3 und den dazugehörigen Wicklungen 4, 5 dargestellt ist. Innerhalb des Stators 1 ist ein auf einer Motorwelle 6 angeordneter Rotor 7 drehbar gelagert. Der Rotor 7 besteht vorzugsweise aus einem Stapel von aufeinander geschichteten Eisenblechen. Ebenso kann der Stator 1 aus aufeinander geschichteten Eisenblechen bestehen. Der Rotor 7 und der Stator 1 werden vorzugsweise in einem Arbeitsvorgang aus einem Blechstapel herausgestanzt . Der ausschnittweise dargestellte Elektromotor ist ein permanentmagnetisch erregter Drehstromsynchronmotor bzw. ein burstenloser Gleichstrommotor. Deshalb ist der Rotor 7 an seiner Oberflache mit Permanentmagneten 8, 9, 10 und 11 beschichtet. Bei dem dargestellten Ausfuhrungsbeispiel sind zur Realisierung von 4 Magnetpolen 4 Permanentmagnete 8, 9, 10 und 11 auf der Oberflache des Rotors 7 aufgebracht, wobei jeweils einander benachbarte Permanentmagnete, wie durch Pfeile angedeutet, in entgegengesetzte Richtung radial zur Oberflache des Rotors 7 magnetisiert sind. Die 4 Permanentmagnete 8, 9, 10, 11 werden durch eine direkt auf die mit der Innenseite des Stators 1 einen Luftspalt bildende Oberflache des Rotors 7 aufgespritzte Schicht aus einem vorzugsweise kunstoffgebundenen Magnetmaterial (z. B. NdFeB) gebildet. Der aus Eisen bestehende Rotor 7 bildet das Ruckschlußjoch für den magnetischen Fluß der Permanentmagnete 8, 9, 10, 11.
Die thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Magnetmaterials und des Eisenmaterials des Rotors 7 sind sehr unterschiedlich. Außerdem ist die Wärmekapazität des Rotors 7 wenn dieser aus einem Vollmaterial besteht, sehr hoch. Für das auf den Rotor 7 aufgespritzte Magnetmaterial besteht daher wegen eines zu schnellen Auskuhlens aufgrund der hohen Wärmekapazität des darunter befindlichen Rotors 7 die Gefahr, dass die aufgespritzte Magnetschicht reißt. Um das zu verhindern, wird die Wärmekapazität des Rotorjochs sehr stark dadurch reduziert, das an der Oberflache des Rotor 7 Aussparungen 12, 13, 14, 15 und/oder im Innern des Rotors 7 Aussparungen 16, 17, 18, 19 eingelassen werden. Diese Aussparungen 12 bis 19 bewirken eine starke Reduzierung der Wärmekapazität des Rotormaterials, wodurch verhindert wird, dass das auf den Rotor 7 aufgespritzte Magnetmaterial zu schnell auskühlt und dadurch reißt. Die in der Oberflache des Rotors 7 ausgelassenen Aussparungen 12, 13, 14 und 15, die sich in Richtung der Langsachse, senkrecht zur Zeichenebene, des Rotors 7 erstrecken, sind unterhalb der Übergänge zwischen benachbarten entgegengesetzt gepolten Permanentmagneten 8, 9, 10, 11 platziert. Wie aus "Berichte aus dem Institut für elektrische Maschinen und Antriebe", Band 7, Volker Bosch: Elektronisch kommutiertes Einzelspindelantriebssystem, Shaker Verlag, Aachen 2001, hervorgeht, ist diese Platzierung der Aussparungen deshalb gewählt, damit durch sie tangential bzw. nahezu tangential zur Oberflache des Rotors ausgerichtete und über den Rotor einen Ruckschluß bildende Linien des magnetischen Flußes unterbrochen werden. Dadurch wird erreicht, dass tangential im Luftspalt zwischen dem Rotor 7 und dem Stator 1 ausgerichtete Flußlinien, welche das Drehmoment des Motors schwachen, gesperrt werden. Dagegen sollen die radial zur Oberflache des Rotors 7 ausgerichteten magnetischen Flußlinien nicht gesperrt werden, weil sie das verfugbare Drehmoment des Motors erhohen. Nach diesen Gesichtspunkten sind auch die im Innern des Rotor 7 eingelassenen, ebenfalls in Langsachsrichtung des Rotors 7 sich erstreckenden Aussparungen 16, 17, 18, 19 unterhalb der Übergänge zwischen benachbarten entgegengesetzt gepolten Permanentmagneten 8, 9, 10, 11 platziert und bemessen.
Eine optimale Sperre für tangential bzw. nahezu tangential zur Rotoroberflache verlaufende magnetische Flußlinien bilden Aussparungen 16, 17, 18, 19, die einen quer zur Rotor-Langsachse verlaufenden schlitzförmigen Querschnitt haben. Statt, wie in der Figur dargestellt, unter jedem Übergang zwischen zwei benachbarten Permanentmagneten nur eine Aussparung 16, 17, 18, 19 vorzusehen, können auch mehrere zum Beispiel in radialer Richtung gestaffelte schlitzförmige Aussparungen in den Rotor 7 eingelassen sein. Die Schleuderfestigkeit des Rotor 7 laßt sich dadurch vergrößern, das die in die Oberflache des Rotor 7 eingelassenen Aussparungen 12, 13, 14 und 15 einen schwalbenschwanzformigen Querschnitt aufweisen. Denn die Schwalbenschwanzform der Aussparungen 12, 13, 14 und 15 ermöglicht eine Verkeilung der Permanentmagnete 8, 9, 10 und 11, so dass sie nicht nur gegen eine Rototionsbewegung sondern auch gegen eine radiale Bewegung gesichert sind.
In die insbesondere im Inneren des Rotors 7 eingelassenen Aussparungen 16, 17, 18, 19 kann nichtmagnetisches Material („Wuchtkitt") eingebracht werden, um eine Unwucht des Rotors 7 auszugleichen.

Claims

Ansprüche
1. Elektromotor mit permanentmagnetischer Erregung, der einen Rotor (7) besitzt, auf dessen der Innenseite eines Stators (1) zugewandten Oberflache mehrere Permanentmagnete (8, 9, 10, 11) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (7) an seiner Oberflache und/oder in seinem Inneren mit Aussparungen (12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19) versehen ist, die so platziert und so bemessen sind, dass sie radial zur Oberflache des Rotors (7) ausgerichtete und über den Rotor (7) einen Ruckschluß bildende Linie des magnetischen Flußes nicht unterbrechen.
2. Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen (12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19) so platziert und so bemessen sind, dass sie tangential bzw. nahezu tangential zur Oberflache des Rotors (7) ausgerichtete und über den Rotor (7) einen Ruckschluß bildende Linie des magnetischen Flußes unterbrechen.
3. Elektromotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (8, 9, 10, 11) aus einer auf die Oberflache des Rotors (7) aufgespritzten Schicht aus einem kunststoffgebundenen Magnetmaterial bestehen.
4. Elektromotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Oberflache des Rotors (7) im Bereich zwischen jeweils zwei entgegengesetzt gepolten Permanentmagneten (8, 9, 10, 11) Aussparungen (12, 13, 14, 15) eingelassen sind, die sich in Richtung der Langsachse des Rotors (7) erstrecken.
5. Elektromotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparungen (12, 13, 14, 15) einen schwalbenschwanzfόrmigen Querschnitt aufweisen.
6. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, das im Inneren des Rotors (7) jeweils unterhalb eines jeden Übergangs zwischen zwei benachbarten entgegengesetzt gepolten Permanentmagneten (8, 9, 10, 11) mindestens eine Aussparung (16, 17, 18, 19) vorhanden ist, welche die Form eines sich quer zur Langsachse des Rotors (7) ausdehnenden Schlitzes hat, der sich in Richtung der Langsachse des Rotors (7) erstreckt.
7. Elektromotor nach einem der Ansprüche 1 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass in ein oder mehrere der sich im Inneren des Rotors (7) befindenden Aussparungen (16, 17, 18, 19) ein Material eingebracht ist, das eine Unwucht des Rotors (7) ausgleicht.
8. Elektromotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (7) aus geschichteten Eisenblechen besteht.
EP02717982A 2001-07-18 2002-02-27 Permanentmagnetisch erregter elektromotor Withdrawn EP1421664A1 (de)

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DE10135019A DE10135019A1 (de) 2001-07-18 2001-07-18 Permanentmagnetisch erregter Elektromotor
PCT/DE2002/000725 WO2003009449A1 (de) 2001-07-18 2002-02-27 Permanentmagnetisch erregter elektromotor

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EP1421664A1 true EP1421664A1 (de) 2004-05-26

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