WO2013020846A2 - Rotor für eine permanentmagnetische maschine - Google Patents

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WO2013020846A2
WO2013020846A2 PCT/EP2012/064858 EP2012064858W WO2013020846A2 WO 2013020846 A2 WO2013020846 A2 WO 2013020846A2 EP 2012064858 W EP2012064858 W EP 2012064858W WO 2013020846 A2 WO2013020846 A2 WO 2013020846A2
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Markus KLÖPZIG
Marco Schramm
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Siemens Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the invention relates to a rotor for a permanentmagneti ⁇ cal machine, comprising a plurality of inside the rotor ⁇ arranged, poles defining permanent magnets.
  • the invention relates to a permanent magnetic machine, comprising a stator with in particular wound in tooth coil technology pole windings and a rotatably mounted against the stator rotor.
  • APM rotors The main problem with APM rotors is that the me ⁇ chanische stability must be ensured, which is why a complex bandaging is required. But the IPM design also has other advantages over the APM rotors. Thus, the permanent magnets are usually inserted in IPM rotors in their respective receptacles and glued or potted there. This makes magnetic tolerances can be compensated and therefore cost Perma ⁇ nentmagnete be used. Furthermore, it is possible to work with smaller currents compared to the APM design in the area of field weakening.
  • the invention is therefore based on the object, a kon ⁇ structurally simple, on the other hand, improved ability to ⁇ to minimize pendulum moments when using the dental coil technology.
  • the rotor consists of at least two coaxial successive, the same radius, in particular the same, individual rotor disks with an equal number of poles of the same extent in the circumferential direction,
  • the rotor into a number of at least two, in particular three, partial rotors (rotor ticket ⁇ ben) to minimize or avoid oscillating torques, which are advantageously in their Ausgestal ⁇ tung equal and are staggered.
  • two variants are conceivable. If the boundaries of the poles run exactly in the axial direction, the marginal boundaries of the poles are offset from each other by the offset angle.
  • the number of rotor disks corresponding multiple of the displacement angle is a multiple of half of Statorwin ⁇ angle, which describes the angular distance in the circumferential direction of two adjacent stator poles of a stator cooperating with the rotor.
  • the said stator angle which results in 360 ° divided by the number of stator poles (number of slots), is often referred to as "slot pitch" of the stator and is referred to in formulas for example with a PS .
  • the division into a plurality of rotor disks is proposed, wherein the individual rotor disks are each separated by a magnetic flux between the rotor disks avoiding axial magnetic flux barrier. This means that it can no longer come to such axial flow paths to a greater extent.
  • the invention makes it possible to reduce pendulum moments, wherein no axial oscillation of the magnetic flux of the permanent magnets between the rotor disks also occurs due to the use of magnetic axial flow barriers.
  • it allows to improve the mechanical Kon ⁇ constructive tion without any negative influences on the magnetic design the present invention.
  • the structure of the rotor discs may for example be selected such that the permanent magnets in particular between a ⁇ sondere integrally formed on the rotor disk return element, in particular of iron, and a pole piece, in particular of iron, are arranged.
  • the remind gleichele ⁇ ment can, as mentioned, be integrally formed and have a receptacle for a rotor shaft. The permanent magnet together with the return element and the pole piece ultimately forms the rotor-side part of the magnetic circuit.
  • the axial flow barrier comprises a formed of magnetic ⁇ illustrates non-conductive sheets, in particular from Vietnamesemagneti ⁇ schem stainless steel and / or plastic flow ⁇ barrier disc.
  • a flow barrier disk may, for example, have the same radial extent as the rotor disk and thus be arranged in a stabilizing manner between the rotor disks.
  • the sheets may be preferably formed from Vietnamesemag ⁇ netischem stainless steel, as plastic particularly a temperature-resistant plastic offers.
  • the flow barrier Wenig ⁇ least comprises a particular annular spacer to form a locking acting air gap.
  • partial axial spacers between the rotor disks are provided, which may be formed for example in a ring shape.
  • an axial air gap between the rotor disks as flux barrier is gebil ⁇ det. In this way, the amount of material needed can be reduced.
  • the permanent magnets may preferably be qua ⁇ derförmig essentially. It is conceivable that each pole comprises exactly one permanent magnet, expediently each but also be provided that a pole at least two arranged in particular arranged in a V-shape permanent magnet. The plurality of permanent magnets are then arranged, for example in the case of two permanent magnets in a V-shape, in such a way that a possible perpendicular exit of the magnetic flux is conveyed to the poles, thus influencing the direction of the flow, for example in the manner of a focusing.
  • Various embodiments are basically known in the art.
  • a pole shoe which covers the stator on the stator side has the flow in the circumferential direction, radially extending circumferential direction flow barriers.
  • Circumferential direction by flow barriers also provided here flow deviations or a commuting of the flow in the circumferential direction are avoided, which allows an improved forwarding of the magnetic flux of the permanent magnet to the surface of the rotor.
  • the circumferential direction flow barriers can be formed by non-magnetic conductive materials or in connection with spacers through air gaps similar to the axial flow barriers. It can further be provided that two poles of a rotor disk separating a saturated by the magnetic flux of Perma ⁇ nentmagneten web is provided for limiting a magnetic short-circuit flux between adjacent poles.
  • the pole arrangements comprising the permanent magnets and a pole shoe which covers the stator to comprise at least two non-magnetic spacers arranged in the direction of the adjacent poles to avoid a magnetic short-circuit flux between adjacent poles of a rotor disk. It can therefore be provided that the short-circuited flux is reduced by a magnetically non-conductive spacer between the poles.
  • the return element has a specially designed receptacle for the pole arrangement on its outer side.
  • the pole arrangement may be wedge-shaped with the narrow sides outwards, so that it is held in the receptacle despite the outer pole piece.
  • the pole arrangement is then supported by means of the spacers, in particular when the receptacle is formed from the return element.
  • the rotor is bandaged on its outside.
  • the rotor according to the invention can therefore be provided with an additional bandage to allow higher operating speeds of the rotor.
  • the present invention also relates to a permanent-magnetic machine, comprising a stator with pole windings, in particular wound in toothed coil technology, and a rotor according to the invention rotatably mounted against the stator.
  • a permanent-magnetic machine comprising a stator with pole windings, in particular wound in toothed coil technology, and a rotor according to the invention rotatably mounted against the stator.
  • the rotor can be applied analogously to the inventive Ma ⁇ machine transmitted, so that even those already mentioned Benefits can be achieved.
  • the harmonic fractions caused by the pole windings of the stator wound in tooth coil technology are absorbed by the special configuration of the rotor in such a way that the pendulum moments are minimized.
  • the air gap between the rotor and the stator changes in a location-dependent manner for the further reduction of pendulum moments. It is therefore also conceivable to combine the two methods for minimizing pendulum moments and to use them together, which can be advantageous if exact compensation is not desired with regard to the staggering of the rotor disks. However, it is preferred to provide a constant air gap.
  • Fig. 1 is a perspective view of an inventive
  • FIG. 2 is a plan view of the rotor of FIG. 1,
  • FIG. 3 shows a perspective view of a permanent magnet machine according to the invention using the rotor from FIGS. 1 and 2
  • Fig. 4 is a partial cross section through the machine according to
  • FIG. 5 shows a perspective view of a rotor according to the invention of a second embodiment
  • FIG. 6 is a plan view of the rotor of FIG. 5,
  • Fig. 7 is a perspective view of the rotor of Fig. 5 and Fig. 6 used fiction, modern ⁇ permanent magnetic machine,
  • Fig. 8 is a partial cross section through the machine according to
  • FIG 9 shows an embodiment of a rotor according to the invention with circumferential direction flow barriers.
  • Fig. 1 shows a perspective view of a rotor 1 in a first embodiment.
  • the rotor 1 has centrally a receptacle 2 for a rotor shaft. This is defined by an integrally formed in this case, laminated iron ⁇ inference element 3. between the iron yoke element 3 and the rotor outwardly terminating Rotorpol noten 4 cuboid permanent magnets 5 are arranged, which are therefore inside the rotor 1.
  • the rotor pole pieces 4 are cap-shaped and are supported by webs 6, so that a total of a receptacle for the permanent magnets 5 results.
  • Each of the permanent magnet 5 thus defines a pole 7 which alternately ⁇ acts to corresponding poles of a stator so that a permanent magnetic machine motori ⁇ rule or regenerative operation can be operated.
  • the substantially cylindrical rotor 1 is not formed in one piece, but divided into three rotor disks 8 which are all the same in the present case, that is, they comprise the same number of poles (here eight), and the geometrical configuration of the subcomponents of each rotor Disc 8 (return element 3, pole shoes 4, permanent magne ⁇ te 5 and webs 6) is the same for all rotor disks 8. It follows that the rotor disks 8 have the same radius and the eight poles have an equal extent in the circumferential direction.
  • the boundary 9 in the region of the poles 7, defined by the webs 6, is not designed to extend in the axial direction, but at an angle to the axial direction, that is, it extends obliquely.
  • the rotor disks 8 are now arranged coaxially adjacent to each other, as shown in Fig. 1, in such a way that the adjacent rotor disks 8 are each rotated by a predetermined displacement angle corresponding to a displacement distance 10, so that the boundaries 9 adjoin one another, as shown particularly clearly in FIG.
  • the axial flow barriers 11 prevent excessive oscillation of the flow of the permanent magnets 5 in the axial direction between the rotor disks 8 due to staggering. It should be noted at this point that, although this is not shown here, as a flow barrier 11 and adjacentl ⁇ le spacers can be used which define a blocking acting air gap and may be formed, for example, as rings. Furthermore, the boundaries 9 can also extend in the axial direction, wherein the same offset angle can be used. The offset angle (and thus the offset distance 10) is chosen so that pendulum moments are minimized due to the upper ⁇ wave components in stator windings in tooth coil technology.
  • the total offset 13 that corresponds to a total skew angle, which in the present case three times the offset angle, so that the present case is chosen as a multiple of the hal ⁇ ben Statorwinkels, for example, as exactly the half stator angle, which be the angle between two stator poles - writes. That is, in the present embodiment, three times the offset angle corresponds to half the stator angle between two poles of the stator.
  • the flow barriers 11 significantly reduce axial oscillation of flows between the rotor disks 8, which can be regarded as partial rotors.
  • FIG. 3 shows a synchronous machine 14 in which the rotor 1 is rotatably mounted within a stator 15, wherein FIG. 4 shows a partial cross-section of the synchronous machine 14.
  • the stator comprises a stator yoke 16 as basically known, teeth 17 and stator pole 18 of the products contained ⁇ quietly in one piece, for example, laminated iron, are excluded forms.
  • Stator windings 19 are placed around the stator teeth 17, as can be seen in the toothed coil technique.
  • the stator windings 19 are designed a total of three phases.
  • FIGS. 5 to 8 show a further embodiment, wherein for the sake of simplicity identical components are provided with the same reference numerals.
  • Figures 5 and 6 show a modified, second exporting ⁇ approximate shape of a rotor 1 according to the invention '.
  • receptacles 21 for pole arrangements at the positions of the poles 7 of each rotor disk 8 are provided in the rotor 1 '.
  • the receptacles 21 are narrowed towards the top, so that the poles having a slight wedge shape are held firmly therein, cf.
  • Fig. 8 So now no short circuit between the pole piece 4, which is part of the pole assembly, and the yoke elements 3, the pole assembly comprises in addition to the permanent magnet 5 and the rotor pole piece 4 spacers 22, which consist of a non-magnetic material and thus magnetic Reduce short circuits in this way. Nevertheless, a stable mounting of the pole arrangement in the receptacle 21 is given.
  • the boundaries 9 of the pole portions of the poles 7 are not present as an objective characteristics in vorlie ⁇ constricting embodiment, but extend - here in the axial direction - 21 corresponding to the center lines between two recordings Again, however, the poles 7 of adjacent rotor disks 8 by an offset angle to each other shifted, which corresponds to the displacement angle of the first embodiment, so that here results in a staged acting staggering between the rotor disks 8.
  • FIG. 7 and 8 show a permanent magnet machine 14 'in which the rotor 1' is used.
  • the stator 15 corresponds exactly to the stator 15 of the synchronous machine 14.
  • the stator windings 19 are therefore provided in dental coil technology.
  • Fig. 9 finally shows in the form of a diagrammatic sketch of a portion of a rotor of a possibility of a particular Ausges ⁇ lay out your rotor pole shoe 4, in this case shown for the second off ⁇ guide shape of the rotor 1 'in which Polanordnun- gene in receptacles 21 are provided.
  • a similar Ausgestal ⁇ tion can be used in the rotor 1.
  • the pole piece 4 is subdivided in the circumferential direction, the different portions of the pole piece 4 being given by circumferential direction flow barriers 24. This provides a better discharge behavior of the flow of Permanentmag ⁇ Neten 5 is achieved.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Permanent Field Magnets Of Synchronous Machinery (AREA)
  • Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)
  • Permanent Magnet Type Synchronous Machine (AREA)

Abstract

Rotor (1, 1') für eine permanentmagnetische Maschine (14, 14')/ umfassend mehrere im Inneren des Rotors (1, 1') angeordnete, Pole (7) definierende Permanentmagnete (5), wobei - der Rotor (1, 1') aus wenigstens zwei koaxial aufeinanderfolgenden, denselben Radius aufweisenden, insbesondere gleichen, einzelnen Rotorscheiben (8) mit einer gleichen Anzahl von Polen (7) gleicher Ausdehnung in Umfangsrichtung besteht, - wobei die Rotorscheiben (8) jeweils durch wenigstens eine magnetischen Fluss zwischen den Rotorscheiben (8) vermeidende magnetische axiale Flusssperre (11) getrennt sind und - wobei die Pole (7) benachbarter Rotorscheiben (8) in Umfangsrichtung um einen vorgegebenen Versetzungswinkel, der kleiner als die Winkelausdehnung eines Pols (7) in Umfangsrichtung ist, gegeneinander versetzt angeordnet sind.

Description

Beschreibung
Rotor für eine permanentmagnetische Maschine
Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine permanentmagneti¬ sche Maschine, umfassend mehrere im Inneren des Rotors ange¬ ordnete, Pole definierende Permanentmagnete. Daneben betrifft die Erfindung eine permanentmagnetische Maschine, umfassend einen Stator mit insbesondere in Zahnspulentechnik gewickelten Polwicklungen und einen gegen den Stator drehbar gelagerten Rotor.
Bei permanentmagnetischen Maschinen, deren Rotoren Permanentmagneten umfassen, die die Rotorpole definieren, sind im Wesentlichen zwei verschiedene Ausgestaltungen bekannt. Zum einen wurden sogenannte IPM-Rotoren vorgeschlagen, bei denen die Permanentmagnete nicht auf der Außenseite des Rotors an¬ geordnet sind, sondern im Inneren des Rotors. Im Gegensatz dazu wurden auch sogenannte APM-Rotoren vorgeschlagen, also Rotoren mit außen liegenden Permanentmagneten, bei denen die Permanentmagnete auf der Oberfläche des Rotorkörpers vorgese¬ hen sind.
Das hauptsächliche Problem bei APM-Rotoren ist, dass die me¬ chanische Stabilität sichergestellt werden muss, weshalb eine aufwändige Bandagierung erforderlich ist. Doch die IPM- Konstruktion weist auch weitere Vorteile gegenüber den APM- Rotoren auf. So werden die Permanentmagnete bei IPM-Rotoren üblicherweise in ihre entsprechenden Aufnahmen eingeschoben und dort verklebt bzw. vergossen. Hierdurch können Magnettoleranzen ausgeglichen werden und somit kostengünstige Perma¬ nentmagnete eingesetzt werden. Weiterhin kann im Vergleich zum APM-Design im Bereich der Feldschwächung mit kleineren Strömen gearbeitet werden. Zur Problematik der IPM-Rotoren, dass der Fluss der Permanentmagnete aufgrund des Polschubs nun nicht mehr zwangsläufig in den Polen exakt senkrecht aus¬ tritt und magnetische Kurzschlüsse auftreten können, wurden bereits gangbare Lösungen vorgeschlagen. Probleme treten bei IPM-Rotoren jedoch dann auf, wenn die Wicklungen des Stators in der Zahnspulentechnik gewickelt sind, das bedeutet, dass die Wicklungen um einzelne Zähne des Stators geführt sind. Bei solchen mit Hilfe der Zahnspulen¬ technik gewickelten permanentmagnetischen Maschinen (Zahnspulenmaschinen) hat das Statordrehfeld erhebliche Oberwellenan¬ teile. Diese Oberwellenanteile können Schwankungen im Drehmo¬ ment des Rotors hervorrufen, die in der Fachsprache üblicher- weise als Pendelmomente bezeichnet werden.
Zur Lösung dieser Problematik, also zur Vermeidung bzw. Minimierung von Pendelmomenten bei Zahnspulenmaschinen, wurde vorgeschlagen, einen variablen Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator vorzusehen, um eine sinusförmige Flussvertei¬ lung zu erreichen. Dabei besteht allerdings das Problem, dass die örtliche Variation des Luftspalts hochexakt vorliegen muss, da ansonsten der positive Effekt nicht erreicht wird. Problematisch ist, dass der magnetische Fluss hier seitlich ausweichen kann und dann doch wieder zu Pendelmomenten führt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine kon¬ struktiv einfache, demgegenüber verbesserte Möglichkeit an¬ zugeben, Pendelmomente bei Verwendung der Zahnspulentechnik zu minimieren.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Rotor der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass
- der Rotor aus wenigstens zwei koaxial aufeinanderfolgenden, denselben Radius aufweisenden, insbesondere gleichen, einzelnen Rotorscheiben mit einer gleichen Anzahl von Polen gleicher Ausdehnung in Umfangsrichtung besteht,
- wobei die Rotorscheiben jeweils durch wenigstens eine mag¬ netischen Fluss zwischen den Rotorscheiben vermeidende magne- tische axiale Flusssperre getrennt sind und
- wobei die Pole benachbarter Rotorscheiben in Umfangsrich- tung um einen vorgegebenen Versetzungswinkel, der kleiner als die Winkelausdehnung eines Pols in Umfangsrichtung ist, gegeneinander versetzt angeordnet sind.
Erfindungsgemäß wird also vorgeschlagen, zur Minimierung bzw. Vermeidung von Pendelmomenten den Rotor in eine Anzahl von wenigstens zwei, insbesondere drei, Teilrotoren (Rotorschei¬ ben) zu zerlegen, die vorteilhafterweise in ihrer Ausgestal¬ tung gleich sind und gestaffelt angeordnet sind. Das bedeutet also, nachdem die Polstruktur der Polscheiben dieselbe ist, dass die Pole in axialer Richtung nicht an gleicher Position in Umfangsrichtung aufeinanderfolgen, sondern dass axial benachbarte Pole benachbarter Rotorscheiben jeweils um den Versetzungswinkel in einer vorgegebenen Richtung gegeneinander verschoben angeordnet sind. Dabei sind im Wesentlichen zwei Varianten denkbar. Verlaufen die Begrenzungen der Pole exakt in axialer Richtung, sind auch die Randbegrenzungen der Pole gegeneinander um den Versetzungswinkel versetzt. Es kann je¬ doch auch eine insgesamte „Schrägung" vorgesehen sein, wobei die in einem Winkel zu der Axialrichtung verlaufende Begren- zungen aufweisenden Pole so angeordnet sind, dass die Begren¬ zungen von Polen benachbarter Rotorscheiben fluchtend angeordnet sind. Letztlich ergibt sich dann ein Eindruck, dass der Rotorpol sich gegenüber der Axialrichtung schräg über den Rotor erstreckt, also nicht mehr der Axialrichtung folgt. Durch eine geeignete Wahl des Versetzungswinkels kann nun er¬ reicht werden, dass durch diese Ausgestaltung Pendelmomente minimiert werden. Mit anderen Worten ist der Versetzungswinkel erfindungsgemäß so gewählt, dass Pendelmomente minimiert sind .
In einer konkreten Ausgestaltung kann dabei vorgesehen sein, dass das der Zahl der Rotorscheiben entsprechende Vielfache des Versetzungswinkels ein Vielfaches des halben Statorwin¬ kels ist, der den Winkelabstand in Umfangsrichtung zweier be- nachbarter Statorpole eines mit dem Rotor zusammenwirkenden Stators beschreibt. Der genannte Statorwinkel, der sich als 360° geteilt durch die Zahl der Statorpole (Nutzahl) ergibt, wird häufig auch als „Nutteilung" des Stators bezeichnet und wird in Formeln beispielsweise mit aPS bezeichnet. Sind also n Polscheiben vorgesehen, und bezeichnet man den Versetzungswinkel mit γ, so werden besonders vorteilhafte Ergebnisse in der Minimierung der Pendelmomente erreicht, wenn
wobei m eine beliebige natürliche Zahl ist. Würde man es jedoch bei dieser einfachen Staffelung belassen, so träte das Problem auf, dass ein ungewollter axialer Fluss auftreten könnte, der deutliche Verluste im Betrieb der per¬ manentmagnetischen Maschine zur Folge hätte. Überdeckt bei¬ spielsweise der Statorpol mit in axialer Richtung verlaufen- den Begrenzungen lediglich einen Teil des insgesamt geschrägten Rotorpols, tendiert der magnetische Fluss der nicht über¬ deckten Permanentmagnete, die ja im Inneren des Rotors lie¬ gen, insbesondere durch die Rotorpolschuhe zu den bereits vom Stator überdeckten Anteil eines Pols gerichtet zu sein. Um dem entgegenzuwirken, wird erfindungsgemäß die Aufteilung in mehrere Rotorscheiben vorgeschlagen, wobei die einzelnen Rotorscheiben jeweils durch eine magnetischen Fluss zwischen den Rotorscheiben vermeidende magnetische axiale Flusssperre getrennt sind. Das bedeutet, es kann nicht mehr zu derartigen axialen Flussverläufen in größerem Maße kommen.
Die Erfindung ermöglicht also eine Reduktion von Pendelmomenten, wobei durch die Verwendung von magnetischen axialen Flusssperren auch kein axiales Pendeln des magnetischen Flus- ses der Permanentmagneten zwischen den Rotorscheiben auftritt. Das bedeutet, der Fluss der Permanentmagneten kann an nahezu einer rotorfesten Position verankert werden. Ferner erlaubt es die vorliegende Erfindung, die mechanische Kon¬ struktion ohne negative Einflüsse auf das magnetische Design zu verbessern. Das bedeutet, dass die Konstruktion für größe¬ re Drehzahlen als ein bekanntes IPM-Design verwendet werden kann. Hierzu kommen die bei der Verwendung von IPM-Rotoren ohnehin gegebenen Vorteile.
Der Aufbau der Rotorscheiben kann dabei beispielsweise so ge- wählt sein, dass die Permanentmagnete zwischen einem insbe¬ sondere einstückig für die Rotorscheibe ausgebildeten Rückschlusselement, insbesondere aus Eisen, und einem Polschuh, insbesondere aus Eisen, angeordnet sind. Das Rückschlussele¬ ment kann, wie erwähnt, einstückig ausgebildet sein und eine Aufnahme für eine Rotorwelle aufweisen. Der Permanentmagnet bildet gemeinsam mit dem Rückschlusselement und dem Polschuh letztlich den rotorseitigen Teil des magnetischen Kreises.
In weiterer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die axiale Flusssperre eine aus magne¬ tisch nicht leitenden Blechen, insbesondere aus nichtmagneti¬ schem Edelstahl, und/oder aus Kunststoff ausgebildete Fluss¬ sperrenscheibe umfasst. Eine derartige Flusssperrenscheibe kann beispielsweise dieselbe radiale Ausdehnung wie die Ro- torscheibe aufweisen und somit stabilisierend zwischen den Rotorscheiben angeordnet sein. Bezüglich einer geblechten Flusssperrenscheibe können die Bleche bevorzugt aus nichtmag¬ netischem Edelstahl ausgebildet sein, als Kunststoff bietet sich besonders ein temperaturfester Kunststoff an.
Es kann ferner vorgesehen sein, dass die Flusssperre wenigs¬ tens einen insbesondere ringförmigen Abstandshalter zur Bildung eines sperrend wirkenden Luftspalts umfasst. In diesem Fall sind also partielle axiale Abstandshalter zwischen den Rotorscheiben vorgesehen, die beispielsweise in einer Ringform ausgebildet sein können. Hierdurch wird ein axialer Luftspalt zwischen den Rotorscheiben als Flusssperre gebil¬ det. Auf diese Weise kann die Menge an benötigtem Material reduziert werden.
Die Permanentmagnete können vorzugsweise im Wesentlichen qua¬ derförmig sein. Hierbei ist es denkbar, dass jeder Pol exakt einen Permanentmagneten umfasst, zweckmäßigerweise kann je- doch auch vorgesehen sein, dass ein Pol wenigstens zwei insbesondere in einer V-Form angeordnete Permanentmagneten um- fasst. Die mehreren Permanentmagneten sind, beispielsweise bei zwei Permanentmagneten in einer V-Form, dann so angeord- net, dass ein möglichst senkrechter Austritt des magnetischen Flusses an den Polen gefördert wird, mithin die Richtung des Flusses beispielsweise nach Art einer Fokussierung beein- flusst wird. Verschiedene Ausgestaltungen sind im Stand der Technik grundsätzlich bekannt.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass ein den Permanentmagneten statorseitig abdeckender Polschuh den Fluss in Umfangsrich- tung sperrende, radial verlaufende Umfangsrichtungsflusssper- ren aufweist. Durch eine Unterteilung des Rotorpolschuhs in
Umfangsrichtung durch auch hier vorgesehene Flusssperren werden Flussverschiebungen bzw. ein Pendeln des Flusses in Um- fangsrichtung vermieden, was ein verbessertes Weiterleiten des magnetischen Flusses der Permanentmagneten zur Oberfläche des Rotors erlaubt. Die Umfangsrichtungsflusssperren können dabei ähnlich wie die axialen Flusssperren durch nichtmagnetisch leitfähige Materialien oder im Zusammenhang mit Abstandshaltern durch Luftspalte gebildet werden. Es kann ferner vorgesehen sein, dass zwei Pole einer Rotorscheibe trennend ein von dem magnetischen Fluss der Perma¬ nentmagneten gesättigter Steg zur Begrenzung eines magnetischen Kurzschlussflusses zwischen benachbarten Polen vorgesehen ist. Zwischen den Polen besteht die Gefahr, dass sich be- reits im Rotor über den Rotorpolschuh und das Rückschlussele¬ ment ein geschlossener magnetischer Kreis bildet, mithin magnetischer Fluss verlorengeht. Entsprechend wird in den Berei¬ chen zwischen den durch die Permanentmagneten definierten Polen in dieser Ausgestaltung nur ein schmaler Steg vorgesehen, der schnell gesättigt ist und mithin einen magnetischen Kurz- schlussfluss stark begrenzt. Der Steg kann hierbei auch als Halterung des Rotorpolschuhs ausgebildet sein. In einer alternativen, erfindungsgemäß bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die den Permanentmagneten und einen den Permanentmagneten statorseitig abdeckenden Polschuh umfassenden Polanordnungen wenigstens zwei in Rich- tung auf die benachbarten Pole angeordnete nichtmagnetische Abstandshalter zur Vermeidung eines magnetischen Kurzschlussflusses zwischen benachbarten Polen einer Rotorscheibe umfassen. Es kann also vorgesehen sein, dass der kurzgeschlossene Fluss durch einen magnetisch nichtleitenden Abstandshalter zwischen den Polen reduziert wird. Dabei kann vorgesehen sein, dass das Rückschlusselement eine speziell ausgebildete Aufnahme für die Polanordnung an seiner Außenseite aufweist. Die Polanordnung kann keilförmig mit der schmalen Seiten nach außen ausgebildet sein, so dass sie in der Aufnahme trotz des außen liegenden Polschuhs gehalten wird. Nach außen wird die Polanordnung dann mittels der Abstandshalter abgestützt, insbesondere dann, wenn die Aufnahme aus dem Rückschlusselement gebildet wird. Im Gegensatz zur Verwendung eines Steges wird der magnetische Kurzschluss hier sehr viel deutlicher reduziert oder gar gänzlich vermieden, so dass der Permanentmagnet optimal aus¬ genutzt werden kann und somit beispielsweise die Kosten für die Permanentmagneten gesenkt werden können.
Weiterhin kann zweckmäßigerweise vorgesehen sein, dass der Rotor an seiner Außenseite bandagiert ist. Auch der erfindungsgemäße Rotor kann also mit einer zusätzlichen Bandage versehen werden, um höhere Betriebsdrehzahlen des Rotors zu ermöglichen.
Neben dem Rotor betrifft die vorliegende Erfindung auch eine permanentmagnetische Maschine, umfassend einen Stator mit insbesondere in Zahnspulentechnik gewickelten Polwicklungen und einen gegen den Stator drehbar gelagerten erfindungsgemäßen Rotor. Sämtliche Ausführungen bezüglich des erfindungsgemäßen Rotors lassen sich analog auf die erfindungsgemäße Ma¬ schine übertragen, so dass auch hier die bereits genannten Vorteile erreicht werden können. Die durch die in Zahnspulentechnik gewickelten Polwicklungen des Stators ausgelösten Oberwellenanteile werden durch die spezielle Ausgestaltung des Rotors derart aufgefangen, dass die Pendelmomente mini- miert sind.
Dabei sei an dieser Stelle hervorgehoben, dass es im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich ist, vorteilhafterweise einen über die gesamte Oberfläche des Rotors konstanten Luft- spalt zu dem Stator vorzusehen, das bedeutet, eine örtliche Variation des Luftspalts zur Minimierung von Pendelmomenten ist nicht mehr notwendig. Mithin entsteht kein erhöhter mag¬ netischer Widerstand im Luftspalt, so dass sich im Permanent¬ magnet ein Arbeitspunkt mit maximalem Fluss einstellt und der Permanentmagnet somit optimal ausgenutzt werden kann.
Alternativ kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator sich ortsabhängig zur weiteren Reduzierung von Pendelmomenten verändert. Es ist al- so auch denkbar, die beiden Methoden zur Minimierung von Pendelmomenten zu kombinieren und gemeinsam einzusetzen, was dann von Vorteil sein kann, wenn bezüglich der Staffelung der Rotorscheiben keine exakte Kompensation gewünscht ist. Bevorzugt wird jedoch, einen konstanten Luftspalt vorzusehen.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine Perspektivansicht eines erfindungsgemäßen
Rotors einer ersten Ausführungsform,
Fig. 2 eine Aufsicht auf den Rotor gemäß Fig. 1,
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer den Rotor aus Fig. 1 und Fig. 2 verwendenden erfindungsgemäßen permanentmagnetischen Maschine, Fig. 4 einen Teilquerschnitt durch die Maschine gemäß
Fig. 3,
Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines erfindungs- gemäßen Rotors einer zweiten Ausführungsform,
Fig. 6 eine Aufsicht auf den Rotor gemäß Fig. 5,
Fig. 7 eine perspektivische Ansicht einer den Rotor aus Fig. 5 und Fig. 6 verwendenden erfindungs¬ gemäßen permanentmagnetischen Maschine,
Fig. 8 einen Teilquerschnitt durch die Maschine gemäß
Fig. 7, und
Fig. 9 eine Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Rotors mit Umfangsrichtungsflusssperren .
Fig. 1 zeigt eine Perspektivansicht eines Rotors 1 in einer ersten Ausführungsform. Der Rotor 1 weist zentral eine Aufnahme 2 für eine Rotorwelle auf. Diese wird definiert durch ein in diesem Fall einstückig ausgeführtes, geblechtes Eisen¬ rückschlusselement 3. Zwischen dem Eisenrückschlusselement 3 und den den Rotor nach außen abschließenden Rotorpolschuhen 4 sind quaderförmige Permanentmagnete 5 angeordnet, die mithin im Inneren des Rotors 1 liegen. Die Rotorpolschuhe 4 sind kappenartig ausgebildet und werden durch Stege 6 getragen, so dass sich insgesamt eine Aufnahme für die Permanentmagnete 5 ergibt. Jeder der Permanentmagneten 5 definiert mithin einen Pol 7, der mit entsprechenden Polen eines Stators wechsel¬ wirkt, so dass eine permanentmagnetische Maschine im motori¬ schen oder generatorischen Betrieb betrieben werden kann.
Vorliegend ist der im Wesentlichen zylinderförmige Rotor 1 jedoch nicht einstückig ausgebildet, sondern in drei Rotorscheiben 8 aufgeteilt, die vorliegend alle gleich sind, das bedeutet, sie umfassen dieselbe Polzahl (hier acht) , und die geometrische Ausgestaltung der Teilkomponenten jeder Rotor- scheibe 8 (Rückschlusselement 3, Polschuhe 4, Permanentmagne¬ te 5 und Stege 6) ist bei allen Rotorscheiben 8 dieselbe. Hieraus ergibt sich, dass die Rotorscheiben 8 denselben Radius haben und die acht Pole eine gleiche Ausdehnung in Um- fangsrichtung aufweisen.
Ersichtlich ist im hier dargestellten Ausführungsbeispiel jedoch die Begrenzung 9 im Bereich der Pole 7, definiert durch die Stege 6, nicht in axialer Richtung verlaufend ausgebil- det, sondern unter einem Winkel zur axialen Richtung, das bedeutet, sie verläuft schräg.
Um den Gesamtrotor 1 zu erhalten, werden die Rotorscheiben 8 nun koaxial zueinander benachbart angeordnet, wie in Fig. 1 gezeigt, und zwar so, dass die benachbarten Rotorscheiben 8 jeweils gegeneinander um einen vorbestimmten Versetzungswinkel, der einer Versetzungsstrecke 10 entspricht, verdreht sind, so dass die Begrenzungen 9 aneinander anschließen, wie aus Fig. 2 besonders deutlich ersichtlich ist. Zwischen den Rotorscheiben 8 ist dabei jeweils eine axiale Flusssperre 11 angeordnet, welche hier als eine durchgängige Flusssperren¬ scheibe 12 aus einem nichtmagnetischen Material ausgebildet ist, vorliegend aus nichtmagnetischem Edelstahl, insbesondere geblecht, wobei auch eine Ausgestaltung aus Kunststoff denk- bar ist. Die axialen Flusssperren 11 verhindern, dass es zu einem übermäßigen Pendeln des Flusses der Permanentmagneten 5 in axialer Richtung zwischen den Rotorscheiben 8 aufgrund der Staffelung kommt. Dabei sei an dieser Stelle angemerkt, dass, obwohl dies hier nicht näher dargestellt ist, als Flusssperre 11 auch partiel¬ le Abstandshalter verwendet werden können, die einen sperrend wirkenden Luftspalt definieren und beispielsweise als Ringe ausgebildet sein können. Ferner können die Begrenzungen 9 auch in axialer Richtung verlaufen, wobei derselbe Versetzungswinkel verwendet werden kann. Der Versetzungswinkel (und somit die Versetzungsstrecke 10) wird dabei so gewählt, dass Pendelmomente aufgrund der Ober¬ wellenanteile bei Statorwicklungen in Zahnspulentechnik minimiert werden. Betrachtet man im vorliegenden Ausführungsbei- spiel den Gesamtversatz 13, der einem Gesamtversatzwinkel entspricht, welcher vorliegend dreimal dem Versetzungswinkel entspricht, so ist dieser vorliegend als Vielfaches des hal¬ ben Statorwinkels gewählt, beispielsweise als genau der halbe Statorwinkel, der den Winkel zwischen zwei Statorpolen be- schreibt. Das bedeutet, im vorliegenden Ausführungsbeispiel gilt, dass das Dreifache des Versetzungswinkels dem halben Statorwinkel zwischen zwei Polen des Stators entspricht.
Während also durch die versetzten Pole den Pendelmomenten entgegengewirkt werden kann, reduzieren die Flusssperren 11 deutlich ein axiales Pendeln von Flüssen zwischen den Rotorscheiben 8, die als Teilrotoren aufgefasst werden können.
Fig. 3 zeigt eine Synchronmaschine 14, bei der der Rotor 1 innerhalb eines Stators 15 drehbar gelagert ist, wobei Fig. 4 einen teilweisen Querschnitt der Synchronmaschine 14 zeigt. Ersichtlich umfasst der Stator wie grundsätzlich bekannt ein Statorjoch 16, Zähne 17 und Statorpolschuhe 18, die vorlie¬ gend einteilig, beispielsweise aus geblechtem Eisen, ausge- bildet sind. Um die Statorzähne 17 sind Statorwicklungen 19 gelegt, ersichtlich in der Zahnspulentechnik. Die Statorwicklungen 19 sind dabei insgesamt dreiphasig ausgeführt.
Aus Fig. 4 ist ferner genauer die Stegkonstruktion mit dem Steg 6 zu erkennen, die den magnetischen Kurzschluss von dem Permanentmagneten 5 über den Rotorpolschuh 4 in das Rückschlusselement 3 begrenzt und gleichzeitig die Gesamtkon¬ struktion des Rotors 1 stabilisiert. Ferner ist deutlich er¬ sichtlich, dass der Luftspalt 20 zwischen dem Rotor 1 und dem Stator 15 eine konstante Breite aufweist. Zwar ist es grund¬ sätzlich auch möglich, den Luftspalt ortsabhängig zu variieren, um zwei Methoden zur Reduzierung von Pendelmomenten, al- so Drehmomentschwankungen, zu kombinieren, jedoch ist der Luftspalt 20 konstanter Breite erfindungsgemäß bevorzugt.
Die Figuren 5 bis 8 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel, wobei der Einfachheit halber gleiche Komponenten mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.
Die Figuren 5 und 6 zeigen eine modifizierte, zweite Ausfüh¬ rungsform eines erfindungsgemäßen Rotors 1'. Im Unterschied zum Rotor 1 sind bei dem Rotor 1' Aufnahmen 21 für Polanordnungen an den Positionen der Pole 7 jeder Rotorscheibe 8 vorgesehen. Die Aufnahmen 21 sind nach oben hin verengt, so dass die eine leichte Keilform aufweisenden Polanordnungen fest darin gehalten sind, vgl. hierzu auch Fig. 8. Damit nun kein Kurzschluss zwischen dem Polschuh 4, der Teil der Polanordnung ist, und den Rückschlusselementen 3 entsteht, umfasst die Polanordnung neben dem Permanentmagneten 5 und dem Rotorpolschuh 4 Abstandshalter 22, die aus einem nichtmagnetischen Material bestehen und mithin magnetische Kurzschlüsse auf diesem Weg verringern. Dennoch ist eine stabile Halterung der Polanordnung in der Aufnahme 21 gegeben.
Die Begrenzungen 9 der Polbereiche der Pole 7 sind im vorlie¬ genden Ausführungsbeispiel nicht als gegenständliche Merkmale vorhanden, sondern verlaufen - hier in axialer Richtung - entsprechend der Mittellinien zwischen zwei Aufnahmen 21. Auch hier sind jedoch die Pole 7 benachbarter Rotorscheiben 8 um einen Versetzungswinkel gegeneinander verschoben, der dem Versetzungswinkel der ersten Ausführungsform entspricht, so dass sich hier eine stufig wirkende Staffelung zwischen den Rotorscheiben 8 ergibt.
Die Rotorscheiben 8 sind wiederum durch Flusssperren 11 axialer Art getrennt, wobei vorliegend ringförmige Abstandshalter 23 verwendet werden, so dass ein eine Sperrwirkung entfaltender Luftspalt zwischen den Rotorscheiben 8 entsteht. Die Figuren 7 und 8 zeigen eine permanentmagnetische Maschine 14', in der der Rotor 1' verwendet wird. Der Stator 15 entspricht dabei exakt dem Stator 15 der Synchronmaschine 14. Wiederum sind die Statorwicklungen 19 also in Zahnspulentech- nik vorgesehen.
In Fig. 8 sind dabei besonders deutlich die verschiedenen Komponenten der Polanordnung, insbesondere die Abstandshalter 22, sowie die leichte Keilform zu erkennen.
Fig. 9 zeigt schließlich in Form einer Prinzipskizze eines Teils eines Rotors eine Möglichkeit einer besonderen Ausges¬ taltung des Rotorpolschuhs 4, vorliegend für die zweite Aus¬ führungsform des Rotors 1' dargestellt, bei der Polanordnun- gen in Aufnahmen 21 vorgesehen sind. Eine ähnliche Ausgestal¬ tung lässt sich jedoch auch bei dem Rotor 1 einsetzen.
Ersichtlich ist der Polschuh 4 in Umfangsrichtung unterteilt, wobei die verschiedenen Anteile des Polschuhs 4 durch Um- fangsrichtungsflusssperren 24 gegeben sind. Hierdurch wird ein besseres Austrittsverhalten des Flusses des Permanentmag¬ neten 5 erreicht.
Es sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass es auch möglich ist, mehr als einen Permanentmagneten 5 an jedem Pol 7 vorzusehen. Beispielsweise können zwei Permanentmagneten vorgesehen sein, die dann V-artig angeordnet sind, um den Magnet- fluss der Permanentmagneten 5 auch durch diese Maßnahme zu verbessern .
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele einge- schränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .

Claims

Patentansprüche
1. Rotor (1, 1') für eine permanentmagnetische Maschine (14, 14')/ umfassend mehrere im Inneren des Rotors (1, 1') angeordnete, Pole (7) definierende Permanentmagnete (5, da¬ durch gekennzeichnet, dass
- der Rotor (1, 1') aus wenigstens zwei koaxial aufeinanderfolgenden, denselben Radius aufweisenden, insbesondere gleichen, einzelnen Rotorscheiben (8) mit einer gleichen Anzahl von Polen (7) gleicher Ausdehnung in Umfangsrichtung besteht,
- wobei die Rotorscheiben (8) jeweils durch wenigstens eine magnetischen Fluss zwischen den Rotorscheiben (8) vermeidende magnetische axiale Flusssperre (11) getrennt sind und
- wobei die Pole (7) benachbarter Rotorscheiben (8) in Um- fangsrichtung um einen vorgegebenen Versetzungswinkel, der kleiner als die Winkelausdehnung eines Pols (7) in Umfangs- richtung ist, gegeneinander versetzt angeordnet sind.
2. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in einem Winkel zu der Axialrichtung verlaufende Begrenzungen
(9) aufweisenden Pole (7) so angeordnet sind, dass die Be¬ grenzungen (9) von Polen (7) benachbarter Rotorscheiben (8) fluchtend angeordnet sind.
3. Rotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Versetzungswinkel so gewählt ist, dass Pendelmomente minimiert sind.
4. Rotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das der Zahl der Rotorscheiben (8) ent¬ sprechende Vielfache des Versetzungswinkels ein Vielfaches des halben Statorwinkels ist, der den Winkelabstand in Um- fangsrichtung zweier benachbarter Statorpole eines mit dem Rotor (1, 1') zusammenwirkenden Stators (15) beschreibt.
5. Rotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (5) zwischen einem insbesondere einstückig für die Rotorscheibe (8) ausgebilde- ten Rückschlusselement (3) , insbesondere aus Eisen, und einem Polschuh (4), insbesondere aus Eisen, angeordnet sind.
6. Rotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Flusssperre (11) eine aus magnetisch nicht leitenden Blechen, insbesondere aus nichtmagnetischem Edelstahl, und/oder aus Kunststoff ausgebildete Flusssperrenscheibe (12) umfasst.
7. Rotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Flusssperre (11) wenigstens einen insbesondere ringförmigen Abstandshalter (23) zur Bildung eines sperrend wirkenden Luftspalts umfasst.
8. Rotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Pol (7) wenigstens zwei insbeson¬ dere in einer V-Form angeordnete Permanentmagneten (5) umfasst .
9. Rotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein den Permanentmagneten (5) statorsei- tig abdeckender Polschuh (4) den Fluss in Umfangsrichtung sperrende, radial verlaufende Umfangsrichtungsflusssperren (24) aufweist.
10. Rotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Pole (7) einer Rotorscheibe (8) trennend ein von dem magnetischen Fluss der Permanentmagneten (5) gesättigter Steg (6) zur Begrenzung eines magnetischen Kurzschlussflusses zwischen benachbarten Polen (7) vorgesehen ist .
11. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass den Permanentmagneten (5) und einen den Perma- nentmagneten (5) statorseitig abdeckenden Polschuh (4) umfassende Polanordnungen wenigstens zwei in Richtung auf die be¬ nachbarten Pole (7) angeordnete nichtmagnetische Abstandshal¬ ter (22) zur Vermeidung eines magnetischen Kurzschlussflusses zwischen benachbarten Polen (7) einer Rotorscheibe (8) umfassen .
12. Rotor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , dass die Polanordnung keilförmig mit der schmalen Seite nach außen ausgebildet ist.
13. Rotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (1, 1') an seiner Außenseite bandagiert ist.
14. Permanentmagnetische Maschine (14, 14')/ umfassend einen Stator (15) mit insbesondere in Zahnspulentechnik gewickelten Polwicklungen (19) und einen gegen den Stator (15) drehbar gelagerten Rotor (1, 1') nach einem der vorangehenden Ansprüche .
15. Maschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftspalt (20) zwischen dem Rotor (1, 1') und dem Stator (15) sich ortsabhängig zur weiteren Reduzierung von Pendelmomenten verändert.
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