WO2005008861A1 - Ringmagnet - Google Patents

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WO2005008861A1
WO2005008861A1 PCT/DE2004/001026 DE2004001026W WO2005008861A1 WO 2005008861 A1 WO2005008861 A1 WO 2005008861A1 DE 2004001026 W DE2004001026 W DE 2004001026W WO 2005008861 A1 WO2005008861 A1 WO 2005008861A1
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WO
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ring magnet
ring
magnet
teeth
axial
Prior art date
Application number
PCT/DE2004/001026
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Wehrle
Gerd Walter
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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 Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Publication of WO2005008861A1 publication Critical patent/WO2005008861A1/de

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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
    • H02K1/2726—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of a single magnet or two or more axially juxtaposed single magnets
    • H02K1/2733—Annular magnets

Definitions

  • electrical machines are used for a wide variety of applications, including for moving moving parts.
  • permanently magnetically excited direct current motors which can be commutated electronically and mechanically.
  • two embodiments can be distinguished, namely a first, in which the permanent magnet is arranged on the stator, and a second, in which the permanent magnet is attached to the rotor.
  • the commutated movable magnetic field between the permanent magnets and the coils arranged on the other component causes the torque to be transmitted to the rotor shaft.
  • EP-0 872 945 AI shows, for example, an electrical machine in which two ring magnets are glued to a rotor body of the armature shaft as a permanent magnet.
  • a ring magnet with a very high magnetic field concentration it is made from a sintered material, for example containing rare earth elements. In terms of production technology, such a ring magnet can only be produced with a limited axial length and with a predetermined diameter.
  • two such ring magnets are arranged axially next to one another and firmly glued to the rotor body. Due to the different temperature expansion of the different materials of magnet, adhesive and rotor body / shaft, as well as due to manufacturing tolerances and due to the necessary distance between the ring magnets when using an adhesive _ -
  • the ring magnet according to the invention with the feature of claim 1 has the advantage over the fact that by forming an axial structure on the end faces of the ring magnet, the ring magnet can be positively connected to or attached to it without the need to use adhesive. This allows use even at high operating temperatures, with no breaks occurring between different magnet segments or between the ring magnets and a bearing body receiving them, even when the material expansions differ greatly.
  • a plurality of ring magnets can also be arranged precisely in a defined rotational position relative to one another, so that the pole regions, which change over the circumference, can be aligned exactly with one another without adjustment effort.
  • the axial form-fit engages in corresponding axial counter-form of a further ring magnet segment or a holding element of the ring magnet.
  • Any number of identically designed ring magnets can advantageously be arranged axially next to one another. If the last ring magnet segment also has such an axial structure at its terminating end, this can cooperate in a form-fitting manner with a corresponding axial structure of a holding device which, for example, applies an axial force to both ends of the ring magnets which are lined up in a row, which both the individual ring magnet segments are rotationally fixed to one another connects when this is also fixed, for example, on a rotor shaft.
  • Such an axial structure can advantageously be produced as a regular circumferential axial toothing, the tooth shape being, for example, triangular, rectangular, trapezoidal or shaped according to any curve shape. If the teeth of one ring magnet engage in the corresponding tooth gaps of the other ring magnet, practically no shear forces occur between the two magnets, but only compressive forces, which significantly reduces the mechanical load on the ring magnets.
  • the magnetic pole areas on the ring magnets by means of a magnetizing tool, it is particularly simple in terms of production technology to arrange the pole areas in such a way that their separating lines run approximately parallel to the axis of the ring magnets.
  • the rotational position of the axial teeth is advantageously arranged in such a way that, for example, one tooth in each ring magnet is always arranged with a dividing line of the pole regions with respect to the circumferential direction.
  • the dividing lines of the different ring magnet segments can always be clearly arranged with respect to one another, for example that the dividing lines of the individual ring magnets lie on one line.
  • the pole regions of the different segments can also be rotated relative to one another by a fraction of a pole region, for example in order to produce a permanent magnet with a twist, which in particular means Torque ripple or the cogging torque is reduced.
  • the toothing on the two star sides is arranged in such a way that the arrangement of the pole areas remains identical even when the ring magnets are installed in the opposite direction (rotation about an axis perpendicular to the cylinder axis) , Due to the amount of shrinkage during sintering, each tooth is always formed axially opposite a tooth gap, so that the ring magnet does not deform unevenly when it cools down.
  • connection of individual ring magnet segments by means of such an axial structure is particularly suitable for the use of magnets made of sintered materials, since these are manufactured as hollow cylinder magnets with respect to a specific one Diameter can only be produced with a limited axial length.
  • a permanent magnet of corresponding length can be assembled from any number of identical segments in accordance with the desired requirement. This reduces the variety of parts, which reduces storage and assembly costs for the manufacture of an electrical machine.
  • the ring magnet segments at the open edge of the permanent magnet can also be formed identically to the central ring magnet segments.
  • the toothing between the axial clamping element and the ring magnet brings about a torsion-proof connection between the individual segments and between the permanent magnet and, for example, the rotor, as a result of which high torques can be transmitted.
  • the axial clamping elements can advantageously be designed such that they elastically compensate for axial and radial fluctuations in the material expansion due to the temperature differences or manufacturing tolerances.
  • both permanent magnets with separating lines lying axially on a straight line as well as permanent magnets with pole areas rotated in sections relative to one another can be realized by means of a single type of ring magnet, for example to reduce the torque ripple and / or to influence the cogging torque accordingly.
  • FIG. 1 shows a schematic view of a ring magnet
  • FIG. 2 shows a sectional view according to II-II of the ring magnet shown in FIG. 1,
  • FIG. 3 shows the joining of three individual ring magnet segments to form a permanent magnet
  • Figure 4 shows another embodiment of a permanent magnet mounted on a rotor shaft
  • Figure 5 is a sectional view of a stator with a further embodiment of a permanent magnet.
  • FIG. 1 and 2 show a ring magnet 10 which is essentially designed as a hollow cylinder 12.
  • the ring magnet 10 is made of highly magnetizable material - for example rare earth connections - which is shaped into a ring magnet 10 by means of sintering.
  • the ring magnet 10 has on its two end faces 14, 16 an axial structure 20 which engages in corresponding counter-shapes 21 of a further ring magnet 10 or of holding elements 18.
  • a shepherd's toothing 26 is formed on each of the side surfaces 14, 16 as an axial structure 20, in which essentially triangular teeth 22 are alternately arranged with tooth gaps 24 evenly over the entire circumference of the hollow cylinder 12. If the teeth 22 are inserted axially into corresponding tooth gaps 24 of a further ring magnet 10, the flanks 28 of the teeth 22 form a positive fit with the corresponding flanks 30 of the corresponding tooth gap 24.
  • torque is transmitted between a movable magnetic field of a stator 32 and that on an armature shaft 34 arranged ring magnet 10, the torque between the individual ring magnet segments 10 via the flanks 28, 30 of the teeth 22 and tooth gaps 24 transmitted.
  • the pole regions 36 are magnetized radially, for example, so that the individual pole regions 36 are magnetically connected to one another via a yoke element, for example the armature shaft 34 or a housing 33.
  • a yoke element for example the armature shaft 34 or a housing 33.
  • tangential magnetization is also possible, in which no magnetic yoke element is necessary.
  • the dividing lines 38 between the pole regions 36 in the exemplary embodiment extend approximately parallel to the axis 40 of the ring magnet 10 and are more or less sharply defined. In FIG.
  • a pole region 36 (for example north pole N) extends over an angular region 42 as a fraction of a full circumference.
  • a further pole region 36 (for example a south pole S in each case) then connects clockwise and counterclockwise, so that in this exemplary embodiment 6 pole pairs (N + S) are arranged over the entire circumference.
  • the number of pole pairs is 3, 5, 7, ... with the corresponding angular ranges 42 of 360 6, 360 10, 360714 ....
  • a tooth 22 or a tooth gap 24 is assigned to each pole region 36, so that when two ring magnets 10 are joined axially, the dividing lines 38 are always arranged on a line.
  • FIG. 3 This is shown in FIG. 3, where three ring magnets 10 are axially joined to form a permanent magnet 11.
  • Two teeth 22 or tooth gaps 24 are arranged in the angular area 42 of the pole area 36, each of which engages in a corresponding axial structure 21 of the corresponding axial end face 16, 14 of the other ring magnet 10.
  • the teeth 22 and tooth gaps 24 in each pole region 36 are formed in such a way that they are mirror-symmetrical to an axis of rotation. 44 are perpendicular to the axis 40, with the rotation of 180 ° resulting in the identical arrangement of the pole regions 36. As a result, it is not necessary to pay attention to their installation direction when assembling the ring magnets 10.
  • the pole regions 36 of the respective ring magnets 10 can be rotated relative to one another in this embodiment, so that the resulting permanent magnet 11 has a swirl 46 of the pole regions 36 ,
  • the ring magnets 10 on the edge of the permanent magnet 11 each have an end side 48, for example a smooth axial surface 50 with which the permanent magnet 11 is axially braced and / or fastened, for example, to a rotor shaft 34.
  • all ring magnets 10, here for example two, are of completely identical design, so that no second type of ring magnet 10 with flat axial surfaces 50 is necessary on the end sides 48 of the permanent magnet 11. Rather, holding elements 18 are arranged on the armature shaft 34, which have an axial structure 21 corresponding to the axial structure 20.
  • the axial structure 20 is formed by a rectangular toothing 51, which is trapezoidal in an alternative embodiment.
  • FIG. 5 shows a stator 32 which is designed as a pole housing 33 of an electrical machine and has a plurality of ring magnets 10, for example four, which are axially joined to one another as a permanent magnet 11.
  • a rotor 34 can be inserted within the permanent magnet 11 designed as a hollow cylinder 12, the coils of which generate a rotating magnetic field, due to its interactions with the permanent magnet 11, the rotor 34 rotates Teeth 22 or tooth gaps 24 are arranged and each ring magnet 10 is rotated by one tooth 22 and inserted into a corresponding tooth gap 24 of the adjacent ring magnet.
  • a total pole area 36 ′ is created with respect to the permanent magnet 11, which is arranged in a first approximation spirally on the hollow cylinder 12.
  • a swirl 46 of the pole region 36 ' can also be achieved in the overall result of the ring magnet 11.
  • the two ring magnets 10 with the end faces 48 of the permanent magnet 11 here again have axial surfaces 50 which are suitable for fastening with the axial clamping elements 52 for fastening the permanent magnet 11 in the housing 33.
  • the two ring magnets 10 can each have a cone or the like on the end sides 48 in the interior of the hollow cylinder 12, which cooperates with a corresponding shape of the holding elements 18.
  • the regions 36 are preferably already produced with a corresponding pre-orientation of the microscopic magnetic dipoles.
  • the final magnetization of the permanent magnet 11 can then be carried out either before or after the assembly of the individual ring magnets 10.
  • a tooth 22 is preferably arranged axially opposite a tooth gap on the first end face 14 of the hollow cylinder on the second end face 16. Due to the shape of the toothing mirror-symmetrical to the axis 44, the arrangement of the pole regions 36 remains unchanged regardless of the direction of installation of the ring magnets 10.
  • a preferred application of the ring magnet 10 according to the invention is the torque transmission of an electrical machine, but is not restricted to such.
  • the ring magnet 10 according to the invention can be mounted in many ways on a shaft 34 or in a housing 33. It is essential that the axial structure 20 interacts with a corresponding corresponding axial structure 21 of the other ring magnets 10 or the holding elements 18 by means of axial clamping forces. There is no need for adhesives. However, a filler can also be inserted between the teeth 20, 21, 26, 51, which ensures a uniform force distribution over the tooth flanks 28, 30. Such a filler can be adapted to the desired temperature range since it does not have to have an adhesive effect.
  • the arrangement of the magnetic pole regions 36 can be adapted as desired to the required application, as can the orientation of the magnetization (axial, radial, tangential, circular) with the dividing lines 38.
  • the configuration of the axial structure 20, 21 can also be varied as desired, the structure 20 not being uniform toothing arranged over the circumference is limited.
  • the end face 14, 16 can also be designed as axially corrugated toothing, the flanks preferably being oriented approximately perpendicular to the outer surface of the hollow cylinder 12.
  • the invention also comprises individual features of the exemplary embodiments or any combination of the features of different exemplary embodiments.

Landscapes

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

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ringmagneten (10) insbesondere zur Übertragung eines Drehmoments zwischen einem Stator (32) und einem Rotor (34), wobei der Ringmagnet (10) im Wesentlichen als Hohlzylinder (12) mit zwei Stirnflächen (14, 16) ausgebildet ist und über den Umfang Bereiche (36) unterschiedliche magnetischer Pole aufweist und der Ringmagnet (10) an mindestens einer seiner Stirnflächen (14, 16) eine axiale Struktur (20, 21, 22, 24, 26) aufweist.

Description

Ringmagnet
Stand der Technik
Elektrische Maschinen werden nach dem Stand der Technik für vielerlei Anwendungen, unter anderem zum Verstellen beweglicher Teile, verwendet. Dabei sind beispielsweise permanentmagnetisch erregte Gleichstrommotoren bekannt, welche elektronisch und mechanisch kommutierbar sind. Hierbei können zwei Ausführungsarien erschieden werden, nämlich eine erste, bei dem der Permanentmagnet am Stator angeordnet, und eine zweite, bei dem der Permanentmagnet am Rotor angebracht ist. Das kommutierte bewegliche Magnetfeld zwischen den Permanentmagneten und den am anderen Bauteil angeordneten Spulen bewirkt eine Übertragung des Drehmoments auf die Rotorwelle.
Die EP-0 872 945 AI zeigt beispielsweise eine elektrische Maschine, bei der als Permanentmagnet zwei Ringmagnete auf einen Rotorkörper der Ankerwelle aufgeklebt sind. Um einen Ringmagnet mit einer sehr hohen Magnetfeldkonzentratioπ zu erhalten, wird dieser aus einen Sintermaterial, beispielsweise Seltene-Erden-Elemente enthaltend, hergestellt. Dabei kann ein solcher Ringmagnet fertigungstechnisch nur mit einer begrenzten axialen Länge, bei einem vorgegebenen Durchmesser hergestellt werden. Um einen Ringmagneten mit größerer axialer Ausdehnung zu erhalten, werden bei der Vorrichtung nach der EP-0 872 945 AI beispielsweise zwei solche Ringmagneten axial nebeneinander angeordnet und fest auf den Rotorkörper geklebt. Aufgrund der unterschiedlichen Temperaturausdehnung der unterschiedlichen Materialien von Magnet, Klebstoff und Rotorköφer/welle, sowie aufgrund von Fertigungstoleranzen und aufgrund des bei Verwendung eines Klebstoffs notwendigen Abstand zwischen den Ringmagneten _ -
und dem Rotorköiper treten an den Verbindungsflächen große Material Spannungen zwischen den einzelnen Komponenten auf, die bis zum Bruch der Ringmagneten führen können. Daher bereitet der Einsatz von temperaturempfindlichem Kleber, insbesondere bei einem großen Betriebstemperaturbereich einer elektrischen Maschine, große Probleme für die mechanische Stabilität des Systems. Außerdem bereitet ein solches Klebeverfahren große Schwierigkeiten, beispielsweise zwei vormagnetisierte Ringmagneten derart axial nebeneinander anzuordnen, dass die Polteilung des einen Ringmagneten axial exakt mit der Polteilung des zweiten übereinstimmt.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Ringmagnet mit dem Merkmal des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass durch die Ausbildung einer axialen Struktur an den Stirnseiten des Ringmagneten dieser formschlüssig mit weiteren Ringmagneten verbunden, oder befestigt werden kann ohne dass hierzu Klebstoff verwendet werden muss. Dies erlaubt eine Anwendung auch bei hohen Betriebstemperaturen, wobei auch bei stark unterschiedlichen Materialausdehnungen keine Brüche zwischen verschiedenen Magnetsegmenten, oder zwischen den Ringmagneten und einem diese aufnehmenden Lagerkörper auftreten. Durch das Anformen solcher axialer Fortsätze können auch mehrere Ringmagneten positionsgenau in einer definierten Drehlage zueinander angeordnet werden, so dass die über den Umfang wechselnden Polbereiche ohne Justieraufwand exakt zueinander ausgerichtet werden können.
Hierzu ist es besonders günstig, wenn die axiale Ausformungen formschlüssig in korrespondierende axiale Gegenausformungen eines weiteren Ringmagnet-Segments oder eines Halteelements der Ringmagneten greifen. Dabei können vorteilhaft beliebig viele identisch ausgebildete Ringmagneten axial nebeneinander angeordnet werden. Weist das letzte Ringmagnet-Segment an seinem abschließenden Ende ebenfalls eine solche axiale Struktur auf, kann diese formschlüssig mit einer entsprechenden axialen Struktur einer Haltevorrichtung zusammenwirken, die beispielsweise an beiden Enden der aneinandergereihten Ringmagnete eine Axialkraft aufbringt, die sowohl die einzelnen Ringmagnet-Segmente miteinander drehfest verbindet, als dies auch beispielsweise auf einer Rotorwelle fixiert. Eine solche axiale Struktur kann vorteilhaft als regelmäßig umlaufende axiale Verzahnung hergestellt werden, wobei die Zahnform beispielsweise dreieckig, rechteckig, trapezförmig oder gemäß eines beliebigen Kurvenverlaufs geformt sein kann. Greifen die Zähne des einen Ringmagneten in die entsprechenden Zahnlücken des anderen Ringmagneten, treten zwischen den beiden Magneten praktisch keine Scherkräfte, sondern lediglich Druckkräfte auf, wodurch die mechanische Belastung der Ringmagneten deutlich reduziert wird. Für die Anordnung der magnetischen Polbereiche auf den Ringmagneten mittels eines Magnetisierwerkzeugs, ist es herstellungstechnisch besonders einfach, die Pol-Bereiche derart anzuordnen, dass deren Trennlinien näherungsweise parallel zur Achse der Ringmagneten verlaufen.
Die Drehlage der axialen Zähne ist vorteilhaft derart angeordnet, dass beispielsweise ein Zahn bei jedem Ringmagneten immer bezüglich der Umfangsrichtung definiert einer Trennlinie der Polbereiche angeordnet ist. Dadurch können die Trennlinien der verschiedenen Ringmagnet-Segmente immer eindeutig bezüglich einer Verdrehung zueinander angeordnet werden, beispielsweise dass die Trennlienien der einzelnen Ringmagnete auf einer Linie liegen. Sind über den Umfang eines Pol-Bereichs zwischen zwei Trennlinien ein oder mehrere komplette Zähne angeordnet, können die Pol-Bereiche der unterschiedlichen Segmente auch um einen Bruchteil eines Pol-Bereichs gegeneinander verdreht werden, um beispielsweise einen Permanentmagneten mit einen Drall herzustellen, wodurch insbesondere die Momentenwelligkeit oder das Rastmoment reduziert wird.
Um ein einfaches axiales Aneinanderfügen der einzelnen Ringmagnet-Segmente zu erleichtern, ist die Verzahnung an den beiden Sternseiten jeweils derart angeordnet, dass die Anordnung der Pol-Bereiche auch bei einem seitenverkehrten Einbau der Ringmagneten (Drehung um eine Achse senkrecht zur Zylinderachse) identisch erhalten bleibt. Dabei werden aufgrund des Schwundmaß beim Sintern herstellungstechnisch günstig jeder Zahn immer axial einer Zahnlücke gegenüberliegend an geformt, damit sich der Ringmagnet beim Abkühlen nicht ungleichmäßig verformt.
Die Verbindung einzelner Ringmagnet-Segmente mittels einer solchen axialen Struktur eignet sich besonders für die Verwendung von Magneten aus Sinterwerkstoffen, da diese als Hohlzylinder-Magneten fertigungstechnisch bezüglich eines bestimmten Durchmessers nur mit einer begrenzten axialen Länge hergestellt werden können. Durch das aneinanderfügen solcher gesinterten Ringmagnet-Segmente kann der Durchmesser des Permanentmagneten, und somit der Gesamtdurchmesser der elektrischen Maschine •gering gehalten werden, wodurch ein geringerer Bauraum beansprucht wird.
Durch die erfindungsgemäße axiale Verzahnung der Ringmagnete können aus beliebig vielen identischen Segmenten ein Permanentmagnet entsprechender Länge gemäß der gewünschten Anforderung zusammengefügt werden. Dies reduziert die Teilevielfalt, wodurch Lager- und Montagekosten für die Herstellung einer elektrischen Maschine reduziert werden.
Durch die Verwendung eines axialen Klemmelements, das eine korrespondierende axiale Struktur zu der der Ringmagneten aufweist, können auch die Ringmagnet-Segmente am offenen Rand des Permanentmagneten identisch zu den mittigen Ringmagnet-Segmenten, ausgebildet sein. Die Verzahnung zwischen dem axialen Klemmelement und dem Ringmagneten bewirkt eine verdrehsichere Verbindung zwischen den einzelnen Segmenten und zwischen dem Permanentmagneten und beispielsweise dem Rotor, wodurch hohe Drehmomente übertragen werden können. Die axialen Klemmelemente können vorteilhaft derart ausgebildet sein, dass sie axiale und radiale Schwankungen der Materialausdehnung aufgrund der Temperaturunterschiede oder Fertigungstoleranzen elastisch kompensieren.
Durch die Anordnung einer ganzzahligen Anzahl von Zähnen über den Umfang eines Pol-Bereichs können mittels eines einzigen Typs eines Ringmagneten sowohl Permanentmagneten mit axial auf einer Gerade liegenden Trennlinien, als auch Permanentmagneten mit abschnittsweise gegeneinander verdrehten Pol-Bereichen realisiert werden, um beispielsweise die Momentenwelligkeit und/oder das Rastmoment entsprechend zu beeinflussen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben, wobei gleiche Teile jeweils mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind.
Es zeigen Figur 1 eine schematische Ansicht eines Ringmagneten,
Figur 2 eine Schnittansicht gemäß II-II des in Figur 1 dargestellten Ringmagneten,
Figur 3 das Zusammenfügen dreier einzelner Ringmagneten-Segmente zu einem Permanentmagneten,
Figur 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines auf einer Rotorwelle montierten Permanentmagneten und
Figur 5 eine Schnittansicht eines Stators mit einer weiteren Ausführungsform eines Permanentmagneten.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In den Figuren 1 und 2 ist ein Ringmagnet 10, der im Wesentlichen als Hohlzylmder 12 ausgebildet ist dargestellt. Zur Erzielung einer hohen Magnetfelddichte ist der Ringmagnet 10 aus stark magnetisierbaren Material - beispielsweise Seltene-Erde- Verbindungen - hergestellt, das mittels Sintern zu einem Ringmagneten 10 geformt wird. Herstellungstechnisch lässt sich hierbei lediglich ein Hohlzylinder 12 mit einem bestimmten Verhältnis von Durchmesser zur axialen Länge herstellen, so dass für die Verwendung eines längeren Hohlzylinders 12 mehrere Ringmagnet-Segmente 10 axial aneinandergefügt werden. Hierzu weist der Ringmagnet 10 an seinen beiden Stirnflächen 14, 16 eine axiale Struktur 20 auf, die in entsprechende Gegenausformungen 21 eines weiteren Ringmagneten 10 oder von Halteelementen 18 greift. Tn Figur 1 ist an den Seitenflächen 14, 16 als axiale Struktur 20 jeweils eine Hirtverzahnung 26 angeformt, bei der im wesentlichen dreiecksförmige Zähne 22 abwechselnd mit Zahnlücken 24 gleichmäßig über den gesamten Umfang des Hohlzylinders 12 angeordnet sind. Werden die Zähne 22 axial in korrespondierende Zahnlücken 24 eines weiteren Ringmagneten 10 eingefügt, so bilden die Flanken 28 der Zähne 22 einen Formschluss mit den korrespondierenden Flanken 30 der entsprechenden Zahnlücke 24. Bei einer Drehmomentübertragung zwischen einem beweglichen Magnetfeld eines Stators 32 und den auf einer Ankerwelle 34 angeordneten Ringmagneten 10 wird das Drehmoment zwischen den einzelnen Ringmagnet-Segmenten 10 über die Flanken 28, 30 der Zähne 22 und Zahnlücken 24 übertragen. Zur Drehmomentübertragung weist der Ringmagnet 10 in Umfangsrichtung Bereiche 36 abwechselnder magnetischer Polung auf, die durch dazwischenliegende Trennlinien 38 begrenzt sind (N = Nordpol, S = Südpol). Die Pol- Bereiche 36 sind beispielsweise radial magnetisiert, so dass die einzelnen Polbereiche 36 über ein Rückschlusselement, beispielsweise der Ankerwelle 34 oder ein Gehäuse 33 magnetisch miteinander verbunden sind. Alternativ ist auch eine tangentiale Magnetisierung möglich, bei der kein magnetisches Rückschlusselement notwendig ist. Die Trennlinien 38 zwischen den Polbereichen 36 erstrecken sich im Ausführungsbeispiel in etwa parallel zur Achse 40 des Ringmagneten 10 und sind mehr oder weniger scharf ausgeprägt. In Figur 1 erstreckt sich ein Polbereich 36 (beispielsweise Nordpol N) über einen Winkelbereich 42 als Bruchteil eines vollen Umfangs. In und gegen Uhrzeigersinn schließt sich dann jeweils ein weiterer Polbereich 36 (beispielsweise jeweils ein Südpol S) an, so dass in diesem Ausführungsbeispiel über den gesamten Umfang 6 Polpaare (N+ S) angeordnet sind. In einer alternativen Ausführung beträgt die Anzahl der Polpaare 3, 5, 7, ... mit den entsprechenden Winkelbereichen 42 von 360 6, 360 10, 360714... . Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 ist jedem Pol bereich 36 ein Zahn 22 bzw. eine Zahnlücke 24 zugeordnet, so dass beim axialen Aneinanderfügen zweier Ringmagnete 10 die Trennlinien 38 immer auf einer Linie angeordnet sind.
Dies ist in Figur 3 dargestellt, wo drei Ringmagnete 10 axial zu einem Permanentmagneten 11 zusammengefügt werden. In dem Winkelbereich 42 des Polbereichs 36 sind hierbei zwei Zähne 22 bzw. Zahnlücken 24 angeordnet, die jeweils in eine korrespondierende axiale Struktur 21 der entsprechenden axialen Stirnfläche 16, 14 des anderen Ringmagneten 10 eingreifen. Die Zähne 22 und Zahnlücken 24 in jedem Polbereich 36 sind dabei so angeformt- dass diese spiegelsymmetrisch zu einer Drehachse. 44 senkrecht zur Achse 40 sind, wobei sich bei einer Drehung von 180° die identische Anordnung der Polbereiche 36 ergibt. Dadurch ist es nicht notwendig beim Zusammenbau der Ringmagneten 10 auf deren Einbaurichtung zu achten. Da in diesem Ausführungsbeispiel mehr als ein Zahn 22 bzw. mehr als eine Zahnlücke 24 pro Polbereich 36 angeformt ist, lassen sich bei dieser Ausführung die Polbereiche 36 der jeweiligen Ringmagneten 10 gegeneinander verdrehen, so dass der resultierende Permanentmagnet 11 einen Drall 46 der Polbereiche 36 aufweist. Die Ringmagnete 10 am Rand des Permanentmagneten 11 weisen jeweils an einer Endseite 48 beispielsweise eine glatte axiale Fläche 50 auf, mit der der Permanentmagnet 1 1 axial verspannt und/oder beispielsweise auf einer Rotorwelle 34 befestigt wird.
Im Ausführungsbeispiel gemäß Figur 4 sind alle Ringmagnete 10, hier beispielsweise zwei, völlig identisch ausgebildet, so dass es an den Endseiten 48 des Permanentmagneten 11 kein zweiter Typ von Ringmagneten 10 mit flachen axialen Flächen 50 notwendig ist. Vielmehr sind auf der Ankerwelle 34 Halteelemente 18 angeordnet, die eine zu der axialen Struktur 20 korrespondierende axiale Struktur 21 aufweisen. Im Ausführungsbeispiel wird die axiale Struktur 20 durch eine Rechteckverzahnung 51 gebildet, die in einer alternativen Ausführung trapezförmig ausgebildet ist. Bei der Montage wird zuerst ein Halteelement 18 beispielsweise axial und drehfest auf der Ankerwelle 34 befestigt. Danach wird eine definierte Anzahl von Ringmagneten 10 mit der Verzahnung 20 in die korrespondierende Verzahnung 21 des Halteelements 18 oder der anderen Ringmagneten 10 eingefügt, und zuletzt das zweite Halteelement 18 mit seiner korrespondierenden Struktur 21 aufgeschoben und mittels eines elastischen Klemmrings 52 axial unter Vorspannung gehalten. Dadurch können insbesondere axiale Längenänderungen ausgeglichen werden, ohne dass der Formschluss der axialen Struktur 20 mit der korrespondierenden Struktur 21 beeinträchtigt wird.
Figur 5 zeigt einen Stator 32, der als Polgehäuse 33 einer elektrischen Maschine ausgebildet ist, und als Permanentmagnet 11 mehrere axial aneinandergefügte Ringmagnete 10 - beispielsweise vier - aufweist. Innerhalb des als Hohlzylinder 12 ausgebildeten Permanentmagneten 11 ist ein nicht näher dargestellter Rotor 34 einführbar, dessen Spulen ein umlaufendes Magnetfeld erzeugen, aufgrund dessen Wechselwirkungen mit dem Permanentmagneten 1 1 sich der Rotor 34 dreht- Zur Glättung der Momentenwelligkeit sind hierbei je Pol-Bereich 36 vier Zähne 22 bzw. Zahnlücken 24 angeordnet und jeder Ringmagnet 10 jeweils um einen Zahn 22 verdreht in eine korrespondierende Zahnlücke 24 des benachbarten Ringmagneten eingefügt. Durch die fein abgestufte Verdrehung der Polbereiche 36 entsteht bezogen auf den Permanentmagneten 11 ein Gesamt-Pol-Bereich 36' der in erster Näherung spiralförmig auf dem Hohlzylinder 12 angeordnet ist. Dadurch kann mittels der technisch einfacheren Magnetisierung der Ringmagneten 10 parallel zur Achse 40 im Gesamtergebnis des Ringmagneten 11 ebenfalls ein Drall 46 des Pol-Bereichs 36' realisiert werden. Die beiden Ringmagnete 10 mit den Endseiten 48 des Permanentmagneten 11 weisen hier wieder axiale Flächen 50 auf, die geeignet sind, mit den axialen Klemmelementen 52 zur Befestigung des Permanentmagenten 11 im Gehäuse 33 zu befestigen. In einer Variation Können die beiden Ringmagnete 10 an den Endseiten 48 im Innern des Hohlzylinders 12 jeweils einen Konus oder dergleichen aufweisen, der mit einer entsprechenden Ausformung der Halteelemente 18 zusammenwirkt.
Bei der Herstellung der Ringmagneten 10 mittels Sinterns werden vorzugsweise schon die Bereiche 36 mit einer entsprechenden Vororientierung der mikroskopischen magnetischen Dipole erzeugt. Die endgültige Magnetisierung des Permanentmagnets 11 kann dann entweder vor oder nach dem Zusammenbau der einzelnen Ringmagneten 10 vorgenommen werden. In beiden Fällen ist es entscheidend, dass entweder die ■ vormagnetisierten oder endgültig magnetisierten Polbereiche 36 in einer definierten Drehlage zueinander zusammengefügt werden, wobei die Trennlinien 38 sowohl auf einer Geraden parallel zur Rotationsachse 40 oder um einen gewissen Bruchteil des Winkelbereichs 42 gegeneinander verdreht angeordnet werden können. Dabei ist vorzugsweise einem Zahn 22 an der ersten Stirnfläche 14 des Hohlzylinders axial gegenüber auf der zweiten Stirnfläche 16 eine Zahnlücke angeordnet. Durch die Ausformung der Verzahnung spiegelsymmetrisch zur Achse 44 bleibt die Anordnung der Polbereiche 36 unabhängig von der Einbaurichtung der Ringmagneten 10 unverändert erhalten.
Eine bevorzugte Anwendung des erfindungemäßen Ringmagneten 10 stellt die Drehmomentübertragung einer elektrischen Maschine dar, ist jedoch nicht auf eine solche beschränkt. Der erfindungsgemäße Ringmagnet 10 kann dabei auf vielerlei Weise auf einer Welle 34 oder in einem Gehäuse 33 gelagert werden. Wesentlich ist dabei, dass die axiale Struktur 20 durch axiale Spannkräfte mit einer entsprechenden korrespondierenden axialen Struktur 21 der anderen Ringmagnete 10 oder der Halteelemente 18 zusammenwirkt. Dabei kann vollständig auf Klebemittel verzichtet werden. Es kann jedoch auch ein Füllstoff zwischen den Verzahnungen 20, 21, 26, 51 eingefügt werden, der eine gleichmäßige Kraftverteilung über die Zahnflanken 28, 30 gewährleistet. Ein solcher Füllstoff kann dem gewünschten Temperaturbereich angepasst werden, da er keine Klebewirkung aufweisen muss. Die Anordnung der magnetischen Polbereiche 36 kann beliebig an die geforderte Anwendung angepasst werden, ebenso die Ausrichtung der Magnetisierung (axial, radial, tangential, zirkulär) mit den Trennlinien 38. Auch kann die Ausgestaltung der axialen Struktur 20, 21 beliebig variiert werden, wobei die Struktur 20 nicht auf eine gleichmäßig über den Umfang angeordnete Verzahnung beschränkt ist. So kann beispielsweise die Stirnfläche 14, 16 auch als axial gewellte Verzahnung ausgebildet sein, wobei die Flanken vorzugsweise in etwa senkrecht zur Mantelfläche des Hohlzylinders 12 ausgerichtet ist. Des Weiteren umfasst die Erfindung auch einzelne Merkmale der Ausführungsbeispiele oder eine beliebige Kombination der Merkmale von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen.

Claims

Ansprüche
1. Ringmagnet (10), insbesondere zur Übertragung eines Drehmoments zwischen einem Stator (32) und einem Rotor (34), wobei der Ringmagnet (10) im wesentlichen als Hohlzylinder (12) mit zwei Stirnflächen (14, 16) ausgebildet ist und über den Umfang Bereiche (36) unterschiedlicher magnetischer Pole aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringmagnet (10) an mindestens einer seiner Stirnflächen (14, 16) eine axiale Struktur (20) aufweist.
2. Ringmagnet ( 10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Struktur (20) formschlüssig in eine korrespondierende Struktur (21) eines weiteren Ringmagneten (10) oder einer Haltevorrichtung (18) des Ringmagneten (10) einfügbar ist.
3. Ringmagnet (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Struktur (20, 21) gleichmäßig über den gesamten Umfang angeordnete axiale Zähne (22) - insbesondere eine Hirtverzahnung (26) - aufweist, die in korrespondierende Zahnlücken (24) greifen.
4. Ringmagnet (10) nach eine der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Pol-Bereiche (36) durch Trennlinien (38) begrenzt sind, die sich axial in etwa parallel zu einer Achse (40) des Hohlzylinders (12) erstrecken.
5. Ringmagnet ( 10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionen der Trennlinien (38) definiert zu den Positionen der Zähne (22), beziehungsweise der Zahnlücken (24), angeordnet sind.
6. Ringmagnet (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Zähne (22) der Anzahl der Trennungslinien (38) oder einem ganzzahligen Vielfachen derselben entspricht.
7. Ringmagnet (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zähne (22) an den beiden Stirnflächen (14, 16) derart angeordnet sind, dass ein Ringmagnet (10) bezüglich einer korrespondierenden Verzahnung (21) seitenverdreht unter Beibehaltung der identischen Anordnung der Pol- Bereiche (36) kombinierbar ist, wobei insbesondere ein Zahn (22) der einen Stirnfläche (14) axial einer Zahnlücke (24) der anderen Stirnfläche (16) desselben Ringmagneten (10) gegenüberliegt.
8. Ringmagnet (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringmagnet (10) mittels Sintern - insbesondere mit magnetisch vororientierten Bereichen (36) - gefertigt ist.
9. Elektrische Maschine mit einem Permanentmagnet (11 ) , der als Segmente ein, zwei, drei, vier oder mehr der Ringmagnete (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist, die mittels einer elastischen Haltevorrichtung (18, 52) axial miteinander verbunden und/oder befestigt sind.
10. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennlinien (38) der einzelnen Ringmagneten (10) axial in einer Linie, oder tangential um den Bruchteil eines Pol-Bereichs (36) gegeneinander verdreht angeordnet sind.
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