Beschreibung description
Effiziente elektrische Maschine Efficient electric machine
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Elektrotechnik und befasst sich insbesondere mit rotierenden elektrischen Maschinen also beispielsweise Elektromotoren oder Generatoren. The invention is in the field of electrical engineering and deals in particular with rotating electrical machines, for example electric motors or generators.
Insbesondere in der Automobiltechnik, d. h. in Kraftfahrzeugen werden vermehrt Elektromotoren in Form von Stellelementen für die Assistenz von Fahrer oder Fahrgästen (Fensterheber, Schiebedachantrieb, Sitzverstellung) eingesetzt. Zudem finden Elektromotoren auch bei den Unterstützungssystemen für den Fahrantrieb, beispielsweise als Aktuator für das Getriebe sowie als Lüftermotoren und auch beim eigentlichen Fahrzeugantrieb selbst Anwendung. Die dort eingesetzten Elektromotoren müssen erhöhten Anforderungen genügen, indem sie zur Verringerung des Fahrzeuggewichts leicht sein und dennoch eine hohe Leistungsdichte aufweisen sollen. Zudem wird eine hohe Standzeit und große Zuverlässigkeit verlangt. Letztlich wird, insbesondere bei den Motoren, die in der Nähe eines Verbrennungsmotors eingesetzt werden, eine entsprechende Betriebssicherheit auch bei Temperaturen von mindestens 120°C oder bis 180°C gefordert. In particular in automotive engineering, d. H. In motor vehicles, more and more electric motors are used in the form of control elements for the assistance of drivers or passengers (windows, sunroof drive, seat adjustment). In addition, electric motors are also in the support systems for the drive, for example, as an actuator for the transmission and as a fan motors and even the actual vehicle drive itself application. The electric motors used there must meet increased requirements by being light to reduce vehicle weight and yet have a high power density. In addition, a long service life and high reliability is required. Ultimately, especially at the engines that are used in the vicinity of an internal combustion engine, a corresponding operational safety is required even at temperatures of at least 120 ° C or up to 180 ° C.
Grundsätzlich können bürstenbehaftete Elektromotoren (Kommutatormotoren) oder bürstenlose Elektromotoren eingesetzt werden, deren Motor in einem rotierenden Feld eines Stators angetrieben wird, wobei üblicherweise der Stator mit den entsprechend angesteuerten Wicklungen und der Rotor mit Permanentmagneten bestückt ist. Sowohl der Rotor als auch der Stator sind üblicherweise unter Verwendung von Blechpaketen aufgebaut, wobei die einzelnen Bleche zur Verringerung von parasitären Wirbelströmen gegeneinander isoliert sind, beispielsweise durch Lackschichten. Innerhalb der Blechpakete sind im Stator sogenannte Statorzähne mit dazwischen liegenden Statornuten vorgesehen, wobei die Statorzähne eine Feldwicklung tragen, die innerhalb der Statornuten angeordnet ist. Die Feldwicklung wird oft mittels einer elektronischen Schaltung angesteuert, die nach ei-
nem Zeitregime einzelne Wicklungsteile bestromt und damit ein Drehfeld erzeugt, wobei häufig eine Pulsweitenmodulationstechnik zur Ansteuerung eingesetzt wird. In principle, brushed electric motors (commutator motors) or brushless electric motors can be used whose motor is driven in a rotating field of a stator, wherein usually the stator is equipped with the correspondingly driven windings and the rotor with permanent magnets. Both the rotor and the stator are usually constructed using laminated cores, wherein the individual sheets are insulated from each other to reduce parasitic eddy currents, for example by paint layers. Within the laminated cores so-called stator teeth are provided in the stator with stator slots therebetween, wherein the stator teeth carry a field winding, which is arranged within the stator slots. The field winding is often controlled by means of an electronic circuit which, according to a nem time winding individual winding parts energized and thus generates a rotating field, often a pulse width modulation technique is used to control.
Werden hohe Anforderungen bzgl. der Effizienz und Leistungsdichte an derartige Motoren gestellt, so ergibt sich das Erfordernis, dass der Rotorspalt, d.h. der Spalt zwischen Rotor und Stator der auch den Abstand zwischen den Permanentmagneten der einen Seite und den Magnetpolen der anderen Seite bestimmt, möglichst klein ausgelegt ist. Es können dabei unerwünschte magnetische Felder, beispielsweise durch Selbstinduktion der Feldwicklung entstehen, die insbesondere bei höheren Betriebstemperaturen zu einer Entmagnetisierung der Permanentmagnete führen können. Dies führt in der Folge zu einer Verringerung der Leistung und der Leistungsdichte der Maschine. Um dies zu verhindern werden üblicherweise Magnetmaterialien oder -legierungen mit möglichst hoher Koerzitiv- feldstärke eingesetzt. Oft finden zur Erzielung einer möglichst hohen Koerzitiv- feldstärke Legierungen mit Bestandteilen oder Anteilen von seltene Erdenelementen Verwendung. Besonders sogenannte schwere seltene Erden-elemente wie beispielsweise Terbium und Dysprosium weisen eine hohe Koerzitivfeldstärke auf und bieten sich daher zur Stabilisierung der Permanentmagnete an. Diese Materialien sind jedoch selten und kostenintensiv. If high demands are placed on the efficiency and power density of such motors, the requirement arises that the rotor gap, i. the gap between the rotor and the stator which also determines the distance between the permanent magnets of one side and the magnetic poles of the other side is designed to be as small as possible. It can unwanted magnetic fields, for example, by self-induction of the field winding arise, which can lead to demagnetization of the permanent magnets, especially at higher operating temperatures. As a result, this leads to a reduction in the power and the power density of the machine. Magnetic materials or alloys with the highest possible coercive field strength are usually used to prevent this. Often, alloys with constituents or fractions of rare earth elements are used to achieve the highest possible coercive field strength. Particularly so-called heavy rare earth elements such as terbium and dysprosium have a high coercive force and therefore offer themselves to stabilize the permanent magnets. However, these materials are rare and costly.
Die Erfindung betrifft konkret eine elektrische Maschine, insbesondere einen Elektromotor mit einem Stator sowie einen um eine Rotorachse drehbar gelagerten Rotor mit einem Rotorkörper, wobei in Aufnahmen des Rotorkörpers, die sich von einem radial inneren Ende entlang ihrer jeweiligen Längsachse bis zu einem radial weiter außen liegenden Ende erstrecken, wenigstens zwei Permanentmagnete in Form von Teilmagneten angeordnet sind, von denen ein erster zu einer ersten Menge von Permanentmagneten und ein zweiter zu einer zweiten Menge von Permanentmagneten gehört und wobei die Permanentmagnete der ersten Menge sich von den Permanentmagneten der zweiten Menge bezüglich der stofflichen Zusammensetzung, insbesondere bezüglich der magnetischen Eigenschaften unterscheiden.
Es kann dabei auch vorgesehen sein, dass innerhalb der Aufnahmen jeweils wenigstens zwei Permanentmagnete in Form von Teilmagneten angeordnet sind, von denen ein erster zu einer ersten Menge von Permanentmagneten und ein zweiter zu einer zweiten Menge von Permanentmagneten gehört. Specifically, the invention relates to an electric machine, in particular an electric motor having a stator and a rotor rotatably mounted about a rotor axis with a rotor body, in recordings of the rotor body, which extend from a radially inner end along its respective longitudinal axis to a radially outer At least two permanent magnets in the form of partial magnets are arranged, of which a first belongs to a first set of permanent magnets and a second to a second set of permanent magnets and wherein the permanent magnets of the first set of the permanent magnets of the second set with respect to the material Composition, in particular with respect to the magnetic properties differ. It can also be provided that at least two permanent magnets in the form of partial magnets are arranged within the receptacles, of which a first belongs to a first set of permanent magnets and a second to a second set of permanent magnets.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine der eingangs genannten Art zu schaffen, die einerseits kostengünstig herstellbar ist und die stabil und betriebssicher ausgeführt sein soll. Zudem soll die Maschine bei einer hohen erreichbaren Leistungsdichte möglichst eine hohe Entmagnetisierungsfes- tigkeit aufweisen. The invention has for its object to provide an electric machine of the type mentioned, on the one hand is inexpensive to produce and should be executed stable and reliable. In addition, the machine should have as high as possible a high demagnetization strength at a high achievable power density.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der Erfindung dadurch gelöst, dass wenigstens ein Permanentmagnet der ersten oder zweiten Menge oder wenigstens ein Kompositkörper mit zwei Permanentmagneten der ersten Menge oder der zweiten Menge oder ein Kompositkörper mit einem Permanentmagneten der ersten Menge und einem Permanentmagneten der zweiten Menge eine Kontur aufweisen, deren senkrecht zur Längsachse liegende Querschnittsfläche sich innerhalb der jeweiligen Aufnahme zu deren radial weiter außen liegendem Ende hin wenigstens abschnittsweise verringert. The object is achieved with the features of the invention in that at least one permanent magnet of the first or second quantity or at least one composite body with two permanent magnets of the first quantity or the second quantity or a composite body with a permanent magnet of the first quantity and a permanent magnet of the second quantity Contour, whose cross-sectional area lying perpendicular to the longitudinal axis is reduced at least partially within the respective receptacle to its radially outer end.
Bei der erfindungsgemäßen Maschine können Permanentmagneten unterschiedlicher Zusammensetzung eingesetzt werden, die beispielsweise aus Materialien mit unterschiedlichen Koerzitivfeldstärken bestehen. Damit können in dem Bereich des Rotors, in dem die Permanentmagnete erhöhten störenden Magnetfeldstärken ausgesetzt sind, Materialien mit höheren Koerzitivfeldstärken eingesetzt werden, während in anderen Bereichen des Rotors Materialien mit geringerer Koerzitiv- feldstärke und beispielsweise einer höheren magnetischen Remanenz eingesetzt werden können. Die Erfindung bietet insbesondere die Möglichkeit, innerhalb einer Aufnahme des Rotors zwei Permanentmagnete unterschiedlicher Zusammensetzung einzusetzen, wobei dann vorzugsweise das Material mit höher Koerzitiv- feldstärke in dem Bereich der Aufnahme und des Rotors eingesetzt werden kann, der dem Rotorspalt am Nächsten ist und der damit erhöhten Störmagnetfeldern ausgesetzt ist.
Innerhalb einer Aufnahme können zwei oder drei, vier oder auch mehr Permanentmagnete der ersten Menge und gegebenenfalls zusätzlich auch ein oder mehr Permanentmagnete der zweiten Menge angeordnet sein. Diese Teilmagnete können untereinander durch übliche Fügetechniken wie Kleben, Löten, Verschweißen oder formschlüssige Verbindung verbunden oder auch nur gemeinsam in eine Aufnahme eingelegt und dort verklemmt oder verkeilt sein. In the machine according to the invention permanent magnets of different composition can be used, which consist for example of materials with different coercive forces. Thus, in the region of the rotor in which the permanent magnets are exposed to increased disturbing magnetic field strengths, materials with higher coercive forces can be used, while in other areas of the rotor materials with lower coercive field strength and, for example, a higher magnetic remanence can be used. In particular, the invention offers the possibility of inserting two permanent magnets of different composition within a receptacle of the rotor, in which case the material with higher coercive field strength can preferably be used in the region of the receptacle and the rotor which is closest to the rotor gap and thus increased Is exposed to interference magnetic fields. Within a receptacle, two or three, four or even more permanent magnets of the first quantity and optionally also one or more permanent magnets of the second quantity may be arranged. These partial magnets can be connected to each other by conventional joining techniques such as gluing, soldering, welding or positive connection or even just inserted together in a receptacle and there jammed or wedged.
Grundsätzlich kann dabei bei der elektrischen Maschine die Konstruktion eines Innenrotors vorgesehen sein, so dass ein zentraler Rotor mit bei Rotation radial nach außen zum Magnetspalt hin wirkenden Fliegkräften vorliegt. Es kann jedoch auch ein Außenrotor vorgesehen sein, bei dem entsprechende Fliegkräfte vom Rotor weg nach außen und damit auch von dem inneliegenden Stator weggerichtet sind. Basically, in the case of the electric machine, the design of an inner rotor can be provided, so that a central rotor with centrifugal forces acting radially outwards relative to the magnetic gap is present. However, it can also be provided an outer rotor, are directed away at the corresponding fly forces away from the rotor to the outside and thus also from the inneliegenden stator.
Grundsätzlich können die Aufnahmen im Rotor oder wenigstens einige der Aufnahmen, insbesondere diejenigen Aufnahmen, in denen mehrere Permanentmagnete angeordnet sind, im Querschnitt des Rotors gesehen mit ihren jeweiligen Längsachsen speichenartig von der Rotorachse weg nach außen verlaufen. Es sind jedoch auch andere Anordnungen der Aufnahmen im Rotorkörper denkbar wie beispielsweise eine V-förmige Anordnung der Längsachsen der Aufnahmen für jeweils Paare von Permanentmagneten. Die einzelnen Schenkel der jeweiligen V-Anordnungen verlaufen in diesem Fall nicht radial auf die Rotorachse zu, sondern schräg zur Radialrichtung wobei dennoch ein radial weiter innen liegender Bereich der jeweiligen Aufnahme und ein radial weiter außenliegender Bereich der Aufnahme vorgesehen ist. In principle, the receptacles in the rotor or at least some of the receptacles, in particular those receptacles in which a plurality of permanent magnets are arranged, as seen in the cross section of the rotor with their respective longitudinal axes spoke-like away from the rotor axis to the outside. However, other arrangements of the receptacles in the rotor body are conceivable, for example a V-shaped arrangement of the longitudinal axes of the receptacles for pairs of permanent magnets. The individual legs of the respective V-arrangements do not extend radially toward the rotor axis in this case, but at an angle to the radial direction, while nevertheless providing a region of the respective receptacle located radially further inwards and a region of the receptacle lying radially further outward.
Weiterhin sieht die Erfindung vor, dass die oder einige der Permanentmagneten jeweils eine Kontur aufweisen, die eine wenigstens teilweise formschlüssige Festlegung innerhalb der jeweiligen Aufnahme („teilweise" bedeutet in diesem Zusammenhang beispielsweise: ausschließlich gegenüber radial wirkenden Fliehkräften) erlaubt.
Der Stand der Technik weist quaderförmige Permanentmagnete auf, die in entsprechend geformten Ausnehmungen des Rotorkörpers aufgenommen werden, wobei im radial außen liegenden Bereich des Magnetspaltes am Rotorkörper vorstehende Ansätze gebildet sind um den jeweiligen Permanentmagneten in der Aufnahme zu halten. Die Aufnahmen des Rotorkörpers sind dabei vorzugsweise zum Magnetspalt hin offen so dass zumindest bei Vorliegen eines Innenrotors bei hohen Drehzahlen und entsprechend großen wirkenden Fliehkräften die Permanentmagnete nach außen gegen die Ansätze des Rotorkörpers gedrückt werden. Da zur Erhöhung der Effizienz einer elektrischen Maschine der Magnetspalt üblicherweise klein gehalten wird, ist auch die Dicke der Ansätze des Rotorkörpers die die Permanentmagnete halten sollen, begrenzt und diese können im Betrieb brechen. Furthermore, the invention provides that the or some of the permanent magnets each have a contour that allows an at least partially positive fixing within the respective receptacle ("partially" means in this context, for example: exclusively against radially acting centrifugal forces). The prior art has cuboid permanent magnets, which are received in correspondingly shaped recesses of the rotor body, wherein in the radially outer region of the magnetic gap on the rotor body projecting lugs are formed to hold the respective permanent magnet in the receptacle. The receptacles of the rotor body are preferably open to the magnetic gap so that at least in the presence of an inner rotor at high speeds and correspondingly large-acting centrifugal forces, the permanent magnets are pressed outward against the lugs of the rotor body. Since the magnetic gap is usually kept small in order to increase the efficiency of an electric machine, the thickness of the projections of the rotor body which are to hold the permanent magnets is limited and these can break during operation.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Permanentmagnete erlaubt eine bessere Verteilung der Fliehkräfte auf die Randflächen der Aufnahmen und entsprechende Ansätze am Rotorkörper zur Rückhaltung der Permanentmagnete können insbesondere ganz weggelassen werden. Damit ergibt sich eine höhere Betriebssicherheit der elektrischen Maschine wobei zudem die Leistungsdichte erhöht werden kann, dadurch, dass sich die Permanentmagnete auch unmittelbar bis zur Zylindrischen Außenfläche des Rotors erstrecken und mit dieser beispielsweise fluchten können. The inventive design of the permanent magnets allows a better distribution of the centrifugal forces on the edge surfaces of the recordings and corresponding approaches to the rotor body for the retention of the permanent magnets can be omitted in particular entirely. This results in a higher reliability of the electrical machine and in addition, the power density can be increased, in that the permanent magnets extend directly to the cylindrical outer surface of the rotor and can be aligned with this, for example.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung wird dadurch erreicht, dass die Permanentmagnete und/oder aus zwei oder mehr Permanentmagneten zusammengesetzten Kompositkörper, deren Querschnitt sich zu dem radial weiter außen liegendem Ende einer Aufnahme hin wenigstens abschnittsweise verringert, wenigstens an ihrem radial außen liegenden Ende, insbesondere mit ihrer gesamten Außenkontur, formschlüssig mit der jeweiligen Aufnahme zusammenpassen. An advantageous embodiment of the invention is achieved in that the permanent magnets and / or composed of two or more permanent magnets composite body whose cross-section is reduced to the radially outer end of a receptacle towards at least partially, at least at its radially outer end, in particular with their entire outer contour, mating fit with the respective recording.
Dadurch, dass ein Permanentmagnet und/oder ein Kompositkörper wenigstens im Bereich ihres radial außenliegenden Endes, d.h. wo aufgrund von wirkenden radialen Fliehkräften entsprechende Rückhaltekräfte des Rotorkörpers erforderlich sind, an dem Rand der Aufnahme(n) anliegen, ist dort für eine flächige Anlage ge-
sorgt, die zu einer Verteilung der Druckkräfte führt und damit die radial außen liegenden Randflächen der Ausnehmung(en) im Rotorkörper nur in dem vertretbaren Maß belastet. Das formschlüssige Zusammenpassen eines Permanentmagneten / Kompositkörpers mit der jeweiligen Aufnahme ist bereits dann erreicht, wenn in Radialrichtung der jeweilige Körper zumindest auf einer Teilfläche an einer entsprechenden komplementär geformten Anlagefläche im Randbereich der Aufnahme anliegt. Die Kraftverteilung wird selbstverständlich umso besser, je größer die Anlagefläche ist, d.h. je weiter der Bereich reicht, in dem der Permanentmagnet mit dem Rand der Aufnahme formschlüssig zusammenpasst. Due to the fact that a permanent magnet and / or a composite body abut against the edge of the receptacle (s) at least in the region of its radially outer end, ie where corresponding retention forces of the rotor body are required due to acting radial centrifugal forces, ensures that leads to a distribution of the compressive forces and thus the radially outer edge surfaces of the recess (s) loaded in the rotor body only to the reasonable extent. The positive matching of a permanent magnet / composite body with the respective receptacle is already achieved when in the radial direction of the respective body rests at least on a partial surface on a corresponding complementarily shaped contact surface in the edge region of the receptacle. The distribution of force is, of course, the better, the larger the contact surface, that is, the farther the range extends, in which the permanent magnet mates with the edge of the recording form fit.
Insbesondere kann der Permanentmagnet / Kompositkörper vollständig formschlüssig in eine entsprechende Aufnahme des Rotorkörpers eingepasst sein. In particular, the permanent magnet / composite body can be completely positively fitted into a corresponding receptacle of the rotor body.
Dies kann beispielsweise ganz oder teilweise dadurch erreicht sein, dass der Permanentmagnet / Kompositkörper aus mehreren Teilkörpern innerhalb der Aufnahme des Rotorkörpers zusammengesetzt ist oder innerhalb der Aufnahme durch Verpressen oder Vergießen hergestellt ist. This can for example be achieved in whole or in part by the fact that the permanent magnet / composite body is composed of several partial bodies within the receptacle of the rotor body or is produced within the receptacle by pressing or casting.
Besonders vorteilhaft kann die Erfindung bei einer elektrischen Maschine, d.h. einem Rotor oder einem Generator angewendet werden, wenn der Rotor als Innenrotor ausgebildet und von einem Stator umgeben ist. Particularly advantageously, the invention can be applied to an electrical machine, i. a rotor or a generator are applied, when the rotor is formed as an inner rotor and surrounded by a stator.
In diesem Fall bildet der Rotor einen massiven zylindrischen Körper in dem der entsprechende Raum vorhanden ist, um die Aufnahmen für Permanentmagnete optimiert anzuordnen und auszurichten. In this case, the rotor forms a solid cylindrical body in which the corresponding space is present in order to arrange and align the receptacles for permanent magnets optimized.
Unabhängig von dieser optimierten Ausbildung ist die Erfindung ebenso bei elektrischen Maschinen mit einem Außenrotor / Außenläufer anwendbar. Regardless of this optimized design, the invention is equally applicable to electric machines having an outer rotor / outer rotor.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass einer oder mehrere Permanentmagneten der ersten oder zweiten Menge oder ein oder mehrere Kompositkörper im Querschnitt des Rotors eine tonnenförmige Kontur oder eine radial nach außen spitzwinklig zulaufende Kontur aufweisen.
Insgesamt lässt sich die im Querschnitt senkrecht zur Rotorachse gesehen radial nach außen verjüngend zulaufende Kontur der Permanentmagnete / Kompositkörper auf verschiedene Weise realisieren. Eine solche Form kann beispielsweise durch eine im Querschnitt kreisförmige oder ovale Kontur eines Permanentmagneten oder eines Kompositkörpers realisiert werden oder durch eine tonnenförmige Struktur oder auch durch eine im Wesentlichen dreieckige oder trapezförmige Struktur, wobei wenigstens abschnittsweise ein radial nach außen verjüngend zulaufender Bereich vorgesehen ist. Bei einem aus zwei oder mehr Einzelkörpern bestehenden Kompositkörper kann ein einzelner dieser Körper entsprechend radial nach außen hin abschnittsweise verjüngt zulaufen oder auch mehrere Körper oder alle Körper. Beispielsweise können in Radialrichtung zwei oder mehr im Querschnitt runde oder ovale Permanentmagnete hintereinander aufgereiht und miteinander verbunden sein oder nur aneinander anliegen. Der Begriff Kompositkörper ist in dem Sinne zu verstehen, dass ein Gesamtkörper aus mehreren einzelnen Körpern bestehen kann, die entweder miteinander verbunden oder aneinander direkt angrenzend und einander berührend angeordnet sind. Als Kompositkörper kann auch ein Körper verstanden werden, der aus mehreren verschiedenen Körpern zusammengesetzt oder abschnittsweise aus mehreren verschiedenen Stoffen gemischt wird. Dabei können die Anteile verschiedener Körper unterschiedliche stoffliche Zusammensetzungen und beispielsweise unterschiedliche Koerzitivfeldstärken und / oder unterschiedliche magnetische Remanenzen aufweisen. A further advantageous embodiment of the invention provides that one or more permanent magnets of the first or second quantity or one or more composite bodies in the cross section of the rotor have a barrel-shaped contour or a radially outwardly acute tapering contour. Overall, the contour of the permanent magnets / composite bodies tapering in the cross-section perpendicular to the rotor axis and tapering radially outwards can be realized in various ways. Such a shape can be realized for example by a circular or oval contour of a permanent magnet or a composite body or by a barrel-shaped structure or by a substantially triangular or trapezoidal structure, wherein at least partially an area tapering radially outwards is provided. In the case of a composite body consisting of two or more individual bodies, a single body of this body can be tapered in sections corresponding to radially outwards, or even several bodies or all bodies. For example, in the radial direction two or more round or oval in cross-section permanent magnets are lined up one behind the other and connected to each other or only abut each other. The term composite body is to be understood in the sense that an entire body can consist of several individual bodies which are either connected to each other or arranged directly adjacent to each other and touching each other. A composite body may also be understood as a body which is composed of several different bodies or mixed in sections of a plurality of different substances. In this case, the proportions of different bodies can have different material compositions and, for example, different coercive field strengths and / or different magnetic remanences.
Die Erfindung kann vorteilhaft auch dadurch realisiert sein, dass ein oder mehrere Permanentmagnete oder Kompositkörper zum radial inneren Ende der jeweiligen Aufnahme hin eine stufenförmige Querschnittserweiterung aufweist/aufweisen. The invention can also be advantageously realized in that one or more permanent magnets or composite bodies have / have a step-shaped cross-sectional widening towards the radially inner end of the respective receptacle.
Auch durch eine solche Stufe die an einem Körper oder zwischen zwei Körpern in deren Übergangsbereich vorgesehen ist, kann eine entsprechende Anlagefläche formschlüssig zu der entsprechenden Randfläche einer Aufnahme, an der die Stufe anliegt, geschaffen werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass ein Kompositkörper einen radial weiter außen und einen radial weiter innen liegenden Permanentmagneten aufweisen und dass der jeweils radial weiter innen liegende Permanentmagnet an der Fügestelle zwischen den beiden Permanentmagneten eine größere Querschnittsfläche aufweist, als in demselben Bereich der jeweils radial weiter außen liegende Permanentmagnet. Also, by such a step which is provided on a body or between two bodies in the transition region, a corresponding contact surface can form-fit to the corresponding edge surface of a receptacle on which the step is applied, are created. A further advantageous embodiment of the invention provides that a composite body having a radially further outward and a radially inner permanent magnet and that each radially further inside permanent magnet has a larger cross-sectional area at the joint between the two permanent magnets, as in the same area each radially further outward permanent magnet.
Dabei sind vorteilhaft der radial weiter innen liegende und der radial weiter außenliegende Permanentmagnet miteinander verbunden, so dass der formschlüssig gehaltene radial innenliegende Permanentmagnet durch seine Verbindung mit dem weiter außenliegenden Permanentmagneten diesen beim Auftreten von Fliehkräften hält. In this case, the radially further inner and the radially further outer permanent magnet are advantageously connected to each other, so that the form-fitting held radially inner permanent magnet by its connection with the outer permanent magnet keeps this when centrifugal forces occur.
Weiter kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass der radial weiter außen liegende Permanentmagnet eine höhere Koerzitivfeldstärke aufweist als der radial innen liegende Teil des / der Permanentmagneten / Kompositkörpers. Dies führt dazu, dass der radial außen liegende Permanentmagnet, der tendenziell im Bereich des Magnetspalts der elektrischen Maschine höheren magnetischen Störfeldern ausgesetzt ist eine hohe Stabilität gegenüber einer Entmagnetisierung durch solche Störmagnetfelder aufweist als der radial innen liegende Teil. Dies sollte insbesondere auch bei höheren Temperaturen beispielsweise oberhalb von 120°C gelten. Furthermore, it can be advantageously provided that the radially outer permanent magnet has a higher coercive field strength than the radially inner part of the permanent magnet / composite body. As a result, the radially outer permanent magnet, which tends to be exposed to higher magnetic interference fields in the region of the magnetic gap of the electric machine, has a high stability against demagnetization by such interference magnetic fields than the radially inner part. This should apply especially at higher temperatures, for example, above 120 ° C.
Dabei kann zudem vorteilhaft vorgesehen sein, dass wenigstens zwei zusammengefügte Permanentmagneten wenigstens eines Kompositkörpers zueinander parallele Magnetisierungsrichtungen aufweisen. In this case, it may also be advantageously provided that at least two assembled permanent magnets of at least one composite body have mutually parallel magnetization directions.
Es sind dabei insgesamt im Rotorkörper verschiedene Verlaufsgestaltungen des magnetischen Flusses denkbar, wobei sich die positiven Eigenschaften mit verschiedenen Permanentmagneten innerhalb einer Aufnahme gut kombinieren lassen, wenn ihre Magnetisierungsrichtungen parallel zueinander sind.
Insgesamt kann in dem Rotorkörper eine V-förmige Anordnung von jeweils Paaren von Permanentmagneten und / oder Kompositkörpern vorgesehen sein. Typischerweise sind mehrere solcher V-förmiger Anordnungen am Umfang eines Rotors verteilt. Eine V-förmige Anordnung besteht dabei aus zwei Aufnahmen innerhalb des Rotorkörpers die im Querschnitt des Rotors die einzelnen Schenkel eines V bilden und die jeweils einen oder mehrere Permanentmagnete und / oder Kompositkörper aufnehmen. Die einzelnen Schenkel der V-förmigen Anordnung müssen dabei nicht als gradlinig begrenzte Nuten ausgebildet sein, sondern sie können formschlüssig jeweils tonnenförmige Permanentmagneten oder hintereinander aufgereihte Gruppen von Permanentmagneten / Kompositkörpern aufnehmen, die ihrerseits einzeln tonnenförmig, im Querschnitt kreisförmig oder trapezförmig oder ähnlich aufgebaut sein können. In this case, different course configurations of the magnetic flux are conceivable overall in the rotor body, wherein the positive properties can be well combined with different permanent magnets within a receptacle if their magnetization directions are parallel to one another. Overall, a V-shaped arrangement of respective pairs of permanent magnets and / or composite bodies can be provided in the rotor body. Typically, several such V-shaped arrangements are distributed around the circumference of a rotor. A V-shaped arrangement consists of two receptacles within the rotor body which form the individual legs of a V in the cross section of the rotor and each receive one or more permanent magnets and / or composite bodies. The individual legs of the V-shaped arrangement need not be formed as a straight line limited grooves, but they can positively each barrel-shaped permanent magnets or successively lined up groups of permanent magnets / composites record, which in turn can be individually barrel-shaped, circular in cross-section or trapezoidal or similar ,
Durch eine derartige V-förmige Gestaltung werden optimierte Magnetflusseigenschaften im Rotorkörper erreicht, wobei durch eine konvexe Gestaltung der einzelnen Schenkel des Vs oder durch die konvexe Gestaltung von Abschnitte der Schenkel des jeweiligen Vs ein höherer Gesamtmagnetfluss und damit insgesamt für die elektrische Maschine eine höhere Energiedichte erreicht werden kann. By virtue of such a V-shaped design, optimized magnetic flux properties are achieved in the rotor body, with a higher total magnetic flux and thus a higher energy density overall being achieved for the electric machine by a convex design of the individual legs of the Vs or by the convex design of sections of the respective Vs can be.
Die einzelnen Permanentmagnete und / oder Kompositkörper können vorteilhaft innerhalb des Rotors in Gruppen jeweils in einer Halbachanordnung als Komponenten eines Magnetkreises vorgesehen sein. The individual permanent magnets and / or composite bodies can advantageously be provided within the rotor in groups in each case in a Halbach arrangement as components of a magnetic circuit.
Mit der bekannten Halbachanordnung von Magneten lässt sich auf der einen Seite einer Reihe von Magneten eine wesentlich höhere Feldstärke realisieren als auf der entsprechend gegenüberliegenden Seite der Magnete. Die Halbach- Anordnung wird im vorliegenden Falle in Umfangsrichtung eines Rotors derart angeordnet, dass die Seite der größeren Feldstärke zum Magnetspalt der Maschine gewandt ist. Zur Schaffung einer Halbach-Anordnung können verschiedene Arten von Magneten, insbesondere aus einer ersten Menge, einer zweiten Menge und einer dritten Menge von Magneten, miteinander kombiniert werden
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die erste Menge von Permanentmagneten einen geringeren Masseanteil an seltenen Erden aufweist, als die zweite Menge, insbesondere keinen Anteil an seltenen Erden. With the known Halbachanordnung of magnets can be realized on one side of a number of magnets a much higher field strength than on the corresponding opposite side of the magnets. The Halbach arrangement is arranged in the present case in the circumferential direction of a rotor such that the side of the greater field strength is turned to the magnetic gap of the machine. To create a Halbach arrangement, various types of magnets, in particular of a first quantity, a second quantity and a third quantity of magnets, can be combined with each other A further advantageous embodiment of the invention provides that the first set of permanent magnets has a lower mass fraction of rare earth than the second set, in particular no share of rare earths.
Dabei kann vorteilhaft der Umstand ausgenutzt werden, dass gegenüber Werkstoffen, die keine seltenen Erden enthalten, solche Werkstoffe mit seltene Erden- Anteilen üblicherweise eine erhöhte Koerzitivfeldstärke und andererseits auch oder alternativ eine besonders hohe Remanenz aufweisen können. In this case, the fact can advantageously be exploited that compared to materials which do not contain rare earths, such materials with rare earth portions usually can have an increased coercive field strength and on the other hand also or alternatively a particularly high remanence.
Dabei ist insbesondere bei einem Masseanteil von sogenannten schweren seltenen Erden eine hohe Koerzitivfeldstärke erreichbar, d.h. bei Verwendung der Elemente Ytrium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium und / oder Lutetium. Leichte seltene Erden wie Scandium, Landan, Cer, Praseodym, Neodym, Promethium, Semarium und / oder Europium wirken tendenziell eher auf eine Erhöhung der Remanenz. Grundsätzlich kann es jedoch vorteilhaft sein, mit möglichst wenig oder gar keinen Masseanteilen an schweren seltenen Erden, insbesondere mit Masseanteilen unterhalb von 1 % auszukommen. Der Masseteil von leichten seltenen Erden kann vorteilhaft in einem Bereich zwischen 5 und 25%, weiter vorteilhaft in einem Bereich zwischen 10 und 20% liegen. In this case, a high coercive field strength can be achieved, in particular with a mass fraction of so-called heavy rare earths, i. when using the elements ytrium, gadolinium, terbium, dysprosium, holmium, erbium, thulium, ytterbium and / or lutetium. Light rare earths such as scandium, landan, cerium, praseodymium, neodymium, promethium, semarium and / or europium tend to be more likely to increase remanence. In principle, however, it may be advantageous to use as few or no mass fractions of heavy rare earths, in particular with mass fractions below 1%. The mass fraction of light rare earths can advantageously be in a range between 5 and 25%, more advantageously in a range between 10 and 20%.
Vorteilhaft kann zudem vorgesehen sein, dass die erste Menge von Permanentmagneten keine seltenen Erden enthält, und dass die zweite Menge von Permanentmagneten leichte seltene Erden zumindest in Anteilen aufweist. Es kann dabei vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Permanentmagnete aus der zweiten Menge von Permanentmagneten vorzugsweise weiter entfernt vom Magnetspalt der elektrischen Maschine eingesetzt werden als die Permanentmagnete der ersten Menge bzw. das alle Permanentmagneten der zweiten Menge radial vom Magnetspalt weiter entfernt als die Permanentmagneten der ersten Menge. Advantageously, it can also be provided that the first set of permanent magnets does not contain rare earths, and that the second set of permanent magnets has light rare earths at least in portions. It can be advantageously provided that the permanent magnets from the second set of permanent magnets preferably further away from the magnetic gap of the electric machine are used as the permanent magnets of the first set or all the permanent magnets of the second set radially from the magnetic gap farther than the permanent magnets of the first Amount.
Durch die beschriebenen Maßnahmen wird erreicht, dass einerseits die dem Magnetspalt näheren Permanentmagnete aus einem Material mit höherer Koerzitiv-
feldstärke und geringer magnetischer Remanenz hergestellt sind als die Permanentmagnete, die einen größeren Abstand zum Magnetspalt aufweisen. By means of the described measures it is achieved that, on the one hand, the permanent magnets, which are closer to the magnetic gap, are made of a material with a higher coercive force. field strength and low magnetic remanence are produced as the permanent magnets, which have a greater distance to the magnetic gap.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass der Rotorkörper zusätzlich Taschen mit Permanentmagneten einer dritten Menge aufweist, wobei die Permanentmagneten der dritten Menge sich von den Permanentmagneten der ersten und der zweiten Menge bezüglich der stofflichen Zusammensetzung, insbesondere der magnetischen Eigenschaften, unterscheiden und insbesondere jeweils symmetrisch zwischen den Aufnahmen angeordnet sind, die die Permanentmagnete der ersten und zweiten Menge aufnehmen. A further advantageous development of the invention consists in that the rotor body additionally has pockets with permanent magnets of a third quantity, the permanent magnets of the third quantity differing from the permanent magnets of the first and second quantities with respect to the material composition, in particular the magnetic properties, and in particular are each arranged symmetrically between the receptacles that receive the permanent magnets of the first and second quantities.
Die Permanentmagnete der dritten Menge sind vorteilhaft beispielsweise bei einer speichenartigen, um die Rotorachse des Rotors symmetrisch aufgebauten Anordnung der Permanentmagnete der ersten und zweiten Menge symmetrisch zwischen den Speichen angeordnet oder bei V-förmigen Gestaltungen von Paaren von Permanentmagneten oder Permanentmagnetgruppen können die Permanentmagnete der dritten Menge jeweils mittig zwischen den Schenkeln der V-Form angeordnet sein. Die stoffliche Zusammensetzung der Permanentmagnete der dritten Menge unterscheidet sich von der Zusammensetzung der Permanentmagneten / Kompositkörper der ersten und zweiten Menge, wobei die Zusammensetzung der ersten und der zweiten Menge auch untereinander gleich sein kann. Die Magnetisierungsrichtung der Permanentmagneten der dritten Menge ist vorteilhaft innerhalb der Querschnittsebene des Rotors um einem Winkelbereich zwischen 60° und 120° zur Magnetisierungsrichtung der Permanentmagnete der ersten und zweiten Gruppe verdreht, vorteilhaft senkrecht zur Magnetisierungsrichtung der Permanentmagnete der ersten und zweiten Gruppe und / oder in Radialrichtung des Rotorkörpers ausgerichtet. Auf diese Weise können die Permanentmagnete der dritten Menge die Gestaltung des magnetischen Flussverlaufs im Rotorkörper optimieren und damit die Leistungsdichte der elektrischen Maschine weiter erhöhen und/oder zur Bildung einer Halbach- Anordnung beitragen. The permanent magnets of the third set are advantageously arranged symmetrically between the spokes, for example, in a spoke-like arrangement symmetrically constructed around the rotor axis of the rotor, or in the case of V-shaped configurations of pairs of permanent magnets or permanent magnet groups, the permanent magnets of the third set be arranged centrally between the legs of the V-shape. The material composition of the permanent magnets of the third quantity differs from the composition of the permanent magnets / composite bodies of the first and second quantity, wherein the composition of the first and the second quantity may also be equal to one another. The magnetization direction of the permanent magnets of the third set is advantageously rotated within the cross-sectional plane of the rotor by an angle range between 60 ° and 120 ° to the magnetization direction of the permanent magnets of the first and second group, advantageously perpendicular to the magnetization direction of the permanent magnets of the first and second group and / or in the radial direction aligned with the rotor body. In this way, the permanent magnets of the third set can optimize the design of the magnetic flux profile in the rotor body and thus further increase the power density of the electrical machine and / or contribute to the formation of a Halbach arrangement.
Insbesondere sind die Permanentmagnete der dritten Menge jeweils in einer geschlossenen Ausnehmung / Tasche des Rotorkörpers angeordnet.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen: In particular, the permanent magnets of the third set are each arranged in a closed recess / pocket of the rotor body. Embodiments of the invention will be explained in more detail with reference to a drawing. Show:
Fig. 1 im Querschnitt einen Rotor und einen Teil eines Stators eines Elektromotors, 1 in cross section a rotor and a part of a stator of an electric motor,
Fig. 2 einen weiteren Rotor eines Elektromotors im Querschnitt, 2 shows a further rotor of an electric motor in cross section,
Fig. 3 in einem Querschnitt eine Permanentmagnetkonfiguration, 3 shows in a cross section a permanent magnet configuration,
Fig. 4-11 im Querschnitt weitere Permanentmagnetkonfigurationen, FIGS. 4-11 in cross section further permanent magnet configurations,
Fig. 12 im Querschnitt einen weiteren Rotor eines Elektromotors, 12 in cross-section another rotor of an electric motor,
Fig. 13 in einem weiteren Querschnitt einen weiteren Rotor eines Elektromotors mit im Querschnitt tonnenförmigen Permanentmagneten, Fig. 14 ein Diagramm mit Parametern von Magnetwerkstoffen, 13 shows in a further cross-section a further rotor of an electric motor with barrel-shaped in cross-section permanent magnet, Fig. 14 is a diagram with parameters of magnetic materials,
Fig. 15 im Querschnitt einen außen liegenden Rotor sowie einen innen liegenden Stator eines Außenläufermotors, 15 in cross-section an external rotor and an inner stator of an external rotor motor,
Fig. 16 im Querschnitt einen Ausschnitt aus einem weiteren Rotor eines Fig. 16 in cross section a section of a further rotor of a
Elektromotors, Electric motor,
Fig. 17 in teilweiser Querschnittsdarstellung einen Teil eines Rotors und eines Stators eines Elektromotors, wobei zwei Permanentmagnete in einer V-Konfiguration dargestellt sind, 17 is a partial cross-sectional view of part of a rotor and a stator of an electric motor, wherein two permanent magnets are shown in a V-configuration,
Fig. 18 im schematischen Querschnitt einen Rotor eines Elektromotors, wobei die Permanentmagnete in V-Konfigurationen angeordnet sind, 18 is a schematic cross section of a rotor of an electric motor, wherein the permanent magnets are arranged in V-configurations,
Fig. 19 teilweise einen Querschnitt eines Rotors und eines Stators eines Fig. 19 partially a cross section of a rotor and a stator of a
Elektromotors mit Permanentmagneten in V-Konfiguration, Electric motor with permanent magnets in V-configuration,
Fig. 20 eine Anordnung wie in Fig. 19 dargestellt mit im Querschnitt zweifach- trapezförmig geformten Permanentmagneten, 20 shows an arrangement as shown in FIG. 19 with a double-trapezoidal shaped permanent magnet in cross-section, FIG.
Fig. 21 einen Querschnitt eines Rotors mit im Querschnitt tonnenformig ausgebildeten Permanentmagneten in Speichenanordnung, 21 is a cross section of a rotor with tonnenformig in cross-section permanent magnet in spoke arrangement,
Fig. 22 eine abgerollte Darstellung eines Rotors mit im Querschnitt tonnenförmigen Permanentmagneten sowie Fig. 22 is a rolled-up view of a rotor with barrel-shaped in cross-section permanent magnet and
Fig. 23 eine abgerollte Darstellung eines Querschnitts eines Rotors eines FIG. 23 is an unrolled view of a cross section of a rotor of FIG
Elektromotors ähnlich wie Fig. 22, wobei die im Querschnitt tonnen-
förmigen Permanentmagnete zweiteilig tonnenförmig ausgebildet sind. Electric motor similar to FIG. 22, with the cross-sectionally shaped permanent magnets are in two parts barrel-shaped.
Fig. 1 zeigt einen Rotor 1 eines Elektromotors, der innerhalb eines Stators 2 um eine Rotorachse 3 drehbar gelagert ist. Im Querschnitt der Fig. 1 ist sichtbar, dass innerhalb des Rotorkörpers 4 sechs Permanentmagnete 5, 6 in Aufnahmen 5a, 6a gehalten sind, wobei die Längsachsen 7 der Aufnahmen radial in Bezug auf die Rotorachse 3 ausgerichtet sind. Es handelt sich bei einer derartigen Konstruktion um eine sogenannte speichenförmige Anordnung der Permanentmagnete. Der Magnetspalt 8 ist in der Fig. 1 übertrieben groß dargestellt. Er wird zwischen dem Stator und der zylindrischen Außenfläche des Rotors 1 gebildet. 1 shows a rotor 1 of an electric motor, which is rotatably mounted within a stator 2 about a rotor axis 3. It is visible in the cross-section of FIG. 1 that six permanent magnets 5, 6 are held within receptacles 5a, 6a within the rotor body 4, the longitudinal axes 7 of the receptacles being aligned radially with respect to the rotor axis 3. It is in such a construction is a so-called spoke-like arrangement of the permanent magnets. The magnetic gap 8 is shown exaggerated in FIG. It is formed between the stator and the cylindrical outer surface of the rotor 1.
Um eine besonders hohe Effizienz eines entsprechenden Elektromotors zu erreichen wird angestrebt, den Magnetspalt 8 / Rotorspalt möglichst klein zu gestalten. In order to achieve a particularly high efficiency of a corresponding electric motor is sought to make the magnetic gap 8 / rotor gap as small as possible.
Die Permanentmagnete 5, 6 reichen nicht ganz bis an die zylindrische Außenfläche des Rotors 1 heran, da sie durch Ansätze 9, 10 des Rotorkörpers im Bereich des radial außen liegenden Teils der Aufnahmen 5a, 6a in diesen zurückgehalten werden. Insbesondere bei schneller Rotation wirken auf die Permanentmagnete 5, 6 Fliehkräfte radial nach außen, so dass die Ansätze 9, 10, die jeden einzelnen der Permanentmagnete halten, beträchtlichen Kräften ausgesetzt sind. The permanent magnets 5, 6 are not quite up to the cylindrical outer surface of the rotor 1, since they are retained by lugs 9, 10 of the rotor body in the region of the radially outer part of the receptacles 5a, 6a in these. In particular, in the case of rapid rotation, centrifugal forces act radially outward on the permanent magnets 5, 6, so that the lugs 9, 10, which hold each individual one of the permanent magnets, are subjected to considerable forces.
Die Fig. 2 zeigt eine Konstellation eines Rotors 1' und eines Stators 2', wobei im Stator 2' im Querschnitt sogenannte Statorzähne 11 , 12 dargestellt sind, die jeweils in zwischen ihnen liegenden Statornuten 13, 14 elektrische Wicklungen 15, 16 tragen. Die Wicklungen 15, 16 sind durch eine nicht dargestellte Ansteuerelektronik zur Erzeugung eines rotierenden elektrischen Feldes mit einem zeitlich veränderlichen Strom beaufschlagbar. Fig. 2 shows a constellation of a rotor 1 'and a stator 2', wherein in the stator 2 'in cross-section so-called stator teeth 11, 12 are shown, each carrying electric windings 15, 16 in lying between them Statornuten 13, 14. The windings 15, 16 are acted upon by a drive electronics, not shown, for generating a rotating electric field with a time-varying current.
Der Rotor 1 ' trägt in Aufnahmen jeweils speichenartig auf die Rotorachse 3 ausgerichtete Permanentmagnete 5', 6', die jeweils in radialer Richtung zweigeteilt sind und jeweils als Kompositkörper mit einem ersten Teilmagneten 17 und einem zweiten Teilmagneten 18 gebildet sind. Die Permanentmagneten 5', 6' können
beispielsweise mittels Ansätzen wie in der Fig. 1 gezeigt und dort mit 9, 10 bezeichnet in den Aufnahmen zurückgehalten werden oder in diesen durch bekannte Fügetechniken wie beispielsweise Kleben, Löten, Schweißen, Klemmen oder eine formschlüssige Verbindung gehalten sein. Die Permanentmagneten 5', 6' reichen radial bis zur zylindrischen Außenfläche des Rotors und schließen mit dieser bündig ab. The rotor 1 'carries in recordings each spoke-like on the rotor axis 3 aligned permanent magnets 5', 6 ', which are each divided into two in the radial direction and are each formed as a composite body with a first partial magnet 17 and a second partial magnet 18. The permanent magnets 5 ', 6' can For example, by means of approaches as shown in Fig. 1 and there designated 9, 10 are retained in the recordings or held in these by known joining techniques such as gluing, soldering, welding, clamping or a positive connection. The permanent magnets 5 ', 6' extend radially to the cylindrical outer surface of the rotor and close with this flush.
Es kann vorgesehen sein, dass der radial weiter außen in der jeweiligen Aufnahme liegende Teilmagnet 17 aus einer ersten Menge von Permanentmagneten jeweils als Ferritbauteil oder mit einem Anteil an Ferritwerkstoffen ausgebildet ist, während der radial weiter innen liegende Teilmagnet 18, der zu einer zweiten Menge von Permanentmagneten gehört, aus einem Werkstoff besteht, der seltene Erden enthält. Vorteilhaft enthält dieser Teilmagnet vorwiegend leichte seltene Erden, insbesondere einen höheren Teil an leichten seltenen Erden als schwere seltene Erden, weiter vorteilhaft keinen Anteil an schweren seltenen Erden. It may be provided that the partial magnet 17 located radially further outwards in the respective receptacle is formed from a first set of permanent magnets each as a ferrite component or with a proportion of ferrite materials, whereas the part magnet 18 lying radially further inward forms a second quantity of Permanent magnet belongs, consists of a material containing rare earths. This partial magnet advantageously contains predominantly light rare earths, in particular a higher proportion of light rare earths than heavy rare earths, furthermore advantageously no proportion of heavy rare earths.
Durch die beschriebene Konstellation wird erreicht, dass die Permanentmagnetkonstellation als Ganze in dem Bereich, in dem die größten magnetischen Feldstärken wirken, d.h. in der Nähe des Magnetspaltes, aus einem Ferritwerkstoff bestehen, der kostengünstig ist und eine ausreichende Koerzitivfeldstärke aufweist, während die hohe magnetische Remanenz von seltene Erden-Werkstoffen bei denjenigen Teilmagneten 18 ausgenutzt wird, die radial weiter innen und von störenden Magnetfeldern weiter entfernt liegen. Auf diese Weise wird verhindert, dass eine Entmagnetisierung im Bereich des Magnetspaltes stattfindet, wobei insgesamt ein minimaler Anteil an seltene Erden-Werkstoffen eingesetzt wird. By the described constellation it is achieved that the permanent magnet constellation as a whole in the area in which the greatest magnetic field strengths act, i. in the vicinity of the magnetic gap, consist of a ferrite, which is inexpensive and has a sufficient coercive force, while the high magnetic remanence of rare earth materials is exploited in those partial magnets 18, which are located radially further inside and away from disturbing magnetic fields. In this way, it is prevented that a demagnetization takes place in the region of the magnetic gap, wherein a total of a minimum proportion of rare earth materials is used.
Zur weiteren vorteilhaften Gestaltung der Magnetfelder innerhalb des Rotors / Rotorkörpers ist gemäß Fig. 2 vorgesehen, dass weitere Permanentmagnete 19, 20 einer dritten Menge von Permanentmagneten jeweils zwischen zwei speichenartig benachbarten Permanentmagnetkonstellationen eingesetzt sind. Auf die möglichen hierdurch erreichten Magnetfeld- bzw. Magnetflusskonstellationen, beispielsweise Halbach-Anordnungen, wird weiter unten näher eingegangen.
Die Fig. 3 bis 11 bezeichnen im Querschnitt Permanentmagnetkonstellationen mit jeweils 2 Permanentmagneten, die jeweils einen ersten Teilmagnet im jeweiligen oberen Bereich der Darstellung und einen zweiten Teilmagnet im jeweiligen unteren Bereich der Darstellung aufweisen. Grundsätzlich sind die Figuren so angelegt, dass der untere Bereich der Darstellung der Rotorachse eines Rotors eines Elektromagneten ferner ist als der obere Bereich. Die entsprechenden Permanentmagnetkonstellationen können dabei in einer speichenartigen Anordnung in Bezug auf die Rotorachse eingesetzt sein, jedoch ist auch eine sogenannte V- förmige Konstellation von Permanentmagneten denkbar, auf die weiter unten noch näher eingegangen wird. Die jeweiligen Permanentmagnetkonstellationen sind vorteilhaft in Aufnahmen eines Rotorkörpers untergebracht, die in Bezug auf die Permanentmagnetkonstellationen vorteilhaft formschlüssig ausgebildet sind, d.h. die Permanentmagnetkonstellationen spaltfrei umgeben. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Aufnahmen die jeweiligen Magnetkonstellationen nur in Teilbereichen formschlüssig umgeben, beispielsweise jeweils in den Bereichen, in denen der Querschnitt der Permanentmagnetkonstellation sich in Richtung radial nach außen gesehen verringert. For further advantageous design of the magnetic fields within the rotor / rotor body is provided according to FIG. 2 that further permanent magnets 19, 20 of a third set of permanent magnets are each inserted between two spoke-like adjacent permanent magnet constellations. The possible magnetic field or magnetic flux constellations achieved thereby, for example Halbach arrangements, will be discussed in more detail below. 3 to 11 denote in cross-section Permanentmagnetkonstellationen with 2 permanent magnets, each having a first partial magnet in the respective upper region of the representation and a second partial magnet in the respective lower region of the representation. Basically, the figures are arranged so that the lower portion of the representation of the rotor axis of a rotor of an electromagnet is further than the upper portion. The corresponding permanent magnet constellations can be used in a spoke-like arrangement with respect to the rotor axis, however, a so-called V-shaped constellation of permanent magnets is conceivable, which will be discussed in more detail below. The respective permanent magnet constellations are advantageously accommodated in receptacles of a rotor body, which are advantageously designed with positive locking in relation to the permanent magnet constellations, ie, surround the permanent magnet constellations without gaps. However, it can also be provided that the receptacles surround the respective magnetic constellations in a form-fitting manner only in partial regions, for example in each case in the regions in which the cross section of the permanent magnet constellation is reduced in the direction radially outward.
In der Fig. 3 ist beispielhaft oberhalb der Permanentmagnetkonstellation die Rotorachse 3 eingezeichnet. Der Querschnitt beider Teilmagnete 17, 18 ist rechteckig und gleich groß, so dass die gesamte Magnetkonstellation rechteckig mit gleichbleibendem Querschnitt ausgebildet ist. Die Magnetisierungsrichtungen 21 , 22 der beiden Teilmagnete 17, 18 sind durch Pfeile angedeutet wie bei allen übrigen Permanentmagnetkonstellationen der Fig. 3 bis 11 ebenso. In FIG. 3, the rotor axis 3 is shown by way of example above the permanent magnet constellation. The cross section of both partial magnets 17, 18 is rectangular and equal in size, so that the entire magnetic constellation is formed rectangular with constant cross section. The magnetization directions 21, 22 of the two partial magnets 17, 18 are indicated by arrows as in all other permanent magnet constellations of FIGS. 3 to 11 as well.
In der Fig. 4 ist bei dem radial inneren Teilmagnet 17' im radial inneren Bereich eine rechteckige Erweiterung 23 vorgesehen, durch die die Magnetkonstellation bei radial wirkenden Fliehkräften in der Aufnahme gehalten wird. Grundsätzlich ist zu bemerken, dass gemäß den Fig. 3, 4, 5, 6, 7 und 11 der radial innen liegende Teilmagnet der Magnetkonstellation in radialer Richtung länger ausgebildet ist als der radial außen liegende Teilmagnet. Gemäß den Fig. 8, 9 und 10 ist die Aufteilung umgekehrt, so dass dort der radial innen liegende Teilmagnet in radialer Richtung kürzer ausgebildet ist als der radial außen liegende Teilmagnet.
Die Fig. 5 zeigt einen trapezförmigen Querschnitt des radial innen liegenden Teilmagneten 24, wobei das Trapez radial nach außen spitz zuläuft. Der radial außen liegende Teilmagnet 18" ist rechteckig ausgeführt. In FIG. 4, in the radially inner partial magnet 17 ', a rectangular extension 23 is provided in the radially inner region, by means of which the magnetic constellation is held in the receptacle with radially acting centrifugal forces. In principle, it should be noted that according to FIGS. 3, 4, 5, 6, 7 and 11, the radially inner partial magnet of the magnet constellation is designed to be longer in the radial direction than the radially outer partial magnet. According to FIGS. 8, 9 and 10, the division is reversed, so that there the radially inner partial magnet is shorter in the radial direction than the radially outer partial magnet. 5 shows a trapezoidal cross-section of the radially inner part magnet 24, wherein the trapezoid tapers radially outward. The radially outer partial magnet 18 "is rectangular.
Die Fig. 6 zeigt radial innen liegend einen Teilmagneten 25 mit einer rechteckigen Erweiterung 23', wobei der radial außen liegende Teilmagnet 26 im Querschnitt trapezförmig, sich radial nach außen erweiternd, ausgebildet ist. Fig. 6 shows radially inwardly a partial magnet 25 with a rectangular extension 23 ', wherein the radially outer partial magnet 26 in cross-section trapezoidal, extending radially outward, is formed.
Die Fig. 7 zeigt den radial innen liegenden Teilmagnet 24' im Querschnitt in trapezförmiger Ausbildung radial nach außen spitz zulaufend, wobei der radial außen liegende Teilmagnet 26' als Trapez, wie in Fig. 6 dargestellt, radial nach innen spitz zulaufend ausgebildet ist. Fig. 7 shows the radially inner part of the magnet 24 'in cross section in trapezoidal formation radially tapering outward, wherein the radially outer part magnet 26' as a trapezoid, as shown in Fig. 6, is formed tapering radially inwardly.
Alle in den Fig. 4 bis 7 dargestellten Konstellationen weisen Hinterschneidungen auf, die ein radiales Herausrutschen nach radial außen aus einer entsprechend geformten Aufnahme in einem Rotorkörper zuverlässig verhindern. All constellations shown in FIGS. 4 to 7 have undercuts which reliably prevent radial outward slipping out of a correspondingly shaped receptacle in a rotor body.
Die Fig. 8 zeigt einen Querschnitt rechteckige Magnetkonstellation, wobei der radial innen liegende Teilmagnet 27 in radialer Richtung eine geringere Ausdehnung aufweist als der radial außen liegende Teilmagnet 28. FIG. 8 shows a cross-section of a rectangular magnet constellation, with the radially inner partial magnet 27 having a smaller extent in the radial direction than the partial magnet 28 lying radially on the outside.
Die Magnetkonstellation der Fig. 9 zeigt im Querschnitt einen rechteckigen radial innen liegenden Teilmagneten 27', wobei der radial außen liegende Teilmagnet 29 im Querschnitt trapezförmig ausgebildet ist und nach radial außen in Bezug auf die Rotorachse 3 spitz zuläuft. The magnetic constellation of FIG. 9 shows in cross-section a rectangular radially inner partial magnet 27 ', wherein the radially outer partial magnet 29 is trapezoidal in cross-section and tapers radially outward with respect to the rotor axis 3.
Gemäß der Fig. 10 sind beide Teilmagnete 29' und 30 im Querschnitt trapezförmig ausgebildet, wobei jeweils die Trapeze nach radial außen in Bezug auf den Rotor spitz zulaufen. Zudem ist zwischen dem Teilmagnet 29' und dem Teilmagnet 30 an der Fügefläche ein Ansatz 31 dadurch gebildet, dass die kleinere Deckfläche der Trapezform des Teilmagneten 30 größer ist als die größere Deckfläche der trapezförmigen Querschnittsform des Teilmagneten 29'.
Beim Übergang bzw. an der Fügestelle zwischen dem radial innen liegenden Teilmagneten 30 und dem radial außen liegenden Teilmagneten 29' ist somit eine sprungförmige Verringerung der Querschnittsfläche vorgesehen. According to FIG. 10, both partial magnets 29 'and 30 are trapezoidal in cross-section, the trapezoids each tapering radially outward with respect to the rotor. In addition, a shoulder 31 is formed between the partial magnet 29 'and the partial magnet 30 at the joining surface in that the smaller top surface of the trapezoidal shape of the partial magnet 30 is larger than the larger top surface of the trapezoidal cross-sectional shape of the partial magnet 29'. At the transition or at the joint between the radially inner partial magnet 30 and the radially outer partial magnet 29 'is thus provided a sudden reduction in the cross-sectional area.
Die Fig. 11 zeigt eine Querschnittskonstellation, bei der der radial innen liegende Teilmagnet 32 rechteckig ausgebildet und der radial außen liegende Teilmagnet 33 trapezförmig ausgebildet ist, wobei der trapezförmige Querschnitt des radial äußeren Teilmagneten 33 radial nach außen spitz zuläuft. 11 shows a cross-sectional constellation in which the radially inner partial magnet 32 is rectangular and the radially outer partial magnet 33 is trapezoidal in shape, with the trapezoidal cross section of the radially outer partial magnet 33 tapering radially outward.
Die in den Fig. 9, 10 und 11 gezeigten Konstellationen weisen, ebenso wie die in den Fig. 4, 5, 6 und 7 gezeigten Konstellationen von radial innen nach radial außen hin eine Querschnittsverringerung auf, die jeweils das Zurückhalten in einer entsprechend geformten Aufnahme eines Rotorkörpers bewirkt. The constellations shown in FIGS. 9, 10 and 11, as well as the constellations shown in FIGS. 4, 5, 6 and 7, have a cross-sectional reduction from radially inward to radially outward, respectively retaining in a correspondingly shaped receptacle a rotor body causes.
Zusätzlich zu den in den Fig. 3 bis 11 gezeigten Konstellationen sind selbstverständlich noch andere Querschnittskonstellationen denkbar, bei denen beispielsweise die Begrenzungsflächen der jeweiligen dargestellten Rechtecke und Trapeze durch konvexe oder konkave, beispielsweise auch teilkugelförmig und tonnen- förmig ausgebildete Grenzlinien ersetzt sein können. In addition to the constellations shown in FIGS. 3 to 11, of course, other cross-sectional constellations are conceivable in which, for example, the boundary surfaces of the respective illustrated rectangles and trapezoids can be replaced by convex or concave, for example also part-spherical and barrel-shaped boundary lines.
Die Fig. 12 zeigt beispielsweise im Querschnitt einen Rotor eines Elektromotors mit speichenförmig angeordneten Permanentmagnetkonstellationen/Kompositkörpern, wobei jede einzelne der Permanentmagnetkonstellationen aus jeweils zwei im Querschnitt kreisrunden Teilmagneten 34, 35 besteht, wobei der radial außen angeordnete Teilmagnet 35 jeweils im Querschnitt einen geringeren Durchmesser aufweist als der radial innen liegende Teilmagnet 34. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass jeweils der außen angeordnete Teilmagnet einen größeren Durchmesser aufweist als der radial innen liegende Teilmagnet jeweils im Querschnitt gesehen. Eine Rückhaltung in entsprechend geformten Aufnahmen der Magnetkonstellationen ist bereits durch die im Querschnitt kreisförmige Ausprägung gegeben.
Auch hier kann vorzugsweise der radial außen gelegene Teilmagnet 35 aus einem Ferrit oder ferrithaltigen Werkstoff und der radial innen liegende Teilmagnet 34 entweder ebenfalls aus einem Ferritwerkstoff oder aus einem seltene Erden- haltigen Werkstoff oder aus einer Mischung beider Werkstoffe bestehen. Ebenfalls können die Teilmagnete der radial innen liegenden Gruppe 34 aus einem anderen Werkstoff bestehen als die radial außen liegenden Teilmagnete 35. FIG. 12 shows, for example, in cross-section a rotor of an electric motor with permanent magnet constellations / composite bodies arranged in the form of spokes, wherein each one of the permanent magnet constellations consists of two partial magnets 34, 35 which are circular in cross-section, the partial magnet 35 arranged radially on the outside each having a smaller diameter in cross section However, it can also be provided that each of the externally arranged part magnet has a larger diameter than the radially inner part magnet each seen in cross section. A retention in correspondingly shaped recordings of the magnet constellations is already given by the circular cross-sectional shape. Here, too, preferably the radially outer partial magnet 35 made of a ferrite or ferrite-containing material and the radially inner partial magnet 34 either likewise consist of a ferrite material or of a rare earth-containing material or of a mixture of the two materials. Likewise, the partial magnets of the radially inner group 34 may consist of a different material than the radially outer partial magnets 35.
Die Fig. 13 zeigt im Querschnitt eine Permanentmagnetanordnung eines Rotors mit im Querschnitt jeweils tonnenförmigen Permanentmagneten 36, 37. Dabei ist angedeutet, dass die Magnetisierung, die durch azimutal ausgerichtete Pfeile 38 angedeutet ist, jeweils bei zwei in einander benachbarten Ausnahmen angeordneten Permanentmagneten 36, 37 entgegengesetzt gerichtet ist. 13 shows in cross-section a permanent magnet arrangement of a rotor with barrel-shaped permanent magnets 36, 37 in cross section. It is indicated that the magnetization, which is indicated by azimuthally oriented arrows 38, respectively arranged at two adjacent exceptions permanent magnets 36, 37th is directed opposite.
Die tonnenförmige Querschnittsform der Permanentmagnete 36, 37 bewirkt durch ihre Hinterschneidung in radialer Richtung ebenfalls eine Rückhaltung in entsprechend geformten Aufnahmen des Rotorkörpers. Es können daher Ansätze 9, 10 wie in der Fig. 1 dargestellt vollständig weggelassen werden und die Permanentmagnete und Kompositkörper 34, 35, 36, 37 können bis an die zylindrische Außenfläche des Rotors heranreichen. Damit wird ein geringer Abstand der Permanentmagnete zum Stator und damit eine hohe Effizienz der elektrischen Maschine bzw. eine hohe Leistungsdichte erreicht oder erreichbar. The barrel-shaped cross-sectional shape of the permanent magnets 36, 37 caused by their undercut in the radial direction also a retention in correspondingly shaped recordings of the rotor body. Therefore, projections 9, 10 as shown in FIG. 1 can be completely omitted and the permanent magnets and composite bodies 34, 35, 36, 37 can reach as far as the cylindrical outer surface of the rotor. Thus, a small distance of the permanent magnets to the stator and thus a high efficiency of the electric machine or a high power density is achieved or achievable.
Die Fig. 15 zeigt zur Abrundung der Erfindung eine Konstellation mit einem innen liegenden Stator 39 und einem Außenläufer in Form eines hohlzylindrischen Rotors 40. Die Rotorachse ist mit 3 bezeichnet und der Rotor 40 ist drehbar um die Rotorachse 3 gelagert. FIG. 15 shows a constellation with an inner stator 39 and an outer rotor in the form of a hollow-cylindrical rotor 40 in order to round off the invention. The rotor axis is designated 3 and the rotor 40 is rotatably mounted about the rotor axis 3.
Innerhalb des Rotorkörpers sind Permanentmagnete 41 , 42 dargestellt, die in speichenförmiger Anordnung auf die Rotorachse 3 ausgerichtet sind und radial nach außen im Querschnitt sich verjüngend zulaufen. Die Aufnahmen, in denen die Permanentmagnete 41 , 42 enthalten sind, sind entsprechend formschlüssig gestaltet.
Anhand der Fig. 14 soll verdeutlicht werden, dass besonders bei der Verwendung besonderer geometrischer Konstellationen von Permanentmagneten, wie sie in den Figuren dieser Anmeldung dargestellt sind, neben der Verwendung verschiedener Materialien für die Teilmagneten eines einzigen Rotors, insbesondere auch der Verwendung von verschiedenen Materialien für verschiedene Teilmagnete eines Kompositkörpers durch geeignete Materialwahl auch die Zahl der eingesetzten unterschiedlichen Materialien für die verwendeten Permanentmagneten eines Rotors verringert werden kann. Es kommen hierbei dann besonders solche Materialien in Frage, die aus einem Mischwerkstoff bestehen, wobei die Mischung derart eingestellt ist, dass der Mischwerkstoff eine Remanenzfeldstärke Br zwischen 0,6 Tesla und 1 Tesla aufweist. Alternativ dazu oder zusätzlich kann der Mischwerkstoff die Eigenschaft aufweisen, dass die Koerzitivfeldstärke Hcj zwischen 1300 und 2500 kA/m beträgt. Bei Verwendung eines derartigen Materials, insbesondere wenn Permanentmagneten in Form von Kompositkörpern eingesetzt werden, können vorteilhaft zwei oder mehrere Teilmagnete eines Kompositkörpers aus dem genannten Werkstoff bestehen. Dieser Werkstoff weist dann im radial innen gelegenen Bereich des Rotors dieselbe Zusammensetzung und dieselben physikalischen Eigenschaften auf wie im radial äußeren Teil des Kompositkörpers und damit auch im Magnetspalt-nahen Bereich dieselbe Zusammensetzung wie im Magnetspalt-fernen Bereich. Solche Werkestoffe können beispielsweise aus Ferri- ten und ferritähnlichen Stoffen, insbesondere unter Zugabe von seltenen Erden- Metallen hergestellt werden, wobei diese Mischwerkstoffe vorteilhaft frei von schweren seltenen Erden-Materialien sein können. Insgesamt kann somit die Verwendung von seltenen Erden bei Permanentmagneten in einem Rotor reduziert werden. Die erforderlichen oder vorteilhaften Werte für die Remanenzfeldstärke und die Koerzitivfeldstärke können mit einem solchen Material erreicht werden. In der Fig. 14 ist mit dem ersten schraffierten Bereich 43 ein Stoff der Klasse Nd/Dy/Th/Fe/B repräsentiert durch seine Werte der Koerzitivfeldstärke, aufgetragen gegenüber der Temperatur. Es zeigt sich dass die Koerzitivfeldstärke im Bereich einer relativ hohen Betriebstemperatur von 180 bis 200° Celsius eines Motors beträchtlich absinkt. Der dritte schraffierte Bereich 45 zeigt den entsprechenden Parameterbereich von üblichen Ferriten. Der zweite schraffierte Bereich 44 zeigt die erfindungsgemäß eingesetzten Stoffe, die beispielsweise als Mi-
schung zwischen Ferriten und seltenen Erden hergestellt werden können, wobei die Koerzitivfeldstärke zwischen der von seltene Erden-Werkstoffen und Ferriten liegt, wobei die Temperaturabhängigkeit der Koerzitivfeldstärke wesentlich geringer ist als bei den mehr oder ausschließlich seltene Erden enthaltenden Magnetwerkstoffen. Vorteilhaft wird bei entsprechenden Mischwerkstoffen eine Temperaturabhängigkeit zwischen -0,11 und 0 Prozent pro Kelvin bezüglich der Remanenzfeldstärke Br realisiert. Diese Werte sollten zwischen -50° Celsius und +180° Celsius eingehalten werden. Within the rotor body are permanent magnets 41, 42 are shown, which are aligned in a spoke-like arrangement on the rotor axis 3 and tapering radially outward in cross-section. The recordings in which the permanent magnets 41, 42 are included are designed in a form-fitting manner. It should be clarified with reference to FIG. 14 that, especially when using special geometric constellations of permanent magnets, as shown in the figures of this application, in addition to the use of different materials for the partial magnets of a single rotor, in particular the use of different materials for Various partial magnets of a composite body can be reduced by suitable choice of material and the number of different materials used for the permanent magnets used in a rotor. In this case, particularly suitable materials are those which consist of a mixed material, the mixture being set in such a way that the mixing material has a remanence field strength Br between 0.6 Tesla and 1 Tesla. Alternatively or additionally, the mixed material may have the property that the coercive force Hcj is between 1300 and 2500 kA / m. When using such a material, in particular when permanent magnets in the form of composite bodies are used, advantageously two or more partial magnets of a composite body can consist of the abovementioned material. This material then has the same composition and the same physical properties in the radially inner region of the rotor as in the radially outer part of the composite body and thus also in the magnetic gap-near region the same composition as in the magnetic gap-distant region. Such materials can be produced, for example, from ferrite and ferrite-like materials, in particular with the addition of rare earth metals, these mixed materials advantageously being free from heavy rare earth materials. Overall, the use of rare earths in permanent magnets in a rotor can thus be reduced. The required or advantageous values for the remanence field strength and the coercive field strength can be achieved with such a material. In Fig. 14, with the first hatched area 43, a substance of the class Nd / Dy / Th / Fe / B is represented by its values of the coercive force plotted against the temperature. It can be seen that the coercive force drops considerably in the range of a relatively high operating temperature of 180 to 200 ° Celsius of an engine. The third hatched area 45 shows the corresponding parameter range of conventional ferrites. The second hatched area 44 shows the substances used according to the invention, which are used, for example, as mi between rare earths and ferrites, where the coercivity is between that of rare earth materials and ferrites, the temperature dependence of the coercive force being much less than that of the more or less rare earth containing magnetic materials. Advantageously, a temperature dependence between -0.11 and 0 percent per Kelvin with respect to the remanence field strength Br is realized with the corresponding mixing materials. These values should be maintained between -50 ° Celsius and + 180 ° Celsius.
Zudem kann bezüglich der Koerzitivfeldstärke Hcj ein Temperaturkoeffizient von - 0,5 bis +0,4 Prozent pro Kelvin, geltend zwischen einer Temperatur von -50° Celsius und +180° Celsius realisiert werden. In addition, with respect to the coercive force Hcj, a temperature coefficient of -0.5 to +0.4 percent per Kelvin, between a temperature of -50 ° Celsius and + 180 ° Celsius, can be realized.
Entsprechende Mischwerkstoffe können als polymer gebundene Hybride hergestellt werden, wobei NdFeB in Pulverform mit einem Ferritpulver gemischt werden kann. Insbesondere da die Temperaturabhängigkeit der Koerzitivfeldstärke von NdFeB negativ und die von Ferritpulvern positiv ist, kann durch eine geeignete Mischung ein geringer Temperaturkoeffizient eingestellt werden. Die einzelnen Puder können magnetisch anisotrop durch entsprechende, bekannte Prozesse wie das Mahlen von vormagnetisierten Werkstoffen hergestellt und eingesetzt werden. Dadurch kann der magnetisch verdünnende Effekt des Polymerbindemittels ausgeglichen werden. Die Herstellung und Bindung der entsprechenden Magnetkörper kann in einem starken magnetischen Gleichfeld stattfinden, um eine entsprechende Ausrichtung anisotroper Pulverwerkstoffe zu erreichen. Es ist zudem möglich, die Formung der Magnetkörper in den Aufnahmen des jeweiligen Rotorkörpers durch Spritzgießen, Hochdruckspritzguss und andere Techniken auszubilden. Corresponding mixing materials can be prepared as polymer-bound hybrids, wherein NdFeB can be mixed in powder form with a ferrite powder. In particular, since the temperature dependence of the coercive force of NdFeB is negative and that of ferrite powders is positive, a low temperature coefficient can be set by a suitable mixture. The individual powders can be prepared and used magnetically anisotropically by corresponding known processes, such as the grinding of premagnetized materials. Thereby, the magnetically diluting effect of the polymer binder can be compensated. The production and bonding of the corresponding magnetic body can take place in a strong magnetic constant field in order to achieve a corresponding orientation of anisotropic powder materials. It is also possible to form the shaping of the magnetic bodies in the receptacles of the respective rotor body by injection molding, high-pressure injection molding and other techniques.
Die für eine entsprechende Leistungsfähigkeit der beschriebenen elektrischen Maschinen notwendigen Feldstärken können durch die genannten Werkstoffe insbesondere dann erreicht werden, wenn geeignete geometrische Konstellationen der Permanentmagnete verwendet werden, gegebenenfalls mit einer optimierten Formung der Einzelmagnete. In diesem Zusammenhang zeigt die Fig. 16 beispielsweise im Querschnitt einen Ausschnitt eines Rotors einer elektrischen Ma-
schine mit zwei Permanentmagneten, die jeweils als Kompositkörper 46, 47 ausgebildet sind, wobei jeder der Kompositkörper 46, 47 aus zwei Teilmagneten 48, 49 besteht. Die Magnetisierungsrichtungen 50, 51 sind jeweils für jeden der Kompositkörper 46, 47 einheitlich und zwischen den Kompositkörpern 46, 47 entgegengesetzt. Die jeweils radial äußeren Teilmagneten 49 bilden typischerweise Permanentmagneten einer ersten Menge, während die radial innen angeordneten Teilmagnete 48 Permanentmagnete einer zweiten Menge bilden. Die stoffliche Zusammensetzung der Permanentmagnete der ersten und der zweiten Menge können gleich oder auch unterschiedlich sein. Zudem ist in der Fig. 16 ein Permanentmagnet 52 einer dritten Menge von Permanentmagneten ersichtlich, wobei dieser zuletzt genannte Permanentmagnet 52 im Querschnitt eine Trapezform aufweist, die sich zum radial innen liegenden Bereich des Rotors verjüngt. Die Magnetisierungsrichtung 53 des Permanentmagneten 52 ist radial nach außen gerichtet. The necessary field strengths for a corresponding performance of the electrical machines described can be achieved by the materials mentioned in particular if suitable geometric constellations of the permanent magnets are used, optionally with an optimized shaping of the individual magnets. In this connection, FIG. 16 shows, for example in cross-section, a section of a rotor of an electric motor. Machine with two permanent magnets, which are each formed as a composite body 46, 47, wherein each of the composite body 46, 47 consists of two partial magnets 48, 49 consists. The magnetization directions 50, 51 are uniform for each of the composite bodies 46, 47 and opposite to each other between the composite bodies 46, 47. The radially outer partial magnets 49 typically form permanent magnets of a first quantity, while the radially inner partial magnets 48 form permanent magnets of a second quantity. The material composition of the permanent magnets of the first and the second amount may be the same or different. In addition, a permanent magnet 52 of a third set of permanent magnets can be seen in FIG. 16, this last-mentioned permanent magnet 52 having a trapezoidal shape in cross-section, which tapers to the radially inner region of the rotor. The magnetization direction 53 of the permanent magnet 52 is directed radially outward.
Die in der Fig. 6 dargestellten Permanentmagnete bilden einen typischen Ausschnitt aus einer Halbach-Konstellation von Permanentmagneten, die eine besonders starke Flusskonzentration auf einer Seite einer Magnetkonstellation, also typischerweise im Bereich des Magnetspaltes, erzeugt. Zwischen jeweils zwei speichenartig angeordneten Kompositkörpern 46,47, die jeweils als aus zwei Magneten 48, 49 zusammengesetzte Permanentmagnete ausgebildet sind, ist ein Permanentmagnet 52 in einer entsprechenden Tasche 52a vorgesehen. The permanent magnets shown in FIG. 6 form a typical section of a Halbach constellation of permanent magnets, which generates a particularly strong flux concentration on one side of a magnetic constellation, ie typically in the region of the magnetic gap. Between each two spoke-like arranged Kompositkörpern 46,47, which are each formed as a two magnets 48, 49 composed permanent magnets, a permanent magnet 52 is provided in a corresponding pocket 52a.
Die Fig. 17 zeigt im Querschnitt eine Permanentmagnetkonstellation mit zwei Permanentmagneten 54, 55 in V-Anordnung, die in entsprechend V-förmig angeordneten, passenden Ausnehmungen 55a angeordnet sind. Die Permanentmagneten 54, 55 bilden jeweils einen Schenkel eines imaginären V, wobei die Permanentmagneten 54, 55 mit ihren Längsachsen nicht auf die Rotorachse zulaufen. Die Längsachsen der Permanentmagneten schneiden sich vielmehr in einem Punkt, der radial außerhalb der Rotorachse von dieser entfernt liegt. Die Konstellation einer derartigen sogenannten V-förmigen Anordnung von Permanentmagneten ist schematisch in der Übersicht in der Fig. 18 gezeigt. Dort sind vier Paare von V-förmig angeordneten Permanentmagneten 54, 55 sowie die entsprechen-
den Magnetisierungsrichtungen 56 dargestellt. In der Figur 17 sind zur Verdeutlichung der Gestaltung des magnetischen Flusses die Feldlinien zwischen den Permanentmagnete 54, 55 eingezeichnet. Durch die V-förmige Anordnung der Permanentmagnete 54, 55 ergibt sich eine optimale Felddichte im Bereich des Magnetspaltes zwischen Rotor und Stator. Fig. 17 shows in cross-section a permanent magnet constellation with two permanent magnets 54, 55 in V-arrangement, which are arranged in corresponding V-shaped, matching recesses 55 a. The permanent magnets 54, 55 each form a leg of an imaginary V, wherein the permanent magnets 54, 55 do not run with their longitudinal axes on the rotor axis. Rather, the longitudinal axes of the permanent magnets intersect at a point that is radially away from the rotor axis. The constellation of such a so-called V-shaped arrangement of permanent magnets is shown schematically in the overview in FIG. 18. There are four pairs of V-shaped permanent magnets 54, 55 and the corresponding the magnetization directions 56 shown. In FIG. 17, to clarify the design of the magnetic flux, the field lines between the permanent magnets 54, 55 are shown. The V-shaped arrangement of the permanent magnets 54, 55 results in an optimal field density in the region of the magnetic gap between the rotor and stator.
Die einzelnen Permanentmagnete 54, 55 können in ihrer Längsrichtung auch geteilt sein und aus jeweils zwei Teilmagneten bestehen wie es beim Permanentmagnet 55 durch eine gestrichelte Linie und die Bezeichnung des radial innen liegenden Teilmagneten mit dem Bezugszeichen 57 angedeutet ist. Es können jedoch auch alle Permanentmagnete homogen aus einem einzigen Werkstoff bestehen. Die V-förmig angeordneten und gegebenenfalls aus mehreren Teilmagneten bestehenden Permanentmagnete/Kompositkörper 54, 55 können auch nach Art der in Figuren 3 bis 11 dargestellten Konstellationen zusammengesetzt sein. Im Übrigen ist in der Fig. 17 die Magnetisierungsrichtung der Permanentmagnete durch die Pfeile 58, 59 angedeutet. The individual permanent magnets 54, 55 may also be divided in their longitudinal direction and each consist of two partial magnets as indicated by the dashed line in the permanent magnet 55 and the designation of the radially inner partial magnet by the reference numeral 57. However, it is also possible for all permanent magnets to consist homogeneously of a single material. The permanent magnets / composite bodies 54, 55, which are arranged in a V-shape and may consist of a plurality of partial magnets, may also be assembled in the manner of the constellations illustrated in FIGS. Incidentally, in FIG. 17, the magnetization direction of the permanent magnets is indicated by the arrows 58, 59.
In der Fig. 19 ist eine ähnliche Konstellation im Querschnitt dargestellt wie in der Fig. 17, wobei die einzelnen Permanentmagnete 54', 55' jedoch im Querschnitt tonnenförmig bzw. oval ausgebildet sind. Damit ergibt sich eine gute Rückhaltung in entsprechend geformten Aufnahmen 55'a des Rotorkörpers sowie eine weiter optimierte Feldgestaltung wie weiter unten anhand der Fig. 22, 23 noch näher erläutert wird. Auch die in Figur 19 dargestellten Permanentmagnete können aus jeweils mehreren Teilmagneten einer ersten und zweiten Menge von Permanentmagneten bestehen. FIG. 19 shows a similar constellation in cross-section as in FIG. 17, wherein, however, the individual permanent magnets 54 ', 55' are barrel-shaped or oval in cross-section. This results in a good retention in correspondingly shaped receptacles 55'a of the rotor body and a further optimized field design as will be explained in more detail below with reference to FIGS. 22, 23. Also, the permanent magnets shown in Figure 19 may consist of a plurality of partial magnets of a first and second set of permanent magnets.
Die Fig. 20 zeigt eine Darstellung entsprechend den Fig. 17 und 19, wobei die Permanentmagnete 54", 55" im Querschnitt aus zwei trapezförmigen Vierecken zusammengesetzt sind, deren Basen aneinander angrenzen, wobei die einzelnen Trapezkörper einstückig zusammenhängen oder auch jeweils Teilmagnete darstellen können, die zu einem Kompositkörper zusammengesetzt sind.
Die Magnetisierungsrichtungen sind entsprechend den Fig. 17 und 19 in Form von Pfeilen angedeutet. 20 shows a representation corresponding to FIGS. 17 and 19, wherein the permanent magnets 54 ", 55" are composed in cross section of two trapezoidal quadrilaterals, the bases of which adjoin one another, wherein the individual trapezoidal bodies are connected in one piece or can also respectively represent partial magnets, which are assembled into a composite body. The magnetization directions are indicated in FIGS. 17 and 19 in the form of arrows.
Anstelle der dargestellten beiden Trapezkörper können auch jeweils zwei im Querschnitt tonnenförmige Teilmagnete, ein radial innen liegender und ein radial außen liegender Teilkörper, gemeinsam entweder miteinander verbunden oder zumindest aneinander angrenzend einen Kompositkörper bilden. Instead of the illustrated two trapezoidal bodies, two part-magnets which are barrel-shaped in cross-section, a radially inner and a radially outer part body, can either together be connected to each other or at least adjoin one another to form a composite body.
Die Fig. 21 zeigt beispielhaft eine sogenannte Halbach-Anordnung von Magneten, wobei die einzelnen Teilmagnete 60, 61 , 62, 63, 64, 65, 66 der Halbach- Anordnung in Umfangsrichtung aufgereiht sind. Grundsätzlich sind speichenartig angeordnete Permanentmagnete 60, 61 , 62, 63 vorgesehen, wobei ein erstes Paar 60, 61 Magnetisierungsrichtungen aufweist, die aufeinander zugerichtet sind, in der Fig. 21 durch Pfeile repräsentiert. Das benachbarte Paar von Permanentmagneten 62, 63 weist ebenfalls Magnetisierungsrichtungen auf, die aufeinander zugerichtet sind, wobei die Magnetisierungsrichtungen der Permanentmagneten 61 und 62 gegensinnig zueinander und voneinander weg gerichtet gestaltet sind. FIG. 21 shows by way of example a so-called Halbach arrangement of magnets, the individual partial magnets 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66 of the Halbach arrangement being lined up in the circumferential direction. In principle, spoke-like arranged permanent magnets 60, 61, 62, 63 are provided, wherein a first pair 60, 61 has magnetization directions, which are directed towards each other, represented in FIG. 21 by arrows. The adjacent pair of permanent magnets 62, 63 also have directions of magnetization directed toward each other, with the directions of magnetization of the permanent magnets 61 and 62 being directed in opposite directions and away from each other.
Die jeweils zwischen benachbarten Permanentmagneten angeordneten weiteren Permanentmagneten 64, 65, 66 weisen in Umfangsrichtung alternierend jeweils eine radial nach außen und radial nach innen gerichtete Magnetisierungsrichtung auf. Durch diese Gesamtkonstellation wird der magnetische Fluss radial innen bezüglich der Permanentmagnete 60, 61 , 62, 63 minimiert und der magnetische Fluss radial außerhalb der Magnete maximiert. Hierdurch ergibt sich im Bereich des Magnetspaltes zwischen Stator und Rotor eine optimierte Magnetfeldstärke. The respective further permanent magnets 64, 65, 66 arranged between adjacent permanent magnets each have, in the circumferential direction, an alternately radially outwardly and radially inwardly directed magnetization direction. By this overall constellation, the magnetic flux radially inward with respect to the permanent magnets 60, 61, 62, 63 is minimized and the magnetic flux radially outward of the magnets is maximized. This results in the region of the magnetic gap between the stator and rotor an optimized magnetic field strength.
Zusätzlich zu der optimierten Anordnung und Ausrichtung der Permanentmagnete kann die magnetische Feldstärke bzw. der Fluss auch durch die äußere Formgebung der einzelnen Permanentmagnete optimiert werden. Die Fig. 22 zeigt zur Verdeutlichung eine linear abgerollte Konstellation von zwei in einem zylindrischen Rotor nebeneinander liegenden Permanentmagneten 60, 61. Bei genauer Betrachtung der magnetischen und physikalischen Verhältnisse ergibt sich, dass die Remanenzfeldstärke einer solchen Anordnung mit sinkendem Abstand der Per-
manentmagnete in Azimutalrichtung, angedeutet durch den Pfeil 67 steigt, sowie mit der Ausdehnung der einzelnen Permanentmagnete in Azimutalrichtung. Zudem kann die Flussdichte dadurch erhöht werden, dass die Fläche, auf der aus dem jeweiligen Permanentmagneten Flusslinien in Azimutalrichtung austreten bzw. in diese eintreten, vergrößert wird. Somit ergibt sich bei der in Fig. 23 dargestellten Variante durch die doppelt tonnenförmige Ausgestaltung der Permanentmagnete 60', 61 ' eine noch höhere Flussdichte als bei der Konstellation gemäß Fig. 22. In addition to the optimized arrangement and orientation of the permanent magnets, the magnetic field strength or the flux can also be optimized by the outer shape of the individual permanent magnets. For clarification, FIG. 22 shows a linearly unrolled constellation of two permanent magnets 60, 61 located next to each other in a cylindrical rotor. A closer look at the magnetic and physical conditions reveals that the remanence field strength of such an arrangement decreases with decreasing distance between the magnets. Manentmagnete in Azimutalrichtung, indicated by the arrow 67 increases, and with the expansion of the individual permanent magnets in the azimuthal direction. In addition, the flux density can be increased by increasing the area on which flux lines emerge or enter from the respective permanent magnet in the azimuthal direction. Thus, in the variant illustrated in FIG. 23, the double-barrel-shaped configuration of the permanent magnets 60 ', 61' results in an even higher flux density than in the constellation according to FIG. 22.
Die bei den obigen Beispielen jeweils einzeln beschriebenen Maßnahmen zur Erhöhung der Flussdichte innerhalb des Rotorkörpers bzw. zur Gestaltung des gesamten magnetischen Flusses sind als Maßnahmen zu verstehen, die untereinander zur Gestaltung eines optimierten, an die jeweiligen Erfordernisse angepassten Rotors kombiniert werden können. Damit kann eine elektrische Maschine gemäß der Erfindung geschaffen werden, die bei einem möglichst geringen Einsatz von seltene Erden-Elementen erlaubt, eine hohe Leistungsdichte und hohe Drehmomente einer elektrischen Maschine zu erreichen.
The measures individually described in the above examples for increasing the flux density within the rotor body or for designing the overall magnetic flux are to be understood as measures which can be combined with one another to design an optimized rotor adapted to the respective requirements. Thus, an electric machine can be created according to the invention, which allows for the lowest possible use of rare earth elements to achieve high power density and high torques of an electric machine.
Bezugszeichenliste LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 , V Rotor 1, V rotor
2 Stator 2 stators
3 Rotorachse 3 rotor axis
4 Rotorkörper 4 rotor body
5, 6 Permanentmagnete 5, 6 permanent magnets
5a, 6a Aufnahmen 5a, 6a recordings
5b, 6b radial außen liegende Enden von 5a, 6a 5b, 6b radially outer ends of 5a, 6a
5c, 6c radial innen liegende Enden von 5a, 6a5c, 6c radially inner ends of 5a, 6a
7 Längsachse von 5a 7 longitudinal axis of 5a
8 Magnetspalt, Rotorspalt 8 magnetic gap, rotor gap
9, 10 Ansätze 9, 10 approaches
1 1 , 12 Statorzähne 1 1, 12 stator teeth
13, 14 Statornuten 13, 14 stator slots
15, 16 Statorwicklungen 15, 16 stator windings
17, 17' Teilmagnet aus Ferrit 17, 17 'partial magnet made of ferrite
18, 18', 18" Teilmagnet mit seltenen Erden 18, 18 ', 18 "partial magnet with rare earths
19, 20 Permanentmagnete der dritten Menge 19, 20 permanent magnets of the third set
21 , 22 Magnetisierungsrichtungen 21, 22 magnetization directions
23, 23' Erweiterung 23, 23 'extension
24, 24', 25, 26, 27, 28, 29, 29', 30 Teilmagnet 24, 24 ', 25, 26, 27, 28, 29, 29', 30 partial magnet
31 Ansatz 31 approach
32, 33 Teilmagnet 32, 33 partial magnet
34, 35 kreisrunde Teilmagnete 34, 35 circular partial magnets
35a Aufnahme 35a recording
36, 37 tonnenförmige Permanentmagnete 36, 37 barrel-shaped permanent magnets
38 Magnetisierungsrichtung 38 magnetization direction
39 innen liegender Stator 39 internal stator
40 hohlzylindrischer, außen liegender Rotor 40 hollow cylindrical, external rotor
41 , 42 Permanentmagnete 41, 42 permanent magnets
43 erster Bereich 43 first area
44 zweiter Bereich
dritter Bereich44 second area third area
, 47 Kompositkörper, 47 composite bodies
a Aufnahmea recording
, 49 Teilmagnet, 49 partial magnet
, 51 Magnetisierungsrichtung , 51 magnetization direction
Permanentmagnet der dritten Mengea Tasche Permanent magnet of the third Mengea bag
Magnetisierungsrichtung magnetization direction
, 54', 54", 55, 55', 55" Permanentmagnete in V-Anordnunga Aufnahme, 54 ', 54 ", 55, 55', 55" Permanent magnets in V arrangement
'a Aufnahme 'a recording
Magnetisierungsrichtung magnetization direction
Teilmagnet solenoid
, 59 Magnetisierungsrichtung/Pfeil, 59 magnetization direction / arrow
, 60', 61 , 61 ', 62, 63 Permanentmagnete in Speichenanordnung, 65, 66 weitere Permanentmagnete, 60 ', 61, 61', 62, 63 permanent magnets in spoke arrangement, 65, 66 further permanent magnets
a Tasche a bag
Azimutalrichtung
azimuthal