WO2022156942A1 - Elektrische maschine mit mitteln zur befestigung der oberflächenmagnete am rotor - Google Patents

Elektrische maschine mit mitteln zur befestigung der oberflächenmagnete am rotor Download PDF

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WO2022156942A1
WO2022156942A1 PCT/EP2021/083386 EP2021083386W WO2022156942A1 WO 2022156942 A1 WO2022156942 A1 WO 2022156942A1 EP 2021083386 W EP2021083386 W EP 2021083386W WO 2022156942 A1 WO2022156942 A1 WO 2022156942A1
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WO
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rotor
electrical machine
spokes
machine according
magnets
Prior art date
Application number
PCT/EP2021/083386
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English (en)
French (fr)
Inventor
Thomas KÜBEL
Thomas Rettig
Original Assignee
Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co Kg
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Publication date
Application filed by Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co Kg filed Critical Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co Kg
Publication of WO2022156942A1 publication Critical patent/WO2022156942A1/de

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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/27—Rotor cores with permanent magnets
    • H02K1/2706—Inner rotors
    • H02K1/272—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis
    • H02K1/274—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets
    • H02K1/2753—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets the rotor consisting of magnets or groups of magnets arranged with alternating polarity
    • H02K1/278—Surface mounted magnets; Inset magnets
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B64—AIRCRAFT; AVIATION; COSMONAUTICS
    • B64D—EQUIPMENT FOR FITTING IN OR TO AIRCRAFT; FLIGHT SUITS; PARACHUTES; ARRANGEMENT OR MOUNTING OF POWER PLANTS OR PROPULSION TRANSMISSIONS IN AIRCRAFT
    • B64D27/00—Arrangement or mounting of power plants in aircraft; Aircraft characterised by the type or position of power plants
    • B64D27/02—Aircraft characterised by the type or position of power plants
    • B64D27/24—Aircraft characterised by the type or position of power plants using steam or spring force

Definitions

  • the invention relates to an electrical machine according to the preamble of patent claim 1 .
  • the present invention considers an electrical machine that includes a stator and a rotor, wherein the rotor rotates about a longitudinal axis inside the stator.
  • the rotor has a plurality of external surface magnets arranged along the circumference of the rotor.
  • the surface magnets are each fastened and radially fixed to the rotor by means of at least one spoke.
  • the invention is based on the idea of using spokes for fastening and radially fixing the surface magnets, which spokes fasten the surface magnets to the rotor. This has the advantage that it is no longer necessary to use bandages to attach the surface magnets. The disadvantages associated with the use of bandages are eliminated.
  • the solution according to the invention also leads to weight savings and a reduction in costs due to the omission of the bandage.
  • Another advantage associated with the invention is that the radial position of the surface magnets on the rotor can be precisely defined by means of the spokes. If the spoke is made of a material with a high modulus of elasticity, such as steel, a change in length under a tensile load is minimal, so that the radial position of the surface magnet can be specified with great accuracy and hardly changes during operation.
  • the spokes consist, for example, of metal or a metal alloy or a plastic, in particular a hard plastic.
  • the rotor is an inner rotor that rotates inside the stator surrounding the rotor.
  • an embodiment of the invention provides that the spokes have a radially outer end and a radially inner end, the radially outer end being connected to at least one of the surface magnets.
  • the radially inner ends of the spokes are connected to a rotor shaft. Such connection can be direct or indirect.
  • the radially inner ends of the spokes are connected, for example, to a rotor hub which is placed on the rotor shaft in a rotationally test manner.
  • the spokes have a circular, elliptical or polygonal cross section, for example. Since the spokes are comparatively thin in accordance with their nature, the length of the spokes is significantly greater than their diameter, with the ratio of length to diameter being greater than 10 in exemplary embodiments and being in the range between 10 and 200, for example.
  • an embodiment of the invention provides that the spokes are each positively connected to at least one surface magnet at their radially outer end.
  • the spokes each form a head at their radially outer end, which is arranged in a form-fitting manner in a correspondingly shaped recess of the surface magnet.
  • the head is formed, for example, by a conical widening that fits in a form-fitting manner in a correspondingly shaped recess of the surface magnet.
  • each of the spokes is arranged to be adjustable in length.
  • a length adjustment enables the radial position of the respective surface magnet and the tensile stress acting on the surface magnet to be set precisely.
  • the spokes have an external thread that can be screwed to an internal thread.
  • the internal thread is formed, for example, in a hole in the surface magnet or a part attached to the surface magnet.
  • length adjustability can be provided by an external thread at the radially inner end of the spokes which can be screwed with an internal thread, the internal thread being formed in a bore in the rotor, in a rotor hub, or in a part connected to the rotor or a rotor hub.
  • each surface magnet is assigned exactly one spoke, the radially outer end of which is typically attached centrally in the surface magnet.
  • configurations can also be provided in which the spokes are each arranged between two adjacent surface magnets and in each case fix two adjacent surface magnets at their edges. Accordingly, with such Configurations provide that each spoke is arranged with its radially outer end in the area between two adjacent surface magnets and in each case two adjacent surface magnets are fixed at their edge. Provision can be made for each surface magnet to be fixed at the edge by two spokes.
  • a further embodiment provides that the radial positions of the surface magnets are optimized by means of the spokes in such a way that an imbalance of the rotor is minimized.
  • Such an optimization of the radial positions of the surface magnets is given in a simple manner in particular when the spokes are adjustable in length.
  • the rotor can be balanced at least approximately.
  • the electrical machine according to the invention is, for example, an electric motor, in particular a permanent magnet synchronous motor.
  • a permanent synchronous motor the stator is fitted with coils, while external surface magnets are attached to the rotor.
  • the AC voltage is applied to the stator coils.
  • FIG. 1 shows a cross-sectional view of an exemplary embodiment of an electric motor which has a rotor with surface magnets which are fixed radially by spokes;
  • FIG. 2 shows, in cross-sectional view, an enlarged illustration of a surface magnet which is fixed by a spoke
  • FIG. 3 shows a plan view of an embodiment variant of the arrangement of a plurality of surface magnets and spokes, with each surface magnet being assigned a spoke which radially fixes the surface magnet;
  • FIG. 4 shows a top view of a further embodiment variant of the arrangement of a plurality of surface magnets and spokes, with adjacent surface magnets in the axial direction being assigned a common spoke which radially fixes the adjacent surface magnets at the edge
  • FIG. 5 shows a plan view of a further embodiment variant of the arrangement of a plurality of surface magnets and spokes, with adjacent surface magnets in the circumferential direction being assigned a common spoke which radially fixes the adjacent surface magnets at the edge;
  • FIG. 6 shows a cross-sectional view of an electric motor comprising a rotor with surface magnets according to the prior art.
  • the electric motor in FIG. 6 includes a stator 1 and a rotor 2.
  • the stator 1 is shown only schematically and includes a plurality of coils (not shown) in a manner known per se. Between the stator 1 and the rotor 2 there is an air gap 3 which is not shown to scale.
  • the rotor 2 is arranged inside the stator 1 and rotates about a longitudinal axis 41 which defines an axial direction x. It is an internal rotor 2.
  • the rotor 2 comprises a rotor shaft 4 and a multiplicity of permanent magnets which are arranged as surface magnets 5 on the outside of the rotor 2 .
  • the magnetic polarity of the surface magnets 5 is designed in a manner known per se.
  • the surface magnets 5 have reverse polarity alternating in the circumferential direction or groups of surface magnets have reverse polarity alternating in the circumferential direction. This is irrelevant in the present context.
  • the number of surface magnets 5 is just as irrelevant.
  • the surface magnets 5 are glued to the outer circumference 43 of the rotor 2 and are fixed radially by a bandage 7 .
  • the bandage 7 is formed, for example, by a glass sleeve or a carbon fiber sleeve. The bandage 7 creates a contact pressure on the magnets 5.
  • FIG. 6 In the sectional view of FIG. 6, only the upper half of the rotor 2 is shown. This is only done to improve the clarity of the display.
  • the lower half of the rotor 2 is designed in a corresponding manner and the rotor 2 can be designed to be rotationally symmetrical.
  • the electric motor shown in FIG. 6 is also referred to as a permanent magnet synchronous motor. During operation, an AC voltage is applied to the stator coils, which causes them to form a magnetic field when current flows, which moves continuously in a circle due to the three-phase nature of the current. Another magnetic field is formed by the surface magnets 5 of the rotor 2.
  • FIG. 1 schematically shows an exemplary embodiment of an electric motor according to the present invention, with only the upper half of the rotor being shown, as in FIG.
  • the lower half of the electric motor is designed in a corresponding manner, it being possible for the electric motor to be designed to be rotationally symmetrical.
  • the electric motor in FIG. 1 differs from the electric motor according to the prior art in FIG. 6 in the way in which the surface magnets 5 are fastened. With regard to the other components of the electric motor, reference is made to the description of FIG.
  • the bandage 7 in FIG. 6 has been omitted.
  • the individual surface magnets 5 are connected to the rotor shaft 4 by spokes 6 .
  • the radially outer ends 61 of the spokes 6 are each connected to a surface magnet 5 in a form-fitting manner.
  • FIG. 1 shows only one of the spokes 6 for the sake of clarity. All surface magnets 5 are connected to the rotor shaft 4 by spokes 6 in a corresponding manner.
  • the spoke 6 forms a head 62 at its radially outer end, which in the exemplary embodiment shown is, however, not necessarily formed by a cone.
  • the head 62 is held in a form-fitting manner in a likewise conical recess 51 in the surface magnet 5 .
  • the conical recess 51 merges into a bore 55 in which the spoke 6 runs.
  • the radially inner end 63 is connected to the rotor shaft 4 directly or indirectly.
  • a rotor hub 42 is provided in the exemplary embodiment of FIG. 1, which rotates around the rotor shaft 4 .
  • the radially inner ends 63 of the spokes 6 are firmly connected to the rotor hub 42 .
  • the radially inner ends 63 of the spokes 6 are connected directly to the rotor shaft 4 .
  • the spokes 6 are arranged to be adjustable in length.
  • the radially inner End 63 of the spokes 6 is provided with an external thread.
  • bores 420 or the like provided with an internal thread are formed in the rotor hub 42, via which the spokes 6 are connected to the rotor hub 42 in a length-adjustable manner. Provision can also be made for the bores to be formed in a separate part which is inserted into the rotor hub 72 .
  • the length adjustability of the spokes 6 can alternatively be provided by an external thread at the radially outer end 61 of the spokes 6, in which case the external thread is screwed into a nipple with an internal thread connected to the surface magnet 5, for example.
  • FIGS. 3 to 5 show different configurations for the fastening and radial fixing of the surface magnets 5 on the rotor 2.
  • the surface magnets 5 arranged next to one another in the circumferential direction form a ring according to FIG. This ring is conceptually cut open in the illustration in FIGS. 3 to 5, with the surface magnets 5 being rolled out in one plane.
  • a plurality of surface magnets 5 are arranged next to one another in the circumferential direction (p).
  • Each of the surface magnets 5 is provided with a hole in the center, into which a spoke 6 is inserted in accordance with the embodiment of Figure 2.
  • the spoke head 62 In the plan view of Figure 3 one can see the spoke head 62.
  • Each surface magnet 5 is thus assigned a spoke 6.
  • FIG. 4 shows an alternative configuration in which two rows of surface magnets 5, 5', each extending in the circumferential direction, are provided offset in the axial direction x.
  • the surface magnets 5 form a first row and the surface magnets 5' form a second row that is axially offset relative to the first row.
  • two surface magnets 5, 5' that are adjacent in the axial direction are each assigned a spoke 6 that is positioned between the adjacent surface magnets 5, 5'.
  • the spoke 6 fixes the two adjacent surface magnets 5, 5' at the edges. So will the one Surface magnet 5 is fixed along one edge 50 .
  • the other surface magnet 5' is fixed along its one edge 50'.
  • a funnel shape 51, 5T is formed on the respective edge 50, 50', as shown in FIG. 2, which however only extends over an angular range of 180°. Only the upper edges of the funnels 51, 5T can be seen in the top view of FIG.
  • one or more further rows of surface magnets can be fastened to the rotor 2, these then being fastened to the rotor by corresponding further rows of spokes 6.
  • FIG. 5 shows a further alternative configuration in which two surface magnets 5, 5′′ adjacent in the circumferential direction are each assigned a shared spoke 6 which radially fixes the adjacent surface magnets 5, 5′′ at the edge.
  • a plurality of such surface magnets 5, 5′′ are shown offset in the axial direction x. Provision can be made for further surface magnets to adjoin the illustrated surface magnets in the circumferential direction, so that, just as in FIGS. 1, 3 and 4, there is a ring of surface magnets closed in the circumferential direction.
  • two surface magnets 5, 5′′ that are adjacent in the circumferential direction are each assigned a spoke 6 that is positioned between the adjacent surface magnets 5, 5′′.
  • the spoke 6 fixes the two adjacent surface magnets 5, 5′′ in each case at the edges.
  • one surface magnet 5 is fixed along one edge 52 .
  • the other surface magnet 5" is fixed along one edge 52".
  • a funnel shape 51, 51" is formed on the respective edge 50, 50" as shown in FIG In the top view of FIG. 5, only the upper edges of the funnels 51, 51′′ can be seen.
  • FIGS. 1-5 the depiction of the rotor 2 in FIGS. 1-5 is merely schematic and exemplary.
  • a large number of configurations are possible as to how the outer circumference 43 of the rotor 2, on which the surface magnets 5 are arranged, is connected to the rotor shaft 4.
  • lightweight variants are also possible in which a connection between the rotor shaft 4 and the outer circumference 43 is made, for example, only via webs.
  • the invention is not limited to the embodiments described above, and various modifications and improvements can be made without departing from the concepts described herein.
  • any of the features described can be used separately or in combination with any other features, provided they are not mutually exclusive.
  • the disclosure extends to and encompasses all combinations and sub-combinations of one or more features described herein. If ranges are defined, these include all values within these ranges as well as all sub-ranges that fall within a range.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, die einen Stator (1) und einen Rotor (2) aufweist, der innenseitig des Stators (1) um eine Längsachse (41) rotiert. Der Rotor (2) weist eine Mehrzahl außenliegender Oberflächenmagnete (5) auf, die entlang des Umfangs des Rotors (2) angeordnet sind. Es ist vorgesehen, dass die Oberflächenmagnete (5) jeweils mittels mindestens einer Speiche (6) am Rotor (2) befestigt und radial fixiert sind.

Description

ELEKTRISCHE MASCHINE MIT MITTELN ZUR BEFESTIGUNG DER OBERFLÄCHENMAGNETE AM ROTOR
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 .
Es ist bekannt, bei elektrischen Antrieben für die Luftfahrt Elektromotoren einzusetzen, bei denen Oberflächenmagnete außenliegend auf dem Rotor des Elektromotors angeordnet sind. Die Oberflächenmagnete werden dabei durch eine außenliegende Bandage auf dem Rotor gehalten. Allerdings kann mittels einer solchen Konstruktion die genaue Lage der Magnete nur in begrenzter Weise eingestellt werden. Auch sind solche Bandagen wegen hoher Anforderungen an das Material der Bandagen teuer und bei der Verarbeitung technisch anspruchsvoll. Weitere Nachteile bestehen darin, dass die Bandage im Betrieb stark belastet wird und Bauraum einnimmt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine bereitzustellen, bei der auf der Außenseite des Rotors angeordnete Oberflächenmagnete in effektiver Weise befestigt sind. Diese Aufgabe wird durch eine elektrische Maschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Danach betrachtet die vorliegende Erfindung eine elektrische Maschine, die einen Stator und einen Rotor umfasst, wobei der Rotor innenseitig des Stators um eine Längsachse rotiert. Der Rotor weist eine Mehrzahl außenliegender Oberflächenmagnete auf, die entlang des Umfangs des Rotors angeordnet sind.
Es ist vorgesehen, dass die Oberflächenmagnete jeweils mittels mindestens einer Speiche am Rotor befestigt und radial fixiert sind.
Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, zur Befestigung und radialen Fixierung der Oberflächenmagnete Speichen einzusetzen, die die Oberflächenmagnete am Rotor befestigen. Damit ist der Vorteil verbunden, dass der Einsatz von Bandagen zur Befestigung der Oberflächenmagnete nicht mehr erforderlich ist. Die mit dem Einsatz von Bandagen verbunden Nachteile entfallen. Auch führt die erfindungsgemäße Lösung zu Gewichtseinsparungen und einer Kostenreduktion durch den Wegfall der Bandage.
Ein weiterer, mit der Erfindung verbundener Vorteil besteht darin, dass mittels der Speichen die radiale Position der Oberflächenmagnete am Rotor exakt definiert werden kann. Sofern die Speiche aus einem Material mit einem hohen Elastizitätsmodul wie beispielsweise Stahl besteht, ist eine Längenänderung bei einer Zugbelastung minimal, so dass die radiale Position des Oberflächenmagneten mit hoher Genauigkeit vorgebbar ist und sich auch im Betrieb kaum ändert.
Allgemein bestehen die Speichen beispielsweise aus Metall oder einer Metalllegierung oder einem Kunststoff, insbesondere einem Hartplastik.
Bei dem Rotor handelt es sich um einen Innenläufer, der innerhalb des den Rotor umgebenen Stators rotiert.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Speichen ein radial äußeres Ende und ein radial inneres Ende aufweisen, wobei das radial äußere Ende mit mindestens einem der Oberflächenmagnete verbunden ist. Die radial inneren Enden der Speichen sind mit einer Rotorwelle verbunden. Eine solche Verbindung kann direkt erfolgen oder indirekt. Im zweiten Fall sind die radial inneren Enden der Speichen beispielsweise mit einer Rotornabe verbunden, die auf die Rotorwelle drehtest aufgesetzt ist. Die Speichen sind in ihrem Querschnitt beispielsweise kreisförmig, elliptisch oder polygonal ausgebildet. Da die Speichen entsprechend ihrer Natur vergleichsweise dünn ausgebildet sind, ist die Länge der Speichen deutlich größer als ihr Durchmesser, wobei das Verhältnis von Länge zu Durchmesser in Ausführungsbeispielen größer als 10 ist und beispielsweise im Bereich zwischen 10 und 200 liegt.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Speichen an ihrem radial äußeren Ende jeweils formschlüssig mit mindestens einem Oberflächenmagnet verbunden sind. Hierzu ist beispielsweise vorgesehen, dass die Speichen an ihrem radial äußeren Ende jeweils einen Kopf ausbilden, der in einer entsprechend geformten Ausnehmung des Oberflächenmagnets formschlüssig angeordnet ist. Der Kopf wird beispielsweise durch eine konische Verbreiterung gebildet, die in einer entsprechend geformten Ausnehmung des Oberflächenmagnets formschlüssig anliegt.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass jede der Speichen längenverstellbar angeordnet ist. Eine Längenverstellung ermöglicht die genaue Einstellung der radialen Position des jeweiligen Oberflächenmagneten und der auf die Oberflächenmagnete wirkenden Zugspannung. Zur Bereitstellung einer Längenverstellung der Speichen ist beispielsweise vorgesehen, dass die Speichen ein Außengewinde aufweisen, das mit einem Innengewinde verschraubbar ist. Das Innengewinde ist beispielsweise in einer Bohrung im Oberflächenmagnet oder einem am Oberflächenmagnet befestigten Teil ausgebildet. Alternativ kann eine Längenverstellbarkeit durch ein Außengewinde am radial inneren Ende der Speichen bereitgestellt werden, das mit einem Innengewinde verschraubbar ist, wobei das Innengewinde in einer Bohrung im Rotor, in einer Rotornabe, oder in einem mit dem Rotor oder einer Rotornabe verbundenen Teil ausgebildet ist.
Dabei wird darauf hingewiesen, dass die Bereitstellung einer Längenverstellung über eine Schraubverbindung nur beispielhaft zu verstehen ist. Andere Mittel zur Längenverstellung können alternativ implementiert werden.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass jedem Oberflächenmagnet genau eine Speiche zugeordnet ist, deren radial äußeres Ende typischerweise mittig im Oberflächenmagneten befestigt ist. Jedoch können alternativ auch Ausgestaltungen vorgesehen sein, bei denen die Speichen jeweils zwischen zwei benachbarten Oberflächenmagneten angeordnet sind und dabei jeweils zwei benachbarte Oberflächenmagnete an deren Rand fixieren. Dementsprechend ist bei solchen Ausgestaltungen vorgesehen, dass jede Speiche mit ihrem radial äußeren Ende im Bereich zwischen zwei benachbarten Oberflächenmagneten angeordnet ist und dabei jeweils zwei benachbarte Oberflächenmagnete an deren Rand fixiert. Dabei kann vorgesehen sein, dass jeder Oberflächenmagnet durch zwei Speichen randseitig fixiert wird.
Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, dass mittels der Speichen die radialen Positionen der Oberflächenmagnete derart optimiert sind, dass eine Unwucht des Rotors minimiert ist. Eine solche Optimierung der radialen Positionen der Oberflächenmagnete ist insbesondere dann in einfacher Weise gegeben, wenn die Speichen längenverstellbar sind. Durch geeignete radiale Positionierung der Oberflächenmagnete kann ein Auswuchten des Rotors zumindest näherungsweise vorgenommen werden.
Bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine handelt es sich beispielsweise um einen Elektromotor, insbesondere einen Permanentmagnet-Synchronmotor. Bei einem permanent-Synchronmotor ist der Stator mit Spulen besetzt, während auf dem Rotor außenliegende Oberflächenmagnete angebracht sind. Die Wechselspannung liegt an den Statorspulen an.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 in Querschnittsansicht ein Ausführungsbeispiel eines Elektromotors, der einen Rotor mit Oberflächenmagneten aufweist, die durch Speichen radial fixiert sind;
Figur 2 in Querschnittsansicht eine vergrößerte Darstellung eines Oberflächenmagnets, der durch eine Speiche fixiert ist;
Figur 3 in Draufsicht eine Ausführungsvariante der Anordnung mehrerer Oberflächenmagnete und Speichen, wobei jedem Oberflächenmagnet eine Speiche zugeordnet ist, die den Oberflächenmagnet radial fixiert;
Figur 4 in Draufsicht eine weitere Ausführungsvariante der Anordnung mehrerer Oberflächenmagnete und Speichen, wobei in axialer Richtung benachbarten Oberflächenmagneten jeweils eine Speiche gemeinsam zugeordnet ist, die die benachbarten Oberflächenmagnete randseitig radial fixiert; Figur 5 in Draufsicht eine weitere Ausführungsvariante der Anordnung mehrerer Oberflächenmagnete und Speichen, wobei in Umfangsrichtung benachbarten Oberflächenmagneten jeweils eine Speiche gemeinsam zugeordnet ist, die die benachbarten Oberflächenmagnete randseitig radial fixiert; und
Figur 6 in Querschnittsansicht einen Elektromotor, der einen Rotor mit Oberflächenmagneten umfasst, gemäß dem Stand der Technik.
Zum besseren Verständnis der Erfindung und der Unterschiede zwischen der Erfindung und dem Stand der Technik wird zunächst anhand der Figur 6 eine elektrische Maschine in Form eines Elektromotors gemäß dem Stand der Technik erläutert.
Der Elektromotor der Figur 6 umfasst einen Stator 1 und einen Rotor 2. Der Stator 1 ist lediglich schematisch dargestellt und umfasst in an sich bekannter Weise eine Mehrzahl von Spulen (nicht dargestellt). Zwischen dem Stator 1 und dem Rotor 2 ist ein Luftspalt 3 ausgebildet, der nicht maßstabsgerecht dargestellt ist. Der Rotor 2 ist innenseitig des Stators 1 angeordnet und rotiert um eine Längsachse 41 , die eine axiale Richtung x definiert. Es handelt sich um einen innenlaufenden Rotor 2.
Der Rotor 2 umfasst eine Rotorwelle 4 und eine Vielzahl von Permanentmagneten, die als Oberflächenmagnete 5 außenliegend am Rotor 2 angeordnet sind. Die magnetische Polung der Oberflächenmagnete 5 ist in an sich bekannter Art und Weise ausgebildet. Beispielsweise sind die Oberflächenmagnete 5 in Umfangsrichtung alternierend umgekehrt gepolt oder Gruppen von Oberflächenmagneten sind in Umfangsrichtung alternierend umgekehrt gepolt. Hierauf kommt es im vorliegenden Kontext nicht an. Ebenso wenig kommt es auf die Anzahl der Oberflächenmagnete 5 an.
Die Oberflächenmagnete 5 sind am Außenumfang 43 des Rotors 2 angeklebt und werden durch eine Bandage 7 radial fixiert. Die Bandage 7 wird beispielsweise durch eine Glashülse oder eine Kohlefaserhülse gebildet. Durch die Bandage 7 entsteht ein Anpressdruck auf die Magnete 5.
In der Schnittdarstellung der Figur 6 ist nur die obere Hälfte des Rotors 2 dargestellt. Dies erfolgt lediglich für eine bessere Übersichtlichkeit der Darstellung. Die untere Hälfte des Rotors 2 ist in entsprechender Weise ausgebildet und der Rotor 2 kann rotationssymmetrisch ausgebildet sein. Der in der Figur 6 dargestellte Elektromotor wird auch als Permanentmagnet- Synchronmotor bezeichnet. Im Betrieb wird eine Wechselspannung an die Statorspulen angelegt, wodurch diese bei Stromfluss ein Magnetfeld ausbilden, das sich durch eine Dreiphasigkeit des Stroms fortlaufend im Kreis bewegt. Ein weiteres Magnetfeld bilden die Oberflächenmagnete 5 des Rotors 2.
Die Figur 1 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel eines Elektromotors gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei ebenso wie in der Figur 1 nur die obere Hälfte des Rotors dargestellt ist. Die untere Hälfte des Elektromotors ist in entsprechender Weise ausgebildet, wobei der Elektromotor rotationssymmetrisch ausgebildet sein kann. Der Elektromotor der Figur 1 unterscheidet sich vom Elektromotor gemäß dem Stand der Technik der Figur 6 durch die Art der Befestigung der Oberflächenmagnete 5. Im Hinblick auf die übrigen Bestandteile des Elektromotors wird auf die Beschreibung der Figur 6 Bezug genommen.
Bei dem Elektromotor der Figur 1 ist die Bandage 7 der Figur 6 weggefallen. Stattdessen sind die einzelnen Oberflächenmagnete 5 durch Speichen 6 mit der Rotorwelle 4 verbunden. Hierzu sind die radial äußeren Enden 61 der Speichen 6 formschlüssig jeweils mit einem Oberflächenmagnet 5 verbunden. Die Figur 1 zeigt zur besseren Übersichtlichkeit der Darstellung nur eine der Speichen 6. In entsprechender Weise sind sämtliche Oberflächenmagnete 5 durch Speichen 6 mit der Rotorwelle 4 verbunden.
Eine Ausführungsvariante der formschlüssige Verbindung zeigt die Schnittdarstellung der Figur 2. Danach bildet die Speiche 6 an ihrem radial äußeren Ende einen Kopf 62 aus, der im dargestellten Ausführungsbeispiel, jedoch nicht notwendigerweise durch einen Konus gebildet ist. Der Kopf 62 wird formschlüssig in einer ebenfalls konischen Ausnehmung 51 des Oberflächenmagneten 5 gehalten. Die konische Ausnehmung 51 geht in eine Bohrung 55 über, in der die Speiche 6 verläuft.
Das radial innere Ende 63 ist direkt oder indirekt mit der Rotorwelle 4 verbunden. Hierzu ist im Ausführungsbeispiel der Figur 1 eine Rotornabe 42 vorgesehen, die die Rotorwelle 4 drehtest umgibt. Die radial inneren Enden 63 der Speichen 6 sind dabei mit der Rotornabe 42 fest verbunden. In alternativen Ausgestaltungen sind die radial inneren Enden 63 der Speichen 6 direkt mit der Rotorwelle 4 verbunden.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel, jedoch nicht notwendigerweise, sind die Speichen 6 längenverstellbar angeordnet. Hierzu ist zum einen vorgesehen, dass das radial innere Ende 63 der Speichen 6 mit einem Außengewinde versehen ist. Zum anderen ist vorgesehen, dass in der Rotornabe 42 mit einem Innengewinde versehene Bohrungen 420 oder dergleichen ausgebildet sind, über die die Speichen 6 längenverstellbar mit der Rotornabe 42 verbunden sind. Auch kann vorgesehen sein, dass die Bohrungen in einem gesonderten Teil ausgebildet sind, das in die Rotornabe 72 eingesetzt ist.
Weiter wird darauf hingewiesen, dass die Bereitstellung einer Längenverstellbarkeit der Speichen 6 alternativ durch ein Außengewinde am radial äußeren Ende 61 der Speichen 6 bereitgestellt werden kann, wobei in einem solchen Fall das Außengewinde beispielsweise in einen mit dem Oberflächenmagneten 5 verbundenen Nippel mit Innengewinde eingeschraubt wird.
Die Figuren 3 bis 5 zeigen verschiedene Konfigurationen bei der Befestigung und radialen Fixierung der Oberflächenmagnete 5 am Rotor 2. Die in Umfangsrichtung nebeneinander angeordneten Oberflächenmagnete 5 bilden gemäß der Figur 1 einen Ring. Dieser Ring ist in der Darstellung der Figuren 3 bis 5 gedanklich aufgeschnitten, wobei die Oberflächenmagnete 5 in einer Ebene ausgerollt sind.
Gemäß der Ausgestaltung der Figur 3 sind eine Mehrzahl von Oberflächenmagneten 5 in Umfangsrichtung (p nebeneinander angeordnet. Jeder der Oberflächenmagnete 5 ist mittig mit einer Bohrung versehen, in die entsprechend der Ausgestaltung der Figur 2 eine Speiche 6 eingesetzt ist. In der Draufsicht der Figur 3 ist der Speichenkopf 62 zu erkennen. Jedem Oberflächenmagnet 5 ist somit eine Speiche 6 zugeordnet.
Es wird darauf hingewiesen, dass bei der Ausgestaltung der Figur 3 in axialer Richtung x versetzt weitere Reihen von Oberflächenmagneten in entsprechender Weise am Rotor 2 befestigt sein können.
Die Figur 4 zeigt eine alternative Konfiguration, bei der in axialer Richtung x versetzt zwei sich jeweils in Umfangsrichtung erstreckende Reihen von Oberflächenmagneten 5, 5‘ vorgesehen sind. Die Oberflächenmagnete 5 bilden eine erste Reihe und die Oberflächenmagnete 5‘ bilden eine zur ersten Reihe axial versetzte zweite Reihe.
Dabei ist vorgesehen, dass zwei in axialer Richtung benachbarten Oberflächenmagneten 5, 5‘ jeweils eine Speiche 6 zugeordnet ist, die zwischen den benachbarten Oberflächenmagneten 5, 5‘ positioniert ist. Dabei fixiert die Speiche 6 die beiden benachbarten Oberflächenmagnete 5, 5‘ jeweils randseitig. So wird der eine Oberflächenmagnet 5 entlang seines einen Rands 50 fixiert. Der andere Oberflächenmagnet 5' wird entlang seines einen Rands 50‘ fixiert. Hierzu ist an dem jeweiligen Rand 50, 50‘ sprechend der Figur 2 jeweils eine Trichterform 51 , 5T ausgebildet, die sich jedoch nur über einen Winkelbereich von 180° erstreckt. In der Draufsicht der Figur 4 sind nur die oberen Ränder der Trichter 51 , 5T erkennbar.
Es wird darauf hingewiesen, dass bei der Ausgestaltung der Figur 4 in axialer Richtung x versetzt eine oder mehrere weitere Reihen von Oberflächenmagneten am Rotor 2 befestigt sein können, wobei diese dann durch entsprechende weitere Reihen von Speichen 6 am Rotor befestigt sind.
Die Figur 5 zeigt eine weitere alternative Konfiguration, bei der zwei in Umfangsrichtung benachbarten Oberflächenmagneten 5, 5“ jeweils eine Speiche 6 gemeinsam zugeordnet ist, die die benachbarten Oberflächenmagnete 5, 5“ randseitig radial fixiert. Dabei sind in axialer Richtung x versetzt eine Mehrzahl solcher Oberflächenmagnete 5, 5“ dargestellt. Es kann vorgesehen sein, dass sich an die dargestellten Oberflächenmagnete in Umfangsrichtung jeweils weitere Oberflächenmagnete anschließen, so dass ebenso wie in den Figuren 1 , 3 und 4 jeweils ein in Umfangsrichtung geschlossener Ring von Oberflächenmagneten vorliegt.
Dabei ist vorgesehen, dass zwei in Umfangsrichtung Richtung benachbarten Oberflächenmagneten 5, 5“ jeweils eine Speiche 6 zugeordnet ist, die zwischen den benachbarten Oberflächenmagneten 5, 5“ positioniert ist. Dabei fixiert die Speiche 6 die beiden benachbarten Oberflächenmagnete 5, 5“ jeweils randseitig. So wird der eine Oberflächenmagnet 5 entlang seines einen Rands 52 fixiert. Der andere Oberflächenmagnet 5" wird entlang seines einen Rands 52“ fixiert. Hierzu ist an dem jeweiligen Rand 50, 50“ sprechend der Figur 2 jeweils eine Trichterform 51 , 51“ ausgebildet, die sich jedoch nur über einen Winkelbereich von 180° erstreckt. In der Draufsicht der Figur 5 sind nur die oberen Ränder der Trichter 51 , 51 “ erkennbar.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Darstellung des Rotors 2 in den Figuren 1-5 lediglich schematisch und beispielhaft ist. Beispielsweise sind eine Vielzahl von Ausgestaltungen möglich, wie der Außenumfang 43 des Rotors 2, auf dem die Oberflächenmagnete 5 angeordnet sind, mit der Rotorwelle 4 verbunden ist. Neben einer Ausbildung des Rotors 2 als Vollzylinder sind dabei auch Leichtbauvarianten möglich, bei denen eine Verbindung zwischen der Rotorwelle 4 und dem Außenumfang 43 beispielsweise lediglich über Stege erfolgt. Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist und verschiedene Modifikationen und Verbesserungen vorgenommen werden können, ohne von den hier beschriebenen Konzepten abzuweichen. Weiter wird darauf hingewiesen, dass beliebige der beschriebenen Merkmale separat oder in Kombination mit beliebigen anderen Merkmalen eingesetzt werden können, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen. Die Offenbarung dehnt sich auf alle Kombinationen und Unterkombinationen eines oder mehrerer Merkmale aus, die hier beschrieben werden und umfasst diese. Sofern Bereiche definiert sind, so umfassen diese sämtliche Werte innerhalb dieser Bereiche sowie sämtliche Teilbereiche, die in einen Bereich fallen.

Claims

Patentansprüche
1 . Elektrische Maschine, die aufweist:
- einen Stator (1),
- einen Rotor (2), der innenseitig des Stators (1) um eine Längsachse (41) rotiert,
- wobei der Rotor (2) einer Mehrzahl außenliegender Oberflächenmagnete (5) aufweist, die entlang des Umfangs des Rotors (2) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenmagnete (5) jeweils mittels mindestens einer Speiche (6) am Rotor (2) befestigt und radial fixiert sind.
2. Elektrische Maschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Speichen (6) ein radial äußeres Ende (61 ) und ein radial inneres Ende (63) aufweisen, wobei das radial äußere Ende (61) mit mindestens einem der Oberflächenmagnete (5) verbunden ist.
3. Elektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die radial inneren Enden (63) der Speichen (6) mit einer Rotorwelle (4) des Rotors (2) verbunden sind.
4. Elektrische Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die radial inneren Enden (63) der Speichen (6) direkt mit der Rotorwelle (4) verbunden sind.
5. Elektrische Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die radial inneren Enden (63) der Speichen (6) mit einer Rotornabe (42) verbunden sind, die auf die Rotorwelle (4) drehtest aufgesetzt ist.
6. Elektrische Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichen (6) an ihrem radial äußeren Ende (61 ) jeweils formschlüssig mit mindestens einem Oberflächenmagnet (5) verbunden sind.
7. Elektrische Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichen (6) an ihrem radial äußeren Ende (61) jeweils einen Kopf (62) ausbilden, der in einer entsprechend geformten Ausnehmung (51) des Oberflächenmagnets (5) formschlüssig angeordnet ist.
8. Elektrische Maschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopf (62) durch eine konische Verbreiterung gebildet ist, die in einer entsprechend geformten Ausnehmung (51 ) des Oberflächenmagnets (5) formschlüssig angeordnet ist.
9. Elektrische Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichen (6) jeweils längenverstellbar angeordnet sind.
10. Elektrische Maschine nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichen (6) ein Außengewinde aufweisen, das mit einem Innengewinde einer Bohrung (420) des jeweiligen Oberflächenmagneten (5), des Rotors (2) oder eines mit dem Oberflächenmagneten (5) oder dem Rotor (2) verbundenen Teils verschraubbar ist.
11. Elektrische Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Oberflächenmagnet (5) genau eine Speiche (6) zugeordnet ist, deren radial äußeres Ende mittig im Oberflächenmagneten befestigt ist.
12. Elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass jede Speiche (6) mit ihrem radial äußeren Ende (61 ) im Bereich zwischen zwei benachbarten Oberflächenmagneten (5, 5‘; 5, 5“) angeordnet ist und dabei jeweils zwei benachbarte Oberflächenmagnete (5, 5‘; 5, 5“) an deren Rand fixiert.
13. Elektrische Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Speichen (6) die radialen Positionen der Oberflächenmagnete (5) derart optimiert sind, dass eine Unwucht des Rotors (2) minimiert ist.
14. Elektrische Maschine nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine als Permanentmagnet- Synchronmotor ausgebildet ist.
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