Login| Sign Up| Help| Contact|

Patent Searching and Data


Title:
ROTOR FOR A PERMANENT-MAGNET MACHINE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2013/020846
Kind Code:
A2
Abstract:
Rotor (1, 1') for a permanent-magnet machine (14, 14') comprising a plurality of permanent magnets (5) arranged in the interior of the rotor (1, 1') that define poles (7), wherein - the rotor (1, 1') consists of at least two individual rotor discs (8) one coaxially following another, having the same radius, particularly identical disks, with an equal number of poles (7) of equal extension in the peripheral direction, - wherein the rotor discs (8) are separated by at least one respective axial flux barrier (11) preventing a magnetic flux between the rotor discs (8) and - wherein the poles (7) of adjacent rotor discs (8) are arranged offset from one another in the circumferential direction by a predetermined offset angle that is smaller than the angular extension of a pole (7) in the circumferential direction.

Inventors:
KLOEPZIG MARKUS (DE)
SCHRAMM MARCO (DE)
Application Number:
PCT/EP2012/064858
Publication Date:
February 14, 2013
Filing Date:
July 30, 2012
Export Citation:
Click for automatic bibliography generation   Help
Assignee:
SIEMENS AG (DE)
KLOEPZIG MARKUS (DE)
SCHRAMM MARCO (DE)
International Classes:
H02K21/16
Domestic Patent References:
WO2006032635A12006-03-30
WO2007004009A22007-01-11
Foreign References:
JP2000308287A2000-11-02
DE102008020779A12009-11-05
DE102004030831A12005-01-20
JP2006060952A2006-03-02
EP2117102A12009-11-11
US20110050022A12011-03-03
Other References:
None
Attorney, Agent or Firm:
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT (DE)
Download PDF:
Claims:
Patentansprüche

1. Rotor (1, 1') für eine permanentmagnetische Maschine (14, 14')/ umfassend mehrere im Inneren des Rotors (1, 1') angeordnete, Pole (7) definierende Permanentmagnete (5, da¬ durch gekennzeichnet, dass

- der Rotor (1, 1') aus wenigstens zwei koaxial aufeinanderfolgenden, denselben Radius aufweisenden, insbesondere gleichen, einzelnen Rotorscheiben (8) mit einer gleichen Anzahl von Polen (7) gleicher Ausdehnung in Umfangsrichtung besteht,

- wobei die Rotorscheiben (8) jeweils durch wenigstens eine magnetischen Fluss zwischen den Rotorscheiben (8) vermeidende magnetische axiale Flusssperre (11) getrennt sind und

- wobei die Pole (7) benachbarter Rotorscheiben (8) in Um- fangsrichtung um einen vorgegebenen Versetzungswinkel, der kleiner als die Winkelausdehnung eines Pols (7) in Umfangs- richtung ist, gegeneinander versetzt angeordnet sind.

2. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die in einem Winkel zu der Axialrichtung verlaufende Begrenzungen

(9) aufweisenden Pole (7) so angeordnet sind, dass die Be¬ grenzungen (9) von Polen (7) benachbarter Rotorscheiben (8) fluchtend angeordnet sind. 3. Rotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Versetzungswinkel so gewählt ist, dass Pendelmomente minimiert sind.

4. Rotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das der Zahl der Rotorscheiben (8) ent¬ sprechende Vielfache des Versetzungswinkels ein Vielfaches des halben Statorwinkels ist, der den Winkelabstand in Um- fangsrichtung zweier benachbarter Statorpole eines mit dem Rotor (1, 1') zusammenwirkenden Stators (15) beschreibt.

5. Rotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (5) zwischen einem insbesondere einstückig für die Rotorscheibe (8) ausgebilde- ten Rückschlusselement (3) , insbesondere aus Eisen, und einem Polschuh (4), insbesondere aus Eisen, angeordnet sind.

6. Rotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Flusssperre (11) eine aus magnetisch nicht leitenden Blechen, insbesondere aus nichtmagnetischem Edelstahl, und/oder aus Kunststoff ausgebildete Flusssperrenscheibe (12) umfasst. 7. Rotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Flusssperre (11) wenigstens einen insbesondere ringförmigen Abstandshalter (23) zur Bildung eines sperrend wirkenden Luftspalts umfasst. 8. Rotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Pol (7) wenigstens zwei insbeson¬ dere in einer V-Form angeordnete Permanentmagneten (5) umfasst . 9. Rotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein den Permanentmagneten (5) statorsei- tig abdeckender Polschuh (4) den Fluss in Umfangsrichtung sperrende, radial verlaufende Umfangsrichtungsflusssperren (24) aufweist.

10. Rotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Pole (7) einer Rotorscheibe (8) trennend ein von dem magnetischen Fluss der Permanentmagneten (5) gesättigter Steg (6) zur Begrenzung eines magnetischen Kurzschlussflusses zwischen benachbarten Polen (7) vorgesehen ist .

11. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass den Permanentmagneten (5) und einen den Perma- nentmagneten (5) statorseitig abdeckenden Polschuh (4) umfassende Polanordnungen wenigstens zwei in Richtung auf die be¬ nachbarten Pole (7) angeordnete nichtmagnetische Abstandshal¬ ter (22) zur Vermeidung eines magnetischen Kurzschlussflusses zwischen benachbarten Polen (7) einer Rotorscheibe (8) umfassen .

12. Rotor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet , dass die Polanordnung keilförmig mit der schmalen Seite nach außen ausgebildet ist.

13. Rotor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (1, 1') an seiner Außenseite bandagiert ist.

14. Permanentmagnetische Maschine (14, 14')/ umfassend einen Stator (15) mit insbesondere in Zahnspulentechnik gewickelten Polwicklungen (19) und einen gegen den Stator (15) drehbar gelagerten Rotor (1, 1') nach einem der vorangehenden Ansprüche .

15. Maschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftspalt (20) zwischen dem Rotor (1, 1') und dem Stator (15) sich ortsabhängig zur weiteren Reduzierung von Pendelmomenten verändert.

Description:
Beschreibung

Rotor für eine permanentmagnetische Maschine

Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine permanentmagneti ¬ sche Maschine, umfassend mehrere im Inneren des Rotors ange ¬ ordnete, Pole definierende Permanentmagnete. Daneben betrifft die Erfindung eine permanentmagnetische Maschine, umfassend einen Stator mit insbesondere in Zahnspulentechnik gewickelten Polwicklungen und einen gegen den Stator drehbar gelagerten Rotor.

Bei permanentmagnetischen Maschinen, deren Rotoren Permanentmagneten umfassen, die die Rotorpole definieren, sind im Wesentlichen zwei verschiedene Ausgestaltungen bekannt. Zum einen wurden sogenannte IPM-Rotoren vorgeschlagen, bei denen die Permanentmagnete nicht auf der Außenseite des Rotors an ¬ geordnet sind, sondern im Inneren des Rotors. Im Gegensatz dazu wurden auch sogenannte APM-Rotoren vorgeschlagen, also Rotoren mit außen liegenden Permanentmagneten, bei denen die Permanentmagnete auf der Oberfläche des Rotorkörpers vorgese ¬ hen sind.

Das hauptsächliche Problem bei APM-Rotoren ist, dass die me ¬ chanische Stabilität sichergestellt werden muss, weshalb eine aufwändige Bandagierung erforderlich ist. Doch die IPM- Konstruktion weist auch weitere Vorteile gegenüber den APM- Rotoren auf. So werden die Permanentmagnete bei IPM-Rotoren üblicherweise in ihre entsprechenden Aufnahmen eingeschoben und dort verklebt bzw. vergossen. Hierdurch können Magnettoleranzen ausgeglichen werden und somit kostengünstige Perma ¬ nentmagnete eingesetzt werden. Weiterhin kann im Vergleich zum APM-Design im Bereich der Feldschwächung mit kleineren Strömen gearbeitet werden. Zur Problematik der IPM-Rotoren, dass der Fluss der Permanentmagnete aufgrund des Polschubs nun nicht mehr zwangsläufig in den Polen exakt senkrecht aus ¬ tritt und magnetische Kurzschlüsse auftreten können, wurden bereits gangbare Lösungen vorgeschlagen. Probleme treten bei IPM-Rotoren jedoch dann auf, wenn die Wicklungen des Stators in der Zahnspulentechnik gewickelt sind, das bedeutet, dass die Wicklungen um einzelne Zähne des Stators geführt sind. Bei solchen mit Hilfe der Zahnspulen ¬ technik gewickelten permanentmagnetischen Maschinen (Zahnspulenmaschinen) hat das Statordrehfeld erhebliche Oberwellenan ¬ teile. Diese Oberwellenanteile können Schwankungen im Drehmo ¬ ment des Rotors hervorrufen, die in der Fachsprache üblicher- weise als Pendelmomente bezeichnet werden.

Zur Lösung dieser Problematik, also zur Vermeidung bzw. Minimierung von Pendelmomenten bei Zahnspulenmaschinen, wurde vorgeschlagen, einen variablen Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator vorzusehen, um eine sinusförmige Flussvertei ¬ lung zu erreichen. Dabei besteht allerdings das Problem, dass die örtliche Variation des Luftspalts hochexakt vorliegen muss, da ansonsten der positive Effekt nicht erreicht wird. Problematisch ist, dass der magnetische Fluss hier seitlich ausweichen kann und dann doch wieder zu Pendelmomenten führt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine kon ¬ struktiv einfache, demgegenüber verbesserte Möglichkeit an ¬ zugeben, Pendelmomente bei Verwendung der Zahnspulentechnik zu minimieren.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Rotor der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass

- der Rotor aus wenigstens zwei koaxial aufeinanderfolgenden, denselben Radius aufweisenden, insbesondere gleichen, einzelnen Rotorscheiben mit einer gleichen Anzahl von Polen gleicher Ausdehnung in Umfangsrichtung besteht,

- wobei die Rotorscheiben jeweils durch wenigstens eine mag ¬ netischen Fluss zwischen den Rotorscheiben vermeidende magne- tische axiale Flusssperre getrennt sind und

- wobei die Pole benachbarter Rotorscheiben in Umfangsrich- tung um einen vorgegebenen Versetzungswinkel, der kleiner als die Winkelausdehnung eines Pols in Umfangsrichtung ist, gegeneinander versetzt angeordnet sind.

Erfindungsgemäß wird also vorgeschlagen, zur Minimierung bzw. Vermeidung von Pendelmomenten den Rotor in eine Anzahl von wenigstens zwei, insbesondere drei, Teilrotoren (Rotorschei ¬ ben) zu zerlegen, die vorteilhafterweise in ihrer Ausgestal ¬ tung gleich sind und gestaffelt angeordnet sind. Das bedeutet also, nachdem die Polstruktur der Polscheiben dieselbe ist, dass die Pole in axialer Richtung nicht an gleicher Position in Umfangsrichtung aufeinanderfolgen, sondern dass axial benachbarte Pole benachbarter Rotorscheiben jeweils um den Versetzungswinkel in einer vorgegebenen Richtung gegeneinander verschoben angeordnet sind. Dabei sind im Wesentlichen zwei Varianten denkbar. Verlaufen die Begrenzungen der Pole exakt in axialer Richtung, sind auch die Randbegrenzungen der Pole gegeneinander um den Versetzungswinkel versetzt. Es kann je ¬ doch auch eine insgesamte „Schrägung" vorgesehen sein, wobei die in einem Winkel zu der Axialrichtung verlaufende Begren- zungen aufweisenden Pole so angeordnet sind, dass die Begren ¬ zungen von Polen benachbarter Rotorscheiben fluchtend angeordnet sind. Letztlich ergibt sich dann ein Eindruck, dass der Rotorpol sich gegenüber der Axialrichtung schräg über den Rotor erstreckt, also nicht mehr der Axialrichtung folgt. Durch eine geeignete Wahl des Versetzungswinkels kann nun er ¬ reicht werden, dass durch diese Ausgestaltung Pendelmomente minimiert werden. Mit anderen Worten ist der Versetzungswinkel erfindungsgemäß so gewählt, dass Pendelmomente minimiert sind .

In einer konkreten Ausgestaltung kann dabei vorgesehen sein, dass das der Zahl der Rotorscheiben entsprechende Vielfache des Versetzungswinkels ein Vielfaches des halben Statorwin ¬ kels ist, der den Winkelabstand in Umfangsrichtung zweier be- nachbarter Statorpole eines mit dem Rotor zusammenwirkenden Stators beschreibt. Der genannte Statorwinkel, der sich als 360° geteilt durch die Zahl der Statorpole (Nutzahl) ergibt, wird häufig auch als „Nutteilung" des Stators bezeichnet und wird in Formeln beispielsweise mit a PS bezeichnet. Sind also n Polscheiben vorgesehen, und bezeichnet man den Versetzungswinkel mit γ, so werden besonders vorteilhafte Ergebnisse in der Minimierung der Pendelmomente erreicht, wenn

wobei m eine beliebige natürliche Zahl ist. Würde man es jedoch bei dieser einfachen Staffelung belassen, so träte das Problem auf, dass ein ungewollter axialer Fluss auftreten könnte, der deutliche Verluste im Betrieb der per ¬ manentmagnetischen Maschine zur Folge hätte. Überdeckt bei ¬ spielsweise der Statorpol mit in axialer Richtung verlaufen- den Begrenzungen lediglich einen Teil des insgesamt geschrägten Rotorpols, tendiert der magnetische Fluss der nicht über ¬ deckten Permanentmagnete, die ja im Inneren des Rotors lie ¬ gen, insbesondere durch die Rotorpolschuhe zu den bereits vom Stator überdeckten Anteil eines Pols gerichtet zu sein. Um dem entgegenzuwirken, wird erfindungsgemäß die Aufteilung in mehrere Rotorscheiben vorgeschlagen, wobei die einzelnen Rotorscheiben jeweils durch eine magnetischen Fluss zwischen den Rotorscheiben vermeidende magnetische axiale Flusssperre getrennt sind. Das bedeutet, es kann nicht mehr zu derartigen axialen Flussverläufen in größerem Maße kommen.

Die Erfindung ermöglicht also eine Reduktion von Pendelmomenten, wobei durch die Verwendung von magnetischen axialen Flusssperren auch kein axiales Pendeln des magnetischen Flus- ses der Permanentmagneten zwischen den Rotorscheiben auftritt. Das bedeutet, der Fluss der Permanentmagneten kann an nahezu einer rotorfesten Position verankert werden. Ferner erlaubt es die vorliegende Erfindung, die mechanische Kon ¬ struktion ohne negative Einflüsse auf das magnetische Design zu verbessern. Das bedeutet, dass die Konstruktion für größe ¬ re Drehzahlen als ein bekanntes IPM-Design verwendet werden kann. Hierzu kommen die bei der Verwendung von IPM-Rotoren ohnehin gegebenen Vorteile.

Der Aufbau der Rotorscheiben kann dabei beispielsweise so ge- wählt sein, dass die Permanentmagnete zwischen einem insbe ¬ sondere einstückig für die Rotorscheibe ausgebildeten Rückschlusselement, insbesondere aus Eisen, und einem Polschuh, insbesondere aus Eisen, angeordnet sind. Das Rückschlussele ¬ ment kann, wie erwähnt, einstückig ausgebildet sein und eine Aufnahme für eine Rotorwelle aufweisen. Der Permanentmagnet bildet gemeinsam mit dem Rückschlusselement und dem Polschuh letztlich den rotorseitigen Teil des magnetischen Kreises.

In weiterer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass die axiale Flusssperre eine aus magne ¬ tisch nicht leitenden Blechen, insbesondere aus nichtmagneti ¬ schem Edelstahl, und/oder aus Kunststoff ausgebildete Fluss ¬ sperrenscheibe umfasst. Eine derartige Flusssperrenscheibe kann beispielsweise dieselbe radiale Ausdehnung wie die Ro- torscheibe aufweisen und somit stabilisierend zwischen den Rotorscheiben angeordnet sein. Bezüglich einer geblechten Flusssperrenscheibe können die Bleche bevorzugt aus nichtmag ¬ netischem Edelstahl ausgebildet sein, als Kunststoff bietet sich besonders ein temperaturfester Kunststoff an.

Es kann ferner vorgesehen sein, dass die Flusssperre wenigs ¬ tens einen insbesondere ringförmigen Abstandshalter zur Bildung eines sperrend wirkenden Luftspalts umfasst. In diesem Fall sind also partielle axiale Abstandshalter zwischen den Rotorscheiben vorgesehen, die beispielsweise in einer Ringform ausgebildet sein können. Hierdurch wird ein axialer Luftspalt zwischen den Rotorscheiben als Flusssperre gebil ¬ det. Auf diese Weise kann die Menge an benötigtem Material reduziert werden.

Die Permanentmagnete können vorzugsweise im Wesentlichen qua ¬ derförmig sein. Hierbei ist es denkbar, dass jeder Pol exakt einen Permanentmagneten umfasst, zweckmäßigerweise kann je- doch auch vorgesehen sein, dass ein Pol wenigstens zwei insbesondere in einer V-Form angeordnete Permanentmagneten um- fasst. Die mehreren Permanentmagneten sind, beispielsweise bei zwei Permanentmagneten in einer V-Form, dann so angeord- net, dass ein möglichst senkrechter Austritt des magnetischen Flusses an den Polen gefördert wird, mithin die Richtung des Flusses beispielsweise nach Art einer Fokussierung beein- flusst wird. Verschiedene Ausgestaltungen sind im Stand der Technik grundsätzlich bekannt.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass ein den Permanentmagneten statorseitig abdeckender Polschuh den Fluss in Umfangsrich- tung sperrende, radial verlaufende Umfangsrichtungsflusssper- ren aufweist. Durch eine Unterteilung des Rotorpolschuhs in

Umfangsrichtung durch auch hier vorgesehene Flusssperren werden Flussverschiebungen bzw. ein Pendeln des Flusses in Um- fangsrichtung vermieden, was ein verbessertes Weiterleiten des magnetischen Flusses der Permanentmagneten zur Oberfläche des Rotors erlaubt. Die Umfangsrichtungsflusssperren können dabei ähnlich wie die axialen Flusssperren durch nichtmagnetisch leitfähige Materialien oder im Zusammenhang mit Abstandshaltern durch Luftspalte gebildet werden. Es kann ferner vorgesehen sein, dass zwei Pole einer Rotorscheibe trennend ein von dem magnetischen Fluss der Perma ¬ nentmagneten gesättigter Steg zur Begrenzung eines magnetischen Kurzschlussflusses zwischen benachbarten Polen vorgesehen ist. Zwischen den Polen besteht die Gefahr, dass sich be- reits im Rotor über den Rotorpolschuh und das Rückschlussele ¬ ment ein geschlossener magnetischer Kreis bildet, mithin magnetischer Fluss verlorengeht. Entsprechend wird in den Berei ¬ chen zwischen den durch die Permanentmagneten definierten Polen in dieser Ausgestaltung nur ein schmaler Steg vorgesehen, der schnell gesättigt ist und mithin einen magnetischen Kurz- schlussfluss stark begrenzt. Der Steg kann hierbei auch als Halterung des Rotorpolschuhs ausgebildet sein. In einer alternativen, erfindungsgemäß bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die den Permanentmagneten und einen den Permanentmagneten statorseitig abdeckenden Polschuh umfassenden Polanordnungen wenigstens zwei in Rich- tung auf die benachbarten Pole angeordnete nichtmagnetische Abstandshalter zur Vermeidung eines magnetischen Kurzschlussflusses zwischen benachbarten Polen einer Rotorscheibe umfassen. Es kann also vorgesehen sein, dass der kurzgeschlossene Fluss durch einen magnetisch nichtleitenden Abstandshalter zwischen den Polen reduziert wird. Dabei kann vorgesehen sein, dass das Rückschlusselement eine speziell ausgebildete Aufnahme für die Polanordnung an seiner Außenseite aufweist. Die Polanordnung kann keilförmig mit der schmalen Seiten nach außen ausgebildet sein, so dass sie in der Aufnahme trotz des außen liegenden Polschuhs gehalten wird. Nach außen wird die Polanordnung dann mittels der Abstandshalter abgestützt, insbesondere dann, wenn die Aufnahme aus dem Rückschlusselement gebildet wird. Im Gegensatz zur Verwendung eines Steges wird der magnetische Kurzschluss hier sehr viel deutlicher reduziert oder gar gänzlich vermieden, so dass der Permanentmagnet optimal aus ¬ genutzt werden kann und somit beispielsweise die Kosten für die Permanentmagneten gesenkt werden können.

Weiterhin kann zweckmäßigerweise vorgesehen sein, dass der Rotor an seiner Außenseite bandagiert ist. Auch der erfindungsgemäße Rotor kann also mit einer zusätzlichen Bandage versehen werden, um höhere Betriebsdrehzahlen des Rotors zu ermöglichen.

Neben dem Rotor betrifft die vorliegende Erfindung auch eine permanentmagnetische Maschine, umfassend einen Stator mit insbesondere in Zahnspulentechnik gewickelten Polwicklungen und einen gegen den Stator drehbar gelagerten erfindungsgemäßen Rotor. Sämtliche Ausführungen bezüglich des erfindungsgemäßen Rotors lassen sich analog auf die erfindungsgemäße Ma ¬ schine übertragen, so dass auch hier die bereits genannten Vorteile erreicht werden können. Die durch die in Zahnspulentechnik gewickelten Polwicklungen des Stators ausgelösten Oberwellenanteile werden durch die spezielle Ausgestaltung des Rotors derart aufgefangen, dass die Pendelmomente mini- miert sind.

Dabei sei an dieser Stelle hervorgehoben, dass es im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich ist, vorteilhafterweise einen über die gesamte Oberfläche des Rotors konstanten Luft- spalt zu dem Stator vorzusehen, das bedeutet, eine örtliche Variation des Luftspalts zur Minimierung von Pendelmomenten ist nicht mehr notwendig. Mithin entsteht kein erhöhter mag ¬ netischer Widerstand im Luftspalt, so dass sich im Permanent ¬ magnet ein Arbeitspunkt mit maximalem Fluss einstellt und der Permanentmagnet somit optimal ausgenutzt werden kann.

Alternativ kann jedoch auch vorgesehen sein, dass der Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator sich ortsabhängig zur weiteren Reduzierung von Pendelmomenten verändert. Es ist al- so auch denkbar, die beiden Methoden zur Minimierung von Pendelmomenten zu kombinieren und gemeinsam einzusetzen, was dann von Vorteil sein kann, wenn bezüglich der Staffelung der Rotorscheiben keine exakte Kompensation gewünscht ist. Bevorzugt wird jedoch, einen konstanten Luftspalt vorzusehen.

Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine Perspektivansicht eines erfindungsgemäßen

Rotors einer ersten Ausführungsform,

Fig. 2 eine Aufsicht auf den Rotor gemäß Fig. 1,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht einer den Rotor aus Fig. 1 und Fig. 2 verwendenden erfindungsgemäßen permanentmagnetischen Maschine, Fig. 4 einen Teilquerschnitt durch die Maschine gemäß

Fig. 3,

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines erfindungs- gemäßen Rotors einer zweiten Ausführungsform,

Fig. 6 eine Aufsicht auf den Rotor gemäß Fig. 5,

Fig. 7 eine perspektivische Ansicht einer den Rotor aus Fig. 5 und Fig. 6 verwendenden erfindungs ¬ gemäßen permanentmagnetischen Maschine,

Fig. 8 einen Teilquerschnitt durch die Maschine gemäß

Fig. 7, und

Fig. 9 eine Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Rotors mit Umfangsrichtungsflusssperren .

Fig. 1 zeigt eine Perspektivansicht eines Rotors 1 in einer ersten Ausführungsform. Der Rotor 1 weist zentral eine Aufnahme 2 für eine Rotorwelle auf. Diese wird definiert durch ein in diesem Fall einstückig ausgeführtes, geblechtes Eisen ¬ rückschlusselement 3. Zwischen dem Eisenrückschlusselement 3 und den den Rotor nach außen abschließenden Rotorpolschuhen 4 sind quaderförmige Permanentmagnete 5 angeordnet, die mithin im Inneren des Rotors 1 liegen. Die Rotorpolschuhe 4 sind kappenartig ausgebildet und werden durch Stege 6 getragen, so dass sich insgesamt eine Aufnahme für die Permanentmagnete 5 ergibt. Jeder der Permanentmagneten 5 definiert mithin einen Pol 7, der mit entsprechenden Polen eines Stators wechsel ¬ wirkt, so dass eine permanentmagnetische Maschine im motori ¬ schen oder generatorischen Betrieb betrieben werden kann.

Vorliegend ist der im Wesentlichen zylinderförmige Rotor 1 jedoch nicht einstückig ausgebildet, sondern in drei Rotorscheiben 8 aufgeteilt, die vorliegend alle gleich sind, das bedeutet, sie umfassen dieselbe Polzahl (hier acht) , und die geometrische Ausgestaltung der Teilkomponenten jeder Rotor- scheibe 8 (Rückschlusselement 3, Polschuhe 4, Permanentmagne ¬ te 5 und Stege 6) ist bei allen Rotorscheiben 8 dieselbe. Hieraus ergibt sich, dass die Rotorscheiben 8 denselben Radius haben und die acht Pole eine gleiche Ausdehnung in Um- fangsrichtung aufweisen.

Ersichtlich ist im hier dargestellten Ausführungsbeispiel jedoch die Begrenzung 9 im Bereich der Pole 7, definiert durch die Stege 6, nicht in axialer Richtung verlaufend ausgebil- det, sondern unter einem Winkel zur axialen Richtung, das bedeutet, sie verläuft schräg.

Um den Gesamtrotor 1 zu erhalten, werden die Rotorscheiben 8 nun koaxial zueinander benachbart angeordnet, wie in Fig. 1 gezeigt, und zwar so, dass die benachbarten Rotorscheiben 8 jeweils gegeneinander um einen vorbestimmten Versetzungswinkel, der einer Versetzungsstrecke 10 entspricht, verdreht sind, so dass die Begrenzungen 9 aneinander anschließen, wie aus Fig. 2 besonders deutlich ersichtlich ist. Zwischen den Rotorscheiben 8 ist dabei jeweils eine axiale Flusssperre 11 angeordnet, welche hier als eine durchgängige Flusssperren ¬ scheibe 12 aus einem nichtmagnetischen Material ausgebildet ist, vorliegend aus nichtmagnetischem Edelstahl, insbesondere geblecht, wobei auch eine Ausgestaltung aus Kunststoff denk- bar ist. Die axialen Flusssperren 11 verhindern, dass es zu einem übermäßigen Pendeln des Flusses der Permanentmagneten 5 in axialer Richtung zwischen den Rotorscheiben 8 aufgrund der Staffelung kommt. Dabei sei an dieser Stelle angemerkt, dass, obwohl dies hier nicht näher dargestellt ist, als Flusssperre 11 auch partiel ¬ le Abstandshalter verwendet werden können, die einen sperrend wirkenden Luftspalt definieren und beispielsweise als Ringe ausgebildet sein können. Ferner können die Begrenzungen 9 auch in axialer Richtung verlaufen, wobei derselbe Versetzungswinkel verwendet werden kann. Der Versetzungswinkel (und somit die Versetzungsstrecke 10) wird dabei so gewählt, dass Pendelmomente aufgrund der Ober ¬ wellenanteile bei Statorwicklungen in Zahnspulentechnik minimiert werden. Betrachtet man im vorliegenden Ausführungsbei- spiel den Gesamtversatz 13, der einem Gesamtversatzwinkel entspricht, welcher vorliegend dreimal dem Versetzungswinkel entspricht, so ist dieser vorliegend als Vielfaches des hal ¬ ben Statorwinkels gewählt, beispielsweise als genau der halbe Statorwinkel, der den Winkel zwischen zwei Statorpolen be- schreibt. Das bedeutet, im vorliegenden Ausführungsbeispiel gilt, dass das Dreifache des Versetzungswinkels dem halben Statorwinkel zwischen zwei Polen des Stators entspricht.

Während also durch die versetzten Pole den Pendelmomenten entgegengewirkt werden kann, reduzieren die Flusssperren 11 deutlich ein axiales Pendeln von Flüssen zwischen den Rotorscheiben 8, die als Teilrotoren aufgefasst werden können.

Fig. 3 zeigt eine Synchronmaschine 14, bei der der Rotor 1 innerhalb eines Stators 15 drehbar gelagert ist, wobei Fig. 4 einen teilweisen Querschnitt der Synchronmaschine 14 zeigt. Ersichtlich umfasst der Stator wie grundsätzlich bekannt ein Statorjoch 16, Zähne 17 und Statorpolschuhe 18, die vorlie ¬ gend einteilig, beispielsweise aus geblechtem Eisen, ausge- bildet sind. Um die Statorzähne 17 sind Statorwicklungen 19 gelegt, ersichtlich in der Zahnspulentechnik. Die Statorwicklungen 19 sind dabei insgesamt dreiphasig ausgeführt.

Aus Fig. 4 ist ferner genauer die Stegkonstruktion mit dem Steg 6 zu erkennen, die den magnetischen Kurzschluss von dem Permanentmagneten 5 über den Rotorpolschuh 4 in das Rückschlusselement 3 begrenzt und gleichzeitig die Gesamtkon ¬ struktion des Rotors 1 stabilisiert. Ferner ist deutlich er ¬ sichtlich, dass der Luftspalt 20 zwischen dem Rotor 1 und dem Stator 15 eine konstante Breite aufweist. Zwar ist es grund ¬ sätzlich auch möglich, den Luftspalt ortsabhängig zu variieren, um zwei Methoden zur Reduzierung von Pendelmomenten, al- so Drehmomentschwankungen, zu kombinieren, jedoch ist der Luftspalt 20 konstanter Breite erfindungsgemäß bevorzugt.

Die Figuren 5 bis 8 zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel, wobei der Einfachheit halber gleiche Komponenten mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.

Die Figuren 5 und 6 zeigen eine modifizierte, zweite Ausfüh ¬ rungsform eines erfindungsgemäßen Rotors 1'. Im Unterschied zum Rotor 1 sind bei dem Rotor 1' Aufnahmen 21 für Polanordnungen an den Positionen der Pole 7 jeder Rotorscheibe 8 vorgesehen. Die Aufnahmen 21 sind nach oben hin verengt, so dass die eine leichte Keilform aufweisenden Polanordnungen fest darin gehalten sind, vgl. hierzu auch Fig. 8. Damit nun kein Kurzschluss zwischen dem Polschuh 4, der Teil der Polanordnung ist, und den Rückschlusselementen 3 entsteht, umfasst die Polanordnung neben dem Permanentmagneten 5 und dem Rotorpolschuh 4 Abstandshalter 22, die aus einem nichtmagnetischen Material bestehen und mithin magnetische Kurzschlüsse auf diesem Weg verringern. Dennoch ist eine stabile Halterung der Polanordnung in der Aufnahme 21 gegeben.

Die Begrenzungen 9 der Polbereiche der Pole 7 sind im vorlie ¬ genden Ausführungsbeispiel nicht als gegenständliche Merkmale vorhanden, sondern verlaufen - hier in axialer Richtung - entsprechend der Mittellinien zwischen zwei Aufnahmen 21. Auch hier sind jedoch die Pole 7 benachbarter Rotorscheiben 8 um einen Versetzungswinkel gegeneinander verschoben, der dem Versetzungswinkel der ersten Ausführungsform entspricht, so dass sich hier eine stufig wirkende Staffelung zwischen den Rotorscheiben 8 ergibt.

Die Rotorscheiben 8 sind wiederum durch Flusssperren 11 axialer Art getrennt, wobei vorliegend ringförmige Abstandshalter 23 verwendet werden, so dass ein eine Sperrwirkung entfaltender Luftspalt zwischen den Rotorscheiben 8 entsteht. Die Figuren 7 und 8 zeigen eine permanentmagnetische Maschine 14', in der der Rotor 1' verwendet wird. Der Stator 15 entspricht dabei exakt dem Stator 15 der Synchronmaschine 14. Wiederum sind die Statorwicklungen 19 also in Zahnspulentech- nik vorgesehen.

In Fig. 8 sind dabei besonders deutlich die verschiedenen Komponenten der Polanordnung, insbesondere die Abstandshalter 22, sowie die leichte Keilform zu erkennen.

Fig. 9 zeigt schließlich in Form einer Prinzipskizze eines Teils eines Rotors eine Möglichkeit einer besonderen Ausges ¬ taltung des Rotorpolschuhs 4, vorliegend für die zweite Aus ¬ führungsform des Rotors 1' dargestellt, bei der Polanordnun- gen in Aufnahmen 21 vorgesehen sind. Eine ähnliche Ausgestal ¬ tung lässt sich jedoch auch bei dem Rotor 1 einsetzen.

Ersichtlich ist der Polschuh 4 in Umfangsrichtung unterteilt, wobei die verschiedenen Anteile des Polschuhs 4 durch Um- fangsrichtungsflusssperren 24 gegeben sind. Hierdurch wird ein besseres Austrittsverhalten des Flusses des Permanentmag ¬ neten 5 erreicht.

Es sei an dieser Stelle noch angemerkt, dass es auch möglich ist, mehr als einen Permanentmagneten 5 an jedem Pol 7 vorzusehen. Beispielsweise können zwei Permanentmagneten vorgesehen sein, die dann V-artig angeordnet sind, um den Magnet- fluss der Permanentmagneten 5 auch durch diese Maßnahme zu verbessern .

Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele einge- schränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen .