DE102004017157A1

DE102004017157A1 - Verfahren zur Herstellung einer Rotoranordnung und Rotoranordnung für eine elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102004017157A1
Application number: DE102004017157A
Authority: DE
Inventors: Markus KLÖPZIG; Vladimir Vladimirovič Popov
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: MinebeaMitsumi Inc
Priority date: 2004-04-07
Filing date: 2004-04-07
Publication date: 2005-11-10
Anticipated expiration: 2024-04-08
Also published as: JP2005304292A; US7204012B2; DE102004017157B4; US20050231057A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Rotoranordnung für eine elektrische Maschine, bei dem ein Rotorkörper bereitgestellt wird und Permanentmagnete aus einem isotropen Magnetmaterial in den Rotorkörper eingebettet werden, wobei den Permanentmagneten durch eine externe Magnetisierungseinrichtung eine Magnetisierung aufgeprägt wird, die wenigstens näherungsweise einer Halbach-Magnetfeldverteilung entspricht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Rotoranordnung für eine elektrische Maschine sowie eine entsprechende Rotoranordnung. Die erfindungsgemäße Rotoranordnung ist allgemein in elektrischen Maschinen, wie Gleichstrommotoren und Generatoren einsetzbar.
Auf dem Markt ist eine Vielzahl von Elektromotoren bekannt, die auf verschiedene Arten klassifiziert werden können, z.B. gemäß ihrer Struktur, dem Antriebsmechanismus, dem Steuermodus etc. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung sind bürstenlose Gleichstrommotoren und andere Permanentmagnetmotoren, wobei es grundsätzlich bekannt ist, Permanentmagnete auf dem Außenumfang eines Rotorkörpers vorzusehen oder in diesen einzubetten. Die Erfindung ist ferner anwendbar auf Elektromotoren und Generatoren, welche als Innenläufermotor oder Außenläufermotor konfiguriert sein können. Elektromotoren mit einer Innenläuferkonfiguration weisen eine Rotoranordnung auf, die auf eine Motorwelle aufgebracht ist und einen oder mehrere Permanentmagnete umfaßt, sowie eine Statoranordnung aus z.B. einer Anzahl von paketierten Metallblechen, die einen ringförmigen Statorrückschluß und von dem Statorrückschluß nach innen abstehende Polschuhe aufweist. Auf die Polschuhe sind Phasenwicklungen aufgebracht. Die Rotoranordnung ist koaxial in die Statoranordnung eingefügt. Bei einer Außenläuferkonfiguration umgibt die Rotoranordnung den Stator koaxial.
Im Stand der Technik ist ferner bekannt, auf den Außenumfang des Rotors aufgebrachte Permanentmagnete derart zu magnetisieren, daß sich eine magnetische Feldlinienverteilung gemäß einer Halbach-Magnetisierung oder einer angenäherten Halbach-Magnetisierung ergibt.

Die Grundlagen der Halbach-Magnetisierung sind z.B. beschrieben auf der Website der University of Sheffield von der Elektrical Machines and Drives Group unter http://www.shef.ac.uk/eee/emd/research/halbach/halbachl.html. Die Halbach-Magnetisierung erlaubt eine Konzentration des von den Magneten erzeugten Magnetfeldes auf Sinuslinien. Die 1 und 2 zeigen eine Halbach-Magnetisierung eines Rotorrings für einen Innenläufermotor bzw. einen Außenläufermotor und die zugehörige Magnetfeldlinienverteilung. Aufgrund der speziellen Feldlinienführung innerhalb des Rotors ist bei Rotoren mit Halbach-Magnetisierung kein Eisenrückschluß notwendig, wodurch die Rotormasse und -trägheit reduziert werden können. Durch die sinusförmige oder angenähert sinusförmige Magnetisierung wird ferner das Rastmoment des Motors merklich reduziert.

Es ist bekannt, solche Magnetringe bzw. Magnetzylinder mit Halbach-Magnetisierung für Rotoren entweder aus vormagnetisierten anisotropen Magnetsegmenten mit der gewünschten Magnetisierungsrichtung oder aus isotropen Magnetringen, auf welche die Halbach-Magnetisierung aufgeprägt wird, herzustellen.

Bei bekannten Rotoranordnungen ist es üblich, daß ein segmentierter Permanentmagnetring oder mehrere einzelne Permanentmagnete nebeneinander auf einem Rückschluß befestigt sind, der auf der Motorwelle aufgebracht ist. Bei Motoren mit niedrigen Polzahlen ist dieser mehrpolige Permanentmagnetring nachteilig, weil die Magnetwand eine erhebliche Dicke haben muß und somit eine sehr große Menge magnetischen Materials benötigt wird.

Die EP 1 263 116 offenbart einen Rotor, auf dessen Außenumfang Permanentmagnete aufgebracht sind. Die Permanentmagnete sind in Form eines Ringes angeordnet und in eine Vielzahl von Segmenten aufgeteilt, welche so magnetisiert sind, daß eine Halbach-Magnetisierung angenähert wird.

Während Rotoranordnungen mit Halbach-Magnetisierung zahlreiche Vorteile haben, besteht auch hier das Problem, daß der Permanentmagnetring auf dem Außenumfang des Rotors bei niedrigen Polzahlen vergleichsweise dick ist und somit übermäßig viel magnetisches Material benötigt wird.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Rotoranordnung für eine elektrische Maschine anzugeben, die auch bei niedrigen Polzahlen mit vertretbarem Aufwand hergestellt werden kann.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Verfahrensschritten gemäß Anspruch 1 sowie durch eine Rotoranordnung mit den Merkmalen von Anspruch 6 gelöst.

Erfindungsgemäß wird eine Rotoranordnung hergestellt, indem Permanentmagnete aus einem isotropen Magnetmaterial in einen Rotorkörper eingebettet werden und den Permanentmagneten anschließend durch eine externe Magnetisierungseinrichtung eine Magnetisierung aufgeprägt wird, die wenigstens näherungsweise einer Halbach-Magnetfeldverteilung entspricht.

Vorzugsweise werden die Permanentmagnete in dem Rotorkörper speichenförmig angeordnet. Die externe Magnetisierungsvorrichtung besteht vorzugsweise aus einer Reihe von Magnetisierungsspulen, die außen am Rotorkörper angeordnet und symmetrisch zu den Permanentmagneten positioniert werden, wobei die Magnetisierungsspulen bei Aktivierung Magnetisierungsfeldlinien erzeugen, welche den eingebetteten Permanentmagneten eine Halbach-Magnetisierung aufprägen, ohne daß hierzu eine spezielle Auslegung der Spulen und/oder der Permanentmagnete notwendig wäre. Die eingebetteten Permanentmagnete aus isotropem Magnetmaterial erhalten somit automatisch eine magnetische Ausrichtung, die einer Halbach-Magnetfeldverteilung wenigstens näherungsweise entspricht.

In einer bevorzugten Ausführung der Erfindung wird jeder Pol der Rotoranordnung durch mehrere speichenförmig angeordnete Einzelmagnete gebildet, wobei es besonders vorteilhaft ist, jeweils einen Pol aus zwei einander zugeordneten Permanentmagneten aufzubauen.

In einer weiteren vorteilhaften Abwandlung der Erfindung erzeugen die Magnetisierungsspulen Magnetisierungs-Feldlinien, welche relativ zur Längsrichtung des Rotorkörpers schräg verlaufen, um eine Schrägung der Magnetisierung der Permanentmagnete zu erreichen. Dadurch ergibt sich eine zusätzlich Verringerung des Rastmoments.

Die Erfindung sieht auch eine Rotoranordnung für eine elektrische Maschine vor, die einen Rotorkörper und in den Rotorkörper eingebettete Permanentmagnete aus einem isotropen Material aufweist. Den Permanentmagneten ist eine Magnetisierung aufgeprägt, welche wenigstens näherungsweise einer Halbach-Feldverteilung entspricht. Vorzugsweise sind die Permanentmagnete in dem Rotorkörper speichenförmig angeordnet. Besonders vorteilhaft wird jeder Pol der Rotoranordnung durch mehrere Einzelmagnete gebildet.

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung ergibt sich insbesondere bei Rotoren mit niedrigen Polzahlen eine ganz erhebliche Reduktion des erforderlichen Magnetmaterials. Durch die speichenförmige Anordnung der eingebetteten Permanentmagnete aus isotropem Material und die externe Magnetisierung kann ferner auf einfachste Weise eine Halbach-Magnetisierung der Permanentmagnete erzielt werden, welche die eingangs erläuterten Vorteile hat. Je mehr Permanentmagnete bzw. Speichen pro Pol der Anordnung vorgesehen sind, desto besser kann die Magnetisierung an eine tatsächliche Halbach-Feldlinienverteilung angenähert werden. Durch Verwenden von isotropem Magnetmaterial und externen Magnetisierungsspulen stellt sich die gewünschte Halbach-Magnetisierung automatisch ein, ohne daß theoretische Modellbildungen und Berechnungen für die Auslegung der Permanentmagnete und der Magnetisierungseinrichtung notwendig wären.

Die Erfindung ist im folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren zeigen:
1 und 2 die Halbach-Magnetisierung eines Rotorrings und die zugehörige Feldlinienverteilung für einen Innenläufermotor bzw. für einen Außenläufermotor;
3 eine schematische Darstellung eines Magnetrings für eine Rotoranordnung mit einer mehrpoligen Halbach-Magnetisierung;
4 eine schematische Teilansicht eines Elektromotors mit einer Rotoranordnung mit speichenförmigen Permanentmagneten gemäß dem Stand der Technik;
5 eine schematische Teilansicht eines Elektromotors mit einer Rotoranordnung gemäß der Erfindung;
6 eine schematische Draufsicht auf eine Rotoranordnung mit einer externen Magnetisierungseinrichtung gemäß der Erfindung;
7 eine schematische Draufsicht auf eine externe Magnetisierungseinrichtung zur Erzeugung einer geschrägten Magnetisierung der erfindungsgemäßen Rotoranordnung.
1 und 2 zeigen die Magnetisierung und die korrespondierende Feldlinienverteilung für einen Permanentmagnetring einer Rotoranordnung gemäß einer Innenläuferkonfiguration (1) bzw. einer Außenläuferkonfiguration (2). Bei einer Halbach-Magnetisierung ist die Feldlinienverteilung im Luftspalt zwischen Rotor und Stator inhärent sinusförmig, wodurch ein theoretisch minimales Rastmoment entsteht und sich eine im wesentlichen sinusförmige EMK-Wellenform ergibt. Da die magnetischen Feldlinien innerhalb des Rotors durch die Halbach-Magnetanordnung weitgehend ohne Streufluß geführt werden und somit quasi einseitig abgeschirmt werden, kann der Permanentmagnetring auf einen Rotorkörper aufgebracht werden, welcher keinen Eisenrückschluß benötigt, wie aus der Feldlinienverteilung der 1 und 2 ersichtlich ist.
3 zeigt schematisch eine mehrpolige Magnetisierung eines Magnetrings 14 einer Rotoranordnung mit Halbach-Magnetisierung. Wie aus 3 ersichtlich, benötigt eine solche Rotoranordnung mit einer niedrigen Polzahl einen relativ dicken Magnetring, um die gewünschte Halbach-Feldlinienführung zu erzeugen.
4 zeigt eine Teilansicht eines Elektromotors mit einer Rotoranordnung mit eingebetteten speichenförmigen Permanentmagneten gemäß dem Stand der Technik. Die Rotoranordnung umfaßt einen Rotorkörper 20, der auf einen Träger 22 aufgebracht ist. Über den Träger 22 ist der Rotorkörper auf einer Welle (nicht gezeigt) angebracht. Der Rotorkörper 20 bildet einen magnetischen Rückschluß, in den Permanentmagnete 24, 26 eingebettet sind, welche speichenförmig angeordnet sind. Ein magnetischer Pol der Rotoranordnung wird jeweils durch ein Permanentmagnetpaar 24, 26 gebildet. Der Rotorkörper 20 ist koaxial in einen Stator 30 eingefügt.
Auf der rechten Seite der 4 ist eine vergrößerte Ansicht der Rotoranordnung 20 dargestellt, in der die Magnetisierungsrichtung der Permanentmagnete 24, 26 durch Pfeile gekennzeichnet ist. Im Stand der Technik werden insbesondere anisotrope Magnete in den Rotorkörper 20 eingebettet, die senkrecht zu ihrer Längserstreckung magnetisiert sind. Dadurch ergibt sich die in 4 dargestellte Verteilung der magnetischen Feldlinien.
5 zeigt eine Teilansicht eines Elektromotors mit einer Rotoranordnung gemäß der Erfindung. Die Rotoranordnung umfaßt einen Rotorkörper 40, der bei der gezeigten Ausführung auf einen Träger 42 aufgebracht ist. Der Rotorkörper 40 ist aus mehreren Blechen oder Massiveisen hergestellt; er kann bei angepaßter Magnetgeometrie auch aus Kunststoff hergestellt werden. Der Träger 42 dient zum Anbringen des Rotorkörpers 20 an einer Welle (nicht gezeigt) und zur Positionierung des Rotorkörpers und der darin eingebetteten Permanentmagnet 44, 46. Die Permanentmagnete 44, 46 können in den Rotorkörper 40 eingespritzt sein, wobei in diesem Fall der Träger 42 bei der Herstellung der Rotoranordnung zweckmäßig in das Spritzwerkzeug eingelegt wird, um eine einheitlich Rotoranordnung zu bilden. Der Rotorkörper 40 kann jedoch auch so ausgebildet sein, daß er die Magnete 44, 46 in hierzu vorgesehenen Taschen an dem Träger 42 befestigt. In einer anderen Ausführung der Erfindung kann der Rotor auch insgesamt aus einem Kunststoffteil bestehen, ohne daß ein Eisenrückschluß vorgesehen ist. Welle und Rotorkörper können auch ohne Zwischenschaltung eines Trägers miteinander verbunden werden.
Der Rotorkörper 40 ist koaxial in einen Stator 50 eingefügt.
Erfindungsgemäß sind die Permanentmagnete 44, 46 aus einem isotropen Magnetmaterial hergestellt, das nach dem Einbetten der Permanentmagnete in Rotorkörper 40 durch eine externe Magnetisierungsvorrichtung magnetisiert wird, um eine Halbach-Magnetisierung zu erzeugen, wie weiter unten noch näher erläutert ist. In der vergrößerten Darstellung auf der rechten Seite der 5 ist die Magnetisierungsrichtung der Permanentmagnete 44, 46 durch Pfeile dargestellt. Es ist erkennbar, daß die Permanentmagnete 44, 46 nicht senkrecht, sondern schräg zu ihrer Längserstreckung magnetisiert sind. Der sich ergebende Verlauf der magnetischen Feldlinien ist in 5 eingezeichnet.
6 zeigt schematisch eine Rotoranordnung und eine externe Magnetisierungseinrichtung gemäß der Erfindung. Die Rotoranordnung entspricht der Darstellung der 5 und ist hier nicht nochmals im einzelnen beschrieben. Um die Permanentmagnete 44, 46 aus isotropem Magnetmaterial erfindungsgemäß zu magnetisieren, werden am Außenumfang der Rotoranordnung Magnetisierungsspulen 52 angeordnet, die jeweils zu einem magnetischen Pol der Rotoranordnung symmetrisch angeordnet sind. Die Spulen 52 werden aktiviert und erzeugen Feldlinien, welche sich automatisch entlang Linien ausrichten, die einer Halbach-Magnetfeldverteilung entsprechen. Dadurch wird den Permanentmagneten 44, 46 eine entsprechende Halbach-Magnetisierung aufgeprägt.
Bei der gezeigten Ausführung ist jedem Magnetpol eine Spule 52 zugeordnet, wobei die Spule 52 am Außenumfang des Rotors 40, dem entsprechenden Pol gegenüberliegend angeordnet ist.
7 zeigt eine Abwandlung der Magnetisierungseinrichtung der 6. Auch in der Magnetisierungseinrichtung 54 der 7 ist eine Magnetspule 56 für jeden magnetischen Pol der Rotoranordnung (in 7 nicht gezeigt) vorgesehen. Die Magnetisierungseinrichtung 54 ist jedoch so ausgebildet, daß die Spulen 56 sich in axialer Richtung schräg erstrecken, um eine Schrägung der Magnetisierung der Permanentmagnete 44, 46 entlang der axialen Länge der Rotoranordnung zu erzeugen. Dadurch kann das von dem Elektromotor erzeugte Rastmoment reduziert werden.
Die Ausbildung der erfindungsgemäßen Rotoranordnung mit eingebetteten speichenförmigen Permanentmagneten aus isotropem Material, welchen durch eine externe Magnetisierungseinrichtung eine Halbach-Magnetisierung aufgeprägt wird, ist auf einfache Weise und mit einem Minimum an magnetischem Material realisierbar. Durch Erzeugung der Halbach-Magnetisierung ist es auch möglich, den Rotorkörper ohne Eisenrückschluß auszuführen. Es ist möglich, den Rotorkörper aus einem Kunststoffträger herzustellen, in welchen die Magnete eingebettet werden. Dadurch entstehen in den Magneten keine oder nur sehr geringe thermische Spannungen, so daß keine Bruchgefahr für die Magnete besteht. Eine besonders einfache Ausgestaltung ergibt sich, wenn der Rotorkörper direkt auf die Welle aufgespritzt wird.
Erfindungsgemäß kann die Halbach-Magnetisierung der Permanentmagnete ohne theoretische Modellbildung oder mathematisch berechnete Auslegung der Permanentmagnete realisiert werden. Die erfindungsgemäße Anordnung eignet sich sowohl für niedrige als auch für hohe Polzahlen. Trotz Verwendung von Einzelmagneten mit einfacher Magnetform kann eine Halbach-Magnetisierung erreicht werden.
Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offenbarten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein.

20: Rotorkörper
22: Träger
24, 26: Permanentmagnete
30: Stator
40: Rotorkörper
42: Träger
44, 46: Permanentmagnete
50: Stator
52: Magnetisierungsspulen
54: Magnetisierungseinrichtung
56: Magnetisierungsspulen

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Rotoranordnung für eine elektrische Maschine, bei dem ein Rotorkörper (40) bereitgestellt wird und Permanentmagnete (44, 46) aus einem isotropen Magnetmaterial in den Rotorkörper eingebettet werden, wobei den Permanentmagneten durch eine externe Magnetisierungseinrichtung (52; 56) eine Magnetisierung aufge prägt wird, die wenigstens näherungsweise einer Halbach-Magnetfeldverteilung entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine externe Magnetisierungsspule (52; 56) relativ zu dem Rotorkörper (40) und den darin eingebetteten Permanentmagneten (44, 46) positioniert und aktiviert wird, um Magnetisierungs-Feldlinien zu erzeugen, um die eingebetteten Permanentmagnete (44, 46) zu magnetisieren.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Magentisierungsspule (52; 56) Magnetisierungs-Feldlinien erzeugt, die relativ zur Längsrichtung des Rotorkörpers (40) schräg verlaufen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete (44, 46) speichenförmig in dem Rotorkörper (40) angeordnet werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Pol der Rotoranordnung durch mehrere Einzelmagnet (44, 46) gebildet wird.
Rotoranordnung für eine elektrische Maschine, mit einem Rotorkörper (40), in den Permanentmagnete (44, 46) aus einem isotropen Magnetmaterial eingebettet sind, wobei den Permanentmagnete (44, 46) eine Magnetisierung aufgeprägt ist, die wenigstens näherungsweise einer Halbach-Magnetfeldverteilung entspricht.
Rotoranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Permanentmagnete (44, 46) speichenförmig in dem Rotorkörper (40) angeordnet sind.
Rotoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Pol der Rotoranordnung durch mehrere Einzelmagnet (44, 46) gebildet ist.