WO2013135376A2 - Elektrische maschine mit hoher effizienz - Google Patents

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WO2013135376A2
WO2013135376A2 PCT/EP2013/000740 EP2013000740W WO2013135376A2 WO 2013135376 A2 WO2013135376 A2 WO 2013135376A2 EP 2013000740 W EP2013000740 W EP 2013000740W WO 2013135376 A2 WO2013135376 A2 WO 2013135376A2
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rotor
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rare earth
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Jin Xu
Daniel FIEDERLING
Grzegorz Leszek SAWCZUK
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Brose Fahrzeugteile GmbH & Co. Kommanditgesellschaft, Würzburg
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Definitions

  • the invention is in the field of electrical engineering and can be used with advantage in rotating electrical machines, such as electric motors and generators.
  • the invention relates to an electric machine, in particular an electric motor with a stator and a rotor rotatably mounted about a rotor axis with a rotor body, wherein permanent magnets are arranged in receptacles of the rotor body.
  • Such machines may on the one hand be designed as an inner rotor with an inner rotor surrounded by a stator and on the other hand also as an outer rotor with a hollow cylindrical rotor, inside which a stator is arranged.
  • permanent magnets brushless version
  • permanent magnets in the stator and electromagnets in the rotor are provided in the rotor.
  • such machines can be optimized so that particularly high magnetic field strengths are generated in the magnetic gap between the rotor and stator, whereby high torques and power densities can be achieved.
  • the present invention is therefore based on the object to provide an electrical machine of the type mentioned with permanent magnets, which are optimized for the highest possible power density of the machine and a high stability, especially at high temperatures.
  • the permanent magnets at least partially consist of a mixed material, wherein the mixture is adjusted such that the mixing material at room temperature, a remanence field strength Br between 0.6 Tesla and 1 Tesla and a coercive force Hcj between 1300 and 2500 KA / m has.
  • the room temperature is assumed to be 20 degrees Celsius.
  • the mixed material continuously at temperatures of 20 degrees Celsius to 120 degrees Celsius, preferably also up to 180 degrees Celsius has a remanence field strength Br between 0.6 Tesla and 1 Tesla and a coercive force Hcj between 1300 and 2500 KA / m.
  • a particularly advantageous embodiment of the invention provides that at least some, in particular all permanent magnets at least partially consist of a mixed material, which is a mixture of a ferrite material and a rare earth having magnetic material.
  • the abovementioned materials do not quite suffice for known rare earth materials, and in particular for the coercitive field strength, not for the materials with mass fractions of heavy rare earths and for remanence, not for materials containing mostly light rare earths.
  • the sizes mentioned are adjustable so that the necessary field strengths, magnetic fluxes and in the critical areas the necessary coercive field strengths and the necessary magnetic remanence can be achieved by suitable geometric arrangement of the permanent magnets in recesses of the rotor body, for an electrical machine high performance and in particular thermal stability and stability are required.
  • the mentioned quantities with respect to coercive field strength and remanence can be achieved particularly advantageously by a mixed material with rare earth mass fractions, in particular light rare earth mass fractions and fractions of ferrite materials.
  • rare earth mass fractions in particular light rare earth mass fractions and fractions of ferrite materials.
  • heavy heavy rare earth materials may advantageously be completely eliminated, i. H. their mass fraction can be zero or at least less than one percent. This makes the required materials available and relatively affordable.
  • all of the permanent magnets which are arranged in the rotor have the above-described composition of mixed materials, in particular of the same mixed material.
  • a second set of permanent magnets are used, which also all have the same material composition and in particular have a higher ferrite content than the first set of permanent magnets, advantageously consist exclusively of a ferrite.
  • the mixing material of the first set of permanent magnets with respect to the mixing ratios can be set such that the temperature coefficient of remanence Br in a temperature range between -50 degrees and 180 degrees Celsius between - 0.11% / K and 0% / K is.
  • the mixing material of the first set of permanent magnets is inserted with respect to the mixing ratios in such a way. is that the temperature coefficient of the coercive force Hcj (beta) in a temperature range between -50 degrees and 180 degrees Celsius is between - 0.5% / K and + 0.4% / K.
  • the mixed material of which the permanent magnets or at least some of the permanent magnets consist a ferrite powder and a rare earth powder.
  • the mixed material may be made as a solid from a homogeneous mixture of a ferrite powder and a rare earth powder by sintering or other known molding techniques.
  • the mixture in particular of the rare earth component in the overall mixed material or of the ferrite powder in the overall mixed material, wherein the gradient may represent a sudden or continuously linear or non-linear increase in the concentration of one of the substances ,
  • the proportion of the rare earth powder along the longitudinal axis of the permanent magnet or of the permanent magnets can increase or decrease from a region located radially further outward to a region of the permanent magnet lying further radially inwards.
  • a further advantageous embodiment of the invention can provide that the mixed material is bound by a polymer, for example by a casting resin.
  • the individual powders may be mixed with a polymer initially to a liquid or a gel, and this may be put into a mold. be poured and hardened.
  • a mold for example, serve as a recess in the form of a receptacle in the rotor body, in which the permanent magnet remains after hardening.
  • the casting can also be designed as a die-casting or injection molding process.
  • the curing of the polymer material can be accelerated by physical effects such as X-ray irradiation, alpha, beta or gamma irradiation or heat.
  • an orientation magnetic field can be applied to produce an anisotropic material.
  • the individual powders which form the constituents of the mixed material can in turn be produced by comminuting, in particular grinding, a previously magnetically oriented material.
  • the ferrite powder and / or the rare earth powder, in particular NdFeB be designed magnetically anisotop.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that the cross section of one or more of the permanent magnets, viewed perpendicular to the longitudinal axis of the respective receptacle, at least partially reduced towards the radially outer end of the respective receptacle in the rotor body and that the permanent magnets at least at their radially outer end, in particular with their entire outer contour, mating fit with the respective recording.
  • the permanent magnets By this form of the permanent magnets they can be accommodated and kept low within the respective receptacle in the rotor body.
  • the strong radial centrifugal forces which act on the permanent magnets, in particular at high rotational speeds, are absorbed by the edge surfaces of the receptacles in the rotor body.
  • a positive engagement of the permanent magnets on the edge surfaces of the images allows a homogeneous distribution of force when centrifugal forces occur.
  • the fact that the cross-sectional area of the permanent magnets is at least partially radially outward. It allows to achieve a positive fixing of the permanent magnets by a correspondingly tapered shape of the recording without special retaining lugs must be provided radially outward of the receptacles in the vicinity of the magnetic gap.
  • the centrifugal forces can be well distributed by a correspondingly recorded form of the images.
  • one or more permanent magnets has / have a stepped cross-sectional widening towards the radially inner end and the cross-sectional widening rests on the edge of a corresponding cross-sectional widening of the receptacle, the radial slipping out of the permanent magnets from the receptacles is effectively prevented.
  • a further advantageous embodiment of the invention provides that a permanent magnet in the form of a composite body has a radially outer and a radially inner permanent magnet and that the radially inner permanent magnet at the joint between the two permanent magnets has a larger cross-sectional area than that radially outer permanent magnet.
  • the respective permanent magnets as Komposit Sciences, consisting of at least two permanent magnets, wherein the joint between the partial permanent magnets forms a support surface for a correspondingly complementary edge portion of the receptacle in the rotor body, to which the permanent magnet during rotation is retained by the then acting centrifugal forces.
  • the further radially outward of the permanent magnet is then advantageously mechanically connected to the inner permanent magnet.
  • the connection can be ensured by gluing, clamping or by a positive connection or other joining techniques.
  • the permanent magnets which together form a composite body, one or more, in particular two, of a
  • Mixed material consist, which has the magnetic properties of the invention.
  • two or all of the permanent magnets of a composite body can consist of a corresponding mixing material, in particular of the same mixing material.
  • two joined permanent magnets have at least one composite body mutually parallel magnetization directions.
  • This structural design allows the magnetic flux to be set up particularly favorably in the rotor body.
  • the permanent magnets and / or composite bodies are part of a V-shaped arrangement of components of a magnetic circuit.
  • Such V-shaped arrangements of permanent magnets in a rotor wherein the legs of the V do not run exactly radially to the rotor axis, but meet at a point which is radially away from the rotor axis a bit, allows a particularly efficient design of the magnetic flux with correspondingly high field strengths and a high energy density of the electrical machine.
  • a particularly advantageous magnetic embodiment provides that the permanent magnets and / or composite bodies are part of a Halbach arrangement of components of a magnetic circuit.
  • the permanent magnets of the Halbach arrangement can be distributed along the circumference of the rotor.
  • FIGS. 4-11 in cross section further permanent magnet configurations
  • FIG. 13 shows in a further cross-section a further rotor of an electric motor with barrel-shaped in cross-section permanent magnet
  • Fig. 14 is a diagram with parameters of magnetic materials
  • FIG. 5 shows in cross-section an external rotor and an inner stator of an external rotor motor
  • Fig. 16 in cross section a section of a further rotor of a
  • 17 is a partial cross-sectional view of part of a rotor and a stator of an electric motor, wherein two permanent magnets are shown in a V-configuration
  • FIG. 18 is a schematic cross section of a rotor of an electric motor, wherein the permanent magnets are arranged in V-configurations,
  • Fig. 9 partially a cross section of a rotor and a stator of a
  • FIG. 20 shows an arrangement as shown in FIG. 19 with a double-trapezoidal shaped permanent magnet in cross-section, FIG.
  • 21 is a cross section of a rotor with tonnenformig in cross-section permanent magnet in spoke arrangement
  • Fig. 22 is a rolled-up view of a rotor with barrel-shaped in cross-section permanent magnet and
  • FIG. 23 is an unrolled view of a cross section of a rotor of FIG
  • Electric motor similar to FIG. 22, with the cross-sectionally shaped permanent magnets are in two parts barrel-shaped.
  • FIG. 1 shows a rotor 1 of an electric motor, which is rotatably mounted within a stator 2 about a rotor axis 3. It is visible in the cross-section of FIG. 1 that six permanent magnets 5, 6 are held within receptacles 5a, 6a within the rotor body 4, the longitudinal axes 7 of the receptacles being aligned radially with respect to the rotor axis 3. It is in such a construction is a so-called spoke-like arrangement of the permanent magnets.
  • the magnetic gap 8 is shown exaggerated in FIG. It is formed between the stator and the cylindrical outer surface of the rotor 1.
  • the permanent magnets 5, 6 are not quite up to the cylindrical outer surface of the rotor 1, since they are retained by lugs 9, 10 of the rotor body in the region of the radially outer part of the receptacles 5a, 6a in these. In particular, in the case of rapid rotation, centrifugal forces act radially outward on the permanent magnets 5, 6, so that the lugs 9, 10, which hold each individual one of the permanent magnets, are subjected to considerable forces.
  • Fig. 2 shows a constellation of a rotor V and a stator 2 ', wherein in the stator 2' in cross-section so-called stator teeth 1 1, 12 are shown, each carrying electrical windings 15, 16 in lying between them Statornuten 13, 14.
  • the windings 15, 16 are acted upon by a drive electronics, not shown, for generating a rotating electric field with a time-varying current.
  • the rotor 1 ' carries in recordings each spoke-like on the rotor axis 3 aligned permanent magnets 5', 6 ', which are each divided into two in the radial direction and are each formed as a composite body with a first partial magnet 17 and a second partial magnet 18.
  • the permanent magnets 5 ', 6' can For example, by means of approaches as shown in Fig. 1 and there designated 9, 10 are retained in the recordings or held in these by known joining techniques such as gluing, soldering, welding, clamping or a positive connection.
  • the permanent magnets 5 ', 6' extend radially to the cylindrical outer surface of the rotor and close with this flush.
  • the partial magnet 17 located radially further outwards in the respective receptacle is formed from a first set of permanent magnets each as a ferrite component or with a proportion of ferrite materials, whereas the part magnet 18 lying radially further inward forms a second quantity of Permanent magnet belongs, consists of a material containing rare earths.
  • This partial magnet advantageously contains predominantly light rare earths, in particular a higher proportion of light rare earths than heavy rare earths, furthermore advantageously no proportion of heavy rare earths.
  • Both partial magnets can each consist of one, in particular of the same mixing material according to the invention, wherein advantageously the mixing material of the radially further inside partial magnet contains a smaller proportion of rare earth elements than the radially outer magnet located part.
  • the permanent magnet constellation as a whole in the area in which the greatest magnetic field strengths act, i. in the vicinity of the magnetic gap, at least predominantly or completely consist of a ferrite, which is inexpensive and has a sufficient coercive force, while the high magnetic remanence of rare earth materials is exploited in those partial magnets 18, the radially further inside and from disturbing magnetic fields on lie away. In this way, it is prevented that a demagnetization takes place in the region of the magnetic gap, wherein a total of a minimum proportion of rare earth materials is used.
  • a third set of permanent magnets are each inserted between two spoke-like adjacent permanent magnet constellations.
  • the permanent magnets of the third quantity may for example consist of a ferrite material, in particular without rare earth components.
  • the possible magnetic field or magnetic flux constellations achieved thereby, for example Halbach arrangements, will be discussed in more detail below.
  • 3 to 11 denote in cross-section Permanentmagnetkonstellationen with 2 permanent magnets, each having a first partial magnet in the respective upper region of the representation and a second partial magnet in the respective lower region of the representation.
  • the figures are arranged so that the lower portion of the representation of the rotor axis of a rotor of an electromagnet is further than the upper portion.
  • One or both of the magnets shown in each case can consist of a mixed material whose mixture is adjusted such that the mixture material has a remanence field strength Br between 0.6 Tesla and 1 Tesla at room temperature and a coercive field strength Hcj between 1300 and 2500 KA / m.
  • the corresponding permanent magnet constellations can be used in a spoke-like arrangement with respect to the rotor axis, however, a so-called V-shaped constellation of permanent magnets is conceivable, which will be discussed in more detail below.
  • the respective permanent magnet constellations are advantageously housed in receptacles of a rotor body, which are advantageously formed positively with respect to the permanent magnet constellations, i. surround the permanent magnet constellations without gaps.
  • the receptacles surround the respective magnetic constellations in a form-fitting manner only in partial regions, for example in each case in the regions in which the cross section of the permanent magnet constellation is reduced in the direction radially outward.
  • the rotor axis 3 is shown by way of example above the permanent magnet constellation.
  • the cross section of both partial magnets 17, 18 is rectangular and equal in size, so that the entire magnetic constellation is formed rectangular with constant cross section.
  • the magnetization directions 21, 22 of the two partial magnets 17, 18 are indicated by arrows as in all other permanent magnet constellations of Figs. 3 to 11 as well.
  • a rectangular extension 23 is provided in the radially inner region, by means of which the magnetic constellation is held in the receptacle with radially acting centrifugal forces.
  • the radially inner partial magnet of the magnet constellation is designed to be longer in the radial direction than the radially outer partial magnet.
  • the division is reversed, so that there the radially inner partial magnet is shorter in the radial direction than the radially outer partial magnet.
  • FIG. 5 shows a trapezoidal cross-section of the radially inner part magnet 24, wherein the trapezoid tapers radially outward.
  • the radially outer partial magnet 18 "is rectangular.
  • Fig. 6 shows radially inwardly a partial magnet 25 with a rectangular extension 23 ', wherein the radially outer partial magnet 26 in cross-section trapezoidal, extending radially outward, is formed.
  • Fig. 7 shows the radially inner part of the magnet 24 'in cross section in trapezoidal formation radially tapering outward, wherein the radially outer part magnet 26' as a trapezoid, as shown in Fig. 6, is formed tapering radially inwardly.
  • All constellations shown in FIGS. 4 to 7 have undercuts which reliably prevent radial outward slipping out of a correspondingly shaped receptacle in a rotor body.
  • FIG. 8 shows a cross-section of a rectangular magnet constellation, with the radially inner partial magnet 27 having a smaller extent in the radial direction than the partial magnet 28 lying radially on the outside.
  • the magnetic constellation of FIG. 9 shows in cross-section a rectangular radially inner partial magnet 27 ', wherein the radially outer partial magnet 29 is trapezoidal in cross-section and tapers radially outward with respect to the rotor axis 3.
  • both partial magnets 29 'and 30 are trapezoidal in cross-section, the trapezoids each tapering radially outward with respect to the rotor.
  • a shoulder 31 is formed between the partial magnet 29 'and the partial magnet 30 at the joining surface in that the smaller top surface of the trapezoidal shape of the partial magnet 30 is larger than the larger top surface of the trapezoidal cross-sectional shape of the partial magnet 29'.
  • FIG. 11 shows a cross-sectional constellation in which the radially inner partial magnet 32 is rectangular and the radially outer partial magnet 33 is trapezoidal in shape, with the trapezoidal cross section of the radially outer partial magnet 33 tapering radially outward.
  • the constellations shown in FIGS. 9, 10 and 11, as well as the constellations shown in FIGS. 4, 5, 6 and 7, have a cross-sectional reduction from radially inward to radially outward, respectively retaining in a correspondingly shaped receptacle a rotor body causes.
  • FIG. 12 shows, for example, in cross-section a rotor of an electric motor with permanent magnet constellations / composite bodies arranged in the form of spokes, wherein each one of the permanent magnet constellations consists of two partial magnets 34, 35 which are circular in cross-section, the partial magnet 35 arranged radially on the outside each having a smaller diameter in cross section
  • each of the externally arranged part magnet has a larger diameter than the radially inner part magnet each seen in cross section.
  • a retention in correspondingly shaped recordings of the magnet constellations is already given by the circular cross-sectional shape.
  • the radially outer partial magnet 35 made of a ferrite or ferrite-containing material and the radially inner partial magnet 34 either likewise consist of a ferrite material or of a rare earth-containing material or of a mixture of the two materials.
  • the partial magnets of the radially inner group 34 may consist of a different material than the radially outer partial magnets 35.
  • FIG. 13 shows in cross-section a permanent magnet arrangement of a rotor with barrel-shaped permanent magnets 36, 37 in cross section. It is indicated that the magnetization, which is indicated by azimuthally oriented arrows 38, respectively arranged at two adjacent exceptions permanent magnets 36, 37th is directed opposite.
  • FIG. 15 shows a constellation with an inner stator 39 and an outer rotor in the form of a hollow-cylindrical rotor 40 for carrying out the invention.
  • the rotor axis is designated 3 and the rotor 40 is rotatably mounted about the rotor axis 3.
  • permanent magnets 41, 42 are shown, which are aligned in a spoke-like arrangement on the rotor axis 3 and tapering radially outward in cross-section.
  • the recordings in which the permanent magnets 41, 42 are included are designed in a form-fitting manner.
  • two or more partial magnets of a composite body may advantageously consist of said material.
  • This material then has the same composition and the same physical properties in the radially inner region of the rotor as in the radially outer part of the composite body and thus also in the magnetic gap-near region the same composition as in the magnetic gap-distant region.
  • Such materials can, for example, be made of th and ferrite-like substances, in particular with the addition of rare earth metals are produced, these mixed materials may advantageously be free of heavy rare earth materials. Overall, the use of rare earths in permanent magnets in a rotor can thus be reduced.
  • the required or advantageous values for the remanence field strength and the coercive field strength can be achieved with such a material.
  • the first hatched area 43 represents a substance of the class Nd / (Dy / Th) / Fe / B represented by its values BHmax in KJ per m 3 , plotted against the temperature. It turns out that this size drops considerably in the range of a relatively high operating temperature of 180 to 200 ° Celsius of an engine.
  • the third hatched area 45 shows the corresponding parameter range of conventional ferrites.
  • the second hatched area 44 shows the substances used according to the invention, which can be produced, for example, as a mixture between ferrites and rare earths, wherein the coercive field strength and the remanence are between that of rare earth materials and ferrites, the temperature dependence being much lower than in the case of more or less rare earth containing magnetic materials.
  • a temperature dependence between -0.11 and 0 percent per Kelvin with respect to the remanence field strength Br is realized with the corresponding mixing materials. These values should be maintained between -50 ° Celsius and + 180 ° Celsius.
  • Corresponding mixing materials can be prepared as polymer-bound hybrids, wherein NdFeB can be mixed in powder form with a ferrite powder.
  • NdFeB can be mixed in powder form with a ferrite powder.
  • the individual powders can be prepared and used magnetically anisotropically by corresponding known processes, such as the grinding of premagnetized materials. As a result, the magnetically diluting effect of the polymer binder can be be equalized.
  • the production and bonding of the corresponding magnetic body can take place in a strong magnetic constant field in order to achieve a corresponding orientation of anisotropic powder materials. It is also possible to form the shaping of the magnetic bodies in the receptacles of the respective rotor body by injection molding, high-pressure injection molding and other techniques.
  • Permanent magnets according to the invention can also be realized by sintering powder materials, in particular a mixture of ferrite powder and a rare earth-containing powder.
  • the mass fraction of rare earth materials, in particular of light rare earth materials on the total mass between 10 and 50%, more advantageously between 20 and 25%.
  • the remainder of the mixed material may for example consist of ferrites or contain ferrites.
  • FIG. 16 shows, for example in cross-section, a detail of a rotor of an electric machine with two permanent magnets, which are each formed as composite bodies 46, 47, wherein each of the composite bodies 46, 47 consists of two partial magnets 48, 49.
  • the magnetization directions 50, 51 are uniform for each of the composite bodies 46, 47 and opposite to each other between the composite bodies 46, 47.
  • the radially outer partial magnets 49 typically form permanent magnets of a first quantity, while the radially inner partial magnets 48 form permanent magnets of a second quantity.
  • the material composition of the permanent magnets of the first and the second amount may be the same or different.
  • a permanent magnet 52 of a third set of permanent magnets can be seen in FIG. 16, this last-mentioned permanent magnet 52 having a trapezoidal shape in cross-section has, which tapers to the radially inner region of the rotor.
  • the magnetization direction 53 of the permanent magnet 52 is directed radially outward.
  • the permanent magnets shown in FIG. 16 form a typical section of a Halbach constellation of permanent magnets, which generates a particularly strong flux concentration on one side of a magnetic constellation, ie typically in the region of the magnetic gap.
  • a permanent magnet 52 is provided in a corresponding pocket 52 a.
  • Fig. 17 shows in cross-section a permanent magnet constellation with two permanent magnets 54, 55 in V-arrangement, which are arranged in corresponding V-shaped, matching recesses 55 a.
  • the permanent magnets 54, 55 each form a leg of an imaginary V, wherein the permanent magnets 54, 55 do not run with their longitudinal axes on the rotor axis. Rather, the longitudinal axes of the permanent magnets intersect at a point which is radially away from the rotor axis.
  • the constellation of such a so-called V-shaped arrangement of permanent magnets is shown schematically in the overview in FIG. 18. There, four pairs of V-shaped permanent magnets 54, 55 and the corresponding magnetization directions 56 are shown. In FIG.
  • the field lines between the permanent magnets 54, 55 are shown.
  • the V-shaped arrangement of the permanent magnets 54, 55 results in an optimal field density in the region of the magnetic gap between the rotor and stator.
  • This constellation can be optimized by using the mixed materials according to the invention.
  • the individual permanent magnets 54, 55 may also be divided in their longitudinal direction and each consist of two partial magnets as indicated by the dashed line in the permanent magnet 55 and the designation of the radially inner partial magnet by the reference numeral 57. There can be but also all permanent magnets consist homogeneously of a single material.
  • the permanent magnets / composite bodies 54, 55 which are arranged in a V-shape and may consist of a plurality of partial magnets, may also be assembled in the manner of the constellations illustrated in FIGS. Incidentally, in FIG. 17, the magnetization direction of the permanent magnets is indicated by the arrows 58, 59.
  • FIG. 19 shows a similar constellation in cross-section as in FIG. 17, wherein, however, the individual permanent magnets 54 ', 55' are barrel-shaped or oval in cross-section. This results in a good retention in correspondingly shaped receptacles 55'a of the rotor body and a further optimized field design as will be explained in more detail below with reference to FIGS. 22, 23.
  • the permanent magnets shown in Figure 19 may consist of a plurality of partial magnets of a first and second set of permanent magnets.
  • FIGS. 17 and 19 shows a representation corresponding to FIGS. 17 and 19, wherein the permanent magnets 54 ", 55" are composed in cross section of two trapezoidal quadrilaterals, the bases of which adjoin one another, wherein the individual trapezoidal bodies are connected in one piece or can each also represent partial solenoids, which are assembled into a composite body.
  • the magnetization directions are indicated in FIGS. 17 and 19 in the form of arrows.
  • two part-magnets which are barrel-shaped in cross-section, a radially inner and a radially outer part body, can either together be connected to each other or at least adjoin one another to form a composite body.
  • FIG. 21 shows by way of example a so-called Halbach arrangement of magnets, the individual partial magnets 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66 of the Halbach arrangement being lined up in the circumferential direction.
  • they are spoke-like arranged permanent magnets 60, 61, 62, 63, wherein a first pair 60, 61 has magnetization directions, which are directed towards each other, represented in FIG. 21 by arrows.
  • the adjacent pair of permanent magnets 62, 63 also have directions of magnetization directed toward each other, with the directions of magnetization of the permanent magnets 61 and 62 being directed in opposite directions and away from each other.
  • the respective further permanent magnets 64, 65, 66 arranged between adjacent permanent magnets each have, in the circumferential direction, an alternately radially outwardly and radially inwardly directed magnetization direction.
  • the magnetic field strength or the flux can also be optimized by the outer shape of the individual permanent magnets.
  • FIG. 22 shows a linearly unrolled constellation of two permanent magnets 60, 61 located next to one another in a cylindrical rotor. A closer look at the magnetic and physical conditions reveals that the remanence field strength of such an arrangement is indicated by a decreasing distance of the permanent magnets in the azimuthal direction increases by the arrow 67, and with the expansion of the individual permanent magnets in the azimuthal direction.
  • the flux density can be increased by increasing the area on which flux lines emerge or enter from the respective permanent magnet in the azimuthal direction.
  • the double-barrel-shaped configuration of the permanent magnets 60 ', 61' results in an even higher flux density than in the constellation according to FIG. 22.

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Elektrische Maschine, insbesondere einen Elektromotor mit einem Stator (2) sowie einem um eine Rotorachse (3) drehbar gelagerten Rotor (1, 1 ') mit einem Rotorkörper (4), wobei in Aufnahmen (5a, 6a, 35a, 47a, 55a, 55'a) des Rotorkörpers Permanentmagnete (17, 17', 18, 18', 18", 24, 24', 25, 26, 27, 28, 29, 29', 30, 32, 33, 34, 35, 48, 49, 57) angeordnet sind, die wenigstens teilweise aus einem Mischwerkstoff bestehen, wobei die Mischung derart eingestellt ist, dass der Mischwerkstoff eine Remanenzfeldstärke Br zwischen 0,6 Tesla und 1 Tesla sowie eine Koerzitivfeldstärke Hcj zwischen 1300 und 2500 KA/m aufweist. Zudem kann vorgesehen sein, dass in Aufnahmen (5a, 6a, 35a, 47a, 55a, 55'a) Permanentmagnete (17, 17', 18, 18', 18", 24, 24', 25, 26, 27, 28, 29, 29', 30, 32, 33, 34, 35, 48, 49, 57) oder Kompositkörper (47) angeordnet sind, und dass diese eine Kontur aufweisen, deren senkrecht zur Längsachse (7) liegende Querschnittsfläche sich innerhalb der jeweiligen Aufnahme (5a, 6a, 35a, 47a, 55a, 55'a) zu deren radial weiter außen liegendem Ende (5b, 6b) hin verringert.

Description

Beschreibung
Elektrische Maschine mit hoher Effizienz
Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Elektrotechnik und ist mit Vorteil bei drehenden elektrischen Maschinen, beispielsweise Elektromotoren und Generatoren einsetzbar.
Die Erfindung bezieht sich konkret auf eine elektrische Maschine, insbesondere einen Elektromotor mit einem Stator sowie einem um eine Rotorachse drehbar gelagerten Rotor mit einem Rotorkörper, wobei in Aufnahmen des Rotorkörpers Permanentmagnete angeordnet sind.
Derartige Maschinen können einerseits als Innenläufer mit einem innenliegenden, von einem Stator umgebenen Rotor ausgebildet sein und andererseits ebenso als Außenläufer mit einem hohlzylindrischen Rotor, in dessen Innerem ein Stator angeordnet ist. Je nachdem ob es sich um eine bürstenlose oder eine bürstenbehaftete Maschine handelt, sind im Rotor Permanentmagnete (bürstenlose Variante) oder im Stator Permanentmagnete und im Rotor Elektromagnete vorgesehen. Grundsätzlich können derartige Maschinen darauf hin optimiert werden, dass im Magnetspalt zwischen Rotor und Stator besonders hohe Magnetfeldstärken erzeugt werden, wodurch große Drehmomente und Leistungsdichten erreichbar sind. Bei derartigen Leistungsmerkmalen und entsprechenden elektrischen Leistungen der Maschinen ist jedoch zunehmend auch wichtig, hohe Betriebstemperaturen zuzulassen, wobei darauf geachtet werden muss, dass auch bei hohen Betriebstemperaturen und den hohen wirkenden magnetischen Feldern sowie entsprechend großen Störfeldern die magnetischen Eigenschaften des Magnetkreises erhalten bleiben, insbesondere dass keine Entmagnetisierung von Permanentmagneten durch Störfelder stattfindet. Zu diesem Zweck sind bestimmte Koerzitivfeldstärken der verwendeten Materialien erforderlich, zumindest in dem Bereich der Permanentmagnete, der erhöhten Störfeldern ausgesetzt ist. Andererseits sind auch hohe Remanenzwerte wünschenswert, da diese mitentscheidend für die Größe des erreichbaren magnetischen Flusses im Magnetkreis sind.
BESTÄTIGUNGSKOPIE Letztlich sollten entsprechende Materialwerte mit optimal angepassten Geometrien bei der Konstruktion von Rotor und Stator kombiniert werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine der genannten Art zu schaffen mit Permanentmagneten, die für eine möglichst hohe Leistungsdichte der Maschine sowie eine hohe Standfestigkeit, insbesondere auch bei hohen Temperaturen optimiert sind.
Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der Erfindung gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Dabei ist gemäß der Erfindung vorgesehen, dass die Permanentmagnete wenigstens teilweise aus einem Mischwerkstoff bestehen, wobei die Mischung derart eingestellt ist, dass der Mischwerkstoff bei Raumtemperatur eine Remanenzfeldstärke Br zwischen 0,6 Tesla und 1 Tesla sowie eine Koerzitivfeld stärke Hcj zwischen 1300 und 2500 KA/m aufweist. Die Raumtemperatur ist dabei mit 20 Grad Celsius angenommen. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass der Mischwerkstoff durchgehend bei Temperaturen von 20 Grad Celsius bis 120 Grad Celsius, bevorzugt auch bis 180 Grad Celsius eine Remanenzfeldstärke Br zwischen 0,6 Tesla und 1 Tesla sowie eine Koerzitivfeldstärke Hcj zwischen 1300 und 2500 KA/m aufweist.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht dabei vor, dass wenigstens einige, insbesondere alle Permanentmagnete wenigstens teilweise aus einem Mischwerkstoff bestehen, der eine Mischung aus einem Ferritwerkstoff und einem seltene Erden aufweisenden Magnetwerkstoff darstellt.
Die genannten Werkstoffe reichen in Bezug auf die Koerzitivfeldstärke und/oder die magnetische Remanenz nicht ganz an bekannte Seltene Erden Werkstoffe, und insbesondere was die Koerzitivfeldstärke angeht, nicht an die Werkstoffe mit Masseanteilen von schweren Seltene Erden heran sowie was die Remanenz angeht, nicht an Werkstoffe, die überwiegend leichte Seltene Erden enthalten. Ande- rerseits sind die genannten Größen derart einstellbar, dass sich durch geeignete geometrische Anordnung der Permanentmagnete in Ausnehmungen des Rotorkörpers die notwendigen Feldstärken, magnetischen Flüsse sowie in den kritischen Bereichen die notwendigen Koerzitivfeldstärken und die notwendige magnetische Remanenz erzielen lässt, die für eine elektrische Maschine hoher Leistungsfähigkeit und insbesondere thermischer Stabilität und Standfestigkeit erforderlich sind.
Die genannten Größen bezüglich Koerzitivfeldstärke und Remanenz lassen sich besonders vorteilhaft durch einen Mischwerkstoff mit Seltene Erden-Masseanteilen, insbesondere leichten Seltene Erden-Masseanteilen und Anteilen an Ferritwerkstoffen erreichen. Insbesondere können vorteilhaft schwere Seltene Erden- Materialien vollständig weg gelassen sein, d. h. ihr Masseanteil kann gleich Null sein oder wenigstens kleiner als ein Prozent. Damit sind die erforderlichen Materialien verfügbar und relativ erschwinglich.
Insbesondere kann auch vorteilhaft vorgesehen sein, dass sämtliche der Permanentmagnete, die in dem Rotor angeordnet sind, die oben beschriebene Zusammensetzung aus Mischwerkstoffen, insbesondere aus demselben Mischwerkstoff aufweisen. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass neben der genannten Menge von Permanentmagneten, die aus demselben Mischwerkstoff bestehen, eine zweite Menge von Permanentmagneten verwendet werden, die ebenfalls alle dieselbe stoffliche Zusammensetzung aufweisen und die insbesondere einen höheren Ferritanteil aufweisen als die erste Menge von Permanentmagneten, vorteilhaft ausschließlich aus einem Ferrit bestehen.
Weiter vorteilhaft kann der Mischwerkstoff der ersten Menge von Permanentmagneten bezüglich der Mischungsverhältnisse derart eingestellt sein, dass der Temperaturkoeffizient der Remanenz Br in einem Temperaturbereich zwischen -50 Grad und 180 Grad Celsius zwischen - 0,11 %/K und 0%/ K liegt.
Weiter kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass der Mischwerkstoff der ersten Menge von Permanentmagneten bezüglich der Mischungsverhältnisse derart einge- stellt ist, dass der Temperaturkoeffizient der Koerzitivfeldstärke Hcj (Beta) in einem Temperaturbereich zwischen -50 Grad und 180 Grad Celsius zwischen - 0,5%/K und +0,4%/K liegt.
Damit ist sichergestellt, dass die magnetischen Eigenschaften bei der ersten Menge von Permanentmagneten im üblichen Betriebsbereich bei Temperaturen bis 180°C in einem optimalen Bereich liegen und wenig temperaturabhängig, insbesondere weniger temperaturabhängig sind als Werkstoffe, die einen höheren Anteil an Seltenen Erden aufweisen.
Im Ergebnis kann eine Stabilität der elektrischen Maschine auch bei erhöhten Betriebstemperaturen bis zu 180°C gegen eine Entmagnetisierung von Permanentmagneten garantiert werden.
Vorteilhaft kann der Mischwerkstoff, aus dem die Permanentmagnete oder wenigstens einige der Permanentmagnete bestehen, ein Ferritpulver und ein Seltene Erden-Pulver enthalten. Der Mischwerkstoff kann als Festkörper aus einer homogenen Mischung eines Ferritpulvers und eines Seltene Erden-Pulvers durch Sintern oder andere bekannte Formungstechniken hergestellt sein. An Stelle einer homogenen Mischung der verschiedenen Pulver kann auch ein Konzentrationsgradient der Mischung, insbesondere des Seltene Erden-Anteils im Gesamtmischwerkstoff oder des Ferritpulvers im Gesamtmischwerkstoff vorliegen, wobei der Gradient einen sprunghaften oder stetig linearen oder nicht-linearen Anstieg der Konzentration eines der Stoffe darstellen kann. Beispielsweise kann der Anteil des Seltene Erden-Pulvers entlang der Längsachse des Permanentmagneten oder der Permanentmagneten von einem radial weiter außen liegenden Bereich zu einem radial weiter innen liegenden Bereich des Permanentmagneten zunehmen oder abnehmen.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung kann vorsehen, dass der Mischwerkstoff durch ein Polymer gebunden ist, beispielsweise durch ein Gießharz. In diesem Fall können die einzelnen Pulver mit einem Polymer anfänglich zu einer Flüssigkeit oder einem Gel vermischt sein und dieses kann in eine Form ge- gössen und erhärtet werden. Als Gussform kann beispielsweise eine Ausnehmung in Form einer Aufnahme in dem Rotorkörper dienen, in dem der Permanentmagnet nach dem Erhärten verbleibt. Das Gießen kann auch als Druckgussverfahren oder Spritzgussverfahren ausgebildet sein. Das Härten des Polymerwerkstoffes kann durch physikalische Einwirkungen wie Röntgenbestrahlung, Alpha-, Betaoder Gamma-Bestrahlung oder Wärmeeinwirkung beschleunigt werden.
Während der Herstellung bzw. des Erhärtens des Mischwerkstoffs kann ein Orientierungsmagnetfeld angelegt werden, um einen anisotopen Werkstoff herzustellen.
Die einzelnen Pulver, die die Bestandteile des Mischwerkstoffs bilden, können ihrerseits durch Zerkleinern, insbesondere Zermahlen eines vorher magnetisch orientierten Werkstoffes hergestellt sein.
Insofern kann vorteilhaft das Ferritpulver und/oder das Seltene-Erden-Pulver, insbesondere NdFeB, magnetisch anisotop ausgestaltet sein.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Querschnitt eines oder mehrerer der Permanentmagnete, senkrecht zur Längsachse der jeweiligen Aufnahme betrachtet, sich zu dem radial weiter außen liegenden Ende der jeweiligen Aufnahme im Rotorkörper hin wenigstens abschnittsweise verringert und dass die Permanentmagnete wenigstens an ihrem radial außen liegenden Ende, insbesondere mit ihrer gesamten Außenkontur, formschlüssig mit der jeweiligen Aufnahme zusammenpassen.
Durch diese Form der Permanentmagnete können diese günstig innerhalb der jeweiligen Aufnahme in dem Rotorkörper untergebracht und gehalten werden. Die insbesondere bei hohen Drehzahlen wirkenden starken radialen Fliehkräfte, die auf die Permanentmagnete wirken, werden an den Randflächen der Aufnahmen im Rotorkörper aufgenommen. Ein formschlüssiges Anliegen der Permanentmagnete an den Randflächen der Aufnahmen erlaubt eine homogene Kraftverteilung beim Auftreten von Fliehkräften. Die Tatsache, dass die Querschnittsfläche der Permanentmagnete sich wenigstens abschnittsweise radial nach außen hin ver- ringert erlaubt es, durch eine entsprechend verjüngend zulaufende Form der Aufnahme eine formschlüssige Festlegung der Permanentmagnete zu erreichen, ohne dass spezielle Rückhalte- Ansätze radial außen an den Aufnahmen in der Nähe des Magnetspaltes vorgesehen werden müssen. Solche Ansätze sind oft besonders anfällig, da sie mit möglichst geringer Materialdicke hergestellt werden, um die Permanentmagnete möglichst dicht an den Magnetspalt heranreichen zu lassen. Dies bringt oft eine mechanische Anfälligkeit der Ansätze am Rand der Aufnahmen mit sich. Solche Probleme werden durch die beschriebene Konstruktion vermieden.
Insbesondere, wenn einer oder mehrere Permanentmagnete im Querschnitt des Rotors eine tonnenförmige Kontur oder eine radial nach außen spitzwinklig zu laufende Kontur aufweisen, können die Fliehkräfte durch eine entsprechend aufgenommene Form der Aufnahmen gut verteilt werden.
Insbesondere, wenn ein oder mehrere Permanentmagnete zum radial inneren Ende hin eine stufenförmige Querschnittserweiterung aufweist/aufweisen und die Querschnittserweiterung auf dem Rand einer entsprechenden Querschnittserweiterung der Aufnahme aufliegt, wird das radiale Herausrutschen der Permanentmagnete aus den Aufnahmen wirksam verhindert.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass ein Permanentmagnet in Form eines Kompositkörpers einen radial weiter außen und einen radial weiter innen liegenden Permanentmagneten aufweist und dass der radial weiter innen liegende Permanentmagnet an der Fügestelle zwischen den beiden Permanentmagneten eine größere Querschnittsfläche aufweist, als der radial weiter außen liegende Permanentmagnet.
Diese spezielle Gestaltung erlaubt es, die jeweiligen Permanentmagneten als Kompositkörper, bestehend aus mindestens jeweils zwei Permanentmagneten auszugestalten, wobei die Fügestelle zwischen den Teil-Permanentmagneten eine Auflagefläche für einen entsprechend komplementär ausgebildeten Randbereich der Aufnahme im Rotorkörper bildet, an den der Permanentmagnet bei Rotation durch die dann wirkenden Fliehkräfte zurückgehalten wird. Der jeweils weiter radial außen liegende der Permanentmagneten ist dann vorteilhaft mit dem inneren Permanentmagneten mechanisch verbunden. Die Verbindung kann durch Kleben, Klemmen oder durch eine formschlüssige Verbindung oder andere Fügetechniken sichergestellt sein. Von den Permanentmagneten, die gemeinsam einen Kompositkörper bilden, können einer oder mehrere, insbesondere zwei, aus einem
Mischwerkstoff bestehen, der die erfindungsgemäßen magnetischen Eigenschaften aufweist. Insbesondere können zwei oder alle der Permanentmagnete eines Kompositkörpers aus einem entsprechenden Mischwerkstoff, insbesondere aus demselben Mischwerkstoff bestehen.
Als besonders vorteilhaft erweist es sich, dass zwei zusammengefügte Permanentmagneten wenigstens eines Kompositkörpers zueinander parallele Magnetisierungsrichtungen aufweisen.
Durch diese konstruktive Ausgestaltung lässt sich der magnetische Fluss im Rotorkörper besonders günstig einrichten.
Es kann zudem vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Permanentmagnete und/oder Kompositkörper Teil einer V-förmigen Anordnung von Komponenten eines Magnetkreises sind.
Derartige V-förmige Anordnungen von Permanentmagneten in einem Rotor, wobei die Schenkel des V nicht genau radial zur Rotorachse hin verlaufen, sondern sich in einem Punkt treffen, der radial von der Rotorachse ein Stück weit entfernt ist, erlaubt eine besonders effiziente Gestaltung des magnetischen Flusses mit entsprechend hohen Feldstärken und einer hohen Energiedichte der elektrischen Maschine.
Eine besonders vorteilhafte magnetische Ausgestaltung sieht vor, dass die Permanentmagneten und/oder Kompositkörper Teil einer Halbach- Anordnung von Komponenten eines Magnetkreises sind. Die Permanentmagnete der Halbach- Anordnung können entlang des Umfangs des Rotors verteilt sein. Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1 im Querschnitt einen Rotor und einen Teil eines Stators eines Elektromotors,
Fig. 2 einen weiteren Rotor eines Elektromotors im Querschnitt,
Fig. 3 in einem Querschnitt eine Permanentmagnetkonfiguration,
Fig. 4-11 im Querschnitt weitere Permanentmagnetkonfigurationen,
Fig. 12 im Querschnitt einen weiteren Rotor eines Elektromotors,
Fig. 13 in einem weiteren Querschnitt einen weiteren Rotor eines Elektromotors mit im Querschnitt tonnenförmigen Permanentmagneten, Fig. 14 ein Diagramm mit Parametern von Magnetwerkstoffen,
Fig. 5 im Querschnitt einen außen liegenden Rotor sowie einen innen liegenden Stator eines Außenläufermotors,
Fig. 16 im Querschnitt einen Ausschnitt aus einem weiteren Rotor eines
Elektromotors,
Fig. 17 in teilweiser Querschnittsdarstellung einen Teil eines Rotors und eines Stators eines Elektromotors, wobei zwei Permanentmagnete in einer V-Konfiguration dargestellt sind,
Fig. 18 im schematischen Querschnitt einen Rotor eines Elektromotors, wobei die Permanentmagnete in V-Konfigurationen angeordnet sind,
Fig. 9 teilweise einen Querschnitt eines Rotors und eines Stators eines
Elektromotors mit Permanentmagneten in V-Konfiguration,
Fig. 20 eine Anordnung wie in Fig. 19 dargestellt mit im Querschnitt zweifach- trapezförmig geformten Permanentmagneten,
Fig. 21 einen Querschnitt eines Rotors mit im Querschnitt tonnenformig ausgebildeten Permanentmagneten in Speichenanordnung,
Fig. 22 eine abgerollte Darstellung eines Rotors mit im Querschnitt tonnenförmigen Permanentmagneten sowie
Fig. 23 eine abgerollte Darstellung eines Querschnitts eines Rotors eines
Elektromotors ähnlich wie Fig. 22, wobei die im Querschnitt tonnen- förmigen Permanentmagnete zweiteilig tonnenförmig ausgebildet sind.
Fig. 1 zeigt einen Rotor 1 eines Elektromotors, der innerhalb eines Stators 2 um eine Rotorachse 3 drehbar gelagert ist. Im Querschnitt der Fig. 1 ist sichtbar, dass innerhalb des Rotorkörpers 4 sechs Permanentmagnete 5, 6 in Aufnahmen 5a, 6a gehalten sind, wobei die Längsachsen 7 der Aufnahmen radial in Bezug auf die Rotorachse 3 ausgerichtet sind. Es handelt sich bei einer derartigen Konstruktion um eine sogenannte speichenförmige Anordnung der Permanentmagnete. Der Magnetspalt 8 ist in der Fig. 1 übertrieben groß dargestellt. Er wird zwischen dem Stator und der zylindrischen Außenfläche des Rotors 1 gebildet.
Um eine besonders hohe Effizienz eines entsprechenden Elektromotors zu erreichen wird angestrebt, den Magnetspalt 8 / Rotorspalt möglichst klein zu gestalten.
Die Permanentmagnete 5, 6 reichen nicht ganz bis an die zylindrische Außenfläche des Rotors 1 heran, da sie durch Ansätze 9, 10 des Rotorkörpers im Bereich des radial außen liegenden Teils der Aufnahmen 5a, 6a in diesen zurückgehalten werden. Insbesondere bei schneller Rotation wirken auf die Permanentmagnete 5, 6 Fliehkräfte radial nach außen, so dass die Ansätze 9, 10, die jeden einzelnen der Permanentmagnete halten, beträchtlichen Kräften ausgesetzt sind.
Die Fig. 2 zeigt eine Konstellation eines Rotors V und eines Stators 2', wobei im Stator 2' im Querschnitt sogenannte Statorzähne 1 1 , 12 dargestellt sind, die jeweils in zwischen ihnen liegenden Statornuten 13, 14 elektrische Wicklungen 15, 16 tragen. Die Wicklungen 15, 16 sind durch eine nicht dargestellte Ansteuerelektronik zur Erzeugung eines rotierenden elektrischen Feldes mit einem zeitlich veränderlichen Strom beaufschlagbar.
Der Rotor 1 ' trägt in Aufnahmen jeweils speichenartig auf die Rotorachse 3 ausgerichtete Permanentmagnete 5', 6', die jeweils in radialer Richtung zweigeteilt sind und jeweils als Kompositkörper mit einem ersten Teilmagneten 17 und einem zweiten Teilmagneten 18 gebildet sind. Die Permanentmagneten 5', 6' können beispielsweise mittels Ansätzen wie in der Fig. 1 gezeigt und dort mit 9, 10 bezeichnet in den Aufnahmen zurückgehalten werden oder in diesen durch bekannte Fügetechniken wie beispielsweise Kleben, Löten, Schweißen, Klemmen oder eine formschlüssige Verbindung gehalten sein. Die Permanentmagneten 5', 6' reichen radial bis zur zylindrischen Außenfläche des Rotors und schließen mit dieser bündig ab.
Es kann vorgesehen sein, dass der radial weiter außen in der jeweiligen Aufnahme liegende Teilmagnet 17 aus einer ersten Menge von Permanentmagneten jeweils als Ferritbauteil oder mit einem Anteil an Ferritwerkstoffen ausgebildet ist, während der radial weiter innen liegende Teilmagnet 18, der zu einer zweiten Menge von Permanentmagneten gehört, aus einem Werkstoff besteht, der seltene Erden enthält. Vorteilhaft enthält dieser Teilmagnet vorwiegend leichte seltene Erden, insbesondere einen höheren Teil an leichten seltenen Erden als schwere seltene Erden, weiter vorteilhaft keinen Anteil an schweren seltenen Erden. Beide Teilmagnete können aus je einem, insbesondere aus demselben Mischwerkstoff gemäß der Erfindung bestehen, wobei vorteilhaft der Mischwerkstoff des radial weiter innen liegenden Teilmagneten einen geringeren Anteil an seltene Erden- Elementen enthält als der radial weiter außen liegende Teilmagnet.
Durch die beschriebene Konstellation wird erreicht, dass die Permanentmagnetkonstellation als Ganze in dem Bereich, in dem die größten magnetischen Feldstärken wirken, d.h. in der Nähe des Magnetspaltes, wenigstens überwiegend oder vollständig aus einem Ferritwerkstoff bestehen, der kostengünstig ist und eine ausreichende Koerzitivfeldstärke aufweist, während die hohe magnetische Remanenz von seltene Erden-Werkstoffen bei denjenigen Teilmagneten 18 ausgenutzt wird, die radial weiter innen und von störenden Magnetfeldern weiter entfernt liegen. Auf diese Weise wird verhindert, dass eine Entmagnetisierung im Bereich des Magnetspaltes stattfindet, wobei insgesamt ein minimaler Anteil an Seltene Erden-Werkstoffen eingesetzt wird.
Zur weiteren vorteilhaften Gestaltung der Magnetfelder innerhalb des Rotors / Rotorkörpers ist gemäß Fig. 2 vorgesehen, dass weitere Permanentmagnete 19, 20 einer dritten Menge von Permanentmagneten jeweils zwischen zwei speichenartig benachbarten Permanentmagnetkonstellationen eingesetzt sind. Die Permanentmagnete der dritten Menge können beispielsweise aus einem Ferritwerkstoff, insbesondere ohne Seltene Erden- Anteile bestehen. Auf die möglichen hierdurch erreichten Magnetfeld- bzw. Magnetflusskonstellationen, beispielsweise Halbach- Anordnungen, wird weiter unten näher eingegangen.
Die Fig. 3 bis 11 bezeichnen im Querschnitt Permanentmagnetkonstellationen mit jeweils 2 Permanentmagneten, die jeweils einen ersten Teilmagnet im jeweiligen oberen Bereich der Darstellung und einen zweiten Teilmagnet im jeweiligen unteren Bereich der Darstellung aufweisen. Grundsätzlich sind die Figuren so angelegt, dass der untere Bereich der Darstellung der Rotorachse eines Rotors eines Elektromagneten ferner ist als der obere Bereich. Einer oder beide der jeweils dargestellten Magnete können aus einem Mischwerkstoff bestehen, dessen Mischung derart eingestellt ist, dass der Mischwerkstoff bei Raumtemperatur eine Remanenzfeldstärke Br zwischen 0,6 Tesla und 1 Tesla sowie eine Koerzitiv- feldstärke Hcj zwischen 1300 und 2500 KA/m aufweist. Die entsprechenden Permanentmagnetkonstellationen können dabei in einer speichenartigen Anordnung in Bezug auf die Rotorachse eingesetzt sein, jedoch ist auch eine sogenannte V- förmige Konstellation von Permanentmagneten denkbar, auf die weiter unten noch näher eingegangen wird. Die jeweiligen Permanentmagnetkonstellationen sind vorteilhaft in Aufnahmen eines Rotorkörpers untergebracht, die in Bezug auf die Permanentmagnetkonstellationen vorteilhaft formschlüssig ausgebildet sind, d.h. die Permanentmagnetkonstellationen spaltfrei umgeben. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Aufnahmen die jeweiligen Magnetkonstellationen nur in Teilbereichen formschlüssig umgeben, beispielsweise jeweils in den Bereichen, in denen der Querschnitt der Permanentmagnetkonstellation sich in Richtung radial nach außen gesehen verringert.
In der Fig. 3 ist beispielhaft oberhalb der Permanentmagnetkonstellation die Rotorachse 3 eingezeichnet. Der Querschnitt beider Teilmagnete 17, 18 ist rechteckig und gleich groß, so dass die gesamte Magnetkonstellation rechteckig mit gleichbleibendem Querschnitt ausgebildet ist. Die Magnetisierungsrichtungen 21 , 22 der beiden Teilmagnete 17, 18 sind durch Pfeile angedeutet wie bei allen übrigen Permanentmagnetkonstellationen der Fig. 3 bis 11 ebenso.
In der Fig. 4 ist bei dem radial inneren Teilmagnet 17' im radial inneren Bereich eine rechteckige Erweiterung 23 vorgesehen, durch die die Magnetkonstellation bei radial wirkenden Fliehkräften in der Aufnahme gehalten wird. Grundsätzlich ist zu bemerken, dass gemäß den Fig. 3, 4, 5, 6, 7 und 11 der radial innen liegende Teilmagnet der Magnetkonstellation in radialer Richtung länger ausgebildet ist als der radial außen liegende Teilmagnet. Gemäß den Fig. 8, 9 und 10 ist die Aufteilung umgekehrt, so dass dort der radial innen liegende Teilmagnet in radialer Richtung kürzer ausgebildet ist als der radial außen liegende Teilmagnet.
Die Fig. 5 zeigt einen trapezförmigen Querschnitt des radial innen liegenden Teilmagneten 24, wobei das Trapez radial nach außen spitz zuläuft. Der radial außen liegende Teilmagnet 18" ist rechteckig ausgeführt.
Die Fig. 6 zeigt radial innen liegend einen Teilmagneten 25 mit einer rechteckigen Erweiterung 23', wobei der radial außen liegende Teilmagnet 26 im Querschnitt trapezförmig, sich radial nach außen erweiternd, ausgebildet ist.
Die Fig. 7 zeigt den radial innen liegenden Teilmagnet 24' im Querschnitt in trapezförmiger Ausbildung radial nach außen spitz zulaufend, wobei der radial außen liegende Teilmagnet 26' als Trapez, wie in Fig. 6 dargestellt, radial nach innen spitz zulaufend ausgebildet ist.
Alle in den Fig. 4 bis 7 dargestellten Konstellationen weisen Hinterschneidungen auf, die ein radiales Herausrutschen nach radial außen aus einer entsprechend geformten Aufnahme in einem Rotorkörper zuverlässig verhindern.
Die Fig. 8 zeigt einen Querschnitt rechteckige Magnetkonstellation, wobei der radial innen liegende Teilmagnet 27 in radialer Richtung eine geringere Ausdehnung aufweist als der radial außen liegende Teilmagnet 28. 0740
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Die Magnetkonstellation der Fig. 9 zeigt im Querschnitt einen rechteckigen radial innen liegenden Teilmagneten 27', wobei der radial außen liegende Teilmagnet 29 im Querschnitt trapezförmig ausgebildet ist und nach radial außen in Bezug auf die Rotorachse 3 spitz zuläuft.
Gemäß der Fig. 10 sind beide Teilmagnete 29' und 30 im Querschnitt trapezförmig ausgebildet, wobei jeweils die Trapeze nach radial außen in Bezug auf den Rotor spitz zulaufen. Zudem ist zwischen dem Teilmagnet 29' und dem Teilmagnet 30 an der Fügefläche ein Ansatz 31 dadurch gebildet, dass die kleinere Deckfläche der Trapezform des Teilmagneten 30 größer ist als die größere Deckfläche der trapezförmigen Querschnittsform des Teilmagneten 29'.
Beim Übergang bzw. an der Fügestelle zwischen dem radial innen liegenden Teilmagneten 30 und dem radial außen liegenden Teilmagneten 29' ist somit eine sprungförmige Verringerung der Querschnittsfläche vorgesehen.
Die Fig. 11 zeigt eine Querschnittskonstellation, bei der der radial innen liegende Teilmagnet 32 rechteckig ausgebildet und der radial außen liegende Teilmagnet 33 trapezförmig ausgebildet ist, wobei der trapezförmige Querschnitt des radial äußeren Teilmagneten 33 radial nach außen spitz zuläuft.
Die in den Fig. 9, 10 und 11 gezeigten Konstellationen weisen, ebenso wie die in den Fig. 4, 5, 6 und 7 gezeigten Konstellationen von radial innen nach radial außen hin eine Querschnittsverringerung auf, die jeweils das Zurückhalten in einer entsprechend geformten Aufnahme eines Rotorkörpers bewirkt.
Zusätzlich zu den in den Fig. 3 bis 11 gezeigten Konstellationen sind selbstverständlich noch andere Querschnittskonstellationen denkbar, bei denen beispielsweise die Begrenzungsflächen der jeweiligen dargestellten Rechtecke und Trapeze durch konvexe oder konkave, beispielsweise auch teilkugelförmig und tonnen- förmig ausgebildete Grenzlinien ersetzt sein können. 0
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Die Fig. 12 zeigt beispielsweise im Querschnitt einen Rotor eines Elektromotors mit speichenförmig angeordneten Permanentmagnetkonstellationen/Kompositkörpern, wobei jede einzelne der Permanentmagnetkonstellationen aus jeweils zwei im Querschnitt kreisrunden Teilmagneten 34, 35 besteht, wobei der radial außen angeordnete Teilmagnet 35 jeweils im Querschnitt einen geringeren Durchmesser aufweist als der radial innen liegende Teilmagnet 34. Es kann jedoch auch vorgesehen sein, dass jeweils der außen angeordnete Teilmagnet einen größeren Durchmesser aufweist als der radial innen liegende Teilmagnet jeweils im Querschnitt gesehen. Eine Rückhaltung in entsprechend geformten Aufnahmen der Magnetkonstellationen ist bereits durch die im Querschnitt kreisförmige Ausprägung gegeben.
Auch hier kann vorzugsweise der radial außen gelegene Teilmagnet 35 aus einem Ferrit oder ferrithaltigen Werkstoff und der radial innen liegende Teilmagnet 34 entweder ebenfalls aus einem Ferritwerkstoff oder aus einem seltene Erden- haltigen Werkstoff oder aus einer Mischung beider Werkstoffe bestehen. Ebenfalls können die Teilmagnete der radial innen liegenden Gruppe 34 aus einem anderen Werkstoff bestehen als die radial außen liegenden Teilmagnete 35.
Die Fig. 13 zeigt im Querschnitt eine Permanentmagnetanordnung eines Rotors mit im Querschnitt jeweils tonnenförmigen Permanentmagneten 36, 37. Dabei ist angedeutet, dass die Magnetisierung, die durch azimutal ausgerichtete Pfeile 38 angedeutet ist, jeweils bei zwei in einander benachbarten Ausnahmen angeordneten Permanentmagneten 36, 37 entgegengesetzt gerichtet ist.
Die tonnenförmige Querschnittsform der Permanentmagnete 36, 37 bewirkt durch ihre Hinterschneidung in radialer Richtung ebenfalls eine Rückhaltung in entsprechend geformten Aufnahmen des Rotorkörpers. Es können daher Ansätze 9, 10 wie in der Fig. 1 dargestellt vollständig weggelassen werden und die Permanentmagnete und Kompositkörper 34, 35, 36, 37 können bis an die zylindrische Außenfläche des Rotors heranreichen. Damit wird ein geringer Abstand der Permanentmagnete zum Stator und damit eine hohe Effizienz der elektrischen Maschine bzw. eine hohe Leistungsdichte erreicht oder erreichbar. Die Fig. 15 zeigt zur Abrurrdung der Erfindung eine Konstellation mit einem innen liegenden Stator 39 und einem Außenläufer in Form eines hohlzylindrischen Rotors 40. Die Rotorachse ist mit 3 bezeichnet und der Rotor 40 ist drehbar um die Rotorachse 3 gelagert.
Innerhalb des Rotorkörpers sind Permanentmagnete 41 , 42 dargestellt, die in speichenförmiger Anordnung auf die Rotorachse 3 ausgerichtet sind und radial nach außen im Querschnitt sich verjüngend zulaufen. Die Aufnahmen, in denen die Permanentmagnete 41 , 42 enthalten sind, sind entsprechend formschlüssig gestaltet.
Anhand der Fig. 14 soll verdeutlicht werden, dass besonders bei der Verwendung besonderer geometrischer Konstellationen von Permanentmagneten, wie sie in den Figuren dieser Anmeldung dargestellt sind, neben der Verwendung verschiedener Materialien für die Teilmagneten eines einzigen Rotors, insbesondere auch der Verwendung von verschiedenen Materialien für verschiedene Teilmagnete eines Kompositkörpers durch geeignete Materialwahl auch die Zahl der eingesetzten unterschiedlichen Materialien für die verwendeten Permanentmagneten eines Rotors verringert werden kann. Es kommen hierbei dann besonders solche Materialien in Frage, die aus einem Mischwerkstoff bestehen, wobei die Mischung derart eingestellt ist, dass der Mischwerkstoff wenigstens bei Raumtemperatur eine Remanenzfeldstärke Br zwischen 0,6 Tesla und 1 Tesla aufweist. Alternativ dazu oder zusätzlich kann der Mischwerkstoff die Eigenschaft aufweisen, dass bei Raumtemperatur die Koerzitivfeldstärke Hcj zwischen 1300 und 2500 kA/m beträgt. Bei Verwendung eines derartigen Materials, insbesondere wenn Permanentmagneten in Form von Kompositkörpern aus einem Mischwerkstoff eingesetzt werden, können vorteilhaft zwei oder mehrere Teilmagnete eines Kompositkörpers aus dem genannten Werkstoff bestehen. Dieser Werkstoff weist dann im radial innen gelegenen Bereich des Rotors dieselbe Zusammensetzung und dieselben physikalischen Eigenschaften auf wie im radial äußeren Teil des Kompositkörpers und damit auch im Magnetspalt-nahen Bereich dieselbe Zusammensetzung wie im Magnetspalt-fernen Bereich. Solche Werkestoffe können beispielsweise aus Ferri- ten und ferritähnlichen Stoffen, insbesondere unter Zugabe von seltenen Erden- Metallen hergestellt werden, wobei diese Mischwerkstoffe vorteilhaft frei von schweren seltenen Erden-Materialien sein können. Insgesamt kann somit die Verwendung von seltenen Erden bei Permanentmagneten in einem Rotor reduziert werden. Die erforderlichen oder vorteilhaften Werte für die Remanenzfeldstärke und die Koerzitivfeldstärke können mit einem solchen Material erreicht werden. In der Fig. 14 ist mit dem ersten schraffierten Bereich 43 ein Stoff der Klasse Nd/(Dy/Th)/Fe/B repräsentiert durch seine Werte BHmax in KJ pro m3, aufgetragen gegenüber der Temperatur. Es zeigt sich dass diese Größe im Bereich einer relativ hohen Betriebstemperatur von 180 bis 200° Celsius eines Motors beträchtlich absinkt. Der dritte schraffierte Bereich 45 zeigt den entsprechenden Parameterbereich von üblichen Ferriten. Der zweite schraffierte Bereich 44 zeigt die erfindungsgemäß eingesetzten Stoffe, die beispielsweise als Mischung zwischen Ferriten und seltenen Erden hergestellt werden können, wobei die Koerzitivfeldstärke und die Remanenz zwischen der von seltene Erden-Werkstoffen und Ferriten liegen, wobei die Temperaturabhängigkeit wesentlich geringer ist als bei den mehr oder ausschließlich seltene Erden enthaltenden Magnetwerkstoffen. Vorteilhaft wird bei entsprechenden Mischwerkstoffen eine Temperaturabhängigkeit zwischen -0,11 und 0 Prozent pro Kelvin bezüglich der Remanenzfeldstärke Br realisiert. Diese Werte sollten zwischen -50° Celsius und +180° Celsius eingehalten werden.
Zudem kann bezüglich der Koerzitivfeldstärke Hcj ein Temperaturkoeffizient von - 0,5 bis +0,4 Prozent pro Kelvin, geltend zwischen einer Temperatur von -50° Celsius und +180° Celsius realisiert werden.
Entsprechende Mischwerkstoffe können als polymer gebundene Hybride hergestellt werden, wobei NdFeB in Pulverform mit einem Ferritpulver gemischt werden kann. Insbesondere da die Temperaturabhängigkeit der Koerzitivfeldstärke von NdFeB negativ und die von Ferritpulvern positiv ist, kann durch eine geeignete Mischung ein geringer Temperaturkoeffizient eingestellt werden. Die einzelnen Puder können magnetisch anisotrop durch entsprechende, bekannte Prozesse wie das Mahlen von vormagnetisierten Werkstoffen hergestellt und eingesetzt werden. Dadurch kann der magnetisch verdünnende Effekt des Polymerbindemittels aus- geglichen werden. Die Herstellung und Bindung der entsprechenden Magnetkörper kann in einem starken magnetischen Gleichfeld stattfinden, um eine entsprechende Ausrichtung anisotroper Pulverwerkstoffe zu erreichen. Es ist zudem möglich, die Formung der Magnetkörper in den Aufnahmen des jeweiligen Rotorkörpers durch Spritzgießen, Hochdruckspritzguss und andere Techniken auszubilden.
Erfindungsgemäße Permanentmagnete können auch durch Sintern von Pulverwerkstoffen, insbesondere einer Mischung von Ferritpulver und einem Seltene Erden enthaltenden Pulver, realisiert werden.
Vorteilhaft kann bei einem verwendeten Mischwerkstoff der Masseanteil von Seltene Erden- Werkstoffen, insbesondere an leichten Seltene Erden -Werkstoffen an der Gesamtmasse zwischen 10 und 50%, weiter vorteilhaft zwischen 20 und 25% liegen. Der Rest des Mischwerkstoffes kann beispielsweise aus Ferriten bestehen oder Ferrite enthalten.
Die für eine entsprechende Leistungsfähigkeit der beschriebenen elektrischen Maschinen notwendigen Feldstärken können durch die genannten Werkstoffe insbesondere dann erreicht werden, wenn geeignete geometrische Konstellationen der Permanentmagnete verwendet werden, gegebenenfalls mit einer optimierten Formung der Einzelmagnete. In diesem Zusammenhang zeigt die Fig. 16 beispielsweise im Querschnitt einen Ausschnitt eines Rotors einer elektrischen Maschine mit zwei Permanentmagneten, die jeweils als Kompositkörper 46, 47 ausgebildet sind, wobei jeder der Kompositkörper 46, 47 aus zwei Teilmagneten 48, 49 besteht. Die Magnetisierungsrichtungen 50, 51 sind jeweils für jeden der Kompositkörper 46, 47 einheitlich und zwischen den Kompositkörpern 46, 47 entgegengesetzt. Die jeweils radial äußeren Teilmagneten 49 bilden typischerweise Permanentmagneten einer ersten Menge, während die radial innen angeordneten Teilmagnete 48 Permanentmagnete einer zweiten Menge bilden. Die stoffliche Zusammensetzung der Permanentmagnete der ersten und der zweiten Menge können gleich oder auch unterschiedlich sein. Zudem ist in der Fig. 16 ein Permanentmagnet 52 einer dritten Menge von Permanentmagneten ersichtlich, wobei dieser zuletzt genannte Permanentmagnet 52 im Querschnitt eine Trapezform aufweist, die sich zum radial innen liegenden Bereich des Rotors verjüngt. Die Magnetisierungsrichtung 53 des Permanentmagneten 52 ist radial nach außen gerichtet.
Die in der Fig. 16 dargestellten Permanentmagnete bilden einen typischen Ausschnitt aus einer Halbach-Konstellation von Permanentmagneten, die eine besonders starke Flusskonzentration auf einer Seite einer Magnetkonstellation, also typischerweise im Bereich des Magnetspaltes, erzeugt. Zwischen jeweils zwei speichenartig angeordneten Kompositkörpern 46, 47, die jeweils als aus zwei Magneten 48, 49 zusammengesetzte Permanentmagnete ausgebildet sind, ist ein Permanentmagnet 52 in einer entsprechenden Tasche 52a vorgesehen.
Die Fig. 17 zeigt im Querschnitt eine Permanentmagnetkonstellation mit zwei Permanentmagneten 54, 55 in V-Anordnung, die in entsprechend V-förmig angeordneten, passenden Ausnehmungen 55a angeordnet sind. Die Permanentmagnete 54, 55 bilden jeweils einen Schenkel eines imaginären V, wobei die Permanentmagnete 54, 55 mit ihren Längsachsen nicht auf die Rotorachse zulaufen. Die Längsachsen der Permanentmagnete schneiden sich vielmehr in einem Punkt, der radial außerhalb der Rotorachse von dieser entfernt liegt. Die Konstellation einer derartigen sogenannten V-förmigen Anordnung von Permanentmagneten ist schematisch in der Übersicht in der Fig. 18 gezeigt. Dort sind vier Paare von V- förmig angeordneten Permanentmagneten 54, 55 sowie die entsprechenden Magnetisierungsrichtungen 56 dargestellt. In der Figur 17 sind zur Verdeutlichung der Gestaltung des magnetischen Flusses die Feldlinien zwischen den Permanentmagnete 54, 55 eingezeichnet. Durch die V-förmige Anordnung der Permanentmagnete 54, 55 ergibt sich eine optimale Felddichte im Bereich des Magnetspaltes zwischen Rotor und Stator. Diese Konstellation kann durch Verwendung der erfindungsgemäßen Mischwerkstoffe optimiert werden.
Die einzelnen Permanentmagnete 54, 55 können in ihrer Längsrichtung auch geteilt sein und aus jeweils zwei Teilmagneten bestehen wie es beim Permanentmagnet 55 durch eine gestrichelte Linie und die Bezeichnung des radial innen liegenden Teilmagneten mit dem Bezugszeichen 57 angedeutet ist. Es können je- doch auch alle Permanentmagnete homogen aus einem einzigen Werkstoff bestehen. Die V-förmig angeordneten und gegebenenfalls aus mehreren Teilmagneten bestehenden Permanentmagnete/Kompositkörper 54, 55 können auch nach Art der in Figuren 3 bis 11 dargestellten Konstellationen zusammengesetzt sein. Im Übrigen ist in der Fig. 17 die Magnetisierungsrichtung der Permanentmagnete durch die Pfeile 58, 59 angedeutet.
In der Fig. 19 ist eine ähnliche Konstellation im Querschnitt dargestellt wie in der Fig. 17, wobei die einzelnen Permanentmagnete 54', 55' jedoch im Querschnitt tonnenförmig bzw. oval ausgebildet sind. Damit ergibt sich eine gute Rückhaltung in entsprechend geformten Aufnahmen 55'a des Rotorkörpers sowie eine weiter optimierte Feldgestaltung wie weiter unten anhand der Fig. 22, 23 noch näher erläutert wird. Auch die in Figur 19 dargestellten Permanentmagnete können aus jeweils mehreren Teilmagneten einer ersten und zweiten Menge von Permanentmagneten bestehen.
Die Fig. 20 zeigt eine Darstellung entsprechend den Fig. 17 und 19, wobei die Permanentmagnete 54", 55" im Querschnitt aus zwei trapezförmigen Vierecken zusammengesetzt sind, deren Basen aneinander angrenzen, wobei die einzelnen Trapezkörper einstückig zusammenhängen oder auch jeweils Teilmagnete darstellen können, die zu einem Kompositkörper zusammengesetzt sind.
Die Magnetisierungsrichtungen sind entsprechend den Fig. 17 und 19 in Form von Pfeilen angedeutet.
Anstelle der dargestellten beiden Trapezkörper können auch jeweils zwei im Querschnitt tonnenförmige Teilmagnete, ein radial innen liegender und ein radial außen liegender Teilkörper, gemeinsam entweder miteinander verbunden oder zumindest aneinander angrenzend einen Kompositkörper bilden.
Die Fig. 21 zeigt beispielhaft eine sogenannte Halbach-Anordnung von Magneten, wobei die einzelnen Teilmagnete 60, 61 , 62, 63, 64, 65, 66 der Halbach- Anordnung in Umfangsrichtung aufgereiht sind. Grundsätzlich sind speichenartig angeordnete Permanentmagnete 60, 61 , 62, 63 vorgesehen, wobei ein erstes Paar 60, 61 Magnetisierungsrichtungen aufweist, die aufeinander zugerichtet sind, in der Fig. 21 durch Pfeile repräsentiert. Das benachbarte Paar von Permanentmagneten 62, 63 weist ebenfalls Magnetisierungsrichtungen auf, die aufeinander zugerichtet sind, wobei die Magnetisierungsrichtungen der Permanentmagneten 61 und 62 gegensinnig zueinander und voneinander weg gerichtet gestaltet sind.
Die jeweils zwischen benachbarten Permanentmagneten angeordneten weiteren Permanentmagneten 64, 65, 66 weisen in Umfangsrichtung alternierend jeweils eine radial nach außen und radial nach innen gerichtete Magnetisierungsrichtung auf. Durch diese Gesamtkonstellation wird der magnetische Fluss radial innen bezüglich der Permanentmagnete 60, 61 , 62, 63 minimiert und der magnetische Fluss radial außerhalb der Magnete maximiert. Hierdurch ergibt sich im Bereich des Magnetspaltes zwischen Stator und Rotor eine optimierte Magnetfeldstärke.
Zusätzlich zu der optimierten Anordnung und Ausrichtung der Permanentmagnete kann die magnetische Feldstärke bzw. der Fluss auch durch die äußere Formgebung der einzelnen Permanentmagnete optimiert werden. Die Fig. 22 zeigt zur Verdeutlichung eine linear abgerollte Konstellation von zwei in einem zylindrischen Rotor nebeneinander liegenden Permanentmagneten 60, 61. Bei genauer Betrachtung der magnetischen und physikalischen Verhältnisse ergibt sich, dass die Remanenzfeldstärke einer solchen Anordnung mit sinkendem Abstand der Permanentmagnete in Azimutalrichtung, angedeutet durch den Pfeil 67 steigt, sowie mit der Ausdehnung der einzelnen Permanentmagnete in Azimutalrichtung. Zudem kann die Flussdichte dadurch erhöht werden, dass die Fläche, auf der aus dem jeweiligen Permanentmagneten Flusslinien in Azimutalrichtung austreten bzw. in diese eintreten, vergrößert wird. Somit ergibt sich bei der in Fig. 23 dargestellten Variante durch die doppelt tonnenförmige Ausgestaltung der Permanentmagnete 60', 61 ' eine noch höhere Flussdichte als bei der Konstellation gemäß Fig. 22.
Die bei den obigen Beispielen jeweils einzeln beschriebenen Maßnahmen zur Erhöhung der Flussdichte innerhalb des Rotorkörpers bzw. zur Gestaltung des ge- samten magnetischen Flusses sind als Maßnahmen zu verstehen, die untereinander zur Gestaltung eines optimierten, an die jeweiligen Erfordernisse angepassten Rotors kombiniert werden können. Damit kann eine elektrische Maschine gemäß der Erfindung geschaffen werden, die bei einem möglichst geringen Einsatz von seltene Erden-Elementen erlaubt, eine hohe Leistungsdichte und hohe Drehmomente einer elektrischen Maschine zu erreichen.
0740
22
Bezugszeichenliste
I , 1 ' Rotor
2 Stator
3 Rotorachse
4 Rotorkörper
5, 6 Permanentmagnete
5a, 6a Aufnahmen
5b, 6b radial außen liegende Enden von 5a, 6a 5c, 6c radial innen liegende Enden von 5a, 6a 7 Längsachse von 5a
8 Magnetspalt, Rotorspalt
9, 10 Ansätze
I I , 12 Statorzähne
13, 14 Statornuten
15, 16 Statorwicklungen
17, 17' Teilmagnet aus Ferrit
18, 18', 18" Teilmagnet mit seltenen Erden
19, 20 Permanentmagnete der dritten Menge 21 , 22 Magnetisierungsrichtungen
23, 23' Erweiterung
24, 24', 25, 26, 27, 28, 29, 29', 30 Teilmagnet
31 Ansatz
32, 33 Teilmagnet
34, 35 kreisrunde Teilmagnete
35a Aufnahme
36, 37 tonnenförmige Permanentmagnete
38 Magnetisierungsrichtung
39 innen liegender Stator
40 hohlzylindrischer, außen liegender Rotor
41 , 42 Permanentmagnete
43 erster Bereich
44 zweiter Bereich dritter Bereich
, 47 Kompositkörper
a Aufnahme
, 49 Teilmagnet
, 51 Magnetisierungsrichtung
Permanentmagnet der dritten Mengea Tasche
Magnetisierungsrichtung
, 54', 54", 55, 55' Permanentmagnete in V-Anordnunga Aufnahme
'a Aufnahme
Magnetisierungsrichtung
Teilmagnet
, 59 Magnetisierungsrichtung/Pfeil
, 60', 61 , 61 ', 62, Permanentmagnete in Speichenanordnung, 65, 66 weitere Permanentmagnete
a Tasche
Azimutalrichtung

Claims

Ansprüche
1. Elektrische Maschine, insbesondere Elektromotor mit einem Stator (2) sowie einem um eine Rotorachse (3) drehbar gelagerten Rotor (1 , 1') mit einem Rotorkörper (4), wobei in Aufnahmen (5a, 6a, 35a, 47a, 55a, 55'a) des Rotorkörpers Permanentmagnete (17, 17', 18, 18', 18", 24, 24', 25, 26, 27, 28, 29, 29', 30, 32, 33, 34, 35, 48, 49, 57) angeordnet sind, die wenigstens teilweise aus einem Mischwerkstoff bestehen, wobei die Mischung derart eingestellt ist, dass der Mischwerkstoff bei Raumtemperatur eine Remanenzfeldstärke Br zwischen 0,6 Tesla und 1 Tesla sowie eine Koerzitiv- feldstärke Hcj zwischen 1300 und 2500 KA/m aufweist.
2. Elektrische Maschine gemäß Patentanspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass wenigstens einige, insbesondere alle Permanentmagnete (17, 17', 18, 18', 18", 24, 24', 25, 26, 27, 28, 29, 29', 30, 32, 33, 34, 35, 48, 49, 57) wenigstens teilweise aus einem Mischwerkstoff bestehen, der eine Mischung aus einem Ferritwerkstoff und einem seltene Erden aufweisenden Magnetwerkstoff darstellt.
3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Mischung derart eingestellt ist, dass der Temperaturkoeffizient der Remanenz Br in einem Temperaturbereich zwischen -50 Grad und 80 Grad Celsius zwischen - 0,11 %/Kelvin und 0%/Kelvin liegt.
4. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 , 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung derart eingestellt ist, dass der Temperaturkoeffizient der Koerzitivfeldstärke Hcj in einem Temperaturbereich zwischen -50 Grad und 180 Grad Celsius zwischen -0,5%/Kelvin und +0,4%/Kelvin liegt.
5. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 , 2, 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Mischwerkstoff ein Ferritpulver und ein seltene Erden- Pulver enthält.
6. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 , 2, 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Mischwerkstoff durch en Polymer gebunden ist.
7. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 , 2, 3, 4 oder 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Mischwerkstoff durch Spritzgießen, Hochdruckguss oder Sinterung unter Verwendung eines Ferritpulvers und eines seltene Erden enthaltenden Pulvers hergestellt ist.
8. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 , 2, 3, 4, 5 oder 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Ferritpulver und/oder das seltene Erden Pulver, insbesondere NdFeB, magnetisch anisotrop ausgestaltet ist.
9. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder einem der folgenden,
dadurch gekennzeichnet,
dass sich der Querschnitt eines oder mehrerer der Permanentmagnete (17, 17', 18, 18', 18", 24, 24', 25, 26, 27, 28, 29, 29', 30, 32, 33, 34, 35, 48, 49, 57) zu dem radial weiter außen liegendem Ende (5b, 6b) der jeweiligen Aufnahme (5a, 6a, 35a, 47a, 55a, 55'a) hin wenigstens abschnittsweise verringert und dass die Permanentmagnete (17, 17', 18, 18', 18", 24, 24', 25, 26, 27, 28, 29, 29', 30, 32, 33, 34, 35, 48, 49, 57) wenigstens an ihrem ra- dial außen liegenden Ende, insbesondere mit ihrer gesamten Außenkontur, formschlüssig mit der jeweiligen Aufnahme (5a, 6a) zusammenpassen.
10. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder einem der folgenden,
dadurch gekennzeichnet,
dass einer oder mehrere Permanentmagnete (17, 17', 18, 18', 18", 24, 24', 25, 26, 27, 28, 29, 29', 30, 32, 33, 34, 35, 48, 49, 57) im Querschnitt des Rotors (1 , 1 ') eine tonnenförmige Kontur oder eine radial nach außen spitzwinklig zulaufende Kontur aufweisen.
11. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 , oder einem der folgenden,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein oder mehrere Permanentmagnete (17, 17', 18, 18', 18", 24, 24', 25, 26, 27, 28, 29, 29', 30, 32, 33, 34, 35, 48, 49, 57) zum radial inneren Ende (5c, 6c) der jeweiligen Aufnahme (5a, 6a, 35a, 47a, 55a, 55'a) hin eine stufenförmige Querschnittserweiterung aufweist/aufweisen. 2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder einem der folgenden,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein Kompositkörper (47) einen radial weiter außen und einen radial weiter innen liegenden Permanentmagneten (17, 17', 18, 18', 18", 24, 24', 25, 26, 27, 28, 29, 29', 30, 32, 33, 34, 35, 48, 49, 57) aufweisen und dass der radial weiter innen liegende Permanentmagnet an der Fügestelle zwischen den beiden Permanentmagneten eine größere Querschnittsfläche aufweist, als der radial weiter außen liegende Permanentmagnet.
13. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder einem der folgenden,
dadurch gekennzeichnet,
dass zwei zusammengefügte Permanentmagneten wenigstens eines Kompositkörpers (47) zueinander parallele Magnetisierungsrichtungen (21 , 22, 38, 50, 5153, 56, 58, 59) aufweisen.
14. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder einem der folgenden, dadurch gekennzeichnet,
dass die Permanentmagnete (17, 17', 18, 18', 18", 24, 24', 25, 26, 27, 28, 29, 29', 30, 32, 33, 34, 35, 48, 49, 57) und/oder Kompositkörper (47) Teil einer V-förmigen Anordnung von Komponenten eines Magnetkreises sind.
15. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder einem der folgenden,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Permanentmagnete (17, 17', 18, 18', 18", 24, 24', 25, 26, 27, 28, 29, 29', 30, 32, 33, 34, 35, 48, 49, 57) und/oder Kompositkörper (47) Teil einer Halbach- Anordnung von Komponenten eines Magnetkreises sind.
16. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder einem der folgenden,
dadurch gekennzeichnet,
dass die erste Menge von Permanentmagneten (17, 17', 18, 18', 18", 24, 24', 25, 26, 27, 28, 29, 29', 30, 32, 33, 34, 35, 48, 49, 57) einen geringeren Masseanteil an seltenen Erden aufweist, als die zweite Menge, insbesondere keinen Anteil an seltenen Erden.
17. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder einem der folgenden,
dadurch gekennzeichnet,
dass die zweite Menge von Permanentmagneten (17, 17', 18, 18', 18", 24, 24', 25, 26, 27, 28, 29, 29', 30, 32, 33, 34, 35, 48, 49, 57) einen Masseanteil an leichten seltene Erden- Elementen aufweist sowie dass der Massenanteil von schweren seltenen Erde- Elementen geringer ist als der Anteil von leichten seltene Erden- Elementen, insbesondere, dass der Massenanteil von schweren seltenen Erde- Elementen Null ist.
18. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder einem der folgenden,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Rotor (1 , 1 ') zusätzlich Aufnahmen (5a, 6a) mit Permanentmagneten einer dritten Menge aufweist, wobei die Permanentmagneten (19, 20, 52, 64, 65, 66 der dritten Menge sich von den Permanentmagneten (17, 17', 18, 18', 18", 24, 24', 25, 26, 27, 28, 29, 29', 30, 32, 33, 34, 35, 48, 49, 57) der ersten und der zweiten Menge bezüglich der stofflichen Zusammensetzung unterscheiden.
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