EP4348808A1 - Permanentmagneterregte synchronmaschine - Google Patents

Permanentmagneterregte synchronmaschine

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Publication number
EP4348808A1
EP4348808A1 EP22730681.8A EP22730681A EP4348808A1 EP 4348808 A1 EP4348808 A1 EP 4348808A1 EP 22730681 A EP22730681 A EP 22730681A EP 4348808 A1 EP4348808 A1 EP 4348808A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
segments
tangential
normal
synchronous machine
segment
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Withdrawn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
EP22730681.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas REEH
Christian Loesch
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.)
Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Original Assignee
Rolls Royce Deutschland Ltd 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 Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG filed Critical Rolls Royce Deutschland Ltd and Co KG
Publication of EP4348808A1 publication Critical patent/EP4348808A1/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Withdrawn legal-status Critical Current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
    • H02K1/278—Surface mounted magnets; Inset magnets
    • H02K1/2783—Surface mounted magnets; Inset magnets with magnets arranged in Halbach arrays
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K21/00—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets
    • H02K21/12—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets
    • H02K21/14—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets rotating within the armatures
    • H02K21/16—Synchronous motors having permanent magnets; Synchronous generators having permanent magnets with stationary armatures and rotating magnets with magnets rotating within the armatures having annular armature cores with salient poles
    • 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
    • H02K1/28—Means for mounting or fastening rotating magnetic parts on to, or to, the rotor structures

Definitions

  • the invention relates to a permanent-magnet synchronous machine according to the preamble of patent claim 1 .
  • Permanent magnet synchronous machines allow high power and torque densities and are used, for example, in electrical drives for aviation.
  • surface magnets with high saturation polarization e.g. Nd-Fe-B magnets
  • Mallison- Halbach arrays are used in the rotor of such machines, also because of various other advantages.
  • This spatial configuration of permanent magnets with different directions of magnetization (polarization) often referred to only as a Halbach array, concentrates the flux on one side of the array and largely eliminates the field on the other side.
  • a feature of this configuration is the fact that the array allows for higher flux densities than the individual components of the array because of the resulting superposition of the field lines.
  • a disadvantage of a magnet arrangement with a Halbach array is that due to the rotating orientation of the magnetization vectors, mounting the magnet bars in Circumferential direction is made more difficult by the forces of attraction and repulsion.
  • An alternative magnetization of the pre-oriented magnet bars after the rotor assembly (shooting with a very strong field strength between the poles) requires special expensive tools and carries the risk of changing the magnetization at the neighboring poles.
  • the object of the invention is to improve the attachment of the surface magnets to the rotor in permanent-magnet synchronous machines with Halbach arrays.
  • the present invention considers a permanent magnet excited synchronous machine that has a stator and a rotor that rotates about a longitudinal axis adjacent to the stator.
  • the rotor has a plurality of surface magnets which are arranged along the circumference of the rotor.
  • the surface magnets are designed as Halbach arrays, each Having tangential segments in which the magnetization direction is predominantly oriented in the circumferential direction, and normal segments in which the magnetization direction is predominantly oriented in the radial direction or counter to the radial direction.
  • the tangential segments in the field of the stator experience a radially inward force and the normal segments experience a radially outward force.
  • the tangential segments and the normal segments are shaped in such a way that the tangential segments partially compensate for the forces directed radially outwards on the normal segments by means of the forces directed radially inwards on the tangential segments by form locking.
  • the invention is based on the idea of using the radially inwardly directed forces acting on the tangential segments in order to counteract the radially outwardly directed forces of the normal segments by means of a form fit. Due to the form fit, there is a radially inwardly directed force transmission from the tangential segments to the normal segments, so that the resulting forces on the normal segments are partially compensated, while the flow-concentrating effect of the Falbach arrangement is retained. In this way, the total forces acting on the surface magnets are homogenized, so that the total required retaining force and thus the requirements for the required magnet positioning and retaining devices, such as bandages, can be reduced.
  • Another advantage associated with the invention is that the invention also simplifies the non-trivial assembly of the magnetic rods of a Falbach array on the rotor due to the high magnetic forces, by preventing the already assembled rods from moving due to the positive fit and thereby complicate assembly devices and processes can be simplified. The manufacturing effort can thus be reduced.
  • One embodiment of the invention provides that the tangential segments and the normal segments each have two lateral flanks in a cross-sectional view perpendicular to the longitudinal axis of the rotor, with a form fit being provided between a tangential segment and a normal segment in that the flanks of the tangential segment that adjoin one another in the circumferential direction and the normal segment adjoin one another in a form-fitting manner in such a way that a relative movement in the radial direction is blocked.
  • the form fit is thus provided by the adjacent flanks of the tangential segment and the normal segment.
  • flanks of the tangential segment and the normal segment that adjoin one another in the circumferential direction have an alignment that deviates from a strictly radial alignment.
  • the force acting radially inward on the tangential segments can be used to reduce the effective force on the normal segments.
  • flanks of the tangential segment and the normal segment which adjoin one another in the circumferential direction run flat, parallel and at the same time obliquely to the radial direction, with the width of the
  • Tangential segment increases in the radial direction and the width of the normal segment decreases in the radial direction.
  • the inclined alignment of the flanks automatically provides a form fit.
  • An overall planar design of the flanks is associated with the advantage of a simple open position of the outer contour of the tangential segments and the normal segments.
  • flanks run obliquely to the radial direction in such a way that the angle between the flanks and the radial direction is in the range between 1° and 10°. The angle therefore does not have to be large in order to provide a positive fit.
  • flanks of two tangential segments and the circumferentially adjacent flanks of two normal segments can therefore extend in the radial direction, but can alternatively also run at an angle to the radial direction, for example if it is easier to bevel both flanks of a segment for manufacturing reasons.
  • Included design variants of the invention provide that at least two normal segments adjoin one another within a Halbach array.
  • flanks of the tangential segment and the normal segment which adjoin one another in the circumferential direction form projections and indentations which provide a form fit and prevent relative movement between the tangential segment and the normal segment in the radial direction.
  • the solution according to the invention applies in principle to any Falbach array with any number of segments, as long as there are at least three segments.
  • An exemplary embodiment provides that the Falbach arrays have two tangential segments and two normal segments per magnetic pole, it being possible for the two normal segments to directly adjoin one another in the circumferential direction and be delimited by the two tangential segments on both sides. Provision can also be made for two magnetic poles formed by Falbach arrays to be arranged directly adjacent to one another as a pair of magnetic poles in the circumferential direction.
  • One embodiment provides that the direction of the magnetization changes by a fixed angle of, for example, 60° between two adjacent segments of the Falbach array.
  • a further embodiment of the invention provides that the surface magnets, which are arranged along the circumference of the rotor, are fixed on the rotor without a layer of adhesive. This is made possible by the fact that a movement of the surface magnets is prevented by the form fit provided according to the invention between the tangential segments and normal segments. It is then sufficient, for example, for a bandage to fix the surface magnets on the outer circumference of the rotor.
  • the omission of an adhesive layer has the advantage of improved heat conduction from the surface magnets into the rotor, since an adhesive layer typically has a significant thermal resistance.
  • stator of the electrical machine comprises segmented stator coils which are designed as single-tooth coils.
  • stator can be implemented in any way with stator coils and with any winding technique.
  • the synchronous machine is designed as a permanent magnet synchronous motor.
  • the stator is equipped with coils, while external surface magnets are attached to the rotor.
  • the AC voltage is applied to the stator coils.
  • the synchronous machine according to the invention can be implemented in connection with a large number of design principles, for example as a radial flux machine (with an orientation of the normal vector of the middle air gap area in the radial direction), an axial flux machine (with an orientation of the normal vector of the middle air gap area in the axial direction) or a transverse flux machine (with an axial or radial air gap orientation) be formed.
  • a radial flux machine with an orientation of the normal vector of the middle air gap area in the radial direction
  • an axial flux machine with an orientation of the normal vector of the middle air gap area in the axial direction
  • a transverse flux machine with an axial or radial air gap orientation
  • FIG. 1 shows an example of a Halbach array which includes tangential segments and normal segments
  • FIG. 3 shows a first exemplary embodiment of a Halbach array, which comprises tangential segments and normal segments, a tangential segment and a normal segment each adjoining one another in a form-fitting manner, with the form-fitting being provided by the alignment of the flanks;
  • FIG. 4 shows the Halbach array of FIG. 3 with an additional representation of the normal forces acting on the individual segments
  • FIG. 5 shows a section of an electric motor with a rotor and a stator, the rotor having surface magnets in the form of a Falbach array according to FIGS. 3 and 4;
  • Figure 7 shows another embodiment of a Falbach array
  • Figure 8 is a cross-sectional view of an electric motor having a rotor
  • the electric motor comprises a rotor 1 and a stator 2.
  • the stator 2 has a multiplicity of winding cores 20 onto which coils (not shown) are wound.
  • the rotor 1 is arranged inside the stator 2 and rotates about a longitudinal axis 3, which defines an axial direction.
  • a radial direction r is perpendicular to the axial direction.
  • the rotor 2 has a large number of permanent magnets which are arranged as surface magnets 11 , 12 on the outside of the rotor 2 .
  • Two surface magnets 11, 12 that are adjacent in the circumferential direction each have different poles and together form a magnetic circuit with a magnetic flux density B.
  • An air gap d which is not shown to scale, is formed between the stator 1 and the rotor 2 .
  • the surface magnets 11, 12 have a radial flea h m .
  • the surface magnets 11, 12 are fixed to the outer periphery of the rotor 1 by an unillustrated magnet positioning and retaining device.
  • Such includes, for example, a bandage formed by a glass, metal or carbon fiber sleeve. Such a bandage reduces the air gap d.
  • the torque increases in a first approximation linearly with the amplitude of the fundamental flux density wave in the air gap. This in turn is hyperbolically dependent on the ratio of the air gap height d and the magnet height h m . In order to achieve the highest possible torque density of the machine, this ratio must be minimized. While an increase in the magnet height is limited in terms of increasing the torque density due to the relatively heavy permanent magnet material, the air gap height can be reduced within the framework of the mechanical limitations to ensure a minimum distance between stator and rotor under all operating conditions.
  • the reduction of the air gap height (depending on the application in the range of several tenths of a millimeter to a few millimeters) is opposed to the possible deformation of the bearings, the shaft, the rotor and the stator, the space that may be required for the magnet positioning and retaining device.
  • a reduction in such a space requirement should be aimed for, since such a reduction and a corresponding adjustment of the air gap height lead directly to an increase in torque.
  • the magnet height and thus the mass can be reduced for constant torque density.
  • the space required for a magnet positioning and retaining device can be reduced by reducing the forces that such a magnet positioning and retaining device must be able to retain.
  • Figures 1 to 4 explain this a first embodiment.
  • FIG. 1 shows a Halbach array 4, which consists of eight segments PM 1 to PM 8 adjoining one another in the circumferential direction.
  • Four segments PM 1 to PM 4 or PM 5 to PM 8 each form a magnetic pole 41, 42 and the eight segments together form a pole pair.
  • Several such Halbach arrays 4 are arranged in the circumferential direction of a rotor. For example, at least two pole pairs are provided over the full circle of 360°, with the number of pole pairs also being able to be significantly higher, for example 30.
  • the segments PM 1 to PM 8 each have a magnetization M, which differs from segment to segment in accordance with the design as a Halbach array 4 .
  • the direction of magnetization M of the individual segments rotates by 60° from segment to segment. It is provided that some of the segments, namely the segments PM 1 , PM 4 , PM 5 , PM 8 have a magnetization M which is predominantly aligned in the circumferential direction. These segments are called tangent segments.
  • the other segments PM 2, PM 3, PM 6, PM 7 have a magnetization M, which is predominantly aligned in the radial direction (ie in the radial direction or counter to the radial direction). These segments are called normal segments.
  • Each of the segments PM 1 to PM 8 has two side flanks 51, 52, the right flank being denoted by the reference numeral 51 and the left flank by the reference numeral 52 in the illustration in FIG. Since the adjoining flanks 51, 52 of two adjacent segments are planar, run parallel and lie against one another, they are represented in the representation of FIG. 1 by only one line. The situation is such that the lateral flanks 51, 52 each run in the radial direction.
  • FIG. 2 shows the magnetic normal forces acting on the individual segments PM 1 to PM 8 in the field of a stator (corresponding to stator 2 in FIG. 8).
  • the forces that are either directed radially inwards or directed radially outwards are referred to as magnetic normal forces.
  • the normal forces acting on the tangential segments PM1, PM4, PM5, PM8 are negative, ie are directed radially inwards.
  • the normal forces acting on the normal segments PM 2, PM 3, PM 6, PM 7 are positive, ie they are directed radially outwards.
  • the curve 15 indicates the sum of these forces, which is of course positive.
  • a three-phase short circuit was simulated from a rotor position of 24°. In a way, this represents another operational case to consider when designing a magnet positioning and restraint device.
  • the normal forces and thus also the cumulative curve 15 decrease significantly in the event of a short circuit. It is important that even in the event of a short circuit, the normal forces are positive for the normal segments PM 2, PM 3, PM 6, PM 7 and negative for the tangential segments PM1, PM 4, PM 5, PM 8, so that qualitatively with regard to the ratio of the individual normal forces does not change. It should also be noted that the sum of the normal forces according to curve 15 does not increase or does not increase substantially, so that in this respect there are no increased requirements for a magnet positioning and restraint device in the event of a short circuit.
  • FIG. 3 shows a Halbach array 4 that has been modified compared to the Halbach array of FIG. 1 with regard to the alignment of the lateral flanks 51, 52 of the individual segments. It is provided that in the event that a tangential segment PM1, PM 4, PM 5, PM 8 and a normal segment PM 2, PM 3, PM 6, PM 7 adjoin each other, the adjoining flanks 51a, 52a, 51b , 52b of the tangential segment and normal segment have an alignment that deviates from a strictly radial alignment.
  • flank 51a of the tangential segment PM 8 runs at an angle to the radial direction, which is also shown merely for comparison.
  • the flank 52a of the adjacent normal segment PM 7 runs obliquely to the radial direction.
  • the angle a of the deviation relative to the radial direction is in the range between 1° and 10°, for example.
  • the width of the tangential segment (where the width relates to the circumferential direction) increases in the radial direction r, while the width of the normal segment PM 7 decreases in the radial direction r.
  • flanks 51, 52 run in the radial direction between two tangential segments or between two normal segments, for example between the normal segments PM 7, PM 8 and between the tangential segments PM 5, PM 4.
  • the adjacent flanks 51b, 52b again run obliquely to the radial direction, with the width of the normal segment PM 6 decreasing in the radial direction and the width of the tangential segment PM 5 in radial direction increases.
  • This shape provides a form fit between the tangential segments and the normal segments. This positive locking causes the normal forces directed radially outwards on the normal segments to be partially compensated by means of the normal forces directed radially inwards on the tangential segments.
  • FIG. 4 also shows the forces that act on the individual segments PM 1 to PM 8 .
  • the normal forces acting on the tangential segments PM1, PM 4, PM 5, PM 8 - Fn negative, while the normal forces +Fn acting on the normal forces PM 2, PM 3, PM 6, PM 7 are positive.
  • the negative force -Fn which acts on the tangential segments, is used to transfer this force from the tangential segments to the normal segments.
  • the form fit can be provided, as shown, by slight geometric adjustments to the magnet segments, with the illustration in FIGS. 3 and 4 not being to scale.
  • the resulting Normal force can be reduced to about 2/3 of the original force.
  • centrifugal forces can be less than or approximately the same as the effective magnetic forces.
  • FIG. 5 shows a further exemplary embodiment of a permanent magnet synchronous motor with a Halbach array 4 according to the invention.
  • the air gap d between the rotor 1 and the stator 2 is also shown.
  • Halbach arrays 4 are arranged in the circumferential direction in accordance with FIG. Adjacent tangential segments and normal segments have flanks 51a, 52a, 51b, 52b running obliquely to the radial direction, which provide a form fit between the tangential segments and the normal segments, which reduces the resulting total forces.
  • the four lower curves which are associated with a negative normal force, i.e. a radially inward force, relate to the four tangential segments.
  • the four upper curves which are associated with a positive normal force, relate to the four normal segments of the Halbach array in FIG directed forces partially compensated.
  • the forces on the restraint device are homogenized, since the same effective normal forces act on all segments around the circumference of the rotor due to the inclined flanks or contact surfaces between the segments. In the case of a bandage, for example, this can further reduce the requirements for design and production, since no stress peaks, for example in the case of the smallest elastic displacements, are to be expected due to uneven force distribution.
  • the negative forces on the tangential segments are similar in magnitude to the positive forces on the normal segments.
  • the solution according to the invention can also simplify the assembly of the magnetic rods on the rotor, which is otherwise nontrivial due to the high magnetic forces, by preventing the already assembled rods from moving due to the positive fit, thereby simplifying complicated assembly devices and processes.
  • FIG. 7 shows an exemplary embodiment in which the form fit between the tangential segments and the normal segments is not provided by flanks which run obliquely to the radial direction and are otherwise plane, but rather by projections or indentations 6 on the adjacent flanks 51c, 52c.
  • FIG. 7 is only schematic and an example of a flank profile in which the flanks of the adjoining tangential segment and normal segment do not provide a form fit by deviating from a radial alignment, but by protrusions or indentations or convex areas or concave areas. a protrusion/convex area in one segment naturally being accompanied by an indentation/concave area in the neighboring segment.
  • the number of segments per magnetic pole is not equal to four and is, for example, only three segments or more than four segments.
  • the number of segments per magnetic pole is not equal to four and is, for example, only three segments or more than four segments.
  • there is an even greater influence of the restraining force of the tangential segments since two tangential segments each partially compensate the radially outward force on a normal segment.
  • the synchronous machine described is designed as an axial flux machine instead of as a radial flux machine.
  • the centrifugal force acts normal to the magnetic forces, so that the full potential of the load reduction according to the invention can be used in the axial direction.
  • an increase in the static friction force against movement in the axial direction can additionally be brought about by a similar shaping in the radial direction.

Landscapes

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

Abstract

Die Erfindung betrifft eine permanentmagneterregte Synchronmaschine, die einen Stator (2) und einen Rotor (1), der angrenzend an den Stator (2) um eine Längsachse (3) rotiert, aufweist. Der Rotor (1) umfasst eine Mehrzahl von Oberflächenmagneten, die entlang des Umfangs des Rotors (1) angeordnet sind. Die Oberflächenmagnete sind als Halbach-Arrays (4) ausgebildet, die jeweils Tangentialsegmente (PM1, PM4, PM5, PM8), in denen die Magnetisierungsrichtung (M) überwiegend in Umfangsrichtung ausgerichtet ist, und Normalsegmente (PM2, PM3, PM6, PM7), in denen die Magnetisierungsrichtung (M) überwiegend in radialer Richtung oder entgegen der radialen Richtung ausgerichtet ist, aufweisen, wobei die Tangentialsegmente (PM1, PM4, PM5, PM8) im Feld des Stators (2) eine radial nach innen gerichtete Kraft (-Fn) und die Normalsegmente (PM2, PM3, PM6, PM7) eine radial nach außen gerichtete Kraft (+Fn) erfahren. Es ist vorgesehen, dass die Tangentialsegmente (PM1, PM4, PM5, PM8) und die Normalsegmente (PM2, PM3, PM6, PM7) derart geformt sind, dass die Tangentialsegmente (PM1, PM4, PM5, PM8) durch Formschluss die auf die Normalsegmente (PM2, PM3, PM6, PM7) radial nach außen gerichteten Kräfte mittels der auf die Tangentialsegmente (PM1, PM4, PM5, PM8) radial nach innen gerichteten Kräfte teilweise kompensieren.

Description

Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co KG
Permanentmagneterregte Synchronmaschine
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine permanentmagneterregte Synchronmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 .
Permanentmagneterregte Synchronmaschinen (PMSM) erlauben hohe Leistungs- und Drehmomentdichten und finden beispielsweise in elektrischen Antrieben für die Luftfahrt Anwendung. Für eine besonders hohe gravimetrische Drehmomentdichte werden im Rotor solcher Maschinen, auch wegen vielfältiger weiterer Vorteile, Oberflächenmagnete mit hoher Sättigungspolarisation (z.B. Nd-Fe-B Magnete) in Mallison-Halbach-Arrays einzusetzen. Diese oft nur als Halbach-Array bezeichnete räumliche Konfiguration von Permanentmagneten unterschiedlicher Magnetisierungsrichtung (Polarisation) konzentriert den Fluss auf einer Seite des Arrays und löscht das Feld auf der anderen Seite weitgehend aus. Eine Eigenschaft dieser Konfiguration ist die Tatsache, dass das Array wegen der resultierenden Überlagerung der Feldlinien höhere Flussdichten ermöglicht als die individuellen Komponenten des Arrays besitzen.
Ein Nachteil einer Magnetanordnung mit Halbach-Array besteht darin, dass wegen der drehenden Orientierung der Magnetisierungsvektoren eine Montage der Magnetstäbe in Umfangsrichtung durch die wirkenden Anziehungs- und Abstoßungskräfte erschwert wird. Eine alternative Magnetisierung der vororientierten Magnetstäbe nach der Rotormontage (Aufschießen mit sehr starker Feldstärke zwischen den Polen) verlangt spezielle kostenträchtige Werkzeuge und birgt das Risiko der Veränderung der Magnetisierung an den Nachbarpolen.
Allgemein besteht bei der Verwendung von Oberflächenmagneten in Radialflussmaschinen die Herausforderung, die Position der Oberflächenmagnete gegen auftretende Zentrifugalkräfte und die durch Maxwellsche Spannungen resultierenden Kräfte in radialer (normaler) und Umfangsrichtung (tangentialer Richtung) zur Drehachse zu fixieren. Dabei ist auch sicherzustellen, dass das durch die tangentialen Kräfte resultierende Drehmoment unter allen Betriebsbedingungen ohne ein Rutschen der Magnete übertragen wird. Aus diesen Erfordernissen resultieren hohe Anforderungen an eine Magnetpositionierungs- und Rückhaltevorrichtung, die die Oberflächenmagnete auf der Oberfläche des Rotors positioniert und hält. Solche Vorrichtungen sind beispielsweise als Bandagen ausgeführt.
Dabei ist in einer permanentmagneterregten Synchronmaschine allgemein anzustreben, das Verhältnis von Luftspalthöhe zu Magnethöhe im Luftspalt zwischen Rotor und Stator zu minimieren. Einer Minimierung dieses Spaltes stehen die erwähnten Magnetpositionierungs- und Rückhaltevorrichtungen entgegen, die die Magnete im Luftspalt positionieren und einen Platzbedarf mit sich bringen. Beispielsweise nehmen Bandagen nachteilig Bauraum im Spalt zwischen Rotor und Stator ein.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei permanentmagneterregten Synchronmaschinen mit Halbach-Arrays die Befestigung der Oberflächenmagnete am Rotor zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch eine permanentmagneterregte Synchronmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Danach betrachtet die vorliegende Erfindung eine permanentmagneterregte Synchronmaschine, die einen Stator und einen Rotor, der angrenzend an den Stator um eine Längsachse rotiert, aufweist. Dabei weist der Rotor eine Mehrzahl von Oberflächenmagneten auf, die entlang des Umfangs des Rotors angeordnet sind. Die Oberflächenmagnete sind als Halbach-Arrays ausgebildet, die jeweils Tangentialsegmente, in denen die Magnetisierungsrichtung überwiegend in Umfangsrichtung ausgerichtet ist, und Normalsegmente, in denen die Magnetisierungsrichtung überwiegend in radialer Richtung oder entgegen der radialen Richtung ausgerichtet ist, aufweisen. Dabei erfahren die Tangentialsegmente im Feld des Stators eine radial nach innen gerichtete Kraft und die Normalsegmente eine radial nach außen gerichtete Kraft.
Es ist vorgesehen, dass die Tangentialsegmente und die Normalsegmente derart geformt sind, dass die Tangentialsegmente durch Formschluss die auf die Normalsegmente radial nach außen gerichteten Kräfte mittels der auf die Tangentialsegmente radial nach innen gerichteten Kräfte teilweise kompensieren.
Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, die auf die Tangentialsegmente wirkenden, radial nach innen gerichtete Kräfte zu nutzen, um durch einen Formschluss den radial nach außen gerichteten Kräften der Normalsegmente entgegenzuwirken. Durch den Formschluss erfolgt also eine radial nach innen gerichtete Kraftübertragung von den Tangentialsegmenten auf die Normalsegmente, so dass die resultierenden Kräfte auf die Normalsegmente zum Teil kompensiert werden, während die flusskonzentrierende Wirkung der Flalbach-Anordnung erhalten bleibt. Flierdurch werden die insgesamt auf die Oberflächenmagnete wirkenden Kräfte homogenisiert, so dass die insgesamt erforderliche Rückhaltekraft und damit die Anforderungen an die erforderlichen Magnetpositionierungs und Rückhaltevorrichtungen wie beispielsweise Bandagen reduziert werden können.
Dies wiederum erlaubt es, den Abstand zwischen Stator und Rotor, d.h. die Luftspalthöhe zu verringern, was zu einem höheren Drehmoment bei gleicher Magnethöhe führt. Soll das Drehmoment konstant gehalten werden, kann die Magnethöhe reduziert und können damit Masse und Materialkosten eingespart werden, da elektrische Maschinen mit hoher Drehmomentdichte typischerweise schwere und teure Seltenerdmagnete (Bsp.: Neodym- Eisen-Bor oder Samarium-Kobalt) nutzen.
Ein weiterer, mit der Erfindung verbundener Vorteil besteht darin, dass die Erfindung auch die aufgrund der hohen Magnetkräfte nichttriviale Montage der Magnetstäbe eines Flalbach-Arrays am Rotor vereinfacht, indem ein Bewegen der schon montierten Stäbe durch den Formschluss verhindert wird und dadurch komplizierte Montagevorrichtungen und -prozesse simplifiziert werden können. Damit kann der Fertigungsaufwand reduziert werden. Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Tangentialsegmente und die Normalsegmente in einer Querschnittsansicht senkrecht zur Längsachse des Rotors jeweils zwei seitliche Flanken aufweisen, wobei ein Formschluss jeweils zwischen einem Tangentialsegment und einem Normalsegment dadurch bereitgestellt ist, dass die in Umfangsrichtung aneinander angrenzenden Flanken des Tangentialsegments und des Normalsegments derart formschlüssig aneinander angrenzen, dass eine Relativbewegung in radialer Richtung versperrt ist. Der Formschluss wird somit durch die aneinander angrenzenden Flanken von Tangentialsegment und Normalsegment bereitgestellt.
Hierbei ist beispielsweise vorgesehen, dass die in Umfangsrichtung aneinander angrenzenden Flanken des Tangentialsegments und des Normalsegments eine Ausrichtung aufweisen, die von einer strikt radialen Ausrichtung abweicht. Bei einer von einer strikt radialen Ausrichtung abweichenden Ausrichtung der Flanken kann die auf die Tangentialsegmente radial nach innen wirkende Kraft genutzt werden, um die effektive Kraft auf die Normalsegmente zu reduzieren.
Flierzu ist beispielsweise vorgesehen, dass die in Umfangsrichtung aneinander angrenzenden Flanken des Tangentialsegments und des Normalsegments plan, parallel und dabei schräg zur radialen Richtung verlaufen, wobei die Breite des
Tangentialsegments in radialer Richtung zunimmt und die Breite des Normalsegments in radialer Richtung abnimmt. Durch die schräge Ausrichtung der Flanken wird automatisch ein Formschluss bereitgestellt. Eine insgesamt plane Ausbildung der Flanken ist dabei mit dem Vorteil einer einfachen Fierstellung der Außenkontur der Tangentialsegmente und der Normalsegmente verbunden.
Eine Ausführungsvariante hierzu sieht vor, dass die Flanken dahingehend schräg zur radialen Richtung verlaufen, dass der Winkel zwischen den Flanken und der radialen Richtung im Bereich zwischen 1 ° und 10° liegt. Der Winkel muss somit nicht groß sein, um einen Formschluss bereitzustellen.
Allerdings ist es für den Formschluss zwischen Tangentialsegment und Normalsegment nicht erforderlich, dass die in Umfangsrichtung aneinander angrenzenden Flanken zweier Tangentialsegmente und die in Umfangsrichtung aneinander angrenzenden Flanken zweier Normalsegmente einen Formschluss ausbilden, da diese keine Kräfte aufeinander ausrichten. Diese Flanken können sich daher in radialer Richtung erstrecken, können aber alternativ ebenfalls schräg zur radialen Richtung verlaufen, beispielsweise, wenn es aus Fertigungsgründen einfacher ist, beide Flanken eines Segments anzuschrägen. Dabei sehen Auslegungsvarianten der Erfindung vor, dass innerhalb eines Halbach-Arrays zumindest zwei Normalsegmente aneinander angrenzen.
Es wird darauf hingewiesen, dass ein Formschluss zwischen einem Tangentialsegment und einem Normalsegment, die in Umfangsrichtung aneinander angrenzen, grundsätzlich auch auf andere Weise bereitgestellt werden kann. Ein weiteres Ausführungsbeispiel sieht vor, dass die in Umfangsrichtung aneinander angrenzenden Flanken des Tangentialsegments und des Normalsegments Vorsprünge und Einbuchtungen ausbilden, die einen Formschluss bereitstellen und eine Relativbewegung zwischen Tangentialsegment und Normalsegment in radialer Richtung verhindern.
Die erfindungsgemäße Lösung gilt grundsätzlich für beliebige Flalbach-Arrays mit einer beliebigen Anzahl von Segmenten, sofern mindestens drei Segmente vorhanden sind. Ein Ausführungsbeispiel hierzu sieht vor, dass die Flalbach-Arrays pro magnetischem Pol zwei Tangentialsegmente und zwei Normalsegmente aufweisen, wobei vorgesehen sein kann, dass die beiden Normalsegmente in Umfangsrichtung unmittelbar aneinander angrenzen und durch die beiden Tangentialsegmente an beiden Seiten begrenzt sind. Dabei kann weiter vorgesehen sein, dass zwei durch Flalbach-Arrays gebildete magnetische Pole als magnetisches Polpaar in Umfangsrichtung unmittelbar aneinander angrenzend angeordnet sind.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass zwischen zwei benachbarten Segmenten des Flalbach- Arrays sich die Richtung der Magnetisierung um einen festen Winkel von beispielsweise 60° ändert.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Oberflächenmagnete, die entlang des Umfangs des Rotors angeordnet sind, ohne eine Kleberschicht auf dem Rotor fixiert sind. Dies wird dadurch ermöglicht, dass ein Bewegen der Oberflächenmagnete durch den erfindungsgemäß bereitgestellten Formschluss zwischen den Tangentialsegmenten und Normalsegmenten verhindert wird. Es ist dann beispielsweise ausreichend, dass eine Bandage am Außenumfang des Rotors die Oberflächenmagnete fixiert. Der Wegfall einer Kleberschicht ist mit dem Vorteil einer verbesserten Wärmeleitung von den Oberflächenmagneten in den Rotor verbunden, da eine Kleberschicht typischerweise einen erheblichen thermischen Widerstand aufweist.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Stator der elektrischen Maschine segmentierte Statorspulen umfasst, die als Einzelzahnspulen ausgebildet sind. Hierdurch können besonders hohe magnetische Feldstärken bereitgestellt werden. Grundsätzlich kann der Stator jedoch in beliebiger Weise mit Statorspulen und mit einer beliebigen Wickeltechnik realisiert sein.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Synchronmaschine als Permanentmagnet- Synchronmotor ausgebildet. Dabei ist der Stator mit Spulen besetzt, während auf dem Rotor außenliegende Oberflächenmagnete angebracht sind. Die Wechselspannung liegt an den Statorspulen an.
Die erfindungsgemäße Synchronmaschine kann im Zusammenhang mit einer Vielzahl von Konstruktionsprinzipien realisiert sein, beispielsweise als Radialflussmaschine (mit einer Orientierung des Normalenvektors der mittleren Luftspaltfläche in radialer Richtung), Axialflussmaschine (mit einer Orientierung des Normalenvektors der mittleren Luftspaltfläche in axialer Richtung) oder Transversalflussmaschine (mit axialer oder radialer Luftspaltorientierung) ausgebildet sein. Weiter können Konstruktionen eingesetzt werden, bei denen der Rotor als Innenläufer ausgebildet ist und Konstruktionen eingesetzt werden, bei denen der Rotor als Außenläufer ausgebildet ist.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 ein Beispiel eines Halbach-Arrays, das Tangentialsegmente und Normalsegmente umfasst;
Figur 2 die auf die Segmente des Halbach-Arrays der Figur 1 wirkenden magnetischen Normalkräfte über der Rotorposition zum einen im Normalbetrieb und zum anderen nach einem 3-phasigen Kurzschluss bei einer elektrischen Maschine mit verteilter Wicklung (q=1);
Figur 3 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Halbach-Arrays, das Tangentialsegmente und Normalsegmente umfasst, wobei ein Tangentialsegment und ein Normalsegment jeweils formschlüssig aneinander angrenzen, wobei der Formschluss durch die Ausrichtung der Flanken bereitgestellt wird;
Figur 4 das Halbach-Array der Figur 3 mit zusätzlicher Darstellung der auf die einzelnen Segmente wirkenden Normalkräfte; Figur 5 einen Ausschnitt eines Elektromotors mit einem Rotor und einem Stator, wobei der Rotor Oberflächenmagnete in Form eines Flalbach-Arrays gemäß den Figuren 3 und 4 aufweist;
Figur 6 die auf die Segmente des Flalbach-Arrays der Figur 5 wirkenden magnetischen Normalkräfte über der Rotorposition bei einer elektrischen Maschine mit konzentrierter Zahnspulenwicklung (q = 2/5);
Figur 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Flalbach-Arrays, das
Tangentialsegmente und Normalsegmente umfasst, wobei ein Tangentialsegment und ein Normalsegment jeweils formschlüssig aneinander angrenzen, wobei der Formschluss durch Vorsprünge und Einbuchtungen in benachbarten Flanken ausgebildet ist; und
Figur 8 in Querschnittsansicht einen Elektromotor, der einen Rotor mit
Oberflächenmagneten umfasst, gemäß dem Stand der Technik.
Zum besseren Verständnis der Erfindung und der Unterschiede zwischen der Erfindung und dem Stand der Technik wird zunächst anhand der Figur 8 eine permanentmagneterregte Synchronmaschine in Form eines Elektromotors gemäß dem Stand der Technik erläutert.
Der Elektromotor umfasst einen Rotor 1 und einen Stator 2. Der Stator 2 weist eine Vielzahl von Wickelkernen 20 auf, auf die nicht dargestellte Spulen gewickelt sind. Der Rotor 1 ist innenseitig des Stators 2 angeordnet und rotiert um eine Längsachse 3, die eine axiale Richtung definiert. Eine radiale Richtung r steht senkrecht von der axialen Richtung ab.
Der Rotor 2 weist eine Vielzahl von Permanentmagneten auf, die als Oberflächenmagnete 11 , 12 außenliegend am Rotor 2 angeordnet sind. Dabei sind zwei in Umfangsrichtung benachbarte Oberflächenmagnete 11 , 12 jeweils unterschiedlich gepolt und bilden zusammen einen magnetischen Schluss mit einer magnetischen Flussdichte B.
Zwischen dem Stator 1 und dem Rotor 2 ist ein Luftspalt d ausgebildet, der nicht maßstabsgerecht dargestellt ist. Die Oberflächenmagnete 11 , 12 weisen eine radiale Flöhe hm auf. Die Oberflächenmagnete 11 , 12 sind am Außenumfang des Rotors 1 durch eine nicht dargestellte Magnetpositionierungs- und Rückhaltevorrichtung fixiert. Eine solche umfasst beispielsweise eine Bandage, die durch eine Glas-, Metall- oder Kohlefaserhülse gebildet wird. Eine solche Bandage verkleinert den Luftspalt d.
Bei einem Elektromotor gemäß der Figur 8 steigt das Drehmoment in erster Näherung linear mit der Amplitude der fundamentalen Flussdichtewelle im Luftspalt. Diese wiederum ist hyperbolisch abhängig vom Verhältnis der Luftspalthöhe d und der Magnethöhe hm. Um eine möglichst hohe Drehmomentdichte der Maschine zu erreichen, muss dieses Verhältnis minimiert werden. Während eine Vergrößerung der Magnethöhe aufgrund des relativ schweren Permanentmagnetmaterials hinsichtlich einer Erhöhung der Drehmomentdichte beschränkt ist, kann die Luftspalthöhe im Rahmen der mechanischen Limitationen zur Sicherstellung eines Minimalabstands zwischen Stator und Rotor unter allen Betriebsbedingungen reduziert werden. Der Reduzierung der Luftspalthöhe (je nach Anwendung in der Größenordnung von mehreren Zehntelmillimeter bis einige Millimeter) steht neben den möglichen Verformungen der Lager, der Welle, des Rotors und des Stators der eventuell notwendige Platzbedarf für die Magnetpositionierungs- und Rückhaltevorrichtung entgegen.
Es ist eine Reduzierung eines solchen Platzbedarf anzustreben, da eine solche Reduzierung und eine entsprechende Anpassung der Luftspalthöhe direkt zu einer Drehmomenterhöhung führen. Alternativ kann für konstante Drehmomentdichte die Magnethöhe und damit die Masse reduziert werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Platzbedarf für eine Magnetpositionierungs und Rückhaltevorrichtung dadurch reduziert werden, dass die Kräfte reduziert werden, die eine solche Magnetpositionierungs- und Rückhaltevorrichtung zurückhalten können muss. Die Figuren 1 bis 4 erläutern hierzu ein erstes Ausführungsbeispiel.
Die Figur 1 zeigt ein Halbach-Array 4, das aus acht in Umfangsrichtung aneinander angrenzenden Segmenten PM 1 bis PM 8 besteht. Jeweils vier Segmente PM 1 bis PM 4 bzw. PM 5 bis PM 8 bilden dabei einen magnetischen Pol 41 , 42 und die acht Segmente zusammen ein Polpaar. Es sind in Umfangsrichtung eines Rotors mehrere solcher Halbach-Arrays 4 angeordnet. Beispielsweise sind über den Vollkreis von 360° mindestens zwei Polpaare vorgesehen, wobei die Anzahl der Polpaare auch deutlich höher, beispielsweise bei 30 liegen kann.
Die Segmente PM 1 bis PM 8 weisen jeweils eine Magnetisierung M auf, die entsprechend der Ausbildung als Halbach-Array 4 sich von Segment zu Segment unterscheidet. Die Magnetisierungsrichtung M der einzelnen Segmente dreht sich im dargestellten Beispiel um 60° von Segment zu Segment. Dabei ist vorgesehen, dass einige der Segmente, nämlich die Segmente PM 1 , PM 4, PM 5, PM 8 eine Magnetisierung M aufweisen, die überwiegend in Umfangsrichtung ausgerichtet ist. Diese Segmente werden als Tangentialsegmente bezeichnet. Die anderen Segmente PM 2, PM 3, PM 6, PM 7 weisen eine Magnetisierung M auf, die überwiegend in radialer Richtung (d. h. in radialer Richtung oder entgegen der radialen Richtung) ausgerichtet ist. Diese Segmente werden als Normalsegmente bezeichnet.
Jedes der Segmente PM 1 bis PM 8 weist zwei seitliche Flanken 51 , 52 auf, wobei in der Darstellung der Figur 1 die jeweils rechte Flanke mit dem Bezugszeichen 51 und die jeweils linke Flanke mit dem Bezugszeichen 52 bezeichnet ist. Da die aneinandergrenzenden Flanken 51 , 52 zweier benachbarter Segmente plan sind, parallel verlaufen und aneinander liegen, sind sie in der Darstellung der Figur 1 durch nur einen Strich dargestellt. Dabei verhält es sich so, dass die seitlichen Flanken 51 , 52 jeweils in radialer Richtung verlaufen.
Die Figur 2 zeigt die auf die einzelnen Segmente PM 1 bis PM 8 wirkende magnetischen Normalkräfte im Feld eines Stators (entsprechend dem Stator 2 der Figur 8). Dabei sind die magnetischen Normalkräfte auf die einzelnen Segmente PM 1 bis PM 8 über der Rotorposition Q bei einer elektrischen Maschine mit verteilter Wicklung (q = 1 ) dargestellt. Als magnetische Normalkräfte werden dabei die Kräfte bezeichnet, die entweder radial nach innen gerichtet sind oder radial nach außen gerichtet sind. Dabei ist zu erkennen, dass auf die Tangentialsegmente PM1 , PM 4, PM 5, PM 8 wirkenden Normalkräfte negativ sind, sind also radial nach innen gerichtet. Dagegen sind die auf die Normalsegmente PM 2, PM 3, PM 6, PM 7 wirkenden Normalkräfte positiv, sind also radial nach außen gerichtet. Die Kurve 15 gibt die Summe dieser Kräfte an, die natürlich positiv ist.
Ab einer Rotorposition von 24° wurde ein 3-phasiger Kurzschluss simuliert. Dieser stellt in gewisser Weise einen weiteren Betriebsfall dar, der bei der Auslegung einer Magnetpositionierungs- und Rückhaltevorrichtung zu berücksichtigen ist. Die Normalkräfte und damit auch die Summenkurve 15 nehmen im Falle eines Kurzschlusses deutlich ab. Von Bedeutung ist, dass auch im Falle eines Kurzschlusses die Normalkräfte bei den Normalsegmenten PM 2, PM 3, PM 6, PM 7 positiv und bei den Tangentialsegmente PM1 , PM 4, PM 5, PM 8 negativ sind, so dass qualitativ im Hinblick auf das Verhältnis der einzelnen Normalkräfte keine Änderung auftritt. Weiter ist zu beachten, dass die Summe der Normalkräfte gemäß Kurve 15 nicht oder nicht substantiell zunimmt, so dass insofern keine erhöhten Anforderungen an eine Magnetpositionierungs- und Rückhaltevorrichtung im Kurzschlussfall bestehen.
Die Figur 3 zeigt ein Halbach-Array 4, das gegenüber dem Halbach-Array der Figur 1 im Hinblick auf die Ausrichtung der seitlichen Flanken 51 , 52 der einzelnen Segmente modifiziert wurde. Dabei ist vorgesehen, dass für den Fall, dass ein Tangentialsegment PM1 , PM 4, PM 5, PM 8 und eine Normalsegment PM 2, PM 3, PM 6, PM 7 aneinander angrenzen, die jeweils aneinander angrenzenden Flanken 51a, 52a, 51 b, 52b von Tangentialsegment und Normalsegment eine Ausrichtung aufweisen, die von einer strikt radialen Ausrichtung abweicht.
So verläuft zum Beispiel die Flanke 51a des Tangentialsegments PM 8 schräg zur radialen Richtung, die lediglich zum Vergleich ebenfalls dargestellt ist. Ebenso verläuft die Flanke 52a des benachbarten Normalsegments PM 7 schräg zur radialen Richtung. Der Winkel a der Abweichung gegenüber der radialen Richtung liegt beispielsweise im Bereich zwischen 1 ° und 10°. Dabei nimmt die Breite des Tangentialsegments (wobei die Breite sich auf die Umfangsrichtung bezieht) in radialer Richtung r zu, während die Breite des Normalsegments PM 7 in radialer Richtung r abnimmt.
Dagegen verlaufen die aneinander angrenzenden Flanken 51 , 52 zwischen zwei Tangentialsegmenten oder zwischen zwei Normalsegmenten, beispielsweise zwischen den Normalsegmenten PM 7, PM 8 und zwischen den Tangentialsegmente PM 5, PM 4 in radialer Richtung. Zwischen Normalsegment und Tangentialsegment, beispielsweise zwischen dem Normalsegment PM 6 und dem Tangentialsegment PM 5 verlaufen dabei die aneinander angrenzenden Flanken 51b, 52b wiederum schräg zur radialen Richtung, wobei die Breite des Normalsegments PM 6 in radialer Richtung abnimmt und die Breite des Tangentialsegment PM 5 in radialer Richtung zunimmt.
Durch diese Formgebung wird ein Formschluss zwischen den Tangentialsegmenten und den Normalsegmenten bereitgestellt. Dieser Formschluss bewirkt, dass die auf die Normalsegmente radial nach außen gerichteten Normalkräfte mittels der auf die Tangentialsegmente radial nach innen gerichteten Normalkräfte teilweise kompensiert werden.
Dies veranschaulicht die Figur 4, die zusätzlich jeweils die Kräfte darstellt, die auf die einzelnen Segmente PM 1 bis PM 8 wirken. Dabei sind entsprechend der Darstellung der Figur 2 die auf die Tangentialsegmente PM1 , PM 4, PM 5, PM 8 wirkenden Normalkräfte - Fn negativ, während die auf die Normalkräfte PM 2, PM 3, PM 6, PM 7 wirkenden Normalkräfte +Fn positiv sind.
Durch den Formschluss zwischen Tangentialsegmenten und Normalsegmenten wird die negative Kraft -Fn, die auf die Tangentialsegmente wirkt, dazu genutzt, um eine Übertragung dieser Kraft von den Tangentialsegmenten auf die Normalsegmente zu bewirken. Der Formschluss kann dabei wie dargestellt durch leichte Geometrieanpassungen der Magnetsegmente bereitgestellt werden, wobei die Darstellung in den Figuren 3 und 4 nicht maßstabsgemäß ist.
Durch Kompensation der radial nach außen gerichteten Kräfte auf die Normalsegmente PM 2, PM 3, PM 6, PM 7 durch die radial nach innen auf die Tangentialsegmente PM 1 , PM 4, PM 5, PM 8 gerichteten Kräfte kann dabei im betrachteten Beispiel die resultierende Normalkraft auf ca. 2/3 der ursprünglichen Kraft reduziert werden.
Abhängig von der Maschinenspezifikation und Auslegung resultieren zusätzliche Zentrifugalkräfte. Bei langsam drehenden drehmomentdichten Radialflussmaschinen können die Zentrifugalkräfte kleiner oder etwa gleich groß wie die wirkenden magnetischen Kräfte sein. Durch die beschriebene Anordnung ergibt sich bei der Annahme von Zentrifugal- und Magnetnormalkräften gleicher Größe immer noch eine Reduzierung von 17 % der Last für die Magnetpositionierungs- und Rückhaltevorrichtung.
Die Figur 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Permanentmagnet- Synchronmotors mit einem erfindungsgemäßen Halbach-Array 4. In dem betrachteten Ausführungsbeispiel ist der Stator 2 durch eine Vielzahl von Einzelzähnen 21 mit Einzelzahn-Spulenwicklungen 22 gebildet. Es ist auch der Luftspalt d zwischen Rotor 1 und Stator 2 dargestellt.
An der Außenseite des Rotors 1 , der in der Figur 5 ebenso wie der Stator 2 nur teilweise dargestellt ist, sind in Umfangsrichtung Halbach-Arrays 4 entsprechend der Figur 3 angeordnet. Dabei weisen aneinander angrenzende Tangentialsegmente und Normalsegmente schräg zur radialen Richtung verlaufende Flanken 51a, 52a, 51b, 52b auf, die einen Formschluss zwischen den Tangentialsegmenten und den Normalsegmenten bereitstellen, welcher die resultierenden Gesamtkräfte reduziert.
Die Figur 6 zeigt die auf die einzelnen Segmente wirkenden magnetischen Normalkräfte über der Rotorposition Q im Falle einer Synchronmaschine mit konzentrierter Zahnspulenwicklung (q = 2/5). Die vier unteren Kurven, die mit einer negativen Normalkraft, also einer radial nach innen gerichteten Kraft einhergehen, betreffen die vier Tangentialsegmente. Die vier oberen Kurven, die mit einer positiven Normalkraft einhergehen, betreffen die vier Normalsegmente des Halbach-Arrays der Figur 5. Durch den aufgrund der schräg verlaufenden Flanken 51 a, 52a, 51 b, 52b bereitgestellten Formschluss werden die auf die Normalsegmente radial nach außen gerichteten Kräfte teilweise kompensiert. Dabei werden die Kräfte auf die Rückhaltevorrichtung homogenisiert, da durch die schrägen Flanken bzw. Kontaktflächen zwischen den Segmenten gleiche effektive Normalkräfte auf alle Segmente um den Umfang des Rotors wirken. Beispielsweise im Falle einer Bandage kann dies die Anforderungen an die Auslegung und Fertigung weiter senken, da keine Spannungsspitzen, z.B. bei kleinsten elastischen Verschiebungen, durch eine ungleichmäßige Kraftverteilung zu erwarten sind.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der Figur 6 ergibt sich wiederum eine negative Kraft auf die Tangentialsegmente von ca. 1/3 der Stärke der Normalsegmente.
Bei Rotoren ohne Statoreinfluss verhält es sich so, dass in diesem Fall die negativen Kräfte auf die Tangentialsegmente ähnliche Beträge wie die positiven Kräfte auf die Normalsegmente aufweisen. Dabei kann die erfindungsgemäße Lösung auch die sonst aufgrund der hohen Magnetkräfte nichttriviale Montage der Magnetstäbe am Rotor vereinfachen, indem ein Bewegen der schon montierten Stäbe durch den Formschluss verhindert wird und dadurch komplizierte Montagevorrichtungen und -prozesse vereinfacht werden können.
Die Figur 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Formschluss zwischen den Tangentialsegmenten und den Normalsegmenten nicht durch schräg zur radialen Richtung verlaufende und ansonsten plane Flanken bereitgestellt wird, sondern durch Vorsprünge bzw. Einbuchtungen 6 an den benachbarten Flanken 51c, 52c. Die Figur 7 ist dabei nur schematisch und beispielhaft für einen Flankenverlauf, bei dem die Flanken von aneinander angrenzendem Tangentialsegment und Normalsegment nicht durch eine Abweichung von einer radialen Ausrichtung, sondern durch Vorsprünge bzw. Einbuchtungen bzw. konvexe Bereiche bzw. konkave Bereiche einen Formschluss bereitstellen, wobei naturgemäß ein Vorsprung/konvexer Bereich in einem Segment mit einer Einbuchtung/konkaven Bereich in dem Nachbarsegment einhergeht.
In anderen Ausführungsbeispielen ist die Anzahl der Segmente pro magnetischen Pol ungleich vier und liegt diese beispielsweise bei nur drei Segmenten oder bei mehr als vier Segmenten. Bei einer Anordnung mit drei Segmenten (mit einem Normalsegment und zwei Tangentialsegmenten) liegt dabei ein noch größerer Einfluss der Rückhaltekraft der Tangentialsegmente vor, da jeweils zwei Tangentialsegmente die radial nach außen gerichtete Kraft auf ein Normalsegment teilweise kompensieren. Weiter kann vorgesehen sein, dass bei einer Anzahl von mehr als vier Tangentialsegmenten zwischen den Tangentialsegmenten und den Normalsegmenten noch Zwischensegmente vorliegen mit einer zwischen den Extremen liegenden Magnetisierungsrichtung.
Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist und verschiedene Modifikationen und Verbesserungen vorgenommen werden können, ohne von den hier beschriebenen Konzepten abzuweichen. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die beschriebene Synchronmaschine statt als Radialflussmaschine als Axialflussmaschine ausgebildet ist. Bei Axialflussmaschinen wirkt die Zentrifugalkraft normal zu den Magnetkräften, so dass das volle Potential der erfindungsgemäßen Lastreduzierung in axialer Richtung genutzt werden kann. Ferner kann zusätzlich durch eine ähnliche Formgebung in radialer Richtung im Hinblick auf die Zentrifugalkraft eine Erhöhung der Haftreibkraft gegen Bewegung in axialer Richtung erwirkt werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass beliebige der beschriebenen Merkmale separat oder in Kombination mit beliebigen anderen Merkmalen eingesetzt werden können, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen. Die Offenbarung dehnt sich auf alle Kombinationen und Unterkombinationen eines oder mehrerer Merkmale aus, die hier beschrieben werden und umfasst diese. Sofern Bereiche definiert sind, so umfassen diese sämtliche Werte innerhalb dieser Bereiche sowie sämtliche Teilbereiche, die in einen Bereich fallen.

Claims

Patentansprüche
1. Permanentmagneterregte Synchronmaschine, die aufweist:
- einen Stator (2), und
- einen Rotor (1), der angrenzend an den Stator (2) um eine Längsachse (3) rotiert,
- wobei der Rotor (1 ) eine Mehrzahl von Oberflächenmagneten aufweist, die entlang des Umfangs des Rotors (1) angeordnet sind,
- wobei die Oberflächenmagnete als Halbach-Arrays (4) ausgebildet sind, die jeweils Tangentialsegmente (PM1 , PM4, PM5, PM8), in denen die Magnetisierungsrichtung (M) überwiegend in Umfangsrichtung ausgerichtet ist, und Normalsegmente (PM2, PM3, PM6, PM7), in denen die Magnetisierungsrichtung (M) überwiegend in radialer Richtung oder entgegen der radialen Richtung ausgerichtet ist, aufweisen,
- wobei die Tangentialsegmente (PM1 , PM4, PM5, PM8) im Feld des Stators (2) eine radial nach innen gerichtete Kraft (-Fn) und die Normalsegmente (PM2, PM3, PM6, PM7) eine radial nach außen gerichtete Kraft (+Fn) erfahren, dadurch gekennzeichnet, dass die Tangentialsegmente (PM1 , PM4, PM5, PM8) und die Normalsegmente (PM2, PM3, PM6, PM7) derart geformt sind, dass die Tangentialsegmente (PM1 , PM4, PM5, PM8) durch Formschluss die auf die Normalsegmente (PM2, PM3, PM6, PM7) radial nach außen gerichteten Kräfte mittels der auf die Tangentialsegmente (PM1 , PM4, PM5, PM8) radial nach innen gerichteten Kräfte teilweise kompensieren.
2. Synchronmaschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Tangentialsegmente (PM1 , PM4, PM5, PM8) und die Normalsegmente (PM2, PM3, PM6, PM7) in einer Querschnittsansicht senkrecht zur Längsachse (3) des Rotors (1) jeweils zwei seitliche Flanken (51 , 52) aufweisen, wobei ein Formschluss jeweils zwischen einem Tangentialsegment (PM1 , PM4, PM5, PM8) und einem benachbarten Normalsegment (PM2, PM3, PM6, PM7) dadurch bereitgestellt ist, dass die in Umfangsrichtung aneinander angrenzenden Flanken (51 , 52; 51a, 52a; 51b; 52b; 51c, 52c) des Tangentialsegments (PM1 , PM4, PM5, PM8) und des Normalsegments (PM2, PM3, PM6, PM7) derart formschlüssig aneinander angrenzen, dass eine Relativbewegung in radialer Richtung versperrt ist.
3. Synchronmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die in Umfangsrichtung aneinander angrenzenden Flanken (51a, 52a; 51b; 52b) des Tangentialsegments (PM1 , PM4, PM5, PM8) und des Normalsegments (PM2, PM3, PM6, PM7) eine Ausrichtung aufweisen, die von einer strikt radialen Ausrichtung abweicht.
4. Synchronmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die in Umfangsrichtung aneinander angrenzenden Flanken (51a, 52a; 51b; 52b) des Tangentialsegments (PM1 , PM4, PM5, PM8) und des Normalsegments (PM2, PM3, PM6, PM7) plan und dabei schräg zur radialen Richtung verlaufen, wobei die Breite des Tangentialsegments (PM1 , PM4, PM5, PM8) in Umfangsrichtung in radialer Richtung zunimmt und die Breite des Normalsegments (PM2, PM3, PM6, PM7) in Umfangsrichtung in radialer Richtung abnimmt.
5. Synchronmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Flanken (51a, 52a; 51b; 52b) dahingehend schräg zur radialen Richtung verlaufen, dass der Winkel (a) zwischen den Flanken (51a, 52a; 51b; 52b) und der radialen Richtung im Bereich zwischen 1° und 10° liegt.
6. Synchronmaschine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die in
Umfangsrichtung aneinander angrenzenden Flanken (51 , 52) zweier
Tangentialsegmente (PM1 , PM4, PM5, PM8) und die in Umfangsrichtung aneinander angrenzenden Flanken (51 , 52) zweier Normalsegmente (PM2, PM3, PM6, PM7) in radialer Richtung ausgerichtet sind.
7. Synchronmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in
Umfangsrichtung aneinander angrenzende Flanken (51c, 52c) des
Tangentialsegments (PM1 , PM4, PM5, PM8) und des Normalsegments (PM2, PM3, PM6, PM7) Vorsprünge (6) und Einbuchtungen ausbilden, die einen Formschluss bereitstellen.
8. Synchronmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbach-Arrays (4) pro magnetischem Pol (41 , 42) zwei Tangentialsegmente (PM1 , PM4; PM5, PM8) und zwei Normalsegmente (PM2, PM3; PM6, PM7) aufweisen.
9. Synchronmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen zwei benachbarten Segmenten (PM1-PM8) des Halbach-Arrays (4) sich die Richtung der Magnetisierung (M) um einen festen Winkel ändert.
10. Synchronmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei magnetische Pole (41 , 42) als magnetisches Polpaar in
Umfangsrichtung unmittelbar aneinander angrenzend angeordnet sind.
11. Synchronmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenmagnete, die entlang des Umfangs des Rotors (1 ) angeordnet sind, ohne eine Kleberschicht auf dem Rotor (1 ) fixiert sind.
12. Synchronmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (2) der elektrischen Maschine segmentierte Statorspulen umfasst, die als Einzelzahnspulen (21) ausgebildet sind.
13. Synchronmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronmaschine als Permanentmagnet-Synchronmotor ausgebildet ist.
14. Synchronmaschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronmaschine als Radialflussmaschine ausgebildet ist.
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