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Die Erfindung bezieht sich auf einen Rotor für eine elektrische Maschine nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Stand der Technik
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Aus der
DE 102 16 098 A1 ist ein Rotor für eine elektrische Maschine bekannt, die als bürstenlose Gleichstrommaschine ausgeführt ist. Der Rotor weist einen Rotorkörper auf, welcher als Lamellenpaket mit einer Vielzahl parallel angeordneter und aneinanderliegender Einzellamellen ausgeführt ist, sowie vier über den Umfang verteilt angeordneter Permanentmagnete, die an der Mantelfläche des Rotorkörpers angeordnet sind. Die Permanentmagnete weisen jeweils einen D-förmigen Querschnitt auf („Brotlaibform“) und liegen mit ihrer geradlinigen Längsseite an der Mantelfläche des Rotorkörpers an. Insgesamt sind über den Umfang verteilt vier Permanentmagnete mit D-förmigem Querschnitt angeordnet, der Rotorkörper besitzt entsprechend eine quadratische Querschnittsform mit vier außen liegenden, geradlinigen Seitenflächen zur Aufnahme der Permanentmagnete. Zur Halterung bzw. Positionierung der Permanentmagnete weist der Rotorkörper in den Eckbereichen im Übergang zwischen den geradlinigen Mantelflächen einstückig angeformte Federelemente auf, welche die Umfangsstirnseiten der Permanentmagnete seitlich mit einer Klemmkraft beaufschlagen. Die Umfangsstirnseiten der Permanentmagnete sind geradlinig und in einem rechten Winkel zur geraden Seitenfläche angeordnet, mit der die Permanentmagnete am Rotorkörper anliegen. Bei der Gestaltung der Federelemente und der Permanentmagnete ist auf einen möglichst ungestörten Verlauf der Magnetfeldlinien zu achten.
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Offenbarung der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen konstruktiven Maßnahmen eine kompakt bauende, effizient arbeitende elektrische Maschine mit einem Rotor mit Permanentmagneten anzugeben.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die abhängigen Ansprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
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Der Rotor wird in elektrischen Maschinen mit Permanenterregung eingesetzt, insbesondere in bürstenlosen DC-Motoren. Der Rotor weist einen Rotorkörper auf, der Träger mehrerer über den Umfang verteilt angeordneter Permanentmagnete ist. Jeder Permanentmagnet weist einen D-förmigen Querschnitt auf („Brotlaibform“), deren geradlinige, sich in Umfangsrichtung bzw. tangential zur Umgangsrichtung erstreckende Längsseite an der Mantelfläche des Rotorkörpers anliegt, die bevorzugt ebenfalls gerade ausgebildet ist, so dass ein flächiges Anliegen der Permanentmagnete an den Rotorkörper gegeben ist, vorzugsweise über die gesamte axiale Länge der Permanentmagnete. Die konvex gerundete Außenseite der Permanentmagnete befindet sich auf der radial außen liegenden Seite. Die umfangsstirnseitigen Abschnitte der Permanentmagnete, die die geradlinige Längsseite mit der konvex gerundeten Außenseite verbinden, sind bevorzugt geradlinig ausgeführt und nehmen mit der Längsseite zweckmäßigerweise einen rechten Winkel ein. Möglich ist auch eine bauchige bzw. gerundete Ausführung der umfangsstirnseitigen Abschnitte.
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Die Ausführung der Permanentmagnete mit D-förmigem Querschnitt hat den Vorteil, dass im Bereich zu schalenförmigen Magneten eine größere Dicke in der Mitte der Magnete – in Umfangsrichtung gesehen – gegeben ist. Trotz kompakter Abmessungen sind auf diese Weise verhältnismäßig hohe Leistungsdichten zu erzielen. Die brotlaibförmigen Permanentmagnete haben den Vorteil, dass im Gegensatz zu Schalenmagneten größere Magnetpolbreiten erreicht werden können, die im Zusammenspiel mit den Magnetdicken und den magnetischen Orientierungen – in Umfangsrichtung gesehen – wiederum eine höhere Leistungsdichte und ggf. geringere Rastmomente bewirken.
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Für eine formschlüssige Positionierung bzw. Halterung und Befestigung der Permanentmagnete am Rotorkörper ist in die am Rotor anliegende Längsseite der Permanentmagnete eine Formschlussvertiefung eingebracht, der an der Mantelfläche des Rotorkörpers eine radial nach außen gerichtete Formschlusserhebung zugeordnet ist, die in die Formschlussvertiefung einragt. Auf diese Weise kann in Umfangsrichtung eine formschlüssige Verbindung zwischen den Permanentmagneten und dem Rotorkörper realisiert werden. Über die Anordnung der Formschlussverbindung an den Permanentmagneten bleibt die Breite – in Umfangsrichtung gesehen – des Permanentmagneten unbeeinflusst.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung befindet sich die Formschlussvertiefung im Permanentmagneten mit Abstand zu beiden Umfangsstirnseiten, insbesondere mittig in der Längsseite, so dass der Abstand zu beiden Umfangsstirnseiten gleich groß ist. Diese Ausführung hat den Vorteil, dass die Formschlussvertiefung aufgrund des Abstandes zu den Umfangsstirnseiten und der grundsätzlich größeren radialen Erstreckung des Permanentmagneten zu keiner signifikanten Schwächung bezüglich des Magnetflusses und der Entmagnetisierfestigkeit führt. Die Formschlussvertiefung erstreckt sich bevorzugt über die gesamte axiale Länge der Permanentmagnete, dementsprechend ist auch die radial nach außen gerichtete Formschlusserhebung am Umfang des Rotorkörpers über die axiale Länge der Permanentmagnete ausgebildet. Der Rotorkörper und die Permanentmagnete weisen zweckmäßigerweise die gleiche axiale Länge auf, wobei grundsätzlich auch unterschiedliche axiale Längen in Betracht kommen, beispielsweise größere Längen des Rotorkörpers als der Permanentmagnete. Des Weiteren ist es möglich, dass über die axiale Länge mehrere Rotorkörper und/oder Permanentmagnete hintereinander angeordnet sind.
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Die Formschlussvertiefung an der Längsseite der Permanentmagnete und die zugeordnete Formschlusserhebung an der Mantelfläche des Rotorkörpers weisen beispielsweise eine rechteckförmige Geometrie auf.
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Gemäß einer weiteren Ausführung sind die Permanentmagnete mit D-förmigem Querschnitt ebenfalls formschlüssig am Rotorkörper gehalten, was dadurch erreicht wird, dass in die am Rotorkörper anliegende Längsseite der Permanentmagnete eine seitliche, den Umfangsstirnseiten benachbarte Fase eingebracht ist, an der eine am Rotorkörper angeordnete und radial nach außen gerichtete Formschlusserhebung anliegt. Die Formschlusserhebung ist insbesondere einteilig bzw. einstückig mit dem Rotorkörper ausgebildet. Die Fase erstreckt sich unter einem Winkel zwischen der geradlinigen Längsseite, welche an der Mantelfläche des Rotorkörpers anliegt, und der Umfangsstirnseite des Permanentmagneten, so dass die Gesamtbreite – in Umfangsrichtung gesehen – des Permanentmagneten durch die Fase nicht reduziert wird. Zugleich kann die Querschnittslängsseite, welche am Rotorkörper anliegt, ohne Formschlussvertiefung ausgebildet sein, wenngleich auch Ausführungen möglich sind, bei denen eine derartige Formschlussvertiefung in die Längsseite eingebracht ist und am Rotorkörper eine entsprechende, radial nach außen gerichtete Formschlusserhebung angeordnet ist.
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Zweckmäßigerweise sind an beiden Umfangsstirnseiten der Permanentmagnete jeweils Fasen eingebracht, an denen eine Formschlusserhebung des Rotorkörpers anliegt. Die Formschlusserhebungen können sich im Eckbereich an der Mantelfläche des Rotorkörpers im Übergang zwischen benachbarten, winklig zueinander stehenden Flächenbereichen befinden, an denen jeweils ein Permanentmagnet anliegt. Dies eröffnet die Möglichkeit, dass ein Formschlussvorsprung an seitlichen Fasen benachbarter Permanentmagnete anliegt und somit die Permanentmagnete in Umfangsrichtung formschlüssig hält.
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Zusätzlich zu der formschlüssigen Verbindung zwischen Permanentmagneten und dem Rotorkörper kommen auch weitere Verbindungsmaßnahmen in Betracht, beispielsweise ein Verkleben der geraden Längsseite der Permanentmagnete mit dem geraden Mantelflächenabschnitt am Rotorkörper.
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Gemäß noch einer weiteren zweckmäßigen Ausführung weisen die Permanentmagnete eine magnetische Ausrichtung auf, die zumindest annähernd parallel anisotrop orthogonal zur Längsseite der Permanentmagnete gerichtet ist und somit im montierten Zustand sich orthogonal zum Mantelflächenabschnitt erstreckt, an dem der jeweilige Permanentmagnet anliegt. Diese Ausführung hat Vorteile für die Rastmoment- und Geräuschoptimierung sowie Vorteile bei der Baugröße und der Stromaufnahme.
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Der Rotorkörper besteht vorzugsweise aus einer Mehrzahl aneinanderliegender, parallel zueinander angeordneter Einzellamellen, vorzugsweise Blechlamellen, die Träger der Permanentmagnete sind.
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Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
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1 einen Rotor einer permanenterregten Synchronmaschine, die als Innenläufermotor ausgebildet ist, mit einer Rotorwelle, einem als Blechpaket ausgebildeten Rotorkörper und mehreren über den Umfang verteilt angeordneter Permanentmagnete, dargestellt in perspektivischer Ansicht,
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2 der Rotor in stirnseitiger Ansicht,
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3 eine 1 entsprechende Darstellung mit einem Rotor in einer alternativen Ausführung,
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4 eine Ansicht der Stirnseite des Rotors gemäß 3.
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In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In den 1 und 2 ist ein erstes Ausführungsbeispiel für einen Rotor 1 für eine elektrische Maschine dargestellt, die als permanenterregter Innenläufermotor ausgebildet ist. Der Rotor 1 weist eine Rotorwelle 2 auf, die Träger eines Rotorkörpers 3 ist, welcher aus einer Vielzahl einzelner Blechlamellen besteht. An der Mantelfläche des Rotorkörpers 3 sind über den Umfang verteilt mehrere Permanentmagnete 4 angeordnet, die die gleiche axiale Länge wie der Rotorkörper 3 aufweisen. Der Rotor ist vierpolig mit insgesamt vier Permanentmagneten 4 ausgebildet. Gegebenenfalls kommen auch höherpolige Ausführungen in Betracht.
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Jeder Permanentmagnet 4 besitzt einen D-förmigen Querschnitt („Brotlaibform“) mit einer geradlinigen Längsseite, die unmittelbar an der Mantelfläche des Rotorkörpers 3 anliegt, und einer gegenüberliegenden, radial außen liegenden, konvex geformten Außenseite 6. Die Umfangsstirnseiten der Permanentmagnete 4 sind mit dem Bezugszeichen 7 gekennzeichnet.
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Die Mantelfläche des Rotorkörpers 3 ist an die Anzahl der Permanentmagnete 4 angepasst und besitzt im Ausführungsbeispiel vier geradlinige Mantelflächenabschnitte 8, die zueinander in einem 90°-Winkel angeordnet sind, so dass der Rotorkörper 3 einen quadratischen Querschnitt besitzt. In die Längsseite 5 jedes Permanentmagneten 4 ist eine mittig angeordnete, sich über die axiale Länge der Permanentmagnete erstreckende Formschlussvertiefung 9 eingebracht, welche in Radialrichtung sich radial nach außen erstreckt. Der Formschlussvertiefung 9 in den Permanentmagneten 4 ist jeweils eine Formschlusserhebung 10 an der Mantelfläche 8 des Rotorkörpers 3 zugeordnet. Die Formschlussvertiefung 9 befindet sich in Umfangsrichtung ebenso wie die Formschlusserhebung 10 mittig an der Umfangsstirnseite 7 bzw. dem Mantelflächenabschnitt des Rotorkörpers. Aufgrund der mittigen Anordnung weist die Formschlussvertiefung 9 zu den beiden gegenüberliegenden Umfangsstirnseiten 7 den gleichen Abstand auf, entsprechendes gilt für die Positionierung der Formschlusserhebung 10 an der Mantelfläche des Rotorkörpers 3, die zu den Eckbereichen jeweils den gleichen Abstand aufweist. Die Formschlussvertiefung 9 und die zugeordnete Formschlusserhebung 10 besitzen jeweils eine rechteckförmige Querschnittsgestalt. Durch den Eingriff der Formschlusserhebung 10 in die Formschlussvertiefung 9 ist in Umfangsrichtung eine formschlüssige Verbindung zwischen den Permanentmagneten 4 und dem Rotorkörper 3 gegeben. Zusätzlich können die Längsseiten 5 auch noch mit der Mantelfläche 8 verklebt sein.
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In den 3 und 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Rotors 1 mit Permanentmagneten 4 dargestellt. Auch in diesem Ausführungsbeispiel weist der Rotorkörper 3, der an der Rotorwelle 2 angeordnet ist, einen quadratischen Querschnitt auf und besteht aus einer Vielzahl hintereinander liegender, parallel angeordneter Blech- bzw. Einzellamellen. Über den Umfang verteilt sind insgesamt vier Permanentmagnete 4 angeordnet, die in Umfangsrichtung formschlüssig mit dem Rotorpaket 3 verbunden sind. Die Permanentmagnete 4 und der Rotorkörper 3 besitzen die gleiche axiale Länge. Jeder Permanentmagnet 4 weist einen D-förmigen Querschnitt auf.
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In die geradlinige Längsseite 5, mit der die Permanentmagnete 4 an der Mantelfläche 8 des Rotorkörpers 3 anliegen, ist keine Formschlussvertiefung eingebracht. Die Formschlussverbindung wird vielmehr über Formschlussvorsprünge 10 hergestellt, die einstückig an dem Rotorkörper 3 angeformt sind und sich im Eck- bzw. Übergangsbereich zwischen zwei Mantelflächenabschnitten an der Mantelfläche 8 radial nach außen erstrecken. Im Übergang zwischen der Längsseite 5 und den Umfangsstirnseiten 7 befindet sich an jedem Permanentmagnet 4 jeweils eine Fase 11, an der die Formschlussvorsprünge 10 anliegen. Die Fase 11 erstreckt sich unter einem Winkel von beispielsweise 45° sowohl zur Längsseite 5 als auch zur jeweiligen Umfangsstirnseite 7. Der Formschlussvorsprung 10 ist an diesem Winkel angepasst. Bei einer 45°-Ausrichtung der Fasen 11 und einer entsprechenden Ausrichtung der Formschlussvorsprünge 10 dienen diese zur Begrenzung und Halterung bzw. Positionierung von zwei angrenzenden Permanentmagneten 4. Somit liegt ein Formschlussvorsprung 10 an zwei Fasen 11 benachbarter Magnete 4 an.
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Zusätzlich zu der Formschlussverbindung können die Permanentmagnete 4 über ihre Längsseite 5 auch mit der Mantelfläche 8 des Rotorkörpers 3 verklebt sein.
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Die Permanentmagnete 4 weisen in den Ausführungsbeispielen gemäß den 1 bis 4 jeweils eine magnetische Ausrichtung auf, die parallel anisotrop zur Längsseite 5 der Permanentmagnete gerichtet ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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