Reluktanzmotor mit einem solchen Rotor

Die Erfindung betrifft einen Rotor für einen Reluktanzmotor, insbesondere einen Synchron-Reluktanzmotor, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 , ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Rotors nach dem Oberbegriff des Anspruches 17 sowie einen Reluktanzmotor mit einem solchen Rotor nach Anspruch 19.

Mit zunehmender Leistungsfähigkeit von elektronischen Motorsteuerungen werden drehzahlvariable Antriebe für Anwendungsbereiche interessant, die aus Kostengründen bisher überwiegend mit netzfrequenzabhängigen festen Drehzahlen betrieben worden sind. Beispielsweise werden Ventilatoren für den Kühlungsbereich auf die erforderliche Spitzenlast ausgelegt, jedoch überwiegend im Teillastbereich betrieben. Die hierbei erzielbaren Wirkungsgrade sind je nach Art der für die Ventilatoren eingesetzten Elektromotoren geringer als im Auslegungspunkt.

In den letzten Jahren haben sich bei drehzahlvariablen Anwendungen permanenterregte Synchronmaschinen (bürstenlose elektronisch kommutierte Motoren) bewährt. Sie werden für lüftungstechnische Antriebe bis zu etwa 10 kW Leistung mit integrierter Steuerelektronik ausgestattet. Die Wirkungsgrade solcher permanentmagneterregter Motoren im unteren und mittleren Leistungsbereich liegen deutlich über denen der AC- Käfigläufermotoren und haben auch bei kleineren Baugrößen das Potenzial, die künftige Wirkungsgradklasse IE4 zu erreichen.

BESTÄTIGUNGSKOPIE Von Nachteil ist allerdings, dass die notwendigen Permanentmagnetmaterialien nur für eingeengte Temperaturbereiche verwendbar sind. Zudem ist die Kostensituation speziell für Hochleistungsmaterialien, wie Neodym-Eisen- Bor, sehr unsicher und tendiert durch die weltweit hohe Nachfrage nach oben. Weiterhin von Nachteil ist, dass die Montageprozesse, wie das Kleben und die Magnetisierung der Magneten, besondere Sorgfalt erfordern und somit einen nicht unwesentlichen Beitrag zu den Herstell kosten liefern.

In zunehmendem Maße wird der Energiebedarf von Antrieben nicht nur unter best case Bedingungen gesehen, sondern unter realen bzw. unter mittleren Lastbedingungen ermittelt. Insbesondere in der Lüftungstechnik werden die erforderlichen Antriebsleistungen für die Spitzenlast ausgelegt; der häufigste Betriebszustand liegt jedoch deutlich unter diesem Wert. Je nach Auslegung kann der Wirkungsgrad von permanentmagneterregten Synchronmotoren im Teillastbereich deutlich geringer sein. Bei einer Betrachtung der sogenannten Lifecycle costs kann dies von Nachteil sein.

Völlig ohne Magnete arbeiten Reluktanzmotoren, bei denen zwischen geschalteten Reluktanzmotoren und Synchron-Reluktanzmotoren unterschieden wird. Geschaltete Reluktanzmotoren haben eine hohe, prinzipbedingte Momentenwelligkeit. Sie lässt sich durch die Synchron-Reluktanzmotoren auf ein zu permanenterregten Motoren vergleichbares Maß verringern.

Da die Preise für die Materialien von Permanentmagneten ständig steigen, werden im Leistungsbereich bis zu einigen 10 kW immer mehr Synchron- Reluktanzmotoren als Innenläufermotoren eingesetzt. Hierzu beigetragen hat auch, dass sensorlose Rotorlage-Erfassungssysteme verbessert wurden und sich einfacher realisieren lassen.

Prinzipiell arbeitet der Reluktanzmotor mit einer üblichen mehrphasigen verteilten Wicklung oder einer mehrphasigen Zahnspulenwicklung. Das von der Statorwicklung erzeugte mehrpolige Magnetfeld übt magnetische Anziehungskräfte auf einen Rotor aus, der lediglich gemäß der Polzahl des Sta- tors über eine geradzahlige Anzahl von magnetischen Ausprägungen verfügt. Dadurch richten sich die magnetischen Ausprägungen des Rotors in die Richtung des rotierenden Statorfeldes aus, so dass der Rotor synchron zu den Polen des Statorfeldes läuft. Durch die Reluktanz (magnetische Leitfähigkeit) werden in den durch die magnetischen Ausprägungen vorgegebenen Vorzugsrichtungen von jedem Polpaar Kräfte erzeugt, die einen synchronen Lauf zwischen dem Erregerfeld des Stators und den Ausprägungen des Rotors bewirken.

Bekannte Reluktanzmotoren haben Rotorsegmente aus magnetisch leitfähigem Material, die in einem Grundkörper des Rotormantels aus weniger gut magnetisch leitfähigem Material gehalten sind. Der Synchronlauf wird durch Oberwellen des Erregerflusses bzw. durch lastwechselbedingte Pendelmomente beeinträchtigt, die zu Flussänderungen in den Rotorsegmenten führen. Dadurch wird der Gleichlauf solcher Reluktanzmotoren beeinträchtigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den gattungsgemäßen Rotor, das gattungsgemäße Verfahren und den gattungsgemäßen Reluktanzmotor so auszubilden, dass der Rotor einfach und kostengünstig hergestellt und gefertigt werden kann, und dass mit ihm ein guter Gleichlauf des Reluktanzmotors gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird beim gattungsgemäßen Rotor erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 , beim gattungsgemäßen Verfahren erfindungsgemäß mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 17 und beim gattungsgemäßen Reluktanzmotor erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 19 gelöst.

Beim erfindungsgemäßen Rotor sind die Rotorsegmente in einen Grundkörper so eingebettet, dass er die Rotorsegmente innen oder außen vollständig abdeckt. Der Grundkörper bildet auf diese Weise einen geschlossenen Mantel an der Innen- oder an der Außenseite des Rotors. Der Rotor mit einem geschlossenen umlaufenden Mantel an der Innenseite kann für einen Innen- läufermotor und mit einem geschlossenen umlaufenden Mantel an der Außenseite für einen Außenläufermotor eingesetzt werden. Der Grundkörper verleiht dem Rotor eine hohe Festigkeit und Stabilität.

Der Grundkörper kann aus Kunststoff bestehen. In diesem Falle ist zur Bildung der Kurzschlusswicklung erforderlich, ein entsprechend leitfähiges zusätzliches Material zu verwenden.

Der Grundkörper kann bei einer vorteilhaften Ausführungsform auch aus metallischem Werkstoff bestehen, insbesondere aus Aluminium. Dann lässt sich der Rotor in bewährter Weise aus Aluminiumdruckguss fertigen. Bei einer solchen Ausbildung dient der metallische Werkstoff nicht nur zur Bildung des Grundkörpers, sondern gleichzeitig zur Realisierung der Magnetflussstabilisierung.

Die Rotorsegmente können aus einem einteiligen Blech bestehen.

Es ist aber auch möglich, die Rotorsegmente aus geschichteten Blechlamellen zu fertigen. Sie werden aufeinander gesetzt und in geeigneter Weise miteinander verbunden, beispielsweise verklebt.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform schließt die Längsmittelebene des Rotorsegmentes, quer zur Achse des Rotors gesehen, einen Winkel mit der Axialebene des Rotors ein. Eine solche Ausbildung trägt zum hervorragenden Gleichlauf des mit dem Rotor ausgestatteten Reluktanzmotors bei.

Die Rotorsegmente sind hierbei vorteilhaft so ausgebildet, dass die Längsränder des Rotorsegmentes parallel zur Längsmittelebene des Rotorsegmentes verlaufen, quer zur Achse des Rotors gesehen.

Beim erfindungsgemäßen Rotor liegen die Rotorsegmente vorteilhaft zwischen zwei Rückschlussringen. Die Magnetflusslinien verlaufen von den Rückschlussringen aus entgegengesetzt zueinander jeweils in die Rotorsegmente und über das in Umfangsrichtung jeweils benachbarte Rotorsegment zurück zum Rückschlussring. Auf diese Weise sind jedem Rotorsegment zwei Magnetflusskreisläufe zugeordnet, von denen der eine Magnetflusskreislauf über den einen Rückschlussring und der andere Magnetflusskreislauf über den gegenüberliegenden Rückschlussring verläuft. Durch eine solche Ausbildung ergibt sich ein hervorragender Gleichlauf des mit dem Rotor ausgestatteten Reluktanzmotors.

Bei dieser Führung des Magnetflusses in axialer Richtung wird der aus dem Stator kommende Fluss in zwei axiale Komponenten aufgeteilt. Die Trennlinie verläuft in Umfangsrichtung in der Mitte der Rotorsegmente. Der jeweilige Rückschluss für diese beiden Flusskomponenten über die Rückschlussringe erlaubt eine optimale Ausnutzung der flussführenden Eisenteile des Rotors. Auch lassen sich dadurch axiale Kräfte sehr einfach ausgleichen.

Erfolgt die Flussführung im Rotor des Synchron-Reluktanzmotors in Umfangsrichtung, teilt sich der radial aus dem Stator kommende Fluss (d- Achse) in zwei Umfangskomponenten auf, die einander entgegengesetzt durch zwei benachbarte Rotorsegmente gelenkt werden.

Eine einfache und kostengünstige Fertigung des Rotors ergibt sich, wenn die Rückschlussringe mit den Rotorsegmenten lösbar verbunden sind, vorteilhaft mit Schrauben.

Die Schrauben sind vorteilhaft in die Schmalseiten der Rotorsegmente geschraubt, die mit diesen Schmalseiten flächig an den Rückschlussringen anliegen. Dadurch ergibt sich ein guter Übergang der Magnetflusslinien von den Rotorsegmenten zu den Rückschlussringen.

Die Rückschlussringe sind ringförmig ausgebildet und liegen jeweils in einer Radialebene des Rotors. Vorteilhaft schließt an den einen Rückschlussring eine Kappe an, die vorteilhaft einstückig mit dem Rückschlussring ausgebildet ist. Mit der Kappe kann der Rotor an einem Ende geschlossen werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Kappe innenseitig mit einer Abdeckung versehen, die aus elektrisch leitendem Material besteht.

Hierbei ist es von Vorteil, wenn die Abdeckung einstückig mit dem Grundkörper ausgebildet ist.

Zu einem einfachen Aufbau des Rotors trägt bei, wenn von der Kappe ein Vorsprung absteht, in dem das eine Ende einer Rotorwelle befestigt ist.

Bei einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform sind die Rotorsegmente einstückig mit einem Rotorboden ausgebildet. In diesem Falle können die Rotorsegmente mit dem Rotorboden in einfacher Weise aus einem Blech gestanzt werden. Im Übergangsbereich vom Rotorboden zu den Rotorsegmenten ist wenigstens eine Kurzschlusswicklung vorgesehen.

Hierbei kann die Ausbildung so getroffen sein, dass alle Rotorsegmente eine gemeinsame Kurzschlusswicklung haben. Sie ist in diesem Fall ringförmig ausgebildet.

Es ist aber auch möglich, dass jedes Rotorsegment eine eigene Kurzschlusswicklung im Übergangsbereich aufweist.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird als Ausgangsmaterial zur Herstellung der Rotorsegmente ein Blech verwendet, aus dem ein sternförmiger Rohkörper gestanzt wird. Die Arme dieses Rohkörpers werden anschließend gegenüber einem sie verbindenden Mittelstück zur Bildung der Rotorsegmente aus der Ebene des Rohkörpers herausgebogen. Auf diese Weise lassen sich die Rotorsegmente einfach und kostengünstig durch einen Stanzvorgang herstellen. Die mit dem Rotorboden einstückig ausgebildeten Ro- torsegmente werden anschließend durch das Material des Grundkörpers gehalten. Hierfür kann eine Kunststoffumspritzung der Rotorsegmente und des Rotorbodens oder auch ein Aluminiumdruckgussverfahren eingesetzt werden.

Wenn die Rotorsegmente aus geschichteten Blechlamellen bestehen sollen, werden aus einem Blech mehrere sternförmige Rohkörper gestanzt, die anschließend aufeinander gelegt und in geeigneter Weise miteinander verbunden werden. Die Arme des so gebildeten geschichteten Rohkörpers werden anschließend aus der Ebene dieses Rohkörpers zur Bildung der Rotorsegmente herausgebogen.

Hierbei ist es vorteilhaft, wenn die Umrissformen der einzelnen Rohkörper sich geringfügig in der Größe unterscheiden, damit beim Biegevorgang die Rotorsegmente eine gewünschte gleichmäßige Umrissform haben.

Der erfindungsgemäße Reluktanzmotor mit dem Rotor zeichnet sich durch einen sehr guten Gleichlauf aus. Mit dem Reluktanzmotor, insbesondere wenn er als Synchron-Reluktanz-Außenläufermotor ausgebildet ist, können Motorwirkungsgrade vergleichbar zu denen von permanentmagneterregten Synchronmotoren erreicht werden. Der Reluktanzmotor benötigt keine Permanentmagnete. Der Stator entspricht dem eines herkömmlichen Asynchronmotors. Die Robustheit und Temperaturempfindlichkeit ist mit denen eines Asynchronmotors vergleichbar.

Der Anmeldungsgegenstand ergibt sich nicht nur aus dem Gegenstand der einzelnen Patentansprüche, sondern auch durch alle in den Zeichnungen und der Beschreibung offenbarten Angaben und Merkmale. Sie werden, auch wenn sie nicht Gegenstand der Ansprüche sind, als erfindungswesentlich beansprucht, soweit sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind. Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen.

Die Erfindung wird nachstehend anhand einiger in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsformen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 in perspektivischer Darstellung einen erfindungsgemäßen Rotor, der für einen Außenläufermotor eingesetzt wird,

Fig. 2 einen Axialschnitt durch den Rotor gemäß Fig. 1 ,

Fig. 3 einen Radialschnitt durch den Rotor gemäß Fig. 1 ,

Fig. 4 den Magnetfluss innerhalb des Rotors gemäß Fig. 1 ,

Fig. 5

bis

Fig. 12 verschiedene Ausführungsformen von Segmenten des erfindungsgemäßen Rotors, in perspektivischer Darstellung und in Draufsicht,

Fig. 13 in perspektivischer Darstellung eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rotors für einen Außenläufermotor,

Fig. 14 einen Axialschnitt durch den Rotor gemäß Fig. 13,

Fig. 15 in perspektivischer Darstellung eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rotors für einen Außenläufermotor,

Fig. 16 einen Axialschnitt durch den Rotor gemäß Fig. 15,

Fig. 17 in perspektivischer Darstellung geformte Rotorbleche des Rotors gemäß Fig. 15, Fig. 18 eine weitere Ausführungsform von geformten Rotorblechen für den Rotor gemäß Fig. 15,

Fig. 19 den Magnetfluss innerhalb eines Reluktanz-Innenläufermotors,

Fig. 20 eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rotors in einem Radialschnitt für einen Außenläufermotor,

Fig. 21 in perspektivischer Darstellung eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rotors für einen Außenläufermotor,

Fig. 22 den Rotor gemäß Fig. 21 in einer anderen perspektivischen Darstellung,

Fig. 23 in schematischer Darstellung den Verlauf den Magnetflusses im

Rotor gemäß den Fig. 21 und 22,

Fig. 24 einen Axialschnitt durch den Rotor gemäß den Fig. 21 bis 23,

Fig. 25 einen Axialschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Rotors für einen Innenläufermotor.

Die im Folgenden beschriebenen Rotoren werden für Reluktanzmotoren, insbesondere für Synchron-Reluktanz-Außenläufermotoren, eingesetzt. Die Rotoren haben über ihren Umfang verteilt angeordnete Bereiche mit hoher und mit geringer magnetischer Leitfähigkeit. Der Aufbau der Rotoren ist so gestaltet, dass in Umfangsrichtung abwechselnd magnetisch gut bzw.

schlecht leitende Zonen vorhanden sind.

Fig. 1 zeigt einen Rotor für einen Außenläufer-Reluktanzmotor mit einem zylindrischen Mantel 1 , der an einem Ende in einen Boden 2 übergeht. Am anderen Ende ist der Mantel 1 offen. Der Boden 2 ist zentral mit einem buchsenförmigen Vorsprung 3 versehen, in dem das eine Ende einer Rotorwelle 4 befestigt ist. Ihr anderes Ende liegt in Höhe der Stirnseite 5 des Mantels 1.

Der Mantel 1 weist einen Grundkörper 6 auf, der aus einem Material mit einer geringen magnetischen Leitfähigkeit besteht, beispielsweise aus Kunststoff oder Aluminium. Die Außenseite des Grundkörpers 6 bildet die äußere geschlossene Mantelfläche 7 (Fig. 3). In der Innenseite 8 des Grundkörpers 6 befinden sich vier Vertiefungen 9, die untereinander gleich ausgebildet und in Winkelabständen von beispielsweise 90° bei einer vierpoligen Motorvariante zueinander angeordnet sind. Die Vertiefungen 9 haben jeweils einen im Radialschnitt teilkreisförmigen Boden 10, der symmetrisch zur jeweiligen Axialebene 1 1 des Rotors ausgebildet ist. Zwischen benachbarten Vertiefungen 9 verbleiben axial verlaufende Stege 12, deren Stirnseite in der Innenseite 8 des Mantels 1 liegt.

Es wird darauf hingewiesen, dass in der Darstellung gemäß den Fig. 1 und 3 an der Innenseite des Grundkörpers 6 nur beispielhaft vier Vertiefungen 9 vorgesehen sind. Die Anzahl der Vertiefungen hängt von der Polzahl und damit vom Einsatzfall des Rotors ab und bestimmt sich nach der Beziehung 360 Polzahl.

In den Vertiefungen 9 befinden sich Rotorsegmente 13, die aus magnetisch gut leitendem Material bestehen, insbesondere aus Eisen, Stahl und dergleichen. Die Rotorsegmente 13 sind so gestaltet, dass sie flächig am Boden 10 der Vertiefungen 9 anliegen und ihre der Rotorwelle 4 zugewandten Innenseiten 14 in der Innenseite 8 des Mantels 1 liegen.

Der Grundkörper 6 wird bei der Herstellung des Rotors durch eine Kunst- stoffumspritzung oder durch ein Aluminiumdruckguss-Verfahren hergestellt. Die Rotorsegmente 13 sind dadurch fest in den Grundkörper 6 eingebettet. Die Fig. 5 bis 12 zeigen verschiedene Ausbildungen der Rotorsegmente 13. Das Rotorsegment 13 gemäß den Fig. 5 und 9 entspricht dem Rotorsegment gemäß Fig. 3. Es besteht aus gleichen, aufeinander liegenden Blechteilen 13', die in geeigneter weise miteinander verbunden sind. Die Blechteile 13' werden beispielsweise aus einem Blech, das von einem Coil abgewickelt wird, gestanzt. Die Blechteile 13' liegen in Radialebenen des Rotors. An ihrer Innenseite 14 sind die Blechteile 13' jeweils mit einer teilkreisförmigen Vertiefung 15 versehen. Sie liegt bei allen Blechteilen 13' in halber Breite des jeweiligen Blechteiles. Die aufeinander liegenden Blechteile 13' bilden dadurch eine axial verlaufende Nut 15, die symmetrisch zur zugehörigen Axialebene 1 1 des Rotors angeordnet ist (Fig. 3). Diese Nuten 15 sind mit einem elektrisch leitfähigen Material gefüllt (Fig. 1 ). Besteht der Grundkörper 6 beispielsweise aus Aluminium, dann ist das in den Nuten 15 befindliche Material ebenfalls Aluminium. Da die Nuten 15 der Rotorsegmente 13 an beiden Enden offen sind, ist das in den Vertiefungen 15 befindliche, Stege 15' bildende Material einstückig mit dem übrigen Teil des Grundkörpers 6 ausgebildet. Die Nuten 15 können auch schräg verlaufend vorgesehen sein, um die Nutrastmomente gering zu halten.

Besteht der Grundkörper 6 aus nicht magnetisch leitfähigem Material, z.B. aus Kunststoff, dann werden in die Nuten 15 elektrisch leitfähiges Material eingebracht und an der Ober- und Unterseite der Rotorsegmente 13 Kurzschlussringe vorgesehen, an die das leitfähige Material in den Nuten angebunden ist und die in den Grundkörper 6 eingebettet sind.

Bei der Ausführungsform nach den Fig. 6 und 10 wird das Rotorsegment 13 aus einzelnen, in Radialrichtung hintereinander liegenden Blechteilen 13' gebildet, die flächig aneinander liegen und in geeigneter weise, beispielsweise durch Verkleben, fest miteinander verbunden sind. Die Blechteile 13' nehmen in ihrer in Umfangsrichtung gemessenen Breite entsprechend der Form der Vertiefungen 9 des Grundkörpers 6 ab. Die Blechteile 13' sind ebenfalls in halber Breite jeweils mit einer Vertiefung 15 versehen, die wie bei der vorigen Ausführungsform symmetrisch zur Quermittelebene des Ro- torsegmentes 13 liegt. Die Vertiefungen 15 haben ebenfalls teilkreisförmigen Umriss und sind mit leitfähigem Material gefüllt.

Die Rotorsegmente 13 der Ausführungsformen gemäß den Fig. 5 und 6 bzw. 9 und 10 verjüngen sich, ausgehend von der Quermittelebene, in Umfangs- richtung stetig. Die Rotorsegmente haben darum an ihren beiden Seitenrändern 16, 17 die geringste Breite. Die Seitenränder 16, 17 haben jeweils eine ebene Stirnseite 18, 19, mit der die Rotorsegmente 13 an entsprechenden ebenen Seitenflächen 20, 21 (Fig. 3) der Vertiefungen 9 anliegen. Diese Seitenflächen 20, 21 bilden die Seitenflächen der Stege 12 zwischen benachbarten Vertiefungen 9.

Die Blechteile 13' des Ausführungsbeispieles gemäß den Fig. 5 und 9 liegen in Radialebenen des Rotors. Das Rotorsegment 13 hat eine stetig gekrümmte Außenseite 22 sowie die stetig gekrümmte Innenseite 14. Bei der Ausführungsform nach den Fig. 6 und 10 hingegen ist lediglich die Innenseite 14 des Rotorsegmentes 13 stetig gekrümmt, während die Außenseite 22 infolge der radial hintereinander liegenden Blechteile 13' treppenförmig gestaltet ist. Da das Rotorsegment 13 jedoch in den Grundkörper 6 eingebettet ist, ist diese Gestaltung der Außenseite 22 des Rotorsegmentes 13 nicht nachteilig.

Das Rotorsegment 13 gemäß den Fig. 7 und 1 1 besteht wiederum aus gleichen, in Radialebenen des Rotors aufeinander liegenden Blechteilen 13'. Im Unterschied zu den beiden vorigen Ausführungsbeispielen haben die gekrümmten Blechteile 13' über ihre Umfangslänge konstante Breite. Dementsprechend sind auch die Vertiefungen 9 im Grundkörper 6 so ausgebildet, dass sie in Umfangsrichtung konstante Tiefe haben. Die Blechteile 13' weisen wiederum in halber Länge die Vertiefungen 15 auf, die im Radialschnitt teilkreisförmig ausgebildet sind und eine axial verlaufende Nut im Rotorsegment 13 bilden. Das Rotorsegment 13 nach den Fig. 8 und 12 unterscheidet sich vom Rotorsegment nach den Fig. 7 und 1 1 lediglich durch die Form der mittigen Vertiefungen 15. Sie ist im Radialschnitt rechteckförmig gestaltet und liegt symmetrisch zur Quermittelebene des Rotorsegmentes 13. Wie bei den vorigen Ausführungsformen bilden die Vertiefungen 15 eine axial verlaufende Nut im Rotorsegment 13.

Ein mit dem Rotor gemäß den Fig. 1 bis 4 ausgestatteter Motor entspricht einem permanentmagneterregten Außenläufermotor. Anstelle der bei den bekannten Außenläufermotoren vorhandenen Magnetsegmente befinden sich an der Innenseite des Rotormantels 1 die beschriebenen Rotorsegmente 13, die aus einzelnen Blechteilen 13' bestehen, die aus magnetisch leitfähigem Material bestehen. Die Zahl der Rotorsegmente 13 entspricht der Polzahl des jeweiligen Motors. Die Rotorsegmente werden, bis auf ihre Innenseite, vollständig vom Material des Grundkörpers 6 eingefasst. Dieses Material hat nur eine geringe magnetische Leitfähigkeit und ist beispielsweise Kunststoff oder Aluminium. Durch den beschriebenen Aufbau entstehen abwechselnd magnetisch gut und schlecht leitende Zonen in Umfangsrichtung des Rotormantels 1 . Der nur schematisch dargestellte Stator 23 (Fig. 4), der vom topfförmigen Rotor kappenförmig übergriffen wird, kann vom Aufbau her wie ein Stator eines bekannten Außenläufermotors, wie eines Synchron- oder Asynchronmotors mit einer Zahnspulenwicklung oder einer verteilten mehrsträngigen Wicklung, ausgebildet sein.

Das vom Stator 23 über eine vorzugsweise lagegeberlose elektronische Steuerung erzeugte mehrpolige magnetische Drehfeld ruft einen Magnet- fluss durch die Rotorsegmente 13 hervor, der den magnetischen Fluss zu erhöhen bestrebt ist. Das magnetische Drehfeld des Rotors ist beispielhaft dargestellt. Die Magnetlinien sind in Fig. 4 für den mit dem Rotor versehenen Motor schematisch dargestellt. Der Stator hat radial verlaufende Zähne 24, die in Umfangsrichtung des Stators in bekannter Weise gleichmäßig verteilt angeordnet sind. Jeder Zahn 24 weist eine der Innenseite 8 des Rotormantels 1 gegenüberliegende Stirnseite 25 auf, die parallel zur Innenseite 8 des Rotormantels 1 verläuft. Aus Fig. 4 ist ersichtlich, dass die im jeweiligen Statorzahn 24 radial verlaufenden Magnetlinien an einem in Umfangsrich- tung liegenden Ende in die Rotorsegmente 13 gelangen und dort in Um- fangsrichtung zum anderen Ende des Rotorsegmentes 13 geführt werden. Von hier aus verlaufen die über die axiale Höhe der Rotorelemente 13 verlaufenden Magnetlinien über den entsprechenden weiteren Statorzahn 24 radial nach innen zurück zum Stator. Auf diese Weise ergibt sich ein geschlossener Magnetkreis, der über die entsprechenden Statorzähne 24 und die Rotorsegmente 13 verläuft. Die Form der Rotorsegmente 13 erlaubt einen möglichst großen Unterschied der Reluktanz in den beiden rotorfesten d- und q-Achsen (Fig. 4) des Motors.

Da es sich um ein Drehfeld handelt, wird auf die Rotorsegmente 13 ein Drehmoment so ausgeübt, dass der Rotor dem vorauseilenden Drehfeld synchron folgt. Die Rotorlageerkennung der Steuerelektronik des Motors sorgt dafür, dass bis zu einem maximalen Drehmoment eine wirkungsgradoptimale Feldsteuerung mit einem entsprechenden Schleppwinkel erfolgt.

Die Zähne 24 des Stators 23 sind in bekannter Weise mit den entsprechenden Wicklungen versehen. Sie erzeugen bei Speisung mit einem Drehstrom ein im Luftspalt zwischen dem Stator 23 und dem Rotor umlaufendes Drehfeld. Die Statorzähne 24 mit den bestromten Wicklungen ziehen jeweils die nächst gelegenen Rotorsegmente 13 des Rotors an und werden in bekannter Weise sinusförmig weniger bestromt, wenn sich die Rotorsegmente 13 des Rotors den sie anziehenden Statorzähnen 24 näher kommen. Gleichzeitig wird die nächste Phase auf die anderen Statorzähne 24 zunehmend stärker bestromt, die wiederum andere Rotorsegmente 13 anziehen. Mit der Rotorlageerfassung ist sichergestellt, dass die optimale Phasenlage der Statorströme gesteuert wird. Der zugehörige Stromverlauf wird vorzugsweise sinusförmig gesteuert, so dass momentbeeinflussende Oberwellen weitestgehend vermieden werden. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, verläuft eine Leiterschleife 26 der beschriebenen Kurzschlusswicklung in Achsrichtung des Rotors um die Rotorsegmente 13 senkrecht zu den Magnetlinien.

Der Motor mit dem Rotor gemäß den Fig. 1 bis 4 bildet, wie aus Fig. 4 hervorgeht, einen Außenläufermotor mit voneinander getrennten Rotorsegmenten 13. Der Motor wird vorteilhaft für Ventilatoren eingesetzt. In diesem Fall sind an der Außenseite 7 des Rotors Ventilatorflügel vorgesehen.

Bei den Ausführungsformen gemäß den Fig. 13 bis 18 sind die Rotorsegmente 13 über den Boden 2 miteinander verbunden. Der Rotor hat die Rotorsegmente 13 (Fig. 17), die einstückig mit einem Bodenabschnitt 27 ausgebildet sind. Aus einem Blech werden sternförmige Rohkörper gestanzt. Die Arme des Rohkörpers werden zur Bildung der Rotorsegmente 13 aus der Ebene des Rohkörpers herausgebogen. Der Mittelteil des Rohkörpers bildet den Bodenabschnitt 27. Durch das beschriebene Stanz- und Biegeverfahren ergibt sich die Ausbildung gemäß Fig. 17.

Es besteht auch die Möglichkeit, mehrere gestanzte Bleche aufeinander zu legen und miteinander zu verbinden und dann die Rotorsegmente 13 gegenüber dem Bodenabschnitt 27 herauszubiegen, wie aus Fig. 18 hervorgeht.

Bei beiden Ausführungsformen nach den Fig. 17 und 18 ergibt sich eine sehr einfache und kostengünstige Fertigung.

Die Rotorsegmente 13 und der Bodenabschnitt 27 sind in den Grundkörper 6 eingebettet, der aus einem Material mit geringer magnetischer Leitfähigkeit besteht, wie aus Kunststoff oder Aluminium. Wie Fig. 14 zeigt, umgibt der Grundkörper 6 die Rotorsegmente 13 an der Außenseite vollständig und überdeckt auch die freien Enden 28 der Rotorsegmente 13. Der Bodenabschnitt 27 ist an der Unterseite ebenfalls vollständig vom Grundkörper 6 ummantelt. Die axialen Zwischenräume 29 (Fig. 17 und 18) zwischen be- nachbarten Rotorsegmenten 13 sind vom Material des Grundkörpers 6 vollständig ausgefüllt. Es ergibt sich auf diese Weise ein Rotor mit einem geschlossenen Mantel 1 , der über seinen Umfang etwa konstante Dicke hat.

Die Rotorsegmente 13 sind jeweils gleich ausgebildet und haben etwa Rechteckform. Sie sind über ihre Höhe in Umfangsrichtung so gekrümmt ausgebildet, dass die Innenseite 14 der Rotorsegmente in der Innenseite 8 des Mantels 1 liegt. Der freie Rand 28 der Rotorsegmente 13 ist an seinen beiden in Umfangsrichtung liegenden Enden abgeschrägt. Die Rotorsegmente 13 sind über ein schmales Zwischenstück 30 mit dem Bodenabschnitt 27 verbunden. Die Zwischenstücke sind schmaler als die Rotorsegmente 13 und liegen symmetrisch zu ihnen. Dadurch ist eine sichere Verbindung zwischen dem Grundkörper 6 und den Rotorsegmenten 13 sichergestellt.

Auf dem Bodenabschnitt 27 ist ein Kurzschlussring 31 aufgebracht, der sich bis zum unteren Rand der Rotorsegmente 13 erstreckt (Fig. 14). Der Kurzschlussring 31 erstreckt sich über 360°.

Bei der Ausführungsform nach den Fig. 15 und 16 ist anstelle des umlaufenden Kurzschlussringes 31 für jedes Rotorsegment 13 ein eigenes Kurzschlussteil 31 vorgesehen. Im Übrigen ist der Rotor gemäß den Fig. 15 und 16 gleich ausgebildet wie der Rotor nach den Fig. 13 und 14.

Bei den Ausführungsformen nach den Fig. 13 bis 16 erfolgt die Magnetflussführung in den Rotorelementen 13 im Unterschied zur Ausführungsform nach den Fig. 1 bis 4 in Axialrichtung. Der aus dem Stator kommende magnetische Fluss fließt zunächst radial in das entsprechende Rotorsegment 13, in dem der Magnetfluss in Axialrichtung zum Bodenabschnitt 27 verläuft. Über ihn treten die Magnetlinien zum benachbarten Rotorsegment 13 über.

Da bei den Ausführungsformen nach den Fig. 15 bis 18 jedem Rotorsegment 13 ein Kurzschlussring 31 zugeordnet ist, der sich im Fußbereich der Rotorsegmente befindet, ergibt sich die in den Fig. 17 und 18 schematisch eingezeichnete Leiterschleife 32, die den Fußbereich der Rotorsegmente 13 umgibt. Die Leiterschleifen 32 kennzeichnen die jeweilige Kurzschlusswicklung 31 . Durch den Induktionsstrom in den geschlossenen Leiterschleifen 32 ergibt sich eine flussstabilisierende Wirkung, wodurch durch die magnetische Anregung entstehende Oberwellen erheblich verringert werden. Diese Oberwellen führen zu wechselnden Magnetflüssen, wie dies bei Zahnspulenwicklungen in erhöhtem Maße der Fall ist. Durch die beschriebene Einschnürung 33 zwischen dem Rotorsegment 13 und dem Zwischenstück 30 lässt sich das jeweilige Kurzschlussteil 31 einfach und sicher am Rotor vorsehen. Die Kurzschlussteile 31 bestehen im Fall, in dem der Grundkörper 6 beispielsweise aus Aluminium besteht, aus dem gleichen Material. Wird für den Grundkörper 6 jedoch Kunststoff eingesetzt, dann wird für das Kurzschlussteil 31 ein separates Teil aus elektrisch leitfähigem Material im Fußbereich der Rotorsegmente 13 eingebracht.

Die Flussänderungen in den Rotorsegmenten, hervorgerufen durch die Oberwellen des Erregerflusses bzw. durch lastwechselbedingte Pendelmomente, führen zur Bildung eines Sekundärstromes in der Kurzschlusswicklung, der diesen Änderungen entgegenwirkt und versucht, den Synchronlauf des Rotors mit dem Statordrehfeld aufrechtzuerhalten. Dadurch ergibt sich ein hervorragender Gleichlauf des Reluktanzmotors.

Wie aus den Fig. 17 und 18 hervorgeht, haben die Kurzschlussteile 31 benachbarter Rotorsegmente 13 in Umfangsrichtung Abstand voneinander.

Im Fußbereich der Rotorsegmente 13 muss eine Einschnürung 33 nicht vorgesehen sein. In diesem Falle hat das Zwischenstück 30 gleiche Umfangs- breite wie das Rotorsegment 13. Bei der Ausführungsform nach den Fig. 13 und 14 wird anstelle der einzelnen Kurzschlussteile der umlaufende Kurzschlussring 31 verwendet, der die gleichen Wirkungen hat wie die den Rotorelementen 13 zugeordneten einzelnen Kurzschlussteile 31 . Die Rotoren gemäß den Fig. 13 bis 18 sind wie bei der ersten Ausführungsform kappenförmig ausgebildet und umschließen den Stator 23 (Fig. 4).

Während bei den Ausführungsformen nach den Fig. 13 bis 18 die Leiterschleifen 32 am Fußende der Rotorsegmente 13 vorgesehen sind und die Fußbereiche umgeben, verlaufen die Leiterschleifen 26 beim Rotor nach den Fig. 1 bis 4 in Höhenrichtung der Rotorsegmente 13 durch die Stege 15', die in halber Umfangsbreite der Rotorsegmente 13 in der beschriebenen Weise vorgesehen sind. Besteht der Grundkörper 6 beim Rotor nach den Fig. 1 bis 4 aus Kunststoff, dann besteht der in den Vertiefungen 15 liegende Steg 15' aus elektrisch leitfähigem Material und schließt am oberen und unteren Ende an die Kurzschlussringe an, die in das Material des Grundkörpers 6 eingebettet sind. Besteht der Grundkörper 6 hingegen aus elektrisch leitfähigem Material, zum Beispiel aus Aluminium, dann ist für die Stege 15' in den Vertiefungen 15 der Rotorsegmente 13 kein anderer Werkstoff notwendig.

Bei sämtlichen Ausführungsformen können durch zusätzliche Stege aus magnetisch leitfähigem Material und zusätzliche Kurzschlussringe, vergleichbar einem Asynchronmotor, Synchronreluktanzmotoren erhalten werden, die an einer festen Speisefrequenz selbstanlaufend betrieben werden können.

Bei den beschriebenen Ausführungsformen sind die Rotoren für Außenläufer-Reluktanzmotoren vorgesehen. Die jeweilige Kurzschlusswicklung 31 liegt in einer Ebene normal zur Magnetflussrichtung. Beim Rotor nach den Fig. 1 bis 4 liegen die Kurzschlusswicklungen 31 in Axialebenen, während sie bei den Rotoren gemäß den Fig. 13 bis 18 in Radialebenen verlaufen.

Wird für den Grundkörper 6, der dem Rotor die notwendige mechanische Festigkeit und Stabilität verleiht, Aluminium verwendet, dann dient dieses Material gleichzeitig auch für die Realisierung der Flussstabilisierung. Bei Verwendung von Kunststoff für den Grundkörper 6 müssen zusätzlich elektrisch leitfähige Materialien zur Erzielung des Kurzschlusses verwendet werden. Die Rotorsegmente 13 sowie der Bodenabschnitt 27 werden beispielsweise durch Kunststoffumspritzung oder durch Aluminiumdruckguss eingebettet.

Fig. 19 zeigt den Magnetfluss innerhalb eines Reluktanz-Innenläufer- Motors. Die Magnetlinien verlaufen von den Zähnen des Rotors radial in den Stator, innerhalb dem sie in Umfangsrichtung zum nächsten Zahn des Rotors verlaufen, in den sie wieder radial eintreten. Die Magnetlinien verlaufen innerhalb des Rotors von einem Zahn zum benachbarten Zahn.

Erkennbar ist, dass bei diesem Reluktanz-Innenläufer-Synchronmotor im Wesentlichen eine radiale Flussrichtung auftritt. Dadurch ist es möglich, die Ausprägung des für die Momentenbildung erforderlichen LD/LQ-Verhält- nisses durch die Form der Nut 15, insbesondere durch die Nuttiefe, zu beeinflussen. Wie bei den beschriebenen Außenläufervarianten werden durch elektrische Kurzschlussringe um die Nutstege eine Unterdrückung von Flussänderungen und somit eine Reduzierung der Oberwellen und Pendelmomente erreicht.

Fig. 20 zeigt die Möglichkeit, die Rotorsegmente in der beschriebenen Weise zu einem Rotorpaket zusammenzusetzen und die Rotorsegmente 13 in den Grundkörper 6 einzubetten, beispielsweise durch eine Kunststoffumspritzung oder durch ein Aluminiumdruckguss-Verfahren. Anschließend wird der so hergestellte Rotor durch eine Drehbearbeitung so bearbeitet, dass die zwischen den in Umfangsrichtung hintereinander liegenden Rotorsegmenten 13 verbleibenden Stege 34 entfernt werden. Auf diese Weise wird die magnetische Leitfähigkeit zwischen den Rotorsegmenten 13 verringert. Die verhältnismäßig dünnen Stege 34 zwischen den Rotorsegmenten 13 werden vorgesehen, um die Positionierung der Rotorsegmente 13 beim Aluminiumdruckguss-Prozess oder bei der Kunststoffumspritzung zu erleichtern. Über die Stege 34 sind die Rotorsegmente 13 genau gegeneinander ausgerichtet. Nach dem Einbetten der Rotorsegmente 13 in den Kunststoff bzw. in das Aluminium lassen sich die Stege 34 einfach durch eine Drehbearbeitung entfernen.

Vorzugsweise wird als Zahnspulenwicklung des Stators 23 ein durch ein Dreiphasensystem aufgebautes Wicklungssystem eingesetzt. Es kann aber auch ein verteiltes Wicklungssystem verwendet werden, um das magnetische Drehfeld im Betrieb des Motors zu erzeugen.

Die Rotorsegmente 13 können in der beschriebenen Weise entweder als komplette Blechformteile, wie beispielhaft in Fig. 17 dargestellt, oder durch geschichtete Elektrobleche hergestellt sein.

Der Rotor gemäß den Fig. 21 bis 24 ist für einen Außenläufer-Reluktanzmotor vorgesehen und ähnlich ausgebildet wieder Rotor gemäß den Fig. 15 und 16. Der Rotor hat den Grundkörper 6 (Fig. 24), der an der Innenseite mit den Vertiefungen versehen ist, in welchen die Rotorsegmente 13 liegen. Der Grundkörper 6 ist im Gussverfahren hergestellt und besteht im Ausführungsbeispiel aus Aluminium. Die Rotorsegmente 13 sind über den Umfang des Rotors gleichmäßig verteilt angeordnet und so in den Grundkörper 6 eingebettet, dass ihre der Rotorwelle 4 zugewandten Innenseiten 14 in der Innenseite 8 des Mantels 1 des Grundkörpers 6 liegen.

Die Rotorsegmente sind so im Rotor angeordnet, dass ihre Längsmittelebene 35 (Fig. 21 ) unter einem spitzen Winkel α zur Längsmittelebene 36 des Rotors verläuft, in Seitenansicht beziehungsweise senkrecht zur Achse des Rotors gesehen. Die Längsränder 37, 38 der Rotorsegmente 13 verlaufen parallel zueinander sowie parallel zur Längsmittelebene 35. Diese Schrägung der Rotorsegmente 13 dient zur Verringerung der durch die Nutung des Stators hervorgerufenen Momentenwelligkeit.

Die Rotorsegmente 13 verbinden zwei Rückschlussringe 39, 40 miteinander, die vorteilhaft über Schrauben 41 mit den Rotorsegmenten 13 verbunden sind. Der Rückschlussring 40 hat größere radiale Breite als der gegenüber- liegende Rückschlussring 39. Der innere Rand 42 des Rückschlussringes 40 liegt in der die Innenseiten 14 der Rotorelemente 13 und die Innenseite 8 des Grundkörpers 6 enthaltenden Zylinderfläche. Der Rückschlussring 40 steht radial über den Grundkörper 6 vor und dient gleichzeitig als Befestigungsflansch für Anbauteile, wie Lüfterräder.

Der gegenüberliegende Rückschlussring 39 wird vom Grundkörper 6 am Außenrand 43 überdeckt. Innenseitig geht der Rückschlussring 39 in eine haubenförmige Kappe 44 über, die nach außen gewölbt verläuft und mittig den buchsenförmigen Vorsprung 3 aufweist. Er nimmt das eine Ende der Rotorwelle 4 auf, deren anderes Ende etwa in Höhe der vom Rückschlussring 39 abgewandten Außenseite 45 des Rückschlussringes 40 liegt. Der Vorsprung 3 ist vorteilhaft einstückig mit der Kappe 44 ausgebildet. Innenseitig wird die Kappe 44 von einem Überzug 46 bedeckt, der einstückig mit dem Grundkörper 6 ausgebildet ist (Fig. 24). Der Überzug 46 erstreckt sich bis zum Vorsprung 3.

Die Fig. 21 bis 23 zeigen den Rotor ohne den Grundkörper 6, der aus einem Material mit geringer magnetischer Leitfähigkeit besteht. Vorteilhaft besteht der Grundkörper 6 bei dieser Ausführungsform aus Kunststoff.

Die Rotorsegmente 13 werden, bis auf ihre Innenseite 14, vollständig vom Material des Grundkörpers 6 umgeben. Zwischen den benachbarten Rotorsegmenten 13 befinden sich wie bei den vorigen Ausführungsbeispielen die Stege 12 des Grundkörpers 6, die sich über die axiale Höhe der Rotorsegmente 13 erstrecken.

Fig. 23 zeigt schematisch den Verlauf der Magnetflusslinien im Rotor gemäß den Fig. 21 bis 24. Die Magnetflusslinien verlaufen von den radial verlaufenden Zähnen des (nicht dargestellten) Stators in das jeweilige Rotorsegment 13. Wie Fig. 23 zeigt, verläuft ein Teil der Magnetflusslinien in Längsrichtung des Rotorsegmentes 13 zum Rückschlussring 39 und der andere Teil in Längsrichtung des Rotorsegmentes in Richtung auf den Rückschluss- ring 40. Innerhalb der beiden Rückschlussringe 39, 40 verlaufen die Flusslinien in Umfangsrichtung und treten in das benachbarte Rotorsegment 13 ein. Hier verlaufen die Flusslinien in Längsrichtung des Rotorsegmentes nach innen und gelangen über die halbe Länge des Rotorsegmentes 13 radial in die Zähne des vom Rotor umgebenen Stators. Die Magnetflusslinien verlaufen in diesem Falle wiederum in Umfangsrichtung des Rotors und gelangen zurück zum vorhergehenden Rotorsegment 13. Zwischen benachbarten Rotorsegmenten werden auf diese Weise zwei Kreisläufe gebildet, in denen die Flusslinien in einem Rotorsegment 13 zu den Rückschlussringen 39, 40 verlaufen, über welche die Flusslinien zum benachbarten Rotorsegment 13 gelangen, in dem die Flusslinien entgegengesetzt zueinander nach innen gerichtet verlaufen.

Die Flussrichtung zwischen den in Umfangsrichtung benachbarter Kreisläufen verläuft entgegengesetzt zueinander. Wie die Fließpfeile in Fig. 23 zeigen, verlaufen die Flusslinien an dem in Fig. 23 rechten Längsrand des einen Rotorsegmentes 13 innerhalb der Rückschlussringe 39, 40 im Uhrzeigersinn, während die Flusslinien am linken Längsrand dieses Rotorsegmentes innerhalb der Rückschlussringe 39, 40 entgegen dem Uhrzeigersinn zum benachbarten Rotorsegment 13 verlaufen.

In der beschriebenen Weise sind jedem Rotorsegment 13 insgesamt vier Kreisläufe der Magnetflusslinien zugeordnet, wobei innerhalb jedes Rotorsegmentes 13 die Magnetflusslinien von den Rückschlussringen 39, 40 aus etwa über die halbe axiale Länge der Rotorsegmente 13 verlaufen.

Der aus dem Stator kommende Magnetfluss wird in der beschriebenen Weise in die beiden axialen Komponenten aufgeteilt. Die Trennlinie verläuft in Umfangsrichtung des Rotors in der Mitte der Rotorsegmente 13.

Die Rotorsegmente 13 des Rotors gemäß den Fig. 21 bis 24 können auch aus geschichteten Lamellen bestehen, wie es beispielhaft an Hand der Fig. 5 bis 8 beschrieben worden ist. Die in den Fig. 21 bis 24 dargestellte Ausführungsform mit axialer Rotor- Flussführung stellt eine mechanisch günstige Form des Rotoraufbaus für einen Synchron-Reluktanzmotor sowohl als Außen- als auch als Innenläufer- motor dar. Der magnetische Rückschluss erfolgt jeweils über die Anbauteile 39; 40, 44, die den mechanischen Aufbau des Rotors verbessern.

Aus Fig. 25 wird ersichtlich, dass das beschriebene Wirkprinzip auch in gleicher weise bei einem Innenläufer-Synchron-Reluktanzmotor anwendbar ist. Bei einer solchen Ausführungsform ist anstelle des Rückschlussringes 40 gemäß Fig. 24 der Rückschlussring 39 mit der haubenförmigen Kappe 44 vorgesehen, die entgegengesetzt zur gegenüberliegenden Kappe 44 nach außen gewölbt verläuft und innenseitig den buchsenförmigen Vorsprung 3 aufweist. Er ist ebenfalls vorteilhaft einstückig mit der Kappe 44 ausgebildet. Innenseitig wird die Kappe 44 ebenfalls vom Überzug 46 bedeckt, der einstückig mit dem Grundkörper ausgebildet ist.

Die Rotorsegmente 13 liegen außenseitig frei. Die Rotorwelle 4 ist mit ihrem einen Ende in dem in Fig. 25 rechten Vorsprung 3 befestigt und ragt durch den gegenüberliegenden Vorsprung 3 über die Kappe 44 hinaus. Der Rotor wird von dem nur schematisch dargestellten, durch strichpunktierte Linien angedeuteten Stator umgeben.