DE102013212616A1

DE102013212616A1 - Rotor für eine elektrische Maschine, wobei an dem Rotor über seinen Umfang mehrere Rotorpole angeordnet sind

Info

Publication number: DE102013212616A1
Application number: DE102013212616.6A
Authority: DE
Inventors: Dieter Maier; Johannes Schmid; Bernd Reinsch; Steven Andrew Evans; Jochen Geissler; Arne Huber; Mario Peters; Heiko Sponar; Jochen Weidlich
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2013-06-28
Filing date: 2013-06-28
Publication date: 2014-12-31

Abstract

Rotor für eine elektrische Maschine und Verfahren zur Herstellung eines solchen Rotors, wobei an dem Rotor über seinen Umfang mehrere Rotorpole angeordnet sind, wobei zwischen den Rotorpolen Magnetelemente angeordnet sind, wobei die sich Magnetelemente radial nach außen hin verjüngen.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht von einer elektrischen Maschine nach der Gattung der unabhängigen Ansprüche aus.
In der DE-10 2010 064 259 A1 ist ein Rotor für elektrische Maschinen mit Magnetelementen gezeigt, die speichenförmig zwischen Rotorpolen angeordnet sind. Dabei sind zwischen den Rotorpolen radial außerhalb der Magnetelemente Haltemittel für die Magnetelemente angeordnet. Die Haltemittel sind stegartig zwischen den Rotorpolen ausgebildet als integrale Bestandteile der Rotorpole. Die Haltemittel sind aus einem federnden Metall geformt, da sie die Magnetelemente zwischen den Rotorpolen durch eine Federkraft eingeklemmt werden sollen.
Der vorhergehend beschriebene Rotor ist mit Nachteilen behaftet, denn die Rotorpole verbindenden Haltemittel vermindern die Effizienz der elektrischen Maschine. Ein vorteilhaft ausgebildetes magnetisches Feld im Spalt zwischen Rotor und Stator wird durch die Haltemittel verhindert. Das fehlende magnetische Feld bewirkt ein verringertes Nenndrehmoment und ein erhöhtes Rastmoment.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Der erfindungsgemäße Rotor für eine elektrischen Maschine mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche hat den Vorteil, dass sich die radial nach außen hin verjüngten Magnetelemente zuverlässig fixieren lassen, indem sich die Magnetelemente zwischen den Rotorpolen verkeilen. Die Magnetelemente lassen sich, ohne zusätzliche Haltemittel wie z.B. Haltenasen, Federn oder Klebstoff für die Magnetelemente, fixieren. Deshalb wird der magentische Fluss der Magnetelemente nicht durch Haltemittel gestört, was zur Steigerung der Effizienz der elektrischen Maschine führt, da das maximale Drehmoment erhöht ist. Weiter werden die Prozessschritte und der Werkstoff für die Haltemittel gespart, was einen ökonomischen Vorteil darstellt.
Vorteilhaft lässt sich der Luftspalt zwischen Rotorpol und Magnetelement schließen, wenn die Magnetelemente über ihre gesamte radiale Länge verjüngt sind. Dadurch kann die gesamte Kontaktfläche zwischen Magnetelement und Rotorpol durch die radiale Fliehkraft gegen die Rotorpole gepresst werden.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des Erfindungsgemäßen Rotors möglich. Der Rotor weist zwischen den Rotorpolen Ausnehmungen auf, die zu den Magnetelementen komplementär sind. Die erfindungsgemäß verjüngten Magnetelemente verkeilen sich aufgrund ihrer Verjüngung in Radialrichtung in den Ausnehmungen durch radial wirkende Fliehkräfte. Dabei werden die Luftspalte zwischen den Rotorpolen und den Magnetelementen weitgehend oder ganz geschlossen. Dadurch wird ein besonders guter magnetischer Fluss erreicht, was ein verringertes Rastmoment gegenüber Rotoren mit einem Luftspalt zwischen Magnetelement und Rotorpol zur Folge hat. Zudem wird durch das Verkeilen eine feste Positionierung der Magnetelemente im Rotor sichergestellt. Das führt zu konstanten Bedingungen bezüglich der Drehzahl für den Pfad des Magnetflusses, da die Lage der Magnetelemente in den Ausnehmungen im Rotor nicht von der Drehzahl des Rotors abhängt. So sind die Magnetelemente im Falle eines stehenden oder anlaufenden Rotors gleich positioniert, wie im Falle des stationären Laufs mit Nenndrehzahl. Damit ist auch das Rastmoment für alle Fälle gleich.
Bevorzugt weist der Rotor außen zwischen den Rotorpolen einen Spalt auf, der weiter außen angeordnet ist als die Magnetelemente und sich über die gesamte Länge des Rotors erstreckt. Die Rotorpole sind radial außen nicht miteinander verbunden, was einen magnetischen Kurzschlusse zwischen den Rotorpolen vermeidet. Durch den Spalt und das Vermeiden von Verbindungsstegen zwischen den Rotorpolen wird die Effizienz einer elektrischen Maschine mit einem erfindungsgemäßen Rotor erhöht, da das magnetische Feld der Magnetelemente aus den Rotorpolen beziehungsweise aus den Magnetelementen ungestört austreten und mit dem magentischen Feld des Stators wechselwirken kann. Bei einer besonders vorteilhaften Ausführung stehen die Rotorpole radial außen nicht über die Magnetelementen über, sodass die Rotorpole einen minimierten radial äußeren Polrand aufweisen. Dadurch kommt es zu einem erhöhten maximalen Drehmoment, da der magnetische Fluss an den Rotorpolen konzentriert wird.
Zwischen den Rotorpolen ist radial weiter innen eine Verbindung angeordnet. Dadurch wird radial benachbart zum Magnetelement ein Hohlraum ausgebildet, so dass ein direkter magnetischer Kurzschluss auch an der radialen Innenseite der Magnetelemente verhindert wird. Durch den Hohlraum bildet sich ein vorteilhafter Pfad für den magnetischen Fluss aus, und die Effizienz der elektrischen Maschine mit einem erfindungsgemäßen Rotor ist erhöht gegenüber einer herkömmlichen elektrischen Maschine. Weiter ist der Hohlraum vorteilhat für die Montage der Magnetelemente verwendbar, da in die Hohlräumen Presswerkzeuge eingreifen können. Die Verbindungen können eine gewisse Elastizität aufweisen, damit sich die verjüngten Magnetelemente vorteilhaft verkeilen können. Durch die elastischen Verbindungen kann jeder Luftspalt zwischen Magnetelement und Rotorpolen geschlossen werden, denn die Rotorpole können in Umfangsrichtung an die Magnetelementen anliegen.
Besonders günstig Herzustellen sind Magnetelemente mit einem symmetrisch trapezförmigen Querschnitt mit gleichlangen Schenkeln auf. Durch ihre blockartige Form weisen die Magnetelemente eine hohe Stabilität auf, die die Magnetelemente sowohl bei ihrem Herstellungsprozess als auch bei der Montage in den Rotor vor Beschädigungen, z.B. Brüchen oder Rissen, schützen. Der keilförmige, sich verjüngende Querschnitt solcher trapezförmigen Magnetelemente eignet sich sehr gut zu deren Fixierung durch Fliehkräfte und zum Schließen von Luftspalten zwischen Rotorpol und Magnetelement, da die Kontaktflächen an den beiden gleichlangen Schenkeln gleichmäßig an die Rotorpole gepresst werden. Zudem sind die trapezförmigen Magnetelemente geeignet, um Unwuchten des Rotors auszugleichen, denn die blockartig geformten Magnetelemente verteilen sich punktuell gleichmäßig über den Umfang des Rotors. Variiert man das Gewicht der Magnetelemente leicht, können so Unwuchten ausgeglichen werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung können die Magnetelemente einen unsymmetrischen trapezförmigen Querschnitt mit ungleichlangen Schenkeln auf weisen. Eine solche unsymmetrische Ausbildung ist besonders für Motoren geeignet, die nur in einer Drehrichtung betrieben werden. Die Magnetelemente weisen ebenfalls eine hohe Stabilität auf, die im Herstellungsprozess, bei der Montage und im Betrieb der elektrischen Maschine vorteilhaft ist, da die hohe Stabilität vor Beschädigungen wie z.B. Brüchen oder Rissen der Magnetelemente schützt. Aufgrund des unsymmetrischen Querschnitts liegt der Schwerpunkt der Querschnittsfläche nicht in der Mitte des Querschnitts. Dadurch kommt es zu einem Kippmoment bezüglich der Fliehkraft in der Querschnittsebene, und die Magnetelemente liegen aufgrund des Kippmoments in einer definierten Position an den benachbarten Rotorpolen an. Das hat zur Folge, dass die unsymmetrische Form der Magnetelemente das Rastmoment verringert. Ebenfalls können die Magnetelemente vorteilhaft zum Ausgleichen von Unwuchten genutzt werden.
Die Haltekraft, mit der die Magnetelemente geklemmt werden, ist von dem Winkel abhängig, den die Schenkel der trapezförmigen Querschnitte mit der Höhe der trapezförmigen Querschnitte einschließen. Nachdem die Magnetelemente in den Rotor gefügt sind, ist die Höhe der Querschnitte annähernd radial gerichtet. Der Winkel zwischen Höhe und Schenkel muss ein spitzer Winkel sein. Ein spitzer Winkel eignet sich besonders gut, um ein Verkeilen der Magnetelemente zwischen den Rotorpolen zu gewährleisten. Die Haltekraft, die durch den Spitzenwinkel und den Haftreibungskoeffizienten erzeugt wird, ist größer gegenüber einem stumpfen oder rechten Winkel. Einen Spitzenwinkel erreicht man durch Wahl eines Winkels zwischen 0,01° bis 22°. Ein Magnetelement mit einem Winkel von 0,01° besitzt eine hohe Haltekraft, während ein Magnetelement mit einem Winkel von 22° eine leichtere Demontage ermöglicht. Einen Kompromiss zwischen diesen beiden Fällen ist ein Magnetelement mit einem Winkel von 0,1° bis 10°. Ein Magnetelement mit einem Winkel zwischen 0,1° bis 5° stellt eine Ausführungsform dar, die eine hohe Haltekraft aufweist, aber dennoch zerstörungsfrei demontiert werden kann.
Die radial nach außen hin verjüngten Magnetelemente verkeilen sich in den Ausnehmungen zwischen den Rotorpolen auf vorteilhafte und kostengünstige Weise. Um einen zuverlässigen Halt der Magnetelemente in den Ausnehmungen zu gewährleisten muss der Haftreibungskoeffizient größer sein als der Tangens des Winkels mit dem sich die Magnetelemente verjüngen.
Vorteilhaft sind bogenförmig ausgebildete Magnetelemente, wobei ihre Keilform durch einen unterschiedlichen Radius auf der konvexen Seite gegenüber dem Radius auf der konkaven Seite erreicht wird. Durch die bogenförmigen Magnetelemente erreicht man eine im Durchmesser verkleinerte Rotorgeometrie, da die Magnetelemente sich zum Teil in tangentialer Richtung erstrecken.
Durch die bogenförmige Krümmung, die erreicht wird durch eine konkave Seite und eine konvexe Seite weisen die Magnetelemente eine größere Kontaktfläche zu den benachbarten Rotorpolen auf. Dadurch können größere Fliehkräfte übertragen werden. Die Fliehkräfte wiederum fixieren die Magnetelemente durch Verkeilen. Gleichzeitig ist das vorgeschlagene bogenförmige Magnetelement dazu geeignet, eine nahezu unveränderte Magnetisierung in Umfangsrichtung im Luftspalt zwischen Rotor und Stator bereitzustellen, sodass das Rastmoment verringert wird.
Besonders einfach kann die Keilform bei gekrümmten Magnetelementen erreicht werden, indem man die Radien der konvexen Seite und der konkaven Seite zueinander in eine tangentiale Richtung der Krümmung der Magnetelemente, die die Radien beschreiben, verschiebt.
Die Magnetelemente werden durch ein Pulver-Spritzgießverfahren, insbesondere durch ein Metallpulver-Spritzgießverfahren (MIM), gefertigt. Das Pulver-Spritzgießverfahren ermöglicht eine komplexe und präzise Formgebung, was vorteilhaft für die Herstellung von verjüngten Magneten ist. Es können verschiedenste Magnetmaterialien für die Herstellung der Magnetelemente verwendet werden. Für das MIM können Pulver aus z.B. Seltene-Erden-Magnete wie Neodym-Magneten oder Ferritmagnetstoffe verwendet werden. So können isotrope als auch anisotrope Magneten realisiert und elektrische Maschinen für verschiedenste Anwendungen hergestellt werden.
In vorteilhafter vorteilhaften Weise ist die Magnetisierung der Magnetelemente in Umfangsrichtung des Rotors gerichtet. Durch eine Magnetisierung in Umfangsrichtung können die speichenförmig angeordneten Magnetelemente ihre volle magnetische Wirkung entfalten. Die elektrische Maschine erreicht auf diese Weise eine hohe Effizienz.
Es können die Magnetelemente eine abwechselnde Richtung der Magnetpolausrichtung aufweisen und somit gleichartige Pole von zwei benachbarten Magneten gegeneinander gewandt sein. Solch eine Anordnung der Magnetelemente erzeugt einen starken magnetischen Fluss in den Rotorpolen und damit ein hohes Drehmoment der elektrischen Maschine. Um das Rastmoment zu verbessern bei gleichzeitig hohem Drehmoment, können die radialen äußeren Polränder der Rotorpole eine möglichst große Fläche, die sich durch die axiale Ausdehnung der Rotorpole und des Polrandes aufspannt, umfassen. Eine große Fläche hat den Vorteil, dass eine magnetische Sättigung vermieden wird. Weiter wird durch eine große Fläche eine homogene Magnetflussverteilung im Spalt zwischen Rotor und Stator gewährleistet, da der magnetische Fluss die Möglichkeit hat sich über die große Fläche zu verteilen.
Eine elektrische Maschine mit solch einem erfindungsgemäßen Rotor ist sehr effizient und weist ein niedrigeres Rastmoment gegenüber einer herkömmlichen elektrischen Maschine auf. Zudem erreicht man eine zuverlässige Befestigung der Magnete auch bei hohen Drehzahlen.
Zweckmäßiger Weise wird der Rotor in mehreren Verfahrensschritten hergestellt, wobei Verfahren zur Formgebung der Magnetelemente gewählt werden, die eine komplexe Formgestaltung zulassen. Die auf diese Verfahrensweisen geformten Magnetelemente werden in den Rotor eingefügt und radial in den Ausnehmungen eingepresst, um eine zuverlässige Fixierung zu erreichen.
Vorteilhaft können die Magnetelemente in den Ausnehmungen durch eine Rotation des Rotors fixiert werden. Durch diese kostengünstige Art der Fixierung wird ein Teil der Herstellungszeit für einen Rotor gespart.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
1: ein Querschnitt eines erfindungsgemäßen Rotors mit symmetrisch trapezförmigen Magnetelementen
2: ein Querschnitt eines erfindungsgemäßen Rotors mit unsymmetrisch trapezförmigen Magnetelementen
3: ein Querschnitt eines erfindungsgemäßen Rotors mit gekrümmten Magnetelementen, die sich spiralförmig von dem Mittelpunkt des Rotors aus erstrecken
4: ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine, wobei der Stator aufgeschnitten ist, sodass ein Rotor zu sehen ist
Ausführungsformen der Erfindung
In 1 ist ein Rotor 10 für eine elektrische Maschine 12 in einer Querschnittsdarstellung gezeigt. Mittig im Rotor 10 ist ein Rotorring 14 angeordnet, wobei der Rotorring 14 einen Wellensitz 16 bildet. Entlang der Umfangsrichtung 18 sind am Rotorring 14 Rotorpole 20 gleichmäßig verteilt. Die Rotorpole 20 erstrecken sich speichenförmig radial vom Rotorring 14 aus. Die Rotorpole 20 sind mit Fortsätzen 22 an dem Rotorring 14 befestigt. Die Fortsätze 22 können elastisch sein, sodass die Rotorpole 20 in Umfangsrichtung 18 beweglich sind. Die Fortsätze 22 können aus dem gleichen Material wie die Rotorpole 20 sein. Die Fortsätze 22 können auch aus einem anderen Material z.B. einem Kunststoff oder einem Federstahl gebildet werden. Zwischen den Rotorpolen 20 sind Magnetelemente 24 in Ausnehmungen 26 angeordnet.
Die Magnetelemente 24 verjüngen sich radial nach außen hin. Dabei verjüngen sich die Magnetelemente 24 kontinuierlich über ihre gesamte radiale Länge. Es wäre eine weitere Ausführungsform denkbar, bei der sich die Magnetelemente 24 nicht kontinuierlich verjüngen. Weiter wäre eine stufenweise Verjüngung denkbar oder eine Verjüngung, die über einen Teil der gesamten Länge des Magnetelements 24 geht.
Die radialen Ausnehmungen 26 sind zwischen den sich radial erstreckenden Rotorpolen 20 über deren gesamte radiale Länge ausgeformt. Die Rotorpole 20 weisen über deren gesamten Länge radial verlaufende Längsränder 28 auf, die die Ausnehmungen 26 begrenzen. Die Längsränder 28 sind zweigeteilt in einen ersten Unterabschnitt 30 und einen zweiten Unterabschnitt 32. Die Ausnehmungen 26 weisen somit den ersten Unterabschnitt 30 und den zweiten Unterabschnitt 32 auf. Der erste Unterabschnitt 30 endet radial weiter innen als der zweite Unterabschnitt 32. In dem ersten Unterabschnitt 30 ist das Magnetelement 24 eingefügt. Die Magnetelemente 24 sind komplementär zu den ersten Unterabschnitten 30. Die Magnetelemente 24 besitzen die gleiche Form wie der erste Unterabschnitt 30, sodass sie durch ihre verjüngte Form einen Kraftschluss mit dem ersten Unterabschnitt 30 der Ausnehmungen 26 bilden. Der ersten Unterabschnitt 30 weist einen ersten Randabschnitt 34 auf, der den ersten Unterabschnitt 30 begrenzt und gleichzeitig Teil des Längsrands 28 ist. Die Magnetelemente 24 liegen in Umfangsrichtung 18 an dem ersten Randabschnitt 34 des ersten Unterabschnittes 30 an. Die Rotorpole 20 und die Magnetelemente 24 weisen gemeinsame Kontaktflächen 36 auf, die sich radial entlang des ersten Randabschnitts 34 und axial auf der Länge des Rotors 10 ausdehnen. Der zweite Unterabschnitt 32 weist einen zweiten geraden Randabschnitt 38 auf, der den zweiten Unterabschnitt 32 begrenzet und auch Teil des Längsrandes 28 ist. Es sind auch Ausführungsformen mit einem geschwungenen oder geknickten zweiten Randabschnitt 22 vorstellbar. Der zweite Unterabschnitt 32 ist vorzugsweise gering radial ausgedehnt, damit die Magnetelemente 24 möglichst radial weit außen sitzen können.
Radial außen an den Magnetelementen 24 angrenzend und zwischen den Rotorpolen 20 ist ein Spalt 40 ausgebildet. Der Spalt 40 erstreckt zwischen einer radial äußeren Kante 42 des Magnetelements 24 bis zu einem Polrand 44 des Rotors 10 und über die gesamte axiale Länge des Rotors 10. Die Rotorpole 20 sind radial außen auf der gesamten Länge des Rotors 10 nicht miteinander verbunden. Es ist denkbar den Rotor 10 mit einem Kunststoff zu umspritzen, dabei würde der Spalt 40 gefüllt werden. Die Magnetelemente 24 können dabei bis zum radial äußeren Polrand 24 der Rotorpole 20 reichen oder über den äußeren Polrand 24 radial hinausragen. Bei einer solchen Ausbildung würde dann auf den Spalt verzichtet.
Die Rotorpole 20 weisen eine Verbindung 46 auf, die radial innen liegt. Die Verbindung 46 erstreckt sich entlang des Rotorrings 14 über die Fortsätze 22. Die Verbindung 46 ist von den Magnetelementen 24 radial soweit beabstandet, dass sich ein Hohlraum 48 zwischen der Verbindung 46 und den Magnetelementen 24 ausbildet. Der Hohlraum 48 liegt radial weiter innen als das Magnetelement 24 und grenzt an das Magnetelement 24 an. Der Hohlraum 48 erstreckt sich vom Rotorring 14 bis zu der dem Rotorring 14 zugewandten Seite der Magnetelemente 24 und der Rotorpole 20.
Die Magnetelemente 24 weisen einen symmetrisch trapezförmigen Querschnitt 50 auf. Der symmetrisch trapezförmige Querschnitt 50 weist gleichlange Schenkel 52 auf. Die Schenkel 52 bilden Kontaktflächen 36 mit den ersten Unterabschnitten 30 der Rotorpole 20. Die Rotorpole 20 sind ebenfalls symmetrisch. Da der zweite Randabschnitt 38 des zweiten Unterabschnittes 32 nicht in Umfangsrichtung 18 zu den Magnetelemente 24 geneigt sind, steht der zweite Randabschnitt 38 nicht über die äußere Kante 42 der Magnetelemente 24 über.
In den folgenden Ausführungsbeispielen sind für die gleichen Bauteile jeweils die gleichen Bezugszahlen verwendet.
2 zeigt einen Rotor 10 mit Magnetelementen 24, die einen unsymmetrischen trapezförmigen Querschnitt 54 aufweisen mit ungleichlangen Schenkeln 56. Dabei ist ein erster Schenkel 58 des Magnetelements 24 kürzer als ein zweiter Schenkel 60. Die Magnetelemente 24 sind derart zwischen Rotorpolen 20 angeordnet, dass der erste Schenkel 58 dem zweiten Schenkel 60 eines benachbarten Magnetelements 24 zugewandt ist. Die Rotorpole 20 sind dabei unsymmetrisch. Es ist auch eine andere Ausführungsform denkbar, bei der die ersten Schenkel 58 zweier benachbarter Magnetelemente 24 einander zugekehrt sind. Solch eine Anordnung würde zu symmetrischen Rotorpolen 20 führen. Der erste Randabschnitt 34 eines ersten Unterabschnittes 30 und der zweite Randabschnitt 38 des zweiten Unterabschnittes 32 liegen auf einer Geraden. Es ist eine weitere Ausführungsform möglich, bei der der zweite Randabschnitt 38 und der ersten Randabschnitt 34 nicht auf einer Geraden liegen. Also fluchtet der zweite Randabschnitt 38 nicht mit dem ersten Randabschnitt 34. Das führt zu einem knickförmigen Übergang 62 des ersten Unterabschnittes 30 zum zweiten Unterabschnitt 32. Dieser knickförmige Übergang 62 kann optional einen radialen Anschlag für die Magnetelemente 24 bilden.
Die Magnetelemente 24 weisen einen trapezförmigen Querschnitt 50, 54 auf. Der trapezförmige Querschnitt 50, 54 verjüngt sich nach außen hin. Der trapezförmige Querschnitt 50, 54 weist eine Höhe 64 auf. Die Höhe 64 ist näherungsweise senkrecht zur äußeren Kante 42 der Magnetelemente 24. Mit der Höhe 64 schließt wenigstens ein Schenkel 52, 56, vorzugsweise auf seiner gesamten Länge, einen Winkel 66 ein. Die Höhe 64 ist annähernd radial zum Rotor 64 gerichtet. Der Winkel 66 beträgt 0,01° bis 22°, insbesondere 0,1° und 10°, vorzugsweise 0, 1° bis 5°.
Die Magnetelemente 24 verkeilen sich durch die radial nach außen hin verjüngte Form zwischen den Rotorpolen 20 in den Ausnehmungen 26. Das Verkeilen ist abhängig von dem Haftreibungskoeffizienten zwischen Rotorpol 20 und Magnetelement 24, von der Oberflächenbeschaffenheit der Magnetelemente 24 und dem Winkel 66 der Verjüngung, den die Höhe 64 und ein Schenkel 52, 56 einschließt. Der Haftreibungskoeffizienten muss dabei größer sein als der Tangens des Winkels 66 mit dem sich die Magnetelemente 24 verjüngen. Um das Verkeilen zu verbessern ist eine Beschichtung denkbar, die den Haftreibungskoeffizient erhöht und die Oberflächenbeschaffenheit verbessert.
In 3 sind bogenförmig gekrümmte Rotorpole 20 eines Rotors 10 und dazu komplementäre bogenförmige Magnetelemente 24 gezeigt. Weiter können sich die Rotorpole 20 durch die bogenförmige Krümmung 68 auch in Umfangsrichtung 18 des Rotors 10 erstrecken. Die Rotorpole 20 sind spiralförmig um einen Rotorring 14 angeordnet. Zwischen den Rotorpolen 20 sind ebenfalls Ausnehmungen 26 ausgeformt. Die Ausnehmungen 26 werden in Umfangsrichtung 18 ebenfalls durch Längsränder 28 der Rotorpole 20 eingegrenzt. Die Ausnehmungen 26 erstrecken sich in radialer und Umfangsrichtung 18, sodass die Rotorpole 20 radial außen breiter sind als radial weiter innen. Die Ausnehmungen 26 sind in einen ersten Unterabschnitt 30 und einen zweiten Unterabschnitt 32 aufgeteilt. Der erste Unterabschnitt 30 weist einen bogenförmig gekrümmten ersten Randabschnitt 34 und der zweite Unterabschnitt 32 einen zweiten geraden Randabschnitt 38 auf. Der erste Randabschnitt 34 bildet einen Teil der spiralförmigen Längsränder 28 der Rotorpole 20. Der Übergang 62 vom ersten Unterabschnitt 30 zum zweiten Unterabschnitt 32 ist knickförmig. Der zweite Randabschnitt 38 steht radial über die radial äußerste Kante 42 des Magnetelements 24 über. Der zweite Randabschnitt 38 kann als Anschlag für die Magnetelemente 24 dienen. Eine weitere Ausführungsform wäre ein Rotor 10 mit einem zweiten Randabschnitt 32, der keinen knickförmigen Übergang 62 zum ersten Randabschnitt 30 bildet. Um einen statisch zuverlässigen Rotor 10 zu erhalten, kann ein Ring 78 im Durchmesser des Rotors 10 radial außen auf diesen angeordnet werden. Durch den Ring 78 sind die Rotorpole 20 und damit die Magnetelemente 24 radial fixiert.
Die Magnetelemente 24 sind komplementär zu dem ersten Unterabschnitt 30. Die Magnetelemente 24 weisen eine konvexe Seite 70 mit einem Radius 72 auf und eine konkaven Seite 74 mit einem entsprechenden Radius 76 auf. Der konvexe Radius 72 ist größer als der konkave Radius 76. Die konvexe Seite 70 und die konkave Seite 74 bilden mit den ersten Unterabschnitten 30 Kontaktflächen 36.
Die beiden Mittelpunkte 73, 75 der Radien 72, 76 sind zueinander verschoben so das die Magnetelemente 24 eine verjüngte Form aufweisen. Auf diese Weise erhält man radial nach außen hin verjüngte Magnetelemente 24. Eine weitere mögliche Ausführungsform sind nicht konstante Radien 72, 76. Dadurch werden auch die Magnetelemente 24 verjüngt. Denkbar sind auch Radien 72, 76 die gleichgroß, aber zueinander in tangentialer Richtung ihrer Krümmungen verschoben sind. Vorstellbar ist auch ein Magnetelement 24, dessen konvexe Seite 70 einen kleineren Radius 72 als die konkave Seite 74 aufweist, aber die Radien 72, 74 zueinander nicht verschoben sind. Die stetig verjüngte Form des Magnetelementes 24 wird dann erreicht, indem man das Magnetelement 24 an seinem senkrecht zur Krümmung 68 breitesten Ort ablängt.
Die Magnetelemente 24 können aus verschiedenen Werkstoffen gefertigt sein. Dabei umfassen die Magnetelemente 24 Werkstoffe, die magnetische Eigenschaften besitzen, wie NdFeB oder Ferrit. Insbesondere werden die Magnetelemente 24 mittels einem Metallpulver-Spritzgießverfahren (MIM) gefertigt, bei dem ein Metallpulver-Bindemittel-Gemisch in eine Form gespritzt wird.
Da die sich radial verjüngenden Magnetelemente 24 speichenförmig angeordnet sind, ist deren Magnetisierung näherungsweise in Umfangsrichtung 18 des Rotors 10 polarisiert. Es wäre auch eine radiale Polarisierung denkbar.
Benachbarte Magnetelemente 24 weisen eine entgegengesetzte Richtung des Magnetflusses 80 auf. Dadurch sind gleichartige Magnetpole 82 von jeweils zwei benachbarten Magnetelementen 24 gegeneinander gerichtet. Die Magnetflüsse 80 zweier benachbarter Magnetelemente 24 fließen so in den Rotorpolen 20 auf einander zu und bäumen sich radial auf. Der Magnetfluss 80 tritt senkrecht aus den Rotorpolen 20 am Polrand 44 heraus. Es sind auch anderweitige Polarisierungen der Magnetelemente 24 möglich. So können die Magnetelemente 24 radial polarisiert werden oder benachbarte Magnetelemente 22 paarweise die gleiche Richtung des Magnetflusses 80 aufweisen.
In 4 ist eine erfindungsgemäße elektrische Maschine 12 gezeigt. Die elektrische Maschine 12 umfasst einen Stator 84 und einen Rotor 10. Der Rotor 10 umfasst ein aus gestanzten Blechlamellen 86 zusammengesetztes Rotorpaket 88, eine Rotorwelle 90 und Magnetelemente 24. Das Rotorpaket 88 weist Rotorpole 20 auf. Die Magnetelemente 24 können im Rotorpaket 88 axial fixiert werden, indem die äußersten Blechlamellen 86 versetzt werden. Dabei können die Blechlamellen 86 in Umfangsrichtung 18 verdreht werden. Eine weitere Möglichkeit ist es, das Rotorpaket 88 in Teilpakete aus Blechlamellen 86 zu unterteilen und diese in Umfangsrichtung 18 zu versetzen. So können Magnetelemente 24 in jedem Teilpaket angeordnet und dadurch axial fixiert werden. In 4 ist die elektrische Maschine 12 mit dem Rotor 10 nach dem ersten Ausführungsbeispiel gezeigt. Es können auch die weiteren erfindungsgemäßen Rotoren 10 eingesetzt sein.
Ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors 10 mit den Magnetelementen 24 aus den vorherigen Figuren umfasst mehrere Schritte. Die unmagnetisierten Magnetelemente 24 können in die ersten Unterabschnitte 30 im Rotor 10 eingesetzt werden. Die Magnetelemente 24 werden axial in den Rotor 10 eingesetzt und dann radial nach außen gepresst. Dabei sind die radial innen angeordneten Hohlräume 48 groß genug, um Presswerkzeuge in den Hohlräumen 48 einzubringen und die Magnetelemente 24 radial nach außen zu pressen. Um die Magnetelemente 24 axial montieren zu können, weisen die Hohlräume 48 in Umfangsrichtung 18 bevorzugt eine größere Breite auf, als die Magnetelemente 24 an der radialen Innenseite. So können die Magnetelemente 24 in die Ausnehmungen 26 geführt werden und nach außen gepresst werden. Dadurch kommt es zum Verkeilen ungeachtet der Toleranzen der Magnetelemente 24 oder der Ausnehmungen 26. Danach kann der Rotor 10 mit den Magnetelementen 24 ausgewuchtet und die Magnetelemente 24 magnetisiert werden.
Die Magnetelemente 24 können durch eine Rotation des Rotors 10 in den Ausnehmungen 26 fixiert werden, indem die Fliehkräfte an den Magnetelementen 24 angreifen und diese die radial nach außen gegen die Kontaktflächen 36 pressen.
Es sei angemerkt, dass hinsichtlich der in den Figuren und in der Beschreibung gezeigten Ausführungsbeispiele vielfältige Kombinationsmöglichkeiten der einzelnen Merkmale untereinander möglich sind. Da die Magnetelemente 24 sich im ersten Unterabschnitt 30 der Ausnehmung 26 im Rotor 10 verkeilen, kann die Ausrichtung und Form des zweiten Randabschnitts 38 frei gestaltet werden. Durch diese freie Gestaltung des radial äußeren Polrandes 44 kann das Rastmoment beeinflusst werden. Die Erfindung eignet sich besonders für mechanisch empfindliche Magnetelemente 24, wie Seltene-Erden-Magnete, wobei diese auch mit einer Beschichtung, insbesondere aus ferromagnetisch leitendem Material, ausgeführt sein kann. Diese Beschichtung kann das Verkeilen der Magnetelemente 24 zwischen den Rotorpolen 20 zusätzlich verstärken, indem die Beschichtung den Haftkoeffizienten zwischen Magnetelemente 24 und Rotorpol 20 erhöht. Die elektrische Maschine 12 mit dem erfindungsgemäßen Rotor 10 findet vorzugsweise Anwendung für Stellantriebe und Hybridantriebe in Kraftfahrzeugen, insbesondere für eine Servolenkung, ist jedoch nicht auf solch eine Anwendung beschränkt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010064259 A1 [0002]

Claims

Rotor (10) für eine elektrische Maschine (12), wobei an dem Rotor (10) entlang seiner Umfangsrichtung (18) mehrere Rotorpole (20) angeordnet sind, wobei zwischen den Rotorpolen (20) Magnetelemente (24) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Magnetelemente (24) radial nach außen hin verjüngen.
Rotor (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Magnetelemente (24) radial nach außen hin über ihre gesamte Länge kontinuierlich verjüngen.
Rotor (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den sich radial erstreckenden Rotorpolen (20) über deren gesamte Länge radiale Ausnehmungen (26) ausgeformt sind, wobei in den Ausnehmungen (26) die Magnetelemente (24) eingefügt sind, wobei die Ausnehmungen (26) komplementär zu den Magnetelementen (24) geformt sind, sodass sich die Magnetelemente (24) in den Ausnehmungen (26) verkeilen.
Rotor (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Rotorpolen (20) radial außen ein Spalt (40) gebildet ist, und die Rotorpole (20) außen nicht miteinander verbunden sind.
Rotor (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorpole (20) eine Verbindung (46) aufweisen, die radial innen liegt, wobei die Verbindung (46) von den Magnetelementen (24) radial soweit beabstandet ist, dass ein Hohlraum (48) zwischen der Verbindung (46) und den Magnetelementen (24) ausgebildet ist
Rotor (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetelemente (24) einen trapezförmigen annähernd symmetrischen Querschnitt (50) aufweisen, wobei der trapezförmige annähernd symmetrische Querschnitt (50) annähernd gleichlange Schenkel (28) aufweist.
Rotor (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetelemente (24) einen trapezförmigen unsymmetrischen Querschnitt (54) aufweisen, wobei der unsymmetrische Querschnitt (50) ungleichlange Schenkel (56) aufweist.
Rotor (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetelemente (24) einen trapezförmigen Querschnitt (50, 54) aufweisen, wobei der trapezförmige Querschnitt (50, 54) sich nach außen hin auf annähernd seiner gesamten Länge verjüngt, wobei der trapezförmige Querschnitt eine Höhe (64) aufweist, mit der wenigstens ein Schenkel (56, 58), vorzugsweise auf seiner gesamten Länge einen Winkel (66) einschließt, wobei der Winkel (66) 0,01° bis 22°, insbesondere 0,1° bis 10°, vorzugsweise 0,1° bis 5° beträgt.
Rotor (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Magnetelemente (24) durch die radial nach außen hin verjüngte Form zwischen den Rotorpolen (20) in den Ausnehmungen (26) aufgrund eines Haftreibungskoeffizienten verkeilen, wobei der Haftreibungskoeffizienten größer sein muss als der Tangens des Winkels (66) mit dem sich die Magnetelemente (24) verjüngen.
Rotor (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetelemente (24) eine bogenförmige Krümmung (68) aufweisen.
Rotor (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetelemente (24) eine konvexe Seite (70) mit einem Radius (72) aufweisen, der gegenüber dem Radius (76) einer konkaven Seite (74) unterschiedlich ist.
Rotor (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Radien (72, 76) der Magnetelemente (24) in tangentialer Richtung der Krümmungen (68) verschoben sind.
Rotor (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetelemente (24) aus Seltenen-Erden, insbesondere NdFeB, oder aus Ferrit, – vorzugsweise als kunststoffgebundenes Magnetelement (24) – gebildet sind.
Rotor (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die radial verjüngten Magnetelemente (24) näherungsweise in Umfangsrichtung (18) des Rotors (10) magnetisiert sind.
Rotor (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Magnetelemente (24) eine entgegengesetzte Richtung des Magnetflusses (80) aufweisen.
Elektrische Maschine (12) mit einem Rotor (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, der drehbar innerhalb eines Stators (84) angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Rotors (10) für eine elektrische Maschine (12) vorzugsweise nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch ein axiales Einfügen der Magnetelemente (24) in Ausnehmungen (26) in einem Rotorpaket (88) und anschließendes radiales nach außen gerichtetes Einpressen der Magnetelemente (24) in die Ausnehmungen (26)
Verfahren zur Herstellung eines Rotors (10) für eine elektrische Maschine (12) nach Anspruche 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetelemente (24) durch eine Rotation des Rotors (10) in den Ausnehmungen (26) fixiert werden.