WO2011026600A2 - Elektrische maschine und verfahren zu deren herstellung - Google Patents

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WO2011026600A2
WO2011026600A2 PCT/EP2010/005336 EP2010005336W WO2011026600A2 WO 2011026600 A2 WO2011026600 A2 WO 2011026600A2 EP 2010005336 W EP2010005336 W EP 2010005336W WO 2011026600 A2 WO2011026600 A2 WO 2011026600A2
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magnetic
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Johannes Scholten
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Bombardier Transportation Gmbh
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/27—Rotor cores with permanent magnets
    • H02K1/2706—Inner rotors
    • H02K1/272—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis
    • H02K1/274—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets
    • H02K1/2753—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets the rotor consisting of magnets or groups of magnets arranged with alternating polarity
    • H02K1/276—Magnets embedded in the magnetic core, e.g. interior permanent magnets [IPM]
    • H02K1/2766—Magnets embedded in the magnetic core, e.g. interior permanent magnets [IPM] having a flux concentration effect
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/24—Rotor cores with salient poles ; Variable reluctance rotors
    • H02K1/246—Variable reluctance rotors

Definitions

  • the invention relates to an electric machine with a stator and a rotor, wherein the stator during operation of the machine generates a rotating about an axis of rotation of the rotor (in particular approximately sinusoidal) magnetic field and wherein the rotor stacked in the direction of the axis of rotation of layers
  • the stacked layers are usually metal sheets of soft magnetic material.
  • the invention further relates to a method for producing such a machine.
  • induction motor also called asynchronous motor, manufactured and operated.
  • the rotating magnetic field generated by the stator is generated by three-phase current and corresponding coils in the stator.
  • Such an induction motor has a good power density.
  • the rotor is inexpensive to produce, especially if it is manufactured as Aluminium horrguss pluginr.
  • the induction machine can be operated at high speeds and shows good performance with a large field weakening range, i. Operation with constant power in a wide speed range is possible.
  • a disadvantage of an induction motor is the only moderately good efficiency at the best operating point, poor efficiency at low speeds and - due to the slip losses in the rotor - increased storage temperatures. Especially at one
  • Induction machine to use synchronous machines.
  • This family of machines includes permanently excited three-phase synchronous motors, three-phase reluctance motors and three-phase reluctance motors with supporting permanent magnets in the rotor.
  • Reluctance motors and multipole permanent magnet motors with toothed coils are not rotary field machines in the sense of the type mentioned.
  • the permanent magnet synchronous motor requires a larger amount of high quality power density comparable to the asynchronous motor
  • the three-phase reluctance motor is e.g. known from DE 1638401. However, it does not achieve the power density of an asynchronous motor when only the surface areas are recessed on the outer circumference of the rotor, in the pole gaps, i. in
  • a substantially cross-shaped cross-section of the rotor would result in such a simple construction, a substantially cross-shaped cross-section of the rotor.
  • Rotor shaft recessed layers shrunk onto the shaft in particular by heating the sheet metal layers and subsequent cooling on the shaft.
  • additional permanent magnets are arranged in the rotor so that the north-south direction defined by them runs approximately tangentially to the outer circumference of the rotor, or that the polar axis of the magnet is approximately in the direction of rotation of the magnet oriented around the axis of rotation of the rotor.
  • the orientations of the magnetic poles alternate in the circumferential direction.
  • the magnetic poles of the rotor are between the areas in which the permanent magnets are mounted. Accordingly, the permanent magnets are arranged in the areas of the pole gaps. During engine operation of the machine thereby the torque is increased.
  • a permanent magnet is arranged so that the north-south direction is not tangential in the circumferential direction, but is essentially radially aligned.
  • the inclination of the north-south direction to the radial line, which extends from the axis of rotation to the nearest region of the outer circumference, should preferably be at most 30 °.
  • the inclinations of the individual grooves may be different.
  • the grooves and thus the permanent magnets located in the grooves are provided in first surface areas in the region of the magnetic poles of the rotor. Between the first surface areas is located in the circumferential direction of the rotor in each case a second surface area in which a pole gap is located. Due to the substantially radial orientation of the magnetic fields, the poles of the rotor in the first
  • Stator and a rotor wherein the stator during operation of the machine generates a rotating magnetic field about an axis of rotation of the rotor and wherein the rotor in the direction of the axis of rotation stacked layers of magnetizable material, wherein
  • Pol number of the rotor has corresponding number of first surface areas which define a gap with a first width to the stator, wherein the radially outward, pointing to the stator magnetic poles of the rotor are each in one of the first surface areas,
  • a corresponding method for producing an electrical machine wherein a stator of the machine is provided, which is designed to generate during operation of the machine a rotating about an axis of rotation of the rotor magnetic field and wherein for producing the rotor of the machine in the Direction of the axis of rotation of the machine layers of magnetizable material are stacked and where
  • a second surface area is respectively provided in the circumferential direction between the first surface areas, which defines a gap with a second width, which is greater than the first width, to the stand;
  • a plurality of grooves are formed from the outer periphery into the interior of the rotor, in each of which permanent magnetic material is introduced, so that the magnetic pole is formed in the first surface area.
  • the permanent magnetic material is magnetized in the radial direction or the permanent magnetic material is introduced into the grooves in such a way that it is magnetized in the radial direction.
  • the scope of the invention includes a method for operating an electrical machine, namely the electric machine in one of the embodiments described herein.
  • the grooves are formed in the first surface areas, starting from the outer periphery in the interior of the rotor or formed, the grooves can be particularly easy to bring and also the permanent magnets can be easily and inexpensively arranged in the rotor.
  • the radial orientation of the permanent magnets in the rotor at its outer periphery makes it possible to control the second surface areas, i. to design the areas of the pole gaps as inward curved areas.
  • the second one points i. to design the areas of the pole gaps as inward curved areas.
  • the cross section of the rotor is understood to mean a cross section perpendicular to the axis of rotation, i. in particular, the cross section lies within a single stacked layer.
  • a first recess in the magnetizable material is located in the radial direction within the outer surface of the second surface regions.
  • This first recess has a closed circumferential edge, which is formed by the magnetizable material.
  • the first recess additionally prevents that a significant magnetic flux can build up in the pole gaps in the radial direction.
  • the first recess is formed symmetrically to a radially extending symmetry plane of the second surface area.
  • the symmetry plane corresponds to an axis of symmetry.
  • a crescent-shaped first recess satisfies this definition if the edge having the smaller radius of curvature is located radially farther outward than the edge having the larger radius of curvature.
  • ends of the first recess are each arranged at equal radial distance from the axis of rotation of the rotor, such as a portion of a groove extending from the first surface area into the interior of the rotor and filled with permanent magnetic material, so that between the portion of the groove and the end of the first recess remains a web of magnetizable material having a width corresponding to the distance of the groove and the end.
  • said width or spacing is in the range of 0.5 to 1.5% of the
  • the width is 1 mm to 3 mm.
  • the first recess is divided, e.g. by a web of the magnetizable material in the region of the plane of symmetry or axis of symmetry mentioned above. With such a split first recess, the width of the web between the first recess and the adjacent groove at each end may be less than otherwise.
  • the split recess i.e., the at least one ridge dividing the recess
  • a second recess of the magnetizable material which in particular may also be curved to, as mentioned, to optimize the course of the magnetic flux lines from pole to pole.
  • the ends of the second recess may be arranged at a radial distance to the inner ends of the grooves, wherein the radial distance is preferably in the range of 1, 5 to 3.5% of the diameter of the rotor.
  • the radial distance is understood to mean that the groove bottom of the next adjacent groove and the end of the
  • Offset offset can lie on different radial axes. However, they can also lie on the same radial axis. In this case, the radial distance is equal to the actual distance. This embodiment is preferred for reasons of increased stability and improved transverse magnetic flux barrier. As in the preferred embodiment of the first recess, the edges of the second recess extending between the ends of the second recess may be the same
  • Curved recessed hole wherein the ends of the second recess are radially outward than the intermediate middle region of the edges.
  • recesses that are closed, i. circumferentially formed by an edge of magnetizable material may be provided in the layers of the rotor.
  • the position, size and shape of the recesses are preferably the same in all positions of the rotor. An observer could therefore see through the recesses in a direction parallel to the axis of rotation.
  • the present invention also relates to a synchronous drive motor with permanent magnets for electric vehicles such as e.g. Rail vehicles, electric cars, electric buses or driverless people movers.
  • electric vehicles such as e.g. Rail vehicles, electric cars, electric buses or driverless people movers.
  • the power class of the electric machine is in particular in the range of 30 kW to 250 kW.
  • the machine is typically powered by a power converter. It can be operated as a motor and as a generator, i. In generator mode, regeneration of braking energy can take place in a power supply network or an energy store.
  • the speed range used here is typically in the range of 4500 to 6000 revolutions / min.
  • the electric machine is inexpensive to produce, can be operated as a three-phase motor and has a comparable size as an induction motor improved by 2% to 3% efficiency.
  • Reluctance motor can be lowered. With the same current carrying capacity of the stator coils can flow more torque-forming current. This increases the power density compared to a pure reluctance motor. Conversely, with the same torque, the stator coils can flow more torque-forming current. This increases the power density compared to a pure reluctance motor. Conversely, with the same torque, the stator coils can flow more torque-forming current. This increases the power density compared to a pure reluctance motor. Conversely, with the same torque, the
  • Fig. 1 is a three-dimensional view of a rotor according to the present invention
  • FIG. 2 shows a cross section through a preferred embodiment of the rotor, wherein the recesses are smaller at the outer periphery of the rotor in the pole gaps than in the case of Fig. 1st
  • the rotor 1 shown in Fig. 1 is mounted on a shaft 101 of an electric machine.
  • the stand of the machine, not shown, has a corresponding
  • Recess in which the rotor can rotate on the shaft 101. Under a recess is also understood the case that the recess is subsequently introduced into the material, in particular punched out.
  • the rotor On its outer periphery (as viewed in a plane perpendicular to the axis of rotation of the shaft 101), the rotor has four projecting portions 30. Between these areas 30 are recessed or recessed areas 2, which have an in
  • Circumferential direction have curved surface course.
  • the outer surfaces of the projecting portions 30 would have a small air gap within the stator of the machine to the inner surface of the stator, while the recessed portions 2 have a much larger air gap to the stator.
  • the design is four-pole in the example shown here.
  • the detailed structure of the rotor 1 can not be seen from FIG.
  • the rotor 1 is constructed of a plurality of layers of a magnetizable material, which are stacked one behind the other in the direction of the axis of rotation of the shaft 101. That that each of the layers on its outer periphery parts of the four projecting portions 30 and the four
  • Fig. 2 shows such a layer, which is formed essentially of magnetizable material.
  • the axis of rotation of the shaft is perpendicular to the image plane at the marked with a cross point, which is designated by the reference numeral 51.
  • the construction of the layer is symmetrical to the point 51 with respect to rotations of 180 ° or with respect to reflections around not shown in Fig. 2 symmetry axes that pass through the point 51.
  • FIGS. 1 and 2 are intended to illustrate the principle of
  • FIG. 1 and FIG. 2 Illustrate the invention. Unlike FIG. 1 and FIG. 2, not only a four-pole rotor but also a higher pole rotor, e.g. a six-pole or eight-pole rotor, designed in a corresponding manner. The symmetry of such higher pole rotors is correspondingly different. For a six-pole rotor, e.g. If rotated by 120 ° about the axis of rotation of the shaft, an identical mapping of the rotor cross-section would be achieved on itself.
  • a six-pole rotor e.g. If rotated by 120 ° about the axis of rotation of the shaft, an identical mapping of the rotor cross-section would be achieved on itself.
  • the stator which forms an electrical machine together with the rotor, can in particular be constructed identically as in an induction motor. Only the structure of the rotor therefore distinguishes the machine from an induction motor.
  • the protruding portions 30 which also form the magnetic poles of the rotor, there are a plurality of slots in the radial direction, i.e., in the radial direction. in the direction of the point of symmetry 51, introduced into the magnetizable material of the rotor.
  • seven such grooves are introduced in each of the regions 30.
  • In each of the grooves is one
  • a permanent magnetic material e.g. As a ferrite, neodymium magnetic material or a powder magnetic material (eg., Neodymium material in a plastic matrix), introduced approximately to the groove bottom 53.
  • the groove bottom can be designed differently, as will be explained in more detail.
  • the grooves are designated in Fig. 2 partially by the reference numeral 6. They are open on the outside on the outer circumference, wherein in the embodiment shown in Fig. 2 still a trapezoidal in cross-section area 55 has remained free, which can optionally be closed with a lid. Such a lid is made of non-magnetic and non-magnetizable material. As will be explained in more detail, in the position shown in FIG.
  • the amount and strength of the permanent magnetic material of the magnets 7 is preferably chosen so that at maximum rotational speed of the rotor, the maximum voltage of the electric machine is not exceeded. This eliminates special
  • Measures to avoid overvoltages e.g. could occur when a power converter supplying power to the stator of the machine is disabled.
  • the proportion of magnetic flux in the machine produced by the permanent magnets 7 at the nominal operating point of the machine is only 15% to 30% of the total magnetic flux.
  • most of the magnetization, as in a pure reluctance motor, is generated by magnetizing currents flowing in the stator. Since the machine generates only such a small part of the magnetic flux through permanent magnets, inexpensive permanent magnetic material can be used, e.g. Ferrite or powder-plastic compacts of magnetic material.
  • Fig. 2 shows top and top right two arrows, one of which is denoted by d and one with q.
  • the arrow d points in the radial direction of an axis of symmetry of the protruding portion 30 shown above in FIG. of the pole which lies at the top in FIG.
  • the arrow q points in the direction of a radial axis of symmetry of the adjacent pole gap, i. of the recessed area 2.
  • the magnetic flux is to be amplified.
  • the direction of the arrow q it should be weakened.
  • a high magnetic conductance of the rotor in the d-direction is sought.
  • the magnetic conductance is against be low.
  • the conductance in the d-direction corresponds to the longitudinal inductance Ld and the conductance in the q-direction corresponds to the transverse inductance Lq.
  • the magnetizable material of the rotor is to be removed as far as possible without removing the material in the d-direction. This problem is solved by several recesses 3, 4, 5 are provided on the connecting lines of adjacent pole gaps, so that the magnetic field lines on this
  • the edges of the recesses also extend approximately parallel to the magnetic field lines on curved connecting lines between adjacent magnetic poles, so that they are not possible run through air, but can always remain in the magnetizable material.
  • the grooves 6 are cut approximately equidistantly from each other.
  • the grooves 6 have a width in the range of 5 mm to 8 mm at a rotor diameter of 200 mm.
  • the depth of the grooves is at 200 mm rotor diameter 15 mm to 30 mm including the trapezoidal region at the open end of the groove 6.
  • the ratio between tooth width and groove width measured at the groove base is in a range of variation of about 45% to 55%.
  • the grooves on the outside can optionally with notches 13 for
  • non-magnetic slot wedges are provided.
  • Other known methods such as gluing or slight V-shape of the groove can be used to attach the magnets in the rotor.
  • cuboidal magnets 7 are inserted in the grooves.
  • this can also be inexpensive ferrite magnet material in particular. Too strong a self-magnetization is not desirable in this type of motor, because otherwise the induced voltage at maximum speed is too large. Therefore, additional measures against overvoltages can be omitted.
  • the magnets are magnetized in the radial direction, within a pole always at the same north-south orientation, with adjacent poles in the reverse north-south orientation.
  • the magnets 7 do not have to protrude completely to the rotor outer surface, it can be left room for Nutver gleichmaschine.
  • pole gaps e.g. semicircular
  • the outer circumference is the ratio of the angular ranges formed by the poles and the pole gaps 2: 1 to 2.5: 1.
  • a ratio of 2.2: 1 was selected, i. 69% of the circumference have a minimum air gap to the stand of z. B. about 1 mm and the pole gaps have a much larger air gap.
  • the lowest point of the depression 2 is 15 mm - 24 mm within the rotor circumference.
  • a first recess 3 within the curved pole gap recess 2 is arranged so that a web 14 remains between the recess 3 and the recess 2 with a width of 3 mm to 5 mm.
  • the first recess 3 itself is in the radial direction 5 mm - 8 mm wide.
  • the dimension transverse to the radial direction is chosen so that remains to the nearest groove 6, a web 8 of 1 mm - 2 mm width.
  • the curvature the recess 3 is chosen such that a line extending the edge of the inner edge approximately intersects the groove bottom 53 of the adjacent magnetic grooves.
  • the web 8 of 1 mm - 2 mm width therefore begins at the groove bottom 53 of the adjacent grooves 6 and extends in the radial direction outward over a length of 5 mm - 8 mm.
  • the ends of the recess 3 are rounded to minimize the notch effect at the high centrifugal forces and to prevent cracking.
  • the groove bottom 53 of the outer grooves 6 is rounded in order to impede the flow of pole gap to pole gap in addition.
  • a further inner second recess 4 forms the second flux barrier. It is located symmetrically within the first flux barrier, but is wider in the radial direction. It runs in the form of a circle segment from the groove bottom 53 of the second outer groove of the adjacent pole on one side of the pole gap to the second outer groove on the other side of the pole gap. Between the groove bottom 53 of the adjacent groove on each side and the second recess remains a web 9 with a width in the radial direction of 3 mm to 7 mm, so that the rotor can not break apart.
  • the magnetizable material between the first recess 3 and the second recess 4 has a width in the radial direction of 7 mm to 11 mm.
  • the second recess is of variable width (viewed in the radial direction).
  • the widest point is in the middle of the pole gap. There, the width is 8 mm - 12 mm. In the direction of the grooves, the recess 4 becomes narrower. Before the web 9 starts to the adjacent groove 6, it is about 5 mm - 7 mm wide, if you do not consider the fillet. As with the first recess 3, a rounding of the corners is also present in the second recess.
  • the second recess may optionally be interrupted by at least one web 15 of 1 mm - 3 mm width to additionally retain the material between the recesses. The centrifugal forces then do not have to be intercepted via the webs 9 alone.
  • This recess starts 3 mm - 7 mm radially inside the groove base and ends about 10 mm - 20 mm outside the central bore 16 for the shaft 101.
  • the width of the recess in the outer area is 6 mm - 12 mm, in the inner area 15 mm - 25 mm.
  • the web 17 between the third recess 5 and the second recess 4 has thereby at the narrowest point a width of 12 mm - 16 mm.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Permanent Field Magnets Of Synchronous Machinery (AREA)
  • Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Ständer und einem Rotor (1), wobei der Ständer während des Betriebes der Maschine ein um eine Drehachse des Rotors (1) rotierendes Magnetfeld erzeugt und wobei der Rotor (1) in der Richtung der Drehachse gestapelte Lagen aus magnetisierbarem Material aufweist, wobei der Rotor (1) an seinem Außenumfang in Umfangsrichtung eine der magnetischen Polzahl des Rotors (1) entsprechende Anzahl von ersten Oberflächenbereichen (30) aufweist, die zu dem Ständer einen Spalt mit einer ersten Breite definieren, wobei die radial nach außen, zum Ständer weisenden magnetischen Pole des Rotors (1) jeweils in einem der ersten Oberflächenbereiche (30) liegen, in Umfangsrichtung zwischen den ersten Oberflächenbereichen (30) jeweils ein zweiter Oberflächenbereich (2) liegt, der zu dem Ständer einen Spalt mit einer zweiten Breite definiert, welche größer ist als die erste Breite, sich in den ersten Oberflächenbereichen (30) jeweils eine Mehrzahl von Nuten (6) ausgehend vom Außenumfang in das Innere des Rotors (1) erstrecken, in die jeweils permanent magnetisches Material (7) eingebracht ist, sodass der magnetische Pol in dem ersten Oberflächenbereich (30) ausgebildet ist.

Description

Elektrische Maschine und Verfahren zu deren Herstellung
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Ständer und einem Rotor, wobei der Ständer während des Betriebes der Maschine ein um eine Drehachse des Rotors rotierendes (insbesondere näherungsweise sinusförmiges) Magnetfeld erzeugt und wobei der Rotor in der Richtung der Drehachse gestapelte Lagen aus
magnetisierbarem Material aufweist. Bei den gestapelten Lagen handelt es sich üblicherweise um Metallbleche aus weichmagnetischem Material. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen Maschine.
Heutzutage werden derartige Maschinen üblicherweise als Induktionsmotor, auch Asynchronmotor genannt, hergestellt und betrieben. Das rotierende Magnetfeld, welches der Ständer erzeugt, wird durch Drehstrom und entsprechende Spulen in dem Ständer generiert. Ein solcher Induktionsmotor hat eine gute Leistungsdichte. Der Rotor ist kostengünstig herstellbar, insbesondere wenn er als Aluminiumdruckgussläufer hergestellt wird. Die Induktionsmaschine kann bei hohen Drehzahlen betrieben werden und zeigt ein gutes Betriebsverhalten bei großem Feldschwächbereich, d.h. ein Betrieb mit konstanter Leistung in einem großen Drehzahlbereich ist möglich.
Nachteilig an einem Induktionsmotor sind der nur mäßig gute Wirkungsgrad im besten Betriebspunkt, ein schlechter Wirkungsgrad bei niedrigen Drehzahlen und - aufgrund der Schlupfverluste im Rotor - erhöhte Lagertemperaturen. Speziell bei einem
Aluminiumdruckgussläufer ist der Wirkungsgrad noch geringer als bei einem
Kupferstabrotor.
Es ist bereits vorgeschlagen worden, zur Überwindung der Nachteile der
Induktionsmaschine Synchronmaschinen einzusetzen. Zu dieser Maschinenfamilie gehören permanent erregte Drehstrom-Synchronmotoren, Drehstrom-Reluktanzmotoren und Drehstrom-Reluktanzmotoren mit unterstützendem Permanentmagneten im Rotor.
Eine weitere Klasse von elektrischen Maschinen bilden die geschalteten
Reluktanzmotoren und hochpolige Permanentmagnetmotoren mit Zahnspulen. Dabei handelt es sich nicht um Drehfeldmaschinen im Sinne der eingangs genannten Art. Der permanentmagneterregte Synchronmotor benötigt für eine dem Asynchronmotor vergleichbare Leistungsdichte eine größere Menge von hochqualitativem
ferromagnetischem Material, wobei heutzutage meist das hochpreisige Neodym- Magnetmaterial eingesetzt wird. Es gibt die Möglichkeit, die Magnete an der Oberfläche des Rotors zu befestigen. Dies hat jedoch Nachteile: einerseits ist der Motor dann nicht so einfach feldschwächbar und kann nicht in einem weiten Drehzahlbereich eingesetzt werden, andererseits besteht bei bestimmten Fehlerfällen, in denen ein hoher Strom im Ständer fließt, die Gefahr, dass die Magnete teilweise abmagnetisiert werden könnten. Es wurde daher bereits vorgeschlagen, die Magnete nicht an der Oberfläche des Rotors zu montieren, sondern in Ausnehmungen des Rotors zu platzieren. Ein Permanentmagnet- Synchronmotor mit oberflächenmontierten oder versenkt im Rotor eingebauten Magneten kann höhere Leistungsdichten und bessere Wirkungsgrade erreichen als ein
Induktionsmotor, die Herstellkosten sind aber auch höher.
Der Drehstrom-Reluktanzmotor ist z.B. aus der DE 1638401 bekannt. Er erreicht jedoch nicht die Leistungsdichte eines Asynchronmotors, wenn am Außenumfang des Rotors lediglich die Oberflächenbereiche ausgespart sind, die in den Pollücken, d.h. in
Umfangsrichtung in den Bereichen zwischen den magnetischen Polen, liegen. Z.B. bei einem vierpoligen Rotor ergäbe sich bei einer solchen einfachen Konstruktion ein im Wesentlichen kreuzförmiger Querschnitt des Rotors.
Um die Eigenschaften von Reluktanzmotoren weiter zu verbessern, sind Aussparungen im Rotor eingebracht worden, die mit Luft oder einem anderen unmagnetischen Material gefüllt werden und dazu dienen, den Verlauf des magnetischen Flusses in bestimmten Richtungen zu erschweren, sogenannte Flusssperren. Ziel ist es, die magnetischen Pole zu stärken und den magnetischen Fluss zwischen Ständer und Rotor in den Bereichen der Pollücken zu schwächen. Trotz dieser Flusssperren werden selten Verhältnisse des magnetischen Leitwertes in Polrichtung zu dem Leitwert in Richtung der Pollücken von 3 zu 1 überschritten. Bei einem solchen Leitwertverhältnis werden die Leistungsdichten von Asynchronmotoren nicht erreicht. Auch konnte mit reinen Reluktanzmotoren keine nennenswerte Wirkungsgradverbesserung gegenüber Induktionsmotoren erreicht werden.
Zur besseren Führung des magnetischen Flusses ist in der DE 871183 vorgeschlagen worden, die Bleche bzw. Lagen des Rotors nicht in Richtung der Drehachse übereinander zu stapeln, sondern abgewinkelte Bleche zu stapeln, die sich parallel zur Drehachse des Rotors erstrecken, so dass Grenzen zwischen den Blechen ebenfalls in Richtungen parallel zur Drehachse verlaufen. Jedoch ist die Herstellung solcher Rotoren im Verhältnis zu der üblichen Stapeltechnik sehr viel aufwendiger. Bei der üblichen
Übereinanderstapelung der Lagen in Richtung der Drehachse werden die für die
Rotorwelle ausgesparten Lagen auf die Welle aufgeschrumpft, insbesondere durch Erwärmen der Blechlagen und anschließendes Abkühlen auf der Welle.
Bevorzugtermaßen wird dieses kostengünstige Herstellverfahren bei der hier
beschriebenen Maschine beibehalten.
Bei der oben erwähnten Klasse von Maschinen mit permanentmagnetunterstützten Reluktanz-Rotoren werden zusätzliche Permanentmagnete im Rotor so angeordnet, dass die von ihnen definierte Nord-Süd-Richtung etwa tangential zum Außenumfang des Rotors verläuft, bzw. dass die Polachse des Magneten etwa in Umlaufrichtung des Magneten um die Rotationsachse des Rotors orientiert ist. Dabei wechseln sich die Orientierungen der Magnetpole in Umfangsrichtung gesehen ab. Im Ergebnis liegen die magnetischen Pole des Rotors zwischen den Bereichen, in denen die Permanentmagnete angebracht sind. Dementsprechend sind die Permanentmagnete in den Bereichen der Pollücken angeordnet. Im Motorbetrieb der Maschine wird dadurch das Drehmoment erhöht. Im Generatorbetrieb dagegen, wenn der Rotor mechanisch angetrieben wird und dadurch nutzbare elektrische Energie im Ständer induziert, verringert diese Ausrichtung der Permanentmagnete das Drehmoment. Dies ist bereits eine erste Erkenntnis, die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegt. Die im Folgenden vorgeschlagene elektrische Maschine soll aber sowohl im Motorbetrieb als auch im Generatorbetrieb bei hohem Drehmoment arbeiten.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine elektrische Maschine der eingangs genannten Art anzugeben, die bei geringen Herstellungskosten eine hohe Leistungsdichte bzw. ein hohes Drehmoment ermöglicht und dabei einen guten
Wirkungsgrad besitzt.
Es wird eine elektrische Reluktanzmaschine mit Permanentmagnetunterstützung im Rotor vorgeschlagen. Dabei werden Permanentmagnete in Nuten vorgesehen, die am
Außenumfang des Rotors enden und sich in das Innere des Rotors bis zu einem jeweiligen Nutgrund erstrecken. In den Nuten wird jeweils ein Permanentmagnet so angeordnet, dass die Nord-Süd-Richtung nicht tangential in Umfangsrichtung verlaufend, sondern im Wesentlichen radial ausgerichtet ist. Insbesondere soll die Neigung der Nord- Süd-Richtung zu der radialen Linie, die sich von der Drehachse zum nächstgelegenen Bereich des Außenumfangs erstreckt, vorzugsweise höchstens 30° betragen. Dabei können die Neigungen der einzelnen Nuten verschieden sein.
Die Nuten und damit die in den Nuten liegenden Permanentmagnete werden in ersten Oberflächenbereichen im Bereich der Magnetpole des Rotors vorgesehen. Zwischen den ersten Oberflächenbereichen befindet sich in Umfangsrichtung des Rotors jeweils ein zweiter Oberflächenbereich, in dem eine Pollücke liegt. Aufgrund der im Wesentlichen radialen Ausrichtung der Magnetfelder werden die Pole des Rotors in den ersten
Oberflächenbereichen gebildet und liegen die Pollücken in den zweiten
Oberflächenbereichen.
Insbesondere wird folgendes vorgeschlagen: Eine elektrische Maschine mit einem
Ständer und einem Rotor, wobei der Ständer während des Betriebes der Maschine ein um eine Drehachse des Rotors rotierendes Magnetfeld erzeugt und wobei der Rotor in der Richtung der Drehachse gestapelte Lagen aus magnetisierbarem Material aufweist, wobei
- der Rotor an seinem Außenumfang in Umfangsrichtung eine der magnetischen
Polzahl des Rotors entsprechende Anzahl von ersten Oberflächenbereichen aufweist, die zu dem Ständer einen Spalt mit einer ersten Breite definieren, wobei die radial nach außen, zum Ständer weisenden magnetischen Pole des Rotors jeweils in einem der ersten Oberflächenbereiche liegen,
- in Umfangsrichtung zwischen den ersten Oberflächenbereichen jeweils ein zweiter Oberflächenbereich liegt, der zu dem Ständer einen Spalt mit einer zweiten Breite definiert, welche größer ist als die erste Breite,
- sich in den ersten Oberflächenbereichen jeweils eine Mehrzahl von Nuten ausgehend vom Außenumfang in das Innere des Rotors erstrecken, in die jeweils permanent magnetisches Material eingebracht ist, sodass der magnetische Pol in dem ersten Oberflächenbereich ausgebildet ist.
Ferner wird ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung einer elektrischen Maschine angegeben, wobei ein Ständer der Maschine bereitgestellt wird, der ausgestaltet ist, während des Betriebes der Maschine ein um eine Drehachse des Rotor rotierendes Magnetfeld zu erzeugen und wobei zur Herstellung des Rotors der Maschine in der Richtung der Drehachse der Maschine Lagen aus magnetisierbarem Material gestapelt werden und wobei
- am Außenumfang des Rotors in dessen Umfangsrichtung eine der magnetischen Polzahl des Rotors entsprechende Anzahl von ersten Oberflächenbereichen vorgesehen wird, die zu dem Ständer einen Spalt mit einer ersten Breite definieren, wobei die radial nach außen, zum Ständer weisenden magnetischen Pole des Rotors jeweils in einem der ersten Oberflächenbereiche ausgebildet werden,
- in Umfangsrichtung zwischen den ersten Oberflächenbereichen jeweils ein zweiter Oberflächenbereich vorgesehen wird, der zu dem Ständer einen Spalt mit einer zweiten Breite definiert, welche größer ist als die erste Breite,
- in den ersten Oberflächenbereichen jeweils eine Mehrzahl von Nuten ausgehend vom Außenumfang in das Innere des Rotors ausgeformt werden, in die jeweils permanent magnetisches Material eingebracht wird, sodass der magnetische Pol in dem ersten Oberflächenbereich ausgebildet wird.
Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Herstellungsverfahrens ergeben sich aus der Beschreibung von Ausgestaltungen und Weiterbildungen der elektrischen Maschine. Insbesondere ist das permanent magnetische Material in radialer Richtung magnetisiert bzw. wird das permanent magnetische Material derart in die Nuten eingebracht, dass es in radialer Richtung magnetisiert ist. Unter der Richtung der Magnetisierung wird die Richtung der Nord-Süd-Richtung und die Richtung der Süd-Nord-Richtung des
Magnetfeldes verstanden.
Ferner gehört zum Umfang der Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine, nämlich der elektrischen Maschine in einer der Ausgestaltungen, die hier beschrieben werden.
Da die Nuten in den ersten Oberflächenbereichen ausgehend vom Außenumfang in das Innere des Rotors ausgeformt werden bzw. ausgeformt sind, lassen sich die Nuten besonders einfach einbringen und können auch die Permanentmagneten einfach und kostengünstig im Rotor angeordnet werden.
Insbesondere wird es bevorzugt, die Nuten am Außenumfang mit einem nicht magnetischen und nicht magnetisierbaren Material zu verschließen, wenn der jeweilige Permanentmagnet in die Nut eingebracht worden ist. Insbesondere ist dieses
Verschlussmaterial daher nicht weichmagnetisch.
Die radiale Ausrichtung der Permanentmagnete im Rotor an dessen Außenumfang ermöglicht es, die zweiten Oberflächenbereiche, d.h. die Bereiche der Pollücken, als einwärts gekrümmte Bereiche auszugestalten. Anders formuliert weist der zweite
Oberflächenbereich zwischen jeweils zwei benachbarten ersten Oberflächenbereichen eine im Querschnitt des Rotors gekrümmte Einbuchtung auf, die sich in Richtung parallel zu der Drehachse durch den Stapel der Lagen aus magnetisierbarem Material erstreckt. Unter dem Querschnitt des Rotors wird ein Querschnitt senkrecht zur Drehachse verstanden, d.h. der Querschnitt liegt insbesondere innerhalb einer einzigen Stapel-Lage.
Durch die Einbuchtung wird wirksam verhindert, dass sich im Bereich der Pollücken ein erheblicher magnetischer Fluss aufbauen kann, der in radialer Richtung nach außen zum Ständer gerichtet ist. Die magnetischen Feldlinien, die sich zwischen benachbarten Polen ausbilden, werden im Innern der Lagen aus magnetisierbarem Material um die
Einbuchtung herumgeführt und verstärken somit die magnetische Flussdichte im Bereich der Pole.
Vorzugsweise befindet sich in radialer Richtung innerhalb der Außenoberfläche der zweiten Oberflächenbereiche jeweils eine erste Aussparung im magnetisierbaren Material. Diese erste Aussparung weist einen geschlossen umlaufenden Rand auf, der von dem magnetisierbaren Material gebildet wird. Die erste Aussparung verhindert zusätzlich, dass sich ein nennenswerter magnetischer Fluss in den Pollücken in radialer Richtung aufbauen kann.
Vorzugsweise ist die erste Aussparung symmetrisch zu einer in radialer Richtung verlaufenden Symmetrieebene des zweiten Oberflächenbereichs geformt. Im Querschnitt entspricht der Symmetrieebene eine Symmetrieachse. Insbesondere sind die die
Symmetrieebene des zweiten Oberflächenbereichs kreuzenden Ränder der ersten Aussparung gekrümmt, wobei die Enden der Aussparung radial weiter außen liegen als der Bereich der Aussparung an der Symmetrieebene. Z.B. erfüllt eine sichelmondförmige erste Aussparung diese Definition, wenn der Rand mit dem geringeren Krümmungsradius radial weiter außen liegt als der Rand mit dem größeren Krümmungsradius. Diese gekrümmte Ausgestaltung der ersten Aussparung führt die magnetischen Feldlinien auf einem erwünschten gekrümmten Verbindungspfad zwischen den benachbarten Polen.
Bevorzugt wird, dass Enden der ersten Aussparung jeweils in gleichem radialen Abstand zur Drehachse des Rotors angeordnet sind, wie ein Abschnitt einer Nut, die sich von dem ersten Oberflächenbereich ausgehend in das Innere des Rotors erstreckt und mit permanent magnetischem Material gefüllt ist, so dass zwischen dem Abschnitt der Nut und dem Ende der ersten Aussparung ein Steg aus magnetisierbarem Material verbleibt, der eine dem Abstand der Nut und des Endes entsprechende Breite hat. Vorzugsweise liegt die genannte Breite bzw. der Abstand im Bereich von 0,5 bis 1 ,5 % des
Durchmessers des Rotors. Z.B. bei einem Rotordurchmesser von 200 mm beträgt die Breite 1 mm bis 3 mm. Bei einer optionalen Ausgestaltung der ersten Aussparung ist die erste Aussparung geteilt, z.B. durch einen Steg aus dem magnetisierbaren Material im Bereich der Symmetrieebene bzw. Symmetrieachse, die oben erwähnt wurde. Bei einer solchen geteilten ersten Aussparung kann die Breite des Steges zwischen der ersten Aussparung und der benachbarten Nut an jedem Ende geringer sein als andernfalls. Die geteilte Aussparung (d.h. der zumindest eine Steg, der die Aussparung teilt) stabilisiert den Rotor mechanisch, insbesondere um den bei der Rotation wirkenden Fliehkräften standzuhalten.
In besonderer Ausgestaltung befindet sich in radialer Richtung innerhalb der ersten Aussparung jeweils eine zweite Aussparung des magnetisierbaren Materials, die insbesondere ebenfalls gekrümmt sein kann, um, wie erwähnt, den Verlauf der magnetischen Flusslinien von Pol zu Pol zu optimieren.
Die Enden der zweiten Aussparung können in einem radialen Abstand zu den inneren Enden der Nuten angeordnet sein, wobei der radiale Abstand vorzugsweise im Bereich von 1 ,5 bis 3,5 % des Durchmessers des Rotors liegt. Unter dem radialen Abstand wird verstanden, dass der Nutgrund der nächst benachbarten Nut und das Ende der
Aussparung versetzt auf unterschiedlichen radialen Achsen liegen können. Sie können jedoch auch auf derselben radialen Achse liegen. In diesem Fall ist der radiale Abstand gleich dem tatsächlichen Abstand. Diese Ausführungsform wird aus Gründen einer erhöhten Stabilität und einer verbesserten magnetischen Flusssperre in Querrichtung bevorzugt. Wie auch bei der bevorzugten Ausführungsform der ersten Aussparung können die zwischen den Enden der zweiten Aussparung verlaufenden Ränder der zweiten
Aussparung gekrümmt verlaufen, wobei die Enden der zweiten Aussparung radial weiter außen liegen als der dazwischen liegende mittlere Bereich der Ränder.
Es können weitere Aussparungen, die geschlossen, d.h. umlaufend von einem Rand aus magnetisierbarem Material gebildet werden, in den Lagen des Rotors vorgesehen sein. Dabei sind die Position, Größe und Form der Aussparungen vorzugsweise in allen Lagen des Rotors gleich. Ein Betrachter könnte daher durch die Aussparungen in einer Richtung parallel zur Rotationsachse hindurchsehen.
Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere auch einen synchronen Antriebsmotor mit Permanentmagneten für Elektrofahrzeuge wie z.B. Schienenfahrzeuge, Elektroautos, Elektrobusse oder fahrerlose People-Mover.
Die Leistungsklasse der elektrischen Maschine liegt insbesondere im Bereich von 30 kW bis 250 kW. Die Maschine wird typischerweise mit Hilfe eines Leistungs-Stromrichters versorgt. Sie kann als Motor und als Generator betrieben werden, d.h. im Generatorbetrieb kann eine Rückspeisung von Bremsenergie in ein Stromversorgungsnetz oder einen Energiespeicher stattfinden. Der dabei verwendete Drehzahlbereich liegt typischerweise im Bereich von 4500 bis 6000 Umdrehungen / min.
Die elektrische Maschine ist kostengünstig herstellbar, kann als Drehstrommotor betrieben werden und hat bei einer vergleichbaren Baugröße wie ein Induktionsmotor einen um 2 % bis 3 % verbesserten Wirkungsgrad. Durch das Einbringen des permanent magnetischen Materials kann der Magnetisierungsstrom gegenüber einem reinen
Reluktanzmotor gesenkt werden. Bei gleicher Stromtragfähigkeit der Statorspulen kann mehr Drehmoment bildender Strom fließen. Dadurch steigt die Leistungsdichte gegenüber einem reinen Reluktanzmotor an. Umgekehrt ist bei gleichem Drehmoment der
Gesamtstrom niedriger, was zu einem höheren Wirkungsgrad führt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben. Die einzelnen Figuren der Zeichnung zeigen: Fig. 1 eine dreidimensionale Ansicht eines Rotors gemäß der vorliegenden
Erfindung, der auf einer Welle der elektrischen Maschine montiert ist, und
Fig. 2 einen Querschnitt durch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Rotors, wobei die Aussparungen am Außenumfang des Rotors in den Pollücken kleiner sind als in dem Fall von Fig. 1.
Der in Fig. 1 dargestellte Rotor 1 ist auf einer Welle 101 einer elektrischen Maschine montiert. Der nicht dargestellte Ständer der Maschine weist eine entsprechende
Aussparung auf, in der der Rotor auf der Welle 101 rotieren kann. Unter einer Aussparung wird auch der Fall verstanden, dass die Aussparung nachträglich in das Material eingebracht wird, insbesondere ausgestanzt wird.
An seinem Außenumfang (betrachtet in einer Ebene senkrecht zur Drehachse der Welle 101 ) weist der Rotor vier vorspringende Bereiche 30 auf. Zwischen diesen Bereichen 30 befinden sich ausgenommene oder zurückspringende Bereiche 2, die einen in
Umfangsrichtung gekrümmten Oberflächenverlauf haben. Die Außenoberflächen der vorspringenden Bereiche 30 würden innerhalb des Ständers der Maschine einen geringen Luftspalt zu der inneren Oberfläche des Ständers haben, während die ausgenommenen Bereiche 2 einen sehr viel größeren Luftspalt zum Ständer aufweisen. Die Ausführung ist in dem hier gezeigten Beispiel vier-polig.
Der detaillierte Aufbau des Rotors 1 ist aus Fig. 1 nicht erkennbar. Der Rotor 1 ist aus einer Vielzahl von Lagen eines magnetisierbaren Materials aufgebaut, die in Richtung der Drehachse der Welle 101 hintereinander gestapelt sind. D.h. dass jede der Lagen an ihrem Außenumfang Teile der vier vorspringenden Bereiche 30 und der vier
ausgenommenen Bereiche 2 bildet.
Auch die im Folgenden beschriebenen speziellen Merkmale der Lagen sind in Fig. 1 nicht dargestellt.
Fig. 2 zeigt eine solche Lage, die im Wesentlichen aus magnetisierbarem Material gebildet ist. Die Drehachse der Welle verläuft senkrecht zur Bildebene an dem mit einem Kreuz gekennzeichneten Punkt, der mit dem Bezugszeichen 51 bezeichnet ist. Die Konstruktion der Lage ist symmetrisch zu dem Punkt 51 bezüglich Drehungen um 180° bzw. bezüglich Spiegelungen um nicht in Fig. 2 dargestellte Symmetrieachsen, die durch den Punkt 51 laufen.
Die in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiele sollen das Prinzip der
Erfindung verdeutlichen. Anders als in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellt, kann nicht nur ein vierpoliger Rotor, sondern auch ein höherpoliger Rotor, z.B. ein sechspoliger oder ein achtpoliger Rotor, in entsprechender Weise konstruiert sein. Die Symmetrie solcher höherpoligen Rotoren ist entsprechend anders. Bei einem sechspoligen Rotor z.B. würde bei Drehungen um 120° um die Drehachse der Welle eine identische Abbildung des Rotorquerschnitts auf sich selbst erreicht.
Durch eine Drehung um die Hälfte des selbst abbildenden Drehwinkels würden die Nordpole auf Südpole abgebildet und umgekehrt. Für das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 wird noch genauer auf die Orientierung der permanentmagnetischen Elemente in dem Rotor eingegangen.
Der Stator, der zusammen mit dem Rotor eine elektrische Maschine bildet, kann insbesondere identisch wie bei einem Induktionsmotor aufgebaut sein. Lediglich der Aufbau des Rotors unterscheidet daher die Maschine von einem Induktionsmotor.
Wie Fig. 2 zeigt, sind am Außenumfang, in den vorspringenden Bereichen 30, die auch die magnetischen Pole des Rotors bilden, mehrere Nuten in radialer Richtung, d.h. in Richtung auf den Symmetriepunkt 51 , in das magnetisierbare Material des Rotors eingebracht. Im Ausführungsbeispiel sind in jedem der Bereiche 30 sieben solcher Nuten eingebracht. Es können jedoch auch weniger oder mehr solcher Nuten in jedem der Bereiche 30 sein, z.B. fünf bis neun solcher Nuten. In jede der Nuten ist ein
permanentmagnetisches Material, z. B. ein Ferrit, Neodym-Magnetmaterial oder ein Pulvermagnetmaterial (z. B. Neodym-Material in einer Kunststoff-Matrix), bis annähernd zu dem Nutgrund 53 eingebracht. Dabei kann der Nutgrund unterschiedlich gestaltet sein, wie noch näher erläutert wird. Die Nuten sind in Fig. 2 teilweise mit dem Bezugszeichen 6 bezeichnet. Sie sind außen am Außenumfang offen, wobei in dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel noch ein im Querschnitt trapezförmiger Bereich 55 frei geblieben ist, der optional mit einem Deckel verschlossen werden kann. Ein solcher Deckel besteht aus nicht magnetischem und nicht magnetisierbarem Material. Wie noch näher ausgeführt wird, befinden sich in der in Fig. 2 gezeigten Lage mehrere ausgesparte Bereiche, die als Flusssperren dienen, d.h. den magnetischen Fluss in bestimmten Richtungen, nämlich von Pollücke zu Pollücke, behindern. Dadurch werden die Magnetfeldlinien in den Polbereichen in radialer Richtung nach außen weisend gebündelt und wird verhindert, dass sich ein solches gebündeltes Magnetfeld in den Pollücken ausbilden kann.
Aber auch die Nuten 6 mit den darin angeordneten Permanentmagneten 7 bilden
Flusssperren für einen in Umfangsrichtung von Pollücke zu Pollücke verlaufenden magnetischen Fluss.
Die Menge und Stärke des permanentmagnetischen Materials der Magnete 7 wird vorzugsweise so gewählt, dass bei maximaler Drehzahl des Rotors die Maximalspannung der elektrischen Maschine nicht überschritten wird. Dadurch entfallen besondere
Maßnahmen zur Vermeidung von Überspannungen, die z.B. dann auftreten könnten, wenn ein Stromrichter, der den Ständer der Maschine mit Strom versorgt, gesperrt ist.
Der Anteil des magnetischen Flusses in der Maschine, der durch die Permanentmagnete 7 erzeugt wird, beträgt am Nenn-Betriebspunkt der Maschine insbesondere nur 15 % bis 30 % des gesamten Magnetflusses. Es wird in diesem Fall der größte Teil der Magnetisierung, wie bei einem reinen Reluktanzmotor, durch im Stator fließende Magnetisierungsströme erzeugt. Da die Maschine nur einen solchen geringen Teil des Magnetflusses durch Permanentmagnete erzeugt, kann preiswertes permanentmagnetisches Material verwendet werden, z.B. Ferrite oder Pulver-Kunststoff-Presslinge aus magnetischem Material.
Fig. 2 zeigt oben und oben rechts zwei Pfeile, von denen einer mit d und einer mit q bezeichnet ist. Der Pfeil d weist in radialer Richtung einer Symmetrieachse des oben in Fig. 2 dargestellten vorspringenden Bereichs 30, d.h. des Pols, der oben in Fig. 2 liegt. Der Pfeil q weist in Richtung einer radialen Symmetrieachse der benachbarten Pollücke, d.h. des zurückspringenden Bereichs 2. In Richtung des Pfeils d soll der magnetische Fluss verstärkt werden. In Richtung des Pfeils q soll er geschwächt werden.
Für eine optimale Kraftentfaltung der Maschinen wird ein hoher magnetischer Leitwert des Rotors in d-Richtung angestrebt. In q-Richtung soll der magnetische Leitwert dagegen niedrig sein. Dem Leitwert in d-Richtung entspricht die Längsinduktivität Ld und dem Leitwert in q-Richtung die Querinduktivität Lq. Zur Schwächung des Leitwertes Lq in Querrichtung ist das magnetisierbare Material des Rotors möglichst weitgehend zu entfernen, ohne das Material in d-Richtung zu entfernen. Gelöst wird dieses Problem, indem mehrere Aussparungen 3, 4, 5 auf den Verbindungslinien von benachbarten Pollücken vorgesehen werden, so dass die magnetischen Feldlinien auf diesen
Verbindungslinien häufig in Luft verlaufen müssen, wodurch ein hoher magnetischer Widerstand erzeugt wird. Die Ränder der Aussparungen verlaufen außerdem annähernd parallel zu den magnetischen Feldlinien auf gekrümmten Verbindungslinien zwischen benachbarten magnetischen Polen, so dass diese möglichst nicht durch Luft verlaufen, sondern immer im magnetisierbaren Material verbleiben können.
Durch radiale Einschnitte an der Oberfläche der Rotor-Pole wird ebenfalls der
unerwünschte magnetische Fluss von Pollücke zu Pollücke behindert. Diese Funktion wird von den Nuten 6 erfüllt, zusätzlich zu der Funktion, permanent magnetisches Material aufzunehmen.
Zwischen den Aussparungen 3, 4, 5 und benachbarten Nuten 6, oder Aussparungen 3, 4, 5 verbleiben lediglich dünne Stege 8, 9, 19 aus magnetisierbarem Material, deren Steg- Breite entsprechend den zu erwartenden Fliehkräften beim Betrieb des Rotors zu wählen sind. Die Stege sind unvermeidbar, da der Rotor sonst kein zusammenhängendes Teil bilden und auseinanderfallen würde.
Nach dieser prinzipiellen Beschreibung des Ausführungsbeispiels von Figur 2 und ihrer möglichem Varianten, wird nun ein konkretes Ausführungsbeispiel beschrieben.
In die vorstehenden Bereiche 30, die die magnetischen Pole bilden, sind die Nuten 6 in ungefähr gleichmäßigem Abstand zueinander eingeschnitten. Die Nuten 6 haben bei einem Rotordurchmesser von 200 mm eine Breite im Bereich von 5 mm bis 8 mm.
Bei einem anderen Rotordurchmesser sind die hier genannten Abmessungen
entsprechend dem vergrößerten oder verkleinerten Rotordurchmesser größer oder kleiner. Die Tiefe der Nuten beträgt bei 200 mm Rotordurchmesser 15 mm bis 30 mm inklusive dem trapezförmigen Bereich am offenen Ende der Nut 6. Zwischen den Nuten 6 verbleibt jeweils ein sogenannter Zahn 12, der in radialer Höhe des Nutgrundes 53 etwa genauso breit ist wie die Nuten. Das Verhältnis zwischen Zahnbreite und Nutbreite gemessen am Nutgrund liegt in einem Variationsbereich von etwa 45% bis 55%. Zur Befestigung der Magnete 7 können die Nuten auf der Außenseite optional mit Kerben 13 für
unmagnetische Nutverschlußkeile versehen werden. Auch andere bekannte Verfahren wie Einkleben oder leichte V-Form der Nut können zur Befestigung der Magnete im Rotor angewendet werden.
In die Nuten werden im Ausführungsbeispiel quaderförmige Magnete 7 eingefügt. Je nach Leistungsanforderung des Motors kann dies insbesondere auch preiswertes Ferrit- Magnetmaterial sein. Eine zu starke Eigenmagnetisierung ist bei diesem Motortyp nicht erwünscht, weil andernfalls die induzierte Spannung bei maximaler Drehzahl zu groß wird. Daher können zusätzliche Maßnahmen gegen Überspannungen entfallen. Die Magnete sind in radialer Richtung magnetisiert, innerhalb eines Pols immer bei gleicher Nord-Süd- Orientierung, bei einander benachbarten Polen in umgekehrter Nord-Süd-Orientierung. Die Magnete 7 müssen nicht ganz bis an die Rotor-Außenoberfläche ragen, es kann Platz für Nutverschlusselemente freigelassen werden.
Zwischen den Polen befinden sich die Pollücken 2, die z.B. halbkreisförmig,
kreissegmentförmig oder ellipsenförmig in den Umfang eingesenkt sind. Am
Außenumfang beträgt das Verhältnis der von den Polen und den Pol-Lücken gebildeten Winkelbereichen 2 : 1 bis 2,5 : 1. Im speziellen, in Figur 2 gezeigten Ausführungsbeispiel, wurde ein Verhältnis von 2,2 : 1 gewählt, d.h. 69% des Umfanges haben einen minimalen Luftspalt zum Ständer von z. B. ca. 1 mm und die Pollücken haben einen sehr viel größeren Luftspalt. Der tiefste Punkt der Einsenkung 2 befindet sich 15 mm - 24 mm innerhalb des Rotorumfanges.
Im Inneren des Rotors sind die Aussparungen 3, 4, 5 als Ausstanzungen eingebracht. Eine erste Aussparung 3 innerhalb der gekrümmten Pollückenaussparung 2 ist so angeordnet, dass ein Steg 14 zwischen der Aussparung 3 und der Aussparung 2 mit einer Breite von 3 mm bis 5 mm verbleibt. Die erste Aussparung 3 selbst ist in radialer Richtung 5 mm - 8 mm breit. Die Abmessung quer zur radialen Richtung ist so gewählt, dass bis zur nächstliegenden Nut 6 ein Steg 8 von 1 mm - 2 mm Breite verbleibt. Die Krümmung der Aussparung 3 ist so gewählt, dass eine den Rand verlängernde Linie des innen liegenden Randes ungefähr den Nutgrund 53 der benachbarten Magnetnuten schneidet. Der Steg 8 von 1 mm - 2 mm Breite beginnt daher am Nutgrund 53 der benachbarten Nuten 6 und verläuft in radialer Richtung nach außen über eine Länge von 5 mm - 8 mm. Die Enden der Aussparung 3 sind ausgerundet um bei den hohen Fliehkräften die Kerbwirkung zu minimieren und Rissbildung vorzubeugen. Der Nutgrund 53 der äußeren Nuten 6 ist ausgerundet, um den Fluss von Pollücke zu Pollücke zusätzlich zu behindern.
Eine weiter innen liegende zweite Aussparung 4 bildet die zweite Flußsperre. Sie befindet sich symmetrisch innerhalb der ersten Flußsperre, ist aber in radialer Richtung breiter. Sie verläuft in Form eines Kreissegmentes vom Nutgrund 53 der zweitäußeren Nut des benachbarten Pols auf der einen Seite der Pollücke zur zweitäußeren Nut auf der anderen Seite der Pollücke. Zwischen dem Nutgrund 53 der auf jeder Seite benachbarten Nut und der zweiten Aussparung verbleibt ein Steg 9 mit einer Breite in radialer Richtung von 3 mm bis 7 mm, damit der Rotor nicht auseinanderbrechen kann. Das magnetisierbare Material zwischen der ersten Aussparung 3 und der zweiten Aussparung 4 hat eine Breite in radialer Richtung von 7 mm bis 11 mm. Die zweite Aussparung ist von variabler Breite (betrachtet in radialer Richtung). Die breiteste Stelle liegt in der Mitte der Pollücke. Dort beträgt die Breite 8 mm - 12 mm. In Richtung der Nuten wird die Aussparung 4 schmaler. Bevor der Steg 9 zur benachbarten Nut 6 beginnt, ist sie etwa 5 mm - 7 mm breit, wenn man die Ausrundung nicht betrachtet. Wie bei der ersten Aussparung 3 ist auch bei der zweiten Aussparung eine Ausrundung der Ecken vorhanden.
Für Anwendungen mit höherer Drehzahl kann die zweite Aussparung optional durch zumindest einen Steg 15 von 1 mm - 3 mm Breite unterbrochen sein, um das Material zwischen den Aussparungen zusätzlich festzuhalten. Die Fliehkräfte müssen dann nicht über die Stege 9 allein abgefangen werden.
Eine optionale dritte Aussparung 5 im mittleren Bereich der Pole, in Richtung der d-Achse radial innerhalb des Nutgrundes 53 angeordnet. Diese Aussparung beginnt 3 mm - 7 mm radial innerhalb des Nutgrundes und endet ca. 10 mm - 20 mm außerhalb der zentralen Bohrung 16 für die Welle 101. Die Breite der Aussparung im äußeren Bereich beträgt 6 mm - 12 mm, im inneren Bereich 15 mm - 25 mm. Der Steg 17 zwischen der dritten Aussparung 5 und der zweiten Aussparung 4 hat dadurch an der schmälsten Stelle eine Breite von 12 mm - 16 mm.

Claims

Patentansprüche
1. Elektrische Maschine mit einem Ständer und einem Rotor (1 ), wobei der Ständer
während des Betriebes der Maschine ein um eine Drehachse des Rotors (1 ) rotierendes Magnetfeld erzeugt und wobei der Rotor (1 ) in der Richtung der
Drehachse gestapelte Lagen aus magnetisierbarem Material aufweist,
dadurch gekennzeichnet,
- dass der Rotor (1 ) an seinem Außenumfang in Umfangsrichtung eine der
magnetischen Polzahl des Rotors (1 ) entsprechende Anzahl von ersten
Oberflächenbereichen (30) aufweist, die zu dem Ständer einen Spalt mit einer ersten Breite definieren, wobei die radial nach außen, zum Ständer weisenden magnetischen Pole des Rotors (1 ) jeweils in einem der ersten
Oberflächenbereiche (30) liegen,
- dass in Umfangsrichtung zwischen den ersten Oberflächenbereichen (30) jeweils ein zweiter Oberflächenbereich (2) liegt, der zu dem Ständer einen Spalt mit einer zweiten Breite definiert, welche größer ist als die erste Breite,
- dass sich in den ersten Oberflächenbereichen (30) jeweils eine Mehrzahl von
Nuten (6) ausgehend vom Außenumfang in das Innere des Rotors (1 ) erstrecken, in die jeweils permanent magnetisches Material (7) eingebracht ist, sodass der magnetische Pol in dem ersten Oberflächenbereich (30) ausgebildet ist.
2. Elektrische Maschine nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das permanent magnetische Material (7) in radialer Richtung magnetisiert ist.
3. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der zweite Oberflächenbereich (2) jeweils eine im Querschnitt des Rotors (1 ) gekrümmte
Einbuchtung aufweist, die sich in Richtung parallel zu der Drehachse durch den Stapel erstreckt.
4. Elektrische Maschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei sich in
radialer Richtung innerhalb der Außenoberfläche der zweiten Oberflächenbereiche (2) jeweils eine erste Aussparung (3) des magnetisierbaren Materials befindet.
5. Elektrische Maschine nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die erste
Aussparung (3) symmetrisch zu einer in radialer Richtung verlaufenden
Symmetrieebene des zweiten Oberflächenbereichs (2) geformt ist.
6. Elektrische Maschine nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die die
Symmetrieebene des zweiten Oberflächenbereichs (2) kreuzenden Ränder der ersten Aussparung (3) gekrümmt sind, wobei Enden der Aussparung (3) radial weiter außen liegen als der Bereich der Aussparung an der Symmetrieebene.
7. Elektrische Maschine nach einem der drei vorhergehenden Ansprüche, wobei Enden der ersten Aussparung (3) jeweils in gleichem radialen Abstand zur Drehachse des Rotors (1 ) angeordnet sind wie ein Abschnitt einer Nut (6), die sich von dem ersten Oberflächenbereich (30) ausgehend in das Innere des Rotors (1 ) erstreckt, sodass zwischen dem Abschnitt der Nut (6) und dem Ende der ersten Aussparung (3) ein Steg (8) aus magnetisierbarem Material verbleibt, der eine dem Abstand der Nut (6) und des Endes entsprechende Breite, vorzugsweise im Bereich von 0,5 bis 1 ,5 % des Durchmessers des Rotors (1 ), hat.
8. Elektrische Maschine nach einem der vier vorhergehenden Ansprüche, wobei sich in radialer Richtung innerhalb der ersten Aussparung (3) jeweils eine zweite Aussparung (4) des magnetisierbaren Materials befindet.
9. Elektrische Maschine nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei Enden der zweiten Aussparung (4) in einem radialen Abstand zu inneren Enden der Nuten (6) angeordnet sind, wobei der radiale Abstand vorzugsweise im Bereich von 1 ,5 bis 3,5 % des Durchmessers des Rotors (1 ) liegt.
10. Elektrische Maschine nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die zwischen den Enden der zweiten Aussparung (4) verlaufenden Ränder der zweiten Aussparung (4) gekrümmt verlaufen, wobei die Enden der zweiten Aussparung (4) radial weiter außen liegen als der dazwischen liegende mittlere Bereich der Ränder.
11. Verfahren zum Herstellen einer elektrischen Maschine, wobei ein Ständer der
Maschine bereitgestellt wird, der ausgestaltet ist, während des Betriebes der
Maschine ein um eine Drehachse des Rotors (1 ) rotierendes Magnetfeld zu erzeugen und wobei zur Bildung des Rotors (1 ) der Maschine in der Richtung der Drehachse der Maschine Lagen aus magnetisierbarem Material gestapelt werden,
dadurch gekennzeichnet,
- dass am Außenumfang des Rotors (1 ) in dessen Umfangsrichtung eine der
magnetischen Polzahl des Rotors (1 ) entsprechende Anzahl von ersten
Oberflächenbereichen (30) vorgesehen wird, die zu dem Ständer einen Spalt mit einer ersten Breite definieren, wobei die radial nach außen, zum Ständer weisenden magnetischen Pole des Rotors (1 ) jeweils durch die ersten
Oberflächenbereiche (30) ausgebildet werden,
- dass in Umfangsrichtung zwischen den ersten Oberflächenbereichen (30) jeweils ein zweiter Oberflächenbereich (2) vorgesehen wird, der zu dem Ständer einen Spalt mit einer zweiten Breite definiert, welche größer ist als die erste Breite,
- dass in den ersten Oberflächenbereichen (30) jeweils eine Mehrzahl von Nuten (6) ausgehend vom Außenumfang in das Innere des Rotors (1 ) ausgeformt werden, in die jeweils permanent magnetisches Material (7) eingebracht wird, sodass der magnetische Pol in dem ersten Oberflächenbereich (30) ausgebildet wird.
12. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei in dem Rotor (1 )
Aussparungen (3, 4) vorgesehen werden, die den magnetischen Leitwert für quer zu den Polen verlaufende Magnetfeldlinien verringern.
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DE (1) DE102009040088A1 (de)
WO (1) WO2011026600A2 (de)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102011101716A1 (de) * 2011-05-17 2012-11-22 Vladimir Werth Magnetrotor mit einem Rigmagnetaufsatz
DE102015119020A1 (de) * 2015-11-05 2017-05-11 Minebea Co., Ltd. Elektrische Maschine

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE871183C (de) 1948-12-31 1953-04-27 Ernst Dr-Ing Massar Laeufer fuer Reaktionsmaschinen
DE1638401A1 (de) 1967-07-13 1971-08-05 Licentia Gmbh Reluktanzmotor

Family Cites Families (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS6146152A (ja) * 1984-08-10 1986-03-06 Hitachi Metals Ltd ステツピングモ−タ用ロ−タ
US4795936A (en) * 1986-08-26 1989-01-03 Midwest Dynamometer & Engineering Co. Driven rotary shaft system using permanent magnets
USRE36367E (en) * 1990-07-12 1999-11-02 Seiko Epson Corporation Rotor for brushless electromotor and method for making same
DE4237402A1 (de) * 1992-11-05 1994-05-11 Siemens Ag Mehrphasige permanentmagneterregte elektrische Synchronmaschine mit einer über Stromrichter gespeisten Ständerwicklung
US6047460A (en) * 1996-01-23 2000-04-11 Seiko Epson Corporation Method of producing a permanent magnet rotor
US6274960B1 (en) * 1998-09-29 2001-08-14 Kabushiki Kaisha Toshiba Reluctance type rotating machine with permanent magnets
JP3707539B2 (ja) * 2001-03-02 2005-10-19 日産自動車株式会社 電動機または発電機
JP4071510B2 (ja) * 2001-04-25 2008-04-02 松下電器産業株式会社 電動機
DE10217977A1 (de) * 2002-04-23 2003-11-27 Oswald Elektromotoren Gmbh Rotor
FI117457B (fi) * 2004-07-02 2006-10-13 Abb Oy Kestomagneettiroottori
CN1797904A (zh) * 2004-12-20 2006-07-05 晋裕工业股份有限公司 凸形永磁转子马达
TW200701595A (en) * 2005-06-28 2007-01-01 Delta Electronics Inc Motor rotor
DE102006007917A1 (de) * 2006-02-21 2007-08-30 Baral, Andreas, Prof. Dr.-Ing. Permanentmagneterregte Elektrische Maschine
DE102006052772A1 (de) * 2006-03-20 2007-09-27 Temic Automotive Electric Motors Gmbh Rotor für einen permanenterregten Motor, insbesondere EC-Motor
JP5157138B2 (ja) * 2006-11-24 2013-03-06 株式会社日立製作所 永久磁石式回転電機及び風力発電システム
US7932658B2 (en) * 2007-03-15 2011-04-26 A.O. Smith Corporation Interior permanent magnet motor including rotor with flux barriers
DE102007015249A1 (de) * 2007-03-27 2008-10-02 Miele & Cie. Kg Rotor, insbesondere für einen Elektromotor einer Umwälzpumpe
DE102007029157A1 (de) * 2007-06-25 2009-01-08 Robert Bosch Gmbh Synchronmotor mit 12 Statorzähnen und 10 Rotorpolen

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE871183C (de) 1948-12-31 1953-04-27 Ernst Dr-Ing Massar Laeufer fuer Reaktionsmaschinen
DE1638401A1 (de) 1967-07-13 1971-08-05 Licentia Gmbh Reluktanzmotor

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