WO2005067122A1 - Magnetmittel für elektrische maschinen - Google Patents

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WO2005067122A1
WO2005067122A1 PCT/DE2004/002583 DE2004002583W WO2005067122A1 WO 2005067122 A1 WO2005067122 A1 WO 2005067122A1 DE 2004002583 W DE2004002583 W DE 2004002583W WO 2005067122 A1 WO2005067122 A1 WO 2005067122A1
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magnetic means
magnetization
electrical machine
magnetic
axial component
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PCT/DE2004/002583
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English (en)
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Inventor
Gerald Roos
Dirk Buehler
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K23/00DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors
    • H02K23/02DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors characterised by arrangement for exciting
    • H02K23/04DC commutator motors or generators having mechanical commutator; Universal AC/DC commutator motors characterised by arrangement for exciting having permanent magnet excitation
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/27Rotor cores with permanent magnets

Definitions

  • the invention relates to magnetic means for electrical machines according to the
  • the preamble of claim 1 which has at least the shape of a magnetic ring segment or an entire magnetic ring and is at least partially radially magnetized.
  • Such magnetic means are currently mainly used in permanently excited DC motors, in which the magnet is usually longer in the axial direction than the rotor. This magnetization is independent of the axial position.
  • the magnet according to the invention for an electrical machine with the features of claim 1 has the advantage that the leakage flux can be reduced and the useful flow can be increased. By changing the magnetization of the magnet segment in the axial direction, the magnetic flux becomes shorter in an axial direction
  • Rotor enlarged. This is due to the fact that the magnetization of the magnetic projections towards the rotor gives the field lines a direction towards the rotor and the magnetic resistance in the air is thereby reduced. In addition, the magnetically effective magnet length is increased in the outer areas, and thus the magnetic induction in this area.
  • a magnetic means for an electrical machine which is at least one magnetic ring segment or magnetic ring and is at least partially radially magnetized, the magnetization of the magnetic means having an axial component at least on one end region of the magnetic means.
  • the axial component of the magnetization is preferably directed towards the center of gravity of the magnetic means, which results in a particularly low leakage flux. If the magnetization has the axial component on both end regions of the magnet means, this is particularly well suited for cases in which the magnet projects over a rotor on both end sides.
  • the magnetic means has a central area with almost no axial
  • Component has directional magnetization, it results with the central area of a rotor.
  • the magnetic means is in one piece, this makes assembly easier, since only a part has to be assembled. If the magnetic means is formed from axially assembled areas, then a modular system can easily be implemented with regard to the overall length. Since the components have the same outer radius, you only need a gripper that is adapted to this, which also makes assembly easier. Installation is particularly easy if the magnetic means is a one-piece magnetic ring.
  • the invention is particularly suitable for products in which the magnet is longer than the rotor, in particular in products in which the magnet overhang (magnet length minus rotor length) is relatively large in relation to the rotor length.
  • the leakage flow is smaller and the useful flow is larger, which increases the efficiency.
  • the effect is amplified if the radial magnetization of the magnetic means is directed towards the central axis of the electrical machine. The effect is greatest when the magnetic means with an end region protrudes axially beyond a rotor of the electrical machine, this end region at least partially having the magnetization with the axial component.
  • FIG. 1 shows a drive unit
  • FIG. 2 shows a longitudinal section through half of an electrical machine
  • FIG. 3 shows an end view of a magnetic ring segment of the electrical machine
  • Figure 4 is a diagram.
  • the drive unit 12 can be a window lifter, a sunroof drive, a drive train actuator, in particular a clutch actuator, or the like.
  • a gear 14 is shown symbolically on the electrical machine 10.
  • FIG. 2 shows a longitudinal section of one half of the electrical machine 10, which in the present exemplary embodiment is a commutator motor.
  • the electrical machine 10 comprises a cup-shaped housing 16, for example.
  • the machine 10 has a rotor 18, shown in a greatly simplified manner, which is rotatably mounted in the housing 16.
  • the rotor 18 comprises a shaft 20 on which a wound rotor package 22 and a commutator 24 are fastened.
  • two magnetic means in the form of magnetic ring segments 26 are fastened diametrically opposite on the inner circumference of the housing 16, due to the
  • the magnetic ring segment 26 has an arcuate cross section and forms an angle of less than 180 °, for example 120 °. Furthermore, it is shown in FIG. 3 by arrows 28 that the magnetization is directed onto the central axis 30 of the shaft 20 of the electrical machine 10. That it is a radial magnetization. The central axis 30 coincides with that
  • the magnetization can also be referred to as the magnetization direction.
  • this radial direction of the magnetization is represented by an arrow 32 directed away from the central axis 30.
  • another arrow 34 represents the axial direction of the shaft 20 or the electrical machine 10.
  • the magnetic ring segment 26 consists of a central region 36 and two adjoining end regions 38, 40, which is shown by dashed lines 41.
  • the central region 36 is essentially as long as the rotor assembly 22, with production-related deviations in the region of up to a few millimeters being entirely possible due to the winding.
  • the end regions 38, 40 With the end regions 38, 40, the magnetic ring segment 26 projects axially beyond the rotor package 22 of the electrical machine 10.
  • the dashed lines 41 are drawn outside the rotor package 22, it being entirely possible that the central region 36 can be somewhat longer but also shorter than the rotor package 22.
  • the central region 36 has essentially no axially directed magnetization or the axial component of the magnetization goes to zero. That only one radial component 32 is preferably provided, which is represented by arrows 42, this definition also encompassing in the present invention that a tangential component of the magnetization, not shown, can occur.
  • the magnetization of the end areas 38, 40 is represented by arrows 44, 46.
  • End regions 38, 40 have, in addition to the radial component 32, at least partially also an axial component 34.
  • the axial component 34 of the magnetization of the end regions 38, 40 is directed towards one another or towards the center of gravity 48 of the magnetic ring segment 26.
  • FIG. 4 shows how the angle 52 between the radial direction 32 and the direction of the magnetization illustrates the gain in pole flux.
  • the pole flux gain increases from 5 ° to 10 ° to about 2.1%.
  • At 20 ° a maximum of approx. 2.5% is reached.
  • the pole flux gain drops until there is even a loss of almost 1% at 40 °. This makes it clear that with regard to the necessary manufacturing tolerances in a range of approximately 10 ° to 25 ° there is a reasonable range for an axial inclination of the magnetization. Production-related deviations of up to a few degrees must, of course, be taken into account, especially in the transition of areas 36, 38, 40.
  • the dashed lines 41 illustrate that the magnetic ring segment 26 can be formed in one piece, but can also be formed from separate, axially assembled regions 36, 38, 40, ie from several parts.
  • the one-piece design is preferred, however, since there can be no gap-related or joint-related losses.
  • only one axially projecting end region 38, 40 can be provided on the magnetic ring segment 26.
  • a one-piece or multi-part magnetic ring can also be provided as the magnetic means, which is illustrated in FIG. 2 by dotted lines 50.
  • FIG. 2 also shows that it does not have to be an inner rotor.
  • the invention can also be provided on an external rotor.
  • the invention is not only limited to brushed commutator motors, but can also be used on brushless motors.

Landscapes

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

Abstract

Es wird ein Magnetmittel (26) für elektrische Maschinen (10) vorgeschlagen. Das Magnetmittel (26) umfasst zumindest ein Magnetringsegment mit einer zumindest teilweisen radialen Magnetisierung. In den Stirnbereichen (38, 40) hat die Magnetisierung auch eine axiale Komponente (34). Dadurch kann der Streufluss bei einer elektrischen Maschine (10) verkleinert und der Nutzfluss vergrössert werden.

Description

Magnetmittel für elektrische Maschinen
Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von Magnetmitteln für elektrische Maschinen nach dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1, das zumindest die Form eines Magnetringsegments oder eines ganzen Magnetringes hat und zumindest teilweise radial magnetisiert ist. Derartige Magnetmittel werden derzeit vorwiegend bei permanent erregten Gleichstrommotoren eingesetzt, bei denen in der Regel der Magnet in axialer Richtung länger ist als der Rotor. Diese Magnetisierung ist unabhängig von der axialen Position.
Sie kann entweder beim Magnetisieren eines isotopen Magneten durch die Magnetisiervorrichtung oder bei anisotropen Magneten durch die Anisotropie hervorgerufen werden. Sie beschreibt somit einen Zustand des Magnetmaterials.
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Magnet für eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass der Streufluss verkleinert und der Nutzfluss vergrößert werden kann. Durch die Änderung der Magnetisierung des Magnetsegmentes in axialer Richtung wird der magnetische Fluss in einem axial kürzeren
Rotor vergrößert. Dies beruht darauf, dass durch die zum Rotor hin gerichtete Magnetisierung an den Magnetüberständen den Feldlinien eine Richtung zum Rotor hin vorgegeben werden und der magnetische Widerstand in der Luft dadurch verkleinert wird. Zudem wird die magnetisch wirksame Magnetlänge in den äußeren Bereichen vergrößert, und somit auch die magnetische Induktion in diesem Bereich.
Dies wird durch ein Magnetmittel für eine elektrische Maschine erreicht, das zumindest ein Magnetringsegment oder Magnetring ist und zumindest teilweise radial magnetisiert ist, wobei die Magnetisierung des Magnetmittels zumindest an einem Stirnbereich des Magnetmittels eine axiale Komponente hat.
Vorzugsweise ist die axiale Komponente der Magnetisierung zum Schwerpunkt des Magnetmittels hin gerichtet, wodurch sich ein besonders geringer Streufluss ergibt. Hat die Magnetisierung an beiden Stirnbereichen des Magnetmittels die axiale Komponente, eignet sich dies besonders gut für Fälle, in denen der Magnet an beiden Stirnseiten über einen Rotor hinausragt.
Weist das Magnetmittel einen mittleren Bereich auf, der nahezu ohne axialer
Komponente gerichtete Magnetisierung hat, so ergibt sich mit dem zentralen Bereich eines Rotors .
Ist das Magnetmittel einstückig, so erleichtert dies die Montage, da nur ein Teil montiert werden muss. Ist das Magnetmittel aus axial zusammengesetzten Bereichen gebildet, so lässt sich leicht ein Baukasten hinsichtlich der Baulänge umsetzen. Da die Bauteile den gleichen Außenradius haben, braucht man nur einen dafür angepassten Greifer, was ebenfalls die Montage erleichtert. Besonders leicht ist die Montage, wenn das Magnetmittel ein einstückiger Magnetring ist.
Die Erfindung eignet sich besonders bei Produkten, bei denen der Magnet länger als der Rotor ist, insbesondere bei den Produkten, bei denen der Magnetüberhang (Magnetlänge minus Rotorlänge) im Bezug auf die Rotorlänge relativ groß ist. Insbesondere bei einer elektrischen Maschine mit derartigen Magnetmitteln ist der Streufluss kleiner und der Nutzfluss größer, wodurch der Wirkungsgrad steigt. Der Effekt wird verstärkt, wenn die radiale Magnetisierung der Magnetmittel auf die Mittelachse der elektrischen Maschine gerichtet ist. Am größten ist der Effekt, wenn das Magnetinittel mit einem Stirnbereich axial über einen Rotor der elektrischen Maschine hinausragt, wobei dieser Stirnbereich zumindest teilweise die Magnetisierung mit der axialen Komponente hat.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 eine Antriebseinheit,
Figur 2 einen Längsschnitt durch eine Hälfte einer elektrischen Maschine, Figur 3 eine Stirnansicht eines Magnetringsegments der elektrischen Maschine aus Figur 1 und Figur 4 ein Diagramm.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
In der Figur 1 ist eine elektrische Maschine 10 gezeigt, die Teil einer Antriebseinheit 12 ist, die bevorzugt Verwendung in einem Kraftfahrzeug findet. Bei der Antriebseinheit 12 kann es sich um einen Fensterheber, einen Schiebdachantrieb, einen Triebstrangsteller, insbesondere Kupplungssteller, oder dergleichen handeln. Symbolisch ist an der elektrischen Maschine 10 ein Getriebe 14 dargestellt.
In der Figur 2 ist in einem Längsschnitt eine Hälfte der elektrischen Maschine 10, bei der es sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel um einen Kommutatormotor handelt, gezeigt. Die elektrische Maschine 10 umfasst ein beispielsweise topfförmiges Gehäuse 16. Weiterhin weist die Maschine 10 einen stark vereinfacht gezeigten Rotor 18 auf, der in dem Gehäuse 16 drehbar gelagert ist. Der Rotor 18 umfasst eine Welle 20, auf der ein bewickeltes Rotorpaket 22 und ein Kommutator 24 befestigt sind.
Im Gehäuse 16 sind zwei Magnetmittel in Form von Magnetringsegmenten 26 am Innenumfang des Gehäuses 16 diametral gegenüberliegend befestigt, wobei aufgrund der
Darstellung nur eines gezeigt ist. Es ist auch möglich am Innenumfang des Gehäuses 16 je nach Bedarf ein, drei, vier, fünf, sechs, sieben, acht usw. Magnetsegmente 26 zu befestigen. Da nur eine Hälfte der Maschine 10 gezeigt ist, ist in der Figur 2 nur eines der beiden Magnetringsegmente 26 dargestellt.
Wie aus der Figur 3 hervorgeht, ist das Magnetringsegment 26 im Querschnitt bogenförmig ausgebildet und schließt einen Winkel kleiner 180°, beispielsweise 120°, ein. Weiterhin wird in der Figur 3 durch Pfeile 28 gezeigt, dass die Magnetisierung auf die Mittelachse 30 der Welle 20 der elektrischen Maschine 10 gerichtet ist. D.h. es handelt sich um eine radiale Magnetisierung. Die Mittelachse 30 fällt zusammen mit dem
Mittelpunkt des Außen- bzw. Innenradius des Magnetringsegments 26. Die Magnetisierung kann auch als Magnetisierungsrichtung bezeichnet werden. Zurückkommend zur Figur 2 ist diese radiale Richtung der Magnetisierung durch einen von der Mittelachse 30 weggerichteten Pfeil 32 dargestellt. Außerdem stellt ein weiterer Pfeil 34 die axiale Richtung der Welle 20 bzw. der elektrischen Maschine 10 dar.
Das Magnetringsegment 26 besteht aus einem mittleren Bereich 36 und zwei sich daran anschließenden Stirnbereichen 38, 40, was durch gestrichelte Linien 41 dargestellt ist. Der mittlere Bereich 36 ist im Wesentlichen so lang wie das Rotorpaket 22, wobei fertigungsbedingte Abweichungen im Bereich von bis zu einigen Millimetern aufgrund der Bewicklung durchaus möglich sind. Mit den Stirnbereichen 38, 40 ragt das Magnetringsegment 26 axial über das Rotorpaket 22 der elektrischen Maschine 10 hinaus. Die gestrichelten Linien 41 sind der Deutlichkeit wegen außerhalb des Rotorpakets 22 gezeichnet, wobei es durchaus möglich ist dass der mittlere Bereich 36 um einiges länger aber auch kürzer als das Rotorpaket 22 sein kann.
Der mittlere Bereich 36 hat im Wesentlichen keine axial gerichtete Magnetisierung bzw. die axiale Komponente der Magnetisierung geht gegen Null. D.h. es ist vorzugsweise nur eine radiale Komponente 32 vorgesehen, was durch Pfeile 42 dargestellt ist, wobei diese Definition bei der vorliegenden Erfindung auch umfasst, dass eine nicht dargestellte, tangentiale Komponente der Magnetisierung vorkommen kann. Die Magnetisierung der Stirnbereiche 38, 40 ist durch Pfeile 44, 46 dargestellt. Die jeweilige Magnetisierung der
Stirnbereiche 38, 40 hat neben der radialen Komponente 32 zumindest teilweise auch eine axiale Komponente 34. Die axiale Komponente 34 der Magnetisierung der Stirnbereiche 38, 40 ist jeweils aufeinander zu bzw. zum Schwerpunkt 48 des Magnetringsegments 26 hin gerichtet.
Aus der Figur 4 geht hervor, wie der Winkel 52 zwischen der radialen Richtung 32 und der Richtung der Magnetisierung den Polflussgewinn verdeutlicht. Bis zu einem Winkel 52 von 5° ist nur ein leichter Anstieg auf etwa 0,2% zu erkennen. Von 5° auf 10° steigt der Polflussgewinn auf etwas 2,1% an. Bei 20° wird ein Maximum von ca. 2,5% erreicht. Danach sinkt der Polflussgewinn, bis bei 40° sogar zu einem Verlust von knapp 1% kommt. Dadurch wird deutlich, dass im Hinblick auf notwendige Fertigungstoleranzen in einem Bereich von ca. 10° bis 25° ein sinnvoller Bereich für eine axiale Neigung der Magnetisierung vorliegt. Fertigungsbedingte Abweichungen von bis zu emigen Grad sind dabei natürlich zu berücksichtigen, insbesondere im Übergang der Bereiche 36, 38, 40. Die gestrichelten Linien 41 verdeutlichen, dass das Magnetringsegment 26 einstückig ausgebildet aber auch aus getrennten, axial zusammengesetzten Bereichen 36, 38, 40, d.h. aus mehreren Teilen gebildet sein kann. Die einstückige Ausbildung ist jedoch zu bevorzugen, da es zu keinen spalt- oder fugenbedingten Verlusten kommen kann.
Je nachdem wie es die baulichen Bedingungen erfordern, kann am Magnetringsegment 26 auch nur ein axial überstehender Stirnbereich 38, 40 vorgesehen sein.
Als Magnetmittel kann statt eines oder mehrer Magnetringsegmente 26 auch ein einstückiger oder mehrteiliger Magnetring vorgesehen sein, was in der Figur 2 durch gepunktete Linien 50 verdeutlicht wird.
Aus der Darstellung der Figur 2 geht ebenso hervor, dass es sich nicht um einen Innenläufer handeln muss. Ebenso kann die Erfindung an einem Außenläufer vorgesehen sein. Schließlich ist die Erfindung nicht nur auf bürstenbehaftete Kommutatormotoren beschränkt, sondern kann auch an bürstenlosen Motoren Anwendung finden.

Claims

Ansprüche
1. Magnetmittel (26) für elektrische Maschinen (10), das zumindest ein Magnetringsegment umfasst, mit einer zumindest teilweisen radialen Magnetisierung, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetisierung des Magnetmittels (26) zumindest an einem Stirnbereich (38, 40) des Magnetmittels (26) eine axiale Komponente (34) hat.
2. Magnetmittel (26) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Komponente (34) der Magnetisierung zum Schwerpunkt (48) des Magnetmittels (26) gerichtet ist.
3. Magnetmittel (26) nach Anspruch 1 oder, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetisierung an beiden Stirnbereichen (38, 40) des Magnetmittels (26) eine axiale Komponente (34) hat, wobei die axialen Komponenten (34) aufeinander zu gerichtet sind.
4. Magnetmittel (26) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetmittel (26) einen mittleren Bereich (36) aufweist, der im Wesentlichen keine axial gerichtete Magnetisierung (32) hat.
5. Magnetmittel (26) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Magnetmittel (26) einstückig ist oder aus axial zusammengesetzten Bereichen (36, 38, 40) gebildet ist.
6. Magnetmittel (26) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Neigung der Magnetisierung zwischen 10° und 25° liegt.
7. Elektrische Maschine (10) mit wenigstens einem Magnetmittel (26) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
8. Elektrische Maschine (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die radiale Magnetisierung auf die Mittelachse (30) der elektrischen Maschine (10) gerichtet ist.
9. Elektrische Maschine (10) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekeimzeichnet, dass das mindestens eine Magnetmittel (26) mit wenigstens einem Stirnbereich (38, 40) axial über ein Rotorpaket (22) der elektrischen Maschine (10) hinausragt, wobei dieser wenigstens eine Stimbereich (38, 40) zumindest teilweise eine Magnetisierung mit einer axialen Komponente (34) hat, die vorzugsweise zum Schwerpunkt des Magnetmittels (26) gerichtet ist.
10. Antriebseinheit (12), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, wie ein Fensterheber,
Schiebdachantrieb, Triebstrangsteller, insbesondere Kupplungssteiler oder dergleichen mit einer elektrischen Maschine (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 9.
PCT/DE2004/002583 2004-01-07 2004-11-23 Magnetmittel für elektrische maschinen WO2005067122A1 (de)

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