-
Gebiet der Erfindung
-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine permanentmagneterregte elektrische Maschine, bei der starke Permanentmagnete an einem Stator und/oder einem Rotor angeordnet sind.
-
Stand der Technik
-
Elektrische Maschinen hoher Leistung werden beispielsweise in Form von Synchronmaschinen häufig als Motoren bzw. Generatoren in Elektro- oder Hybridantrieben für Kraftfahrzeuge eingesetzt. Alternativ werden elektrische Maschinen häufig als Generatoren in Windkraftanlagen eingesetzt. Die elektrische Maschine weist dabei einen ortsfesten Stator sowie einen Rotor, der sich relativ zu diesem Stator um eine Rotationsachse rotieren lässt, auf.
-
Um mit einer elektrischen Maschine, wenn sie als Motor eingesetzt wird, hohe Kräfte erzeugen zu können bzw. um mit der elektrischen Maschine, wenn sie als Generator eingesetzt wird, starke elektrische Ströme generieren zu können, müssen innerhalb der elektrischen Maschine starke magnetische Felder erzeugt werden. In permanentmagnetisch erregten elektrischen Maschinen werden zu diesem Zweck an dem Rotor bzw. an dem Stator starke Permanentmagnete vorgesehen.
-
Beispielsweise in der
DE 10 2009 029 274 A1 wird eine permanentmagneterregte Synchronmaschine beschrieben, bei der starke Permanentmagnete in dem Rotor vorgesehen sind.
-
Starke Permanentmagnete werden häufig aus teueren Materialien, wie zum Beispiel Seltenen Erden, hergestellt und tragen daher erheblich zu den Gesamtkosten der elektrischen Maschine bei.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Die hierin vorgeschlagene permanentmagneterregte elektrische Maschine ermöglicht in ihren Ausführungsformen eine erhebliche Kostenreduzierung im Vergleich zu herkömmlichen permanentmagneterregten elektrischen Maschinen.
-
Es wird vorgeschlagen, Permanentmagnete, die an einem Stator und/oder einem Rotor einer permanentmagneterregten elektrischen Maschine angeordnet sind, mit wenigstens einem ersten und einem zweiten makroskopischen Teil-Permanentmagneten auszubilden. Die beiden oder mehrere Teil-Permanentmagneten sollen dabei aus verschiedenen Materialien ausgebildet sein, die unterschiedliche Koerzitivfeldstärken besitzen.
-
Die erfindungsgemäße permanentmagneterregte elektrische Maschine kann unter anderem als auf den folgenden Erkenntnissen und Ideen basierend angesehen werden:
Ein Ziel bei der Entwicklung von elektrischen Maschinen ist üblicherweise unter anderem, bei möglichst gleichbleibender Leistung die Kosten zu reduzieren. Bei permanentmagneterregten elektrischen Maschinen betragen die Materialkosten üblicherweise bis zu 80 % der Gesamtkosten, das heißt, nur etwa 20 % der Gesamtkosten entfallen auf die Fertigung. Innerhalb der Materialkosten sind Kosten für das Magnetmaterial der Permanentmagnete einer der größten Faktoren. Dabei richten sich die Kosten für das Magnetmaterial in der Regel nach dem darin enthaltenen Anteil an Seltenen Erden sowie der Art der darin enthaltenen Seltenen-Erden-Materialien. Im Allgemeinen kann davon ausgegangen werden, dass das verwendete Magnetmaterial umso kostenintensiver ist, je höher dessen magnetische Koerzitivfeldstärke bei hohen Temperaturen ist.
-
Unter der magnetischen Koerzitivfeldstärke wird dabei diejenige magnetische Feldstärke verstanden, die notwendig ist, um eine ferromagnetische Substanz vollständig zu entmagnetisieren, so dass der resultierende magnetische Gesamtfluss bzw. die lokale magnetische Flussdichte gleich Null sind. Je höher die Koerzitivfeldstärke ist, desto besser behält ein Magnet seine Magnetisierung, wenn er einem magnetischen Gegenfeld ausgesetzt wird.
-
Typischerweise gilt außerdem, dass die magnetische Remanenz umso geringer ist, je höher die Koerzitivfeldstärke ist. Unter der magnetischen Remanenz kann hierbei der Restmagnetismus bzw. die Restmagnetisierung verstanden werden, die ein vorher durch ein externes Magnetfeld magnetisierter Gegenstand nach Entfernen des äußeren Feldes beibehält. Da die magnetische Remanenz ein Maß für die Stärke eines Magnets darstellen kann, gilt im Allgemeinen, dass Materialien, die eine hohe magnetische Koerzitivfeldstärke aufweisen, ein schwächeres permanentes Magnetfeld erzeugen als Materialien mit niedrigerer magnetischer Koerzitivfeldstärke.
-
Im Betrieb einer elektrischen Maschine werden die magnetischen Eigenschaften der darin eingesetzten Permanentmagnete unterschiedlich ausgenutzt. Es wurde beispielsweise erkannt, dass es in der elektrischen Maschine Bereiche gibt, in denen eine hohe Gefährdung für eine Entmagnetisierung des dort angeordneten permanentmagnetischen Materials existiert. Da die in solchen entmagnetisierungskritischen Bereichen erzeugten Magnetfelder häufig besonders wichtig für die Erzielung eines hohen Wirkungsgrades der elektrischen Maschine sind, werden insbesondere in elektrischen Maschinen, mit denen hohe Leistungen umgesetzt werden sollen, meist Permanentmagnete eingesetzt, die eine hohe Koerzitivfeldstärke aufweisen.
-
Allerdings erhöhen sich hierdurch die Kosten der elektrischen Maschine erheblich. Außerdem ist aufgrund der hohen magnetischen Koerzitivfeldstärke des eingesetzten Materials zwar das Risiko einer lokalen Entmagnetisierung reduziert, eine von derartigen Permanentmagneten erzeugte magnetische Feldstärke kann jedoch geringer sein als bei einer Verwendung von Permanentmagneten mit geringerer magnetischer Koerzitivfeldstärke.
-
Angesichts dieser Erkenntnis wird daher vorgeschlagen, die in einer elektrischen Maschine eingesetzten Permanentmagnete zumindest zweiteilig, möglichweise auch mehrteilig, auszubilden. Die für die beiden Teil-Permanentmagneten verwendeten Materialien sollen sich hierbei hinsichtlich der von Ihnen bewirkten Koerzitivfeldstärken unterscheiden.
-
Die Teil-Permanentmagnete sollen dabei makroskopische Abmessungen, das heißt beispielsweise ein Volumen von mehr als 1mm3, vorzugsweise mehr als 10 mm3, aufweisen.
-
Durch das Vorsehen eines solchen wenigstens zweiteiligen Permanentmagneten in einer elektrischen Maschine können von den Teil-Permanentmagneten erzeugte magnetische Eigenschaften an jeweils lokal innerhalb der elektrischen Maschine vorherrschende Erfordernisse angepasst werden. Beispielsweise kann hochwertiges und somit teueres Magnetmaterial mit hoher Koerzitivfeldstärke insbesondere da eingesetzt werden, wo es funktionelle Belange der elektrischen Maschine erfordern. In Bereichen mit geringeren Anforderungen, beispielsweise an die Koerzitivfeldstärke, können entsprechend preiswertere Materialien mit höherer Remanenz zum Einsatz kommen.
-
Die elektrische Maschine kann entmagnetisierungskritische Bereiche aufweisen, in denen während eines Betriebs der Maschine eine erhöhte Wahrscheinlichkeit einer Entmagnetisierung eines Permanentmagneten, beispielsweise aufgrund hoher lokaler Temperatur und/oder starker magnetischer Felder, besteht. Unter einem entmagnetisierungskritischen Bereich kann hierbei insbesondere ein Bereich verstanden werden, bei dem während des normalen Betriebs der elektrischen Maschine derart hohe Temperaturen und/oder Magnetfelder herrschen können, dass es bei weniger entmagnetisierungsresistentem Magnetmaterial, wie es beispielsweise für die zweiten Teil-Permanentmagnete verwendet werden kann, innerhalb der Lebensdauer der elektrischen Maschine zu einer die Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine signifikant verschlechternden Entmagnetisierung kommen kann. Ein Permanentmagnet, der teilweise in einem solchen entmagnetisierungskritischen Bereich angeordnet ist, kann dann in dem entmagnetisierungskritischen Bereich einen ersten Teil-Permanentmagneten aus einem Material mit höherer magnetischer Koerzitivfeldstärke aufweisen und außerhalb des entmagnetisierungskritischen Bereichs einen zweiten Teil-Permanentmagneten aus einem Material mit niedrigerer magnetischer Koerzitivfeldstärke aufweisen.
-
Positionen, an denen sich in einer konkreten elektrischen Maschine entmagnetisierungskritische Bereiche befinden, können dabei beispielsweise durch Messen einer lokalen Temperaturverteilung innerhalb der elektrischen Maschine und/oder Messen einer lokalen Verteilung der magnetischen Feldstärke und insbesondere von Änderungen der magnetischen Feldstärke während des Betriebs der elektrischen Maschine ermittelt werden. Alternativ können die entmagnetisierungskritischen Bereiche teilweise auch mit Hilfe von Simulationen ermittelt oder zumindest abgeschätzt werden. Das Auftreten von Bereichen, in denen während des Betriebs der elektrischen Maschine besonders hohe Temperaturen entstehen bzw. besonders starke oder stark schwankende magnetische Felder herrschen, kann hierbei sehr stark von der geometrischen und elektrischen Auslegung der elektrischen Maschine abhängen.
-
Es wurde beispielsweise erkannt, dass bei elektrischen Maschinen, bei denen typischerweise zwischen dem Stator und dem Rotor ein Luftspalt existiert und Permanentmagnete in der Nähe dieses Luftspalts angeordnet sind, ein Bereich, der dem Luftspalt näher liegt, in der Regel entmagnetisierungskritischer ist als ein Bereich ferner von dem Luftspalt. In Bereichen näher zu dem Luftspalt kann der Permanentmagnet daher einen ersten Teil-Permanentmagneten aus einem Material mit höherer magnetischer Koerzitivfeldstärke aufweisen, wohingegen der Permanentmagnet in dem Bereich ferner von dem Luftspalt einen zweiten Teil-Permanentmagneten aus einem Material mit niedrigerer magnetischer Koerzitivfeldstärke aufweisen kann.
-
Um starke Permanentmagnete zu bilden, werden seit vielen Jahren ferromagnetische Materialien eingesetzt, die Seltenerde-Materialien enthalten. Beispielsweise können mit Neodym-Eisen-Bor-Verbindungen (NdFeB) sehr starke Permanentmagnete hergestellt werden, wie sie in elektrischen Maschinen zur Erzeugung hoher Leistungsdichten beispielsweise zur Verwendung in Fahrzeugantrieben oder in Windrädern eingesetzt werden. Es wurde erkannt, dass bei solchen Magnetmaterialien eine Koerzitivfeldstärke durch Beimischen von Dysprosium (Dy) erhöht werden kann.
-
Allerdings ist Dysprosium verhältnismäßig teuer. Es wird daher vorgeschlagen, lediglich den in entmagnetisierungskritischen Bereichen anzuordnenden ersten Teil-Permanentmagneten mit ausreichend Dysprosium zu versehen, um die dort erreichbare magnetische Koerzitivfeldstärke signifikant zu erhöhen, und den in den weniger bzw. nicht entmagnetisierungskritischen Bereichen anzuordnenden zweiten Teil-Permanentmagneten mit Magnetmaterial auszubilden, in dem kein Dysprosium enthalten ist bzw. so wenig Dysprosium enthalten ist, dass es zu keinem signifikanten Erhöhen der magnetischen Koerzitivfeldstärke kommt. Unter einem "signifikanten Erhöhen der Koerzitivfeldstärke" kann hierbei beispielsweise ein Erhöhen der Koerzitivfeldstärke aufgrund des beigefügten Dysprosiums um mehr als 10 %, vorzugsweise mehr als 20 %, im Vergleich zu dem gleichen magnetischen Grundmaterial, dem kein Dysprosium beigemischt wurde, verstanden werden.
-
Der erste Teil-Permanentmagnet, der hochwertiges, teueres Magnetmaterial enthalten soll, kann im Allgemeinen ein kleineres Volumen aufweisen als der zweite Teil-Permanentmagnet. Hierbei kann vorteilhaft ausgenutzt werden, dass die entmagnetisierungskritischen Bereiche innerhalb der elektrischen Maschine meist verhältnismäßig klein sind und es genügt, lediglich in diesen kleinen Bereichen entsprechend kleine erste Teil-Permanentmagnete hoher Qualität anzuordnen. Beispielsweise kann der erste Teil-Permanentmagnet weniger als 30 %, vorzugsweise weniger als 10 % des Volumens des zweiten Teil-Permanentmagnetens aufweisen.
-
Der erste und der zweite Magnet können fest miteinander verbunden sein. Beispielsweise können die beiden Teil-Permanentmagnete miteinander verklebt sein. Die beiden Teil-Permanentmagnete können dabei bereits vor einer Montage in die elektrische Maschine miteinander verbunden werden, so dass sie während der Montage einfach als Einheit gehandhabt werden können. Alternativ können die beiden Teil-Permanentmagnete einzeln in der elektrischen Maschine angeordnet werden und erst dort miteinander verbunden werden. Hierzu können die beiden Teil-Permanentmagnete beispielsweise mit Hilfe eines aushärtbaren Materials, wie beispielsweise Epoxidharz, umgeben und somit sowohl miteinander verbunden als auch innerhalb der elektrischen Maschine fixiert werden.
-
In einer häufigen Ausgestaltung weist die elektrische Maschine in dem Rotor und/oder in dem Stator Ausnehmungen, welche teilweise auch als Taschen bezeichnet werden, auf, in denen jeweils ein oder mehrere Permanentmagnet(e) aufgenommen und anschließend in der Ausnehmung fixiert wird. Bei der hierin vorgeschlagenen elektrischen Maschine können nun sowohl der erste Teil-Permanentmagnet als auch der zweite Teil-Permanentmagnet in einer gemeinsamen Ausnehmung aufgenommen werden. Insbesondere wenn die beiden Teil-Permanentmagnete bereits vorab miteinander verbunden wurden, können somit ähnliche oder gleiche Herstellungsprozesse weiter verwendet werden, wie sie bei elektrischen Maschinen mit herkömmlichen einstückigen Permanentmagneten eingesetzt werden.
-
Es wird darauf hingewiesen, dass mögliche Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen der Erfindung hierin teilweise mit Bezug auf eine permanentmagneterregte elektrische Maschine bzw. deren Bauteile und teilweise mit Bezug auf ein Verfahren zum Herstellen einer solchen elektrischen Maschine beschrieben sind. Ein Fachmann wird erkennen, dass die verschiedenen Merkmale in geeigneter Weise miteinander kombiniert oder ausgetauscht werden können, um zu weiteren Ausführungsformen und möglicherweise Synergieeffekten zu gelangen.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, wobei weder die Beschreibung noch die Zeichnungen als die Erfindung einschränkend auszulegen sind.
-
1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Rotors für eine erfindungsgemäße elektrische Maschine.
-
2 zeigt eine teilweise Draufsicht auf einen Rotor einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine.
-
3 zeigt eine teilweise Draufsicht auf einen alternativen Rotor für eine erfindungsgemäße elektrische Maschine.
-
4 zeigt eine teilweise Draufsicht auf eine weitere Alternative für einen Rotor für eine erfindungsgemäße elektrische Maschine.
-
Die Zeichnungen sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu.
-
Ausführungsformen der Erfindung
-
1 zeigt einen Rotorkörper 9 eines Rotors 15 für eine permanentmagneterregte elektrische Maschine. Zur Verbesserung der Übersicht wurde in 1 der Stator der elektrischen Maschine nicht dargestellt. In einer typischen Konstellation umgibt der Stator den Rotor 15 ringförmig und weist Elektromagnete auf, die gesteuert von einer Steuerung der elektrischen Maschine gezielt bestromt werden können.
-
Der Rotorkörper 9 setzt sich aus einem oder mehreren Lamellenpaket(en) 1 zusammen, die wiederum von einer Vielzahl übereinander gestapelter Lamellen 3 in Form dünner gestanzter Metallbleche gebildet werden. In jeder der Lamellen 3 sind in einem Bereich nahe dem Außenumfang im Wesentlichen rechteckige Ausstanzungen vorgesehen. Die übereinander gestapelten Lamellen 3 bilden durch die fluchtend angeordneten Ausstanzungen Ausnehmungen 5 innerhalb des Rotorkörpers 9.
-
In den Ausnehmungen 5 werden bei einem Zusammenbau des Rotors 15 quaderförmige Permanentmagnete 7 aufgenommen. Alternativ können quaderförmige Körper aus magnetisierbarem ferromagnetischem Material in die Ausnehmungen 5 eingebracht und nachträglich zu Permanentmagneten magnetisiert werden. Die quaderförmigen Magnete 7 weisen dabei eine Geometrie auf, die im Wesentlichen gleich der Geometrie der Ausnehmungen ist, wobei die Magnete 7 geringfügig kleiner sind als die Ausnehmungen, um beim Einbringen der Magnete 7 in die Ausnehmungen 5 aufgrund eines ausreichenden seitlichen Spielraums ein Verklemmen oder Verkanten der Magnete 7 in den Ausnehmungen 5 zu vermeiden. Die Magnete 7 können dann beispielweise durch Einbringen einer aushärtbaren Verguss- oder Klebemasse in verbleibende Hohlräume 11 innerhalb der Ausnehmungen 5 oder mechanisch bzw. magnetisch fixiert werden.
-
Jeder der Permanentmagnete 7 weist einen ersten makroskopischen Teil-Permanentmagneten 21 und einen zweiten makroskopischen Teil-Permanentmagneten 23 auf. Der erste Teil-Permanentmagnet 21 enthält zusätzlich zu einem stark ferromagnetischen NdFeB-Grundmaterial einen signifikanten Anteil von Dysprosium, und weist somit eine hohe Koerzitivfeldstärke auf. Der Anteil von Dysprosium kann beispielsweise im Bereich von 5–10 Masse-% liegen. Der zweite Teil-Permanentmagnet 23 kann ebenfalls ein NdFeB-Grundmaterial aufweisen, ohne jedoch durch die Zugabe von Dysprosium eine signifikant erhöhte Koerzitivfeldstärke zu erhalten.
-
In den 2 und 3 sind alternative Ausführungsformen einer elektrischen Maschine 2 mit Hilfe von teilweisen Draufsichten veranschaulicht. Die elektrische Maschine 2 weist einen Stator 13 mit darin angeordneten Elektromagneten 17 sowie einen innerhalb des Stators 13 rotierbaren Rotor 15 auf. Zwischen dem Stator 13 und dem Rotor 15 ist ein kleiner Luftspalt 19 vorgesehen. Die in Ausnehmungen 5 angeordneten Permanentmagnete 7 sind wieder zweiteilig ausgebildet mit einem hochwertigen ersten Teil-Permanentmagneten 21 und einem zweiten Teil-Permanentmagneten 23 mit geringerer Koerzitivfeldstärke. Die ersten Permanentmagnete 21 sind hierbei näher zu dem Luftspalt 19 angeordnet als die zweiten Teil-Permanentmagnete 23, da erkannt wurde, dass insbesondere in der Nähe eines solchen Luftspalts während des Betriebs der elektrischen Maschine 2 lokal hohe Temperaturen und/oder starke Magnetfelder bzw. stark schwankende Magnetfelder auftreten können und somit in der Nähe dieses Luftspalts entmagnetisierungskritische Bereiche 25 auftreten, in denen während des Betriebs der elektrischen Maschine 2 eine erhöhte Gefahr einer lokalen Entmagnetisierung von dort vorgesehenem Magnetmaterial herrscht.
-
Während bei der in 2 dargestellten Ausführungsform ein gesamter zu dem Spalt 19 gerichteter flächiger Bereich der Permanentmagnete 7 von einem ersten Teil-Permanentmagneten 21 gebildet wird, kann bei der in 3 dargestellten Ausführungsform der Anteil an teuerem, hochwertigem Magnetmaterial weiter reduziert werden, indem ein erster Teil-Permanentmagnet 21 lediglich in Kantenbereichen innerhalb der Ausnehmungen 5 vorgesehen wird, wo der Abstand zu dem umlaufenden Spalt 19 am geringsten ist.
-
In 4 ist eine weitere Ausführungsform eines Rotors 15 für eine erfindungsgemäße elektrische Maschine dargestellt. Bei dieser Ausführungsform sind die Ausnehmungen 5 nicht quaderförmig sondern annähernd V-förmig. In Endbereichen der V-förmigen Ausnehmungen 5, die hin zu einem Luftspalt 19 ragen und somit in nächster Nähe zu diesem Luftspalt 19 und den dort auftretenden entmagnetisierungskritischen Bereichen sind, werden erste Teil-Permanentmagnete 21 mit Magnetmaterial hoher Koerzitivfeldstärke angeordnet. In von dem Spalt 19 weiter entfernten Bereichen der V-förmigen Ausnehmungen 5 werden zweite Teil-Permanentmagnete 23 mit niedrigerer Koerzitivfeldstärke angeordnet. Bei dem in 4 dargestellten Beispiel stehen die ersten und zweiten Teil-Permanentmagnete nicht in direktem mechanischem Kontakt zueinander sondern werden separat durch eine Verguss- oder Klebstoffmasse 27 innerhalb der Ausnehmung 5 fixiert.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102009029274 A1 [0004]
