Elektrische Maschine

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Stator und mit einem eine Rotationsachse aufweisenden Rotor. Unter elektrischer Maschine wird hierbei insbesondere ein bürstenloser Elektromotor (Gleichstrommotor) oder eine Synchronmaschine, jedoch auch ein Generator verstanden.

In der Automobilindustrie bzw. in Kraftfahrzeugen werden Elektromotoren (Gleichstrommotoren) in Antrieben für verschiedene Stellelemente, beispielsweise als Fensterheber-, Schiebedach- oder Sitzverstellantriebe und/oder als Lenkungsantrieb (electrical power steering), als Kühlerlüfterantrieb oder als Getriebeaktuator eingesetzt. Derartige Elektromotoren weisen eine relativ hohe Drehmoment- oder Leistungsdichte auf und sollen insbesondere auch bei relativ hohen Motortemperaturen von beispielsweise bis mindestens 120°C betriebssicher sein.

Prinzipiell werden im Kraftfahrzeugbereich bürstenbehaftete Elektromotoren (Kommutatormotoren) und/oder bürstenlose Elektromotoren eingesetzt, deren von einem mit einer Feldwicklung versehenen Stator umgebener Rotor mit Permanentmagneten bestückt bzw. versehen ist. Üblicherweise sind sowohl der Rotor als auch der Stator als Blechpakete aufgebaut, wobei Statorzähne mit dazwischenliegenden Statornuten die Spulen der Feldwicklung tragen. Diese werden von einer (elektronischen) Schaltung angesteuert, um ein Drehfeld zu erzeugen, welches ein Drehmoment am permanent erregten Rotor verursacht.

Da sowohl hohe Betriebstemperaturen als auch (äußere) magnetische Felder, die beispielsweise durch in die statorseitige Feldwicklung bzw. Spulen induzierte Stromspitzen verursacht werden, zu einer unerwünschten Endmagnetisierung der rotorseitigen Permanentmagneten führen können, werden üblicherweise Magnetmaterialien oder -legierungen mit möglichst hoher Koerzitivfeldstärke eingesetzt. Zur Erzielung einer möglichst hohen Koerzitivfeldstärke werden daher in der Regel Legierungen mit Bestandteilen oder Anteilen von Seltene-Erdeelementen verwen-

BESTÄTIGUNGSKOPIE det. Dabei werden sowohl leichte Seltene-Erdeelemente (LREE), insbesondere Samarium-Cobalt- oder Neodym-Eisen-Bor-Legierungen als auch terbium- oder dysprosiumhaltige Legierungen eingesetzt, um die Koerzivität zu erhöhen und den nutzbaren Temperaturbereich zu erweitern. Jedoch sind insbesondere die sogenannten schweren Seltene-Erdeelemente (HREE), wie beispielsweise Terbium und insbesondere Dysprosium zwischenzeitlich zunehmend kostenintensiv.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen besonders geeignete elektrische Maschine anzugeben, die insbesondere vergleichsweise günstig hergestellt und werden kann, und vorteilhafterweise eine vergleichsweise hohe Entmagnetisie- rungsfestigkeit aufweist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der hierauf bezogenen Unteransprüche.

Die elektrische Maschine ist insbesondere ein Elektromotor, vorzugsweise ein bürstenbehafteter Gleichstrommotor, und umfasst einen Stator und einen Rotor. Der Rotor ist um eine Rotationsachse bezüglich des Stators drehbar gelagert, wobei der Rotor beispielsweise innerhalb des Stators angeordnet ist. Alternativ umgibt der Rotor den Stator nach Art eines Außenläufers. Der Stator und der Rotor sind geeigneterweise innerhalb eines Gehäuses angeordnet, das die beiden vor etwaigen Beschädigungen und /oder Umwelteinflüssen schützt.

Entweder der Stator oder der Rotor weist eine Elektromagnetenstruktur mit zumindest einem Spulenkörper auf, der in einer bestimmten Position zu dem verbleibenden der beiden, also dem Rotor bzw. dem Stator, montiert ist. Der Spulenkörper besteht vorzugsweise aus einem lackierten Kupferdraht und dient der Erzeugung eines zeitlich veränderlichen Magnetfeldes, falls die elektrische Maschine ein Elektromotor ist. Dies wird mittels einer Bestromung der Spule über die Anschlussenden bereitgestellt. Bei der Verwendung als Generator wird an dem Spulenkörper eine induzierte elektrische Spannung abgegriffen. Der von der Elektromagnetenstruktur freie Stator bzw. Rotor umfasst eine Permanentmagnetenstruktur. Mit anderen Worten weist entweder der Stator oder der Rotor die Elektromagnetenstruktur und der andere die Permanentmagnetenstruktur auf. Besonders bevorzugt ist die Elektromagnetenstruktur Bestandteil des Stators und die Permanentmagnetenstruktur Bestandteil des Rotors. Die Permanentmagnetenstruktur weist eine erste Menge und eine zweite Menge von Permanentmagneten auf, wobei die Permanentmagneten der jeweiligen Mengen an bestimmten Stellen positioniert sind. Jede Menge umfasst mindestens einen Permanentmagneten, wobei die Permanentmagneten der jeweiligen Menge beispielsweise gleich geformt sind. Vorzugsweise korrespondiert die Anzahl der Permanentmagneten der beiden Mengen zueinander und ist insbesondere gleich groß oder beispielsweise ist die eine Anzahl ein ganzzahliges Vielfaches der verbleibenden Anzahl.

Die magnetische Koerzitivfeldstärke der ersten Menge der Permanentmagnete ist größer als die magnetische Koerzitivfeldstärke der zweiten Menge. Mit anderen Worten ist die magnetische Koerzitivfeldstärke jedes Permanentmagneten der ersten Menge größer als die magnetische Koerzitivfeldstärke jedes Permanentmagneten der zweiten Menge, wobei vorzugsweise die magnetische Koerzitivfeldstärke aller Permanentmagnete einer jeden Menge gleich groß ist. Diese Eigenschaft gilt zumindest bei Betriebstemperatur der elektrischen Maschine, wobei sich die Betriebstemperatur insbesondere nach einer bestimmten Betriebsdauer einstellt.

Beispielsweise wird die Betriebstemperatur im Bereich der Permanentmagnetenstruktur bestimmt, vorzugsweise bei jedem Permanentmagneten der Permanentmagnetenstruktur. Die maximale Betriebstemperatur liegt dabei zwischen 80°C und 120°C. zum Beispiel ist die magnetische Koerzitivfeldstärke der ersten Menge auch bei Temperaturen unterhalb der Betriebstemperatur größer als die magnetische Koerzitivfeldstärke der zweiten Menge.

Vorzugsweise sind die Permanentmagneten der ersten Menge an exponierten Stellen angeordnet, an denen eine Entmagnetisierung in Folge vergleichsweise hoher Betriebstemperaturen, eines an sich unerwünschten bzw. zu vermeidenden (äußeren) magnetischen Feldes oder Flusses oder während des Betriebs der Elektromagnetenstruktur vergleichsweise ausgeprägt auftritt. Aufgrund der Positionierung der hiergegen relativ unanfälligen Permanentmagneten der ersten Menge ist eine hinreichende Entmagnetisierungsfestigkeit der Permanentmagnetenstruktur gewährleistet. Dahingehend ist es ermöglicht, die Permanentmagneten der zweiten Menge aus einem vergleichsweise günstigen Material zu fertigen, da diese nicht in dem Maße wie die Permanentmagneten der ersten Menge der Ent- magnetisierung unterworfen sind.

Geeigneterweise sind alle Permanentmagnete der jeweiligen Menge aus dem gleichen Material gefertigt und weisen vorzugsweise die gleiche Struktur auf. Beispielsweise sind alle Permanentmagnete der jeweiligen Menge in einem gemeinsamen Arbeitsschritt hergestellt oder aus einem Blockmagneten gesägt, wobei für die beiden Mengen unterschiedliche Blöcke verwendet werden. Alternativ sind alle Permanentmagnete der Permanentmagnetenstruktur aus dem gleichen Material aber in unterschiedlicher Weise hergestellt, sodass sich der Unterschied in der Koerzitivfeldstärke ergibt.

Geeigneterweise ist bei zumindest der Betriebstemperatur die Remanenz der zweiten Menge größer als die Remanenz der ersten Menge. Folglich ist das pro Volumen von den Permanentmagneten der zweiten Menge erzeugte Magnetfeld stärker als das der Permanentmagneten der ersten Menge. Somit ist es ermöglicht, mittels der Permanentmagneten der zweiten Menge ein vergleichsweise starkes Magnetfeld der Permanentmagnetenstruktur zu realisieren, wobei eine etwaige Entmagnetisierung der Permanentmagnetenstruktur durch die Permanentmagneten der ersten Menge verhindert wird. Auf diese Weise können die Permanentmagneten der beiden Menge auf deren jeweiligen Einsatzzweck hin optimiert werden, wobei das andere Merkmal, also die magnetische Koerzitivfeldstärke bzw. die Remanenz, geringer beachtet wird. Die Permanentmagnete der Permanentmagnetenstruktur müssen somit nicht beide Vorgaben erfüllen, was zu einer Kostenersparnis führt, wobei die elektrische Maschine dennoch eine vergleichsweise hohe Anforderung an deren Leistung erfüllt. In einer geeigneten Ausführungsform der Erfindung ist der Abstand des die Elektromagnetenstruktur aufweisenden Bauteils der elektrischen Maschine, also dem Stator oder dem Rotor, zu den Permanentmagneten der ersten Menge geringer als der Abstand zu den Permanentmagneten der zweiten Menge. Sofern die elektrische Maschine ein Innenläufer mit permanent erregtem Rotor ist, befinden sich die Permanentmagnete der ersten Menge somit im Vergleich zu den Permanentmagneten der zweiten Menge radial nach außen versetzt. Aufgrund einer derartigen Anordnung wird die zweite Menge vor einer Entmagnetisierung durch die Elektromagnetenstruktur während des Betriebs geschützt, wobei vorzugsweise ein von diesen erzeugtes Magnetfeld mittels der Magnete der ersten Menge gelenkt wird. Die erste Menge hingegen befindet sich vorzugsweise vergleichsweise nah an der Elektromagnetenstruktur, so dass das von dieser erzeugte Magnetfeld vorwiegend im Bereich der ersten Menge mit der Permanentmagnetenstruktur interagiert.

Zweckmäßigerweise sind je ein Permanentmagnet der ersten Menge und ein Permanentmagnet der zweiten Menge zu einem Hybridmagneten zusammenge- fasst, der bezüglich der Rotationsachse radial angeordnet ist. Die einander zugeordneten Permanentmagnete der erste Menge und der zweiten Menge liegen somit insbesondere auf einer radialen Geraden. Auf diese Weise wird der Permanentmagnet der zweiten Menge ausreichend vor einer Entmagnetisierung durch die Elektromagnetenstruktur geschützt. Geeigneterweise ist dabei die Anzahlen der Permanentmagneten in jeder Menge gleich, wobei die Anzahl der Hybridmagneten insbesondere dieser Anzahl entspricht. Mit anderen Worten sind aus alle Permanentmagneten Hybridmagnete gebildet. Vorzugsweise ist die Anzahl der Hybridmagnete zwischen acht und zehn.

Zweckmäßigerweise ist die Magnetisierungsrichtung der beiden Permanentmagnete des oder jedes Hybridmagneten zueinander parallel. Folglich wird von dem Permanentmagnet der ersten Menge kein die Entmagnetisierung des Permanentmagneten der zweiten Menge begünstigendes Magnetfeld aufgebaut. Ferner wird eine Entmagnetisierung des Permanentmagnets der ersten Menge mittels des Magnetfelds des Permanentmagneten der zweiten Menge unterbunden oder zumindest abgeschwächt. Darüber hinaus wird der Permanentmagnet der ersten Menge bei abgeschalteter elektrischer Maschine und somit bei unbestromter Elektromagnetenstruktur mittels des Permanentmagneten der zweiten Menge erneut in dessen ursprünglichen Magnetisierungsrichtung magnetisiert, weshalb die Lebensdauer der elektrischen Maschine erhöht ist.

Dieser Effekt wird durch einen direkten mechanischen Kontakt der beiden Permanentmagnete des oder jeden Hybridmagnets verstärkt. Darüber hinaus ist bei einer derartigen Anordnung der beiden Permanentmagnete der Bauraum reduziert, unabhängig von der Magnetisierungsrichtung, und es ist ermöglicht, den oder jeden Hybridmagneten bereits vor Montage an dem Rotor bzw. Stator zu fertigen. Insbesondere sind die beiden Permanentmagnete hierzu verklebt. Bei einer parallelen Magnetisierung der beiden Permanentmagnete kann darauf verzichtet werden, da diese aufgrund der gegenseitig wirkenden Magnetkraft miteinander verbunden sind.

Beispielsweise ist der Querschnitt der Permanentmagnete der ersten und/oder zweiten Menge bezüglich der Rotationsachse rechteckförmig. Alternativ hierzu ist der Querschnitt insbesondere trapezförmig. Zweckmäßigerweise ist dabei die kürzerer der beiden zueinander parallelen Kanten des Trapezes in Richtung der Rotationsachse versetzt. Auf diese Weise ist ein vergleichsweise großes Volumen von Magnetmaterial zur Verfügung gestellt, wobei auch ein vergleichsweise kleiner Durchmesser der elektrischen Maschine realisierbar ist. Besonders bevorzugt ist der Querschnitt des den oder jeden Hybridmagnet bildenden Permanentmagneten der ersten Menge rechteckförmig und der des Permanentmagneten der zweiten Menge trapezförmig. Dabei liegen die beiden Permanentmagnet geeigneterweise aneinander bündig an. Mit anderen Worten entsprechen sich die einander zugewandten Kantenlängen. Folglich wird eine Entmagnetisierung der Permanentmagneten der zweiten Menge verhindert, wobei das von diesen erzeugte Magnetfeld vergleichsweise stark mit dem von der Elektromagnetenstruktur erzeugten Magnetfeld wechselwirkt. Geeigneterweise umfasst die Permanentmagnetenstruktur zumindest zwei trapezförmige Permanentmagnete, die entweder der ersten oder der zweiten Menge zugeordnet sind. Zwischen diesen ist eine Anzahl von Permanentmagneten einer dritten Menge angeordnet. Vorzugsweise sind die beiden Anzahlen gleich groß, so dass sich die Permanentmagnete der dritten Menge und der ersten Menge bzw. der zweiten Menge in umfangsseitiger Richtung abwechseln. Beispielsweise sind die Permanentmagnete der dritten Menge ebenfalls trapezförmig. Insbesondere liegen dabei alle trapezförmigen Permanentmagnete mit deren jeweiligen aufeinander zu gerichteten Flanken aneinander an, wobei die zueinander parallelen Kanten der Trapeze bezüglich der Rotationsachse tangential verlaufen.

Vorzugsweise sind dabei die Permanentmagnete der ersten Menge rechteckför- mig und decken die Permanentmagnete der zweiten Menge ab. Folglich sind die Magnete der dritten Menge nicht abgedeckt. Insbesondere ist die Magnetisierungsrichtung der Permanentmagnete der dritten Menge zu den übrigen unterschiedlich. Auf diese Weise wird mittels der Permanentmagnete der dritten Menge das Magnetfeld der Permanentmagnetenstruktur geeignet geformt. Insbesondere ist die Magnetisierungsrichtung im Wesentlichen radial. Folglich ist es ermöglicht, als Material der dritten Menge eines mit einer vergleichsweise niedrigen magnetische Koerzitivfeldstärke zu verwenden, da eine Entmagnetisierung aufgrund des von der Elektromagnetenstruktur hervorgerufenen Magnetfelds hauptsächlich tangential magnetisierte Permanentmagnete betrifft. Ferner ist mittels der dritten Menge weiteres Magnetmaterial zur Verfügung gestellt, was die Leistung der elektrischen Maschine erhöht.

Zweckmäßigerweise ist die magnetische Koerzitivfeldstärke der dritten Menge von der der ersten und/oder zweiten Menge unterschiedlich. Alternativ oder in Kombination hierzu unterscheidet sich die Remanenz der dritten Menge. Geeigneterweise ist dabei die Remanenz der dritten Menge höher als die der ersten Menge und die magnetische Koerzitivfeldstärke größer als die der zweiten Menge. Dies wird beispielsweise mittels der Verwendung von schweren seltenen Erdeelementen bei der Herstellung der Permanentmagnete der dritten Menge realisiert. Zwar sind auf diese Weise die Materialkosten aber sowohl die Lebensdauer als auch die Leis- tung der elektrischen Maschine erhöht. Im Vergleich zu einer Fertigung der Permanentmagnetenstruktur lediglich aus einer schweren seltenen Erdeelemente- Legierung sind dahingegen die Fertigungskosten reduziert, bei annähernd gleicher Lebensdauer und Leistung.

Zweckmäßigerweise ist der oder jeder Hybridmagnet in einer Tasche eines Blechpakets angeordnet. Der Verlauf der Tasche ist dabei vorzugsweise im Wesentlichen parallel zur Rotationsachse, und die Bleche bestehen aus einem weichmagnetischen Material. Wegen der Verwendung einzelner Bleche, die beispielsweise gegeneinander mittels einer Lackschicht isoliert sind, ist ein Ausbreiten von parasitären Induktionsströmen unterbunden, die sonst den Wirkungsgrad der elektrischen Maschine verringern würden. Ferner sind die Permanentmagneten vor Beschädigungen und/oder Umwelteinflüssen geschützt, die anderweitig beispielsweise zu einer Korrosion führen würden. Auch ist die Montage des Hybridmagneten erleichtert, da dieser lediglich in die Tasche des Blechpakts eingeführt werden muss. Insbesondere bei einer Montage am Rotor ist hierdurch eine Ablösung des Hybrid magneten aufgrund von Fliehkräften während des Betriebs der elektrischen Maschine unterbunden.

Eine alternative Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass aus der ersten und der zweiten Menge jeweils ein Ring, im Weiteren als erster Ring bzw. zweiter Ring bezeichnet, gebildet ist, deren Mittelpunkt jeweils insbesondere auf der Rotationsachse des Rotors liegt. Dabei sind die Ringe entweder aus Teilmagneten zur Ringform zusammengesetzt oder aus dem Material der jeweiligen Menge urge- formt, wie zum Beispiel gesintert oder gepresst. Der Abstand des ersten Rings zur Elektromagnetenstruktur ist wiederum geringer als der des zweiten Rings. Beispielsweise umgibt der zweite Ring den ersten Ring, falls der als Innenläuferaus- gebildete Rotor die Elektromagnetenstruktur aufweist. Bei einem Außenläufer mit der Elektromagnetenstruktur hingegen würde der erste Ring den zweiten Ring umgeben. Mittels der Verwendung der beiden Ringe ist eine Fertigung der elektrischen Maschine vereinfacht, zumal lediglich zwei Ringe montiert werden müssen. Weiterhin muss auf eine Ausrichtung von etwaigen Teilmagneten nicht geachtet werden, wobei dennoch das Magnetfeld der Permanentmagnetenstruktur die wünschte Form aufweist.

In einer hierzu vorteilhaften Weiterbildung stehen der erste und der zweite Ring miteinander in direktem mechanischem Kontakt. Mit anderen Worten liegen die beiden Ringe aneinander an, wobei vorteilhafterweise der eine der beiden Ringe den anderen umfangsseitig umgibt. Der Außendurchmesser des innenliegenden Ringes ist somit gleich dem Innendurchmesser des außenliegenden Rings. Beispielsweise sind die beiden Ringe mittels eines Form- und/oder Kraftschlusses miteinander verbunden. Auf diese Weise ist die Fertigung nochmals vereinfacht, da die beiden Ringe vor Anbringung an dem Rotor bzw. Stator bereits als Einheit hergestellt werden können. Auch muss dann lediglich ein einziges Bauteil an dem Rotor bzw. Stator befestigt werden.

Geeigneterweise wird ein zwischen dem Rotor und dem Stator gebildeter Luftspalt mittels des ersten Rings begrenzt. Mit anderen Worten ist im Bereich des ersten Rings in radialer Richtung bezüglich der Rotationsachse der erste Ring das dem Rotor bzw. Stator nächstgelegene Element des Stators bzw. Rotors. Auf diese Weise ist der Abstand zwischen der Permanentmagnetenstruktur und der

Elektromagnetenstruktur vergleichsweise gering, was Streufelder verringert und die Leitung der elektrischen Maschine erhöht. Insbesondere ist das Material des ersten Rings vergleichsweise korrosionsbeständig, wohingegen das Material des zweiten Rings diese Eigenschaft nicht zwingend zu erfüllen muss, um eine vergleichsweise hohe Lebensdauer der elektrischen Maschine zu gewährleisten. Zweckmäßigerweise ist das Material des ersten Rings eine Keramik.

Beispielsweise umfasst die Permanentmagnetenstruktur einen dritten Ring, der aus einer dritten Menge geformt ist, deren Remanenz sich von der ersten und/oder zweiten Menge unterscheidet. Beispielsweise ist zusätzlich die magnetische Koerzitivfeldstärke unterschiedlich. Geeigneterweise ist die Remanenz der dritten Menge höher als die der ersten Menge und die magnetische Koerzitivfeldstärke größer als die der zweiten Menge. Insbesondere weist die dritte Menge schwere seltene Erdeelemente auf. Der dritte Ring ist auf der dem ersten Ring gegenüberliegenden Seite des zweiten Rings angeordnet. Insbesondere wird der zweite Ring in radialer Richtung von dem ersten und dem dritten Ring innenseitig und außenseitig umschlossen, wobei die Ringe zweckmäßigerweise aneinander anliegen. Auf diese Weise ist der zweite Ring vergleichsweise effektiv gegen eine Entmagnetisierung geschützt.

Vorteilhafterweise weist jeder der Ringe zwischen 8 und zehn Magnetpolen auf. Hierfür wird jeder Ring entweder bei der Urformung oder danach, beispielsweise nach der Montage an der elektrischen Maschine einem entsprechenden Magnetfeld ausgesetzt. Bei einer Verwendung der elektrischen Maschine als Elektromotor ist somit ein vergleichsweise konstanter Drehmomentverlauf und bei der Verwendung als Generator ein vergleichsweise konstanter Stromverlauf gesichert.

Zweckmäßigerweise weisen die Ringe jeweils die gleiche Anzahl an Magnetpolen auf, die vorzugsweise in radialer Richtung zueinander angeordnet sind. Mit anderen Worten ist das Magnetfeld im Bereich der Pole zwischen den beiden Ringen im Wesentlichen kontant und radial gerichtet. Insbesondere bei einem direkten Anliegen der Ringe aneinander ist somit die Herstellung der Permanentmagnetenstruktur vereinfacht, da die Ringe über die gegenseitig ausgewirkte Magnetkraft aneinander haften.

Zweckmäßigerweise ist das Material der ersten Menge ein Ferrit, das vorzugsweise gesintert ist. Alternativ handelt es sich bei dem Material beispielsweise um gesintertes SmCo oder NdFeB, (NdDy)FeB. Ebenso ist es möglich, das Material zu gießen, wobei vorzugsweise NdFeB, SmCo, oder SmFeN verwendet wird. Als Material der zweiten Menge werden beispielsweise die gleichen Materialien verwendet, wobei die Art der Zusammensetzung und/oder Herstellung auf die Erzielung der erhöhten magnetischen Koerzitivfeldstärke der ersten Menge abgestimmt ist.

Beispielswiese ist das Material gleich für die erste und die zweite Menge, was eine Kontaktkorrosion bei einem direkten mechanischen Kontakt der jeweiligen Permanentmagnete verhindert. Geeigneterweise wird als Material der zweiten Menge eine Legierung verwendet, die leichte seltene Erdeelemente aufweist. Diese zeichnen sich insbesondere durch eine vergleichsweise hohe Remanenz aus, weswegen die Leistung der elektrischen Maschine erhöht ist. Die damit einhergehende, im Vergleich zur Verwendung schwerer seltene Erdeelemente niedrige, magnetische Koerzitivfeldstärke wird mittels der Verwendung der ersten Menge kompensiert. Besonders bevorzugt besteht die zweite Menge aus NdFeB, das eine vergleichsweise hohe Verfügbarkeit und große Remanenz aufweist.

Insbesondere ist die Permanentmagnetenstruktur, und geeigneterweise die vollständige elektrische Maschine, frei von schweren seltenen Erdeelementen. Zumindest weist diese kein Dysposium und/oder Terbium auf. Auf diese Weise ist es ermöglicht, die elektrische Maschine vergleichsweise kostengünstig herzustellen.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1a in einer Schnittdarstellung eine elektrische Maschine mit einer ersten und einer zweiten Menge von Permanentmagneten,

Fig. 1 b ausschnittsweise eine alternative Ausführungsform,

Fig. 2a in einer Schnittdarstellung eine weitere Ausführungsform der elektrischen Maschine mit einer Anzahl von Hybridmagneten, Fig. 2b ausschnittsweise eine alternative Ausführungsform,

Fig. 2c alternative Ausführungsformen der Hybrid magneten,

Fig. 3a eine weitere Ausführungsform der elektrischen Maschine gemäß Fig.

2a,

Fig. 3b eine alternative Ausführungsform gemäß Fig. 2b,

Fig. 3c eine weitere Ausführungsform eines Rotors der elektrischen Maschine gemäß Fig. 2a , und

Fig. 4 eine letzte Ausführungsform der elektrischen Maschine gemäß Fig.

2a.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mir den gleichen Bezugszeichen versehen. In Fig. 1a ist eine erste Ausführungsform einer als Synchronmaschine ausgestalteten elektrischen Maschine 2 dargestellt, die als Elektromotor verwendet wird. Die elektrische Maschine 2 ist dabei in einer Schnittdarstellung senkrecht zu einer Rotationsachse 4 eines Rotors 6 gezeigt, der von einem Stator 8 umgeben ist, zwischen denen ein Luftspalt 10 gebildet ist. Der Stator 8 umfasst eine Elektromagnetenstruktur 12 mit einem weichmagnetischen Statorblechpaket 14 , das fünfzehn Zähnen 16 aufweist, die jeweils mittels einer parallel zur Rotationsachse 4 verlaufenden Nut 18 getrennt sind. Um jeden Zahn 16 ist eine Spule 20 geschlungen, die in den jeweils benachbarten beiden Nuten 18 angeordnet ist. Die Spulen 20 sind aus einem Lackdraht gefertigt und werden mittels einer nicht gezeigten Elektronik bestromt. Der Elektromotor 2 ist somit bürstenlos.

Der Rotor 6 weist eine Welle 22 auf, die von einem im Wesentlichen nichtmagnetischen Kern 24 mit einem regelmäßigen Zehneck als Querschnitt eingefasst ist. Der Kern 24 ist formschlüssig von einem weichmagnetischen Blechpaket 26 umgeben, das folglich eine vergleichsweise geringe magnetische Koerzitivfeldstärke aufweist. In das Blechpaket sind zehn erste Taschen 28 und zehn zweite Taschen 30 eingebracht, die sich parallel zu der Rotationsachse 4 erstrecken. Innerhalb der Taschen 28, 30 ist jeweils ein Permanentmagnet 32 einer Permanentmagnetenstruktur 34 formschlüssig angeordnet, wobei die Permanentmagneten 32 in eine erste Menge 36 und eine zweite Menge 38 aufgeteilt sind. Der ersten Menge 36 sind dabei die ersten Taschen 28 und der zweiten Menge 38 die zweiten Taschen 30 zugeordnet. Die Permanentmagneten 32 der ersten Menge 36 sind aus einem gesinterten Ferrit hergestellt und weisen eine erste magnetische Koerzitivfeldstärke Hcji und eine erste Remanenz Bn auf, die für alle Permanentmagneten 32 der ersten Menge 36 gleich sind.

Die aus NdFeB bestehenden Permanentmagneten 32 der zweiten Menge 38 weisen eine konstante zweite magnetische Koerzitivfeldstärke Hcj ₂ und eine konstan- te zweite Remanenz Br ₂ auf. Hierbei sind die Permanentmagneten 32 der zweiten Menge 38 derart gefertigt, dass die zweite Remanenz Br ₂ maximal ist. Dies bedingt eine vergleichsweise geringe zweite magnetische Koerzitivfeldstärke Hcj ₂ . Bei den Permanentmagneten 32 der ersten Menge 36 verhält es sich umgekehrt, so dass die erste magnetische Koerzitivfeldstärke Hcj-i vergleichsweise groß ist. Zumindest ist bei einer Betriebstemperatur T der elektrischen Maschine 2, die zwischen 40°C und 80°C liegt, jedoch auch bis zu 120°C oder gar 140°C annehmen kann, die erste magnetische Koerzitivfeldstärke Hcj-ι größer als die zweite magnetische Koerzitivfeldstärke Hcj ₂ und die zweite Remanenz Br ₂ größer als die erste Remanenz Βη.

Die Magnetisierungsrichtung der Permanentmagneten 32 der ersten Menge 36 ist tangential, wobei die Permanentmagneten 32 derart innerhalb den ersten Taschen 28 angeordnet sind, dass jeweils die magnetischen Nord- und Südpole benachbarter Permanentmagnete 32 aufeinander zu gerichtet sind. Die Permanentmagneten 32 der zweiten Menge 38 hingegen sind derart angeordnet und magne- tisiert, dass deren jeweiliger Nord- bzw. Südpol auf den jeweils entgegengesetzten Pol der Permanentmagneten 32 der ersten Menge 36 gerichtet ist. Folglich ist der Südpol eines der Permanentmagneten 32 der zweiten Menge 38, der zwischen zwei Nordpolen zweier Permanentmagneten 32 der ersten Menge 36 angeordnet ist, auf die Rotationsachse 4 gerichtet, wohingegen der Nordpol in Richtung des Stators 8 weist.

In Fig. 1b ist ausschnittsweise eine alternative Ausführungsform gezeigt, bei der der Kern 24 weggelassen ist. Das Blechpaket 26 liegt somit direkt an der Welle 24 an und ist dort befestigt. Die ersten Taschen 28 weisen radial außen aufeinander zu gerichtete Vorsprünge 40 auf, die den in der jeweiligen ersten Taschen 28 angeordneten Permanentmagneten 32 der ersten Menge 36 hintergreifen. Die Vorsprünge 40 verhindern somit ein Ablösen aufgrund der von einer Rotationsbewegung des Rotors 6 hervorgerufenen Fliehkraft bei Betrieb der elektrischen Maschine 2.

Ferner sind die Form und Position sowohl der zweiten Taschen 30 als auch der Permanentmagneten 32 der zweiten Menge 38 im Vergleich zu der vorherigen Ausführungsform geändert. Diese sind einerseits radial nach innen versetzt, was eine Entmagnetisierung der Permanentmagneten 32 der zweiten Menge 38 auf- grund des von der Elektromagnetenstruktur 6 hervorgerufenen Magnetfelds verringert. Andererseits ist der Querschnitt der beiden trapezförmig statt rechteckig geformt, wobei deren seitliche Flanken parallel zu den angrenzenden ersten Taschen 28 sind, zu denen die zweiten Taschen 30 und die darin befindenden Permanentmagnete 32 einen vergleichsweise geringen Abstand aufweisen. Aufgrund einer derartigen Form ist die Masse jedes Permanentmagneten 32 der zweiten Menge 38 erhöht, wobei die Trägheit des Rotors 6 wegen der Versetzung nach innen nicht vergrößert ist. Anhand der gezeigten Pfeile ist eine Magnetisierungsrichtung M der jeweiligen Permanentmagneten 32 symbolisiert. Die Magnetisierungsrichtung M der Permanentmagneten 32 der zweiten Menge 38 und deren Positionierung reduziert die Stärke des von der Permanentmagnetenstruktur 34 erzeugten Magnetfeldes innerhalb der Welle 22, was den Wirkungsgrad und die Leistung der elektrischen Maschine 2 weiter erhöht.

In Fig. 2a ist eine weitere Alternative der elektrischen Maschine 2 in einer Schnittdarstellung senkrecht zur Rotationsachse 4 gezeigt, wobei der Stator 8 mit der Elektromagnetenstruktur 12 im Wesentlichen dem der vorherigen Ausführungsformen entspricht. Jeder Permanentmagneten 32 der ersten Menge 36 bildet mit jeweils einem der Permanentmagneten 32 der zweiten Menge 38 einen Hybridmagneten 42, wobei die jeweiligen Permanentmagneten 32 aneinander anliegen und die Magnetisierungsrichtung M der beiden Permanentmagneten 32 zueinander und zu deren gemeinsamer Anlagefläche parallel ist.

Jeder Hybridmagnet 42 befindet sich in jeweils einer der radial verlaufenden ersten Taschen 28 des Blechpakets 26 des Rotors 6, in dem die zweiten Taschen 30 fehlen. Dabei sind die Hybridmagneten 42 derart positioniert, dass deren Magnetisierungsrichtung M im Wesentlichen tangential ist, sodass jeweils die gleichen magnetische Pole zweier benachbarter Hybridmagneten 42 aufeinander zu weisen. Ferner sind die Permanentmagneten 32 der zweiten Menge 38 innenliegend angeordnet. Mit anderen Worten ist der Abstand der Permanentmagneten 32 der zweiten Menge 38 zu der Rotationsachse 4 geringer als der korrespondierende Abstand der Permanentmagneten 32 der ersten Menge 36. Folglich ist der Abstand der Permanentmagneten 32 der zweiten Menge 38 zu dem die Elektromag- netenstruktur 12 aufweisenden Stator 8 größer als der der Permanentmagneten 32 der ersten Menge 36. Auf diese Weise werden die Permanentmagneten 32 der zweiten Menge 38 trotz deren vergleichsweise niedrigen zweiten magnetischen Koerzitivfeldstärke Hcj ₂ effektiv gegen eine Entmagnetisierung durch das während des Betriebs von der Elektromagnetenstruktur 12 hervorgerufenen Magnetfeld geschützt.

In Fig. 2b ist eine abgeänderte Variante des Rotors 6 der elektrischen Maschine 2 dargestellt. Die Magnetisierungsrichtung M der Permanentmagneten 32 entspricht dem vorhergehenden Beispiel. Jedoch ist der Querschnitt senkrecht zur Rotationsachse 4 aller Permanentmagneten 32 von einer Rechteckform in eine Trapezform abgeändert, wobei der Permanentmagnet 32 der ersten Menge 36 bündig an dem Permanentmagneten 32 der zweiten Menge 38 jedes Hybridmagneten 42 anliegt. Dabei nimmt die tangentiale Ausdehnung jedes Hybridmagneten 42 mit größer werdendem Abstand zur Rotationsachse 4 zu. Aufgrund der vergrößerten tangentialen Breite der Permanentmagnet 32 der ersten Menge 36 ist eine ausreichende Verhinderung einer Entmagnetisierung der Permanentmagnet 32 der zweiten Menge 38 bereits bei einer vergleichswiese dünnen Dicke der Permanentmagnet 32 der ersten Menge 36 in radialer Richtung gegeben. Aus diesem Grund ist es ermöglicht, die Permanentmagnet 32 der zweiten Menge 38 mit einer vergleichsweise großen Dicke in radialer Richtung zu fertigen, was ein vergleichsweise starkes Magnetfeld der Permanentmagnetenstruktur 34 bedingt.

Fig. 2c zeigt unterschiedliche Ausführungsformen der Hybrid magneten 42, wobei eine Nummerierung der Ausführungsformen zeilenweise von links nach rechts erfolgt. Die Magnetisierungsrichtung M der Hybridmagneten 42 ist stets von links nach rechts, senkrecht zur radialen Richtung, wobei sich die Rotationsachse 4 bei einer Montage am Rotor 6 unterhalb des jeweiligen gezeigten Hybridmagneten 42 befinden würde. Der Permanentmagnet 32 der ersten Menge 36 ist oberhalb des Permanentmagnets 32 der zweiten Menge 38 gezeigt. Geeigneterweise wird bei der elektrischen Maschine jeweils lediglich eine Ausführungsform des Hybridmagneten 42 verwendet, es ist jedoch ebenso möglich, unterschiedliche Ausführungsformen zu kombinieren. Die jeweiligen ersten Taschen 28, innerhalb derer die Hybridmagneten 42 angeordnet sind, sind zur Herstellung eines Formschlusses entsprechend gestaltet.

Die erste Ausführungsform des Hybridmagneten 42 entspricht der in Fig. 2a gezeigten. Bei der zweiten Ausführungsform sind tangential an dem radialen Freiende des Permanentmagneten 32 der ersten Menge 36 zwei Permanentmagneten 32 einer dritten Menge 44 angebunden, deren Magnetisierungsrichtung M parallel zu der des Permanentmagneten 32 der ersten Menge 36 ist. Die dritte Menge 44 weist eine dritte Remanenz Br ₃ und eine dritte magnetische Koerzitivfeldstärke Hcj ₃ auf. Die dritte magnetische Koerzitivfeldstärke Hcj ₃ ist größer als die erste magnetische Koerzitivfeldstärke Hcji, die im Vergleich zu der ersten Ausführungsform reduziert ist, wobei dafür ist die erste Remanenz Βη erhöht ist. Da die von der Elektromagnetenstruktur 12 hervorgerufenen Entmagnetisierung vornehmlich im Bereich der Permanentmagneten 32 der dritten Menge 44 erfolgt, ist somit dennoch der Hybridmagneten 42 gegen die Entmagnetisierung geschützt, wobei das Magnetfeld des Hybridmagneten 42 gestärkt ist.

Bei der dritten Ausführungsform des Hybridmagneten 42 ist der Querschnitt des Permanentmagneten 32 der ersten Menge 36 im Vergleich zum ersten Ausführungsbeispiel trapezförmig, wobei die tangentiale Breite des Permanentmagneten 32 der ersten Menge 36 mit Abstand zum Permanentmagneten 32 der zweiten Menge 38 zunimmt, was diesen effektiver gegen eine Entmagnetisierung schützt. Bei der vierten Ausführungsform entsprechen sowohl die Permanentmagneten 32 der ersten Menge 36 und der dritten Menge 44 als auch deren Anordnung denen in der zweiten Ausführungsform gezeigten. Aufgrund der verbesserten Abschirmung des Permanentmagneten 32 der zweiten Menge 38 ist dieser an dessen Freiende verbreitet, ohne dass eine Entmagnetisierung zu befürchten ist. Aufgrund der Verbreiterung steht mehr Magnetmaterial zur Verfügung und das Magnetfeld des Hybridmagneten 42 ist größer als das der zweiten Ausführungsform.

Bei der fünften Ausführungsform entsprechen der Permanentmagnet 32 der ersten Menge 36 dem in der dritten Ausführungsform und der Permanentmagnet 32 der zweiten Menge 38 dem in der vierten Ausführungsform gezeigten Perma- nentmagneten 32, wobei deren jeweilige Vorteile auch bei diesem Hybridmagneten 42 zutreffen. Die sechste Ausführungsform des Hybridmagneten 42 unterscheidet sich von der ersten durch die unterschiedliche Ausdehnung der Permanentmagneten 32 in radialer Richtung. So ist das Volumen des Permanentmagneten 32 der ersten Menge 36 verkleinert und das des Permanentmagneten 32 der zweiten Menge 38 vergrößert. Um einen sicheren Betrieb zu ermöglichen ist die zweite magnetische Koerzitivfeldstärke Hcj ₂ vergrößert, indem dem Material der zweiten Menge 38 schwere seltene Erdelemente beigemischt sind.

Bei der siebten Ausführungsform ist der Permanentmagnet 32 der zweiten Menge 38 in Richtung der Rotationsachse 4 verjüngt, um einer Entmagnetisierung in dessen Randbereich entgegenzuwirken. Aufgrund der Form ist es möglich, bei diesem Permanentmagneten 32 auch ein Material mit einer vergleichsweise niedrigen zweiten magnetischen Koerzitivfeldstärke Hcj ₂ zu verwenden. Bei der achten Ausführungsform ist zudem der Permanentmagnet 32 der ersten Menge 36 vergrößert, um eine Entmagnetisierung des Permanentmagneten 32 der zweiten Menge 38 bei einer weiteren erniedrigten zweiten magnetischen Koerzitivfeldstärke Hcj ₂ zu verhindern. Bei der letzten Ausführungsform ist im Vergleich zur ersten Ausführungsform der Querschnitt des Permanentmagneten 32 der zweiten Menge 38 in Richtung der Rotationsachse 4 verjüngt, wie dies auch bei der siebten Ausführungsform der Fall ist.

In Fig. 3a ist eine abgeänderte Ausführungsform der elektrischen Maschine 2 gemäß Fig. 1 a gezeigt, wobei der Stator 8 gleich ist. Auch der Rotor 6 mit Ausnahme der Permanentmagnetenstruktur 34 entspricht der in Fig. 1a gezeigten Ausführungsform. In den ersten Taschen 28 sind jedoch die Hybridmagnete 42 entsprechend der in Fig. 2a dargestellten elektrischen Maschine 2 angeordnet. In den zweiten Taschen 30 befinden sich die Permanentmagneten 32 der dritten Menge 44, wobei deren Anordnung und Orientierung der jeweiligen in Fig. 1a gezeigten der Permanentmagneten 32 der zweiten Menge 38 entspricht. Die dritte magnetische Koerzitivfeldstärke Hcj ₃ ist kleiner als die zweite magnetische Koerzitivfeldstärke Hcj ₂ und die dritte Remanenz Br3 größer als die zweite Remanenz Br ₂ . Fig. 3b zeigt eine hierzu abgewandelte Form. Die Hybridmagneten 42 sind gemäß der sechsten in Fig. 2c dargestellten Ausführungsform und die zweiten Taschen 30 gemäß den in Fig. 1 b gezeigten zweiten Taschen 30 gestaltet. Dabei sind wiederum die Permanentmagneten 32 der dritten Menge 44 formschlüssig in den zweiten Taschen 30 angeordnet und radial magnetisiert. Die dritte Remanenz Br ₃ ist die größte der drei Remanenzen Bn, Br ₂ , Br ₃ und die dritte magnetische Koer- zitivfeldstärke Hcj ₃ die kleinste der drei magnetischen Koerzitivfeldstärken Hcji, Hcj ₂ , Hcj ₃ .

In Fig. 3c ist eine Alternative des Rotors 6 gezeigt, der frei von schweren seltenen Erdelementen ist. Die radiale Dicke aller Permanentmagneten 32 ist im Wesentlichen gleich. Der Querschnitt der Permanentmagneten 32 der ersten Menge 36 ist rechteckförmig und der der zweiten Menge 38 trapezförmig, so dass die Form der gebildeten Hybridmagneten 42 im Wesentlichen der siebten Ausführungsform der Fig. 2c mit veränderten Dicken entspricht. Zwischen den Permanentmagneten 32 der zweiten Menge 38 sind die Permanentmagneten 32 der dritten Menge 44 positioniert, deren Magnetisierungsrichtung M im Wesentlichen radial verläuft. Dabei ist der Querschnitt der Permanentmagneten 32 der dritten Menge 44 ebenfalls trapezförmig, wobei sich der Querschnitt mit zunehmendem Abstand zur Rotationsachse 4 verjüngt. Die Flanken der Permanentmagneten 32 der zweiten und der dritten Menge 38, 44 verlaufen somit nicht radial. Radial nach außen sind sämtliche Permanentmagneten 32, die mit deren jeweiligen benachbarten Permanentmagneten 32 in direktem mechanischen Kontakt stehen, mittels des Blechpakets 26 umgeben. Radial nach innen sind die Permanentmagnete 32 mittels des nichtmagnetischen Kerns 24 von der Welle 22 getrennt.

In Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform der elektrischen Maschine 2 gezeigt, bei der auch der Stator 8 verändert ist. Dieser weist zwölf Zähne 16 und zwölf Spulen 20 auf. Der Rotor 6 umfasst einen außenliegenden ersten Ring 46, der aus der ersten Menge 36 gefertigt ist. Der erste Ring 46 ist dabei einstückig, ist also ein einziger Permanentmagnet 32, und besteht aus einem gesinterten Ferrit. Innerhalb des ersten Rings 46 ist ein zweiter Ring 48 angeordnet, der aus acht Permanentmagneten 32 der zweiten Menge 38 besteht. Der Querschnitt jedes Permanentmagneten 32 der zweiten Menge 38 entspricht einem Kreisbogensegment von 45°. Innerhalb des zweiten Rings 48 befindet sich ein dritter Ring 50, der entsprechend des ersten Rings 46 gefertigt ist, jedoch mit verringertem Durchmesser, wobei der dritte Ring 50 aus der dritten Menge 44 besteht. Das Material der dritten Menge 44 ist ebenfalls ein gesinterter Ferrit. Prinzipiell ist es auch möglich, alle Ringe 46, 48 50 einstückig oder aus Kreisbogensegmenten, auch mit unterschiedlichem Winkel, zu fertigen.

Die einzelnen Ringe 46, 48, 50 sind zueinander konzentrisch und in direktem mechanischem Kontakt. Der erste und der dritte Ring 46, 50 stabilisieren somit die einzelnen Permanentmagnete 32 des zweiten Rings 48, der formschlüssig zwischen den beiden Ringen 46, 50 einliegt. Aufgrund der Abschirmung des zweiten Rings 48 durch den aus einem Ferrit bestehenden ersten Ring 46 ist eine Korrosion des zweiten Rings 48 aufgrund einer chemischen Reaktion mit dem sich in dem Luftspalt 10 befindlichem Sauerstoff ausgeschlossen. Bei der Fertigung der elektrischen Maschine 2 wird der Verbund der Ringe 46, 48, 50 vorgefertigt, und auf den nicht nähe gezeigten Kern 24 und die Welle 22 aufgesetzt. Der Ringverbund bildet somit die radial äußere Begrenzung des Rotors 6.

Die Magnetisierungsrichtung M jedes Permanentmagneten 32 der zweiten Menge 38 ist radial gerichtet, wobei sich die Orientierung der Magnetisierungsrichtung M der zueinander benachbarten Permanentmagneten 32 der zweiten Menge 38 unterscheidet. Die an den Permanentmagneten 32 der zweiten Menge 38 radial anliegende Bereiche des erste und des dritten Rings 46, 50 sind entsprechend dem jeweiligen Permanentmagneten 32 der zweiten Menge 38 radial magnetisiert. Folglich ist die die Magnetisierungsrichtung des vollständigen Ringverbunds ebenfalls radial, wo bei alle 45° die Polarität wechselt. Die elektrische Maschine 2 weist somit acht Magnetpole auf.

Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit den Ausfüh- rungsbeispielen beschriebene Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.

Bezugszeichenliste

2 elektrische Maschine

4 Rotationsachse

6 Rotor

8 Stator

10 Luftspalt

12 Elektromagnetenstruktur

14 Statorblechpaket

16 Zahn

18 Nut

20 Spule

22 Welle

24 Kern

26 Blechpaket

28 erste Tasche

30 zweite Tasche

32 Permanentmagnet

34 Permanentmagnetenstruktur

36 erste Menge

38 zweite Menge

40 Vorsprung

42 Hybridmagnet

44 dritte Menge

46 erster Ring

48 zweiter Ring

50 dritter Ring

Bn erste Remanenz

Br ₂ zweite Remanenz

Br3 dritte Remanenz

Hcji erste magnetische Koerzitivfeidstärke

Hcj ₂ zweite magnetische Koerzitivfeidstärke Hcj ^' 3 dritte magnetische Koerzitivfeldstarke M Magnetisierungsrichtung

T Betriebstemperatur