DE102021133606A1

DE102021133606A1 - Permanentmagnet-Synchronmotor

Info

Publication number: DE102021133606A1
Application number: DE102021133606.6A
Authority: DE
Inventors: Stephan Prüfling; Herbert Liebl; Lukas Kirzinger; Antoine Tan-Kim
Original assignee: AVL Software and Functions GmbH
Current assignee: AVL Software and Functions GmbH
Priority date: 2021-12-17
Filing date: 2021-12-17
Publication date: 2023-06-22

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Permanentmagnet-Synchronmotor, umfassend einen um eine Drehachse drehbaren Rotor, umfassend ein Rotorpaket, und einen Stator, wobei zwischen dem Rotor und dem Stator ein Luftspalt ausgebildet ist, wobei der Rotor eine in den Rotor integrierte Permanentmagnetanordnung mit einer ersten Magneteinheit, welche zumindest einen ersten Magneten aufweist, und einer zweiten Magneteinheit, welche zumindest einen zweiten Magneten aufweist, und wobei der Stator eine Wicklungsanordnung aufweist, und wobei eine erste Rotorbrücke und eine zweite Rotorbrücke vorgesehen sind, welche aus einem nicht-magnetischen Feststoff ausgebildet sind, wobei die erste Rotorbrücke mit dem ersten Magneten und die zweite Rotorbrücke mit dem zweiten Magneten zumindest kraftschlüssig verbunden sind, wobei die Rotorbrücken zumindest in einer Umfangsrichtung des Rotors gesehen voneinander beabstandet sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Permanentmagnet-Synchronmotor, umfassend einen um eine Drehachse drehbaren Rotor, umfassend ein Rotorpaket, und einen Stator, wobei zwischen dem Rotor und dem Stator ein Luftspalt ausgebildet ist, wobei der Rotor eine in den Rotor integrierte Permanentmagnetanordnung mit einer ersten Magneteinheit, welche eine erste Magnetisierungsrichtung aufweist, und einer zweiten Magneteinheit, welche eine zweite Magnetisierungsrichtung aufweist, welche unterschiedlich zu der ersten Magnetisierungsrichtung ist, und wobei der Stator eine Wicklungsanordnung aufweisen.
Derartige Permanentmagnet-Synchronmotoren sind aus dem Stand der Technik bekannt, weisen aber vielfach eine einfache Rotorbrücke zwischen den Magneteinheiten auf, welche durch das Rotorpaket selbst ausgebildet ist. Dadurch, dass das Rotorpaket aus einem Metall, also aus einem magnetisch gut leitenden Material ausgebildet ist, wirken sich diese Rotorbrücken nachteilig auf das elektromagnetische Verhalten des Permanentmagnet-Synchronmotors aus. Vielfach sind auch luftgefüllte Bereiche vorgesehen, jedoch können Rotorbrücken, welche auf Luft basierend ausgebildet sind, nicht entsprechend dimensioniert werden, da ansonsten die mechanische Stabilität des Rotors leiden könnte. Weiter sind derartige Rotorbrücken dahingehend limitiert, dass für die vorgesehenen Magneteinheiten Schulterelemente vorgesehen sein müssen, welche Massenkräfte der Magneteinheiten, die durch die Rotation des Rotors auftreten sowie aufnehmen können und diese in das Rotorpaket einleiten zu können. Meist sind die luftgefüllten Bereiche zwischen den Magneten und einer Oberfläche des Rotors angeordnet.
Es ist demnach die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Permanentmagnet-Synchronmotoren wie aus dem Stand der Technik bekannt in elektromagnetischer Funktionsweise zu verbessern, ohne dass die mechanische Stabilität verschlechtert wird.
Diese Aufgabe wird durch einen Permanentmagnet-Synchronmotor mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
Kerngedanke der Erfindung ist es, einen Permanentmagnet-Synchronmotor vorzusehen, umfassend einen um eine Drehachse drehbaren Rotor, umfassend ein Rotorpaket, und einen Stator, wobei zwischen dem Rotor und dem Stator ein Luftspalt ausgebildet ist, wobei der Rotor eine in den Rotor integrierte Permanentmagnetanordnung mit einer ersten Magneteinheit, welche zumindest einen ersten Magneten aufweist, und einer zweiten Magneteinheit, welche zumindest einen zweiten Magneten aufweist, und wobei der Stator eine Wicklungsanordnung aufweisen, wobei eine erste Rotorbrücke und eine zweite Rotorbrücke vorgesehen sind, welche aus einem nicht-magnetischen Feststoff ausgebildet sind, wobei die erste Rotorbrücke mit dem ersten Magneten und die zweite Rotorbrücke mit dem zweiten Magneten zumindest kraftschlüssig verbunden sind, wobei die Rotorbrücken zumindest in einer Umfangsrichtung des Rotors gesehen voneinander beabstandet sind.
Erfindungsgemäß ist es demnach vorgesehen, dass zwischen den Magneten das Rotorpaket weiterhin stark ausgebildet ist und dadurch das Reluktanzmoment in einer q-Koordinate wenig beeinflusst ist. Bevorzugt ist hinsichtlich des Permanent-Synchronmotors ein d-q-Koordinatensystem dargestellt. Dabei verläuft die d-Koordinate zwischen den Magneteinheiten und die q-Koordinate zwischen dem ersten Magneten und dem zweiten Magneten einer der Magneteinheiten. Hierdurch kann das Reluktanzmoment erhöht werden.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist der Permanentmagnet-Synchronmotor als Innenläufer ausgebildet, das heißt, dass der Stator den Rotor umgibt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist der erste Magnet der ersten Magneteinheit eine erste Magnetisierungsrichtung und der zweite Magnet der zweiten Magneteinheit eine zweite Magnetisierungsrichtung auf, wobei bevorzugt die erste Magnetisierungsrichtung und die zweite Magnetisierungsrichtung unterschiedlich zueinander sind.
Erfindungsgemäß ist die Permanentmagnetanordnung in dem Rotor beziehungsweise dem Rotorpaket integriert, das heißt, dass die Permanentmagnetanordnung in einem Inneren des Rotors angeordnet ist. Anders ausgedrückt ist die Permanentmagnetanordnung unterhalb einer Oberfläche des Rotors beziehungsweise des Rotorpakets angeordnet, sodass bevorzugt die Permanentmagnetanordnung von dem Rotor umschlossen ist.
Dementsprechend sind auch die Magneteinheiten, welche bevorzugt einen oder mehrere (Permanent-) Magnete umfassen, in dem Inneren des Rotors angeordnet. Besonders bevorzugt sind die Magneteinheiten beziehungsweise die Magnete, die in einer entsprechenden Geometrie und mit einer entsprechenden Magnetisierungsrichtung angeordnet sind.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die erste Magneteinheit den ersten Magneten und einen zweiten Magneten und die zweite Magneteinheit einen ersten Magneten und den zweiten Magneten umfasst.
Besonders bevorzugt ist die Permanentmagnetanordnung mit dem Rotor verklebt, beziehungsweise ist die Permanentmagnetanordnung in den Rotor eingeklebt.
Trotz dieser Klebeverbindung können sich die Magnete in radialer Richtung des Rotors gesehen aufgrund der Drehbewegung des Rotors bewegen, da die Klebewirkung zwischen den Magneten und dem Rotor nicht dazu ausreicht, eine Bewegung der Magnete relativ zum Rotor vollständig zu unterbinden. Daher ist im Stand der Technik, wie bereits beschrieben, ein Schulterelement im Rotor ausgebildet, gegen welches der Magnet gegenüber dem Rotor bei einer Bewegung relativ zum Rotor gestützt wird und die auftretenden Kräfte in den Rotor eingeleitet und abgeleitet werden können.
Mit der erfindungsgemäß vorgesehenen ersten Rotorbrücke und zweiten Rotorbrücke, welche mit der ersten Magneteinheit sowie der zweiten Magneteinheit und mit dem Rotor zumindest kraftschlüssig verbunden ist kann mittels der ersten Rotorbrücke und zweiten Rotorbrücke auf ein Schulterelement wie aus dem Stand der Technik verzichtet werden, da mittels der Rotorbrücken die auftretenden Kräfte in den Rotor geleitet werden können.
Durch die Rotorbrücken, die erfindungsgemäß aus einem nicht-magnetischen Feststoff und/oder nicht-magnetisch leitendenden Feststoff ausgebildet ist, können magnetische Streuverluste innerhalb des Rotors beziehungsweise des Rotorpakets verringert werden und der Fluss innerhalb des Motors durch die nicht-magnetisch leitende Eigenschaft gezielt geleitet bzw. gerichtet werden.
Zwischen Magneten beziehungsweise Magneteinheiten, welche bevorzugt unterschiedliche oder auch gleiche Magnetisierungsrichtungen aufweisen können, tritt ein magnetischer Fluss innerhalb des Rotors zwischen den Magneteinheiten auf, sodass magnetisch gesättigte Bereiche im Rotor entstehen, wodurch der magnetische Fluss von dem Rotor durch den Stator verringert ist. Insgesamt tragen rein im Rotor zirkulierende magnetische Streuflüsse im Rotor nicht zu der Drehmomenterzeugung des Motors bei. Mittels der erfindungsgemäßen ersten Rotorbrücke kann der Streufluss innerhalb des Rotors verringert werden, sodass insgesamt die Flussdichte im Luftspalt erhöht werden kann, wodurch das Drehmoment erhöht werden kann.
Gleiches gilt ebenso für das Reluktanzmoment, da eine erhöhte Differenz zwischen der d-Induktanz und der q-Induktanz vorliegen kann. Die Richtung der d-Induktanz ist bevorzugt zwischen dem ersten Magneten und dem zweiten Magneten einer Magneteinheit, und wobei bevorzugt die Richtung der q-Induktanz zwischen dem ersten Magneten der ersten Magneteinheit und dem zweiten Magneten der zweiten Magneteinheit verlaufend ist.
Insgesamt erhöht sich das möglich erreichbare Drehmoment des Permanentmagnet-Synchronmotors, welches gegeben ist durch die Gleichung: $M_{M} = \frac{3}{2} * Z p * (Ψ_{P M} * I_{q} + (L_{d} - L_{q}) * I_{d} * I_{q})$
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist die erste Rotorbrücke formschlüssig mit dem Rotor beziehungsweise dem Rotorpaket verbunden. Gleiches kann auch für die zweite Rotorbrücke gelten.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die erste Rotorbrücke und die zweite Rotorbrücke bündig mit einer ersten Oberfläche des Rotors sind. Die erste Oberfläche ist dabei derart zu verstehen, dass die erste Oberfläche die von der Drehachse in radialer Richtung gesehen am weitesten entfernte Oberfläche ist.
Durch ein derartiges Vorsehen der ersten Rotorbrücke und der zweiten Rotorbrücke kann das elektromagnetische als auch das mechanische Verhalten weiter verbessert werden, da ein gro-ßer Bereich des Rotors zwischen den Magneteinheiten, welcher magnetisch leitend ist, durch einen nicht-magnetisch leitenden Bereich eingegrenzt worden ist.
Weiter wird das mechanische Verhalten dahingehend verbessert, da aufgrund der zumindest kraftschlüssigen Verbindung der Rotorbrücken zu dem Rotor beziehungsweise dem Rotorpaket die mit Luft gefüllten Bereiche durch einen Feststoff ersetzt werden, wodurch insgesamt die Festigkeit des Rotors erhöht werden kann. Dünnwandig ausgebildete Bereiche aufgrund der mit Luft gefüllten Bereiche können vermieden werden. Durch das Vorsehen der Rotorbrücken bis zur ersten Oberfläche des Rotors kann der ersetzte Bereich weiter vergrößert werden. Ebenso kann durch eine gezielte Ausgestaltung der Rotorbrücken der magnetische Fluss gezielt gelenkt werden.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die Rotorbrücken zumindest teilweise oder vollständig aus einem Kunststoff ausgebildet ist. Dies hat den Vorteil, dass gegenüber dem Rotorpaket, je nach Kunststoff, Gewicht eingespart werden kann und der Rotor besonders leicht hergestellt werden kann, beispielsweise durch Einspritzen oder dergleichen.
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass die Rotorbrücken ein nicht-magnetischer bzw. ein nicht-magnetisch leitender Feststoff sind. Das bedeutet, dass jedes Material mit dieser Eigenschaft in Betracht kommen kann. Weitere Anforderungen, beispielsweise an die Temperaturbeständigkeit, Reißfestigkeit und dergleichen sind je nach Art des Synchronmotors noch mit zu berücksichtigen.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann es vorgesehen sein, dass die Rotorbrücken zumindest teilweise aus einem faserigen Material oder dergleichen ausgebildet ist.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Kunststoff derart ausgewählt, sodass dieser passend zu den jeweiligen vorgesehenen Spezifikationen des Synchronmotors ist, insbesondere hinsichtlich der Stabilität bei hohen Krafteinwirkungen, etwa bei hohen Drehzahlen, Temperaturbeständigkeit und dergleichen.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Kunststoff ein Polyetherketon (PEK). Besonders bevorzugt handelt es sich um Polyetheretherketon (PEEK), wobei auch andere Polyetherketone denkbar sind.
Ebenso kann es vorstellbar sein, dass die Rotorbrücken aus mehreren Materialien gebildet werden, beispielsweise Verbundstoffe und dergleichen oder Kombinationen mehrerer verschiedener Materialien.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die erste Rotorbrücke und die zweite Rotorbrücke jeweils eine erste Erstreckung in tangentialer Richtung und eine zweite Erstreckung in radialer Richtung des Rotors aufweist. Die Erstreckungen sind abhängig von der Anordnung der Magneteinheiten, des Radius des Rotors, des Abstandes der Magneteinheiten zueinander und der gewünschte Rückfluss zwischen den Magneten der Magneteinheiten, insbesondere die örtliche Ausbildung des Rückflusses zwischen den Magneteinheiten, da ein ausgehender magnetischer Fluss der Magneteinheiten gleich einem eingehenden magnetischen Fluss der Magneteinheiten entsprechen muss, basierend auf dem Ampereschen Gesetz.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass das Rotorpaket eine erste Nut und die jeweilige Rotorbrücke eine erste zu der ersten Nut komplementär ausgebildete Feder aufweisen, wodurch das Rotorpaket und die jeweilige Rotorbrücke formschlüssig verbunden sind.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass das Rotorpaket eine erste Feder und die jeweilige Rotorbrücke eine erste zu der ersten Feder komplementär ausgebildete Nut aufweist, wodurch das Rotorpaket und die jeweilige Rotorbrücke formschlüssig verbunden sind.
Grundsätzlich können auch mehrere Nuten und Federn vorgesehen sein, um die formschlüssige Verbindung zu erhalten. Ebenso können in dem Rotorpaket und/oder der ersten Rotorbrücken Nuten und Federn vorgesehen sein.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass eine Rotorbandage vorgesehen ist, welche in einer radialen Richtung des Rotors gesehen oberhalb der ersten Oberfläche angeordnet ist und den Rotor in einer tangentialen Richtung zumindest teilweise umschließt. Durch Rotorbandagen kann die Festigkeit des Rotors erhöht werden, wobei durch eine zusätzliche Rotorbandage der Luftspalt beziehungsweise der Abstand zwischen dem Rotor und dem Stator erhöht wird.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass die erste Magneteinheit einen zweiten Magneten und die zweite Magneteinheit einen ersten Magneten aufweist. Anders gesprochen weist die erste Magneteinheit einen ersten Magneten und einen zweiten Magneten auf, wobei ebenso die zweite Magneteinheit einen ersten Magneten und einen zweiten Magneten umfasst.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass eine von der ersten Rotorbrücke und der zweiten Rotorbrücke verschiedene dritte Rotorbrücke vorgesehen ist, welche aus dem nicht-magnetischen Feststoff oder einem weiteren nicht-magnetischen Feststoff ausgebildet ist, und welche unterhalb der ersten Oberfläche angeordnet ist und welche den ersten Magneten und den zweiten Magneten einer Magneteinheit zumindest kraftschlüssig verbindet.
Insbesondere ist es vorgesehen, dass die erste Rotorbrücke das erste Ende des Magneten bzw. der Magneteinheiten mit dem Rotorpaket verbindet. Gleiches kann auch für die zweite Rotorbrücke gelten. Weiter bevorzugt ist es vorgesehen, dass die dritte Rotorbrücke zweite Enden der Magnete bzw. der Magneteinheiten miteinander verbindet.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist es vorgesehen, dass jede Magneteinheit einen ersten Magneten und einen zweiten Magneten umfasst, welche V-förmig angeordnet sind. Denkbar sind auch weitere Anordnungen, wie beispielsweise Doppel-V-Anordnung, U-Anordnung, oder tangential verlaufende Anordnungen. Die Anzahl der Magnete ist der Anordnung entsprechend angepasst.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Weitere Ziele, Vorteile und Zweckmäßigkeiten der vorliegenden Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen zu entnehmen. Hierbei zeigen:

1A Permanentmagnet-Synchronmotor aus dem Stand der Technik;
1B Ausschnitt A der 1A;
1C Angabe des d-q Koordinatensystems;
2A Permanentmagnet-Synchronmotor in einer ersten Ausführungsform;
2B Permanentmagnet-Synchronmotor in einer zweiten Ausführungsform;
2C Permanentmagnet-Synchronmotor in einer dritten Ausführungsform;
2D Permanentmagnet-Synchronmotor in einer vierten Ausführungsform;
2E Permanentmagnet-Synchronmotor in einer fünften Ausführungsform.

In den Figuren sind gleiche Bauteile jeweils mit den entsprechenden Bezugszeichen zu verstehen. Zur besseren Übersichtlichkeit können in manchen Figuren Bauteile nicht mit einem Bezugszeichen versehen sein, die jedoch an anderer Stelle bezeichnet worden sind.
In der 1A ist ein Teil einer Permanentmagnet-Synchronmaschine 1 gemäß dem Stand der Technik gezeigt. Der Ausschnitt A in der 1A ist in der 1 B dargestellt.
Die Permanentmagnet-Synchronmaschine 1 gemäß dem Stand der Technik weist einen um eine Drehachse 3 drehbaren Rotor 2 mit einem Rotorpaket 13 und eine Permanentmagnetanordnung 6 auf, wobei die Permanentmagnetanordnung 6 eine erste Magneteinheit 7 mit einem ersten Magneten 8 und einem zweiten Magneten 8' und eine zweite Magneteinheit 9 mit einem ersten Magneten 10' und einem zweiten Magneten 10 umfasst. Die ersten Magneten 8, 10' weisen eine erste Magnetisierungsrichtung und die zweiten Magneten 8', 10 eine zweite Magnetisierungsrichtung auf. Jeweils ein erster Magnet 8, 10' und ein zweiter Magnet 8', 10 sind V-förmig im Rotor 2 angeordnet und im Rotor 2 integriert, vorzugsweise eingeklebt. Der Stator 4 und der Rotor 2 sind mittels eines Luftspalts 5 voneinander beabstandet.
Insbesondere sind die ersten Magneten 8, 10' jeweils gleich gegenüber der Rotoroberfläche angeordnet. Gleiches gilt auch für die zweiten Magnete 8', 10. Dies bedeutet, dass die Magneteinheiten 7, 9 im Wesentlichen gleich ausgebildet und angeordnet sind hinsichtlich des Rotors 2.
Entsprechendes gilt auch für den erfindungsgemäßen Permanentmagnet-Synchronmotor 1.
Weiter im Stand der Technik sind erste Lufträume 21 und zweite Lufträume 22 vorgesehen, wobei an einem ersten Ende 23 eines ersten Magneten 8, 10' und an einem ersten Ende 25 des zweiten Magneten 8', 10 erste Lufträume 21 und an einem zweiten Ende 24 des ersten Magneten 8, 10' und an einem zweiten Ende 27 des zweiten Magneten 8', 10 zweite Lufträume 22 angeordnet sind. Dabei sind die ersten Enden 23, 25 in radialer Richtung gesehen weiter von der Drehachse 3 beabstandet als die zweiten Enden 24, 26.
Obwohl die Magnete 8, 8', 10, 10' in den Rotor 2 eingeklebt sind, entstehen geringe Bewegungen in radialer Richtung aufgrund der Rotation des Rotors 2, sodass Massenkräfte auftreten, die abgeleitet werden müssen. Da an den Enden der Magnete 8, 8', 10, 10', insbesondere den ersten Enden 23, 25, Lufträume 21 angeordnet sind, sind Schulterelemente 27 vorgesehen, welche durch Vorsprünge ausgebildet sind, sodass die Schulterelemente 27 kraftschlüssig mit den Magneten 8, 8', 10, 10' verbunden werden können, wodurch die Massenkräfte in den Rotor 2 abgeleitet werden können.
Zwischen den ersten Enden 23, 25 ist eine erste Rotorbrücke 12 und zwischen den zweiten Enden 24, 26 ist eine zweite Rotorbrücke 20 ausgebildet. Die Rotorbrücken 12, 20 sind dabei Teile des Rotorpakets 13 und sind daher magnetisch leitend. Dadurch entstehen magnetische Flüsse innerhalb des Rotors 2 zwischen dem ersten Magneten 8, 10' und dem zweiten Magneten 8', 10, welche nicht vom Rotor 2 in den Stator 4 zurückfließen und daher nicht zur Drehmomenterzeugung des Permanentmagnet-Synchronmotors 1 beitragen.
In der 1C ist ein d-q-Koordinatensystem dargestellt. Dabei verläuft die q-Koordinate 42 zwischen den Magneteinheiten 7, 9 und die d-Koordinate 43 zwischen dem ersten Magneten 8, 10' und dem zweiten Magneten 8', 10 einer Magneteinheit 7, 9.
Demgegenüber stellt der erfindungsgemäße Permanentmagnet-Synchronmotor 1 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform gemäß 2A eine erhebliche Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik dar, in elektromagnetischer als auch mechanischer Betrachtungsweise.
In den 2A bis 2E werden verschiedene Ausführungsformen dargestellt.
Gegenüber dem Stand der Technik umfasst der erfindungsgemäße Permanentmagnet-Synchronmotor 1 weder erste Lufträume 21 oder die erste Rotorbrücke 12 aus magnetisch leitendem Material.
Erfindungsgemäß sind eine erste Rotorbrücke 12 und eine zweite Rotorbrücke 20 vorgesehen, welche aus einem nicht-magnetischen Feststoff ausgebildet ist und jeweils den ersten Magneten 8, 10' und den zweiten Magneten 8', 10 und das Rotorpaket 13 zumindest kraftschlüssig verbindet. Bevorzugt sind die Rotorbrücken 12, 20 bündig mit einer ersten Oberfläche 14 des Rotors 2.
Besonders bevorzugt sind die Rotorbrücken 12, 20 in Erstreckungsrichtung der Drehachse 15 erstreckend ausgebildet. Weiter bevorzugt erstrecken sich die Rotorbrücken 12, 20 über die gesamte Länge des Rotors 2.
Dadurch, dass durch die Rotorbrücken 12, 20 keine Lufträume mehr umfasst sind, ist kein Schulterelement 27 mehr notwendig, sondern kann durch die erste Rotorbrücke 12 und die zweite Rotorbrücke 20 an sich bereitgestellt werden, sodass das Schulterelement 27 integral mit der ersten Rotorbrücke 12 ist. Dadurch, dass die erste Rotorbrücke 12 mit dem ersten Magneten 8', 10 und dem Rotorpaket 13 und die zweite Rotorbrücke 20 mit dem zweiten Magneten 8, 10' verbunden ist, können die auftretenden Massenkräfte der Magnete 8, 8', 10, 10' in das Rotorpaket 13 abgleitet werden. Ebenso kann durch die nicht-magnetische und nicht-magnetisch leitende erste Rotorbrücke 12 und durch die zweite nicht-magnetische und nicht-magnetisch leitende Rotorbrücke 20 der magnetische Streufluss beeinflusst werden.
Die erste Rotorbrücke 12 und die zweite Rotorbrücke 20 weisen darüber hinaus eine erste Erstreckung 15 in tangentialer bzw. Umfangsrichtung und eine zweite Erstreckung 16 in radialer Richtung auf. Die Erstreckungen 15, 16 sind nicht zwingend konstant ausgebildet.
Allgemein sind die erste Rotorbrücke 12 und die zweite Rotorbrücke 20 in tangentialer Richtung gesehen voneinander räumlich getrennt. Zwischen den Rotorbrücken 12, 20 ist das Rotorpaket 13 ausgestaltet, sodass das Moment hinsichtlich der q-Koordinate weniger beeinflusst ist.
In der Ausführungsform gemäß 2A ist dargestellt, dass die Rotorbrücken 12, 20 jeweils eine erste Feder 18 und eine zweite Feder 30 umfasst und in jeweils komplementär ausgebildete Nuten 17, 29 des Rotorpakets 13 eingreifen und mit diesen verbunden sind. Die jeweilige Rotorbrücke 12, 20 füllt zudem den Raum zwischen der ersten Oberfläche 14 und dem jeweiligen Magneten 8, 8', 10, 10'. Alternativ können auch die Federn 18, 30 und die Nuten 17, 29 gegeneinander vertauscht sein, das heißt, dass die Rotorbrücken 12, 20 die Nuten17, 29 und das Rotorpaket 13 die Federn 18, 30 umfasst.
Besonders bevorzugt sind die Rotorbrücken 12, 20 identisch zueinander ausgebildet, wobei die Rotorbrücken 12, 20 gedreht zueinander hinsichtlich des Rotorpakets 13 angeordnet sind, insbesondere derart, dass die q-Koordinate eine Spiegelachse darstellt.
Die Formen der Nut-Feder-Kombinationen sind dabei frei, wobei, wie vorliegend dargestellt, eine rundliche Form und/oder eine kantige Form denkbar sind.
Durch diese Nut-Feder-Kombinationen ist es der Fall, dass entweder, je nach Ausgestaltung, die d-Koordinate oder der magnetische Fluss mehr gestört ist durch die vorgesehenen zusätzlichen nicht-magnetischen Bereiche. Gemäß der 2A ist die q-Koordinate geschwächt, durch die Nuten 17, 29 im Bereich zwischen den Magneten 8, 10. Dies resultiert durch die Ausbildung eines „bottle neck“ zwischen den Magneten 8, 10, das heißt, dass hinsichtlich des leitenden Materials die Ausdehnung 33 zwischen den Magneten 8, 10 zu einer effektiven Ausdehnung 34 reduziert ist.
Hingegen wird in der 2B eine weitere Ausführungsform dargestellt, mit einer veränderten Geometrie der Rotorbrücken 12, 20. Hierdurch kann die Ausbildung des „bottle neck“ wie gemäß der 2A verhindert werden. Entsprechend ändern sich die Eigenschaften des Motors 1 deutlich ins positive, durch erhöhtes mögliches Drehmoment und Effizienz. Die q-Koordinate ist nicht beeinträchtigt.
Zwischen der entsprechenden Rotorbrücke 12, 20 und dem Rotorpaket 13 sind ein erster Bereich 35 und ein zweiter Bereich 26 ausgebildet, welcher die Rotorbrücken 12, 20 und das Rotorpaket 13 in seiner Bewegung in radialer Richtung festhält. Der erste Bereich 35 umfasst einen abgeschrägten Bereich 37, das heißt in einem spitzen Winkel zu der Oberfläche 14 angeordnet. Gleiches gilt auch für den zweiten Bereich 36. Weiter ist ein Schulterelement 38 ausgebebildet, das heißt, ein Bereich, welcher zumindest teilweise senkrecht zu der Erstreckung des Magneten 8, 10 verläuft.
Die 2C zeigt ebenso eine Ausgestaltung, in welcher die q-Koordinate nicht beeinträchtigt ist. Weiter ist es vorgesehen, dass die Magnete 8, 10 nahe der Oberfläche 14 sind bzw. teilweise bündig mit dieser Oberfläche 14 sind. Die Rotorbrücken 12, 20 sind entsprechend daran angepasst, sodass zur mechanischen Stabilisierung eine Rotorbandage (hier nicht dargestellt) erforderlich ist, was zu einem erhöhten Luftspalt zwischen Rotor 2 und Stator 4 führt, was wiederum zu verschlechterten Eigenschaften des Motors 1 führt. Um dies zu kompensieren, kann es vorgesehen sein, dass die Rotorbandage mit faserverstärkten Materialien versehen ist, beispielsweise Glasfaser, Kohlefaser oder mit Basalt. Ebenso ist es denkbar, dass die Rotorbandage Kunststoff umfasst oder aus Kunststoff gebildet ist. Kumulativ kann es vorgesehen sein, dass ein Stahlanteil vorgesehen ist. Die Rotorbrücken 12, 20 sind im Wesentlichen dreiecksförmig ausgebildet. Das Material bzw. die Materialzusammensetzung ist derart, dass ein möglichst großer E-Modul erreicht ist. Dies betrifft insbesondere auch die Reißfestigkeit.
Die 2D zeigt eine Weiterführung der 2C, umfassend eine dritte Rotorbrücke 39, welche zweite Enden 24, 26 der Magnete 8, 10 miteinander verbindet und ebenso aus einem nicht-magnetischen Material ausgebildet ist. Die Rotorbrücken 12, 20 sind im Wesentlichen dreiecksförmig ausgebildet.
In der 2E ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, wobei die Magnete 8, 10 von der Oberfläche weiter beabstandet sind, dargestellt durch den Abstand 40. Weiter ist die q-Koordinate nicht beeinträchtigt, und weiter sind zwischen den zweiten Enden 24, 26 der Magnete 8, 10 eine dritte Rotorbrücke 39 vorgesehen. Die erste und zweite Rotorbrücke 12, 20 sind im Wesentlichen trapezförmig ausgebildet, wobei die Krümmung der Oberfläche 14 berücksichtigt ist.
Durch die dritte Rotorbrücke 39 ist es allgemein möglich, das Drehmoment des Motors 1 zu erhöhen. Die dritte Rotorbrücke 39 führt zu denselben Effekten wie die erste Rotorbrücke und die zweite Rotorbrücke.
Durch die dargestellte Ausführung hinsichtlich der 2E kann ein deutlich erhöhtes mögliches Drehmoment erreicht werden. Gleiches gilt ebenso für die gegenelektromotorische Kraft.
Die verschiedenen Ausführungsformen mit all ihren Merkmalen sind dabei beliebig kombinierbar und austauschbar.
Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.
Bezugszeichenliste

1: Permanentmagnet-Synchronmotor
2: Rotor
3: Drehachse
4: Stator
5: Luftspalt
6: Permanentmagnetanordnung
7: erste Magneteinheit
8: erster Magnet der ersten Magneteinheit
8': erster Magnet der zweiten Magneteinheit
9: zweite Magneteinheit
10: zweiter Magnet der zweiten Magneteinheit
10': zweiter Magnet der ersten Magneteinheit
11: Wicklungsanordnung
12: erste Rotorbrücke
13: Rotorpaket
14: erste Oberfläche
15: erste Erstreckung
16: zweite Erstreckung
17: erste Nut
18: erste Feder
19: Rotorbandage
20: zweite Rotorbrücke
21: erster Luftraum
22: zweiter Luftraum
23: erstes Ende des ersten Magneten
24: zweites Ende des ersten Magneten
25: erstes Ende des zweiten Magneten
26: zweites Ende des zweiten Magneten
27: Schulterelement
29: zweite Nut
30: zweite Feder
33: Ausdehnung
34: effektive Ausdehnung
35: erster Bereich
36: zweiter Bereich
37: abgeschrägter Bereich
38: Schulterelement
39: dritte Rotorbrücke
40: Abstand
40: dritte Leitung
42: d-Achse
43: q-Achse
44: Ausbuchtung

Claims

Permanentmagnet-Synchronmotor, umfassend einen um eine Drehachse drehbaren Rotor, umfassend ein Rotorpaket, und einen Stator, wobei zwischen dem Rotor und dem Stator ein Luftspalt ausgebildet ist, wobei der Rotor eine in den Rotor integrierte Permanentmagnetanordnung mit einer ersten Magneteinheit, welche zumindest einen ersten Magneten aufweist, und einer zweiten Magneteinheit, welche zumindest einen zweiten Magneten aufweist, und wobei der Stator eine Wicklungsanordnung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste Rotorbrücke und eine zweite Rotorbrücke vorgesehen sind, welche aus einem nicht-magnetischen Feststoff ausgebildet sind, wobei die erste Rotorbrücke mit dem ersten Magneten und die zweite Rotorbrücke mit dem zweiten Magneten zumindest kraftschlüssig verbunden sind, wobei die Rotorbrücken zumindest in einer Umfangsrichtung des Rotors gesehen voneinander beabstandet sind.
Permanentmagnet-Synchronmotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Rotorbrücke und die zweite Rotorbrücke jeweils zumindest teilweise bündig mit einer ersten Oberfläche des Rotors ist.
Permanentmagnet-Synchronmotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Rotorbrücke und die zweite Rotorbrücke jeweils zumindest teilweise aus einem Kunststoff ausgebildet ist.
Permanentmagnet-Synchronmotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff ein Polyetherketon ist.
Permanentmagnet-Synchronmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Rotorbrücke und die zweite Rotorbrücke jeweils eine erste Erstreckung in tangentialer Richtung und eine zweite Erstreckung in radialer Richtung des Rotors aufweist.
Permanentmagnet-Synchronmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotorpaket eine erste Nut und die erste Rotorbrücke eine erste zu der ersten Nut komplementär ausgebildete Feder aufweisen, wodurch das Rotorpaket und die Rotorbrücke formschlüssig verbunden sind.
Permanentmagnet-Synchronmotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Rotorpaket eine erste Feder und die erste Rotorbrücke eine erste zu der ersten Feder komplementär ausgebildete Nut aufweisen, wodurch das Rotorpaket und die Rotorbrücke formschlüssig verbunden sind.
Permanentmagnet-Synchronmotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rotorbandage vorgesehen ist, welche in einer radialen Richtung des Rotors gesehen oberhalb der ersten Oberfläche angeordnet ist und den Rotor in einer tangentialen Richtung zumindest teilweise umschließt.
Permanent-Synchronmotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Magneteinheit einen zweiten Magneten und die zweite Magneteinheit einen ersten Magneten aufweist.
Permanentmagnet-Synchronmotor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine von der ersten Rotorbrücke und von der zweiten Rotorbrücke verschiedene dritte Rotorbrücke vorgesehen ist, welche aus dem nicht-magnetischen Feststoff oder einem weiteren nicht-magnetischen Feststoff ausgebildet ist, und welche unterhalb der ersten Oberfläche angeordnet ist und welche den ersten Magneten einer Magneteinheit und den zweiten Magneten einer Magneteinheit zumindest kraftschlüssig verbindet.
Permanentmagnet-Synchronmotor nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Magnet und der zweite Magnet einer Magneteinheit V-förmig zueinander angeordnet sind.