WO2013135377A2

WO2013135377A2 - Effiziente elektrische maschine

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Publication number: WO2013135377A2
Application number: PCT/EP2013/000741
Authority: WO
Inventors: Sunny Zhang; Daniel FIEDERLING; Joachim Baumgartner; Jin Xu
Original assignee: Brose Fahrzeugteile GmbH & Co. Kommanditgesellschaft, Würzburg
Priority date: 2012-03-13
Filing date: 2013-03-13
Publication date: 2013-09-19
Also published as: CN104170212B; US20140375160A1; CN104185938A; CN104704711A; CN104303395A; US9876397B2; WO2013135376A3; DE102012020927A1; JP2015510388A; DE112012006031A5; WO2013135256A3; CN104170212A; DE112012006024A5; US20150001970A1; JP2015525051A; US9831726B2; WO2013135257A2; WO2013135256A2; WO2013135257A3; CN104185938B

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), bei dem in Aufnahmen (5a, 6a) wenigstens zwei Permanentmagnete in Form von Teilmagneten (17, 17', 18, 18', 18", 24, 24', 25, 26, 27, 28, 29, 29', 30, 32, 33, 34, 35, 48, 49, 57) angeordnet sind, von denen ein Erster zu einer ersten Menge von Permanentmagneten und ein Zweiter zu einer zweiten Menge von Permanentmagneten gehört und wobei die Permanentmagnete der ersten Menge sich von den Permanentmagneten der zweiten Menge bezüglich der stofflichen Zusammensetzung, insbesondere bezüglich der magnetischen Eigenschaften unterscheiden, und wobei wenigstens ein Permanentmagnet der ersten oder zweiten Menge oder wenigstens ein Kompositkörper (47) 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

Effiziente elektrische Maschine

Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Elektrotechnik und befasst sich insbesondere mit rotierenden elektrischen Maschinen also beispielsweise Elektromotoren oder Generatoren.

Insbesondere in der Automobiltechnik, d. h. in Kraftfahrzeugen werden vermehrt Elektromotoren in Form von Stellelementen für die Assistenz von Fahrer oder Fahrgästen (Fensterheber, Schiebedachantrieb, Sitzverstellung) eingesetzt. Zudem finden Elektromotoren auch bei den Unterstützungssystemen für den Fahrantrieb, beispielsweise als Aktuator für das Getriebe sowie als Lüftermotoren und auch beim eigentlichen Fahrzeugantrieb selbst Anwendung. Die dort eingesetzten Elektromotoren müssen erhöhten Anforderungen genügen, indem sie zur Verringerung des Fahrzeuggewichts leicht sein und dennoch eine hohe Leistungsdichte aufweisen sollen. Zudem wird eine hohe Standzeit und große Zuverlässigkeit verlangt. Letztlich wird, insbesondere bei den Motoren, die in der Nähe eines Verbrennungsmotors eingesetzt werden, eine entsprechende Betriebssicherheit auch bei Temperaturen von mindestens 120°C oder bis 180°C gefordert.

Grundsätzlich können bürstenbehaftete Elektromotoren (Kommutatormotoren) oder bürstenlose Elektromotoren eingesetzt werden, deren Motor in einem rotierenden Feld eines Stators angetrieben wird, wobei üblicherweise der Stator mit den entsprechend angesteuerten Wicklungen und der Rotor mit Permanentmagneten bestückt ist. Sowohl der Rotor als auch der Stator sind üblicherweise unter Verwendung von Blechpaketen aufgebaut, wobei die einzelnen Bleche zur Verringerung von parasitären Wirbelströmen gegeneinander isoliert sind, beispielsweise durch Lackschichten. Innerhalb der Blechpakete sind im Stator sogenannte Statorzähne mit dazwischen liegenden Statornuten vorgesehen, wobei die Statorzähne eine Feldwicklung tragen, die innerhalb der Statornuten angeordnet ist. Die Feldwicklung wird oft mittels einer elektronischen Schaltung angesteuert, die nach ei- nem Zeitregime einzelne Wicklungsteile bestromt und damit ein Drehfeld erzeugt, wobei häufig eine Pulsweitenmodulationstechnik zur Ansteuerung eingesetzt wird.

Werden hohe Anforderungen bzgl. der Effizienz und Leistungsdichte an derartige Motoren gestellt, so ergibt sich das Erfordernis, dass der Rotorspalt, d.h. der Spalt zwischen Rotor und Stator der auch den Abstand zwischen den Permanentmagneten der einen Seite und den Magnetpolen der anderen Seite bestimmt, möglichst klein ausgelegt ist. Es können dabei unerwünschte magnetische Felder, beispielsweise durch Selbstinduktion der Feldwicklung entstehen, die insbesondere bei höheren Betriebstemperaturen zu einer Entmagnetisierung der Permanentmagnete führen können. Dies führt in der Folge zu einer Verringerung der Leistung und der Leistungsdichte der Maschine. Um dies zu verhindern werden üblicherweise Magnetmaterialien oder -legierungen mit möglichst hoher Koerzitiv- feldstärke eingesetzt. Oft finden zur Erzielung einer möglichst hohen Koerzitiv- feldstärke Legierungen mit Bestandteilen oder Anteilen von seltene Erdenelementen Verwendung. Besonders sogenannte schwere seltene Erden-elemente wie beispielsweise Terbium und Dysprosium weisen eine hohe Koerzitivfeldstärke auf und bieten sich daher zur Stabilisierung der Permanentmagnete an. Diese Materialien sind jedoch selten und kostenintensiv.

Die Erfindung betrifft konkret eine elektrische Maschine, insbesondere einen Elektromotor mit einem Stator sowie einen um eine Rotorachse drehbar gelagerten Rotor mit einem Rotorkörper, wobei in Aufnahmen des Rotorkörpers, die sich von einem radial inneren Ende entlang ihrer jeweiligen Längsachse bis zu einem radial weiter außen liegenden Ende erstrecken, wenigstens zwei Permanentmagnete in Form von Teilmagneten angeordnet sind, von denen ein erster zu einer ersten Menge von Permanentmagneten und ein zweiter zu einer zweiten Menge von Permanentmagneten gehört und wobei die Permanentmagnete der ersten Menge sich von den Permanentmagneten der zweiten Menge bezüglich der stofflichen Zusammensetzung, insbesondere bezüglich der magnetischen Eigenschaften unterscheiden. Es kann dabei auch vorgesehen sein, dass innerhalb der Aufnahmen jeweils wenigstens zwei Permanentmagnete in Form von Teilmagneten angeordnet sind, von denen ein erster zu einer ersten Menge von Permanentmagneten und ein zweiter zu einer zweiten Menge von Permanentmagneten gehört.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine der eingangs genannten Art zu schaffen, die einerseits kostengünstig herstellbar ist und die stabil und betriebssicher ausgeführt sein soll. Zudem soll die Maschine bei einer hohen erreichbaren Leistungsdichte möglichst eine hohe Entmagnetisierungsfes- tigkeit aufweisen.

Die Aufgabe wird mit den Merkmalen der Erfindung dadurch gelöst, dass wenigstens ein Permanentmagnet der ersten oder zweiten Menge oder wenigstens ein Kompositkörper mit zwei Permanentmagneten der ersten Menge oder der zweiten Menge oder ein Kompositkörper mit einem Permanentmagneten der ersten Menge und einem Permanentmagneten der zweiten Menge eine Kontur aufweisen, deren senkrecht zur Längsachse liegende Querschnittsfläche sich innerhalb der jeweiligen Aufnahme zu deren radial weiter außen liegendem Ende hin wenigstens abschnittsweise verringert.

Bei der erfindungsgemäßen Maschine können Permanentmagneten unterschiedlicher Zusammensetzung eingesetzt werden, die beispielsweise aus Materialien mit unterschiedlichen Koerzitivfeldstärken bestehen. Damit können in dem Bereich des Rotors, in dem die Permanentmagnete erhöhten störenden Magnetfeldstärken ausgesetzt sind, Materialien mit höheren Koerzitivfeldstärken eingesetzt werden, während in anderen Bereichen des Rotors Materialien mit geringerer Koerzitiv- feldstärke und beispielsweise einer höheren magnetischen Remanenz eingesetzt werden können. Die Erfindung bietet insbesondere die Möglichkeit, innerhalb einer Aufnahme des Rotors zwei Permanentmagnete unterschiedlicher Zusammensetzung einzusetzen, wobei dann vorzugsweise das Material mit höher Koerzitiv- feldstärke in dem Bereich der Aufnahme und des Rotors eingesetzt werden kann, der dem Rotorspalt am Nächsten ist und der damit erhöhten Störmagnetfeldern ausgesetzt ist. Innerhalb einer Aufnahme können zwei oder drei, vier oder auch mehr Permanentmagnete der ersten Menge und gegebenenfalls zusätzlich auch ein oder mehr Permanentmagnete der zweiten Menge angeordnet sein. Diese Teilmagnete können untereinander durch übliche Fügetechniken wie Kleben, Löten, Verschweißen oder formschlüssige Verbindung verbunden oder auch nur gemeinsam in eine Aufnahme eingelegt und dort verklemmt oder verkeilt sein.

Grundsätzlich kann dabei bei der elektrischen Maschine die Konstruktion eines Innenrotors vorgesehen sein, so dass ein zentraler Rotor mit bei Rotation radial nach außen zum Magnetspalt hin wirkenden Fliegkräften vorliegt. Es kann jedoch auch ein Außenrotor vorgesehen sein, bei dem entsprechende Fliegkräfte vom Rotor weg nach außen und damit auch von dem inneliegenden Stator weggerichtet sind.

Grundsätzlich können die Aufnahmen im Rotor oder wenigstens einige der Aufnahmen, insbesondere diejenigen Aufnahmen, in denen mehrere Permanentmagnete angeordnet sind, im Querschnitt des Rotors gesehen mit ihren jeweiligen Längsachsen speichenartig von der Rotorachse weg nach außen verlaufen. Es sind jedoch auch andere Anordnungen der Aufnahmen im Rotorkörper denkbar wie beispielsweise eine V-förmige Anordnung der Längsachsen der Aufnahmen für jeweils Paare von Permanentmagneten. Die einzelnen Schenkel der jeweiligen V-Anordnungen verlaufen in diesem Fall nicht radial auf die Rotorachse zu, sondern schräg zur Radialrichtung wobei dennoch ein radial weiter innen liegender Bereich der jeweiligen Aufnahme und ein radial weiter außenliegender Bereich der Aufnahme vorgesehen ist.

Weiterhin sieht die Erfindung vor, dass die oder einige der Permanentmagneten jeweils eine Kontur aufweisen, die eine wenigstens teilweise formschlüssige Festlegung innerhalb der jeweiligen Aufnahme („teilweise" bedeutet in diesem Zusammenhang beispielsweise: ausschließlich gegenüber radial wirkenden Fliehkräften) erlaubt. Der Stand der Technik weist quaderförmige Permanentmagnete auf, die in entsprechend geformten Ausnehmungen des Rotorkörpers aufgenommen werden, wobei im radial außen liegenden Bereich des Magnetspaltes am Rotorkörper vorstehende Ansätze gebildet sind um den jeweiligen Permanentmagneten in der Aufnahme zu halten. Die Aufnahmen des Rotorkörpers sind dabei vorzugsweise zum Magnetspalt hin offen so dass zumindest bei Vorliegen eines Innenrotors bei hohen Drehzahlen und entsprechend großen wirkenden Fliehkräften die Permanentmagnete nach außen gegen die Ansätze des Rotorkörpers gedrückt werden. Da zur Erhöhung der Effizienz einer elektrischen Maschine der Magnetspalt üblicherweise klein gehalten wird, ist auch die Dicke der Ansätze des Rotorkörpers die die Permanentmagnete halten sollen, begrenzt und diese können im Betrieb brechen.

Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Permanentmagnete erlaubt eine bessere Verteilung der Fliehkräfte auf die Randflächen der Aufnahmen und entsprechende Ansätze am Rotorkörper zur Rückhaltung der Permanentmagnete können insbesondere ganz weggelassen werden. Damit ergibt sich eine höhere Betriebssicherheit der elektrischen Maschine wobei zudem die Leistungsdichte erhöht werden kann, dadurch, dass sich die Permanentmagnete auch unmittelbar bis zur Zylindrischen Außenfläche des Rotors erstrecken und mit dieser beispielsweise fluchten können.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung wird dadurch erreicht, dass die Permanentmagnete und/oder aus zwei oder mehr Permanentmagneten zusammengesetzten Kompositkörper, deren Querschnitt sich zu dem radial weiter außen liegendem Ende einer Aufnahme hin wenigstens abschnittsweise verringert, wenigstens an ihrem radial außen liegenden Ende, insbesondere mit ihrer gesamten Außenkontur, formschlüssig mit der jeweiligen Aufnahme zusammenpassen.

Dadurch, dass ein Permanentmagnet und/oder ein Kompositkörper wenigstens im Bereich ihres radial außenliegenden Endes, d.h. wo aufgrund von wirkenden radialen Fliehkräften entsprechende Rückhaltekräfte des Rotorkörpers erforderlich sind, an dem Rand der Aufnahme(n) anliegen, ist dort für eine flächige Anlage ge- sorgt, die zu einer Verteilung der Druckkräfte führt und damit die radial außen liegenden Randflächen der Ausnehmung(en) im Rotorkörper nur in dem vertretbaren Maß belastet. Das formschlüssige Zusammenpassen eines Permanentmagneten / Kompositkörpers mit der jeweiligen Aufnahme ist bereits dann erreicht, wenn in Radialrichtung der jeweilige Körper zumindest auf einer Teilfläche an einer entsprechenden komplementär geformten Anlagefläche im Randbereich der Aufnahme anliegt. Die Kraftverteilung wird selbstverständlich umso besser, je größer die Anlagefläche ist, d.h. je weiter der Bereich reicht, in dem der Permanentmagnet mit dem Rand der Aufnahme formschlüssig zusammenpasst.

Insbesondere kann der Permanentmagnet / Kompositkörper vollständig formschlüssig in eine entsprechende Aufnahme des Rotorkörpers eingepasst sein.

Dies kann beispielsweise ganz oder teilweise dadurch erreicht sein, dass der Permanentmagnet / Kompositkörper aus mehreren Teilkörpern innerhalb der Aufnahme des Rotorkörpers zusammengesetzt ist oder innerhalb der Aufnahme durch Verpressen oder Vergießen hergestellt ist.

Besonders vorteilhaft kann die Erfindung bei einer elektrischen Maschine, d.h. einem Rotor oder einem Generator angewendet werden, wenn der Rotor als Innenrotor ausgebildet und von einem Stator umgeben ist.

In diesem Fall bildet der Rotor einen massiven zylindrischen Körper in dem der entsprechende Raum vorhanden ist, um die Aufnahmen für Permanentmagnete optimiert anzuordnen und auszurichten.

Unabhängig von dieser optimierten Ausbildung ist die Erfindung ebenso bei elektrischen Maschinen mit einem Außenrotor / Außenläufer anwendbar.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass einer oder mehrere Permanentmagneten der ersten oder zweiten Menge oder ein oder mehrere Kompositkörper im Querschnitt des Rotors eine tonnenförmige Kontur oder eine radial nach außen spitzwinklig zulaufende Kontur aufweisen. Insgesamt lässt sich die im Querschnitt senkrecht zur Rotorachse gesehen radial nach außen verjüngend zulaufende Kontur der Permanentmagnete / Kompositkörper auf verschiedene Weise realisieren. Eine solche Form kann beispielsweise durch eine im Querschnitt kreisförmige oder ovale Kontur eines Permanentmagneten oder eines Kompositkörpers realisiert werden oder durch eine tonnenförmige Struktur oder auch durch eine im Wesentlichen dreieckige oder trapezförmige Struktur, wobei wenigstens abschnittsweise ein radial nach außen verjüngend zulaufender Bereich vorgesehen ist. Bei einem aus zwei oder mehr Einzelkörpern bestehenden Kompositkörper kann ein einzelner dieser Körper entsprechend radial nach außen hin abschnittsweise verjüngt zulaufen oder auch mehrere Körper oder alle Körper. Beispielsweise können in Radialrichtung zwei oder mehr im Querschnitt runde oder ovale Permanentmagnete hintereinander aufgereiht und miteinander verbunden sein oder nur aneinander anliegen. Der Begriff Kompositkörper ist in dem Sinne zu verstehen, dass ein Gesamtkörper aus mehreren einzelnen Körpern bestehen kann, die entweder miteinander verbunden oder aneinander direkt angrenzend und einander berührend angeordnet sind. Als Kompositkörper kann auch ein Körper verstanden werden, der aus mehreren verschiedenen Körpern zusammengesetzt oder abschnittsweise aus mehreren verschiedenen Stoffen gemischt wird. Dabei können die Anteile verschiedener Körper unterschiedliche stoffliche Zusammensetzungen und beispielsweise unterschiedliche Koerzitivfeldstärken und / oder unterschiedliche magnetische Remanenzen aufweisen.

Die Erfindung kann vorteilhaft auch dadurch realisiert sein, dass ein oder mehrere Permanentmagnete oder Kompositkörper zum radial inneren Ende der jeweiligen Aufnahme hin eine stufenförmige Querschnittserweiterung aufweist/aufweisen.

Auch durch eine solche Stufe die an einem Körper oder zwischen zwei Körpern in deren Übergangsbereich vorgesehen ist, kann eine entsprechende Anlagefläche formschlüssig zu der entsprechenden Randfläche einer Aufnahme, an der die Stufe anliegt, geschaffen werden. Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass ein Kompositkörper einen radial weiter außen und einen radial weiter innen liegenden Permanentmagneten aufweisen und dass der jeweils radial weiter innen liegende Permanentmagnet an der Fügestelle zwischen den beiden Permanentmagneten eine größere Querschnittsfläche aufweist, als in demselben Bereich der jeweils radial weiter außen liegende Permanentmagnet.

Dabei sind vorteilhaft der radial weiter innen liegende und der radial weiter außenliegende Permanentmagnet miteinander verbunden, so dass der formschlüssig gehaltene radial innenliegende Permanentmagnet durch seine Verbindung mit dem weiter außenliegenden Permanentmagneten diesen beim Auftreten von Fliehkräften hält.

Weiter kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass der radial weiter außen liegende Permanentmagnet eine höhere Koerzitivfeldstärke aufweist als der radial innen liegende Teil des / der Permanentmagneten / Kompositkörpers. Dies führt dazu, dass der radial außen liegende Permanentmagnet, der tendenziell im Bereich des Magnetspalts der elektrischen Maschine höheren magnetischen Störfeldern ausgesetzt ist eine hohe Stabilität gegenüber einer Entmagnetisierung durch solche Störmagnetfelder aufweist als der radial innen liegende Teil. Dies sollte insbesondere auch bei höheren Temperaturen beispielsweise oberhalb von 120°C gelten.

Dabei kann zudem vorteilhaft vorgesehen sein, dass wenigstens zwei zusammengefügte Permanentmagneten wenigstens eines Kompositkörpers zueinander parallele Magnetisierungsrichtungen aufweisen.

Es sind dabei insgesamt im Rotorkörper verschiedene Verlaufsgestaltungen des magnetischen Flusses denkbar, wobei sich die positiven Eigenschaften mit verschiedenen Permanentmagneten innerhalb einer Aufnahme gut kombinieren lassen, wenn ihre Magnetisierungsrichtungen parallel zueinander sind. Insgesamt kann in dem Rotorkörper eine V-förmige Anordnung von jeweils Paaren von Permanentmagneten und / oder Kompositkörpern vorgesehen sein. Typischerweise sind mehrere solcher V-förmiger Anordnungen am Umfang eines Rotors verteilt. Eine V-förmige Anordnung besteht dabei aus zwei Aufnahmen innerhalb des Rotorkörpers die im Querschnitt des Rotors die einzelnen Schenkel eines V bilden und die jeweils einen oder mehrere Permanentmagnete und / oder Kompositkörper aufnehmen. Die einzelnen Schenkel der V-förmigen Anordnung müssen dabei nicht als gradlinig begrenzte Nuten ausgebildet sein, sondern sie können formschlüssig jeweils tonnenförmige Permanentmagneten oder hintereinander aufgereihte Gruppen von Permanentmagneten / Kompositkörpern aufnehmen, die ihrerseits einzeln tonnenförmig, im Querschnitt kreisförmig oder trapezförmig oder ähnlich aufgebaut sein können.

Durch eine derartige V-förmige Gestaltung werden optimierte Magnetflusseigenschaften im Rotorkörper erreicht, wobei durch eine konvexe Gestaltung der einzelnen Schenkel des Vs oder durch die konvexe Gestaltung von Abschnitte der Schenkel des jeweiligen Vs ein höherer Gesamtmagnetfluss und damit insgesamt für die elektrische Maschine eine höhere Energiedichte erreicht werden kann.

Die einzelnen Permanentmagnete und / oder Kompositkörper können vorteilhaft innerhalb des Rotors in Gruppen jeweils in einer Halbachanordnung als Komponenten eines Magnetkreises vorgesehen sein.

Mit der bekannten Halbachanordnung von Magneten lässt sich auf der einen Seite einer Reihe von Magneten eine wesentlich höhere Feldstärke realisieren als auf der entsprechend gegenüberliegenden Seite der Magnete. Die Halbach- Anordnung wird im vorliegenden Falle in Umfangsrichtung eines Rotors derart angeordnet, dass die Seite der größeren Feldstärke zum Magnetspalt der Maschine gewandt ist. Zur Schaffung einer Halbach-Anordnung können verschiedene Arten von Magneten, insbesondere aus einer ersten Menge, einer zweiten Menge und einer dritten Menge von Magneten, miteinander kombiniert werden Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die erste Menge von Permanentmagneten einen geringeren Masseanteil an seltenen Erden aufweist, als die zweite Menge, insbesondere keinen Anteil an seltenen Erden.

Dabei kann vorteilhaft der Umstand ausgenutzt werden, dass gegenüber Werkstoffen, die keine seltenen Erden enthalten, solche Werkstoffe mit seltene Erden- Anteilen üblicherweise eine erhöhte Koerzitivfeldstärke und andererseits auch oder alternativ eine besonders hohe Remanenz aufweisen können.

Dabei ist insbesondere bei einem Masseanteil von sogenannten schweren seltenen Erden eine hohe Koerzitivfeldstärke erreichbar, d.h. bei Verwendung der Elemente Ytrium, Gadolinium, Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium, Thulium, Ytterbium und / oder Lutetium. Leichte seltene Erden wie Scandium, Landan, Cer, Praseodym, Neodym, Promethium, Semarium und / oder Europium wirken tendenziell eher auf eine Erhöhung der Remanenz. Grundsätzlich kann es jedoch vorteilhaft sein, mit möglichst wenig oder gar keinen Masseanteilen an schweren seltenen Erden, insbesondere mit Masseanteilen unterhalb von 1 % auszukommen. Der Masseteil von leichten seltenen Erden kann vorteilhaft in einem Bereich zwischen 5 und 25%, weiter vorteilhaft in einem Bereich zwischen 10 und 20% liegen.

Vorteilhaft kann zudem vorgesehen sein, dass die erste Menge von Permanentmagneten keine seltenen Erden enthält, und dass die zweite Menge von Permanentmagneten leichte seltene Erden zumindest in Anteilen aufweist. Es kann dabei vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Permanentmagnete aus der zweiten Menge von Permanentmagneten vorzugsweise weiter entfernt vom Magnetspalt der elektrischen Maschine eingesetzt werden als die Permanentmagnete der ersten Menge bzw. das alle Permanentmagneten der zweiten Menge radial vom Magnetspalt weiter entfernt als die Permanentmagneten der ersten Menge.

Durch die beschriebenen Maßnahmen wird erreicht, dass einerseits die dem Magnetspalt näheren Permanentmagnete aus einem Material mit höherer Koerzitiv- feldstärke und geringer magnetischer Remanenz hergestellt sind als die Permanentmagnete, die einen größeren Abstand zum Magnetspalt aufweisen.

Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass der Rotorkörper zusätzlich Taschen mit Permanentmagneten einer dritten Menge aufweist, wobei die Permanentmagneten der dritten Menge sich von den Permanentmagneten der ersten und der zweiten Menge bezüglich der stofflichen Zusammensetzung, insbesondere der magnetischen Eigenschaften, unterscheiden und insbesondere jeweils symmetrisch zwischen den Aufnahmen angeordnet sind, die die Permanentmagnete der ersten und zweiten Menge aufnehmen.

Die Permanentmagnete der dritten Menge sind vorteilhaft beispielsweise bei einer speichenartigen, um die Rotorachse des Rotors symmetrisch aufgebauten Anordnung der Permanentmagnete der ersten und zweiten Menge symmetrisch zwischen den Speichen angeordnet oder bei V-förmigen Gestaltungen von Paaren von Permanentmagneten oder Permanentmagnetgruppen können die Permanentmagnete der dritten Menge jeweils mittig zwischen den Schenkeln der V-Form angeordnet sein. Die stoffliche Zusammensetzung der Permanentmagnete der dritten Menge unterscheidet sich von der Zusammensetzung der Permanentmagneten / Kompositkörper der ersten und zweiten Menge, wobei die Zusammensetzung der ersten und der zweiten Menge auch untereinander gleich sein kann. Die Magnetisierungsrichtung der Permanentmagneten der dritten Menge ist vorteilhaft innerhalb der Querschnittsebene des Rotors um einem Winkelbereich zwischen 60° und 120° zur Magnetisierungsrichtung der Permanentmagnete der ersten und zweiten Gruppe verdreht, vorteilhaft senkrecht zur Magnetisierungsrichtung der Permanentmagnete der ersten und zweiten Gruppe und / oder in Radialrichtung des Rotorkörpers ausgerichtet. Auf diese Weise können die Permanentmagnete der dritten Menge die Gestaltung des magnetischen Flussverlaufs im Rotorkörper optimieren und damit die Leistungsdichte der elektrischen Maschine weiter erhöhen und/oder zur Bildung einer Halbach- Anordnung beitragen.

Insbesondere sind die Permanentmagnete der dritten Menge jeweils in einer geschlossenen Ausnehmung / Tasche des Rotorkörpers angeordnet. 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. 15 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. 19 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 1' und eines Stators 2', wobei im Stator 2' im Querschnitt sogenannte Statorzähne 11 , 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.

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, 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. 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. 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.

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.

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 Abrundung 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 eine Remanenzfeldstärke Br zwischen 0,6 Tesla und 1 Tesla aufweist. Alternativ dazu oder zusätzlich kann der Mischwerkstoff die Eigenschaft aufweisen, dass die Koerzitivfeldstärke Hcj zwischen 1300 und 2500 kA/m beträgt. Bei Verwendung eines derartigen Materials, insbesondere wenn Permanentmagneten in Form von Kompositkörpern 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 der Koerzitivfeldstärke, aufgetragen gegenüber der Temperatur. Es zeigt sich dass die Koerzitivfeldstärke 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 Mi- schung zwischen Ferriten und seltenen Erden hergestellt werden können, wobei die Koerzitivfeldstärke zwischen der von seltene Erden-Werkstoffen und Ferriten liegt, wobei die Temperaturabhängigkeit der Koerzitivfeldstärke 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 ausgeglichen 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.

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 Ma- schine 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. 6 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 Permanentmagneten 54, 55 bilden jeweils einen Schenkel eines imaginären V, wobei die Permanentmagneten 54, 55 mit ihren Längsachsen nicht auf die Rotorachse zulaufen. Die Längsachsen der Permanentmagneten 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 entsprechen- den 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.

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 jedoch 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 Per- manentmagnete 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 gesamten 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.

Bezugszeichenliste

1 , V 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

1 1 , 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', 55" Permanentmagnete in V-Anordnunga Aufnahme

'a Aufnahme

Magnetisierungsrichtung

Teilmagnet

, 59 Magnetisierungsrichtung/Pfeil

, 60', 61 , 61 ', 62, 63 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 (4), die sich von einem radial inneren Ende (5c, 6c) entlang ihrer jeweiligen Längsachse (7) bis zu einem radial weiter außen liegenden Ende (5b, 6b) erstrecken, wenigstens zwei Permanentmagnete in Form von Teilmagneten (17, 17', 18, 18', 18", 24, 24', 25, 26, 27, 28, 29, 29', 30, 32, 33, 34, 35, 48, 49, 57) angeordnet sind, von denen ein erster (17, 17', 18, 18', 18", 24, 24', 25, 26, 27, 28, 29, 29', 30, 32, 33, 34, 35, 48, 49, 57) zu einer ersten Menge von Permanentmagneten und ein zweiter (17, 17', 18, 18', 18", 24, 24', 25, 26, 27, 28, 29, 29', 30, 32, 33, 34, 35,

48, 49, 57) zu einer zweiten Menge von Permanentmagneten gehört,

- wobei die Permanentmagnete (17, 17', 18, 18', 18", 24, 24', 25, 26, 27,

28, 29, 29', 30, 32, 33, 34, 35, 48, 49, 57) der ersten 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 zweiten Menge bezüglich der stofflichen Zusammensetzung, insbesondere bezüglich der magnetischen Eigenschaften, unterscheiden, und

- wobei wenigstens ein Permanentmagnet (17, 17', 18, 18', 18", 24, 24', 25, 26, 27, 28, 29, 29', 30, 32, 33, 34, 35, 48, 49, 57) der ersten oder zweiten Menge oder wenigstens ein Kompositkörper (46, 47) mit zwei Permanentmagneten ( 7, 17', 18, 18', 18", 24, 24', 25, 26, 27, 28, 29, 29', 30, 32, 33, 34, 35, 48, 49, 57) der ersten Menge oder der zweiten Menge oder ein Kompositkörper mit einem Permanentmagneten (17, 17', 18, 18', 18", 24, 24', 25, 26, 27, 28, 29, 29', 30, 32, 33, 34, 35, 48,

49, 57) der ersten Menge und einem Permanentmagneten (17, 17', 18, 18', 18", 24, 24', 25, 26, 27, 28, 29, 29', 30, 32, 33, 34, 35, 48, 49, 57) der zweiten Menge 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 wenigstens abschnittsweise verringert.

2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 ,

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 die Kompositkörper (47), deren Querschnitt sich zu dem radial weiter außen liegendem Ende (5b, 6b) einer Aufnahme (5a, 6a, 35a, 47a, 55a, 55'a) hin wenigstens abschnittsweise verringert, wenigstens an ihrem radial außen liegenden Ende (5b, 6b), insbesondere mit ihrer gesamten Außenkontur, formschlüssig mit der jeweiligen Aufnahme (5a, 6a, 35a, 47a, 55a, 55'a) zusammenpassen.

3. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Rotor (1 , 1 ') als Innenrotor ausgebildet und von einem Stator (2) umgeben ist.

4. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3,

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) der ersten oder zweiten Menge oder ein oder mehrere Kompositkörper (46, 47) im Querschnitt des Rotors (1 , 1') eine tonnenförmige Kontur oder eine radial nach außen spitzwinklig zulaufende Kontur aufweisen.

5. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4,

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) oder Kompositkörper (47) zum radial inneren Ende der jeweiligen Aufnahme (5a, 6a, 35a, 47a, 55a, 55'a) hin eine stufenförmige Querschnittserweiterung aufweist/aufweisen.

6. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5,

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) aufweist und dass der jeweils radial weiter innen liegende Permanentmagnet (17, 17', 24, 24', 25, 27, 27' 30, 32) an der Fügestelle zwischen den beiden Permanentmagneten (17, 17', 18, 18', 18", 24, 24', 25, 26, 27, 28, 29, 29', 30, 32, 33, 34, 35, 48, 49, 57) eine größere Querschnittsfläche aufweist, als in demselben Bereich der jeweils radial weiter außen liegende Permanentmagnet (18, 18', 18",

26, 26', 28, 29, 29', 33).

Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6,

dadurch gekennzeichnet,

dass jeweils zwei zusammengefügte Permanentmagnete (17, 17', 18, 18', 18", 24, 24', 25, 26, 27, 28, 29, 29', 30, 32, 33, 34, 35, 48, 49, 57) wenigstens eines Kompositkörpers zueinander parallele Magnetisierungsrichtungen (21 , 22, 38, 50, 5153, 56, 58, 59) aufweisen.

Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7,

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.

9. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 8,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Permanentmagnete (17, 7', 18, 8', 18", 24, 24', 25, 26, 27, 28, 29, 29', 30, 32, 33, 34, 35, 48, 49, 57) und/oder Kompositkörper (46, 47) Teil einer Halbach- Anordnung von Komponenten eines Magnetkreises sind.

Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 9,

dadurch gekennzeichnet,

dass die erste Menge von Permanentmagneten einen geringeren Masseanteil an seltenen Erden aufweist, als die zweite Menge, insbesondere keinen Anteil an seltenen Erden.

11. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10,

dadurch gekennzeichnet,

dass die zweite Menge von Permanentmagneten 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.

12. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 11 ,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Rotorkörper (4) zusätzlich Taschen (52a, 64a) mit Permanentmagneten (19, 20, 52, 64, 65, 66, 68) einer dritten Menge aufweist, wobei die Permanentmagnete (19, 20, 52, 64, 65, 66, 68) der dritten Menge sich insbesondere 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 und insbesondere jeweils symmetrisch zwischen den Aufnahmen (5a, 6a, 35a, 47a, 55a, 55'a) angeordnet sind, die die Permanentmagnete (17, 17', 18, 18', 18", 24, 24', 25, 26, 27, 28, 29, 29', 30, 32, 33, 34, 35, 48, 49, 57) der ersten und zweiten Menge aufnehmen.