Rotor für elektromechanische Maschine

Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektromechanische Maschine, welcher zur Drehung um eine Achse bezüglich eines Stators ausgelegt ist, umfassend einen Rotorrahmen und Permanentmagnete, wobei die Permanentmagnete in Taschen, welche in azimutaler Richtung im Rotorrahmen angeordnet sind, eingebracht sind, wobei die Permanentmagnete in azimutaler Richtung magnetisiert sind, und wobei je zwei benachbarte Permanentmagnete mit jeweils gleichem Pol einander zugewandt sind. Die Erfindung betrifft weiter eine elektromechanische Maschine mit einem derartigen Rotor.

In einer möglichen Funktionsweise für elektromechanische Maschine, beispielsweise für einen Elektromotor, wird ein zylindrischer Rotor mit speichenartig angeordneten Permanentmagneten durch ein an einem Stator erzeugtes elektromechanisches Feld angetrieben. Hierbei weisen der Rotor und ein Teil des Stators eine Drehsymmetrie bezüglich der Drehachse auf, bezüglich derer der Rotor, radial vom Stator umgeben, drehbar gelagert ist. Der Rotor umfasst dabei einen meist aus einem axial geschichteten Blechpaket gefertigten Rotorrahmen. Die üblicherweise quaderförmigen Permanentmagnete sind mit einer Magnetisierung in azimutaler Richtung gewöhnlich in axial durchgängigen, speichenartig umlaufenden Aussparungen im Rotorrahmen eingesetzt. Hierbei sind zwei benachbarte Permanentmagnete jeweils entgegengesetzt magnetisiert. In Umfangsrichtung sind also jeweils gleiche Magnetpole je zweier Magnete einander zugewandt, wodurch sich in einem Kreisringsektor des Rotorrahmens zwischen je zwei Permanentmagneten ein Rotorpol entsprechender Polarität bildet.

An der dem Rotor zugewandten Seite des Stators ist eine Anzahl von elektromechanischen Polen drehsymmetrisch bezüglich der Drehachse des Rotors angeordnet. Ein Pol umfasst hierbei üblicherweise einen radial ausgerichteten Weicheisenkern, um welchen eine definierte Anzahl von Spulenwindungen aus Leiterdraht gewickelt ist, und einen radial dem Rotor zugewandten weichmagnetischen Polschuh, welcher mit dem Weicheisenkern fest gefügt oder einstückig gefertigt sein kann. Die Polschuhe sind vom Rotor jeweils durch einen dünnen Luftspalt getrennt. Die einzelnen Statormagnete können von einer Stromversorgung elektronisch angesteuert bzw. kommutiert werden. Bei einem entsprechenden Ansteuern eines Statormagnete wird durch den Stromdurchfluss der Spulenwindung im Weicheisenkern und damit im Polschuh ein magnetischer Fluss erzeugt, dessen Feldlinien zumindest teilweise radial ausgerichtet sind.

Der durch einen angesteuerten Statormagneten im Bereich des Rotors erzeugte magnetische Fluss tritt in Wechselwirkung mit dem durch die Permanentmagneten erzeugten magnetischen Fluss der einzelnen Rotorpole; man spricht dabei von einer Flussverkettung. Der Antrieb des Rotors erfolgt über einen hinsichtlich der Frequenz geeigneten Wechsel der Polarität der Statormagneten und somit ihrer jeweiligen anziehenden oder abstoßenden Wechselwirkung mit den nahe der Polschuhe anliegenden Rotorpolen, wobei die Flussverkettung, insbesondere über den die Polschuhe und den Rotor trennenden Luftspalt hinweg, eine wichtige Zielgröße für die Effizienz und die

Leistungsfähigkeit des Elektromotors ist. Soll das maximale Drehmoment, die maximale Drehfrequenz oder die maximale Leistung eines Elektromotors erhöht werden, ist eine Erhöhung der magnetischen Flussverkettung, also des effektiven magnetischen Flusses, notwendig.

Den möglichen Abmessungen einer elektromechanischen Maschine sind meist durch eine übergeordnete Vorrichtung, in welcher die elektromechanische Maschine Anwendung findet, enge Grenzen gesetzt. Beispielsweise kann der Radius des Rotors oftmals aus Gründen der baulichen Kompaktheit als nicht veränderbare Größe vorausgesetzt werden. Eine mögliche axiale Verlängerung des Rotors und der Polschuhe hat den Nachteil, bei einer gleichbleibenden Windungszahl der Spulenwindungen jeweils den stromdurchflossenen Leiterdraht zu verlängern, wodurch sich der ohmsche Widerstand der einzelnen Spulenwindungen erhöht, was zu Leistungsverlusten führt. Überdies wird durch einen höheren ohmschen Widerstand beim Stromdurchfluss mehr Wärme freigesetzt, welche an den jeweiligen Weicheisenkern übertragen wird und dadurch ebenso dessen magnetische Eigenschaften negativ beeinflusst. Eine eventuelle Erhöhung der Windungszahl der einzelnen Spulenwindungen bei gleichbleibender axialer Länge der Polschuhe scheidet aufgrund der Verlängerung des jeweiligen Leiterdrahtes und der damit einhergehenden Erhöhung des ohmschen Widerstandes gleichsam aus. Zudem erhöht sich mit zunehmender Windungszahl die Induktivität der Spule, was zu einer nachteiligen Gegeninduktion führen kann.

Des Weiteren ist für einen möglichst effizienten Betrieb der elektromechanischen Maschine eine Minimierung der magnetischen Verluste vorteilhaft, welche durch den Kurzschluss des Magnetfeldes über Teile des Rotorrahmens, insbesondere über den dem Stator abgewandten Bereich nahe einer Mantelfläche, erfolgen.

Der magnetische Fluss von Feldlinien, welche die zwei gegensätzlichen Pole eines Magneten miteinander verbinden, kann durch den Feldschluss nicht zur Flussverkettung zwischen Rotorfeld und Statorfeld beitragen; diese Verluste gilt es möglichst zu begrenzen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Rotor für eine elektromechanische Maschine anzugeben, welcher einen möglichst hohen effektiven magnetischen Fluss zur Verfügung stellt. Weiter liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine vorteilhafte Anwendung für einen derartigen Rotor anzugeben.

Die erstgenannte Aufgabe wird für einen Rotor für eine elektromechanische Maschine, welcher zur Drehung um eine Achse bezüglich eines Stators ausgelegt ist, umfassend einen Rotorrahmen und Permanentmagnete, wobei die Permanentmagnete in Taschen, welche in azimutaler Richtung im Rotorrahmen angeordnet sind, eingebracht sind, wobei die Permanentmagnete in azimutaler Richtung magnetisiert sind, und wobei je zwei benachbarte Permanentmagnete mit jeweils gleichem Pol einander zugewandt sind, erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Permanentmagnete in axialer Richtung über den Rotorrahmen überstehen.

Am Stator der elektromechanischen Maschine ist hierbei eine Anzahl von Statorpolen vorgesehen, wobei ein Statorpol als ein Pol eines Elektromagneten oder als ein Pol eines elektrischen Induktionsgenerators ausgebildet sein kann. Ein Statorpol umfasst zweckmäßigerweise einen Polschuh, welcher dem Rotor in radialer Richtung zugewandt ist. Die Erfindung geht dabei in einem ersten Schritt davon aus, dass die magnetische Flussdichte an einer hinreichend glatten Oberfläche eines Permanentmagneten, welche näherungsweise senkrecht zur azimutalen Richtung und damit zur Magnetisierung steht, als im Wesentlichen, d.h., bis auf vernachlässigbare Randeffekte, unabhängig von der axialen Länge des

Permanentmagneten anzunehmen ist, da die Permanentmagnete im Rahmen der vertretbaren Möglichkeiten als bis zur Sättigung magnetisiert vorausgesetzt werden können. Hierbei ist unter einer hinreichend glatten Oberfläche insbesondere eine kantenfreie und einheitlich entweder konvexe oder konkave oder ebene Fläche zu verstehen, sowie näherungsweise senkrecht zur azimutalen Richtung so zu interpretieren, dass in jedem Punkt der Fläche der größte Beitrag der Flächennormalen in azimutaler Richtung erfolgt. Eine axiale Verlängerung eines Permanentmagneten vergrößert verglichen mit einem axial bündig zum Rotorrahmen abschließenden Permanentmagneten eine zur Richtung der Magnetisierung näherungsweise senkrecht stehende Oberfläche.

Somit wird durch einen axialen Überstand der Permanentmagneten aufgrund der einheitlichen Flussdichte an den Oberflächen der Permanentmagneten in axialer Richtung (bei möglicher Variation der Flussdichte in radialer Richtung, welche jedoch nicht relevant ist) der magnetische Fluss verstärkt. Hierbei entsteht, abgesehen von den Permanentmagneten selbst, kein weiterer Materialaufwand.

Der zusätzliche axiale Platzbedarf bei einem axialen Überstand ist bis in den niedrigen zweistelligen Prozentbereich bezogen auf die axiale Länge des Rotorrahmens anzusetzen und stellt somit kein entscheidendes Hindernis für eine kompakte Bauweise dar.

In einem weiteren Schritt erkennt die Erfindung, dass aufgrund der hohen Reluktanz der den Rotor umgebenden Luft für das Magnetfeld, welches von den axial überstehenden Anteilen der Permanentmagnete erzeugt wird, der Schluss der Feldlinien über den Rotorrahmen und Komponenten des Stators, welche in der Nähe des Rotors angeordnet sind, gesucht wird. Insbesondere bei einem

Rotorrahmen aus leicht magnetisierbarem Material ist es an einem axial überstehenden Anteil eines Permanentmagneten energetisch ungünstig, die Feldlinien von einer azimutalen Seite zur gegenpolig magnetisierten anderen Seite über die umgebende Luft zu schließen, da die Reluktanz dort um mehrere Zehnerpotenzen höher ist als im Rotorrahmen. Bevorzugt ist hierbei der

Rotorrahmen aus ferromagnetischem, insbesondere aus weichmagnetischem Material gefertigt. Im Rotorrahmen bilden sich, insbesondere bei einem Rotorrahmen aus leicht magnetisierbarem Material, in den Kreisringsektoren zwischen den einzelnen Permanentmagneten Rotorpole mit der jeweils gleichen Polarität der Magnetisierung der einander zugewandten Flächen je zweier benachbarter Permanentmagnete, welche einen derartigen Rotorpol in Umlaufrichtung begrenzen. Eine beschriebene Verstärkung des magnetischen Flusses im Rotor durch den axialen Überstand zweier benachbarter Permanentmagnete führt demnach zu einer Verstärkung des magnetischen Flusses im entsprechenden Rotorpol. Dieser im Vergleich zu axial bündigen Permanentmagneten verstärkte Fluss führt im Bereich des Rotorpols zu einer erhöhten magnetischen Flussdichte an einer den Statorpolen zugewandten Mantelfläche des Rotorrahmens.

Wird die elektromechanische Maschine als Motor betrieben, und entsprechend ein Statorpol als ein Elektromagnet mit an der radialen Grenzfläche des Statorpols näherungsweise radial gerichteten Feldlinien, so führt bei ansonsten gleich bleibenden Parametern ein axialer Überstand der Permanentmagneten aufgrund der erhöhten Flussdichte an der statorseitigen Mantelfläche des Rotorrahmens im Bereich der Rotorpole zu einem erhöhten effektiven Fluss zwischen einem Rotor- und einem Statorpol bzw. zu einer verbesserten Flussverkettung. Ebenso wird in einem Generatorbetrieb der elektromechanischen Maschine durch die erhöhte Flussdichte an einem Rotorpol ein elektrischer Induktionsgenerator des Stators von einem stärkeren magnetischen Fluss durchdrungen, was zu einer höheren Induktionsspannung führt.

In einem dritten Schritt wird erkannt, dass bei einem möglichen Kurzschluss des Feldes eines Permanentmagneten über Teile des Rotorrahmens der Rotorrahmen aufgrund des aus dem axialen Überstand der Permanentmagnete resultierenden erhöhtes Flusses leichter magnetisch zu sättigen ist als ohne axialen Überstand. Hierdurch werden mögliche Effizienzverluste der elektromechanischen Maschine verringert.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist hierbei an den axialen Grenzflächen des Rotorrahmens zwischen den axial überstehenden Permanentmagneten ein weichmagnetisches Material angebracht. Das Material für den Rotorrahmen ist oftmals teurerer als ein weichmagnetisches Material, so dass eine Auffüllung des axialen Überstandes mit weichmagnetischem Material insgesamt zu einer Reduktion der Produktionskosten führen kann. Alternativ wird die erstgenannte Aufgabe für einen Rotor für eine elektromechanische Maschine, welcher zur Drehung um eine Achse bezüglich eines Stators ausgelegt ist, umfassend einen Rotorrahmen und Permanentmagnete, wobei die Permanentmagnete in Taschen, welche in azimutaler Richtung im Rotorrahmen angeordnet sind, eingebracht sind, wobei die Permanentmagnete in azimutaler Richtung magnetisiert sind, und wobei je zwei benachbarte Permanentmagnete mit jeweils gleichem Pol einander zugewandt sind, erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Anzahl von Permanentmagneten jeweils einen zur Achse orthogonalen Querschnitt aufweist, welcher abweichend von einer Rechteckform zumindest abschnittsweise trapezförmig ist.

Hierbei wird in einem ersten Schritt davon ausgegangen, dass, insbesondere für einen im Wesentlichen ringförmigen Rotor, bei rechteckförmigen Permanentmagneten die Kantenlänge an der radialen Innenseite aus baulichen Gründen einen limitierenden Faktor darstellt. Da man die Permanentmagneten als weitgehend bis zur Sättigung magnetisiert annehmen kann, führt eine trapezförmige Verbreiterung eines Permanentmagneten radial nach außen bei konstanter Magnetisierung aufgrund des größeren Volumens zu einem größeren magnetischen Moment in azimutaler Richtung. Wird die elektromechanische Maschine als Motor betrieben, und entsprechend ein Statorpol als ein Elektromagnet mit an der radialen Grenzfläche des Statorpols näherungsweise radial gerichteten Feldlinien, so führt bei ansonsten gleich bleibenden Parametern eine trapezförmige azimutale Verbreiterung der Permanentmagneten aufgrund des dadurch vergrößerten magnetischen Moments in azimutaler Richtung zu einem erhöhten Drehmoment um die Drehachse.

In einem zweiten Schritt erkennt die Erfindung, dass eine abschnittsweise Trapezform, insbesondere eine trapezförmige Verjüngung am radial äußeren

Ende eines Permanentmagneten, die Halterung des Permanentmagneten vereinfacht, da durch eine Verjüngung am radial äußeren Ende eine Tasche für einen Permanentmagneten im Rotorrahmen ohne zusätzliche Haltenasen zu dessen radialer Sicherung auskommt, sondern bei einer Rotation des Rotors auftretende Zentrifugalkräfte auf einen Permanentmagneten durch Formschluss aufnehmen kann. Die Einsparung von weiteren Bauteilen zur radialen Sicherung der Permanentmagnete ermöglicht eine einfachere und kostengünstigere Fertigung des Rotorrahmens. Ausgehend von einem gewünschten magnetischen Moment der Permanentmagnete als festem Konstruktionsparameter wird in einem dritten Schritt überdies festgestellt, dass, da die Permanentmagnete als bis zur Sättigung magnetisiert angenommen werden können, eine radial nach außen verbreiterte bzw. radial innen verjüngte Trapezform der Permanentmagnete im Vergleich zu einer Rechteckform eine kürzere Kantenlänge am radial inneren Ende zur Folge hat, und generell im Bereich des radial inneren Endes des Rotorrahmens azimutal weniger Platzbedarf aufweist. Dies verbreitert, im Vergleich zu einer Rechteckform, den Kreisringsektor zwischen zwei

Permanentmagneten in diesem Bereich, was zusätzlich die Option eröffnet, den gewonnenen Platz zu einer weiteren baulichen Veränderung des Rotorrahmens in diesem Bereich zu nutzen, welche den Kurzschluss des Feldes eines Permanentmagneten über den Rotorrahmen in diesem Bereich unterdrücken soll.

Selbstverständlich wird auch durch eine Kombination der vorgenannten erfinderischen Lösungen die eingangs gestellte erstgenannte Aufgabe gelöst. Demnach ist in einer weiteren erfindungsgemäßen Lösung vorgesehen, dass die Permanentmagnete in axialer Richtung über den Rotorrahmen überstehen, und dass eine Anzahl von Permanentmagneten jeweils einen zur Achse orthogonalen

Querschnitt aufweist, welcher abweichend von einer Rechteckform zumindest abschnittsweise trapezförmig ist.

Bevorzugt ist der Rotorrahmen aus einem in axialer Richtung geschichteten Blechpaket gefertigt. Dies unterdrückt bei einer Rotation des Rotors die

Entstehung von Wirbelströmen in axial-radialen Ebenen, welche durch ihrerseits induzierte Magnetfelder die Leistung der elektromechanischen Maschine beeinträchtigen können. Dazu sind die einzelnen Lagen des Blechpakets beispielsweise durch einen Lack voneinander elektrisch isoliert.

Günstigerweise sind als Permanentmagnete gesinterte Ferritmagnete und/oder kunststoffgebundene Dauermagnete eingesetzt. Derartige Magnete weisen bezüglich der Anschaffungskosten eine relativ hohe Magnetisierung auf, was sich günstig auf die Produktionskosten auswirkt.

In einer vorteilhaften Ausführung ist eine Kante wenigstens eines Permanentmagneten angefast. Hierdurch kann die Halterung des Permanentmagneten im Rotorrahmen vereinfacht werden, indem ein Teil des Rotorrahmens oder ein mit dem Rotorrahmen fest gefügtes Material die Fase komplementär ausfüllt.

Zweckmäßigerweise sind die Permanentmagnete in den Rotorrahmen eingepresst und/oder eingegossen sind. Dies führt zu einem einfachen und schnellen Produktionsverfahren.

In einer weiter vorteilhaften Ausgestaltung liegt mindestens ein axial über den Rotorrahmen überstehender Permanentmagnet an mindestens einer seiner axial überstehenden Seitenflächen von einer aus einem axialen Endblech des

Blechpaketes axial hervorstehenden Abkantung an. Die Abkantung übt an der Seitenfläche eine Kraft auf den wenigstens einen Permanentmagneten aus und hilft dadurch, diesen in seiner Position zu halten. Bevorzugt handelt es sich hierbei um eine Seitenfläche des mindestens einen Permanentmagneten, welche näherungsweise senkrecht zur azimutalen Richtung ist. Insbesondere kann der wenigstens eine Permanentmagnet an einer weiteren axial überstehenden Seitenfläche an einer weiteren aus einem axialen Endblech des Blechpaketes axial hervorstehenden Abkantung anliegen. Bevorzugt ist die weitere axial überstehende Seitenfläche des Permanentmagneten näherungsweise senkrecht zur azimutalen Richtung, so dass die beiden jeweiligen Abkantungen ähnlich einer Flügeltür aus dem Endblech axial hervorstehen und dazu beitragen, den Permanentmagneten azimutal in seiner Position zu halten. Durch eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Permanentmagneten und den Abkantungen können auch radiale Kräfte auf den Permanentmagneten, insbesondere bei einer Rotation des Rotors auftretende Zentrifugalkräfte, zumindest teilweise aufgenommen werden.

Hierbei kann es sich als günstig erweisen, wenn eine oder jede axial hervorstehende Abkantung des axialen Endbleches eine weitere Abkantung umfasst, welche der axialen Stirnfläche des jeweiligen Permanentmagneten aufliegt. Dadurch können auch axiale Kräfte auf den jeweiligen Permanentmagneten, etwa durch einen unvorhergesehenen Stoß gegen die elektromechanische Maschine, durch die oder jede Abkantung aufgenommen werden, zudem wird die Montage des jeweiligen Permanentmagneten vereinfacht.

Zweckmäßigerweise weist zudem eine oder jede axial hervorstehende Abkantung des axialen Endbleches an der dem Stator nach Montage abgewandten Seite in Umlaufrichtung einen Überstand auf, welcher den jeweiligen Permanentmagneten radial in Richtung des Stators drückt. Auch dies vereinfacht die Montage und trägt weiter dazu bei, auf einfache Weise den jeweiligen Permanentmagneten in seiner gewünschten Position zu halten.

Als weiter vorteilhaft erweist es sich, wenn der Rotorrahmen an einer dem Stator nach Montage abgewandten Grenzfläche wenigstens eines Permanentmagneten in radialer Richtung jeweils eine Ausnehmung derart aufweist, dass jede radiale Verbindungslinie von einem Punkt des wenigstens einen Permanentmagneten zu einer dem Stator abgewandten Mantelfläche des Rotors durch die jeweilige Ausnehmung führt. Eine derartige Ausnehmung erschwert den Kurzschluss des magnetischen Feldes des jeweiligen Permanentmagneten über den Rotorrahmen, da das Feld vom Nordpol zum Südpol des Permanentmagneten um die Ausnehmung herum geschlossen werden muss, und somit weniger Material des Rotorrahmens zum Kurzschluss zur Verfügung steht, wodurch das Material bei gleich bleibender Flussdichte eher magnetisch sättigbar ist und somit eine Magnetisierung zum Kurzschluss leichter ablehnt als ohne Ausnehmung. Die Unterdrückung des Kurzschlusses verringert so Leistungsverluste, da der elektromechanischen Maschine effektiv mehr Flussdichte eines Permanentmagneten zur Verfügung steht.

Bevorzugt umgibt hierbei eine oder jede Ausnehmung den jeweiligen Permanentmagneten an dessen azimutalen Grenzflächen in radialer Richtung zumindest teilweise. Dies vergrößert effektiv die Ausnehmung und verlängert somit den für den Kurzschluss des Feldes des jeweiligen Permanentmagneten zurückzulegenden Weg im Material des Rotorrahmens bei gleichzeitiger weiterer Verringerung des zur Verfügung stehenden magnetisierbaren Materials des Rotorrahmens. Hierdurch wird der Kurzschluss des Feldes weiter erschwert, was die Leistungsfähigkeit der elektromechanischen Maschine erhöht.

Zweckmäßigerweise ist in der Ausnehmung eine Anzahl von federelastischen Bügeln angeordnet, welche den jeweiligen Permanentmagneten radial in Richtung des Stators drückt. Dies hilft, den jeweiligen Permanentmagneten mit möglichst wenig Material, welches das Feld des Permanentmagneten kurzschließen könnte, in radialer Richtung in Position zu halten. Insbesondere kann hierzu der oder jeder Bügel aus dem Material des Rotorrahmens oder aus einem dia- oder paramagnetischen Material gefertigt sein. Vorteilhafterweise ist im Rotorrahmen zwischen zwei oder je zwei benachbarten Permanentmagneten eine Anzahl spaltartiger Ausnehmungen vorgesehen, welche bis in den Bereich einer statorseitigen Mantelfläche des Rotorrahmens hin ausgebildet sind und welche im Bereich der statorseitigen Mantelfläche im Wesentlichen in radialer Richtung verlaufen. Dies führt dazu, dass der von den einander zugewandten, gleichpolig magnetisierten Flächen der jeweiligen benachbarten Permanentmagnete der magnetische Fluss keine beliebige Ordnung im Kreisringsektor zwischen den jeweiligen Permanentmagneten bilden kann, sondern konzentriert radial zum Stator und damit zu den Statorpolen hin ausgerichtet wird und somit den magnetischen Fluss eines sich in diesem

Bereich ausbildenden Rotorpols verstärkt. Dies führt zu einer besseren Flussverkettung zwischen dem Rotor und dem Stator und erhöht somit die Leistungsfähigkeit der elektromechanischen Maschine. Bevorzugt ist hierbei die oder jede Ausnehmung des Rotorrahmens ganz oder teilweise mit einem dia- oder paramagnetischen Füllmaterial, insbesondere mit einem Kunststoff, ausgefüllt. Dies verstärkt die Konzentration des magnetischen Flusses eines Rotorpols an der statorseitigen Mantelfläche weiter. Zweckmäßigerweise steht das dia- oder paramagnetische Füllmaterial an wenigstens einem axialen Ende des Rotors zumindest teilweise über eine Anzahl von Ausnehmungen über und ist dabei zur Auswuchtung des Rotors eingesetzt und/oder weist eine Form einer Ventilatorschaufel auf. Dies stellt eine besonders vorteilhafte Mehrzweckverwendung des Füllmaterials dar, mit welchem die oder jede Ausnehmung des Rotorrahmens gefüllt oder ausgefüllt ist. Insbesondere kann hierbei von axial überstehendem Füllmaterial durch eine Anzahl als Ventilatorschaufeln ausgeformter Überstände ein Ventilator ausgebildet sein, welcher zur Kühlung einer weiteren in der Nähe der elektromechanischen Maschine angeordneten Vorrichtung eingesetzt werden kann.

Die zweitgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine elektromechanische Maschine, umfassend einen Stator und einen Rotor der vorbeschriebenen Art. Die Vorteile des Rotors und seiner Weiterbildungen können dabei sinngemäß auf die elektromechanische Maschine übertragen werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand von Zeichnungen erläutert. Dabei zeigen Fig. 1 in einer Schrägansicht einen Rotor mit von Abkantungen gehaltenen, axial überstehenden Permanentmagneten, Fig. 2 in einer Schrägansicht einen Rotor mit axial überstehenden

Permanentmagneten und einem zwischen den Permanentmagneten angeordneten weichmagnetischen Material,

Fig. 3 in einer Schrägansicht einen Rotor mit trapezförmigen Permanentmagneten, um deren radial innere Enden im Rotorrahmen weite Ausnehmungen vorgenommen sind,

Fig. 4 in einer Draufsicht einen Rotor mit abschnittsweise trapezförmigen Permanentm ag neten ,

Fig. 5 in einer Schrägansicht einen Rotor mit teilweise angefasten Permanentmagneten, welche teilweise von Bügeln gehalten werden, und

Fig. 6 in einer Schrägansicht einen Rotor mit Flussbarrieren, welche mit einem Füllmaterial ausgegossen sind.

In Fig. 1 ist in der Schrägansicht ein Rotor 1 dargestellt, in dessen Rotorrahmen 2 eine Anzahl von im Wesentlichen quaderförmigen Permanentmagneten 4 eingebracht ist. Die Permanentmagnete 4 sind im Rotorrahmen 2 drehsymmetrisch bezüglich einer Achse 5, welche als Drehachse des Rotors 1 vorgesehen ist, angeordnet, und weisen bezüglich des Rotorrahmens 2 jeweils einen axialen Überstand 6 auf. In radialer Richtung sind im Rotorrahmen 2 an den Permanentmagneten 4 inneren Ausnehmungen 8 bzw. äußeren Ausnehmungen 10 vorgesehen. Je zwei benachbarte Permanentmagnete 4 sind an den jeweils einander zugewandten Seitenflächen 12 gleichpolig magnetisiert, so dass im Kreisringsektor 14 des Rotorrahmens 2 zwischen den Permanentmagneten 4 ein Rotorpol 15 der entsprechenden Polarität ausgebildet ist. Die Rotorpole werden durch dünne Stege 16 an einem Innenring 18 des Rotors 1 gehalten.

Der Rotorrahmen 2 ist aus einem Blechpaket 19 gefertigt, dessen axiales Endblech 20 axiale Abkantungen 22 aufweist, welche an den azimutalen Seitenflächen 24 der axialen Überstande 6 der Permanentmagnete 4 anliegen. Die aus dem axialen Endblech 20 des Blechpakets 19 hervorstehenden Abkantungen 22 weisen weitere Abkantungen 26 auf, welche an den axialen Stirnflächen 28 der Permanentmagnete 4 aufliegen. Des Weiteren ist an der jeweils radial inneren Seite jeder Abkantung 22 ein Überstand 30 angeordnet, welcher am axialen Überstand der inneren radialen Stirnfläche 32 des jeweiligen Permanentmagneten 4 aufliegt.

Durch den axialen Überstand 6 der Permanentmagnete 4 erhöht sich die verfügbare magnetische Flussdichte. Aufgrund des hohen magnetischen

Widerstandes der den Rotor 1 umgebenden Luft wird das zusätzliche Feld, welches jeweils durch den axialen Überstand 6 erzeugt wird, dazu bewegt, einen Schluss der Feldlinien über den Rotor 1 zu suchen. Dies führt im Bereich der Rotorpole 15 jeweils zu einem erhöhten magnetischen Fluss, welcher zu einer verbesserten Verkettung mit dem magnetischen Fluss führt, welcher durch einen in der Zeichnung nicht näher dargestellten, radial außen liegenden Statorpol erzeugt wird.

Die inneren Ausnehmungen 8 und die äußeren Ausnehmungen 10 verringern hierbei den Kurzschluss des Feldes eines Permanentmagneten 4 über den

Rotorrahmen 2. An der Innenseite kann ein solcher Kurzschluss nur über einen Steg 16 und den Innenring 18 des Rotorrahmens 2 führen. Der Steg 16 ist daher vorzugsweise derart ausgebildet, dass er alle auf einen von ihm mit dem Innenring 18 verbundenen Kreisringsektor 14 auftretenden Zentrifugalkräfte bei einer Rotation aufnehmen kann, jedoch hierbei möglichst schmal gehalten ist, so dass im Blechpaket 19 am Steg möglichst schnell eine magnetische Sättigung eintritt, welche einen weiteren Kurzschluss des Feldes unterbindet.

Die Abkantungen 22 vereinfachen dabei, einen Permanentmagneten 4 azimutal in Position zu halten. Dies kann insbesondere durch eine kraftschlüssige

Verbindung am axialen Überstand 6 auf beiden axialen Seiten des Rotors 1 erfolgen. Zusätzlich halten die Abkantungen 26 den Permanentmagneten 4 axial in Position, und durch den Überstand 30 wird der Permanentmagnet 4 radial nach außen in Richtung eines in der Zeichnung nicht näher dargestellten Stators gedrückt.

In Fig. 2 ist in der Schrägansicht ein Rotor 1 mit axial über den Rotorrahmen 2 überstehenden Permanentmagneten 4 dargestellt, wobei zwischen dem jeweiligen axialen Überstand 6 der Permanentmagnete 4 Kreisringsektoren mit weichmagnetischem Material 40 angeordnet sind. Die Permanentmagnete 4 werden hierbei kraftschlüssig durch Bügel 42, welche jeweils vom Steg 18 ausgehen, in ihrer Position gehalten. Das weichmagnetische Material 40 wird hierbei magnetisiert, und trägt zum jeweiligen Rotorpol 15 bei. Da es jedoch meist günstiger ist, als das Blechpaket 19, aus welchem der Rotorrahmen 2 gefertigt ist, können insgesamt Kosten gespart werden.

In Fig. 3 ist in der Schrägansicht ein Rotor 1 mit trapezförmigen Permanentmagneten 4 dargestellt. Die inneren Ausnehmungen 8 im

Rotorrahmen 2 umgeben hierbei teilweise den jeweiligen Permanentmagneten 4 in radialer Richtung. Hierdurch wird der Kurzschluss des Feldes eines Permanentmagneten 4 weiter erschwert, da dieser an der radialen Innenseite nur über den verlängerten Steg 16 zum Rotorpol 15 und den Innenring 18 führen kann. Der schmale verlängerte Steg 16 kann hierbei aufgrund einer leicht eintretenden magnetischen Sättigung nur wenig magnetischen Fluss übertragen, der Kurzschluss des Feldes wird erschwert. Die Permanentmagnete 4 werden in der inneren Ausnehmung 8 durch kammartige Strukturen 64, welche gegen die radial innere Stirnfläche 32 drücken, kraftschlüssig in Position gehalten. Die kammartigen Strukturen 64 sind an einem keilförmigen Bereich des

Rotorrahmens 2 ausgebildet, der zwischen Ausnehmung 8 und trapezförmigem Permanentmagneten 4 angeordnet ist.

In Fig. 4 ist in der Draufsicht ein Rotor 1 mit abschnittsweise trapezförmigen Permanentmagneten 4 dargestellt, welche sich radial nach außen zuerst trapezförmig verbreitern und zum radial äußeren Ende hin trapezförmig verjüngen. Durch diese Verjüngung nach außen sind die Permanentmagnete 4 formschlüssig im Rotorrahmen 2 eingebracht. Weitere Haltenasen oder Bügel zur azimutalen bzw. radialen Fixierung entfallen.

In Fig. 5 ist in der Schrägansicht ein Rotor 1 mit axial überstehenden Permanentmagneten 4 dargestellt, welche jeweils an der radial inneren Stirnfläche 32 in axialer Richtung mit Fasen 44 versehen sind. Die Permanentmagnete 4 werden in der inneren Ausnehmung 8 durch Bügel 42, welche jeweils vom Steg 16 ausgehen und gegen die Fase 44 drücken, und durch Bügel 46, welche vom Innenring 18 des Rotorrahmens 2 ausgehen und gegen die radial innere Stirnfläche 32 drücken, kraftschlüssig in Position gehalten. In Fig. 6 ist in der Schrägansicht ein Rotor 1 mit axial überstehenden Permanentmagneten 4 dargestellt, in dessen Kreisringsektoren 14 zwischen je zwei benachbarten Permanentmagneten 4 im Rotorrahmen 2 als Flussbarrieren spaltartige Ausnehmungen 50 eingebracht sind, welche zur äußeren

Mantelfläche 52 des Rotors 1 hin zunehmend radial verlaufen. Die Flussbarrieren 50 sowie die inneren Ausnehmungen 8 und die äußeren Ausnehmungen 10 sind mit einem nicht magnetischen Füllmaterial 54 ausgefüllt, welches an einigen Stellen axial über den Rotorrahmen 2 hervorsteht und dort als Ventilatorschaufel 56 ausgebildet ist. Die Flussbarrieren 50 sorgen für eine Konzentration des magnetischen Flusses in den Rotorpolen 15 zur äußeren Mantelfläche 52 des Rotors 1 hin, so dass der Fluss eines Rotorpols 15 eine verbesserte Verkettung mit dem Fluss eines entsprechenden Statorpols 58 eines Stators 60 der elektromechanischen Maschine 62 aufweist.

Bezugszeichenliste

1 Rotor

2 Rotorrahmen

4 Permanentmagnet

5 Achse

6 axialer Überstand eines Permanentmagneten

8 innere Ausnehmung

10 äußere Ausnehmung

12 Seitenfläche eines Permanentmagneten

14 Kreisringsektor zwischen zwei benachbarten Permanentmagneten

15 Rotorpol

16 Steg zum Kreisringsektor

18 Innenring des Rotorrahmens

19 Blechpaket

20 axiales Endblech des Rotorrahmens

22 axiale Abkantung

24 azimutale Seitenfläche des axialen Überstandes

26 Abkantung

28 axiale Stirnfläche eines Permanentmagneten

30 Überstand an einer Abkantung

32 radial innere Stirnfläche eines Permanentmagneten

40 weichmagnetisches Material

42 Bügel

44 Fase an einem Permanentmagneten

46 Bügel

50 spaltartige Ausnehmung als Flussbarriere

52 äußere Mantelfläche des Rotors

54 nicht magnetisches Füllmaterial

56 Ventilatorschaufel

58 Statorpol

60 Stator

62 elektromechanische Maschine

64 kammartige Struktur