Permanentmagneterregte Synchronmaschine

Beschreibung

Die Erfindung betrifft eine permanentmagneterregte Synchronmaschine gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 .

Permanentmagneterregte Synchronmaschinen (PMSM) erlauben hohe Leistungs- und Drehmomentdichten und finden beispielsweise in elektrischen Antrieben für die Luftfahrt Anwendung. Für eine besonders hohe gravimetrische Drehmomentdichte werden im Rotor solcher Maschinen, auch wegen vielfältiger weiterer Vorteile, Oberflächenmagnete mit hoher Sättigungspolarisation (z.B. Nd-Fe-B Magnete) in Mallison-Halbach-Arrays einzusetzen. Diese oft nur als Halbach-Array bezeichnete räumliche Konfiguration von Permanentmagneten unterschiedlicher Magnetisierungsrichtung (Polarisation) konzentriert den Fluss auf einer Seite des Arrays und löscht das Feld auf der anderen Seite weitgehend aus. Eine Eigenschaft dieser Konfiguration ist die Tatsache, dass das Array wegen der resultierenden Überlagerung der Feldlinien höhere Flussdichten ermöglicht als die individuellen Komponenten des Arrays besitzen.

Ein Nachteil einer Magnetanordnung mit Halbach-Array besteht darin, dass wegen der drehenden Orientierung der Magnetisierungsvektoren eine Montage der Magnetstäbe in Umfangsrichtung durch die wirkenden Anziehungs- und Abstoßungskräfte erschwert wird. Eine alternative Magnetisierung der vororientierten Magnetstäbe nach der Rotormontage (Aufschießen mit sehr starker Feldstärke zwischen den Polen) verlangt spezielle kostenträchtige Werkzeuge und birgt das Risiko der Veränderung der Magnetisierung an den Nachbarpolen.

Allgemein besteht bei der Verwendung von Oberflächenmagneten in Radialflussmaschinen die Herausforderung, die Position der Oberflächenmagnete gegen auftretende Zentrifugalkräfte und die durch Maxwellsche Spannungen resultierenden Kräfte in radialer (normaler) und Umfangsrichtung (tangentialer Richtung) zur Drehachse zu fixieren. Dabei ist auch sicherzustellen, dass das durch die tangentialen Kräfte resultierende Drehmoment unter allen Betriebsbedingungen ohne ein Rutschen der Magnete übertragen wird. Aus diesen Erfordernissen resultieren hohe Anforderungen an eine Magnetpositionierungs- und Rückhaltevorrichtung, die die Oberflächenmagnete auf der Oberfläche des Rotors positioniert und hält. Solche Vorrichtungen sind beispielsweise als Bandagen ausgeführt.

Dabei ist in einer permanentmagneterregten Synchronmaschine allgemein anzustreben, das Verhältnis von Luftspalthöhe zu Magnethöhe im Luftspalt zwischen Rotor und Stator zu minimieren. Einer Minimierung dieses Spaltes stehen die erwähnten Magnetpositionierungs- und Rückhaltevorrichtungen entgegen, die die Magnete im Luftspalt positionieren und einen Platzbedarf mit sich bringen. Beispielsweise nehmen Bandagen nachteilig Bauraum im Spalt zwischen Rotor und Stator ein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei permanentmagneterregten Synchronmaschinen mit Halbach-Arrays die Befestigung der Oberflächenmagnete am Rotor zu verbessern.

Diese Aufgabe wird durch eine permanentmagneterregte Synchronmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Danach betrachtet die vorliegende Erfindung eine permanentmagneterregte Synchronmaschine, die einen Stator und einen Rotor, der angrenzend an den Stator um eine Längsachse rotiert, aufweist. Dabei weist der Rotor eine Mehrzahl von Oberflächenmagneten auf, die entlang des Umfangs des Rotors angeordnet sind. Die Oberflächenmagnete sind als Halbach-Arrays ausgebildet, die jeweils Tangentialsegmente, in denen die Magnetisierungsrichtung überwiegend in Umfangsrichtung ausgerichtet ist, und Normalsegmente, in denen die Magnetisierungsrichtung überwiegend in radialer Richtung oder entgegen der radialen Richtung ausgerichtet ist, aufweisen. Dabei erfahren die Tangentialsegmente im Feld des Stators eine radial nach innen gerichtete Kraft und die Normalsegmente eine radial nach außen gerichtete Kraft.

Es ist vorgesehen, dass die Tangentialsegmente und die Normalsegmente derart geformt sind, dass die Tangentialsegmente durch Formschluss die auf die Normalsegmente radial nach außen gerichteten Kräfte mittels der auf die Tangentialsegmente radial nach innen gerichteten Kräfte teilweise kompensieren.

Die Erfindung beruht auf dem Gedanken, die auf die Tangentialsegmente wirkenden, radial nach innen gerichtete Kräfte zu nutzen, um durch einen Formschluss den radial nach außen gerichteten Kräften der Normalsegmente entgegenzuwirken. Durch den Formschluss erfolgt also eine radial nach innen gerichtete Kraftübertragung von den Tangentialsegmenten auf die Normalsegmente, so dass die resultierenden Kräfte auf die Normalsegmente zum Teil kompensiert werden, während die flusskonzentrierende Wirkung der Flalbach-Anordnung erhalten bleibt. Flierdurch werden die insgesamt auf die Oberflächenmagnete wirkenden Kräfte homogenisiert, so dass die insgesamt erforderliche Rückhaltekraft und damit die Anforderungen an die erforderlichen Magnetpositionierungs und Rückhaltevorrichtungen wie beispielsweise Bandagen reduziert werden können.

Dies wiederum erlaubt es, den Abstand zwischen Stator und Rotor, d.h. die Luftspalthöhe zu verringern, was zu einem höheren Drehmoment bei gleicher Magnethöhe führt. Soll das Drehmoment konstant gehalten werden, kann die Magnethöhe reduziert und können damit Masse und Materialkosten eingespart werden, da elektrische Maschinen mit hoher Drehmomentdichte typischerweise schwere und teure Seltenerdmagnete (Bsp.: Neodym- Eisen-Bor oder Samarium-Kobalt) nutzen.

Ein weiterer, mit der Erfindung verbundener Vorteil besteht darin, dass die Erfindung auch die aufgrund der hohen Magnetkräfte nichttriviale Montage der Magnetstäbe eines Flalbach-Arrays am Rotor vereinfacht, indem ein Bewegen der schon montierten Stäbe durch den Formschluss verhindert wird und dadurch komplizierte Montagevorrichtungen und -prozesse simplifiziert werden können. Damit kann der Fertigungsaufwand reduziert werden. Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Tangentialsegmente und die Normalsegmente in einer Querschnittsansicht senkrecht zur Längsachse des Rotors jeweils zwei seitliche Flanken aufweisen, wobei ein Formschluss jeweils zwischen einem Tangentialsegment und einem Normalsegment dadurch bereitgestellt ist, dass die in Umfangsrichtung aneinander angrenzenden Flanken des Tangentialsegments und des Normalsegments derart formschlüssig aneinander angrenzen, dass eine Relativbewegung in radialer Richtung versperrt ist. Der Formschluss wird somit durch die aneinander angrenzenden Flanken von Tangentialsegment und Normalsegment bereitgestellt.

Hierbei ist beispielsweise vorgesehen, dass die in Umfangsrichtung aneinander angrenzenden Flanken des Tangentialsegments und des Normalsegments eine Ausrichtung aufweisen, die von einer strikt radialen Ausrichtung abweicht. Bei einer von einer strikt radialen Ausrichtung abweichenden Ausrichtung der Flanken kann die auf die Tangentialsegmente radial nach innen wirkende Kraft genutzt werden, um die effektive Kraft auf die Normalsegmente zu reduzieren.

Flierzu ist beispielsweise vorgesehen, dass die in Umfangsrichtung aneinander angrenzenden Flanken des Tangentialsegments und des Normalsegments plan, parallel und dabei schräg zur radialen Richtung verlaufen, wobei die Breite des

Tangentialsegments in radialer Richtung zunimmt und die Breite des Normalsegments in radialer Richtung abnimmt. Durch die schräge Ausrichtung der Flanken wird automatisch ein Formschluss bereitgestellt. Eine insgesamt plane Ausbildung der Flanken ist dabei mit dem Vorteil einer einfachen Fierstellung der Außenkontur der Tangentialsegmente und der Normalsegmente verbunden.

Eine Ausführungsvariante hierzu sieht vor, dass die Flanken dahingehend schräg zur radialen Richtung verlaufen, dass der Winkel zwischen den Flanken und der radialen Richtung im Bereich zwischen 1 ° und 10° liegt. Der Winkel muss somit nicht groß sein, um einen Formschluss bereitzustellen.

Allerdings ist es für den Formschluss zwischen Tangentialsegment und Normalsegment nicht erforderlich, dass die in Umfangsrichtung aneinander angrenzenden Flanken zweier Tangentialsegmente und die in Umfangsrichtung aneinander angrenzenden Flanken zweier Normalsegmente einen Formschluss ausbilden, da diese keine Kräfte aufeinander ausrichten. Diese Flanken können sich daher in radialer Richtung erstrecken, können aber alternativ ebenfalls schräg zur radialen Richtung verlaufen, beispielsweise, wenn es aus Fertigungsgründen einfacher ist, beide Flanken eines Segments anzuschrägen. Dabei sehen Auslegungsvarianten der Erfindung vor, dass innerhalb eines Halbach-Arrays zumindest zwei Normalsegmente aneinander angrenzen.

Es wird darauf hingewiesen, dass ein Formschluss zwischen einem Tangentialsegment und einem Normalsegment, die in Umfangsrichtung aneinander angrenzen, grundsätzlich auch auf andere Weise bereitgestellt werden kann. Ein weiteres Ausführungsbeispiel sieht vor, dass die in Umfangsrichtung aneinander angrenzenden Flanken des Tangentialsegments und des Normalsegments Vorsprünge und Einbuchtungen ausbilden, die einen Formschluss bereitstellen und eine Relativbewegung zwischen Tangentialsegment und Normalsegment in radialer Richtung verhindern.

Die erfindungsgemäße Lösung gilt grundsätzlich für beliebige Flalbach-Arrays mit einer beliebigen Anzahl von Segmenten, sofern mindestens drei Segmente vorhanden sind. Ein Ausführungsbeispiel hierzu sieht vor, dass die Flalbach-Arrays pro magnetischem Pol zwei Tangentialsegmente und zwei Normalsegmente aufweisen, wobei vorgesehen sein kann, dass die beiden Normalsegmente in Umfangsrichtung unmittelbar aneinander angrenzen und durch die beiden Tangentialsegmente an beiden Seiten begrenzt sind. Dabei kann weiter vorgesehen sein, dass zwei durch Flalbach-Arrays gebildete magnetische Pole als magnetisches Polpaar in Umfangsrichtung unmittelbar aneinander angrenzend angeordnet sind.

Eine Ausgestaltung sieht vor, dass zwischen zwei benachbarten Segmenten des Flalbach- Arrays sich die Richtung der Magnetisierung um einen festen Winkel von beispielsweise 60° ändert.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Oberflächenmagnete, die entlang des Umfangs des Rotors angeordnet sind, ohne eine Kleberschicht auf dem Rotor fixiert sind. Dies wird dadurch ermöglicht, dass ein Bewegen der Oberflächenmagnete durch den erfindungsgemäß bereitgestellten Formschluss zwischen den Tangentialsegmenten und Normalsegmenten verhindert wird. Es ist dann beispielsweise ausreichend, dass eine Bandage am Außenumfang des Rotors die Oberflächenmagnete fixiert. Der Wegfall einer Kleberschicht ist mit dem Vorteil einer verbesserten Wärmeleitung von den Oberflächenmagneten in den Rotor verbunden, da eine Kleberschicht typischerweise einen erheblichen thermischen Widerstand aufweist.

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Stator der elektrischen Maschine segmentierte Statorspulen umfasst, die als Einzelzahnspulen ausgebildet sind. Hierdurch können besonders hohe magnetische Feldstärken bereitgestellt werden. Grundsätzlich kann der Stator jedoch in beliebiger Weise mit Statorspulen und mit einer beliebigen Wickeltechnik realisiert sein.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Synchronmaschine als Permanentmagnet- Synchronmotor ausgebildet. Dabei ist der Stator mit Spulen besetzt, während auf dem Rotor außenliegende Oberflächenmagnete angebracht sind. Die Wechselspannung liegt an den Statorspulen an.

Die erfindungsgemäße Synchronmaschine kann im Zusammenhang mit einer Vielzahl von Konstruktionsprinzipien realisiert sein, beispielsweise als Radialflussmaschine (mit einer Orientierung des Normalenvektors der mittleren Luftspaltfläche in radialer Richtung), Axialflussmaschine (mit einer Orientierung des Normalenvektors der mittleren Luftspaltfläche in axialer Richtung) oder Transversalflussmaschine (mit axialer oder radialer Luftspaltorientierung) ausgebildet sein. Weiter können Konstruktionen eingesetzt werden, bei denen der Rotor als Innenläufer ausgebildet ist und Konstruktionen eingesetzt werden, bei denen der Rotor als Außenläufer ausgebildet ist.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 ein Beispiel eines Halbach-Arrays, das Tangentialsegmente und Normalsegmente umfasst;

Figur 2 die auf die Segmente des Halbach-Arrays der Figur 1 wirkenden magnetischen Normalkräfte über der Rotorposition zum einen im Normalbetrieb und zum anderen nach einem 3-phasigen Kurzschluss bei einer elektrischen Maschine mit verteilter Wicklung (q=1);

Figur 3 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Halbach-Arrays, das Tangentialsegmente und Normalsegmente umfasst, wobei ein Tangentialsegment und ein Normalsegment jeweils formschlüssig aneinander angrenzen, wobei der Formschluss durch die Ausrichtung der Flanken bereitgestellt wird;

Figur 4 das Halbach-Array der Figur 3 mit zusätzlicher Darstellung der auf die einzelnen Segmente wirkenden Normalkräfte; Figur 5 einen Ausschnitt eines Elektromotors mit einem Rotor und einem Stator, wobei der Rotor Oberflächenmagnete in Form eines Flalbach-Arrays gemäß den Figuren 3 und 4 aufweist;

Figur 6 die auf die Segmente des Flalbach-Arrays der Figur 5 wirkenden magnetischen Normalkräfte über der Rotorposition bei einer elektrischen Maschine mit konzentrierter Zahnspulenwicklung (q = 2/5);

Figur 7 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Flalbach-Arrays, das

Tangentialsegmente und Normalsegmente umfasst, wobei ein Tangentialsegment und ein Normalsegment jeweils formschlüssig aneinander angrenzen, wobei der Formschluss durch Vorsprünge und Einbuchtungen in benachbarten Flanken ausgebildet ist; und

Figur 8 in Querschnittsansicht einen Elektromotor, der einen Rotor mit

Oberflächenmagneten umfasst, gemäß dem Stand der Technik.

Zum besseren Verständnis der Erfindung und der Unterschiede zwischen der Erfindung und dem Stand der Technik wird zunächst anhand der Figur 8 eine permanentmagneterregte Synchronmaschine in Form eines Elektromotors gemäß dem Stand der Technik erläutert.

Der Elektromotor umfasst einen Rotor 1 und einen Stator 2. Der Stator 2 weist eine Vielzahl von Wickelkernen 20 auf, auf die nicht dargestellte Spulen gewickelt sind. Der Rotor 1 ist innenseitig des Stators 2 angeordnet und rotiert um eine Längsachse 3, die eine axiale Richtung definiert. Eine radiale Richtung r steht senkrecht von der axialen Richtung ab.

Der Rotor 2 weist eine Vielzahl von Permanentmagneten auf, die als Oberflächenmagnete 11 , 12 außenliegend am Rotor 2 angeordnet sind. Dabei sind zwei in Umfangsrichtung benachbarte Oberflächenmagnete 11 , 12 jeweils unterschiedlich gepolt und bilden zusammen einen magnetischen Schluss mit einer magnetischen Flussdichte B.

Zwischen dem Stator 1 und dem Rotor 2 ist ein Luftspalt d ausgebildet, der nicht maßstabsgerecht dargestellt ist. Die Oberflächenmagnete 11 , 12 weisen eine radiale Flöhe h _m auf. Die Oberflächenmagnete 11 , 12 sind am Außenumfang des Rotors 1 durch eine nicht dargestellte Magnetpositionierungs- und Rückhaltevorrichtung fixiert. Eine solche umfasst beispielsweise eine Bandage, die durch eine Glas-, Metall- oder Kohlefaserhülse gebildet wird. Eine solche Bandage verkleinert den Luftspalt d.

Bei einem Elektromotor gemäß der Figur 8 steigt das Drehmoment in erster Näherung linear mit der Amplitude der fundamentalen Flussdichtewelle im Luftspalt. Diese wiederum ist hyperbolisch abhängig vom Verhältnis der Luftspalthöhe d und der Magnethöhe h _m . Um eine möglichst hohe Drehmomentdichte der Maschine zu erreichen, muss dieses Verhältnis minimiert werden. Während eine Vergrößerung der Magnethöhe aufgrund des relativ schweren Permanentmagnetmaterials hinsichtlich einer Erhöhung der Drehmomentdichte beschränkt ist, kann die Luftspalthöhe im Rahmen der mechanischen Limitationen zur Sicherstellung eines Minimalabstands zwischen Stator und Rotor unter allen Betriebsbedingungen reduziert werden. Der Reduzierung der Luftspalthöhe (je nach Anwendung in der Größenordnung von mehreren Zehntelmillimeter bis einige Millimeter) steht neben den möglichen Verformungen der Lager, der Welle, des Rotors und des Stators der eventuell notwendige Platzbedarf für die Magnetpositionierungs- und Rückhaltevorrichtung entgegen.

Es ist eine Reduzierung eines solchen Platzbedarf anzustreben, da eine solche Reduzierung und eine entsprechende Anpassung der Luftspalthöhe direkt zu einer Drehmomenterhöhung führen. Alternativ kann für konstante Drehmomentdichte die Magnethöhe und damit die Masse reduziert werden.

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Platzbedarf für eine Magnetpositionierungs und Rückhaltevorrichtung dadurch reduziert werden, dass die Kräfte reduziert werden, die eine solche Magnetpositionierungs- und Rückhaltevorrichtung zurückhalten können muss. Die Figuren 1 bis 4 erläutern hierzu ein erstes Ausführungsbeispiel.

Die Figur 1 zeigt ein Halbach-Array 4, das aus acht in Umfangsrichtung aneinander angrenzenden Segmenten PM 1 bis PM 8 besteht. Jeweils vier Segmente PM 1 bis PM 4 bzw. PM 5 bis PM 8 bilden dabei einen magnetischen Pol 41 , 42 und die acht Segmente zusammen ein Polpaar. Es sind in Umfangsrichtung eines Rotors mehrere solcher Halbach-Arrays 4 angeordnet. Beispielsweise sind über den Vollkreis von 360° mindestens zwei Polpaare vorgesehen, wobei die Anzahl der Polpaare auch deutlich höher, beispielsweise bei 30 liegen kann.

Die Segmente PM 1 bis PM 8 weisen jeweils eine Magnetisierung M auf, die entsprechend der Ausbildung als Halbach-Array 4 sich von Segment zu Segment unterscheidet. Die Magnetisierungsrichtung M der einzelnen Segmente dreht sich im dargestellten Beispiel um 60° von Segment zu Segment. Dabei ist vorgesehen, dass einige der Segmente, nämlich die Segmente PM 1 , PM 4, PM 5, PM 8 eine Magnetisierung M aufweisen, die überwiegend in Umfangsrichtung ausgerichtet ist. Diese Segmente werden als Tangentialsegmente bezeichnet. Die anderen Segmente PM 2, PM 3, PM 6, PM 7 weisen eine Magnetisierung M auf, die überwiegend in radialer Richtung (d. h. in radialer Richtung oder entgegen der radialen Richtung) ausgerichtet ist. Diese Segmente werden als Normalsegmente bezeichnet.

Jedes der Segmente PM 1 bis PM 8 weist zwei seitliche Flanken 51 , 52 auf, wobei in der Darstellung der Figur 1 die jeweils rechte Flanke mit dem Bezugszeichen 51 und die jeweils linke Flanke mit dem Bezugszeichen 52 bezeichnet ist. Da die aneinandergrenzenden Flanken 51 , 52 zweier benachbarter Segmente plan sind, parallel verlaufen und aneinander liegen, sind sie in der Darstellung der Figur 1 durch nur einen Strich dargestellt. Dabei verhält es sich so, dass die seitlichen Flanken 51 , 52 jeweils in radialer Richtung verlaufen.

Die Figur 2 zeigt die auf die einzelnen Segmente PM 1 bis PM 8 wirkende magnetischen Normalkräfte im Feld eines Stators (entsprechend dem Stator 2 der Figur 8). Dabei sind die magnetischen Normalkräfte auf die einzelnen Segmente PM 1 bis PM 8 über der Rotorposition Q bei einer elektrischen Maschine mit verteilter Wicklung (q = 1 ) dargestellt. Als magnetische Normalkräfte werden dabei die Kräfte bezeichnet, die entweder radial nach innen gerichtet sind oder radial nach außen gerichtet sind. Dabei ist zu erkennen, dass auf die Tangentialsegmente PM1 , PM 4, PM 5, PM 8 wirkenden Normalkräfte negativ sind, sind also radial nach innen gerichtet. Dagegen sind die auf die Normalsegmente PM 2, PM 3, PM 6, PM 7 wirkenden Normalkräfte positiv, sind also radial nach außen gerichtet. Die Kurve 15 gibt die Summe dieser Kräfte an, die natürlich positiv ist.

Ab einer Rotorposition von 24° wurde ein 3-phasiger Kurzschluss simuliert. Dieser stellt in gewisser Weise einen weiteren Betriebsfall dar, der bei der Auslegung einer Magnetpositionierungs- und Rückhaltevorrichtung zu berücksichtigen ist. Die Normalkräfte und damit auch die Summenkurve 15 nehmen im Falle eines Kurzschlusses deutlich ab. Von Bedeutung ist, dass auch im Falle eines Kurzschlusses die Normalkräfte bei den Normalsegmenten PM 2, PM 3, PM 6, PM 7 positiv und bei den Tangentialsegmente PM1 , PM 4, PM 5, PM 8 negativ sind, so dass qualitativ im Hinblick auf das Verhältnis der einzelnen Normalkräfte keine Änderung auftritt. Weiter ist zu beachten, dass die Summe der Normalkräfte gemäß Kurve 15 nicht oder nicht substantiell zunimmt, so dass insofern keine erhöhten Anforderungen an eine Magnetpositionierungs- und Rückhaltevorrichtung im Kurzschlussfall bestehen.

Die Figur 3 zeigt ein Halbach-Array 4, das gegenüber dem Halbach-Array der Figur 1 im Hinblick auf die Ausrichtung der seitlichen Flanken 51 , 52 der einzelnen Segmente modifiziert wurde. Dabei ist vorgesehen, dass für den Fall, dass ein Tangentialsegment PM1 , PM 4, PM 5, PM 8 und eine Normalsegment PM 2, PM 3, PM 6, PM 7 aneinander angrenzen, die jeweils aneinander angrenzenden Flanken 51a, 52a, 51 b, 52b von Tangentialsegment und Normalsegment eine Ausrichtung aufweisen, die von einer strikt radialen Ausrichtung abweicht.

So verläuft zum Beispiel die Flanke 51a des Tangentialsegments PM 8 schräg zur radialen Richtung, die lediglich zum Vergleich ebenfalls dargestellt ist. Ebenso verläuft die Flanke 52a des benachbarten Normalsegments PM 7 schräg zur radialen Richtung. Der Winkel a der Abweichung gegenüber der radialen Richtung liegt beispielsweise im Bereich zwischen 1 ° und 10°. Dabei nimmt die Breite des Tangentialsegments (wobei die Breite sich auf die Umfangsrichtung bezieht) in radialer Richtung r zu, während die Breite des Normalsegments PM 7 in radialer Richtung r abnimmt.

Dagegen verlaufen die aneinander angrenzenden Flanken 51 , 52 zwischen zwei Tangentialsegmenten oder zwischen zwei Normalsegmenten, beispielsweise zwischen den Normalsegmenten PM 7, PM 8 und zwischen den Tangentialsegmente PM 5, PM 4 in radialer Richtung. Zwischen Normalsegment und Tangentialsegment, beispielsweise zwischen dem Normalsegment PM 6 und dem Tangentialsegment PM 5 verlaufen dabei die aneinander angrenzenden Flanken 51b, 52b wiederum schräg zur radialen Richtung, wobei die Breite des Normalsegments PM 6 in radialer Richtung abnimmt und die Breite des Tangentialsegment PM 5 in radialer Richtung zunimmt.

Durch diese Formgebung wird ein Formschluss zwischen den Tangentialsegmenten und den Normalsegmenten bereitgestellt. Dieser Formschluss bewirkt, dass die auf die Normalsegmente radial nach außen gerichteten Normalkräfte mittels der auf die Tangentialsegmente radial nach innen gerichteten Normalkräfte teilweise kompensiert werden.

Dies veranschaulicht die Figur 4, die zusätzlich jeweils die Kräfte darstellt, die auf die einzelnen Segmente PM 1 bis PM 8 wirken. Dabei sind entsprechend der Darstellung der Figur 2 die auf die Tangentialsegmente PM1 , PM 4, PM 5, PM 8 wirkenden Normalkräfte - Fn negativ, während die auf die Normalkräfte PM 2, PM 3, PM 6, PM 7 wirkenden Normalkräfte +Fn positiv sind.

Durch den Formschluss zwischen Tangentialsegmenten und Normalsegmenten wird die negative Kraft -Fn, die auf die Tangentialsegmente wirkt, dazu genutzt, um eine Übertragung dieser Kraft von den Tangentialsegmenten auf die Normalsegmente zu bewirken. Der Formschluss kann dabei wie dargestellt durch leichte Geometrieanpassungen der Magnetsegmente bereitgestellt werden, wobei die Darstellung in den Figuren 3 und 4 nicht maßstabsgemäß ist.

Durch Kompensation der radial nach außen gerichteten Kräfte auf die Normalsegmente PM 2, PM 3, PM 6, PM 7 durch die radial nach innen auf die Tangentialsegmente PM 1 , PM 4, PM 5, PM 8 gerichteten Kräfte kann dabei im betrachteten Beispiel die resultierende Normalkraft auf ca. 2/3 der ursprünglichen Kraft reduziert werden.

Abhängig von der Maschinenspezifikation und Auslegung resultieren zusätzliche Zentrifugalkräfte. Bei langsam drehenden drehmomentdichten Radialflussmaschinen können die Zentrifugalkräfte kleiner oder etwa gleich groß wie die wirkenden magnetischen Kräfte sein. Durch die beschriebene Anordnung ergibt sich bei der Annahme von Zentrifugal- und Magnetnormalkräften gleicher Größe immer noch eine Reduzierung von 17 % der Last für die Magnetpositionierungs- und Rückhaltevorrichtung.

Die Figur 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Permanentmagnet- Synchronmotors mit einem erfindungsgemäßen Halbach-Array 4. In dem betrachteten Ausführungsbeispiel ist der Stator 2 durch eine Vielzahl von Einzelzähnen 21 mit Einzelzahn-Spulenwicklungen 22 gebildet. Es ist auch der Luftspalt d zwischen Rotor 1 und Stator 2 dargestellt.

An der Außenseite des Rotors 1 , der in der Figur 5 ebenso wie der Stator 2 nur teilweise dargestellt ist, sind in Umfangsrichtung Halbach-Arrays 4 entsprechend der Figur 3 angeordnet. Dabei weisen aneinander angrenzende Tangentialsegmente und Normalsegmente schräg zur radialen Richtung verlaufende Flanken 51a, 52a, 51b, 52b auf, die einen Formschluss zwischen den Tangentialsegmenten und den Normalsegmenten bereitstellen, welcher die resultierenden Gesamtkräfte reduziert.

Die Figur 6 zeigt die auf die einzelnen Segmente wirkenden magnetischen Normalkräfte über der Rotorposition Q im Falle einer Synchronmaschine mit konzentrierter Zahnspulenwicklung (q = 2/5). Die vier unteren Kurven, die mit einer negativen Normalkraft, also einer radial nach innen gerichteten Kraft einhergehen, betreffen die vier Tangentialsegmente. Die vier oberen Kurven, die mit einer positiven Normalkraft einhergehen, betreffen die vier Normalsegmente des Halbach-Arrays der Figur 5. Durch den aufgrund der schräg verlaufenden Flanken 51 a, 52a, 51 b, 52b bereitgestellten Formschluss werden die auf die Normalsegmente radial nach außen gerichteten Kräfte teilweise kompensiert. Dabei werden die Kräfte auf die Rückhaltevorrichtung homogenisiert, da durch die schrägen Flanken bzw. Kontaktflächen zwischen den Segmenten gleiche effektive Normalkräfte auf alle Segmente um den Umfang des Rotors wirken. Beispielsweise im Falle einer Bandage kann dies die Anforderungen an die Auslegung und Fertigung weiter senken, da keine Spannungsspitzen, z.B. bei kleinsten elastischen Verschiebungen, durch eine ungleichmäßige Kraftverteilung zu erwarten sind.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß der Figur 6 ergibt sich wiederum eine negative Kraft auf die Tangentialsegmente von ca. 1/3 der Stärke der Normalsegmente.

Bei Rotoren ohne Statoreinfluss verhält es sich so, dass in diesem Fall die negativen Kräfte auf die Tangentialsegmente ähnliche Beträge wie die positiven Kräfte auf die Normalsegmente aufweisen. Dabei kann die erfindungsgemäße Lösung auch die sonst aufgrund der hohen Magnetkräfte nichttriviale Montage der Magnetstäbe am Rotor vereinfachen, indem ein Bewegen der schon montierten Stäbe durch den Formschluss verhindert wird und dadurch komplizierte Montagevorrichtungen und -prozesse vereinfacht werden können.

Die Figur 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem der Formschluss zwischen den Tangentialsegmenten und den Normalsegmenten nicht durch schräg zur radialen Richtung verlaufende und ansonsten plane Flanken bereitgestellt wird, sondern durch Vorsprünge bzw. Einbuchtungen 6 an den benachbarten Flanken 51c, 52c. Die Figur 7 ist dabei nur schematisch und beispielhaft für einen Flankenverlauf, bei dem die Flanken von aneinander angrenzendem Tangentialsegment und Normalsegment nicht durch eine Abweichung von einer radialen Ausrichtung, sondern durch Vorsprünge bzw. Einbuchtungen bzw. konvexe Bereiche bzw. konkave Bereiche einen Formschluss bereitstellen, wobei naturgemäß ein Vorsprung/konvexer Bereich in einem Segment mit einer Einbuchtung/konkaven Bereich in dem Nachbarsegment einhergeht.

In anderen Ausführungsbeispielen ist die Anzahl der Segmente pro magnetischen Pol ungleich vier und liegt diese beispielsweise bei nur drei Segmenten oder bei mehr als vier Segmenten. Bei einer Anordnung mit drei Segmenten (mit einem Normalsegment und zwei Tangentialsegmenten) liegt dabei ein noch größerer Einfluss der Rückhaltekraft der Tangentialsegmente vor, da jeweils zwei Tangentialsegmente die radial nach außen gerichtete Kraft auf ein Normalsegment teilweise kompensieren. Weiter kann vorgesehen sein, dass bei einer Anzahl von mehr als vier Tangentialsegmenten zwischen den Tangentialsegmenten und den Normalsegmenten noch Zwischensegmente vorliegen mit einer zwischen den Extremen liegenden Magnetisierungsrichtung.

Es versteht sich, dass die Erfindung nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt ist und verschiedene Modifikationen und Verbesserungen vorgenommen werden können, ohne von den hier beschriebenen Konzepten abzuweichen. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die beschriebene Synchronmaschine statt als Radialflussmaschine als Axialflussmaschine ausgebildet ist. Bei Axialflussmaschinen wirkt die Zentrifugalkraft normal zu den Magnetkräften, so dass das volle Potential der erfindungsgemäßen Lastreduzierung in axialer Richtung genutzt werden kann. Ferner kann zusätzlich durch eine ähnliche Formgebung in radialer Richtung im Hinblick auf die Zentrifugalkraft eine Erhöhung der Haftreibkraft gegen Bewegung in axialer Richtung erwirkt werden.

Es wird darauf hingewiesen, dass beliebige der beschriebenen Merkmale separat oder in Kombination mit beliebigen anderen Merkmalen eingesetzt werden können, sofern sie sich nicht gegenseitig ausschließen. Die Offenbarung dehnt sich auf alle Kombinationen und Unterkombinationen eines oder mehrerer Merkmale aus, die hier beschrieben werden und umfasst diese. Sofern Bereiche definiert sind, so umfassen diese sämtliche Werte innerhalb dieser Bereiche sowie sämtliche Teilbereiche, die in einen Bereich fallen.