WO2015082528A2 - Rotor für eine elektrische maschine - Google Patents

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WO2015082528A2
WO2015082528A2 PCT/EP2014/076372 EP2014076372W WO2015082528A2 WO 2015082528 A2 WO2015082528 A2 WO 2015082528A2 EP 2014076372 W EP2014076372 W EP 2014076372W WO 2015082528 A2 WO2015082528 A2 WO 2015082528A2
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rotor
arrangements
cylinder structure
arrangement
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Markus KLÖPZIG
Aristide SPAGNOLO
Markus Wilke
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • H02K1/2766—Magnets embedded in the magnetic core, e.g. interior permanent magnets [IPM] having a flux concentration effect
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    • H02K1/24—Rotor cores with salient poles ; Variable reluctance rotors
    • H02K1/246—Variable reluctance rotors

Definitions

  • Rotor for an electric machine The invention relates to a rotor for an electric machine, in particular for an electric motor.
  • IPM Internal Permanent Magnet
  • IPM Internal Permanent Magnet
  • a disadvantage of the internal permanent magnet (IPM) electrical machines is that they may have torque ripple (pulsating torque). Due to the torque ripple, the drive components of the electric machine are loaded significantly more heavily. Also occurs a comparatively high noise level.
  • a Halbach motor is an electric machine that includes a rotor having a Halbach arrangement (Halbach array) on its outer circumference.
  • the Halbach arrangement for electrical machines forms a circular and / or cylindrical structure which lies closed around a core of the rotor.
  • the Halbach arrangement has a magnetization rotating along the outer circumference (azimuthally).
  • the rotor according to the invention for an electric machine comprises at least two half-beam arrangements and one ferromagnetic cylinder structure, the Halbach arrangements being arranged azimuthally along the cylinder structure such that at least a portion of the two-axis arrangement between two adjacent Halbach arrangements Cylinder structure is located.
  • the directions of axial, radial and azimuthally always refer to a rotational axis of the rotor and form in their entirety a cylindrical coordinate system (rotor coordinate system).
  • the rotor according to the invention is generally used in electrical machines, such as in electric motors for electrically powered vehicles and / or generators.
  • a Halbach motor is specified according to the invention, which has a reluctance torque.
  • the reluctance torque is formed by the ferromagnetic section of the cylinder structure located between two Halbach arrangements.
  • the Halbach arrangements form in this case the poles of the rotor.
  • the formed by a stator are guided through a section at least one Halbach arrangement to an azimuthal next or adjacent section.
  • a reluctance torque is enabled, thus providing additional torque to the Halbach motor.
  • the total torque of the rotor according to the invention is advantageously increased.
  • a hollow cylinder structure is provided, so that it is possible to dispense with a fully formed ferromagnetic core of the rotor.
  • eddy currents that would occur in the core of the rotor, reduced, so that improves the energy efficiency of the electric machine.
  • the mass moment of inertia of the rotor is reduced.
  • a magnetic flux density in an air gap which lies radially between the stator and the rotor, is amplified.
  • the rotor according to the invention thus has the advantages of a Halbach motor and a reluctance motor.
  • Halbach arrangement lies in the fact that the magnetic flux density mainly in the air gap, which is located radially between the stator and rotor runs.
  • the Halbach arrangements can be formed by means of a plurality of permanent magnets, so that the magnetic flux density in radially inwardly directed direction (within the rotor) is attenuated by a special arrangement of the individual permanent magnets, while in the air gap (outside the rotor) itself strengthened and / or concentrated.
  • the magnetic flux density amplified and / or concentrated in the air gap provides a higher torque and increases the power density.
  • even one can be omitted conventional iron yoke, whereby the mass moment of inertia of the rotor is further reduced.
  • the course of the magnetic flux density may be approximately rectangular in the case of some of the inductance motors in the air gap.
  • the Halbach arrangements smooth the steep edges and lead to an approximately sinusoidal and thus harmonic spatial progression or to an approximately sinusoidal spatial variation of the magnetic flux density in the air gap. Characterized a torque ripple of the rotor, for example, compared to electric machines with external permanent magnets, reduced.
  • the rotor according to the invention thus makes it possible to provide a reluctance torque for a Halbach engine and at the same time to keep the torque ripple as small as possible. Overall, this advantageously leads to a smoother running of the rotor and to a relief of bearings.
  • the ferromagnetic cylinder structure is desaturated.
  • the desaturation is caused by that substantially only the magnetic flux density formed by the poles of the stator passes through the ferromagnetic cylinder structure.
  • the ferromagnetic cylinder structure can be formed as thin as possible in the radial direction.
  • the cylinder structure may be formed radially thinner than in electrical machines with internal permanent magnets (IPM).
  • IPM internal permanent magnets
  • the performance of an electric machine comprising the rotor according to the invention is improved with respect to its speed range.
  • the portions of the ferromagnetic cylinder structure are formed as radially outwardly directed teeth, wherein in each case between two azimuthally adjacent teeth is a Halbach arrangement.
  • a Halbach engine is powered by the
  • rotors known from the prior art for example electrical machines with internal, buried or external permanent magnets, can be used for producing the rotor according to the invention.
  • the Halbach arrangements in conjunction with the teeth form a cylindrical radially outward end of the rotor.
  • an approximately cylindrical rotor is advantageously created.
  • a gap which is formed azimuthally between two teeth of the cylinder structure, is used to a maximum extent for the Halbach arrangements. An over- and / or shelter of the Halbach arrangements with respect to the teeth is thereby avoided.
  • the rotor comprises a cylindrical bandage, which is designed to provide radial support for the Halbach arrangements.
  • the Halbach arrangements Due to the cylindrical bandage, which is advantageously arranged on an outer circumference of the rotor, the Halbach arrangements, which are arranged in the azimuthal space between two teeth, held positively and / or non-positively in position. Especially at elevated speeds, an additional radial support of the Halbach arrangements against the acting high centrifugal forces is advantageous. This support is advantageously provided by the adjacent ban dage provided.
  • a bandage comprising carbon fiber and / or plastic fiber is advantageous. This results in a bandage, which has grown the radial centrifugal forces and at the same time has a low mass, so that the moment of inertia of the rotor is only slightly increased by the additional bandage.
  • the bandage allows protection of the Halbach arrangements against external influences, such as dirt and / or water.
  • the bandage In an emergency situation in which the rotor, for example, comes into contact with another component of the electric machine, in particular with the stator, the bandage is an emergency coating. In particular, it is provided to design the bandage with the lowest possible coefficient of sliding friction.
  • the ferromagnetic cylinder structure has a plurality of pockets, which are designed for a positive and / or non-positive reception of the Halbach arrangements.
  • the pockets (recesses) in the ferromagnetic cylinder structure hold or embed the buried Halbach arrangements in their position.
  • an additional bandage which is arranged on the outer circumference of the rotor, omitted.
  • the Halbach arrangements, which are embedded in the pockets, are advantageously supported solely by the eyes in a positive and non-positive manner with respect to radial, axial and / or azimuthal forces. Additional connecting elements which form-fit or non-positively connect the Halbach arrangements with the rotor and / or with the ferromagnetic cylinder structure can thus be dispensed with.
  • the distribution or the course of the magnetic resistance is determined by the sections of the cylinder structure. tur, wherein the sections each lie between two azimuthally adjacent pockets.
  • the Halbach arrangements are each formed from a plurality of adjacent permanent magnetic segments.
  • Halbach arrangements can be used for the rotor according to the invention.
  • a simple construction and / or assembly passes.
  • this allows the Halbach arrangements to be adapted to a shape of the pockets.
  • the individual segments and thus the Halbach arrangements can be adapted as a whole.
  • the permanent magnetic segments are cuboid.
  • the cuboid segments of the Halbach arrangements are arranged between two teeth of the ferromagnetic cylinder structure, the result is advantageously approximately a cylindrical termination of the rotor.
  • / is a height and / or width of the individual segments matched to space in the space.
  • the permanent magnetic segments are formed keelsteinartig.
  • pressure forces which are applied to the individual segments are thereby transmitted to segments which are lateral with respect to the direction of the pressure force.
  • the compressive forces such as in the case of wedge stones of a stone arch, lent directly attached segments.
  • it is additionally provided to press and / or shrink the individual segments and thus the Halbach arrangements into a cylindrical bandage which is arranged on the outer circumference of the rotor.
  • the pressure forces resulting from an insertion and / or shrinkage of the Halbach arrangements are ring and / or cylinder-like held both radially and azimuthally in position. This advantageously results in a high mechanical stability. Additional components for a mechanical connection of the individual segments and / or a connection with the ferromagnetic cylinder structure are thus eliminated.
  • Keilsteinieri segments are particularly advantageous because they allow a positive, cylindrical arrangement.
  • the Halbach arrangements each comprise a first and a last segment, which have an opposite magnetization.
  • an essentially spatially harmonious (sinusoidal) magnetic flux density in the air gap, which lies radially between the rotor and the stator is advantageously made possible.
  • a first segment of a Halbach arrangement and a last segment of an azimuthally adjacent Halbach arrangement have a substantially parallel magnetization.
  • the magnetic flux density over the intermediate sections of the cylinder structure, in particular over the ferromagnetic teeth of the cylinder structure lying between the two adjacent Halbach arrangements is advantageously short-circuited. This allows an improved harmonic (sinusoidal) course of the magnetic flux density.
  • an effective Halbach arrangement is provided which covers substantially the entire outer circumference of the cylinder structure.
  • the harmonic course of the magnetic flux density in the air gap is only slightly disturbed by the intervening sections of the ferromagnetic cylinder structure.
  • the last segment of a Halbach arrangement and the first segment of an azimuthally adjacent Halbach arrangement thus act, together with the intermediate section of the ferromagnetic cylinder structure, as an effective segment of a cylindrically coherent effective Halbach arrangement.
  • said last and said first segments act like an effective pole pair of a cylindrical semiachian arrangement.
  • an additional reluctance torque of the rotor is provided by the intermediate sections of the ferromagnetic cylinder structure.
  • each Halbach arrangement between two adjacent segments of the respective Halbach arrangement a further portion of the ferromagnetic cylinder structure.
  • the magnetic flux density in the air gap can advantageously be further changed and / or optimized.
  • the individual segments of the Halbach arrangements are arranged in individual pockets of the ferromagnetic cylinder structure.
  • each Halbach arrangement comprises a segment, in particular a central segment, which has a greater azimuthal extent in comparison to all other segments of the respective Halbach arrangement.
  • This further improves, optimizes and / or concentrates the magnetic flux density formed by the Halbach arrays in the air gap.
  • the magnetic flux density to the poles of the stator optimally be adjusted.
  • the shape or the spatial profile of the magnetic flux density in the air gap is to be improved by the azimuthal enlargement of one or more segments, in particular of the central segment.
  • higher harmonics which cause a rough running of the engine and thus lead to an increased burden of bearings and / or other components avoided.
  • it is of particular advantage to design the magnetic flux density in the air gap harmoniously and thus sinusoidally. This can be achieved by increasing the azimuthal size
  • each Halbach arrangement comprises at least two Halbach subassemblies, wherein the Halbach subassemblies are each formed from a plurality of adjoining permanent magnetic segments and each Halbach sub-assembly comprises a first and a last segment, wherein between a magnetization of the first and the last segment of the respective Halbach sub-assembly is an angle of ⁇ / 2.
  • the two Halbach subassemblies can be designed to form a shape, that is to say to form a geometrical arrangement of the Halbach arrangements.
  • the two Halbach subassemblies can be arranged azimuthally side by side in such a way that a further section of the ferromagnetic cylinder structure lies between the two Halbach subarrays.
  • the advantageous orientation of the magnetization of the segments of the Halbach subassemblies creates an effective Halbach arrangement in which, for example, the middle segment is divided into two parts.
  • the shape of the magnetic flux density is further adapted and concentrated in particular in the air gap.
  • the Halbach subassemblies allow a multiplicity of orientations or arrangements. tions that adjust and / or concentrate the magnetic flux density in the air gap as desired.
  • Hal bach sub-assemblies V-shaped.
  • the magnetic flux density in the air gap is additionally concentrated in its shape or in its spatial course.
  • An advantage of the V-shaped configuration is that a width of the overall surface of the Halbach arrangement is greater than a pole width. This increases the magnetic flux density in the air gap.
  • the spatial variation of the direction of the magnetization of the Halbach arrangements is substantially continuous.
  • the Halbach arrangement is formed from an ideal Halbach magnet (multipole magnet) by means of a multipole magnetization.
  • it is also intended to form the Halbach subassemblies of such an ideal Halbach magnet.
  • all Halbach arrangements and / or Halbach subassemblies and thus all mentioned embodiments of the present invention may have a substantially continuous variation of the direction of the magnetization.
  • the individual Halbach arrangements of a plurality n of Halbach arrangements are each arranged in a sub-segment of the ferromagnetic cylinder structure, wherein an azimuthal extension of the sub-segments is at most 2 ⁇ / ⁇ .
  • the individual Halbach arrangements are arranged azimuthally centered in each one of the sub-segments of the ferromagnetic cylinder structure.
  • the Halbach arrangements are arranged azimuthally regularly within the sub-segments of the ferromagnetic cylinder structure.
  • the ferromagnetic cylinder structure has at least n intermediate sections, which are designed in particular as teeth.
  • n-pole electric machine Due to an increased number of poles of the rotor, which are formed by the teeth of the ferromagnetic cylinder structure, an approximately harmonic, for example, sinusoidal course of the magnetic flux density in the air gap is made possible.
  • the number n of poles and thus the number n of Halbach arrangements with the purpose of the rotor according to the invention vote.
  • a higher or a lower number n of Halbach arrangements and / or poles of the ferromagnetic cylinder structure may be advantageous.
  • Figure 1 is a sectional view of a basic configuration of an eight pole rotor;
  • Figure 2 illustrates two sub-segments of a ferromagnetic cylinder structure and two embedded Halbach arrays (Halbach poles);
  • Figure 3 shows a partial segment of the ferromagnetic cylinder structure and a Halbach arrangement with separated first and last segments;
  • Figure 4 shows a partial segment of the ferromagnetic cylinder structure with two Halbach subassemblies.
  • Axial, radial and azimuthal directions DA, RR, AR always relate to a rotation axis DA of the rotor 1.
  • the axial direction DA together with a radial direction RR and an azimuthal direction AR form a cylindrical coordinate system (rotor coordinate system) axial direction DA corresponds to the axis of rotation DA.
  • FIG. 1 shows a section of the rotor 1 perpendicular to the axis of rotation DA.
  • the rotor 1 is to be used for an electrical machine which comprises a stator (not shown).
  • the rotor 1 and the stator are aligned coaxially with each other.
  • FIG. 1 shows a plurality of Halbach arrangements 2, each composed of a plurality of segments 4a... E, each segment 4a... E having a magnetization 5a.
  • a radially outwardly directed tooth 8 of the ferromagnetic cylinder structure 6 is arranged.
  • the cylinder structure 6 is thus formed in the embodiment shown gear-like or Hohlzahnradartig.
  • the Halbach arrangements 2 are arranged regularly along the azimuthal direction AR on an outer side of the cylinder structure 6. In this case, the Halbach arrangements 2 terminate radially with the radially outwardly directed teeth 8 of the cylinder structure 6. This results in the sectional view of a substantially annular rotor. 1
  • the variation of the direction of the magnetization of the Halbach arrangements 2 can also take place continuously instead of in discrete steps.
  • a continuous variation of the direction of the magnetization can be achieved for example by appropriately magnetized magnets (multipole magnets).
  • the Halbach arrangement 2 is formed from a plurality of permanent magnets 4a... E, as shown in FIG. 1, a discrete and thus stepwise variation of the direction of the magnetization of the Halbach arrangement 2 is achieved by a corresponding variation of the magnetization 5a. ..e the individual permanent magnets 4a ... e allows.
  • the ferromagnetic cylinder structure 6 - in the sectional view annular cylinder structure 6 - is hollow. It is therefore dispensed with an iron yoke core of the rotor 1, so that the moment of inertia of the rotor 1 can be kept as low as possible and also more space is available.
  • each Halbach arrangement 2 are cuboidal.
  • a first segment 4a and a last segment 4e have an oppositely directed magnetization 5a, 5e.
  • the magnetizations of the last segment 5e and the first segment 5a of an adjacent Halbach arrangement 2 are aligned in parallel.
  • the illustrated arrangement of the Halbach assemblies 2 provides a Halbach motor having a reluctance torque.
  • the Halbach devices 2 allow an associated magnetic flux density MH to be a fraction
  • the total magnetic flux density (total magnetic field) is formed approximately harmonic (for example, sinusoidal) in an air gap, which is radially between the rotor 1 and the stator, not shown, is formed.
  • the teeth 8 of the cylinder structure 6 also permit a magnetic flux density MR flowing in the magnetic field of the stator, which flows along a path with a low reluctance (flux paths) and which provides a reluctance torque of the rotor 1.
  • the magnetic flux density MR extends from a tooth 8 to an azimuthally adjacent tooth 8 radially below an intermediate Halbach arrangement 2.
  • the total magnetic field is thus composed of the two magnetic flux densities MH, MR together.
  • the rotor 1 illustrated in FIG. 1 thus combines the advantages of a reluctance motor with a Halbach motor. In particular, a reluctance torque is provided without the harmonic spatial course of the magnetic
  • Melted flow density MH or the total magnetic flux density in the air gap is significantly disturbed compared to a Halbach motor with a cylindrically coherent Halbach arrangement.
  • an azimuthal extension of the teeth 8 and the Halbach arrangements 2 can be adapted to optimize the magnetic flux densities MH, MR.
  • the total number of teeth 8 and Halbach assemblies 2 can be adjusted depending on the requirements of the electrical machine.
  • the Halbach arrangements 2 or the teeth 8 result in only small anharmonic components of the magnetic flux density MH or of the total magnetic flux density in the air gap, so that smoothness of the rotor 1 is increased over the prior art. In addition, losses in the rotor 1 are minimized.
  • a partial segment 12 of the ferromagnetic cylinder structure 6 has an azimuthal extension 14 of 45 °.
  • the Halbach arrangements 2 each have an azimuthal extent 16 of 30 °.
  • the cylinder structure 6 has a total radial thickness in the range of 17 mm to 18 mm.
  • Each of the eight semi-axes Arrangements 2 is made up of a plurality of segments 4a... E, each having an azimuthal extent of about 6 °.
  • each Halbach arrangement 2 comprises a total of five segments 4a... E.
  • Each tooth 8 of the ferromagnetic cylinder structure 6 has an azimuthal extent of at most 15 °.
  • FIG. 2 shows two partial segments 12 of the ferromagnetic cylinder structure 6.
  • the ferromagnetic cylinder structure 6 is again shown in a section perpendicular to a rotational axis DA of the rotor 1, not shown.
  • a Halbach arrangement 2 is arranged in pockets 10 of the ferromagnetic cylinder structure 6.
  • the pockets 10 are in this case formed like a circle segment.
  • Each Halbach arrangement 2 has, as in FIG. 1, five segments 4a.
  • the individual segments 4a... E are pressed into the pockets 10 in a positive and / or non-positive manner.
  • the teeth 8 of the ferromagnetic cylinder structure 6 are formed by sections 8, which lie in each case between two Halbach arrangements 2.
  • Pockets 10 a desired geometric arrangement of the individual segments 4a ... e Halbach arrangements 2 are created.
  • a particular advantage is the protection against demagnetization of the Halbach arrangements and a low no-load voltage.
  • the rotor 1 shown in this embodiment has, inter alia, the advantage that it is possible to dispense with a bandage which bears radially on the outside of the cylinder structure 6 and which holds the Halbach arrangements 2 even at elevated rotational speeds on the cylinder structure 6.
  • the bandage is simply formed by the cylinder structure 6 itself.
  • FIG. 3 shows a partial segment 12 with a Halbach arrangement 2.
  • the Halbach arrangement 2 comprises five segments 4a... E, which are embodied like a keel stone.
  • the Halbach arrangement 2 thus forms in the sectional view of a circular segment-like structure.
  • FIG. 3 shows a middle segment 4c, which has an azimuthally larger extent in comparison to all other segments 4a, 4b, 4d, 4e.
  • the individual segments 4a... E of the Halbach arrangement 2 are in turn embedded in pockets 10 of the ferromagnetic cylinder structure 6. Between each two adjacent segments 4a, 4b; 4d, 4e, a further section 9 of the ferromagnetic cylinder structure 6 is arranged.
  • the sections 9 advantageously enable a mechanical reinforcement, additional flow paths and a geometric adaptation of the Halbach arrangements 2.
  • the azimuthal extension of the Halbach arrangements 2 can be optimized.
  • a central portion 9 dividing the central segment 4c is provided.
  • the sections 9, each between the two adjacent segments 4a, 4b; 4d, 4e, also allow further adaptation of the magnetic flux densities MH, MR.
  • the respective magnetic flux densities MH, MR can additionally be influenced. This creates further scope for optimization.
  • FIG. 4 again shows a partial segment 12 of the ferromagnetic cylinder structure 6 in a sectional representation, wherein the section again runs perpendicular to a rotation axis DA, not shown.
  • FIG. 4 shows a Halbach arrangement
  • Each of the Halbach subassemblies 21 has three subsegments 4a... C.
  • Element 4a is rotated relative to a magnetization 5c of a last element 4c of a Halbach sub-assembly 21 by ⁇ / 2 (90 °).
  • the Halbach subassemblies 21, which form a Halbach arrangement 2 are in turn individually embedded in pockets 10 of the ferromagnetic cylinder structure 6.
  • the pockets 10 do not close in a form-fitting manner with the Halbach subassemblies 21.
  • air pockets 18 are formed which isolate the Halbach subassemblies 21 magnetically against one another and with respect to the surrounding ferromagnetic cylinder structure 6.
  • the air pockets 18 are arranged in the embodiment shown on the Halbach sub-assemblies 21.
  • the torque of the rotor 1 is increased by the air pockets 18.
  • an azimuthal distance of the Halbach subassemblies 21 an intermediate portion 9 of the ferromagnetic cylinder structure 6 is formed. This results in an adaptation of the magnetic flux density MR, which results from the reluctance of the rotor 1.
  • the V-shape of the Halbach arrangement 2 enables an improved magnetic flux density MH in the air gap.
  • the rotor 1 has a reluctance torque that is formed by the intermediate ferromagnetic sections 8, 9.
  • the further section 9, which lies azimuthally between two adjacent Halbach subarrays 21, serves to guide (flux paths) the magnetic flux density MR, the magnetic flux density MR being caused by poles of the stator (not shown).
  • the Halbach assemblies 2 and / or subassemblies 21 may be formed by Halbach magnets having a continuous spatial variation of the direction of magnetization (multipole magnets).

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Abstract

Es wird ein Rotor für eine elektrische Maschine, insbesondere für einen Elektromotor vorgeschlagen, der wenigstens zwei Halbach-Anordnungen (2) und eine ferromagnetische Zylinderstruktur (6) umfasst, wobei die Halbach-Anordnungen (2) azimutal entlang der Zylinderstruktur (6) derart angeordnet sind, dass azimutal zwischen zwei benachbarten Halbach-Anordnungen (2) wenigstens ein Abschnitt (8) der Zylinderstruktur (6) liegt.

Description

Beschreibung
Rotor für eine elektrische Maschine Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine, insbesondere für einen Elektromotor.
Aus dem Stand der Technik sind eine Vielzahl von möglichen Ausführungsformen eines Rotors einer elektrischen Maschine bzw. eines Elektromotors bekannt. Insbesondere kennt der
Stand der Technik elektrische Maschinen mit internen Permanentmagneten (IPM) und Halbach-Motoren.
Elektrische Maschinen mit internen Permanentmagneten (IPM) weisen sowohl ein Reluktanzdrehmoment als auch ein Drehmoment auf, das aus der magnetischen Wechselwirkung zwischen den Polen des Stators und den internen Permanentmagneten gebildet wird . Ein Nachteil der elektrischen Maschinen mit internen Permanentmagneten (IPM) ist, dass diese eine Drehmomentwelligkeit (pulsierendes Drehmoment) aufweisen können. Durch die Drehmomentwelligkeit werden die Antriebskomponenten der elektrischen Maschine deutlich stärker belastet. Auch tritt eine vergleichsweise hohe Geräuschbelastung auf.
Ein Halbach-Motor ist eine elektrische Maschine, die einen Rotor umfasst, der auf seinem Außenumfang eine Halbach-Anordnung (Halbach-Array) aufweist. Nach dem Stand der Technik bildet die Halbach-Anordnung für elektrische Maschinen eine kreis- und/oder zylinderförmige Struktur aus, die geschlossen um einen Kern des Rotors liegt. Hierbei weist die Halbach- Anordnung eine entlang des Außenumfangs (azimutal) rotierende Magnetisierung auf.
Ein wesentlicher Nachteil des nach dem Stand der Technik mit außenliegenden Permanentmagneten aufgebauten Halbach-Motors gegenüber einem Motor mit internen Permanentmagneten (IPM) ist, dass dieser kein Reluktanzdrehmoment aufweist.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Halbach-Motor anzugeben, der ein Reluktanzdrehmoment aufweist .
Die Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs gelöst . In den abhängigen An- Sprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
Der erfindungsgemäße Rotor für eine elektrische Maschine, insbesondere einen Elektromotor, umfasst wenigstens zwei Hal- bach-Anordnungen und eine ferromagnetische Zylinderstruktur, wobei die Halbach-Anordnungen azimutal entlang der Zylinderstruktur derart angeordnet sind, dass azimutal zwischen zwei benachbarten Halbach-Anordnungen wenigstens ein Abschnitt der Zylinderstruktur liegt.
Die Richtungen axial, radial und azimutal beziehen sich stets auf eine Drehachse des Rotors und bilden in ihrer Gesamtheit ein zylindrisches Koordinatensystem (Rotorkoordinatensystem) aus .
Der erfindungsgemäße Rotor ist allgemein in elektrischen Maschinen, wie beispielsweise in Elektromotoren für elektrisch betriebene Kraftfahrzeuge und/oder Generatoren einsetzbar. Durch den erfindungsgemäßen Rotor wird erfindungsgemäß ein Halbach-Motor angegeben, der ein Reluktanzdrehmoment aufweist. Hierbei wird das Reluktanzdrehmoment durch den zwischen zwei Halbach-Anordnungen liegenden ferromagnetischen Abschnitt der Zylinderstruktur gebildet. Die Halbach- Anordnungen bilden hierbei die Pole des Rotors aus.
Durch die azimutal zwischenliegende Anordnung der Abschnitte kann vorteilhafterweise eine magnetische Flussdichte, die beispielsweise durch einen Stator gebildet wird, durch einen Abschnitt um wenigstens eine Halbach-Anordnung zu einem azimutal nächsten bzw. benachbarten Abschnitt geführt werden. Durch die Führung der magnetischen Flussdichte durch die zwischenliegenden Abschnitte wird ein Reluktanzdrehmoment ermöglicht und somit ein zusätzliches Drehmoment für den Halbach-Motor bereitgestellt. Dadurch wird vorteilhafterweise das Gesamtdrehmoment des erfindungsgemäßen Rotors erhöht. Vorteilhafterweise ist hierbei eine hohl ausgebildete Zylin- derstruktur vorgesehen, so dass auf einen voll ausgebildeten ferromagnetischen Kern des Rotors verzichtet werden kann. Dadurch werden Wirbelströme, die im Kern des Rotors auftreten würden, verringert, so dass sich die Energieeffizienz der elektrischen Maschine verbessert. Zudem wird das Massenträg- heitsmoment des Rotors reduziert.
Vorteilhafterweise wird durch die zwischen zwei Abschnitten liegenden Halbach-Anordnungen eine magnetische Flussdichte in einem Luftspalt, der radial zwischen Stator und Rotor liegt, verstärkt. Der erfindungsgemäße Rotor weist somit die Vorteile eines Halbach-Motors und eines Reluktanzmotors auf .
Ein Vorteil der Halbach-Anordnung liegt darin begründet, dass die magnetische Flussdichte hauptsächlich im Luftspalt, der radial zwischen Stator und Rotor liegt, verläuft. Beispielsweise können die Halbach-Anordnungen mittels eine Mehrzahl von Permanentmagneten gebildet sein, so dass durch eine spezielle Anordnung der einzelnen Permanentmagneten die magnetische Flussdichte in radial nach innen gerichteter Richtung (innerhalb des Rotors) abgeschwächt wird, während sie im Luftspalt (außerhalb des Rotors) selbst verstärkt und/oder konzentriert wird. Durch die Abschwächung der magnetischen Flussdichte innerhalb des Rotors werden Verluste, die aufgrund von Wirbelströmen im Rotor auftreten, verringert. Zudem wird durch die im Luftspalt verstärkte und/oder konzentrierte magnetische Flussdichte ein höheres Drehmoment bereitgestellt und die Leistungsdichte erhöht. Generell kann sogar auf einen gebräuchlichen Eisenrückschluss verzichtet werden, wodurch das Massenträgheitsmoment des Rotors weiter reduziert wird.
Der Verlauf der magnetischen Flussdichte kann bei einigen Re- luktanzmotoren im Luftspalt annähernd rechteckförmig sein.
Die steil ausgeprägten Kanten der Rechteckform führen zur Erzeugung höherer harmonischer Anteile. Die Halbach-Anordnungen glätten erfindungsgemäß die steilen Kanten und führen zu einem annähernd sinusförmigen und somit harmonischen räumlichen Verlauf bzw. zu einer annähernd sinusförmigen räumlichen Variation der magnetischen Flussdichte im Luftspalt. Dadurch wird eine Drehmomentwelligkeit des Rotors, beispielsweise gegenüber elektrischen Maschinen mit außenliegenden Permanentmagneten, verringert. Der erfindungsgemäße Rotor ermöglicht es somit ein Reluktanzdrehmoment für einen Halbach-Motor bereitzustellen und dabei gleichzeitig die Drehmomentwelligkeit möglichst gering zu halten. Dies führt insgesamt vorteilhafterweise zu einem ruhigeren Lauf des Rotors und zu einer Entlastung von Lagern.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Rotors ist, dass die ferromagnetische Zylinderstruktur desaturiert ist. Die Desaturierung ist dadurch verursacht, dass im Wesentlichen allein die magnetische Flussdichte, die durch die Pole des Stators gebildet ist, durch die ferromagnetische Zylinderstruktur verläuft. Vorteilhafterweise kann dadurch die ferromagnetische Zylinderstruktur möglichst dünn in radialer Richtung ausgebildet sein. Insbesondere kann die Zylinderstruktur radial dünner als bei elektrischen Maschinen mit in- ternen Permanentmagneten (IPM) ausgebildet sein. Zudem wird die Leistung einer elektrischen Maschine, die den erfindungsgemäßen Rotor umfasst, in Bezug auf ihren Drehzahlbereich verbessert . Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Abschnitte der ferromagnetischen Zylinderstruktur als radial nach außen gerichtete Zähne ausgebildet, wobei jeweils zwischen zwei azimutal benachbarten Zähnen eine Halbach-Anordnung liegt.
Dadurch wird vorteilhafterweise ein Reluktanzmotor bereitge- stellt, dessen Pole durch die radial nach außen gerichteten Zähne gebildet sind. Ein Halbach-Motor wird durch die
zwischenliegenden Halbach-Anordnungen ermöglicht.
Vorteilhafterweise können dadurch nach dem Stand der Technik bekannte Rotoren, beispielsweise von elektrischen Maschinen mit internen, vergrabenen oder außenliegenden Permanentmagneten, zu einer Herstellung des erfindungsgemäßen Rotors verwendet werden. Dadurch verringert sich der Entwicklungsaufwand, der beispielsweise bei elektrischen Maschinen mit in- ternen Permanentmagneten besonders hoch ist, für den Rotor.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung bilden die Halbach-Anordnungen in Verbindung mit den Zähnen einen zylinderförmigen radial außenliegenden Abschluss des Rotors aus. Dadurch wird vorteilhafterweise ein annähernd zylinderförmiger Rotor geschaffen. Überdies wird besonders vorteilhafterweise ein Zwischenraum, der azimutal zwischen zwei Zähnen der Zylinderstruktur ausgebildet ist, maximal für die Halbach-Anordnungen genutzt. Ein Über- und/oder Unterstand der Halbach- Anordnungen gegenüber den Zähnen wird hierbei vermieden.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst der Rotor eine zylinderförmige Bandage, die zu einer radialen Stützung der Halbach-Anordnungen ausgebildet ist.
Durch die zylinderförmige Bandage, die vorteilhafterweise an einem Außenumfang des Rotors angeordnet ist, werden die Halbach-Anordnungen, die in dem azimutalen Zwischenraum zwischen zwei Zähnen angeordnet sind, form- und/oder kraftschlüssig in Position gehalten. Insbesondere bei erhöhten Drehzahlen ist eine zusätzliche radiale Stützung der Halbach-Anordnungen gegenüber den einwirkenden hohen Fliehkräften von Vorteil. Diese Stützung wird vorteilhafterweise durch die anliegende Ban- dage bereitgestellt. Insbesondere ist eine Bandage, die Kohlefaser und/oder Kunststofffaser umfasst, von Vorteil. Dadurch ergibt sich eine Bandage, die den radialen Fliehkräften gewachsen ist und zugleich eine geringe Masse aufweist, so dass das Massenträgheitsmoment des Rotors durch die zusätzliche Bandage nur möglichst geringfügig vergrößert wird. Überdies ermöglicht die Bandage einen Schutz der Halbach-Anordnungen gegenüber äußeren Einwirkungen, wie beispielsweise Schmutz und/oder Wasser.
In einer Notfallsituation, in der der Rotor beispielsweise mit einem weiteren Bauteil der elektrischen Maschine in Berührung kommt, insbesondere mit dem Stator, stellt die Bandage eine Notlaufbeschichtung dar. Insbesondere ist vorgesehen die Bandage mit einem möglichst geringen Gleitreibungskoeffizienten auszugestalten.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist die fer- romagnetische Zylinderstruktur eine Mehrzahl von Taschen auf, die zu einer form- und/oder kraftschlüssigen Aufnahme der Halbach-Anordnungen ausgebildet sind.
Vorteilhafterweise werden durch die Taschen (Ausnehmungen) in der ferromagnetischen Zylinderstruktur die darin eingebette- ten bzw. vergrabenen Halbach-Anordnungen in ihrer Position gehalten. In dieser Ausführungsform kann eine zusätzliche Bandage, die an dem Außenumfang des Rotors angeordnet ist, entfallen. Die Halbach-Anordnungen, die in den Taschen eingebettet sind, werden vorteilhafterweise allein durch die Ta- sehen form- und kraftschlüssig gegenüber radialen, axialen und/oder azimutalen Kräften gestützt. Zusätzliche verbindende Elemente, die die Halbach-Anordnungen mit dem Rotor und/oder mit der ferromagnetischen Zylinderstruktur form- oder kraftschlüssig verbinden, können somit entfallen.
In der genannten Ausgestaltung des Rotors mit Taschen wird die Verteilung bzw. der Verlauf des magnetischen Widerstandes (Reluktanzdrehmoment) durch die Abschnitte der Zylinderstruk- tur ermöglicht, wobei die Abschnitte jeweils zwischen zwei azimutal benachbarten Taschen liegen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Halbach-Anordnungen jeweils aus einer Mehrzahl von einander anschließenden permanentmagnetischen Segmenten gebildet.
Dadurch können vorteilhafterweise aus dem Stand der Technik bekannte Halbach-Anordnungen für den erfindungsgemäßen Rotor verwendet werden. Überdies übergibt sich ein einfacher Aufbau und/oder Zusammenbau. Beispielsweise lassen sich dadurch die Halbach-Anordnungen auf eine Form der Taschen anpassen. Auch auf den Zwischenraum, der azimutal zwischen zwei Zähnen der ferromagnetischen Zylinderstruktur liegt, können die einzel- nen Segmente und somit die Halbach-Anordnungen insgesamt an- gepasst werden.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die permanentmagnetischen Segmente quaderförmig ausgebildet.
Durch die quaderförmige Ausbildung der einzelnen Segmente der Halbach-Anordnungen wird ein einfacher Aufbau der Halbach- Anordnungen ermöglicht. Sind die quaderförmigen Segmente der Halbach-Anordnungen zwischen zwei Zähnen der ferromagneti - sehen Zylinderstruktur angeordnet, so ergibt sich vorteilhafterweise annähernd ein zylinderförmiger Abschluss des Rotors. Hierbei sind/ist eine Höhe und/oder eine Breite der einzelnen Segmente auf Platzverhältnisse im Zwischenraum abgestimmt .
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung sind die permanentmagnetischen Segmente keilsteinartig ausgebildet.
Vorteilhafterweise werden dadurch Druckkräfte, die auf den einzelnen Segmenten lasten, beispielsweise bei erhöhten Drehzahlen, auf bezüglich der Richtung der Druckkraft seitliche Segmente übertragen. Insbesondere werden die Druckkräfte, wie beispielsweise bei Keilsteinen eines Steinbogens, auf seit- lieh unmittelbare anliegende Segmente übertragen. Dadurch ergibt sich besonders vorteilhafterweise eine gute thermische und kraft- und/oder formschlüssige Verbindung von einzelnen Segmenten der Halbach-Anordnung. Hierbei ist es zudem vorge- sehen, die einzelnen Segmente und somit die Halbach-Anordnungen in eine zylinderförmige Bandage, die an dem Außenumfang des Rotors angeordnet ist, einzupressen und/oder einzuschrumpfen. Durch die keilsteinartige Ausbildung der einzelnen Segmente werden daher die Druckkräfte, die sich aus einem Einpressen und/oder einem Einschrumpfen der Halbach-Anordnungen ergeben ring- und/oder zylinderartig sowohl radial als auch azimutal in ihrer Position gehalten. Hieraus resultiert vorteilhafterweise eine hohe mechanische Stabilität. Zusätzliche Komponenten für eine mechanische Verbindung der einzel- nen Segmente und/oder einer Verbindung mit der ferromagneti - sehen Zylinderstruktur entfallen somit. Keilsteinartige Segmente sind besonders von Vorteil, da sie eine formschlüssige, zylinderförmige Anordnung ermöglichen. In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung umfassen die Halbach-Anordnungen jeweils ein erstes und ein letztes Segment, die eine entgegengesetzte Magnetisierung aufweisen.
Dadurch wird vorteilhafterweise eine im Wesentlichen räumlich harmonisch (sinusförmig) verlaufende magnetische Flussdichte im Luftspalt, der radial zwischen dem Rotor und dem Stator liegt, ermöglicht. Zudem ist vorgesehen, dass ein erstes Segment einer Halbach-Anordnung und ein letztes Segment einer azimutal benachbarten Halbach-Anordnung eine im Wesentlichen parallele Magnetisierung aufweisen. Dadurch wird vorteilhafterweise die magnetische Flussdichte über die zwischenliegenden Abschnitte der Zylinderstruktur, insbesondere über die ferromagnetischen Zähne der Zylinderstruktur, die zwischen den beiden benachbarten Halbach-Anordnung liegen, kurzge- schlössen. Dadurch wird ein verbesserter harmonischer (sinusförmiger) Verlauf der magnetischen Flussdichte ermöglicht. Durch das magnetische Schließen der magnetischen Flussdichte zwischen zwei benachbarten Halbach-Anordnungen wird insgesamt eine effektive Halbach-Anordnung geschaffen, die im Wesentlichen den gesamten Außenumfang der Zylinderstruktur bedeckt. Der harmonische Verlauf der magnetischen Flussdichte im Luftspalt wird nur möglichst geringfügig durch die zwischenlie- genden Abschnitte der ferromagnetischen Zylinderstruktur gestört. Das letzte Segment einer Halbach-Anordnung und das erste Segment einer azimutal benachbarten Halbach-Anordnung wirken somit zusammen mit dem zwischenliegenden Abschnitt der ferromagnetischen Zylinderstruktur wie ein effektives Segment einer zylinderförmig schlüssigen effektiven Halbach-Anordnung. Mit anderen Worten wirken das genannte letzte und das genannte erste Segment wie ein effektives Polpaar einer zylinderförmig schlüssigen Halbach-Anordnung. Dennoch wird erfindungsgemäß durch die zwischenliegenden Abschnitte der fer- romagnetischen Zylinderstruktur ein zusätzliches Reluktanzdrehmoment des Rotors bereitgestellt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung liegt bei jeder Halbach-Anordnung zwischen zwei benachbarten Seg- menten der jeweiligen Halbach-Anordnung ein weiterer Abschnitt der ferromagnetischen Zylinderstruktur.
Dadurch kann vorteilhafterweise die magnetische Flussdichte im Luftspalt weiter verändert und/oder optimiert werden. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung sind hierbei die einzelnen Segmente der Halbach-Anordnungen in einzelnen Taschen der ferromagnetischen Zylinderstruktur angeordnet.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst jede Halbach-Anordnung ein Segment, insbesondere ein mittiges Segment, das im Vergleich zu allen weiteren Segmenten der jeweiligen Halbach-Anordnung eine größere azimutale Ausdehnung aufweist . Dadurch wird die magnetische Flussdichte, die durch die Halbach-Anordnungen im Luftspalt ausgebildet wird, weiter verbessert, optimiert und/oder konzentriert. Insbesondere kann die magnetische Flussdichte an die Pole des Stators optimal angepasst werden. Zudem ist durch die azimutale Vergrößerung eines Segmentes oder mehrerer Segmente, insbesondere des mittigen Segmentes, vorgesehen die Form bzw. den räumlichen Verlauf der magnetischen Flussdichte im Luftspalt zu verbessern. Dadurch werden höhere Harmonische, die eine Laufunruhe des Motors verursachen und somit zu einer erhöhten Belastung von Lagern und/oder weiteren Bauteilen führen, vermieden. Generell ist es von besonderem Vorteil, die magnetische Flussdichte im Luftspalt harmonisch und somit sinusförmig auszuge- stalten. Dies kann durch eine Vergrößerung der azimutalen
Ausdehnung wenigstens eines Segmentes der Halbach-Anordnungen gelingen .
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung umfasst jede Halbach-Anordnung wenigstens zwei Halbach-Unteranordnungen, wobei die Halbach-Unteranordnungen jeweils aus einer Mehrzahl voneinander anschließenden permanent magnetischen Segmenten gebildet sind und jede Halbach-Unteranordnung ein erstes und ein letztes Segment umfasst, wobei zwischen einer Magnetisierung des ersten und des letzten Segmentes der jeweiligen Halbach-Unteranordnung ein Winkel von π/2 liegt.
Dadurch kann die Form bzw. der räumliche Verlauf der magnetischen Flussdichte im Luftspalt weiter verbessert werden. Die zwei Halbach-Unteranordnungen können zu einer Formbildung, also zu einer geometrischen Anordnung der Halbach-Anordnungen ausgebildet sein. Beispielsweise lassen sich die zwei Halbach-Unteranordnungen azimutal derart nebeneinander anordnen, dass ein weiterer Abschnitt der ferromagnetischen Zylinder- struktur zwischen den zwei Halbach-Unteranordnungen liegt.
Durch die vorteilhafte Ausrichtung der Magnetisierung der Segmente der Halbach-Unteranordnungen wird eine effektive Halbach-Anordnung geschaffen, bei der beispielsweise das mit- tige Segment zweigeteilt ist. Dadurch wird die Form der magnetischen Flussdichte weiter angepasst und insbesondere im Luftspalt konzentriert. Generell ermöglichen die Halbach- Unteranordnungen eine Vielzahl von Ausrichtungen bzw. Anord- nungen, die die magnetische Flussdichte im Luftspalt wie gewünscht anpassen und/oder konzentrieren.
In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung sind die Hal- bach-Unteranordnungen V-förmig ausgebildet.
Dadurch wird die magnetische Flussdichte im Luftspalt in seiner Form bzw. in seinem räumlichen Verlauf zusätzlich konzentriert. Ein Vorteil der V-förmigen Ausbildung ist, dass eine Breite der Gesamtoberfläche der Halbach-Anordnung größer ist als eine Polbreite. Dadurch wird die magnetische Flussdichte im Luftspalt vergrößert.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die räumliche Variation der Richtung der Magnetisierung der Halbach-Anordnungen im Wesentlichen kontinuierlich.
Durch die kontinuierliche Variation der Richtung der Magnetisierung wird die Form der magnetischen Flussdichte im Luft- spalt weiter verbessert. Für eine kontinuierliche Variation der Richtung der Magnetisierung wird beispielsweise die Halbach-Anordnung aus einem idealen Halbach-Magnet (Multipolmag- net) mittels einer Multipolmagnetisierung gebildet. Zudem ist vorgesehen auch die Halbach-Unteranordnungen aus einem sol- chen idealen Halbach-Magnet auszubilden. Generell können alle Halbach-Anordnungen und/oder Halbach-Unteranordnungen und somit alle genannten Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung eine im Wesentlichen kontinuierliche Variation der Richtung der Magnetisierung aufweisen.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung sind die einzelnen Halbach-Anordnungen einer Mehrzahl n von Halbach- Anordnungen jeweils in einem Teilsegment der ferromagneti- schen Zylinderstruktur angeordnet, wobei eine azimutale Aus- dehnung der Teilsegmente höchstens 2π/η beträgt. Hierbei sind die einzelnen Halbach-Anordnungen jeweils azimutal mittig in jeweils einem der Teilsegmente der ferromagnetischen Zylinderstruktur angeordnet . Dadurch sind die Halbach-Anordnungen regelmäßig innerhalb der Teilsegmente der ferromagnetischen Zylinderstruktur azimutal angeordnet. Durch die n Halbach-Anordnungen weist die ferro- magnetische Zylinderstruktur wenigstens n zwischenliegende Abschnitte auf, die insbesondere als Zähne ausgebildet sind. Dadurch ergibt sich effektiv eine n-polige elektrische Maschine. Durch eine erhöhte Anzahl von Polen des Rotors, die durch die Zähne der ferromagnetischen Zylinderstruktur gebil- det sind, wird ein annähernd harmonischer, beispielsweise sinusförmiger Verlauf der magnetischen Flussdichte im Luftspalt ermöglicht. Generell ist die Anzahl n der Pole und somit die Anzahl n der Halbach-Anordnungen mit dem Zweck des erfindungsgemäßen Rotor abzustimmen. So kann je nach Anwendung oder Anwendungsbereich eine höhere bzw. eine niedrigere Anzahl n von Halbach-Anordnungen und/oder Polen der ferromagnetischen Zylinderstruktur von Vorteil sein.
Durch die mittige Anordnung der Halbach-Anordnungen im jewei- ligen Teilsegment der ferromagnetischen Zylinderstruktur wird vorteilhafterweise eine gleichmäßige Verteilung der Halbach- Anordnung entlang der ferromagnetischen Zylinderstruktur ermöglicht. Um ein genügend hohes Reluktanzdrehmoment des Rotors zu schaffen, sind genügend große Abschnitte, die zwi- sehen den Halbach-Anordnungen liegen, vorgesehen. Durch eine azimutale Ausdehnung der Halbach-Anordnungen von beispielsweise höchstens 30° wird bei einer azimutalen Ausdehnung der Teilsegmente von 45° ein vorteilhafter Kompromiss zwischen der Ausdehnung der Halbach-Anordnungen und der Ausdehnung der zwischenliegenden Abschnitte der ferromagnetischen Zylinderstruktur geschaffen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von drei bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die angehängten Zeichnungen beschrieben, in der
Figur 1 eine Schnittdarstellung einer Grundkonfiguration eines Rotors mit acht Polen zeigt; Figur 2 zwei TeilSegmente einer ferromagnetischen Zylinderstruktur und zwei eingebettete Halbach-Anordnungen (Halbach-Pole) darstellt;
Figur 3 ein Teilsegment der ferromagnetischen Zylinderstruktur und eine Halbach-Anordnung mit abgetrenntem ersten und letztem Segment zeigt; Figur 4 ein Teilsegment der ferromagnetischen Zylinderstruktur mit zwei Halbach-Unteranordnungen zeigt.
Gleichartige Elemente werden in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Richtungen axial, radial und azimutal DA, RR, AR beziehen sich stets auf eine Drehachse DA des Rotors 1. Die axiale Richtung DA zusammen mit einer radialen Richtung RR und einer azimutalen Richtung AR bilden ein zylindrisches Koordinaten- System (Rotorkoordinatensystem) aus, wobei die axiale Richtung DA der Drehachse DA entspricht.
Figur 1 zeigt einen zur Drehachse DA senkrechten Schnitt des Rotors 1. Hierbei ist der Rotor 1 für eine elektrische Ma- schine zu verwenden, die einen nicht gezeigten Stator um- fasst. Der Rotor 1 und der Stator sind koaxial zueinander ausgerichtet. Weiterhin zeigt Figur 1 eine Mehrzahl von Halbach-Anordnungen 2, die sich jeweils aus einer Mehrzahl von Segmenten 4a...e zusammensetzen, wobei jedes Segment 4a...e eine Magnetisierung 5a...e aufweist. Zwischen je zwei Halbach-Anordnungen 2 ist ein radial nach außen gerichteter Zahn 8 der ferromagnetischen Zylinderstruktur 6 angeordnet. Die Zylinderstruktur 6 ist somit im gezeigten Ausführungsbeispiel zahnradartig bzw. hohlzahnradartig ausgebildet. Insgesamt um- fasst der in Figur 1 gezeigte Rotor 1 acht Halbach-Anordnungen 2, acht Zähne 8 und somit acht Teilsegmente 12. Die Halbach-Anordnungen 2 sind regelmäßig entlang der azimutalen Richtung AR auf einer Außenseite der Zylinderstruktur 6 angeordnet. Hierbei schließen die Halbach-Anordnungen 2 radial mit den radial nach außen gerichteten Zähnen 8 der Zylin- derstruktur 6 ab. Dadurch ergibt sich in der Schnittdarstellung ein im Wesentlichen ringförmiger Rotor 1.
Die Variation der Richtung der Magnetisierung der Halbach- Anordnungen 2 kann hierbei auch kontinuierlich anstatt in diskreten Schritten erfolgen. Eine kontinuierliche Variation der Richtung der Magnetisierung kann beispielsweise durch entsprechend aufmagnetisierte Magnete (Multipolmagnete) erreicht werden. Wird die Halbach-Anordnung 2 aus einer Mehrzahl von Permanentmagneten 4a...e gebildet, so wird wie in Fi- gur 1 dargestellt eine diskrete und somit schrittweise Variation der Richtung der Magnetisierung der Halbach-Anordnung 2 durch eine entsprechende Variation der Magnetisierung 5a...e der einzelnen Permanentmagnete 4a...e ermöglicht. Von besonderem Vorteil ist, dass die ferromagnetische Zylinderstruktur 6 - in der Schnittdarstellung ringförmige Zylinderstruktur 6 - hohl ausgebildet ist. Es wird daher auf einen Eisenrückschlusskern des Rotors 1 verzichtet, so dass das Massenträgheitsmoment des Rotors 1 möglichst gering gehalten werden kann und zudem mehr Bauraum verfügbar ist.
Die einzelnen Segmente 4a...e jeder Halbach-Anordnung 2 sind quaderförmig ausgebildet. Insbesondere weisen ein erstes Segment 4a und ein letztes Segment 4e eine entgegengesetzt ge- richtete Magnetisierung 5a, 5e auf. Hierbei sind die Magnetisierungen des letzten Segmentes 5e und des ersten Segmentes 5a einer benachbarten Halbach-Anordnung 2 parallel ausgerichtet . Durch die dargestellte Anordnung der Halbach-Anordnungen 2 wird ein Halbach-Motor bereitgestellt, der ein Reluktanzdrehmoment aufweist. Die Halbach-Anordnungen 2 ermöglichen, dass eine zugehörige magnetische Flussdichte MH, die einen Anteil der magnetischen Gesamtflussdichte (Gesamtmagnetfeld) ausbildet, annähernd harmonisch (bspw. sinusförmig), in einem Luftspalt, der radial zwischen dem Rotor 1 und dem nicht gezeigten Stator liegt, ausgebildet ist. Durch die Zähne 8 der Zy- linderstruktur 6 wird im magnetischen Feld des Stators zudem eine magnetische Flussdichte MR ermöglicht, die entlang eines Weges mit einer geringen Reluktanz (Flusswege) fließt und die ein Reluktanzdrehmoment des Rotors 1 bereitstellt. Hierbei verläuft die magnetische Flussdichte MR von einem Zahn 8 zu einem azimutal benachbarten Zahn 8 radial unterhalb einer zwischenliegenden Halbach-Anordnung 2. Das Gesamtmagnetfeld setzt sich somit aus den zwei magnetischen Flussdichten MH, MR zusammen. Der in Figur 1 dargestellte Rotor 1 kombiniert somit die Vorteile eines Reluktanzmotors mit einem Halbach-Motor. Insbesondere wird ein Reluktanzdrehmoment bereitgestellt, ohne dass der harmonische räumliche Verlauf der magnetischen
Flussdichte MH oder der magentischen Gesamtflussdichte im Luftspalt wesentlich gegenüber einen Halbach-Motor mit einer zylinderförmig schlüssigen Halbach-Anordnung gestört ist. Generell kann eine azimutale Ausdehnung der Zähne 8 und der Halbach-Anordnungen 2 zur Optimierung der magnetischen Flussdichten MH, MR angepasst werden. Die Gesamtanzahl der Zähne 8 und der Halbach-Anordnungen 2 kann je nach Anforderung an die elektrische Maschine angepasst werden. Durch die Halbach- Anordnungen 2 oder die Zähne 8 ergeben sich nur geringe anharmonische Anteile der magnetischen Flussdichte MH oder der magnetischen Gesamtflussdichte im Luftspalt, so dass eine Laufruhe des Rotors 1 gegenüber dem Stand der Technik erhöht ist. Zudem werden Verluste im Rotor 1 minimiert.
Im gezeigten Ausführungsbeispiel weist ein Teilsegment 12 der ferromagnetischen Zylinderstruktur 6 eine azimutale Ausdeh- nung 14 von 45° auf. Die Halbach-Anordnungen 2 weisen jeweils eine azimutale Ausdehnung 16 von 30° auf. Hierbei weist die Zylinderstruktur 6 insgesamt eine radiale Dicke im Bereich von 17 mm bis 18 mm auf. Jede der insgesamt acht Halbach- Anordnungen 2 ist aus einer Mehrzahl von Segmenten 4a...e aufgebaut, die jeweils eine azimutale Ausdehnung von etwa 6° aufweisen. Dadurch umfasst jede Halbach-Anordnung 2 insgesamt fünf Segmente 4a...e . Jeder Zahn 8 der ferromagnetischen Zylin- derstruktur 6 weist eine azimutale Ausdehnung von höchstens 15° auf.
In Figur 2 sind zwei Teilsegmente 12 der ferromagnetischen Zylinderstruktur 6 gezeigt. Hierbei ist die ferromagnetische Zylinderstruktur 6 wiederum in einem Schnitt senkrecht zu einer nicht dargestellten Drehachse DA des Rotors 1 dargestellt .
Jeweils in einem Teilsegment 12 ist eine Halbach-Anordnung 2 in Taschen 10 der ferromagnetischen Zylinderstruktur 6 angeordnet. Die Taschen 10 sind hierbei kreissegmentartig ausgebildet. Jede Halbach-Anordnung 2 weist wie bereits in Figur 1 fünf Segmente 4a...e auf. Die einzelnen Segmente 4a...e sind form- und/oder kraftschlüssig in die Taschen 10 eingepresst. Die Zähne 8 der ferromagnetischen Zylinderstruktur 6 sind durch Abschnitte 8 ausgebildet, die jeweils zwischen zwei Halbach-Anordnungen 2 liegen. Durch die Einbettung der Halbach-Anordnungen 2 in Taschen 10 der Zylinderstruktur 6 können die Halbach-Anordnungen 2 auch bei erhöhten Drehzahlen in Position gehalten werden. Generell kann durch eine Form der
Taschen 10 eine gewünschte geometrische Anordnung der einzelnen Segmente 4a...e der Halbach-Anordnungen 2 geschaffen werden. Ein besonderer Vorteil ist der Schutz gegen eine Entmag- netisierung der Halbach-Anordnungen und eine niedrige Leer- laufSpannung .
Der in diesem Ausführungsbeispiel gezeigte Rotor 1 besitzt unter anderem den Vorteil, dass auf eine an der Zylinderstruktur 6 radial außen anliegende Bandage, die die Halbach- Anordnungen 2 auch bei erhöhten Drehzahlen an der Zylinderstruktur 6 halten, verzichtet werden kann. Die Bandage wird schlicht durch die Zylinderstruktur 6 selbst ausgebildet. ±
Figur 3 zeigt ein Teilsegment 12 mit einer Halbach-Anordnung 2. Die Halbach-Anordnung 2 umfasst fünf Segmente 4a...e, die keilsteinartig ausgebildet sind. Die Halbach-Anordnung 2 bildet somit in der Schnittdarstellung eine kreissegmentartige Struktur aus. Zusätzlich zeigt Figur 3 ein mittleres Segment 4c, das eine im Vergleich zu allen weiteren Segmenten 4a, 4b, 4d, 4e azimutal größere Ausdehnung aufweist. Die einzelnen Segmente 4a...e der Halbach-Anordnung 2 sind wiederum in Taschen 10 der ferromagnetischen Zylinderstruktur 6 eingebet- tet . Zwischen jeweils zwei benachbarten Segmenten 4a, 4b; 4d, 4e ist ein weiterer Abschnitt 9 der ferromagnetischen Zylinderstruktur 6 angeordnet .
Die Abschnitte 9 ermöglichen vorteilhafterweise eine mechanische Verstärkung, zusätzliche Flusswege und eine geometrische Anpassung der Halbach-Anordnungen 2. Beispielsweise kann die azimutale Ausdehnung der Halbach-Anordnungen 2 optimiert werden. Auch ein mittiger Abschnitt 9, der das mittige Segment 4c teilt, ist vorgesehen.
Die Abschnitte 9, die jeweils zwischen den zwei benachbarten Segmenten 4a, 4b; 4d, 4e liegen, ermöglichen zudem eine weitere Anpassung der magnetischen Flussdichten MH, MR. Durch eine Veränderung der azimutalen Ausdehnung der einzelnen Segmente 4a...e einer Halbach-Anordnung 2 können die jeweilige magnetischen Flussdichten MH, MR zusätzlich beeinflusst werden. Dadurch wird weiterer Spielraum für Optimierungen geschaffen. Hierbei verläuft die Gesamtflussdichte (Gesamtmagnetfeld) vom Stator zum Rotor und folgt den Flusswegen, die den magnetischen Flussdichten MH, MR entsprechen.
Figur 4 zeigt wiederum ein Teilsegment 12 der ferromagneti - sehen Zylinderstruktur 6 in einer Schnittdarstellung, wobei der Schnitt wiederum senkrecht zu einer nicht dargestellten Drehachse DA verläuft. Figur 4 zeigt eine Halbach-Anordnung
2, die unter Verwendung zweier Halbach-Unteranordnungen 21 V- förmig ausgebildet ist. Eine V-Form der Halbach-Anordnung 2 ergibt sich aus einer Verkippung der linear ausgebildeten Halbach-Unteranordnungen 21 gegenüber der azimutalen Richtung AR.
Jede der Halbach-Unteranordnungen 21 weist drei Teilsegmente 4a...c auf. Hierbei ist eine Magnetisierung 5a eines ersten
Elementes 4a gegenüber einer Magnetisierung 5c eines letzten Elementes 4c einer Halbach-Unteranordnung 21 um π/2 (90°) gedreht. Die Halbach-Unteranordnungen 21, die eine Halbach-Anordnung 2 ausbilden, sind wiederum jeweils einzeln in Taschen 10 der ferromagnetischen Zylinderstruktur 6 eingebettet.
Hierbei schließen die Taschen 10 nicht formschlüssig mit den Halbach-Unteranordnungen 21 ab. Dadurch werden Lufttaschen 18 ausgebildet, die die Halbach-Unteranordnungen 21 magnetisch gegeneinander und gegenüber der umliegenden ferromagnetischen Zylinderstruktur 6 isolieren. Die Luftaschen 18 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel an den Halbach-Unteranordnungen 21 angeordnet. Vorteilhafterweise wird durch die Lufttaschen 18 das Drehmoment des Rotors 1 erhöht. Durch einen azimutalen Abstand der Halbach-Unteranordnungen 21 wird ein zwischenliegender Abschnitt 9 der ferromagneti - sehen Zylinderstruktur 6 ausgebildet. Dadurch ergibt sich eine Anpassung der magnetischen Flussdichte MR, die aus der Reluktanz des Rotors 1 resultiert. Insgesamt wird durch die V-Form der Halbach-Anordnung 2 eine verbesserte magnetische Flussdichte MH im Luftspalt ermöglicht. Die magnetische
Flussdichte MH wird somit annähernd vollständig im Luftspalt konzentriert. Zusätzlich weist der Rotor 1 ein Reluktanzdrehmoment auf, dass durch die zwischenliegenden ferromagne- tischen Abschnitte 8, 9 ausgebildet wird. Der weitere Abschnitt 9, der azimutal zwischen zwei benachbarten Halbach- Unteranordnungen 21 liegt, dient hierbei zur Führung (Flusswege) der magnetischen Flussdichte MR, wobei die magnetische Flussdichte MR durch Pole des nicht gezeigten Stators verur- sacht wird.
Erfindungsgemäß ist eine Mehrzahl von Variationen der Halbach-Anordnungen 2 möglich. So kann die azimutale Ausdehnung 16 der Halbach-Anordnungen 2 oder die Anzahl der zwischenliegenden ferromagnetischen Abschnitte 8, 9 und/oder die einzelne Form der Halbach-Unteranordnungen 21 variiert werden. Auch können die einzelnen Segmente 4a...e der Halbach-Anordnungen 2 in Größe, Form, Beschaffenheit, Material und/oder weiterer nach dem Stand der Technik bekannter Parameter variiert und angepasst werden, so dass sich die magnetische Gesamtflussdichte MR, MH im Luftspalt zwischen Rotor 1 und Stator vergrößert und sich in ihrem Verlauf verbessert. Insbesondere können die Halbach-Anordnungen 2 und/oder Unteranordnungen 21 durch Halbach-Magnete ausgebildet sein, die eine kontinuierliche räumliche Variation der Richtung der Magnetisierung aufweisen (Multipolmagnete) .

Claims

Patentansprüche
1. Rotor (1) für eine elektrische Maschine, insbesondere einen Elektromotor, mit wenigstens zwei Halbach-Anordnungen (2) und einer ferromagnetischen Zylinderstruktur (6), wobei die Halbach-Anordnungen (2) azimutal entlang der Zylinderstruktur (6) derart angeordnet sind, dass azimutal zwischen zwei benachbarten Halbach-Anordnungen (2) wenigstens ein Abschnitt (8) der Zylinderstruktur (6) liegt.
2. Rotor (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschnitte (8) als radial nach außen gerichtete Zähne (8) ausgebildet sind und jeweils zwischen zwei azimutal benachbarten Zähnen (8) eine Halbach-Anordnung (2) liegt.
3. Rotor (1) gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbach-Anordnungen (2) in Verbindung mit den Zähnen (8) zu einem zylinderförmigen radial außenliegenden Abschluss des Rotors (1) ausgebildet sind.
4. Rotor (1) gemäß einem der vorangegangen Ansprüche mit einer zylinderförmigen Bandage, die zu einer radialen Stützung der Halbach-Anordnungen ausgebildet ist.
5. Rotor (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ferromagnetische Zylinderstruktur (6) eine Mehrzahl von Taschen (10) aufweist, die zu einer form- und/oder kraftschlüssigen Aufnahme der Halbach-Anordnungen (2) ausgebildet sind .
6. Rotor (1) gemäß einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbach-Anordnungen (2) jeweils aus einer Mehrzahl von aneinander anschließenden permanentmagnetischen Segmenten (4a...e) gebildet sind.
7. Rotor (1) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die permanentmagnetischen Segmente (4a...e) quaderförmig ausgebildet sind.
8. Rotor (1) gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die permanentmagnetischen Segmente (4a...e) keilsteinartig ausgebildet sind.
9. Rotor (1) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbach-Anordnungen (2) jeweils ein erstes und ein letztes Segment (4a, 4e) umfassen, die eine entgegengesetzte Magnetisierung (5a, 5e) aufweisen.
10. Rotor (1) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens einer Halbach-Anordnung (2) zwischen zwei benachbarten Segmenten (4a, 4b, 4d, 4e) der Halbach-Anordnung (2) ein weiterer Abschnitt (9) der ferro- magnetischen Zylinderstruktur (6) liegt.
11. Rotor (1) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass jede Halbach-Anordnung (2) ein Segment (4c) , insbesondere ein mittiges Segment (4c) umfasst, das im Vergleich zu allen weiteren Segmenten (4a, 4b, 4d, 4e) der jeweiligen Halbach-Anordnung (2) eine größere azimutale Ausdehnung aufweist.
12. Rotor (1) gemäß einem der vorangegangen Ansprüche, da- durch gekennzeichnet, dass jede Halbach-Anordnung (2) wenigstens zwei Halbach-Unteranordnungen (21) umfasst, wobei die Halbach-Unteranordnungen (21) jeweils aus einer Mehrzahl von aneinander anschließenden permanentmagnetischen Segmenten (4a...c) gebildet sind, und jede Halbach-Unteranordnung (21) ein erstes und ein letztes Segment (4a, 4c) umfasst, wobei zwischen einer Magnetisierung (5a, 5c) des ersten und des letzten Segmentes (4a, 4c) der jeweiligen Halbach-Unteranordnung (21) ein Winkel von π/2 liegt.
13. Rotor (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Variation der Richtung der Magnetisierung der Halbach-Anordnungen (2) im Wesentlichen kontinuierlich ausgebildet ist.
14. Rotor (1) gemäß einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbach-Anordnungen (2) V-förmig ausgebildet sind.
15. Rotor (1) gemäß einem der vorangegangen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede einzelne Halbach-Anordnung (2) einer Mehrzahl n von Halbach-Anordnungen (2) jeweils in einem Teilsegment (12) der ferromagnetischen Zylinderstruktur (6) angeordnet ist, wobei eine azimutale Ausdehnung (14) der Teilsegmente (12) höchstens 2π/η beträgt, wobei die Halbach- Anordnungen jeweils azimutal mittig in jeweils einem Teilsegment (12) der ferromagnetischen Zylinderstruktur (6) angeordnet sind.
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