EP2997644A2 - Rotor für elektromechanische maschine - Google Patents

Rotor für elektromechanische maschine

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Publication number
EP2997644A2
EP2997644A2 EP14725004.7A EP14725004A EP2997644A2 EP 2997644 A2 EP2997644 A2 EP 2997644A2 EP 14725004 A EP14725004 A EP 14725004A EP 2997644 A2 EP2997644 A2 EP 2997644A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rotor
permanent magnets
stator
permanent magnet
rotor frame
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP14725004.7A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Martin Weinmann
Nicola-Valeriu Olarescu
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Diehl AKO Stiftung and Co KG
Original Assignee
Diehl AKO Stiftung and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Diehl AKO Stiftung and Co KG filed Critical Diehl AKO Stiftung and Co KG
Publication of EP2997644A2 publication Critical patent/EP2997644A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/27—Rotor cores with permanent magnets
    • H02K1/2706—Inner rotors
    • H02K1/272—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis
    • H02K1/274—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets
    • H02K1/2753—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets the rotor consisting of magnets or groups of magnets arranged with alternating polarity
    • H02K1/276—Magnets embedded in the magnetic core, e.g. interior permanent magnets [IPM]
    • H02K1/2766—Magnets embedded in the magnetic core, e.g. interior permanent magnets [IPM] having a flux concentration effect
    • H02K1/2773—Magnets embedded in the magnetic core, e.g. interior permanent magnets [IPM] having a flux concentration effect consisting of tangentially magnetized radial magnets

Definitions

  • the invention relates to a rotor for an electromechanical machine, which is designed for rotation about an axis with respect to a stator, comprising a rotor frame and permanent magnets, wherein the permanent magnets in pockets, which are arranged in the azimuthal direction in the rotor frame, are introduced, wherein the permanent magnets in azimuthal direction are magnetized, and wherein each two adjacent permanent magnets, each with the same pole face each other.
  • the invention further relates to an electromechanical machine with such a rotor.
  • a cylindrical rotor with spoke-like permanent magnets is driven by an electromechanical field generated at a stator.
  • the rotor comprises a rotor frame, which is usually made of an axially stacked laminated core.
  • the usually cuboid permanent magnets are usually used with a magnetization in the azimuthal direction in axially continuous, spoke-like circumferential recesses in the rotor frame.
  • two adjacent permanent magnets are each magnetized opposite. In the circumferential direction, therefore, in each case the same magnetic poles of each two magnets facing each other, which forms a rotor pole corresponding polarity in a circular sector of the rotor frame between two permanent magnets.
  • a pole On the side of the stator facing the rotor, a number of electromechanical poles are arranged rotationally symmetrically with respect to the axis of rotation of the rotor.
  • a pole usually comprises a radial aligned soft iron core, around which a defined number of coil turns of conductor wire is wound, and a radially facing the rotor soft magnetic pole piece, which can be firmly joined to the soft iron core or made in one piece.
  • the pole pieces are each separated from the rotor by a thin air gap.
  • the individual stator magnets can be electronically controlled or commutated by a power supply. In a corresponding driving a stator magnet is generated by the current flow of the coil winding in the soft iron core and thus in the pole piece, a magnetic flux whose field lines are at least partially aligned radially.
  • the magnetic flux generated by a driven stator magnet in the region of the rotor interacts with the magnetic flux of the individual rotor poles generated by the permanent magnets; This is called a flux linkage.
  • the drive of the rotor via a suitable frequency with respect to the change in the polarity of the stator magnet and thus their respective attractive or repulsive interaction with the voltage applied to the pole shoes rotor poles, the flux linkage, in particular over the pole pieces and the rotor separating air gap away, an important Target for efficiency and the
  • Performance of the electric motor is. If the maximum torque, the maximum rotational frequency or the maximum power of an electric motor is to be increased, an increase in the magnetic flux linkage, ie the effective magnetic flux, is necessary.
  • the possible dimensions of an electromechanical machine are usually limited by a higher-level device in which the electromechanical machine is used.
  • the radius of the rotor can often be assumed to be unchangeable size for reasons of structural compactness.
  • a possible axial extension of the rotor and the pole pieces has the disadvantage, with a constant number of turns of the coil windings each to extend the current-carrying conductor wire, whereby the ohmic resistance of the individual coil turns increases, resulting in power losses.
  • a higher ohmic resistance in the flow of current releases more heat, which is transmitted to the respective soft iron core and thereby adversely affects its magnetic properties.
  • a possible increase in the number of turns of the individual coil turns at constant axial length of the pole pieces is due to the extension of the respective conductor wire and the concomitant increase in the ohmic resistance as it were.
  • the inductance of the coil increases, which can lead to an adverse mutual induction.
  • the magnetic flux of field lines which connect the two opposite poles of a magnet together, can not contribute to the flux linkage between the rotor field and the stator field due to the field closure; These losses should be limited as far as possible.
  • the invention has for its object to provide a rotor for an electromechanical machine, which provides the highest possible effective magnetic flux available. Further, the invention has for its object to provide an advantageous application for such a rotor.
  • the former object is for a rotor for an electromechanical machine, which is designed for rotation about an axis with respect to a stator, comprising a rotor frame and permanent magnets, wherein the permanent magnets in pockets which are arranged in the azimuthal direction in the rotor frame, are introduced Permanent magnets are magnetized in the azimuthal direction, and wherein each two adjacent permanent magnets, each with the same pole face each other, according to the invention achieved in that the permanent magnets protrude in the axial direction over the rotor frame.
  • stator poles At the stator of the electromechanical machine in this case a number of stator poles is provided, wherein a stator pole may be formed as a pole of an electromagnet or as a pole of an electric induction generator.
  • a stator pole expediently comprises a pole shoe, which faces the rotor in the radial direction.
  • the invention is based on the fact that the magnetic flux density at a sufficiently smooth surface of a permanent magnet, which is approximately perpendicular to the azimuthal direction and thus magnetization, as substantially, that is, up to negligible edge effects, regardless of the axial Length of the
  • Permanent magnets is to be assumed, since the permanent magnets can be assumed within the reasonable possibilities as magnetized to saturation.
  • a sufficiently smooth surface should be understood as meaning, in particular, an edge-free and uniformly either convex or concave or flat surface and approximately perpendicular to the azimuthal direction such that the greatest contribution of the surface normals in the azimuthal direction takes place at each point of the surface.
  • An axial extension of a permanent magnet increases compared to an axially flush with the rotor frame final permanent magnet to the direction of the magnetization approximately perpendicular surface.
  • the magnetic flux is amplified. This creates, apart from the permanent magnets themselves, no additional material.
  • the additional axial space requirement for an axial projection is to be set in the low two-digit percentage range based on the axial length of the rotor frame and thus does not represent a decisive obstacle to a compact design.
  • the invention recognizes that due to the high reluctance of the air surrounding the rotor for the magnetic field, which is generated by the axially projecting portions of the permanent magnets, the termination of the field lines on the rotor frame and components of the stator, which in the vicinity of Rotors are arranged, is searched. Especially with a
  • Rotor frame made of easily magnetizable material, it is energetically unfavorable at an axially projecting portion of a permanent magnet to close the field lines from one azimuthal side to opposite polarity magnetized other side over the surrounding air, since the reluctance is higher there by several orders of magnitude than in the rotor frame.
  • Preferred here is the
  • Rotor frame made of ferromagnetic, in particular made of soft magnetic material.
  • rotor poles each having the same polarity of the magnetization of the mutually facing surfaces of each two adjacent permanent magnets, which bound such a rotor pole in the circumferential direction, form in the circular ring sectors between the individual permanent magnets.
  • a described amplification of the magnetic flux in the rotor by the axial projection of two adjacent permanent magnets thus leads to an amplification of the magnetic flux in the corresponding rotor pole.
  • This flux which is amplified in comparison to axially flush permanent magnets, leads in the region of the rotor pole to an increased magnetic flux density at a lateral surface of the rotor frame facing the stator poles.
  • the electromechanical machine is operated as a motor, and correspondingly a stator pole as an electromagnet with approximately radially directed field lines at the radial boundary surface of the stator pole, an axial projection of the permanent magnets results due to the increased flux density at the stator-side lateral surface of the rotor frame in otherwise constant parameters Area of the rotor poles to an increased effective flux between a rotor and a stator pole or for improved Flußverkettung.
  • an electrical induction generator of the stator is penetrated by a stronger magnetic flux, which leads to a higher induction voltage.
  • a third step it is recognized that in case of a possible short circuit of the field of a permanent magnet over parts of the rotor frame, the rotor frame is easier to magnetically saturate due to the resulting from the axial projection of the permanent magnets increased flow than without axial projection. As a result, possible efficiency losses of the electromechanical machine are reduced.
  • a soft magnetic material is attached to the axial boundary surfaces of the rotor frame between the axially projecting permanent magnets.
  • the material for the rotor frame is often more expensive than a soft magnetic material, so that a filling of the axial supernatant with soft magnetic material can lead to an overall reduction in production costs.
  • the first object is for a rotor for an electromechanical machine, which is designed for rotation about an axis with respect to a stator, comprising a rotor frame and permanent magnets, wherein the permanent magnets in pockets, which are arranged in the azimuthal direction in the rotor frame, are introduced the permanent magnets are magnetized in the azimuthal direction, and wherein each two adjacent permanent magnets, each with the same pole face each other, according to the invention achieved in that a number of permanent magnets each having an orthogonal to the axis cross-section, which is at least partially trapezoidal deviating from a rectangular shape.
  • the edge length on the radially inner side represents a limiting factor for constructional reasons. Since the permanent magnets can be assumed to be largely magnetized to saturation, a trapezoidal broadening of a permanent magnet radially outwards with constant magnetization due to the larger volume leads to a larger magnetic moment in the azimuthal direction.
  • the electromechanical machine is operated as a motor, and correspondingly a stator pole as an electromagnet with field lines oriented approximately radially at the radial boundary surface of the stator pole, a trapezoidal azimuthal widening of the permanent magnets results due to the thereby increased magnetic moment in the azimuthal direction with otherwise constant parameters an increased torque around the axis of rotation.
  • the invention recognizes that a section-wise trapezoidal shape, in particular a trapezoidal taper on the radially outer
  • the holder of the permanent magnet simplifies, since by a taper at the radially outer end a pocket for a permanent magnet in the rotor frame requires no additional retaining lugs for its radial securing, but can absorb centrifugal forces occurring on rotation of the rotor to a permanent magnet by positive engagement.
  • the saving of further components for the radial securing of the permanent magnets enables a simpler and less expensive production of the rotor frame.
  • a radially outwardly widened or radially inwardly tapered trapezoidal shape of the permanent magnets compared to a Rectangular shape has a shorter edge length at the radially inner end result, and generally azimuthally has less space in the region of the radially inner end of the rotor frame. This widens, compared to a rectangular shape, the circular ring sector between two
  • Permanent magnets in this area which also opens the option to use the space gained to another structural change of the rotor frame in this area, which is to suppress the short circuit of the field of a permanent magnet on the rotor frame in this area.
  • the initially stated object is achieved by a combination of the aforementioned inventive solutions. Accordingly, it is provided in a further inventive solution that the permanent magnets protrude in the axial direction over the rotor frame, and that a number of permanent magnets in each case one orthogonal to the axis
  • Cross-section which is at least partially trapezoidal deviating from a rectangular shape.
  • the rotor frame is made of a stacked in the axial direction laminated core. This suppresses the rotation of the rotor
  • the individual layers of the laminated core are electrically isolated from each other, for example by a paint.
  • sintered ferrite magnets and / or plastic-bonded permanent magnets are used as permanent magnets.
  • Such magnets have a relatively high magnetization with respect to the acquisition costs, which has a favorable effect on the production costs.
  • an edge of at least one permanent magnet is chamfered.
  • the holder of the permanent magnet in the rotor frame can be simplified by a part of the Rotor frame or a firmly attached to the rotor frame material fills the chamfer complementary.
  • the permanent magnets are pressed into the rotor frame and / or cast. This leads to a simple and fast production process.
  • At least one axially projecting beyond the rotor frame permanent magnet at least one of its axially projecting side surfaces of one of an axial end plate of the
  • the fold exerts a force on the at least one permanent magnet on the side surface and thereby helps to keep it in its position.
  • This is preferably a side surface of the at least one permanent magnet, which is approximately perpendicular to the azimuthal direction.
  • the at least one permanent magnet can abut against a further axially protruding side surface on a further axially projecting from an axial end plate of the laminated core bending.
  • the further axially projecting side surface of the permanent magnet is approximately perpendicular to the azimuthal direction, so that the two respective folds protrude axially from the end plate similar to a wing door and help to keep the permanent magnet azimuthal in its position.
  • one or each axially projecting fold of the axial end plate comprises a further fold, which rests on the axial end face of the respective permanent magnet.
  • the rotor frame has a respective recess in the radial direction on a boundary surface of at least one permanent magnet remote from the stator after assembly, such that each radial connecting line passes from a point of the at least one permanent magnet to a lateral surface of the rotor facing away from the stator the respective recess leads.
  • Such a recess impedes the short circuit of the magnetic field of the respective permanent magnet on the rotor frame, since the field from the north pole to the south pole of the permanent magnet must be closed around the recess, and thus less material of the rotor frame is available for short circuit, whereby the material at the same Residual flux density is rather magnetically saturable and thus a magnetization for short-circuit rejects easier than without recess.
  • the suppression of the short circuit thus reduces power losses, as the electromechanical machine is effectively more flux density of a permanent magnet available.
  • one or each recess preferably at least partially surrounds the respective permanent magnet at its azimuthal boundary surfaces in the radial direction. This effectively increases the recess and thus extends the distance to be traveled for the short circuit of the field of the respective permanent magnet in the material of the rotor frame while simultaneously reducing the available magnetizable material of the rotor frame. As a result, the short circuit of the field is further complicated, which increases the performance of the electromechanical machine.
  • a number of resilient brackets is arranged in the recess, which presses the respective permanent magnet radially in the direction of the stator. This helps keep the respective permanent magnet in position in the radial direction with as little material as possible, which could short the field of the permanent magnet.
  • the or each bracket can be made of the material of the rotor frame or of a dia- or paramagnetic material.
  • a number of gap-like recesses are provided in the rotor frame between two or two adjacent permanent magnets, which are formed into the region of a stator lateral surface of the rotor frame and which extend in the region of the stator lateral surface substantially in the radial direction.
  • the or each recess of the rotor frame is completely or partially filled with a dia- or paramagnetic filler, in particular with a plastic. This further enhances the concentration of magnetic flux of a rotor pole on the stator lateral surface.
  • the dia- or paramagnetic filler at at least one axial end of the rotor at least partially over a number of recesses and is used for balancing the rotor and / or has a shape of a fan blade on.
  • a fan may be formed, which can be used to cool a further arranged in the vicinity of the electromechanical machine device.
  • the second object is achieved by an electromechanical machine comprising a stator and a rotor of the type described above.
  • the advantages of the rotor and its developments can be analogously transmitted to the electromechanical machine.
  • FIG. 3 shows an oblique view of a rotor with trapezoidal permanent magnets around whose radially inner ends in the rotor frame wide recesses are made
  • FIG. 4 shows a plan view of a rotor with sections of trapezoidal permanent magnet
  • FIG. 5 is an oblique view of a rotor with partially chamfered permanent magnets, which are partially held by brackets, and
  • a rotor with Flußbarrieren which are filled with a filling material.
  • a rotor 1 is shown in the oblique view, in the rotor frame 2, a number of substantially cuboid permanent magnet 4 is introduced.
  • the permanent magnets 4 are arranged rotationally symmetrically in the rotor frame 2 with respect to an axis 5, which is provided as the axis of rotation of the rotor 1, and each have an axial projection 6 relative to the rotor frame 2.
  • inner recesses 8 and outer recesses 10 are provided in the rotor frame 2 on the permanent magnet.
  • Each two adjacent permanent magnets 4 are magnetized homopolar at the respective mutually facing side surfaces 12, so that in the annular sector 14 of the rotor frame 2 between the permanent magnets 4, a rotor pole 15 of the corresponding polarity is formed.
  • the rotor poles are held by thin webs 16 on an inner ring 18 of the rotor 1.
  • the rotor frame 2 is made of a laminated core 19 whose axial end plate 20 has axial folds 22, which at the azimuthal Side surfaces 24 of the axial projections 6 of the permanent magnets 4 abut.
  • the protruding from the axial end plate 20 of the laminated core 19 bends 22 have more folds 26 which rest on the axial end faces 28 of the permanent magnets 4.
  • Die Bantinen 22 Sind in der axialen Stirn vomus 28 der Permanentmagneten 4 anorg.
  • a projection 30, which rests against the axial projection of the inner radial end face 32 of the respective permanent magnet 4 is arranged on the respective radially inner side of each fold 22.
  • the axial overhang 6 of the permanent magnets 4 increases the available magnetic flux density. Due to the high magnetic
  • the inner recesses 8 and the outer recesses 10 reduce the short circuit of the field of a permanent magnet 4 over the
  • Rotor frame 2 On the inside, such a short circuit can only lead via a web 16 and the inner ring 18 of the rotor frame 2.
  • the web 16 is therefore preferably designed such that it can absorb all occurring on one of him with the inner ring 18 circular ring sector 14 occurring centrifugal forces in a rotation, but this is kept as narrow as possible, so that in the laminated core 19 at the web as quickly as possible a magnetic saturation occurs, which prevents another short circuit of the field.
  • the folds 22 simplify keeping a permanent magnet 4 azimuthally in position. This can in particular by a non-positive
  • a rotor 1 is shown with axially over the rotor frame 2 projecting permanent magnet 4 in the oblique view, wherein between the respective axial projection 6 of the permanent magnets 4 circular sectors with soft magnetic material 40 are arranged.
  • the permanent magnets 4 are in this case frictionally held by bracket 42, which each emanate from the web 18, in their position.
  • the soft magnetic material 40 is magnetized in this case, and contributes to the respective rotor pole 15 at.
  • it is usually cheaper than the laminated core 19, from which the rotor frame 2 is made total costs can be saved.
  • a rotor 1 is shown with trapezoidal permanent magnet 4 in the oblique view.
  • Rotor frame 2 in this case partially surround the respective permanent magnet 4 in the radial direction.
  • the short circuit of the field of a permanent magnet 4 is further complicated because it can lead to the radial inner side only via the extended web 16 to the rotor pole 15 and the inner ring 18.
  • the narrow elongated web 16 can transmit little magnetic flux here due to a slight magnetic saturation occurring, the short circuit of the field is difficult.
  • the permanent magnets 4 are frictionally held in position in the inner recess 8 by comb-like structures 64 which press against the radially inner end face 32.
  • the comb-like structures 64 are at a wedge-shaped area of the
  • Rotor frame 2 is formed, which is arranged between the recess 8 and trapezoidal permanent magnet 4.
  • a rotor 1 is shown in sections with trapezoidal permanent magnets 4 in sections, which widen radially outwardly trapezoidal first and taper to trapezoidal to the radially outer end. By this taper to the outside, the permanent magnets 4 are positively inserted in the rotor frame 2. Further retaining lugs or stirrups for azimuthal or radial fixation are eliminated.
  • a rotor 1 is shown with axially projecting permanent magnet 4 in the oblique view, which are each provided on the radially inner end face 32 in the axial direction with chamfers 44.
  • the permanent magnets 4 are in the inner recess 8 by brackets 42, each starting from the web 16 and press against the chamfer 44, and by bracket 46, which emanate from the inner ring 18 of the rotor frame 2 and press against the radially inner end face 32, frictionally in Position held.
  • a rotor 1 is shown with axially projecting permanent magnet 4 in the circular view, in the circular ring sectors 14 between each two adjacent permanent magnets 4 in the rotor frame 2 as flux barriers gap-like recesses 50 are introduced, which to the outer
  • the flux barriers 50 as well as the inner recesses 8 and the outer recesses 10 are filled with a non-magnetic filling material 54, which protrudes axially over the rotor frame 2 at some locations and is formed there as a fan blade 56.
  • the flux barriers 50 cause a concentration of magnetic flux in the rotor poles 15 to the outer surface 52 of the rotor 1, so that the flux of a rotor pole 15 has an improved interlinkage with the flux of a corresponding stator pole 58 of a stator 60 of the electromechanical machine 62.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Permanent Field Magnets Of Synchronous Machinery (AREA)

Abstract

Es wird ein Rotor (1) für eine elektromechanische Maschine (62) genannt, welcher zur Drehung um eine Achse (5) bezüglich eines Stators (60) ausgelegt ist, umfassend einen Rotorrahmen (2), und Permanentmagnete (4), wobei die Permanentmagnete (4) in Taschen, welche in azimutaler Richtung im Rotorrahmen (2) angeordnet sind, eingebracht sind, wobei die Permanentmagnete (4) in azimutaler Richtung magnetisiert sind, und wobei je zwei benachbarte Permanentmagnete (4) mit jeweils gleichem Pol einander zugewandt sind. Hierbei ist vorgesehen, dass die Permanentmagnete (4) in axialer Richtung über den Rotorrahmen überstehen (6) und/oder dass eine Anzahl von Permanentmagneten (4) jeweils einen zur Achse (5) orthogonalen Querschnitt aufweist, welcher abweichend von einer Rechteckform zumindest abschnittsweise trapezförmig ist. Weiter wird eine elektromechanische Maschine (62) angegeben, welche einen Stator (60) und einen derartigen Rotor (1) umfasst.

Description

Diehl AKO Stiftung & Co. KG, 88239 Wangen
Rotor für elektromechanische Maschine
Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektromechanische Maschine, welcher zur Drehung um eine Achse bezüglich eines Stators ausgelegt ist, umfassend einen Rotorrahmen und Permanentmagnete, wobei die Permanentmagnete in Taschen, welche in azimutaler Richtung im Rotorrahmen angeordnet sind, eingebracht sind, wobei die Permanentmagnete in azimutaler Richtung magnetisiert sind, und wobei je zwei benachbarte Permanentmagnete mit jeweils gleichem Pol einander zugewandt sind. Die Erfindung betrifft weiter eine elektromechanische Maschine mit einem derartigen Rotor.
In einer möglichen Funktionsweise für elektromechanische Maschine, beispielsweise für einen Elektromotor, wird ein zylindrischer Rotor mit speichenartig angeordneten Permanentmagneten durch ein an einem Stator erzeugtes elektromechanisches Feld angetrieben. Hierbei weisen der Rotor und ein Teil des Stators eine Drehsymmetrie bezüglich der Drehachse auf, bezüglich derer der Rotor, radial vom Stator umgeben, drehbar gelagert ist. Der Rotor umfasst dabei einen meist aus einem axial geschichteten Blechpaket gefertigten Rotorrahmen. Die üblicherweise quaderförmigen Permanentmagnete sind mit einer Magnetisierung in azimutaler Richtung gewöhnlich in axial durchgängigen, speichenartig umlaufenden Aussparungen im Rotorrahmen eingesetzt. Hierbei sind zwei benachbarte Permanentmagnete jeweils entgegengesetzt magnetisiert. In Umfangsrichtung sind also jeweils gleiche Magnetpole je zweier Magnete einander zugewandt, wodurch sich in einem Kreisringsektor des Rotorrahmens zwischen je zwei Permanentmagneten ein Rotorpol entsprechender Polarität bildet.
An der dem Rotor zugewandten Seite des Stators ist eine Anzahl von elektromechanischen Polen drehsymmetrisch bezüglich der Drehachse des Rotors angeordnet. Ein Pol umfasst hierbei üblicherweise einen radial ausgerichteten Weicheisenkern, um welchen eine definierte Anzahl von Spulenwindungen aus Leiterdraht gewickelt ist, und einen radial dem Rotor zugewandten weichmagnetischen Polschuh, welcher mit dem Weicheisenkern fest gefügt oder einstückig gefertigt sein kann. Die Polschuhe sind vom Rotor jeweils durch einen dünnen Luftspalt getrennt. Die einzelnen Statormagnete können von einer Stromversorgung elektronisch angesteuert bzw. kommutiert werden. Bei einem entsprechenden Ansteuern eines Statormagnete wird durch den Stromdurchfluss der Spulenwindung im Weicheisenkern und damit im Polschuh ein magnetischer Fluss erzeugt, dessen Feldlinien zumindest teilweise radial ausgerichtet sind.
Der durch einen angesteuerten Statormagneten im Bereich des Rotors erzeugte magnetische Fluss tritt in Wechselwirkung mit dem durch die Permanentmagneten erzeugten magnetischen Fluss der einzelnen Rotorpole; man spricht dabei von einer Flussverkettung. Der Antrieb des Rotors erfolgt über einen hinsichtlich der Frequenz geeigneten Wechsel der Polarität der Statormagneten und somit ihrer jeweiligen anziehenden oder abstoßenden Wechselwirkung mit den nahe der Polschuhe anliegenden Rotorpolen, wobei die Flussverkettung, insbesondere über den die Polschuhe und den Rotor trennenden Luftspalt hinweg, eine wichtige Zielgröße für die Effizienz und die
Leistungsfähigkeit des Elektromotors ist. Soll das maximale Drehmoment, die maximale Drehfrequenz oder die maximale Leistung eines Elektromotors erhöht werden, ist eine Erhöhung der magnetischen Flussverkettung, also des effektiven magnetischen Flusses, notwendig.
Den möglichen Abmessungen einer elektromechanischen Maschine sind meist durch eine übergeordnete Vorrichtung, in welcher die elektromechanische Maschine Anwendung findet, enge Grenzen gesetzt. Beispielsweise kann der Radius des Rotors oftmals aus Gründen der baulichen Kompaktheit als nicht veränderbare Größe vorausgesetzt werden. Eine mögliche axiale Verlängerung des Rotors und der Polschuhe hat den Nachteil, bei einer gleichbleibenden Windungszahl der Spulenwindungen jeweils den stromdurchflossenen Leiterdraht zu verlängern, wodurch sich der ohmsche Widerstand der einzelnen Spulenwindungen erhöht, was zu Leistungsverlusten führt. Überdies wird durch einen höheren ohmschen Widerstand beim Stromdurchfluss mehr Wärme freigesetzt, welche an den jeweiligen Weicheisenkern übertragen wird und dadurch ebenso dessen magnetische Eigenschaften negativ beeinflusst. Eine eventuelle Erhöhung der Windungszahl der einzelnen Spulenwindungen bei gleichbleibender axialer Länge der Polschuhe scheidet aufgrund der Verlängerung des jeweiligen Leiterdrahtes und der damit einhergehenden Erhöhung des ohmschen Widerstandes gleichsam aus. Zudem erhöht sich mit zunehmender Windungszahl die Induktivität der Spule, was zu einer nachteiligen Gegeninduktion führen kann.
Des Weiteren ist für einen möglichst effizienten Betrieb der elektromechanischen Maschine eine Minimierung der magnetischen Verluste vorteilhaft, welche durch den Kurzschluss des Magnetfeldes über Teile des Rotorrahmens, insbesondere über den dem Stator abgewandten Bereich nahe einer Mantelfläche, erfolgen.
Der magnetische Fluss von Feldlinien, welche die zwei gegensätzlichen Pole eines Magneten miteinander verbinden, kann durch den Feldschluss nicht zur Flussverkettung zwischen Rotorfeld und Statorfeld beitragen; diese Verluste gilt es möglichst zu begrenzen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Rotor für eine elektromechanische Maschine anzugeben, welcher einen möglichst hohen effektiven magnetischen Fluss zur Verfügung stellt. Weiter liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine vorteilhafte Anwendung für einen derartigen Rotor anzugeben.
Die erstgenannte Aufgabe wird für einen Rotor für eine elektromechanische Maschine, welcher zur Drehung um eine Achse bezüglich eines Stators ausgelegt ist, umfassend einen Rotorrahmen und Permanentmagnete, wobei die Permanentmagnete in Taschen, welche in azimutaler Richtung im Rotorrahmen angeordnet sind, eingebracht sind, wobei die Permanentmagnete in azimutaler Richtung magnetisiert sind, und wobei je zwei benachbarte Permanentmagnete mit jeweils gleichem Pol einander zugewandt sind, erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Permanentmagnete in axialer Richtung über den Rotorrahmen überstehen.
Am Stator der elektromechanischen Maschine ist hierbei eine Anzahl von Statorpolen vorgesehen, wobei ein Statorpol als ein Pol eines Elektromagneten oder als ein Pol eines elektrischen Induktionsgenerators ausgebildet sein kann. Ein Statorpol umfasst zweckmäßigerweise einen Polschuh, welcher dem Rotor in radialer Richtung zugewandt ist. Die Erfindung geht dabei in einem ersten Schritt davon aus, dass die magnetische Flussdichte an einer hinreichend glatten Oberfläche eines Permanentmagneten, welche näherungsweise senkrecht zur azimutalen Richtung und damit zur Magnetisierung steht, als im Wesentlichen, d.h., bis auf vernachlässigbare Randeffekte, unabhängig von der axialen Länge des
Permanentmagneten anzunehmen ist, da die Permanentmagnete im Rahmen der vertretbaren Möglichkeiten als bis zur Sättigung magnetisiert vorausgesetzt werden können. Hierbei ist unter einer hinreichend glatten Oberfläche insbesondere eine kantenfreie und einheitlich entweder konvexe oder konkave oder ebene Fläche zu verstehen, sowie näherungsweise senkrecht zur azimutalen Richtung so zu interpretieren, dass in jedem Punkt der Fläche der größte Beitrag der Flächennormalen in azimutaler Richtung erfolgt. Eine axiale Verlängerung eines Permanentmagneten vergrößert verglichen mit einem axial bündig zum Rotorrahmen abschließenden Permanentmagneten eine zur Richtung der Magnetisierung näherungsweise senkrecht stehende Oberfläche.
Somit wird durch einen axialen Überstand der Permanentmagneten aufgrund der einheitlichen Flussdichte an den Oberflächen der Permanentmagneten in axialer Richtung (bei möglicher Variation der Flussdichte in radialer Richtung, welche jedoch nicht relevant ist) der magnetische Fluss verstärkt. Hierbei entsteht, abgesehen von den Permanentmagneten selbst, kein weiterer Materialaufwand.
Der zusätzliche axiale Platzbedarf bei einem axialen Überstand ist bis in den niedrigen zweistelligen Prozentbereich bezogen auf die axiale Länge des Rotorrahmens anzusetzen und stellt somit kein entscheidendes Hindernis für eine kompakte Bauweise dar.
In einem weiteren Schritt erkennt die Erfindung, dass aufgrund der hohen Reluktanz der den Rotor umgebenden Luft für das Magnetfeld, welches von den axial überstehenden Anteilen der Permanentmagnete erzeugt wird, der Schluss der Feldlinien über den Rotorrahmen und Komponenten des Stators, welche in der Nähe des Rotors angeordnet sind, gesucht wird. Insbesondere bei einem
Rotorrahmen aus leicht magnetisierbarem Material ist es an einem axial überstehenden Anteil eines Permanentmagneten energetisch ungünstig, die Feldlinien von einer azimutalen Seite zur gegenpolig magnetisierten anderen Seite über die umgebende Luft zu schließen, da die Reluktanz dort um mehrere Zehnerpotenzen höher ist als im Rotorrahmen. Bevorzugt ist hierbei der
Rotorrahmen aus ferromagnetischem, insbesondere aus weichmagnetischem Material gefertigt. Im Rotorrahmen bilden sich, insbesondere bei einem Rotorrahmen aus leicht magnetisierbarem Material, in den Kreisringsektoren zwischen den einzelnen Permanentmagneten Rotorpole mit der jeweils gleichen Polarität der Magnetisierung der einander zugewandten Flächen je zweier benachbarter Permanentmagnete, welche einen derartigen Rotorpol in Umlaufrichtung begrenzen. Eine beschriebene Verstärkung des magnetischen Flusses im Rotor durch den axialen Überstand zweier benachbarter Permanentmagnete führt demnach zu einer Verstärkung des magnetischen Flusses im entsprechenden Rotorpol. Dieser im Vergleich zu axial bündigen Permanentmagneten verstärkte Fluss führt im Bereich des Rotorpols zu einer erhöhten magnetischen Flussdichte an einer den Statorpolen zugewandten Mantelfläche des Rotorrahmens.
Wird die elektromechanische Maschine als Motor betrieben, und entsprechend ein Statorpol als ein Elektromagnet mit an der radialen Grenzfläche des Statorpols näherungsweise radial gerichteten Feldlinien, so führt bei ansonsten gleich bleibenden Parametern ein axialer Überstand der Permanentmagneten aufgrund der erhöhten Flussdichte an der statorseitigen Mantelfläche des Rotorrahmens im Bereich der Rotorpole zu einem erhöhten effektiven Fluss zwischen einem Rotor- und einem Statorpol bzw. zu einer verbesserten Flussverkettung. Ebenso wird in einem Generatorbetrieb der elektromechanischen Maschine durch die erhöhte Flussdichte an einem Rotorpol ein elektrischer Induktionsgenerator des Stators von einem stärkeren magnetischen Fluss durchdrungen, was zu einer höheren Induktionsspannung führt.
In einem dritten Schritt wird erkannt, dass bei einem möglichen Kurzschluss des Feldes eines Permanentmagneten über Teile des Rotorrahmens der Rotorrahmen aufgrund des aus dem axialen Überstand der Permanentmagnete resultierenden erhöhtes Flusses leichter magnetisch zu sättigen ist als ohne axialen Überstand. Hierdurch werden mögliche Effizienzverluste der elektromechanischen Maschine verringert.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist hierbei an den axialen Grenzflächen des Rotorrahmens zwischen den axial überstehenden Permanentmagneten ein weichmagnetisches Material angebracht. Das Material für den Rotorrahmen ist oftmals teurerer als ein weichmagnetisches Material, so dass eine Auffüllung des axialen Überstandes mit weichmagnetischem Material insgesamt zu einer Reduktion der Produktionskosten führen kann. Alternativ wird die erstgenannte Aufgabe für einen Rotor für eine elektromechanische Maschine, welcher zur Drehung um eine Achse bezüglich eines Stators ausgelegt ist, umfassend einen Rotorrahmen und Permanentmagnete, wobei die Permanentmagnete in Taschen, welche in azimutaler Richtung im Rotorrahmen angeordnet sind, eingebracht sind, wobei die Permanentmagnete in azimutaler Richtung magnetisiert sind, und wobei je zwei benachbarte Permanentmagnete mit jeweils gleichem Pol einander zugewandt sind, erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Anzahl von Permanentmagneten jeweils einen zur Achse orthogonalen Querschnitt aufweist, welcher abweichend von einer Rechteckform zumindest abschnittsweise trapezförmig ist.
Hierbei wird in einem ersten Schritt davon ausgegangen, dass, insbesondere für einen im Wesentlichen ringförmigen Rotor, bei rechteckförmigen Permanentmagneten die Kantenlänge an der radialen Innenseite aus baulichen Gründen einen limitierenden Faktor darstellt. Da man die Permanentmagneten als weitgehend bis zur Sättigung magnetisiert annehmen kann, führt eine trapezförmige Verbreiterung eines Permanentmagneten radial nach außen bei konstanter Magnetisierung aufgrund des größeren Volumens zu einem größeren magnetischen Moment in azimutaler Richtung. Wird die elektromechanische Maschine als Motor betrieben, und entsprechend ein Statorpol als ein Elektromagnet mit an der radialen Grenzfläche des Statorpols näherungsweise radial gerichteten Feldlinien, so führt bei ansonsten gleich bleibenden Parametern eine trapezförmige azimutale Verbreiterung der Permanentmagneten aufgrund des dadurch vergrößerten magnetischen Moments in azimutaler Richtung zu einem erhöhten Drehmoment um die Drehachse.
In einem zweiten Schritt erkennt die Erfindung, dass eine abschnittsweise Trapezform, insbesondere eine trapezförmige Verjüngung am radial äußeren
Ende eines Permanentmagneten, die Halterung des Permanentmagneten vereinfacht, da durch eine Verjüngung am radial äußeren Ende eine Tasche für einen Permanentmagneten im Rotorrahmen ohne zusätzliche Haltenasen zu dessen radialer Sicherung auskommt, sondern bei einer Rotation des Rotors auftretende Zentrifugalkräfte auf einen Permanentmagneten durch Formschluss aufnehmen kann. Die Einsparung von weiteren Bauteilen zur radialen Sicherung der Permanentmagnete ermöglicht eine einfachere und kostengünstigere Fertigung des Rotorrahmens. Ausgehend von einem gewünschten magnetischen Moment der Permanentmagnete als festem Konstruktionsparameter wird in einem dritten Schritt überdies festgestellt, dass, da die Permanentmagnete als bis zur Sättigung magnetisiert angenommen werden können, eine radial nach außen verbreiterte bzw. radial innen verjüngte Trapezform der Permanentmagnete im Vergleich zu einer Rechteckform eine kürzere Kantenlänge am radial inneren Ende zur Folge hat, und generell im Bereich des radial inneren Endes des Rotorrahmens azimutal weniger Platzbedarf aufweist. Dies verbreitert, im Vergleich zu einer Rechteckform, den Kreisringsektor zwischen zwei
Permanentmagneten in diesem Bereich, was zusätzlich die Option eröffnet, den gewonnenen Platz zu einer weiteren baulichen Veränderung des Rotorrahmens in diesem Bereich zu nutzen, welche den Kurzschluss des Feldes eines Permanentmagneten über den Rotorrahmen in diesem Bereich unterdrücken soll.
Selbstverständlich wird auch durch eine Kombination der vorgenannten erfinderischen Lösungen die eingangs gestellte erstgenannte Aufgabe gelöst. Demnach ist in einer weiteren erfindungsgemäßen Lösung vorgesehen, dass die Permanentmagnete in axialer Richtung über den Rotorrahmen überstehen, und dass eine Anzahl von Permanentmagneten jeweils einen zur Achse orthogonalen
Querschnitt aufweist, welcher abweichend von einer Rechteckform zumindest abschnittsweise trapezförmig ist.
Bevorzugt ist der Rotorrahmen aus einem in axialer Richtung geschichteten Blechpaket gefertigt. Dies unterdrückt bei einer Rotation des Rotors die
Entstehung von Wirbelströmen in axial-radialen Ebenen, welche durch ihrerseits induzierte Magnetfelder die Leistung der elektromechanischen Maschine beeinträchtigen können. Dazu sind die einzelnen Lagen des Blechpakets beispielsweise durch einen Lack voneinander elektrisch isoliert.
Günstigerweise sind als Permanentmagnete gesinterte Ferritmagnete und/oder kunststoffgebundene Dauermagnete eingesetzt. Derartige Magnete weisen bezüglich der Anschaffungskosten eine relativ hohe Magnetisierung auf, was sich günstig auf die Produktionskosten auswirkt.
In einer vorteilhaften Ausführung ist eine Kante wenigstens eines Permanentmagneten angefast. Hierdurch kann die Halterung des Permanentmagneten im Rotorrahmen vereinfacht werden, indem ein Teil des Rotorrahmens oder ein mit dem Rotorrahmen fest gefügtes Material die Fase komplementär ausfüllt.
Zweckmäßigerweise sind die Permanentmagnete in den Rotorrahmen eingepresst und/oder eingegossen sind. Dies führt zu einem einfachen und schnellen Produktionsverfahren.
In einer weiter vorteilhaften Ausgestaltung liegt mindestens ein axial über den Rotorrahmen überstehender Permanentmagnet an mindestens einer seiner axial überstehenden Seitenflächen von einer aus einem axialen Endblech des
Blechpaketes axial hervorstehenden Abkantung an. Die Abkantung übt an der Seitenfläche eine Kraft auf den wenigstens einen Permanentmagneten aus und hilft dadurch, diesen in seiner Position zu halten. Bevorzugt handelt es sich hierbei um eine Seitenfläche des mindestens einen Permanentmagneten, welche näherungsweise senkrecht zur azimutalen Richtung ist. Insbesondere kann der wenigstens eine Permanentmagnet an einer weiteren axial überstehenden Seitenfläche an einer weiteren aus einem axialen Endblech des Blechpaketes axial hervorstehenden Abkantung anliegen. Bevorzugt ist die weitere axial überstehende Seitenfläche des Permanentmagneten näherungsweise senkrecht zur azimutalen Richtung, so dass die beiden jeweiligen Abkantungen ähnlich einer Flügeltür aus dem Endblech axial hervorstehen und dazu beitragen, den Permanentmagneten azimutal in seiner Position zu halten. Durch eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Permanentmagneten und den Abkantungen können auch radiale Kräfte auf den Permanentmagneten, insbesondere bei einer Rotation des Rotors auftretende Zentrifugalkräfte, zumindest teilweise aufgenommen werden.
Hierbei kann es sich als günstig erweisen, wenn eine oder jede axial hervorstehende Abkantung des axialen Endbleches eine weitere Abkantung umfasst, welche der axialen Stirnfläche des jeweiligen Permanentmagneten aufliegt. Dadurch können auch axiale Kräfte auf den jeweiligen Permanentmagneten, etwa durch einen unvorhergesehenen Stoß gegen die elektromechanische Maschine, durch die oder jede Abkantung aufgenommen werden, zudem wird die Montage des jeweiligen Permanentmagneten vereinfacht.
Zweckmäßigerweise weist zudem eine oder jede axial hervorstehende Abkantung des axialen Endbleches an der dem Stator nach Montage abgewandten Seite in Umlaufrichtung einen Überstand auf, welcher den jeweiligen Permanentmagneten radial in Richtung des Stators drückt. Auch dies vereinfacht die Montage und trägt weiter dazu bei, auf einfache Weise den jeweiligen Permanentmagneten in seiner gewünschten Position zu halten.
Als weiter vorteilhaft erweist es sich, wenn der Rotorrahmen an einer dem Stator nach Montage abgewandten Grenzfläche wenigstens eines Permanentmagneten in radialer Richtung jeweils eine Ausnehmung derart aufweist, dass jede radiale Verbindungslinie von einem Punkt des wenigstens einen Permanentmagneten zu einer dem Stator abgewandten Mantelfläche des Rotors durch die jeweilige Ausnehmung führt. Eine derartige Ausnehmung erschwert den Kurzschluss des magnetischen Feldes des jeweiligen Permanentmagneten über den Rotorrahmen, da das Feld vom Nordpol zum Südpol des Permanentmagneten um die Ausnehmung herum geschlossen werden muss, und somit weniger Material des Rotorrahmens zum Kurzschluss zur Verfügung steht, wodurch das Material bei gleich bleibender Flussdichte eher magnetisch sättigbar ist und somit eine Magnetisierung zum Kurzschluss leichter ablehnt als ohne Ausnehmung. Die Unterdrückung des Kurzschlusses verringert so Leistungsverluste, da der elektromechanischen Maschine effektiv mehr Flussdichte eines Permanentmagneten zur Verfügung steht.
Bevorzugt umgibt hierbei eine oder jede Ausnehmung den jeweiligen Permanentmagneten an dessen azimutalen Grenzflächen in radialer Richtung zumindest teilweise. Dies vergrößert effektiv die Ausnehmung und verlängert somit den für den Kurzschluss des Feldes des jeweiligen Permanentmagneten zurückzulegenden Weg im Material des Rotorrahmens bei gleichzeitiger weiterer Verringerung des zur Verfügung stehenden magnetisierbaren Materials des Rotorrahmens. Hierdurch wird der Kurzschluss des Feldes weiter erschwert, was die Leistungsfähigkeit der elektromechanischen Maschine erhöht.
Zweckmäßigerweise ist in der Ausnehmung eine Anzahl von federelastischen Bügeln angeordnet, welche den jeweiligen Permanentmagneten radial in Richtung des Stators drückt. Dies hilft, den jeweiligen Permanentmagneten mit möglichst wenig Material, welches das Feld des Permanentmagneten kurzschließen könnte, in radialer Richtung in Position zu halten. Insbesondere kann hierzu der oder jeder Bügel aus dem Material des Rotorrahmens oder aus einem dia- oder paramagnetischen Material gefertigt sein. Vorteilhafterweise ist im Rotorrahmen zwischen zwei oder je zwei benachbarten Permanentmagneten eine Anzahl spaltartiger Ausnehmungen vorgesehen, welche bis in den Bereich einer statorseitigen Mantelfläche des Rotorrahmens hin ausgebildet sind und welche im Bereich der statorseitigen Mantelfläche im Wesentlichen in radialer Richtung verlaufen. Dies führt dazu, dass der von den einander zugewandten, gleichpolig magnetisierten Flächen der jeweiligen benachbarten Permanentmagnete der magnetische Fluss keine beliebige Ordnung im Kreisringsektor zwischen den jeweiligen Permanentmagneten bilden kann, sondern konzentriert radial zum Stator und damit zu den Statorpolen hin ausgerichtet wird und somit den magnetischen Fluss eines sich in diesem
Bereich ausbildenden Rotorpols verstärkt. Dies führt zu einer besseren Flussverkettung zwischen dem Rotor und dem Stator und erhöht somit die Leistungsfähigkeit der elektromechanischen Maschine. Bevorzugt ist hierbei die oder jede Ausnehmung des Rotorrahmens ganz oder teilweise mit einem dia- oder paramagnetischen Füllmaterial, insbesondere mit einem Kunststoff, ausgefüllt. Dies verstärkt die Konzentration des magnetischen Flusses eines Rotorpols an der statorseitigen Mantelfläche weiter. Zweckmäßigerweise steht das dia- oder paramagnetische Füllmaterial an wenigstens einem axialen Ende des Rotors zumindest teilweise über eine Anzahl von Ausnehmungen über und ist dabei zur Auswuchtung des Rotors eingesetzt und/oder weist eine Form einer Ventilatorschaufel auf. Dies stellt eine besonders vorteilhafte Mehrzweckverwendung des Füllmaterials dar, mit welchem die oder jede Ausnehmung des Rotorrahmens gefüllt oder ausgefüllt ist. Insbesondere kann hierbei von axial überstehendem Füllmaterial durch eine Anzahl als Ventilatorschaufeln ausgeformter Überstände ein Ventilator ausgebildet sein, welcher zur Kühlung einer weiteren in der Nähe der elektromechanischen Maschine angeordneten Vorrichtung eingesetzt werden kann.
Die zweitgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine elektromechanische Maschine, umfassend einen Stator und einen Rotor der vorbeschriebenen Art. Die Vorteile des Rotors und seiner Weiterbildungen können dabei sinngemäß auf die elektromechanische Maschine übertragen werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Zeichnungen erläutert. Dabei zeigen Fig. 1 in einer Schrägansicht einen Rotor mit von Abkantungen gehaltenen, axial überstehenden Permanentmagneten, Fig. 2 in einer Schrägansicht einen Rotor mit axial überstehenden
Permanentmagneten und einem zwischen den Permanentmagneten angeordneten weichmagnetischen Material,
Fig. 3 in einer Schrägansicht einen Rotor mit trapezförmigen Permanentmagneten, um deren radial innere Enden im Rotorrahmen weite Ausnehmungen vorgenommen sind,
Fig. 4 in einer Draufsicht einen Rotor mit abschnittsweise trapezförmigen Permanentm ag neten ,
Fig. 5 in einer Schrägansicht einen Rotor mit teilweise angefasten Permanentmagneten, welche teilweise von Bügeln gehalten werden, und
Fig. 6 in einer Schrägansicht einen Rotor mit Flussbarrieren, welche mit einem Füllmaterial ausgegossen sind.
In Fig. 1 ist in der Schrägansicht ein Rotor 1 dargestellt, in dessen Rotorrahmen 2 eine Anzahl von im Wesentlichen quaderförmigen Permanentmagneten 4 eingebracht ist. Die Permanentmagnete 4 sind im Rotorrahmen 2 drehsymmetrisch bezüglich einer Achse 5, welche als Drehachse des Rotors 1 vorgesehen ist, angeordnet, und weisen bezüglich des Rotorrahmens 2 jeweils einen axialen Überstand 6 auf. In radialer Richtung sind im Rotorrahmen 2 an den Permanentmagneten 4 inneren Ausnehmungen 8 bzw. äußeren Ausnehmungen 10 vorgesehen. Je zwei benachbarte Permanentmagnete 4 sind an den jeweils einander zugewandten Seitenflächen 12 gleichpolig magnetisiert, so dass im Kreisringsektor 14 des Rotorrahmens 2 zwischen den Permanentmagneten 4 ein Rotorpol 15 der entsprechenden Polarität ausgebildet ist. Die Rotorpole werden durch dünne Stege 16 an einem Innenring 18 des Rotors 1 gehalten.
Der Rotorrahmen 2 ist aus einem Blechpaket 19 gefertigt, dessen axiales Endblech 20 axiale Abkantungen 22 aufweist, welche an den azimutalen Seitenflächen 24 der axialen Überstande 6 der Permanentmagnete 4 anliegen. Die aus dem axialen Endblech 20 des Blechpakets 19 hervorstehenden Abkantungen 22 weisen weitere Abkantungen 26 auf, welche an den axialen Stirnflächen 28 der Permanentmagnete 4 aufliegen. Des Weiteren ist an der jeweils radial inneren Seite jeder Abkantung 22 ein Überstand 30 angeordnet, welcher am axialen Überstand der inneren radialen Stirnfläche 32 des jeweiligen Permanentmagneten 4 aufliegt.
Durch den axialen Überstand 6 der Permanentmagnete 4 erhöht sich die verfügbare magnetische Flussdichte. Aufgrund des hohen magnetischen
Widerstandes der den Rotor 1 umgebenden Luft wird das zusätzliche Feld, welches jeweils durch den axialen Überstand 6 erzeugt wird, dazu bewegt, einen Schluss der Feldlinien über den Rotor 1 zu suchen. Dies führt im Bereich der Rotorpole 15 jeweils zu einem erhöhten magnetischen Fluss, welcher zu einer verbesserten Verkettung mit dem magnetischen Fluss führt, welcher durch einen in der Zeichnung nicht näher dargestellten, radial außen liegenden Statorpol erzeugt wird.
Die inneren Ausnehmungen 8 und die äußeren Ausnehmungen 10 verringern hierbei den Kurzschluss des Feldes eines Permanentmagneten 4 über den
Rotorrahmen 2. An der Innenseite kann ein solcher Kurzschluss nur über einen Steg 16 und den Innenring 18 des Rotorrahmens 2 führen. Der Steg 16 ist daher vorzugsweise derart ausgebildet, dass er alle auf einen von ihm mit dem Innenring 18 verbundenen Kreisringsektor 14 auftretenden Zentrifugalkräfte bei einer Rotation aufnehmen kann, jedoch hierbei möglichst schmal gehalten ist, so dass im Blechpaket 19 am Steg möglichst schnell eine magnetische Sättigung eintritt, welche einen weiteren Kurzschluss des Feldes unterbindet.
Die Abkantungen 22 vereinfachen dabei, einen Permanentmagneten 4 azimutal in Position zu halten. Dies kann insbesondere durch eine kraftschlüssige
Verbindung am axialen Überstand 6 auf beiden axialen Seiten des Rotors 1 erfolgen. Zusätzlich halten die Abkantungen 26 den Permanentmagneten 4 axial in Position, und durch den Überstand 30 wird der Permanentmagnet 4 radial nach außen in Richtung eines in der Zeichnung nicht näher dargestellten Stators gedrückt.
In Fig. 2 ist in der Schrägansicht ein Rotor 1 mit axial über den Rotorrahmen 2 überstehenden Permanentmagneten 4 dargestellt, wobei zwischen dem jeweiligen axialen Überstand 6 der Permanentmagnete 4 Kreisringsektoren mit weichmagnetischem Material 40 angeordnet sind. Die Permanentmagnete 4 werden hierbei kraftschlüssig durch Bügel 42, welche jeweils vom Steg 18 ausgehen, in ihrer Position gehalten. Das weichmagnetische Material 40 wird hierbei magnetisiert, und trägt zum jeweiligen Rotorpol 15 bei. Da es jedoch meist günstiger ist, als das Blechpaket 19, aus welchem der Rotorrahmen 2 gefertigt ist, können insgesamt Kosten gespart werden.
In Fig. 3 ist in der Schrägansicht ein Rotor 1 mit trapezförmigen Permanentmagneten 4 dargestellt. Die inneren Ausnehmungen 8 im
Rotorrahmen 2 umgeben hierbei teilweise den jeweiligen Permanentmagneten 4 in radialer Richtung. Hierdurch wird der Kurzschluss des Feldes eines Permanentmagneten 4 weiter erschwert, da dieser an der radialen Innenseite nur über den verlängerten Steg 16 zum Rotorpol 15 und den Innenring 18 führen kann. Der schmale verlängerte Steg 16 kann hierbei aufgrund einer leicht eintretenden magnetischen Sättigung nur wenig magnetischen Fluss übertragen, der Kurzschluss des Feldes wird erschwert. Die Permanentmagnete 4 werden in der inneren Ausnehmung 8 durch kammartige Strukturen 64, welche gegen die radial innere Stirnfläche 32 drücken, kraftschlüssig in Position gehalten. Die kammartigen Strukturen 64 sind an einem keilförmigen Bereich des
Rotorrahmens 2 ausgebildet, der zwischen Ausnehmung 8 und trapezförmigem Permanentmagneten 4 angeordnet ist.
In Fig. 4 ist in der Draufsicht ein Rotor 1 mit abschnittsweise trapezförmigen Permanentmagneten 4 dargestellt, welche sich radial nach außen zuerst trapezförmig verbreitern und zum radial äußeren Ende hin trapezförmig verjüngen. Durch diese Verjüngung nach außen sind die Permanentmagnete 4 formschlüssig im Rotorrahmen 2 eingebracht. Weitere Haltenasen oder Bügel zur azimutalen bzw. radialen Fixierung entfallen.
In Fig. 5 ist in der Schrägansicht ein Rotor 1 mit axial überstehenden Permanentmagneten 4 dargestellt, welche jeweils an der radial inneren Stirnfläche 32 in axialer Richtung mit Fasen 44 versehen sind. Die Permanentmagnete 4 werden in der inneren Ausnehmung 8 durch Bügel 42, welche jeweils vom Steg 16 ausgehen und gegen die Fase 44 drücken, und durch Bügel 46, welche vom Innenring 18 des Rotorrahmens 2 ausgehen und gegen die radial innere Stirnfläche 32 drücken, kraftschlüssig in Position gehalten. In Fig. 6 ist in der Schrägansicht ein Rotor 1 mit axial überstehenden Permanentmagneten 4 dargestellt, in dessen Kreisringsektoren 14 zwischen je zwei benachbarten Permanentmagneten 4 im Rotorrahmen 2 als Flussbarrieren spaltartige Ausnehmungen 50 eingebracht sind, welche zur äußeren
Mantelfläche 52 des Rotors 1 hin zunehmend radial verlaufen. Die Flussbarrieren 50 sowie die inneren Ausnehmungen 8 und die äußeren Ausnehmungen 10 sind mit einem nicht magnetischen Füllmaterial 54 ausgefüllt, welches an einigen Stellen axial über den Rotorrahmen 2 hervorsteht und dort als Ventilatorschaufel 56 ausgebildet ist. Die Flussbarrieren 50 sorgen für eine Konzentration des magnetischen Flusses in den Rotorpolen 15 zur äußeren Mantelfläche 52 des Rotors 1 hin, so dass der Fluss eines Rotorpols 15 eine verbesserte Verkettung mit dem Fluss eines entsprechenden Statorpols 58 eines Stators 60 der elektromechanischen Maschine 62 aufweist.
Bezugszeichenliste
1 Rotor
2 Rotorrahmen
4 Permanentmagnet
5 Achse
6 axialer Überstand eines Permanentmagneten
8 innere Ausnehmung
10 äußere Ausnehmung
12 Seitenfläche eines Permanentmagneten
14 Kreisringsektor zwischen zwei benachbarten Permanentmagneten
15 Rotorpol
16 Steg zum Kreisringsektor
18 Innenring des Rotorrahmens
19 Blechpaket
20 axiales Endblech des Rotorrahmens
22 axiale Abkantung
24 azimutale Seitenfläche des axialen Überstandes
26 Abkantung
28 axiale Stirnfläche eines Permanentmagneten
30 Überstand an einer Abkantung
32 radial innere Stirnfläche eines Permanentmagneten
40 weichmagnetisches Material
42 Bügel
44 Fase an einem Permanentmagneten
46 Bügel
50 spaltartige Ausnehmung als Flussbarriere
52 äußere Mantelfläche des Rotors
54 nicht magnetisches Füllmaterial
56 Ventilatorschaufel
58 Statorpol
60 Stator
62 elektromechanische Maschine
64 kammartige Struktur

Claims

Patentansprüche
1. Rotor (1) für eine elektromechanische Maschine (62), welcher zur Drehung um eine Achse (5) bezüglich eines Stators (60) ausgelegt ist, umfassend einen Rotorrahmen (2) und Permanentmagnete (4), wobei die Permanentmagnete (4) in Taschen, welche in azimutaler Richtung im Rotorrahmen (2) angeordnet sind, eingebracht sind, wobei die Permanentmagnete (4) in azimutaler Richtung magnetisiert sind, und wobei je zwei benachbarte Permanentmagnete (4) mit jeweils gleichem Pol einander zugewandt sind,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Permanentmagnete (4) in axialer Richtung über den Rotorrahmen überstehen (6).
2. Rotor (1) für eine elektromechanische Maschine (62), welcher zur Drehung um eine Achse (5) bezüglich eines Stators (60) ausgelegt ist, umfassend einen Rotorrahmen (2) und Permanentmagnete (4), wobei die Permanentmagnete (4) in Taschen, welche in azimutaler Richtung im Rotorrahmen (2) angeordnet sind, eingebracht sind, wobei die Permanentmagnete (4) in azimutaler Richtung magnetisiert sind, und wobei je zwei benachbarte Permanentmagnete (4) mit jeweils gleichem Pol einander zugewandt sind, insbesondere Rotor (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet,
dass eine Anzahl von Permanentmagneten (4) jeweils einen zur Achse (5) orthogonalen Querschnitt aufweist, welcher abweichend von einer Rechteckform zumindest abschnittsweise trapezförmig ist.
3. Rotor (1) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass an den axialen Grenzflächen des Rotorrahmens (2) zwischen den axial überstehenden Permanentmagneten (4) ein weichmagnetisches Material (40) angeordnet ist.
4. Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Rotorrahmen (2) aus einem in axialer Richtung geschichteten Blechpaket (19) gefertigt ist.
5. Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass als Permanentmagnete (4) gesinterte Ferritmagnete und/oder kunststoffgebundene Dauermagnete eingesetzt sind.
6. Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass wenigstens eine Kante wenigstens eines Permanentmagneten (4) angefast ist (44).
7. Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein oder jeder Permanentmagnet (4) in den Rotorrahmen (2) eingepresst und/oder eingegossen ist.
8. Rotor (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass mindestens ein axial über den Rotorrahmen (2) überstehender Permanentmagnet (4) an mindestens einer seiner axial überstehenden Seitenflächen (24) von einer aus einem axialen Endblech (20) des Blechpaketes (19) axial hervorstehenden Abkantung (22) anliegt.
9. Rotor (1) nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine oder jede axial hervorstehende Abkantung (22) des axialen Endbleches (20) eine weitere Abkantung (26) umfasst, welche der axialen Stirnfläche (28) des jeweiligen Permanentmagneten (4) aufliegt.
10. Rotor (1) nach Anspruch 8 oder Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine oder jede axial hervorstehende Abkantung (22) des axialen Endbleches (20) an der dem Stator (60) nach Montage abgewandten Seite in Umfangsrichtung einen Überstand (30) aufweist, welcher den jeweiligen Permanentmagneten (4) radial in Richtung des Stators (60) drückt.
11. Rotor (1 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Rotorrahmen (2) an einer dem Stator (60) nach Montage abgewandten Grenzfläche (32) wenigstens eines Permanentmagneten (4) in radialer Richtung jeweils eine Ausnehmung (8) derart aufweist, dass jede radiale Verbindungslinie von einem Punkt des wenigstens einen Permanentmagneten (4) zu einer dem Stator (60) abgewandten Mantelfläche des Rotors (1) durch die jeweilige Ausnehmung (8) führt.
12. Rotor (1) nach Anspruch 1 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass eine oder jede Ausnehmung (8) den jeweiligen Permanentmagneten (4) an dessen azimutalen Grenzflächen (12) in radialer Richtung zumindest teilweise umgibt.
13. Rotor (1) nach Anspruch 11 oder Anspruch 12,
dadurch gekennzeichnet,
dass in der Ausnehmung (8) eine Anzahl von federelastischen Bügeln (42, 46) angeordnet ist, welche den jeweiligen Permanentmagneten (4) radial in Richtung des Stators (60) drückt.
14. Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass im Rotorrahmen (2) zwischen zwei oder je zwei benachbarten Permanentmagneten (4) eine Anzahl spaltartiger Ausnehmungen (50) vorgesehen ist, welche bis in den Bereich einer nach der Montage statorseitigen Mantelfläche (52) des Rotorrahmens (2) hin ausgebildet sind und welche im Bereich der statorseitigen Mantelfläche (52) im Wesentlichen in radialer Richtung verlaufen.
15. Rotor (1) nach einem der Ansprüche 1 1 bis 14,
dadurch gekennzeichnet,
dass die oder jede Ausnehmung (8, 10, 50) des Rotorrahmens (2) ganz oder teilweise mit einem dia- oder paramagnetischen Füllmaterial (54), insbesondere mit einem Kunststoff, ausgefüllt ist.
16. Rotor nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet,
dass das dia- oder paramagnetische Füllmaterial (54) an wenigstens einem axialen Ende des Rotors (1) teilweise über eine Anzahl von Ausnehmungen (8, 10, 50) übersteht und dabei zur Auswuchtung des Rotors (1) eingesetzt ist und/oder eine Form einer Ventilatorschaufel (56) aufweist.
17. Elektromechanische Maschine (62), umfassend einen Stator (60) und einen Rotor (1) nach einem der Ansprüche 1-16.
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