WO2015135862A1 - Stator-rotor-vorrichtung für eine elektrische maschine - Google Patents

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rotor device
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Karsten Laing
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Xylem Ip Holdings Llc
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Definitions

  • the invention relates to a stator-rotor device for an electric machine, in particular an electric motor, comprising a stator and a rotor, wherein the stator-rotor device having wound pole cores, associated therewith pole pieces and magnets, wherein the pole pieces over a first Surface are connected to a respective pole core and have a second surface which faces the magnet, and wherein the pole pieces with the magnets magnetically cooperate and separated from them via an air gap.
  • Such a stator-rotor device (hereinafter also referred to simply as “device”) is used, for example, in an electric motor which is integrated in a motor pump unit. However, it is also conceivable to use the device in generators.
  • the device When the device is used in an electric motor, the device comprises windings surrounding the pole cores, the energization of which generates a respective magnetic field in the pole cores.
  • the magnetic field passes through the pole pieces and forms a magnetic dipole in them.
  • the dipole can interact with the magnets, with the magnetic flux passing through the air gap between the pole shoes and the magnets.
  • stator comprises the pole cores and the pole shoes
  • rotor comprises the magnets.
  • stator comprises the magnets and the rotor, the pole cores and the pole pieces.
  • the object of the present invention is to provide a generic stator-rotor device in which a compact design can be achieved with cost-effective production.
  • stator-rotor device of the type mentioned above in that the pole pieces and the magnets engage in one another in an engagement direction such that the respectively engaging component - pole piece or magnet - opposite to the engagement direction on two opposite sides each one portion of the other component - magnet or pole piece - is arranged, and that the second surface is larger than the first surface.
  • the pole shoes and the magnets engage in one another.
  • the pole shoes engage in the magnets.
  • the magnets can also engage in the pole pieces.
  • the engaging component such as a pole piece, has sides facing away from each other.
  • the respective other component for example the magnet, has in each case a section opposite the sides of the first component, for example the pole shoe.
  • the magnetic flux between the pole piece and the magnet is thereby directed across the two sides of the engaging component and the portions of the other component, respectively. This gives the possibility of achieving a greater overlap between the fields of the pole pieces and the magnets, wherein the magnetic flux can be favorably also directed in the direction of engagement.
  • the second surface of the pole pieces on the side facing the magnet is larger than the first surface, through which the pole piece is connected to the pole core and which is penetrated by the magnetic flux, which is generated by the current supply of the windings or induces a voltage therein.
  • the inventive design of the stator-rotor device allows in particular the use of inexpensive materials for the production and molding of Magnets such that they can be manufactured easily manufactured and provided for engagement by the pole pieces. For example, a production of the magnets by an injection molding process, which will be discussed below. Even with the use of inexpensive magnets and relatively low magnetic flux density in the air gap, a high flux density can be achieved through the first surface.
  • the pole cores can thereby preferably be operated up to or almost up to the region of the saturation magnetization. At the same time, a compact design of the device can be achieved.
  • a component for example a magnet
  • the receptacle is, for example, groove-shaped and is limited in the direction of engagement by a groove bottom and transversely to the direction of engagement of the above-mentioned sections.
  • the engaging component includes, for example, a strip-like or rib-like projection for engaging in the receptacle.
  • the arrangement of two sections on the opposite sides of the engaging component also makes it possible to achieve a symmetrical magnetic flux transversely to the direction of engagement and compensate for forces transverse to the direction of engagement. As a result, a guide and better storage of the rotor and its smoother running can be ensured.
  • the respectively engaging component - pole piece or magnet - comprises several engaging portions engaging in the respective other component - magnet or pole piece, wherein each engagement portion opposite to the engagement direction on two opposite sides respectively opposite a portion of the other component - magnet or pole piece - attached is orders.
  • the engaging component for example, the pole piece, in particular transversely to the engagement direction, a plurality of the engaging portions forming projections.
  • the projections may engage between respective portions of the magnets.
  • the respectively engaging component - pole piece or magnet - is preferably equidistant from both sections of the respective other component - magnet or pole piece - over the air gap.
  • the pole shoes engage with one or more engagement sections in the magnets, wherein each engagement section is disposed transversely to the engagement direction on two opposite sides of a portion of a magnet.
  • the pole shoes have, for example, an engagement section, on opposite sides of which a respective section of the magnet is opposite.
  • the pole shoes may, for example, also have two engagement sections, which are each opposite sections of the magnet.
  • portions of the magnets which are arranged on opposite sides of an engagement portion, are interconnected.
  • the sections are integrally connected.
  • a magnet may include or form two portions which are interconnected and between which an engagement portion is disposed. The portions of the magnet are held, for example, on a common carrier body of the rotor or the stator.
  • a magnet is correspondingly understood to mean, in particular, an arrangement of magnets which has two separate sections between which an engagement section of the pole shoe is arranged.
  • the portions of the magnet are axially or radially spaced from each other with respect to an axis of rotation of the rotor, with an engagement portion engaging the space between the portions of the magnet.
  • the sections of the magnet can be held on at least one carrier body of the rotor or stator.
  • stator-rotor device when the separated sections of the magnet are held on different support bodies of the rotor or stator.
  • a respective section of the magnet may be held on a first carrier body and the portion of the magnet formed separately therefrom on a further carrier body. Both carrier bodies can be connected to each other in a rotationally fixed manner.
  • At least one carrier body of the rotor or stator preferably forms a magnetic return body, which connects a plurality of magnets together.
  • each engagement section is arranged transversely to the engagement direction on two opposite sides of a portion of a pole piece.
  • the ratio of the second area to the first area is equal to or approximately equal to the ratio of the magnetic flux density through the air gap to the magnetic flux density through the pole core.
  • the ratio of the second area to the first area is at least about 3: 1 and is preferably greater, for example at least about 5: 1 or at least about 7: 1. It is favorable if the engaging component - pole piece or magnet - engages freely from undercut into the respective other component - magnet or pole piece. This facilitates, for example, the assembly of the device. The pole piece and the magnet can be moved in the engagement direction relative to each other, that they engage in each other. A movement transverse to the direction of engagement is not required. This also allows a compact design and cost-effective production, since undercuts can be saved.
  • pole pieces are formed integrally with the pole cores.
  • the pole pieces may include the pole cores, and a respective winding may be attached to a respective pole piece.
  • the pole shoes may be connected, for example, to a return body, for example a stator ring of the stator.
  • pole cores are integrally connected to a return body, for example a stator ring of the stator.
  • the pole pieces are made of a material of lower magnetic permeability than the pole cores, or if the pole pieces comprise a material of lower magnetic permeability than the pole cores.
  • the pole cores for example, together with a return body such as a stator ring, and / or the pole shoes are preferably made of a highly permeable material.
  • a highly permeable material there are, for example, powdered metal particles, such as soft iron, with an electrically insulating surface, such as a phosphate layer used.
  • the particles can be dispersed in a powder pressed molding molding and preferably subsequently heat treated to increase the strength. For example, a Somaling® material from Höganäs is used.
  • the magnets are preferably made of a material comprising magnetic particles embedded in a matrix.
  • inexpensive ferrite magnet particles are embedded in the matrix.
  • the matrix is a plastic matrix.
  • the magnets by an injection molding process, with the magnetic particles already being embedded in the matrix during injection molding. This is of particular advantage to form magnets even complex geometry. In particular, this allows the production technology to provide the magnets in a simple and cost-effective manner.
  • the pole pieces may be formed separately from each other and connected to a respective pole core, wherein in the circumferential direction of a rotational axis of the rotor adjacent pole pieces are separated by air gaps.
  • the pole pieces are arranged, for example, in the circumferential direction of the axis of rotation. Adjacent pole pieces are separated by an air gap. This is advantageous for the manufacture of the stator-rotor device, and preferably unwanted leakage flux can be minimized.
  • the pole shoes can be manufactured individually and individually connected to the pole cores. For example, the pole shoes are connected radially or axially to the pole cores.
  • magnets arranged in the circumferential direction of a rotational axis of the rotor adjoin one another gap-free. Adjacent magnets, in the circumferential direction of the axis of rotation, can contact each other.
  • stator-rotor device it is favorable if the pole shoes and the magnets engage radially with respect to one another, based on a rotation axis defined by the rotor.
  • the pole put shoes in the magnets. Portions of the magnet as discussed above may then be axially spaced apart.
  • the pole shoes can be arranged radially on the outside and the magnets radially on the inside, or vice versa.
  • pole shoes and the magnets engage in one another axially, relative to a rotation axis defined by the rotor.
  • the pole shoes engage axially in the magnets.
  • the portions of the magnet as explained above may be radially spaced from each other.
  • the stator comprises the pole cores and the pole shoes, and the rotor comprises the magnets.
  • the stator has, for example, a stator ring, from which the pole cores protrude radially, the pole shoes being fixed to the pole cores and engaging radially in the magnets, the magnets being held against rotation on at least one support body of the rotor defining the axis of rotation.
  • the portions of a respective magnet which are opposite to a respective engagement portion of a pole piece on its opposite sides, in particular axially spaced from each other.
  • the at least one carrier body is preferably a disk or a ring or comprises one or more such which defines a plane transverse to the axis of rotation and engages in radial form-fitting manner in grooves formed by the magnets.
  • the magnets are held, for example, by molding or gluing on the disc or on the ring and thereby rotatably connected to this or this.
  • stator-rotor device it is favorable if the stator has a stator ring, from which the pole cores protrude axially, the pole shoes being fixed to the pole cores are and axially engage in the magnets, wherein the magnets are rotatably held on at least one rotational axis defining support body of the rotor.
  • the portions of a respective magnet which are opposite to a respective engagement portion of a pole piece on its opposite sides, in particular radially spaced from each other.
  • the at least one carrier body may preferably comprise a disk or a ring which defines a plane transverse to the axis of rotation and an edge oriented concentrically to the axis of rotation, wherein magnets are fixed radially on the outside and / or radially on the inside are .
  • the edge is preferably fixedly connected to the disc or the ring, in particular in one piece.
  • two concentric carrier body of different diameters wherein each radially outside of the edge of the carrier body of smaller diameter and radially inside the edge of the carrier body of larger diameter, a portion of a magnet is fixed and wherein the pole piece engages between the sections.
  • the sections are components of a magnet in which a pole piece engages.
  • the sections may, as explained above, be formed separately or connected to one another.
  • the two carrier bodies may preferably be connected to one another in a rotationally fixed manner.
  • the magnet may in particular comprise four sections, which are radially spaced from each other. The sections can be separated from be formed each other or connected to each other. Between the two radially inner portions engages an engagement portion of the pole piece and between the two radially outer portions also engages an engagement portion of the pole piece.
  • the support body (s) in the above-mentioned advantageous embodiments serve, in particular, as magnetic return body (s) and are / are preferably made of a soft magnetic material. Beyond the holder of the magnets, the at least one carrier body can simultaneously perform a function as a return path body.
  • the rotor comprises the pole cores and the pole shoes and the stator comprises the magnets.
  • the rotor is in particular an inner rotor which is surrounded by the stator.
  • the rotor may also be an outer rotor surrounding the stator.
  • Fig. 1 a first advantageous embodiment of an inventive
  • FIG. 2 is a plan view of the stator-rotor device of FIG. 1;
  • FIG. 3 is a sectional view taken along line 3-3 in FIG. 2;
  • FIG. 4 is an enlarged view of detail A in FIG. 3; FIG.
  • Fig. 5 a second preferred embodiment of an inventive
  • Fig. 6 is a sectional view of the stator-rotor apparatus of Fig. 5;
  • FIG. 7 is an enlarged view of detail B in FIG. 6;
  • FIG. 8 is a plan view of a rotor of the stator-rotor device
  • Fig. 9 a third preferred embodiment of an inventive
  • Fig. 10 is a sectional view of the stator-rotor apparatus of Fig. 9;
  • FIG. 11 is an enlarged view of detail C in Fig. 10 and
  • FIG. 12 shows a plan view of a rotor of the stator-rotor device, the viewing direction being along the line 12--12 in FIG. 10 is selected.
  • FIGS. 1 to 4 show a first advantageous embodiment of a stator-rotor device according to the invention, referred to below by the reference numeral 10, followed by device 10.
  • the device 10 is used in particular in an electric motor.
  • the device 10 comprises a stator 12 and a rotor 14.
  • the rotor 14 comprises a carrier body 16, which is configured here as a disk 18.
  • the disk 18 defines a plane and an axis of rotation 20 of the rotor 14. "Radial” and “axial” are in the present case, based on the axis of rotation 20.
  • the rotor 14 comprises a plurality of magnets 22.
  • the magnets 22 are present preferably injection molding magnets.
  • the injection molding magnets comprise embedded in a matrix, for example of a plastic material, embedded te magnetic particles, such as ferrite magnetic particles.
  • the magnets can be manufactured inexpensively and manufacture technically simple and in particular molded.
  • the particles are homogeneously distributed in the matrix.
  • the magnets 22 are arranged radially on the outside of the disk 18 and rotatably connected thereto.
  • the magnets 22 each have a recess in the form of a groove 24.
  • the disc 18 engages positively in the groove 24, and the magnets 22 are fixedly connected to the disc 18, for example by gluing or encapsulation.
  • adjacent magnets 22 adjoin one another.
  • the magnets 22 are of identical shape with adjacent magnets oppositely magnetized.
  • the magnets 22 marked by puncturing in the drawing have a magnetic north pole on the upper side and lower side of the surfaces facing the subsequently-mentioned return bodies 25 and on the surface facing the disk 18. Facing the engagement portions 48 mentioned below in the grooves 26, the magnets 22 may have magnetic south poles. The polarity of the non-punctured magnets 22 is reversed.
  • the disc 18 is beyond the holder for the magnets 22 also as a magnetic return body and is made for this purpose of a soft magnetic material.
  • a magnetic return body for the magnetic yoke further two return body made of a soft magnetic material are present, which are configured for example as rings 25 (not shown in Fig. 2).
  • the rings 25 are fixed to respective axial end surfaces of the magnets 22, for example.
  • each magnet 22 Radial on the outside of each magnet 22 two recesses in the form of radial grooves 26 are arranged.
  • the grooves extend in the circumferential direction of the axis of rotation 20.
  • Each groove 26 has a groove bottom 28 and walls 30, 32.
  • the walls 30, 32 of each groove 26 are axially spaced and thus transversely to the radial direction.
  • the walls 30, 32 form sections 34 and 36 of the magnet 22. In the present case, all sections 34, 36 are connected to each other.
  • the magnet 22 thereby has a cross-sectionally double-U-shaped or W-shaped configuration.
  • the magnet 22 is integrally formed as shown in the drawing, for example. However, portions 34 and 36 could also be separate, as in the case of magnets 80 and 118 of devices 60 and 90 discussed below.
  • the rotor 14 is an inner rotor, which the stator 12 surrounds on the outside.
  • the stator 12 includes a stator ring 38. From the stator 38 are radially inwardly a plurality of pole cores 40 from. In the present example, nine pole cores 40 are provided.
  • Each pole core 40 is associated with a winding 42 which surrounds the respective pole core 40. By energizing the windings 42, the pole cores 40 can be magnetized.
  • the stator ring 38 is made with the pole cores 40 in one piece from a molding pressed powdered metallic material, wherein the individual particles are coated with an electrically insulating layer.
  • a Somaloy® material from Höganäs company is used. This gives the possibility of building 40 high magnetic fields in the pole cores.
  • the geometry of the stator 12 can be adapted very well to the course of the magnetic flux.
  • the stator 12 further includes pole shoes 44, which are manufactured in the same way by means of a powder pressing process as the stator ring 38 together with the Polkernen 40.
  • the pole pieces 44 are formed identically.
  • Each pole core 40 is associated with a pole piece 44, so that in the present case nine pole pieces 44 are present.
  • pole pieces 44 are arranged radially inwardly with respect to the pole cores 40, wherein each pole piece 44 is connected to its associated pole core 40.
  • the pole piece 44 is formed separately from the pole core 40 and connected thereto.
  • the pole shoes could also comprise the pole cores and be connected to the stator ring. Also conceivable is a one-piece connection of the pole cores, the pole shoes and the stator ring.
  • adjacent pole pieces 44 are separated from each other by an air gap, so that they do not adjoin one another. This facilitates the assembly of the pole pieces 44 and reduces unwanted leakage flux.
  • the pole shoes 44 have a cross-sectionally U-shaped design.
  • Each projection 46 is directed radially inward and extends in the circumferential direction of the rotation axis 20.
  • the projections 46 each form an engagement portion 48 for engaging in the grooves 26.
  • Each engagement portion 48 engages in an engagement direction 49 in a groove.
  • the engagement direction 49 is radially aligned here.
  • Each engagement portion 48 has a first side 50 facing a respective portion 34 of the magnet 22.
  • the section 34 is accordingly the first side 50 opposite.
  • each engagement portion 48 has a second side 52.
  • the second side 52 faces away from the first side 50.
  • the second side is opposite to a respective portion 36 of the magnet 22. Facing the respective engagement portion 48 are the portions 34, 36 of the same magnetic polarity.
  • a portion 34, 36 of the magnet 22 is arranged transversely to the engagement direction 49 on opposite (axial) sides 50, 52 of each engagement section 48 when the pole piece 44 engages in the magnet 22.
  • an air gap 58 is formed, which is penetrated by the magnetic flux when the pole piece 44 and the magnet 22 cooperate.
  • the pole shoes 44 have a, the respective pole core 40 facing first surface 54. Furthermore, the pole shoes 44 each have a second surface 56, which faces the respective magnet 22. By the engagement of the pole shoes 44 in the magnets 22, the possibility is given to form the second surface 56 substantially larger than the first surface 54. This has the advantage that a large overlap between the magnetic fields of the pole shoes 44 and the magnets 22 can be achieved , The advantage here is a narrow configuration of the air gap 58.
  • the device 10 employs the low cost magnets 22 that provide a relatively low magnetic flux density across the air gap 58, a high magnetic flux density may be generated at the surface 54.
  • the pole cores 40 can be operated in this way up to or near to the region of the saturation magnetization. At the same time a compact design of the device 10 is achieved.
  • the magnetic flux through the air gap 58 not only passes axially through the sides 50, 52.
  • the second surface 56 also includes the radial lateral surfaces of the pole pieces 44, which are also penetrated by the magnetic flux, at the engagement portions 48 and between them.
  • the engagement of the pole pieces 44 in the grooves 26 allows an enlargement of the surface 56 on the sides 50, 52 in the axial direction with a more compact design. It proves to be advantageous in this case that the magnets 22 can be manufactured very accurately by the injection molding process and the pole shoes 44 by the powder molding process despite cost-effective production.
  • By a narrow air gap 58 also takes place a better bundling of the magnetic flux between the pole pieces 44 and the magnets 22. Spill losses can thereby be preferably minimized.
  • a high flux density is obtained through the surface 54 and in the pole core 40.
  • FIGS. 5 to 8 and 9 to 12 respectively, refer to two further advantageous embodiments of the stator-rotor device according to the invention, whose essential differences from the device 10 are explained.
  • the device 10 For identical or equivalent features and components of the three advantageous embodiments presented here, largely identical reference numerals are used.
  • the advantages explained in connection with the device 10 can also be achieved with the embodiments described below.
  • FIGS. 5 to 8 show a stator-rotor device 60.
  • the stator 12 comprises the stator ring 38. Axially, a plurality of pole cores 40 protrude from the stator ring 38. In the present case, nine pole cores 40 are also provided.
  • the pole cores 40 are each assigned a winding 42.
  • the stator ring 38 is made in one piece with the pole cores 40 by the aforementioned powder pressing method, as well as the pole pieces 44.
  • the stator 12 further includes a plurality of pole pieces 44.
  • Each pole core 40 is associated with a pole piece 44, so that accordingly nine pole pieces 44 are present.
  • the pole shoes 44 are formed as in the device 10 separately from the pole cores 40 and connected to the respective first surface 54. In the circumferential direction of the axis of rotation 20 adjacent pole pieces 44 are separated from each other by an air gap.
  • Each pole piece 44 includes a base portion 62 that faces the pole core 40. From the base portion 62 is axially from an engagement portion 64 from.
  • the engagement portion 64 is configured as an axially extended bar having a curvature in the circumferential direction of the rotation axis 20.
  • the rotor 14 comprises two carrier bodies 66, 68.
  • the diameter of the carrier body 66 is smaller than the diameter of the carrier body 68.
  • Each carrier body 66, 68 has a disk 70 or 72 and an edge 74 or 76 , 72 defined planes are aligned perpendicular to the axis of rotation 20.
  • the discs 70, 72 are rotatably connected to each other and, as well as the edges 74, 76, concentric with each other.
  • the edge 74 is arranged radially on the outside of the disk 70 and extends away from it in the axial direction.
  • the edge 76 is arranged radially on the outside of the disk 72 and extends in the axial direction away from the latter.
  • the edges 74, 76 are oriented axially in the same direction. Between the edges 74, 76 an annular space 78 is thereby arranged, over which the edges 74, 76 are spaced from each other.
  • the rotor 14 includes a plurality of magnets 80.
  • magnets 80 In the present case, six magnets 80 are provided.
  • the magnets 80 as the magnets 22 are inexpensive and manufacturing technology simply manufactured by an injection molding process.
  • the magnets are of identical shape, with adjacent magnets 80 magnetized oppositely in the circumferential direction of the axis of rotation 20. Adjacent magnets adjoin one another in the circumferential direction.
  • Each magnet 80 includes a portion 82 which is fixed against rotation radially on the outside at the edge 74.
  • the respective magnet 80 further comprises a portion 84 which is fixed against rotation radially inwardly at the edge 76.
  • each magnet 80 includes two radially spaced unconnected sections 82, 84 (FIG. 8). Overall, thus six sections 82 and six associated with these sections 84 are provided. Facing the annular space 78, the sections 82, 84 have an identical magnetic polarity, for example, in the case of the magnet 80 marked by puncturing, a magnetic south pole. Facing the edges 74, 76, the magnets 80 then have, for example, a north pole. In the adjacent magnets 80, the polarity is reversed.
  • the sections 82, 84 could be connected together at the device 60 instead of being separate from each other.
  • the magnets 80 could have a U-shaped profile.
  • the carrier bodies 66, 68 form magnetic return bodies and are preferably manufactured on a soft magnetic material.
  • the engagement portion 64 of a pole piece 44 engages axially in a magnet 80 a.
  • the engagement direction 49 is therefore axially aligned in the case of the device 60.
  • the sections 82, 84 are arranged on opposite sides of the engagement portion 64.
  • the sides 50, 52 are arranged opposite to each other on the engaging portion 64.
  • the portion 82 faces the first side 50 and the portion 84 of the second side 52.
  • the air gap 58 between the pole piece 44 and the magnet 80 can be kept narrow on both sides of the engagement portion 64.
  • the second surface 56 is also substantially larger in the device 60 than the first surface 54. Even with the use of inexpensive, produced by an injection molding magnet 80 and therefore rather low magnetic flux density in the air gap 58, a high magnetic flux density can be provided on the surface 54 become.
  • the pole cores 40 can be operated up to or almost up to the saturation magnetization range.
  • a compact design of the device 60 is achieved.
  • the pole pieces 44 can be manufactured inexpensively and thus the device 60 can be manufactured inexpensively.
  • FIGS. 9 to 12 show a stator-rotor device according to the invention, designated by the reference numeral 90.
  • stator ring 38 and the pole cores 40 are configured identically to the device 60 in the device 90, so that reference can be made in this regard to the above explanations.
  • the pole pieces 44 project axially from the pole cores 40 as in the device 60 and are formed separately from the pole cores 40.
  • the pole pieces 44 are manufactured by the already mentioned powder pressing method.
  • the pole shoes 44 are connected to the pole cores 40 via the first surface 54.
  • the pole shoes 44 have a base portion 92 and in addition from this two axially projecting engagement portions 94.
  • the engagement portions 94 are radially spaced from each other and designed as an axially extending strips. In the circumferential direction of the rotation axis 20, the engagement portions 94 are curved like the engagement portion 64.
  • a total of nine pole shoes 44 are present, which are separated from each other in the circumferential direction of the axis of rotation 20 by a respective air gap.
  • the rotor 14 in the device 90 comprises three concentric carrier bodies 96, 98 and 100.
  • the carrier bodies 96, 98, 100 have a respective disk 102, 104 and 106, respectively, which are radially outwardly connected to a respective edge 108, 110 and 112, respectively are .
  • the construction of the carrier bodies 96, 98, 100 corresponds to that of the carrier bodies 66, 68 in the device 60.
  • the carrier bodies 96, 98 and 100 form magnetic return bodies such as the carrier bodies 66, 68 in the device 60 and are preferably made of a soft magnetic material.
  • the diameter of the carrier body 96 is the smallest and that of the carrier body 100 is the largest.
  • the carrier body 98 is the carrier body with the average diameter.
  • edges 108, 110, 112 are axially spaced from the respective disc 102, 104 and 106 and are directed in the same direction. Between the edges 108, 110 an annular space 114 is formed and between the edges 110 and 112, an annular space 116th
  • the rotor 14 includes a plurality of magnets 118.
  • magnets 118 are provided, each having four, separately and radially spaced sections 120, 122, 124 and 126.
  • the magnets 118 are of identical shape, wherein in the circumferential direction of the rotation axis 20 adjacent magnets 118 are oppositely magnetized.
  • the magnets 118 are preferably like the magnets 22 inexpensively and manufacturing technology simply manufactured by an injection molding process.
  • the sections 120 are fixed radially on the outside at the edge 108.
  • the sections 120, 122 are rotationally fixed radially on the inside or radially outside on the edge 110, and the sections 124 are radially on the inside on the edge 112. Accordingly, a respective magnet 118 is composed of several sections 120 to 124 in the device 90 as well.
  • the sections 120 and 122 or the sections 124 and 126 have the same magnetic polarity, for example a magnetic south pole. Facing the edges 108, 110 and 112, the section 120, the sections 122 and 124 and the section 126 then have a magnetic north pole.
  • the magnetic polarity of the adjacent magnets 118 is exactly the opposite.
  • the engagement portions 94 axially engage the magnet 118.
  • the engagement direction 49 is therefore axially aligned in the device 90.
  • the radially inward engagement portion 94 intervenes between the portions 120, 122.
  • the portion 120 faces the first side 50 and the portion 122 of the second side 52 of the radially inward engagement portion 94.
  • the sections 120, 122 are arranged in the radial direction transversely to the engagement direction 49 on opposite sides of the engagement section 94.
  • the portion 124 faces the first side 50 of the radially outboard engagement portion 94 and the second portion 126 of the second side 52 of the radially outboard engagement portion 94.
  • the portions 124, 126 are radially across the engagement direction 49 on opposite sides the engagement portion 94 is arranged.
  • the engagement of the pole shoes 44 with the magnets 118 in the device 90 is similar to the engagement of the pole shoes 44 with the magnets 22 in the device 10. The differences are in the radial engagement of the device 10 and the axial engagement of the device 90.
  • the sections 120 to 126 are formed separately from each other, whereas the magnet 22 is integral with the device 10. Furthermore, the sections 120 and 122 as well as 124 and 126 are not connected to one another, wherein the corresponding connection takes place at the sections 34, 36 via the groove bottom 28.
  • the magnet 118 may also be formed in one piece.
  • the air gap 58 between the pole pieces 44 and the magnets 118 is preferably kept narrow.
  • the second surface 56 is substantially larger than the first surface 54.
  • the device 90 can be inexpensively manufactured via cost-effective production of the pole shoes 44.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Stator-Rotor-Vorrichtung für eine elektrische Maschine, insbesondere einen Elektromotor, umfassend einen Stator und einen Rotor, wobei die Stator-Rotor-Vorrichtung mit Wicklungen versehene Polkerne, diesen zugeordnete Polschuhe und Magnete aufweisen, wobei die Polschuhe über eine erste Fläche mit einem jeweiligen Polkern verbunden sind und eine zweite Fläche aufweisen, die den Magneten zugewandt ist, und wobei die Polschuhe mit den Magneten magnetisch zusammenwirken und von diesen über einen Luftspalt getrennt sind. Die Polschuhe und die Magnete greifen in einer Eingriffsrichtung derart ineinander ein, dass der jeweils eingreifenden Komponente - Polschuh oder Magnet - quer zur Eingriffsrichtung auf zwei einander abgewandten Seiten gegenüberliegend jeweils ein Abschnitt der anderen Komponente - Magnet oder Polschuh - angeordnet ist, und die zweite Fläche ist größer als die erste Fläche.

Description

STATOR-ROTOR-VORRICHTUNG FÜR EINE ELEKTRISCHE MASCHINE
Die Erfindung betrifft eine Stator-Rotor-Vorrichtung für eine elektrische Maschine, insbesondere einen Elektromotor, umfassend einen Stator und einen Rotor, wobei die Stator-Rotor-Vorrichtung mit Wicklungen versehene Polkerne, diesen zugeordnete Polschuhe und Magnete aufweisen, wobei die Polschuhe über eine erste Fläche mit einem jeweiligen Polkern verbunden sind und eine zweite Fläche aufweisen, die den Magneten zugewandt ist, und wobei die Polschuhe mit den Magneten magnetisch zusammenwirken und von diesen über einen Luftspalt getrennt sich.
Eine derartige Stator-Rotor-Vorrichtung (nachfolgend auch vereinfachend "Vorrichtung" genannt) kommt zum Beispiel bei einem Elektromotor zum Einsatz, der in eine Motorpumpeneinheit integriert ist. Denkbar ist jedoch auch ein Einsatz der Vorrichtung in Generatoren.
Beim Einsatz der Vorrichtung in einem Elektromotor umfasst die Vorrichtung die Polkerne umgebende Wicklungen, durch deren Bestromung in den Polkernen ein jeweiliges magnetisches Feld erzeugt wird . Das magnetische Feld durchsetzt die Polschuhe und bildet in diesen einen magnetischen Dipol aus. Der Dipol kann mit den Magneten zusammenwirken, wobei der magnetische Fluss den Luftspalt zwischen den Polschuhen und den Magneten durchsetzt.
Es ist denkbar, dass der Stator die Polkerne und die Polschuhe umfasst und der Rotor die Magnete. Dies kann jedoch auch umgekehrt sein, wobei der Stator die Magnete umfasst und der Rotor die Polkerne und die Polschuhe.
Wünschenswert ist an sich ein möglichst hoher magnetischer Fluss zwischen den Polschuhen und den Magneten. Dies erfordert den Einsatz relativ teurer Magnete. Wünschenswert ist jedoch auch eine preisgünstige Fertigung der Vorrichtung .
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Stator-Rotor- Vorrichtung bereitzustellen, bei der bei kostengünstiger Herstellung vorzugsweise eine kompakte Bauform erzielbar ist.
Diese Aufgabe wird bei einer Stator-Rotor-Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Polschuhe und die Magnete in einer Eingriffsrichtung derart ineinander eingreifen, dass der jeweils eingreifenden Komponente - Polschuh oder Magnet - quer zur Eingriffsrichtung auf zwei einander abgewandten Seiten gegenüberliegend jeweils ein Abschnitt der anderen Komponente - Magnet oder Polschuh - angeordnet ist, und dass die zweite Fläche größer als die erste Fläche ist.
Bei der erfindungsgemäßen Stator-Rotor-Vorrichtung greifen die Polschuhe und die Magnete ineinander ein. Beispielsweise greifen die Polschuhe in die Magnete ein . Die Magnete können auch in die Polschuhe eingreifen. Die eingreifende Komponente, beispielsweise ein Polschuh, weist einander abgewandte Seiten auf. Die jeweils andere Komponente, beispielsweise der Magnet, weist den Seiten der ersten Komponente, zum Beispiel des Polschuhs, gegenüberliegend jeweils einen Abschnitt auf. Der magnetische Fluss zwischen dem Polschuh und dem Magneten ist dadurch über die beiden Seiten der eingreifenden Komponente und die Abschnitte der jeweils anderen Komponente gerichtet. Dies gibt die Möglichkeit, einen größeren Überlapp zwischen den Feldern der Polschuhe und der Magnete zu erzielen, wobei der magnetische Fluss günstigerweise auch in der Eingriffsrichtung gerichtet sein kann. Die zweite Fläche der Polschuhe auf der dem Magneten zugewandten Seite ist größer als die erste Fläche, über die der Polschuh mit dem Polkern verbunden ist und der vom magnetischen Fluss durchsetzt wird, der über die Bestromung der Wicklungen erzeugt wird oder in diesen eine Spannung induziert. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Stator-Rotor-Vorrichtung ermöglicht insbesondere den Einsatz kostengünstiger Materialien zur Herstellung und Formung der Magnete derart, dass diese herstellungstechnisch einfach gefertigt und für einen Eingriff durch die Polschuhe bereitgestellt werden können . Beispielsweise kann eine Fertigung der Magnete durch ein Spritzgussverfahren erfolgen, worauf nachfolgend noch eingegangen wird. Selbst bei Einsatz preiswerter Magnete und relativ geringer magnetischer Flussdichte im Luftspalt kann eine hohe Flussdichte durch die erste Fläche erzielt werden. Die Polkerne können dadurch vorzugsweise bis oder nahezu bis in den Bereich der Sättigungsmagnetisierung betrieben werden. Zugleich kann eine kompakte Bauform der Vorrichtung erzielt werden.
Es kann insbesondere vorgesehen sein, dass eine Komponente, beispielsweise ein Magnet, eine Aufnahme für die jeweils andere Komponente, beispielsweise den Polschuh, ausbildet. Die Aufnahme ist beispielsweise nutförmig und wird in Eingriffsrichtung von einem Nutboden begrenzt und quer zur Eingriffsrichtung von den vorstehend erwähnten Abschnitten. Die eingreifende Komponente umfasst beispielsweise einen leisten- oder rippenartigen Vorsprung zum Eingreifen in die Aufnahme.
Die Anordnung von zwei Abschnitten auf den einander abgewandten Seiten der eingreifenden Komponente erlaubt es ferner, quer zur Eingriffsrichtung einen symmetrischen magnetischen Fluss zu erzielen und Kräfte quer zur Eingriffsrichtung auszugleichen. Dadurch kann eine Führung und bessere Lagerung des Rotors und dessen gleichmäßigerer Lauf sichergestellt werden.
Quer zur Eingriffsrichtung und quer zur Richtung, in der die Abschnitte der eingreifenden Komponenten gegenüberliegen, verläuft die Bewegungsrichtung der Magnete relativ zu den Polschuhen bei der Rotation des Rotors.
Von Vorteil ist es, wenn die jeweils eingreifende Komponente - Polschuh oder Magnet - mehrere in die jeweils andere Komponente - Magnet oder Polschuh - eingreifende Eingriffsabschnitte umfasst, wobei jedem Eingriffsabschnitt quer zur Eingriffsrichtung auf zwei einander abgewandten Seiten gegenüberliegend jeweils ein Abschnitt der anderen Komponente - Magnet oder Polschuh - ange- ordnet ist. Die eingreifende Komponente, beispielsweise der Polschuh, kann insbesondere quer zur Eingriffsrichtung eine Mehrzahl von die Eingriffsabschnitte bildenden Vorsprüngen aufweisen. Die Vorsprünge können zwischen jeweilige Abschnitte der Magnete eingreifen. Dadurch kann die zweite Fläche an den Polschuhen wesentlichen größer gebildet werden als die erste Fläche und ein großer Überlapp der magnetischen Felder der Polschuhe und der Magnete erzielt werden.
Die jeweils eingreifende Komponente - Polschuh oder Magnet - ist von beiden Abschnitten der jeweils anderen Komponente - Magnet oder Polschuh - über den Luftspalt vorzugsweise gleich weit beabstandet.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Stator-Rotor-Vorrichtung ist es günstig, wenn die Polschuhe mit einem oder mehreren Eingriffsabschnitten in die Magnete eingreifen, wobei jedem Eingriffsabschnitt quer zur Eingriffsrichtung auf zwei einander abgewandten Seiten gegenüberliegend ein Abschnitt eines Magneten angeordnet ist. Die Polschuhe weisen beispielsweise einen Eingriffsabschnitt auf, dem an einander abgewandten Seiten jeweils ein Abschnitt des Magneten gegenüberliegt. Die Polschuhe können zum Beispiel auch zwei Eingriffsabschnitte aufweisen, denen jeweils Abschnitte des Magneten gegenüberliegen.
Es kann vorgesehen sein, dass Abschnitte der Magneten, die auf einander gegenüberliegenden Seiten eines Eingriffsabschnittes angeordnet sind, miteinander verbunden sind. Insbesondere sind die Abschnitte einstückig miteinander verbunden. Ein Magnet kann zwei Abschnitte umfassen oder bilden, die miteinander verbunden sind und zwischen denen ein Eingriffsabschnitt angeordnet ist. Die Abschnitte des Magneten sind beispielsweise an einem gemeinsamen Trägerkörper des Rotors oder des Stators gehalten.
Bei einer andersartigen vorteilhaften Ausführungsform der Stator- Rotor- Vorrichtung ist es günstig, wenn Abschnitte der Magneten, die auf einander gegenüberliegenden Seiten eines Eingriffsabschnittes angeordnet sind, getrennt voneinander gebildet sind . Unter einem Magneten wird dementsprechend vorliegend insbesondere auch eine Anordnung von Magneten verstanden, die zwei voneinander getrennte Abschnitte aufweist, zwischen denen ein Eingriffsabschnitt des Polschuhs angeordnet ist. Beispielsweise sind die Abschnitte des Magneten axial oder radial, bezogen auf eine Drehachse des Rotors, voneinander beabstandet, wobei ein Eingriffsabschnitt in den Zwischenraum zwischen den Abschnitten des Magneten eingreift. Die Abschnitte des Magneten können an mindestens einem Trägerkörper des Rotors oder Stators gehalten sein.
Als vorteilhaft erweist es sich bei einer Umsetzung der Stator- Rotor- Vorrichtung in der Praxis, wenn die getrennt voneinander gebildeten Abschnitte des Magneten an unterschiedlichen Trägerkörpern des Rotors oder Stators gehalten sind . Ein jeweiliger Abschnitt des Magneten kann an einem ersten Trägerkörper gehalten sein und der getrennt von diesem gebildete Abschnitt des Magneten an einem weiteren Trägerkörper. Beide Trägerkörper können drehfest miteinander verbunden sein.
Mindestens ein Trägerkörper des Rotors oder Stators bildet vorzugsweise einen magnetischen Rückschlusskörper, der mehrere Magnete miteinander verbindet.
Wie bereits erwähnt, kann auch vorgesehen sein, dass die Magnete mit einem oder mehreren Eingriffsabschnitten in die Polschuhe eingreifen, wobei jedem Eingriffsabschnitt quer zur Eingriffsrichtung auf zwei einander abgewandten Seiten gegenüberliegend ein Abschnitt eines Polschuhs angeordnet ist.
Vorzugsweise ist das Verhältnis der zweiten Fläche zur ersten Fläche gleich oder ungefähr gleich dem Verhältnis der magnetischen Flussdichte durch den Luftspalt zur magnetischen Flussdichte durch den Polkern.
Das Verhältnis der zweiten Fläche zur ersten Fläche beträgt mindestens ungefähr 3 : 1 und ist vorzugsweise größer, beispielsweise mindestens ungefähr 5 : 1 oder mindestens ungefähr 7 : 1. Günstig ist es, wenn die eingreifende Komponente - Polschuh oder Magnet - frei von Hinterschnitt in die jeweils andere Komponente - Magnet oder Polschuh - eingreift. Dies erleichtert beispielsweise die Montage der Vorrichtung . Der Polschuh und der Magnet können in der Eingriffsrichtung relativ zueinander bewegt werden, dass sie in einander eingreifen. Eine Bewegung quer zur Eingriffsrichtung ist nicht erforderlich. Dies erlaubt auch eine kompakte Bauform und kostengünstige Herstellung, da Hinterschnitte eingespart werden können.
Denkbar ist, dass die Polschuhe integral mit den Polkernen gebildet sind . Die Polschuhe können die Polkerne umfassen, und eine jeweilige Wicklung kann auf einen jeweiligen Polschuh aufgesteckt sein. Die Polschuhe können beispielsweise mit einem Rückschlusskörper verbunden sein, zum Beispiel einem Statorring des Stators.
Es kann alternativ oder ergänzend vorgesehen sein, dass die Polkerne integral mit einem Rückschlusskörper verbunden sind, zum Beispiel einem Statorring des Stators.
Als vorteilhaft erweist es sich beispielsweise bei der zuletzt genannten Ausführungsform, wenn die Polschuhe getrennt von den Polkernen gebildet und mit diesen verbunden sind.
Möglich ist es, dass die Polschuhe aus einem Material geringerer magnetischer Permeabilität gebildet sind als die Polkerne, oder wenn die Polschuhe ein Material geringerer magnetischer Permeabilität umfassen als die Polkerne.
Die Polkerne, beispielsweise zusammen mit einem Rückschlusskörper wie etwa einem Statorring, und/oder die Polschuhe sind vorzugsweise aus einem hoch- permeablen Material gefertigt. Es kommen beispielsweise pulverförmige Metallpartikel, etwa aus Weicheisen, mit einer elektrisch isolierenden Oberfläche, etwa einer Phosphatschicht, zum Einsatz. Die Partikel können in einem Pulver- press verfahren formgebend gepresst und bevorzugt anschließend zur Steigerung der Festigkeit wärmebehandelt werden. Zum Beispiel wird ein Soma- loy®-Material der Firma Höganäs verwendet.
Die Magnete sind bevorzugt aus einem Material gefertigt, das in eine Matrix eingebettete magnetische Partikel umfasst. Beispielsweise sind kostengünstige Ferritmagnetpartikel in die Matrix eingebettet.
Bevorzugt ist die Matrix eine Kunststoffmatrix. Dadurch ist insbesondere die Möglichkeit gegeben, die Magnete durch ein Spritzgussverfahren zu fertigen, wobei die magnetischen Partikel bereits während des Spritzgusses in die Matrix eingebettet sind . Dies ist von besonderem Vorteil, um Magnete selbst komplexer Geometrie zu formen. Insbesondere erlaubt dies, die Magnete herstellungstechnisch einfach und kostengünstig bereitzustellen.
Die Polschuhe können getrennt voneinander gebildet sein und mit einem jeweiligen Polkern verbunden sein, wobei in Umfangsrichtung einer Drehachse des Rotors benachbarte Polschuhe durch Luftspalte voneinander getrennt sind . Die Polschuhe sind zum Beispiel in Umfangsrichtung der Drehachse angeordnet. Benachbarte Polschuhe sind durch einen Luftspalt voneinander getrennt. Dieser weist sich als vorteilhaft für die Fertigung der Stator-Rotor-Vorrichtung, und bevorzugt kann unerwünschter Streufluss minimiert werden. Die Polschuhe können einzeln gefertigt und einzeln mit den Polkernen verbunden werden. Beispielsweise werden die Polschuhe radial oder axial mit den Polkernen verbunden.
Günstigerweise grenzen in Umfangsrichtung einer Drehachse des Rotors angeordnete Magnete spaltfrei aneinander an. Benachbarte Magnete, in Umfangsrichtung der Drehachse, können einander kontaktieren.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Stator-Rotor-Vorrichtung ist es günstig, wenn die Polschuhe und die Magnete radial ineinander eingreifen, bezogen auf eine vom Rotor definierte Drehachse. Beispielsweise greifen die Pol- schuhe in die Magnete ein. Abschnitte des Magneten, wie vorstehend erläutert, können dann axial voneinander beabstandet sein. Die Polschuhe können radial außenseitig und die Magnete radial innenseitig angeordnet sein oder umgekehrt.
Alternativ oder ergänzend kann vorgesehen sein, dass die Polschuhe und die Magnete axial ineinander eingreifen, bezogen auf eine vom Rotor definierte Drehachse. Beispielsweise greifen die Polschuhe axial in die Magnete ein. Die Abschnitte des Magneten, wie vorstehend erläutert, können radial voneinander beabstandet sein.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stator-Rotor- Vorrichtung umfasst der Stator die Polkerne und die Polschuhe und der Rotor die Magnete.
Der Stator weist beispielsweise einen Statorring auf, von dem die Polkerne radial abstehen, wobei die Polschuhe an den Polkernen festgelegt und radial in die Magnete eingreifen, wobei die Magnete drehfest an mindestens einem die Drehachse definierenden Trägerkörper des Rotors gehalten sind . Die Abschnitte eines jeweiligen Magnetes, die einen jeweiligen Eingriffsabschnitt eines Polschuhs an dessen abgewandten Seiten gegenüberliegen, sind insbesondere axial voneinander beabstandet.
Der mindestens eine Trägerkörper ist vorzugsweise eine Scheibe oder ein Ring oder umfasst eine(n) solche(n), die bzw. der eine Ebene quer zur Drehachse definiert und radial formschlüssig in von den Magneten gebildete Nuten eingreift. Die Magnete sind zum Beispiel über Umspritzen oder Verkleben an der Scheibe oder am Ring gehalten und dadurch drehfest mit dieser bzw. diesem verbunden.
Bei einer andersartigen vorteilhaften Ausführungsform der Stator- Rotor- Vorrichtung ist es günstig, wenn der Stator einen Statorring aufweist, von dem die Polkerne axial abstehen, wobei die Polschuhe an den Polkernen festgelegt sind und axial in die Magnete eingreifen, wobei die Magnete drehfest an mindestens einem die Drehachse definierenden Trägerkörper des Rotors gehalten sind . Die Abschnitte eines jeweiligen Magneten, die einem jeweiligen Eingriffsabschnitt eines Polschuhs an dessen einander abgewandten Seiten gegenüberliegen, sind insbesondere radial voneinander beabstandet.
Der mindestens eine Trägerkörper kann bei der zuletzt erwähnten vorteilhaften Ausführungsform vorzugsweise eine Scheibe oder einen Ring umfassen, die bzw. der eine Ebene quer zur Drehachse definiert, sowie einen konzentrisch zur Drehachse ausgerichteten Rand, wobei am Rand radial außenseitig und/oder radial innenseitig Magnete festgelegt sind . Der Rand ist vorzugsweise fest mit der Scheibe oder dem Ring verbunden, insbesondere einstückig.
Beispielsweise sind zwei konzentrische Trägerkörper unterschiedlichen Durchmessers vorgesehen, wobei radial außenseitig am Rand des Trägerkörpers geringeren Durchmessers und radial innenseitig am Rand des Trägerkörpers größeren Durchmessers jeweils ein Abschnitt eines Magneten festgelegt ist und wobei der Polschuh zwischen die Abschnitte eingreift. Die Abschnitte sind Bestandteile eines Magneten, in denen ein Polschuh eingreift. Die Abschnitte können, wie vorstehend erläutert, getrennt voneinander gebildet sein oder miteinander verbunden sein. Die beiden Trägerkörper können vorzugsweise drehfest miteinander verbunden sein.
Es kann auch vorgesehen sein, dass drei konzentrische Trägerkörper unterschiedlichen Durchmessers vorgesehen sind, wobei radial außenseitig am Rand des Trägerkörpers geringsten Durchmessers und radial innenseitig am Rand des Trägerkörpers größten Durchmessers jeweils ein Abschnitt eines Magneten festgelegt ist und wobei radial innenseitig und außenseitig am Rand des Trägerkörpers mittleren Durchmessers jeweils ein Abschnitt eines Magneten festgelegt ist und wobei ein jeweiliger Eingriffsabschnitt des Polschuhs zwischen zwei einander gegenüberliegende Abschnitte eingreift. Bei einer derartigen Ausführungsform kann der Magnet insbesondere vier Abschnitte umfassen, die radial voneinander beabstandet sind . Die Abschnitte können getrennt von- einander gebildet sein oder miteinander verbunden sein. Zwischen die beiden radial inneren Abschnitte greift ein Eingriffsabschnitt des Polschuhs ein und zwischen die beiden radial äußeren Abschnitte greift ebenfalls ein Eingriffsabschnitt des Polschuhs ein.
Der oder die Trägerkörper bei den vorstehend erwähnten vorteilhaften Ausführungsformen dient/dienen insbesondere als magnetische(r) Rückschlusskörper und ist/sind bevorzugt aus einem weichmagnetischen Material gefertigt. Über die Halterung der Magnete hinaus kann der mindestens eine Trägerkörper zugleich eine Funktion als Rückschlusskörper ausüben.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Stator-Rotor-Vorrichtung umfasst der Rotor die Polkerne und die Polschuhe und der Stator die Magnete.
Der Rotor ist insbesondere ein Innenrotor, der vom Stator umgeben ist.
Der Rotor kann auch ein Außenrotor sein, der den Stator umgibt.
Die nachfolgende Beschreibung vorteilhafter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung . Es zeigen :
Fig. 1 : eine erste vorteilhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Stator-Rotor-Vorrichtung in einer Explosionsdarstellung;
Fig. 2 : eine Draufsicht auf die Stator-Rotor-Vorrichtung aus Fig. 1;
Fig. 3 : eine Schnittansicht längs der Linie 3-3 in Fig . 2;
Fig. 4: eine vergrößerte Darstellung von Detail A in Fig. 3;
Fig. 5 : eine zweite bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Stator-Rotor-Vorrichtung in einer Explosionsdarstellung; Fig. 6: eine Schnittansicht der Stator-Rotor-Vorrichtung aus Fig. 5;
Fig. 7 : eine vergrößerte Darstellung von Detail B in Fig . 6;
Fig. 8: eine Draufsicht auf einen Rotor der Stator-Rotor-Vorrichtung,
bei die Blickrichtung längs der Linie 8-8 in Fig . 6 gewählt ist;
Fig. 9 : eine dritte bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Stator-Rotor-Vorrichtung in einer Explosionsdarstellung;
Fig. 10 : eine Schnittansicht der Stator-Rotor-Vorrichtung aus Fig. 9;
Fig. 11 : eine vergrößerte Darstellung von Detail C in Fig. 10 und
Fig. 12 : eine Draufsicht auf einen Rotor der Stator-Rotor-Vorrichtung, wobei die Blickrichtung längs der Linie 12-12 in Fig . 10 gewählt ist.
Die Fig . 1 bis 4 zeigen eine mit dem Bezugszeichen 10 belegte, erste vorteilhafte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Stator-Rotor-Vorrichtung, nachfolgend Vorrichtung 10. Die Vorrichtung 10 kommt insbesondere bei einem Elektromotor zum Einsatz.
Die Vorrichtung 10 umfasst einen Stator 12 und einen Rotor 14. Der Rotor 14 umfasst einen Trägerkörper 16, der vorliegend ausgestaltet ist als Scheibe 18. Die Scheibe 18 definiert eine Ebene und eine Drehachse 20 des Rotors 14. "Radial" und "axial" sind vorliegend auf die Drehachse 20 bezogen aufzufassen.
Weiter umfasst der Rotor 14 eine Mehrzahl von Magneten 22. Es sind beispielsweise, wie vorliegend, sechs Magnete 22 vorgesehen. Die Magnete 22 sind vorliegend vorzugsweise Spritzgussmagnete. Die Spritzgussmagnete umfassen in eine Matrix, beispielsweise aus einem Kunststoffmaterial, eingebette- te magnetische Partikel, beispielsweise Ferritmagnetpartikel . Die Magnete können dadurch kostengünstig und herstellungstechnisch einfach gefertigt und insbesondere geformt werden. Vorzugsweise sind die Partikel homogen in der Matrix verteilt.
Die Magnete 22 sind radial außenseitig an der Scheibe 18 angeordnet und drehfest mit dieser verbunden. Zu diesem Zweck weisen die Magnete 22 jeweils eine Ausnehmung in Gestalt einer Nut 24 auf. Die Scheibe 18 greift formschlüssig in die Nut 24 ein, und die Magnete 22 sind fest mit der Scheibe 18 verbunden, beispielsweise durch Verklebung oder Umspritzen. In Umfangs- richtung der Drehachse 20 grenzen benachbarte Magnete 22 aneinander an.
Die Magnete 22 sind von identischer Form, wobei benachbarte Magnete entgegengesetzt magnetisiert sind. Beispielsweise weisen die in der Zeichnung durch Punktierung markierten Magnete 22 axial obenseitig und untenseitig an den den nachfolgend erwähnten Rückschlusskörpern 25 zugewandten Flächen und an der der Scheibe 18 zugewandten Fläche einen magnetischen Nordpol auf. Den nachfolgend erwähnten Eingriffsabschnitten 48 in den Nuten 26 zugewandt können die Magnete 22 magnetische Südpole aufweisen. Die Polarität bei den nicht punktierten Magneten 22 ist umgekehrt.
Die Scheibe 18 dient über die Halterung für die Magnete 22 hinaus auch als magnetischer Rückschlusskörper und ist zu diesem Zweck aus einem weichmagnetischen Material gefertigt. Für den magnetischen Rückschluss sind ferner zwei Rückschlusskörper aus einem weichmagnetischen Material vorhanden, die beispielsweise als Ringe 25 ausgestaltet sind (in Fig . 2 nicht gezeigt). Die Ringe 25 sind beispielsweise an jeweiligen axialen Endflächen der Magnete 22 festgelegt.
Radial außenseitig sind an jedem Magnet 22 zwei Ausnehmungen in Gestalt von radialen Nuten 26 angeordnet. Die Nuten verlaufen in Umfangsrichtung der Drehachse 20. Jede Nut 26 weist einen Nutboden 28 auf und Wände 30, 32. Die Wände 30, 32 jeder Nut 26 sind axial und damit quer zur radialen Richtung voneinander beabstandet.
Die Wände 30, 32 bilden Abschnitte 34 bzw. 36 des Magneten 22. Vorliegend sind alle Abschnitte 34, 36 miteinander verbunden. Der Magnet 22 weist dadurch eine im Querschnitt doppelt-U-förmige oder W-förmige Gestalt auf. Der Magnet 22 ist wie in der Zeichnung gezeigt beispielsweise einstückig gebildet. Die Abschnitte 34 und 36 könnten jedoch auch, wie bei den Magneten 80 und 118 der nachfolgend erläuterten Vorrichtungen 60 und 90, getrennt voneinander sein.
Je eine Nut 26 mit den entsprechenden Wänden 30, 32 ist oberhalb bzw. unterhalb der Ebene der Scheibe 18 angeordnet.
Der Rotor 14 ist vorliegend ein Innenrotor, welchen der Stator 12 außenseitig umgibt. Der Stator 12 umfasst einen Statorring 38. Vom Statorring 38 stehen radial nach innen mehrere Polkerne 40 ab. Vorliegend sind beispielsweise neun Polkerne 40 vorgesehen.
Jedem Polkern 40 ist eine Wicklung 42 zugeordnet, die den jeweiligen Polkern 40 umgibt. Durch Bestromen der Wicklungen 42 können die Polkerne 40 mag- netisiert werden.
Vorzugsweise ist der Statorring 38 mit den Polkernen 40 einstückig aus einem formgebend gepressten pulverförmigen metallischen Material gefertigt, wobei die einzelnen Partikel mit einer elektrisch isolierenden Schicht überzogen sind . Beispielsweise wird ein Somaloy®-Material der Firma Höganäs verwendet. Dies gibt die Möglichkeit, in den Polkernen 40 hohe magnetische Felder aufzubauen. Außerdem kann die Geometrie des Stators 12 sehr gut an den Verlauf des magnetischen Flusses angepasst werden.
Der Stator 12 umfasst ferner Polschuhe 44, die auf die gleiche Weise mittels eines Pulverpressverfahrens gefertigt sind wie der Statorring 38 zusammen mit den Polkernen 40. Die Polschuhe 44 sind identisch gebildet. Jedem Polkern 40 ist ein Polschuh 44 zugeordnet, so dass vorliegend neun Polschuhe 44 vorhanden sind .
Die Polschuhe 44 sind radial innenseitig bezüglich der Polkerne 40 angeordnet, wobei jeder Polschuh 44 mit dem ihm zugeordneten Polkern 40 verbunden ist. Der Polschuh 44 ist getrennt vom Polkern 40 gebildet und mit diesem verbunden.
Bei einer andersartigen Ausführungsform könnten auch die Polschuhe die Polkerne umfassen und mit dem Statorring verbunden sein. Denkbar ist auch eine einteile Verbindung der Polkerne, der Polschuhe und des Statorringes.
In Umfangsrichtung der Drehachse 20 sind benachbarte Polschuhe 44 voneinander durch einen Luftspalt getrennt, so dass sie nicht aneinander angrenzen. Dies erleichtert die Montage der Polschuhe 44 und verringert unerwünschten Streufluss.
Die Polschuhe 44 weisen eine im Querschnitt U-förmige Gestalt auf. Sie umfassen zwei axial voneinander beabstandete leistenförmige Vorsprünge 46. Jeder Vorsprung 46 ist radial nach innen gerichtet und verläuft in Umfangsrichtung der Drehachse 20. Die Vorsprünge 46 bilden jeweils einen Eingriffsabschnitt 48 zum Eingreifen in die Nuten 26. Jeder Eingriffsabschnitt 48 greift in einer Eingriffsrichtung 49 in eine Nut ein. Die Eingriffsrichtung 49 ist vorliegend radial ausgerichtet.
Jeder Eingriffsabschnitt 48 weist eine erste Seite 50 auf, die einem jeweiligen Abschnitt 34 des Magneten 22 zugewandt ist. Der Abschnitt 34 liegt dementsprechend der ersten Seite 50 gegenüber. Ferner weist jeder Eingriffsabschnitt 48 eine zweite Seite 52 auf. Die zweite Seite 52 ist der ersten Seite 50 abgewandt. Der zweiten Seite liegt einem jeweiligen Abschnitt 36 des Magneten 22 gegenüber. Dem jeweiligen Eingriffsabschnitt 48 zugewandt sind die Abschnitte 34, 36 von gleicher magnetischer Polarität. Im Ergebnis ist quer zur Eingriffsrichtung 49 auf einander gegenüberliegenden (axialen) Seiten 50, 52 jedes Eingriffsabschnittes 48 jeweils ein Abschnitt 34, 36 des Magneten 22 angeordnet, wenn der Polschuh 44 in den Magneten 22 eingreift. Zwischen dem Polschuh 44 und dem Magneten 22 ist ein Luftspalt 58 gebildet, der vom magnetischen Fluss durchsetzt wird, wenn der Polschuh 44 und der Magnet 22 zusammenwirken.
Die Polschuhe 44 weisen eine, dem jeweiligen Polkern 40 zugewandte erste Fläche 54 auf. Ferner weisen die Polschuhe 44 jeweils eine zweite Fläche 56 auf, die dem jeweiligen Magneten 22 zugewandt ist. Durch den Eingriff der Polschuhe 44 in die Magneten 22 ist die Möglichkeit gegeben, die zweite Fläche 56 wesentlich größer auszubilden als die erste Fläche 54. Dies hat den Vorteil, dass ein großer Überlapp zwischen den Magnetfeldern der Polschuhe 44 und der Magnete 22 erzielt werden kann. Von Vorteil ist dabei eine schmale Ausgestaltung des Luftspaltes 58.
Obwohl bei der Vorrichtung 10 die kostengünstigen Magnete 22 zum Einsatz kommen, die eine relativ niedrige magnetische Flussdichte über den Luftspalt 58 bereitstellen, kann an der Fläche 54 eine hohe magnetische Flussdichte erzeugt werden. Die Polkerne 40 können auf diese Weise bis oder nahezu bis in den Bereich der Sättigungsmagnetisierung betrieben werden. Zugleich wird eine kompakte Bauform der Vorrichtung 10 erzielt.
Der magnetische Fluss durch den Luftspalt 58 durchsetzt nicht nur axial die Seiten 50, 52. Die zweite Fläche 56 umfasst auch die ebenfalls vom magnetischen Fluss durchsetzten radialen Mantelflächen der Polschuhe 44 an den Eingriffsabschnitten 48 und zwischen diesen. Gegenüber einem herkömmlichen Zylindermotor, der lediglich radiale Mantelflächen aufweist, erlaubt der Eingriff der Polschuhe 44 in die Nuten 26 eine Vergrößerung der Fläche 56 an den Seiten 50, 52 in axialer Richtung bei kompakterer Bauform. Als vorteilhaft erweist es sich hierbei, dass die Magnete 22 durch das Spritzgussverfahren und die Polschuhe 44 durch das Pulverpressverfahren trotz kostengünstiger Herstellung sehr passgenau gefertigt werden können. Durch einen schmalen Luftspalt 58 erfolgt zudem eine bessere Bündelung des magnetischen Flusses zwischen den Polschuhen 44 und den Magneten 22. Streuverluste können dadurch vorzugsweise minimiert werden. Im Ergebnis erhält man trotz geringer magnetischer Flussdichte im Luftspalt 58 eine hohe Flussdichte durch die Fläche 54 und im Polkern 40.
Nachfolgend wird unter Verweis auf die Fig . 5 bis 8 bzw. 9 bis 12 auf zwei weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Stator- Rotor- Vorrichtung Bezug genommen, deren wesentliche Unterschiede zur Vorrichtung 10 erläutert werden. Für gleiche oder gleichwirkende Merkmale und Bauteile der drei hier vorgestellten vorteilhaften Ausführungsformen werden weitgehend identische Bezugszeichen benutzt. Die im Zusammenhang mit der Vorrichtung 10 erläuterten Vorteile können mit den nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen ebenfalls erzielt werden.
Die Fig . 5 bis 8 zeigen eine Stator-Rotor-Vorrichtung 60. Der Stator 12 umfasst den Statorring 38. Vom Statorring 38 stehen axial eine Mehrzahl von Polkernen 40 ab. Vorliegend sind ebenfalls neun Polkerne 40 vorgesehen. Den Polkernen 40 ist jeweils eine Wicklung 42 zugeordnet. Der Statorring 38 ist mit dem Polkernen 40 einstückig durch das erwähnte Pulverpressverfahren gefertigt, ebenso wie die Polschuhe 44.
Der Stator 12 umfasst ferner eine Mehrzahl von Polschuhen 44. Jedem Polkern 40 ist ein Polschuh 44 zugeordnet, so dass dementsprechend neun Polschuhe 44 vorhanden sind . Die Polschuhe 44 sind wie bei der Vorrichtung 10 getrennt von den Polkernen 40 gebildet und mit diesen an der jeweiligen ersten Fläche 54 verbunden. In Umfangsrichtung der Drehachse 20 sind benachbarte Polschuhe 44 voneinander durch einen Luftspalt getrennt. Jeder Polschuh 44 umfasst einen Sockelabschnitt 62, der dem Polkern 40 zugewandt ist. Vom Sockelabschnitt 62 steht axial ein Eingriffsabschnitt 64 ab. Der Eingriffsabschnitt 64 ist ausgestaltet als axial erstreckte Leiste, die eine Krümmung in Umfangsrichtung der Drehachse 20 aufweist.
Der Rotor 14 umfasst zwei Trägerkörper 66, 68. Der Durchmesser des Trägerkörpers 66 ist kleiner als der Durchmesser des Trägerkörpers 68. Jeder Trägerkörper 66, 68 weist eine Scheibe 70 bzw. 72 auf sowie einen Rand 74 bzw. 76. Die von den Scheiben 70, 72 definierten Ebenen sind senkrecht zur Drehachse 20 ausgerichtet. Die Scheiben 70, 72 sind drehfest miteinander verbunden und, ebenso wie die Ränder 74, 76, konzentrisch zueinander ausgerichtet.
Der Rand 74 ist radial außenseitig an der Scheibe 70 angeordnet und erstreckt sich weg von dieser in axialer Richtung . In entsprechender Weise ist der Rand 76 radial außenseitig an der Scheibe 72 angeordnet und erstreckt sich in axialer Richtung von dieser weg. Die Ränder 74, 76 sind axial in gleicher Richtung orientiert. Zwischen den Rändern 74, 76 ist dadurch ein Ringraum 78 angeordnet, über den die Ränder 74, 76 voneinander beabstandet sind .
Der Rotor 14 umfasst eine Mehrzahl von Magneten 80. Vorliegend sind sechs Magnete 80 vorgesehen. Vorzugsweise sind die Magnete 80 wie die Magnete 22 kostengünstig und herstellungstechnisch einfach durch ein Spritzgussverfahren gefertigt. Die Magnete sind von identischer Form, wobei in Umfangsrichtung der Drehachse 20 benachbarte Magnete 80 entgegengesetzt magneti- siert sind. In Umfangsrichtung benachbarte Magnete grenzen aneinander an.
Jeder Magnet 80 umfasst einen Abschnitt 82, der radial außenseitig am Rand 74 drehfest festgelegt ist. Der jeweilige Magnet 80 umfasst ferner einen Abschnitt 84, der radial innenseitig am Rand 76 drehfest festgelegt ist. Dementsprechend umfasst jeder Magnet 80 zwei radial voneinander beabstandete, nicht miteinander verbundene Abschnitte 82, 84 (Fig. 8). Insgesamt sind somit sechs Abschnitte 82 und sechs diesen zugeordnete Abschnitte 84 vorgesehen. Dem Ringraum 78 zugewandt weisen die Abschnitte 82, 84 eine identische magnetische Polarität auf, beispielsweise bei den durch Punktierung gekennzeichneten Magneten 80 einen magnetischen Südpol. Den Rändern 74, 76 zugewandt weisen die Magnete 80 dann beispielsweise einen Nordpol auf. Bei den benachbarten Magneten 80 ist die Polarität umgekehrt.
Die Abschnitte 82, 84 könnten bei der Vorrichtung 60 anstellte voneinander getrennter Ausgestaltung miteinander verbunden sein. Beispielsweise könnten die Magnete 80 ein U-förmiges Profil aufweisen.
Die Trägerkörper 66, 68 bilden magnetische Rückschlusskörper und sind vorzugsweise auf einem weichmagnetischen Material gefertigt.
Der Eingriffsabschnitt 64 eines Polschuhs 44 greift axial in einen Magneten 80 ein. Die Eingriffsrichtung 49 ist im Falle der Vorrichtung 60 daher axial ausgerichtet. Quer zur Eingriffsrichtung, in radialer Richtung, sind die Abschnitte 82, 84 an einander gegenüberliegenden Seiten des Eingriffsabschnittes 64 angeordnet. Die Seiten 50, 52 sind einander abgewandt am Eingriffsabschnitt 64 angeordnet. Der Abschnitt 82 ist der ersten Seite 50 zugewandt und der Abschnitt 84 der zweiten Seite 52.
Der Luftspalt 58 zwischen dem Polschuh 44 und dem Magneten 80 kann beiderseits des Eingriffsabschnittes 64 schmal gehalten werden. Die zweite Fläche 56 ist auch bei der Vorrichtung 60 wesentlich größer als die erste Fläche 54. Selbst bei Verwendung von kostengünstigen, durch ein Spritzgussverfahren hergestellten Magneten 80 und der damit eher geringen magnetischen Flussdichte im Luftspalt 58 kann an der Fläche 54 eine hohe magnetische Flussdichte bereitgestellt werden. Auch bei der Vorrichtung 60 können die Polkerne 40 bis oder nahezu bis in den Bereich der Sättigungsmagnetisierung betrieben werden. Außerdem wird eine kompakte Bauform der Vorrichtung 60 erzielt. Zusätzlich können die Polschuhe 44 kostengünstig hergestellt und damit die Vorrichtung 60 kostengünstig gefertigt werden.
Die Fig . 9 bis 12 zeigen eine mit dem Bezugszeichen 90 belegte erfindungsgemäße Stator-Rotor-Vorrichtung.
Der Statorring 38 und die Polkerne 40 sind bei der Vorrichtung 90 identisch zur Vorrichtung 60 ausgestaltet, so dass diesbezüglich auf voranstehende Erläuterungen verwiesen werden kann.
Die Polschuhe 44 stehen von den Polkernen 40 wie bei der Vorrichtung 60 axial ab und sind getrennt von den Polkernen 40 gebildet. Die Polschuhe 44 sind durch das bereits erwähnte Pulverpressverfahren gefertigt. Über die erste Fläche 54 sind die Polschuhe 44 mit den Polkernen 40 verbunden. Die Polschuhe 44 weisen einen Sockelabschnitt 92 auf und zusätzlich von diesem zwei axial abstehende Eingriffsabschnitte 94. Die Eingriffsabschnitte 94 sind radial voneinander beabstandet und als axial erstreckte Leisten ausgestaltet. In Um- fangsrichtung der Drehachse 20 sind die Eingriffsabschnitte 94 wie der Eingriffsabschnitt 64 gekrümmt.
Vorliegend sind insgesamt neun Polschuhe 44 vorhanden, die in Umfangsrich- tung der Drehachse 20 durch einen jeweiligen Luftspalt voneinander getrennt sind .
Der Rotor 14 bei der Vorrichtung 90 umfasst drei konzentrische Trägerkörper 96, 98 und 100. Die Trägerkörper 96, 98, 100 weisen eine jeweilige Scheibe 102, 104 bzw. 106 auf, die radial außenseitig mit einem jeweiligen Rand 108, 110 bzw. 112 verbunden sind . Der Aufbau der Trägerkörper 96, 98, 100 entspricht demjenigen der Trägerkörper 66, 68 bei der Vorrichtung 60. Die Trägerkörper 96, 98 und 100 bilden magnetische Rückschlusskörper wie die Trägerkörper 66, 68 bei der Vorrichtung 60 und sind vorzugsweise aus einem weichmagnetischen Material gefertigt. Der Durchmesser des Trägerkörpers 96 ist am geringsten und derjenige des Trägerkörpers 100 am größten. Der Trägerkörper 98 ist der Trägerkörper mit dem mittleren Durchmesser.
Alle Ränder 108, 110, 112 stehen von der jeweiligen Scheibe 102, 104 bzw. 106 axial ab und sind in gleicher Richtung gerichtet. Zwischen den Rändern 108, 110 ist ein Ringraum 114 gebildet und zwischen den Rändern 110 und 112 ein Ringraum 116.
Der Rotor 14 umfasst eine Mehrzahl von Magneten 118. Vorliegend sind sechs Magnete 118 vorgesehen, die jeweils vier, getrennt voneinander und radial beabstandete Abschnitte 120, 122, 124 und 126 aufweisen. Die Magnete 118 sind von identischer Form, wobei in Umfangsrichtung der Drehachse 20 benachbarte Magnete 118 entgegengesetzt magnetisiert sind. Die Magnete 118 sind bevorzugt wie die Magnete 22 kostengünstig und herstellungstechnisch einfach durch ein Spritzgussverfahren gefertigt.
Die Abschnitte 120 sind radial außenseitig am Rand 108 drehfest festgelegt. Die Abschnitte 120, 122 sind radial innenseitig bzw. radial außenseitig am Rand 110 drehfest festgelegt und die Abschnitte 124 radial innenseitig am Rand 112. Dementsprechend setzt sich auch bei der Vorrichtung 90 ein jeweiliger Magnet 118 aus mehreren Abschnitten 120 bis 124 zusammen.
Den Ringräumen 114 bzw. 116 zugewandt weisen die Abschnitte 120 und 122 bzw. die Abschnitte 124 und 126 dieselbe magnetische Polarität auf, beispielsweise einen magnetischen Südpol. Den Rändern 108, 110 bzw. 112 zugewandt weisen der Abschnitt 120, die Abschnitte 122 und 124 bzw. der Abschnitt 126 dann einen magnetischen Nordpol auf. Die magnetische Polarität der benachbarten Magnete 118 ist genau umgekehrt.
Die Eingriffsabschnitte 94 greifen axial in den Magneten 118 ein. Die Eingriffsrichtung 49 ist bei der Vorrichtung 90 daher axial ausgerichtet. Insbesondere greift der radial innenseitige Eingriffsabschnitt 94 zwischen die Abschnitte 120, 122 ein. Der Abschnitt 120 ist der ersten Seite 50 und der Abschnitt 122 der zweiten Seite 52 des radial innenseitigen Eingriffsabschnittes 94 zugewandt. Die Abschnitte 120, 122 sind in radialer Richtung quer zur Eingriffsrichtung 49 auf gegenüberliegenden Seiten des Eingriffsabschnittes 94 angeordnet.
In entsprechender Weise ist der Abschnitt 124 der ersten Seite 50 des radial außenseitig angeordneten Eingriffsabschnittes 94 zugewandt und der zweite Abschnitt 126 der zweiten Seite 52 des radial außenseitig angeordneten Eingriffsabschnittes 94. Die Abschnitte 124, 126 sind in radialer Richtung quer zur Eingriffsrichtung 49 auf gegenüberliegenden Seiten des Eingriffsabschnittes 94 angeordnet.
Der Eingriff der Polschuhe 44 in die Magneten 118 bei der Vorrichtung 90 ähnelt dem Eingriff der Polschuhe 44 in die Magneten 22 bei der Vorrichtung 10. Die Unterschiede bestehen zum einen in dem radialen Eingriff bei der Vorrichtung 10 und im axialen Eingriff bei der Vorrichtung 90. Bei der Vorrichtung 90 sind die Abschnitte 120 bis 126 getrennt voneinander gebildet, wohingegen der Magnet 22 bei der Vorrichtung 10 einstückig ist. Ferner sind die Abschnitte 120 und 122 sowie 124 und 126 nicht miteinander verbunden, wobei die entsprechende Verbindung bei den Abschnitten 34, 36 über den Nutboden 28 erfolgt.
Es könnte bei der Vorrichtung 90 jedoch vorgesehen sein, die Abschnitte 122 und 124 miteinander zu verbinden oder alle Abschnitte 120 bis 126 miteinander zu verbinden. Insbesondere kann auch der Magnet 118 einstückig gebildet sein.
Auch bei der Vorrichtung 90 wird der Luftspalt 58 zwischen den Polschuhen 44 und den Magneten 118 bevorzugt schmal gehalten. Die zweite Fläche 56 ist wesentlich größer als die erste Fläche 54. Selbst bei Verwendung von kostengünstigen, durch ein Spritzgussverfahren hergestellten Magneten 118 und der damit eher geringen magnetischen Flussdichte im Luftspalt 58 kann an der Fläche 54 eine hohe magnetische Flussdichte bereitgestellt werden. Auch bei der Vorrichtung 90 können die Polkerne 40 bis oder nahezu bis in den Bereich der Sättigungsmagnetisierung betrieben werden. Außerdem wird eine kompakte Bauform der Vorrichtung 90 erzielt.
Zusätzlich kann die Vorrichtung 90 über eine kostengünstige Fertigung der Polschuhe 44 kostengünstig hergestellt werden.
Bezugszeichenliste
10 Stator-Rotor-Vorrichtung
12 Stator
14 Rotor
16 Trägerkörper
18 Scheibe
20 Drehachse
22 Magnet
24 Nut
25 Ring
26 Nut
28 Nutboden
30 Wand
32 Wand
34 Abschnitt
36 Abschnitt
38 Statorring
40 Polkern
42 Wicklung
44 Polschuh
46 Vorsprung
48 Eingriffsabschnitt
49 Eingriffsrichtung
50 erste Seite
52 zweite Seite
54 erste Fläche
56 zweite Fläche
58 Luftspalt
60 Stator-Rotor-Vorrichtung
62 Sockelabschnitt
64 Eingriffsabschnitt Trägerkörper
Trägerkörper
Scheibe
Scheibe
Rand
Rand
Ringraum
Magnet
Abschnitt
Abschnitt
Stator-Rotor-Vorrichtung
Sockelabschnitt
Eingriffsabschnitt
Trägerkörper
Trägerkörper
Trägerkörper
Scheibe
Scheibe
Scheibe
Rand
Rand
Rand
Ringraum
Ringraum
Magnet
Abschnitt
Abschnitt
Abschnitt
Abschnitt

Claims

PATENTANSPRÜCHE
Stator-Rotor-Vorrichtung für eine elektrische Maschine, insbesondere einen Elektromotor, umfassend einen Stator (12) und einen Rotor (14), wobei die Stator-Rotor-Vorrichtung (10; 60; 90) mit Wicklungen (42) versehene Polkerne (40), diesen zugeordnete Polschuhe (44) und Magnete (22; 80; 118) aufweisen, wobei die Polschuhe (44) über eine erste Fläche (54) mit einem jeweiligen Polkern (40) verbunden sind und eine zweite Fläche (56) aufweisen, die den Magneten (22; 80; 118) zugewandt ist, und wobei die Polschuhe (44) mit den Magneten (22; 80; 118) magnetisch zusammenwirken und von diesen über einen Luftspalt (58) getrennt sind, d a d u rch g e ke n n ze i ch n et, dass die Polschuhe (44) und die Magnete (22; 80; 118) in einer Eingriffsrichtung (49) derart ineinander eingreifen, dass der jeweils eingreifenden Komponente - Polschuh (44) oder Magnet (22; 80; 118) - quer zur Eingriffsrichtung (49) auf zwei einander abgewandten Seiten (50, 52) gegenüberliegend jeweils ein Abschnitt (34, 36; 82, 84; 120, 122, 124, 126) der anderen Komponente - Magnet (22; 80; 118) oder Polschuh (44) - angeordnet ist, und dass die zweite Fläche (56) größer als die erste Fläche (54) ist.
Stator-Rotor-Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils eingreifende Komponente - Polschuh (44) oder Magnet (22; 80; 118) - mehrere in die jeweils andere Komponente - Magnet (22; 890; 118) oder Polschuh (44) - eingreifende Eingriffsabschnitte (48; 64; 94) umfasst, wobei jedem Eingriffsabschnitt (48; 64; 94) quer zur Eingriffsrichtung (49) auf zwei einander abgewandten Seiten (52, 50) gegenüberliegend jeweils ein Abschnitt (34, 36; 82, 84; 120, 122, 124, 126) der anderen Komponente - Magnet (22; 80; 118) oder Polschuh (44) - angeordnet ist.
Stator-Rotor-Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweils eingreifende Komponente - Polschuh (44) oder Magnet (22; 80; 118) - von beiden Abschnitten (34, 36; 82, 84; 120, 122, 124, 126) der jeweils anderen Komponente - Magnet (22; 80; 118) oder Polschuh (44) - über den Luftspalt (58) gleich weit beabstandet ist.
Stator-Rotor-Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polschuhe (44) mit einem oder mehreren Eingriffsabschnitten (48; 64; 94) in die Magnete (22; 80; 118) eingreifen, wobei jedem Eingriffsabschnitt (48; 64; 94) quer zur Eingriffsrichtung (49) auf zwei einander abgewandten Seiten (50, 52) gegenüberliegend ein Abschnitt (34, 36; 82, 84; 120, 122, 124, 126) eines Magneten (22; 80; 118) angeordnet ist.
Stator-Rotor-Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Abschnitte (34, 36) der Magneten (22), die auf einander gegenüberliegenden Seiten (50, 52) eines Eingriffsabschnittes (48) angeordnet sind, miteinander verbunden sind.
Stator-Rotor-Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Abschnitte (82, 84; 120, 122, 124, 126) der Magneten (80; 118), die auf einander gegenüberliegenden Seiten (50, 52) eines Eingriffsabschnittes (64; 94) angeordnet sind, getrennt voneinander gebildet sind.
Stator-Rotor-Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die getrennt voneinander gebildeten Abschnitte (82, 84; 120, 122, 124, 126) der Magnete (80; 118) an unterschiedlichen Trägerkörpern (66, 68; 96, 98, 100) des Rotors (14) oder Stators (12) gehalten sind .
Stator-Rotor-Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der zweiten Fläche (56) zur ersten Fläche (54) mindestens ungefähr 3 : 1 beträgt und vorzugsweise größer ist.
9. Stator-Rotor-Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die eingreifende Komponente - Polschuh (44) oder Magnet (22; 80; 118) - frei von Hinterschnitt in die jeweils andere Komponente - Magnet (22; 80; 118) oder Polschuh (44) - eingreift.
10. Stator-Rotor-Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polschuhe (44) getrennt von den Polkernen (40) gebildet und mit diesen verbunden sind.
11. Stator-Rotor-Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polschuhe (44) aus einem Material geringerer magnetischer Permeabilität gebildet sind als die Polkerne (40) oder ein Material geringerer magnetischer Permeabilität umfassen als die Polkerne (40).
12. Stator-Rotor-Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnete (22; 80; 118) aus einem Material gefertigt sind, das in eine Matrix eingebettete magnetische Partikel umfasst.
13. Stator-Rotor-Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix eine Kunststoff matrix ist.
14. Stator-Rotor-Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polschuhe (44) getrennt voneinander gebildet sind und mit einem jeweiligen Polkern (40) verbunden sind, wobei in Umfangsrichtung einer Drehachse (20) des Rotors (14) benachbarte Polschuhe (44) durch Luftspalte voneinander getrennt sind.
15. Stator-Rotor-Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Umfangsrichtung einer Drehachse (20) des Rotors (14) angeordnete Magnete (22; 80; 118) spaltfrei aneinander angrenzen.
16. Stator-Rotor-Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polschuhe (44) und die Magnete (22) radial ineinander eingreifen, bezogen auf eine vom Rotor (14) definierte Drehachse (20).
17. Stator-Rotor-Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Polschuhe (44) und die Magnete (80; 118) axial ineinander eingreifen, bezogen auf eine vom Rotor (14) definierte Drehachse (20).
18. Stator-Rotor-Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (12) die Polkerne (40) und die Polschuhe (44) umfasst und dass der Rotor (14) die Magnete (22; 80; 118) umfasst.
19. Stator-Rotor-Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (12) einen Statorring (38) aufweist, von dem die Polkerne (40) radial abstehen, wobei die Polschuhe (44) an den Polkernen (40) festgelegt sind und radial in die Magnete (22) eingreifen, wobei die Magnete (22) drehfest an mindestens einem die Drehachse (20) definierenden Trägerkörper (16) des Rotors (14) gehalten sind .
20. Stator-Rotor-Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Trägerkörper (16) eine Scheibe (18) oder ein Ring ist oder eine(n) solche(n) umfasst, die bzw. der eine Ebene quer zur Drehachse (20) definiert und radial formschlüssig in von den Magneten (20) gebildete Nuten (24) eingreift.
21. Stator-Rotor-Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (12) einen Statorring (38) aufweist, von dem die Polkerne (40) axial abstehen, wobei die Polschuhe (44) an den Polkernen (40) festgelegt sind und axial in die Magnete (80; 118) eingreifen, wobei die Magnete (80; 118) drehfest an mindestens einem die Drehachse (20) definierenden Trägerkörper (66, 68; 96, 98, 100) des Rotors (14) gehalten sind.
22. Stator-Rotor-Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Trägerkörper (66, 68; 96, 90, 100) eine Scheibe (102, 104, 106) oder einen Ring umfasst, die bzw. der eine Ebene quer zur Drehachse (20) definiert, sowie einen konzentrisch zur Drehachse (20) ausgerichteten Rand (74, 76; 108, 110, 112), wobei am Rand (74, 76; 108, 110, 112) radial außenseitig und/oder radial innenseitig Magnete (80; 118) festgelegt sind.
23. Stator-Rotor-Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass zwei konzentrische Trägerkörper (66, 68) unterschiedlichen Durchmessers vorgesehen sind, wobei radial außenseitig am Rand (74, 76) des Trägerkörpers (66) geringeren Durchmessers und radial innenseitig am Rand (74, 76) des Trägerkörpers (68) größeren Durchmessers jeweils ein Abschnitt (82, 84) eines Magneten (80) festgelegt ist und wobei der Polschuh (44) zwischen die Abschnitte (82, 84) eingreift.
24. Stator-Rotor-Vorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass drei konzentrische Trägerkörper (96, 98, 100) unterschiedlichen Durchmessers vorgesehen sind, wobei radial außenseitig am Rand (108) des Trägerkörpers (96) geringsten Durchmessers und radial innenseitig am Rand (112) des Trägerkörpers (100) größten Durchmessers jeweils ein Abschnitt (120, 126) eines Magneten (118) festgelegt ist und wobei radial innenseitig und außenseitig am Rand (110) des Trägerkörpers (98) mittleren Durchmessers jeweils ein Abschnitt (122, 124) eines Magneten (118) festgelegt ist und wobei ein jeweiliger Eingriffsabschnitt (94) des Polschuhs (44) zwischen zwei einander gegenüberliegende Abschnitte (120, 122, 124, 126) eingreift.
Stator-Rotor-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor die Polkerne und die Polschuhe umfasst und dass der Stator die Magnete umfasst.
26. Stator-Rotor-Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (14) ein Innenrotor ist.
PCT/EP2015/054784 2014-03-14 2015-03-06 Stator-rotor-vorrichtung für eine elektrische maschine WO2015135862A1 (de)

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