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    Verfahren zur Herstellung einer Rotoranordnung für eine elektrische Maschine, bei dem ein Rotorkörper bereitgestellt wird und Permanentmagnete aus einem isotropen Magnetmaterial in den Rotorkörper eingebettet werden, wobei den Permanentmagneten durch eine externe Magnetisierungseinrichtung eine Magnetisierung aufgeprägt wird, die wenigstens näherungsweise einer Halbach-Magnetfeldverteilung entspricht.
    公开号:DE102004017157A1
    申请号:DE200410017157
    申请日:2004-04-07
    公开日:2005-11-10
    发明作者:Markus KLÖPZIG；Vladimir Vladimirovič Popov
    申请人:Minebea Co Ltd；
    IPC主号:H02K15-03
    专利说明:
    [0001] DieErfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Rotoranordnungfür eineelektrische Maschine sowie eine entsprechende Rotoranordnung. Dieerfindungsgemäße Rotoranordnungist allgemein in elektrischen Maschinen, wie Gleichstrommotorenund Generatoren einsetzbar.
    [0002] Aufdem Markt ist eine Vielzahl von Elektromotoren bekannt, die aufverschiedene Arten klassifiziert werden können, z.B. gemäß ihrerStruktur, dem Antriebsmechanismus, dem Steuermodus etc. Ein bevorzugtesAnwendungsgebiet der Erfindung sind bürstenlose Gleichstrommotorenund andere Permanentmagnetmotoren, wobei es grundsätzlich bekannt ist,Permanentmagnete auf dem Außenumfangeines Rotorkörpersvorzusehen oder in diesen einzubetten. Die Erfindung ist ferneranwendbar auf Elektromotoren und Generatoren, welche als Innenläufermotor oderAußenläufermotorkonfiguriert sein können. Elektromotorenmit einer Innenläuferkonfiguration weiseneine Rotoranordnung auf, die auf eine Motorwelle aufgebracht istund einen oder mehrere Permanentmagnete umfaßt, sowie eine Statoranordnung ausz.B. einer Anzahl von paketierten Metallblechen, die einen ringförmigen Statorrückschluß und von demStatorrückschluß nach innenabstehende Polschuhe aufweist. Auf die Polschuhe sind Phasenwicklungenaufgebracht. Die Rotoranordnung ist koaxial in die Statoranordnungeingefügt.Bei einer Außenläuferkonfigurationumgibt die Rotoranordnung den Stator koaxial.
    [0003] ImStand der Technik ist ferner bekannt, auf den Außenumfang des Rotors aufgebrachtePermanentmagnete derart zu magnetisieren, daß sich eine magnetische Feldlinienverteilunggemäß einerHalbach-Magnetisierung oder einer angenäherten Halbach-Magnetisierungergibt.
    [0004] DieGrundlagen der Halbach-Magnetisierung sind z.B. beschrieben aufder Website der University of Sheffield von der Elektrical Machinesand Drives Group unter http://www.shef.ac.uk/eee/emd/research/halbach/halbachl.html.Die Halbach-Magnetisierung erlaubt eine Konzentration des von denMagneten erzeugten Magnetfeldes auf Sinuslinien. Die 1 und 2 zeigen eine Halbach-Magnetisierungeines Rotorrings füreinen Innenläufermotorbzw. einen Außenläufermotorund die zugehörigeMagnetfeldlinienverteilung. Aufgrund der speziellen Feldlinienführung innerhalbdes Rotors ist bei Rotoren mit Halbach-Magnetisierung kein Eisenrückschluß notwendig,wodurch die Rotormasse und -trägheitreduziert werden können.Durch die sinusförmigeoder angenähertsinusförmigeMagnetisierung wird ferner das Rastmoment des Motors merklich reduziert.
    [0005] Esist bekannt, solche Magnetringe bzw. Magnetzylinder mit Halbach-Magnetisierungfür Rotoren entwederaus vormagnetisierten anisotropen Magnetsegmenten mit der gewünschtenMagnetisierungsrichtung oder aus isotropen Magnetringen, auf welchedie Halbach-Magnetisierungaufgeprägtwird, herzustellen.
    [0006] Beibekannten Rotoranordnungen ist es üblich, daß ein segmentierter Permanentmagnetring odermehrere einzelne Permanentmagnete nebeneinander auf einem Rückschluß befestigtsind, der auf der Motorwelle aufgebracht ist. Bei Motoren mit niedrigenPolzahlen ist dieser mehrpolige Permanentmagnetring nachteilig,weil die Magnetwand eine erhebliche Dicke haben muß und somiteine sehr große Mengemagnetischen Materials benötigtwird.
    [0007] Die EP 1 263 116 offenbart einenRotor, auf dessen AußenumfangPermanentmagnete aufgebracht sind. Die Permanentmagnete sind inForm eines Ringes angeordnet und in eine Vielzahl von Segmentenaufgeteilt, welche so magnetisiert sind, daß eine Halbach-Magnetisierungangenähertwird.
    [0008] Während Rotoranordnungenmit Halbach-Magnetisierung zahlreiche Vorteile haben, besteht auchhier das Problem, daß derPermanentmagnetring auf dem Außenumfangdes Rotors bei niedrigen Polzahlen vergleichsweise dick ist undsomit übermäßig vielmagnetisches Material benötigtwird.
    [0009] Esist die Aufgabe der Erfindung, eine Rotoranordnung für eine elektrischeMaschine anzugeben, die auch bei niedrigen Polzahlen mit vertretbaremAufwand hergestellt werden kann.
    [0010] DieseAufgabe wird durch ein Verfahren mit den Verfahrensschritten gemäß Anspruch1 sowie durch eine Rotoranordnung mit den Merkmalen von Anspruch6 gelöst.
    [0011] Erfindungsgemäß wird eineRotoranordnung hergestellt, indem Permanentmagnete aus einem isotropenMagnetmaterial in einen Rotorkörpereingebettet werden und den Permanentmagneten anschließend durcheine externe Magnetisierungseinrichtung eine Magnetisierung aufgeprägt wird,die wenigstens näherungsweiseeiner Halbach-Magnetfeldverteilung entspricht.
    [0012] Vorzugsweisewerden die Permanentmagnete in dem Rotorkörper speichenförmig angeordnet. Dieexterne Magnetisierungsvorrichtung besteht vorzugsweise aus einerReihe von Magnetisierungsspulen, die außen am Rotorkörper angeordnetund symmetrisch zu den Permanentmagneten positioniert werden, wobeidie Magnetisierungsspulen bei Aktivierung Magnetisierungsfeldlinienerzeugen, welche den eingebetteten Permanentmagneten eine Halbach-Magnetisierung aufprägen, ohnedaß hierzu einespezielle Auslegung der Spulen und/oder der Permanentmagnete notwendigwäre. Dieeingebetteten Permanentmagnete aus isotropem Magnetmaterial erhaltensomit automatisch eine magnetische Ausrichtung, die einer Halbach-Magnetfeldverteilung wenigstensnäherungsweiseentspricht.
    [0013] Ineiner bevorzugten Ausführungder Erfindung wird jeder Pol der Rotoranordnung durch mehrere speichenförmig angeordneteEinzelmagnete gebildet, wobei es besonders vorteilhaft ist, jeweilseinen Pol aus zwei einander zugeordneten Permanentmagneten aufzubauen.
    [0014] Ineiner weiteren vorteilhaften Abwandlung der Erfindung erzeugen dieMagnetisierungsspulen Magnetisierungs-Feldlinien, welche relativzur Längsrichtungdes Rotorkörpersschrägverlaufen, um eine Schrägungder Magnetisierung der Permanentmagnete zu erreichen. Dadurch ergibtsich eine zusätzlichVerringerung des Rastmoments.
    [0015] DieErfindung sieht auch eine Rotoranordnung für eine elektrische Maschinevor, die einen Rotorkörperund in den Rotorkörpereingebettete Permanentmagnete aus einem isotropen Material aufweist.Den Permanentmagneten ist eine Magnetisierung aufgeprägt, welchewenigstens näherungsweiseeiner Halbach-Feldverteilung entspricht. Vorzugsweise sind die Permanentmagnetein dem Rotorkörperspeichenförmigangeordnet. Besonders vorteilhaft wird jeder Pol der Rotoranordnungdurch mehrere Einzelmagnete gebildet.
    [0016] Mitder erfindungsgemäßen Anordnungergibt sich insbesondere bei Rotoren mit niedrigen Polzahlen eineganz erhebliche Reduktion des erforderlichen Magnetmaterials. Durchdie speichenförmige Anordnungder eingebetteten Permanentmagnete aus isotropem Material und dieexterne Magnetisierung kann ferner auf einfachste Weise eine Halbach-Magnetisierungder Permanentmagnete erzielt werden, welche die eingangs erläutertenVorteile hat. Je mehr Permanentmagnete bzw. Speichen pro Pol derAnordnung vorgesehen sind, desto besser kann die Magnetisierungan eine tatsächlicheHalbach-Feldlinienverteilung angenähert werden. Durch Verwendenvon isotropem Magnetmaterial und externen Magnetisierungsspulenstellt sich die gewünschteHalbach-Magnetisierung automatisch ein, ohne daß theoretische Modellbildungenund Berechnungen fürdie Auslegung der Permanentmagnete und der Magnetisierungseinrichtungnotwendig wären.
    [0017] DieErfindung ist im folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformenmit Bezug auf die Zeichnungen nähererläutert.In den Figuren zeigen:
    [0018] 1 und 2 dieHalbach-Magnetisierung eines Rotorrings und die zugehörige Feldlinienverteilungfür einenInnenläufermotorbzw. füreinen Außenläufermotor;
    [0019] 3 eineschematische Darstellung eines Magnetrings für eine Rotoranordnung mit einermehrpoligen Halbach-Magnetisierung;
    [0020] 4 eineschematische Teilansicht eines Elektromotors mit einer Rotoranordnungmit speichenförmigenPermanentmagneten gemäß dem Standder Technik;
    [0021] 5 eineschematische Teilansicht eines Elektromotors mit einer Rotoranordnunggemäß der Erfindung;
    [0022] 6 eineschematische Draufsicht auf eine Rotoranordnung mit einer externenMagnetisierungseinrichtung gemäß der Erfindung;
    [0023] 7 eineschematische Draufsicht auf eine externe Magnetisierungseinrichtungzur Erzeugung einer geschrägtenMagnetisierung der erfindungsgemäßen Rotoranordnung.
    [0024] 1 und 2 zeigendie Magnetisierung und die korrespondierende Feldlinienverteilungfür einenPermanentmagnetring einer Rotoranordnung gemäß einer Innenläuferkonfiguration(1) bzw. einer Außenläuferkonfiguration (2).Bei einer Halbach-Magnetisierung ist die Feldlinienverteilung imLuftspalt zwischen Rotor und Stator inhärent sinusförmig, wodurch ein theoretischminimales Rastmoment entsteht und sich eine im wesentlichen sinusförmige EMK-Wellenformergibt. Da die magnetischen Feldlinien innerhalb des Rotors durchdie Halbach-Magnetanordnung weitgehend ohne Streufluß geführt werdenund somit quasi einseitig abgeschirmt werden, kann der Permanentmagnetringauf einen Rotorkörperaufgebracht werden, welcher keinen Eisenrückschluß benötigt, wie aus der Feldlinienverteilungder 1 und 2 ersichtlich ist.
    [0025] 3 zeigtschematisch eine mehrpolige Magnetisierung eines Magnetrings 14 einerRotoranordnung mit Halbach-Magnetisierung. Wie aus 3 ersichtlich,benötigteine solche Rotoranordnung mit einer niedrigen Polzahl einen relativdicken Magnetring, um die gewünschteHalbach-Feldlinienführung zuerzeugen.
    [0026] 4 zeigteine Teilansicht eines Elektromotors mit einer Rotoranordnung miteingebetteten speichenförmigenPermanentmagneten gemäß dem Standder Technik. Die Rotoranordnung umfaßt einen Rotorkörper 20,der auf einen Träger 22 aufgebrachtist. Überden Träger 22 istder Rotorkörperauf einer Welle (nicht gezeigt) angebracht. Der Rotorkörper 20 bildeteinen magnetischen Rückschluß, in den Permanentmagnete 24, 26 eingebettetsind, welche speichenförmigangeordnet sind. Ein magnetischer Pol der Rotoranordnung wird jeweilsdurch ein Permanentmagnetpaar 24, 26 gebildet.Der Rotorkörper 20 istkoaxial in einen Stator 30 eingefügt.
    [0027] Aufder rechten Seite der 4 ist eine vergrößerte Ansichtder Rotoranordnung 20 dargestellt, in der die Magnetisierungsrichtungder Permanentmagnete 24, 26 durch Pfeile gekennzeichnetist. Im Stand der Technik werden insbesondere anisotrope Magnetein den Rotorkörper 20 eingebettet,die senkrecht zu ihrer Längserstreckungmagnetisiert sind. Dadurch ergibt sich die in 4 dargestellteVerteilung der magnetischen Feldlinien.
    [0028] 5 zeigteine Teilansicht eines Elektromotors mit einer Rotoranordnung gemäß der Erfindung. DieRotoranordnung umfaßteinen Rotorkörper 40, derbei der gezeigten Ausführungauf einen Träger 42 aufgebrachtist. Der Rotorkörper 40 istaus mehreren Blechen oder Massiveisen hergestellt; er kann bei angepaßter Magnetgeometrieauch aus Kunststoff hergestellt werden. Der Träger 42 dient zum Anbringendes Rotorkörpers 20 aneiner Welle (nicht gezeigt) und zur Positionierung des Rotorkörpers und derdarin eingebetteten Permanentmagnet 44, 46. DiePermanentmagnete 44, 46 können in den Rotorkörper 40 eingespritztsein, wobei in diesem Fall der Träger 42 bei der Herstellungder Rotoranordnung zweckmäßig in dasSpritzwerkzeug eingelegt wird, um eine einheitlich Rotoranordnungzu bilden. Der Rotorkörper 40 kannjedoch auch so ausgebildet sein, daß er die Magnete 44, 46 inhierzu vorgesehenen Taschen an dem Träger 42 befestigt.In einer anderen Ausführungder Erfindung kann der Rotor auch insgesamt aus einem Kunststoffteilbestehen, ohne daß einEisenrückschluß vorgesehenist. Welle und Rotorkörperkönnenauch ohne Zwischenschaltung eines Trägers miteinander verbundenwerden.
    [0029] DerRotorkörper 40 istkoaxial in einen Stator 50 eingefügt.
    [0030] Erfindungsgemäß sind diePermanentmagnete 44, 46 aus einem isotropen Magnetmaterialhergestellt, das nach dem Einbetten der Permanentmagnete in Rotorkörper 40 durcheine externe Magnetisierungsvorrichtung magnetisiert wird, um eineHalbach-Magnetisierung zu erzeugen, wie weiter unten noch näher erläutert ist.In der vergrößerten Darstellungauf der rechten Seite der 5 ist dieMagnetisierungsrichtung der Permanentmagnete 44, 46 durchPfeile dargestellt. Es ist erkennbar, daß die Permanentmagnete 44, 46 nichtsenkrecht, sondern schrägzu ihrer Längserstreckungmagnetisiert sind. Der sich ergebende Verlauf der magnetischen Feldlinienist in 5 eingezeichnet.
    [0031] 6 zeigtschematisch eine Rotoranordnung und eine externe Magnetisierungseinrichtung gemäß der Erfindung.Die Rotoranordnung entspricht der Darstellung der 5 undist hier nicht nochmals im einzelnen beschrieben. Um die Permanentmagnete 44, 46 ausisotropem Magnetmaterial erfindungsgemäß zu magnetisieren, werdenam Außenumfangder Rotoranordnung Magnetisierungsspulen 52 angeordnet,die jeweils zu einem magnetischen Pol der Rotoranordnung symmetrischangeordnet sind. Die Spulen 52 werden aktiviert und erzeugen Feldlinien,welche sich automatisch entlang Linien ausrichten, die einer Halbach-Magnetfeldverteilung entsprechen.Dadurch wird den Permanentmagneten 44, 46 eineentsprechende Halbach-Magnetisierung aufgeprägt.
    [0032] Beider gezeigten Ausführungist jedem Magnetpol eine Spule 52 zugeordnet, wobei dieSpule 52 am Außenumfangdes Rotors 40, dem entsprechenden Pol gegenüberliegendangeordnet ist.
    [0033] 7 zeigteine Abwandlung der Magnetisierungseinrichtung der 6.Auch in der Magnetisierungseinrichtung 54 der 7 isteine Magnetspule 56 fürjeden magnetischen Pol der Rotoranordnung (in 7 nichtgezeigt) vorgesehen. Die Magnetisierungseinrichtung 54 istjedoch so ausgebildet, daß dieSpulen 56 sich in axialer Richtung schräg erstrecken, um eine Schrägung derMagnetisierung der Permanentmagnete 44, 46 entlangder axialen Länge derRotoranordnung zu erzeugen. Dadurch kann das von dem Elektromotorerzeugte Rastmoment reduziert werden.
    [0034] DieAusbildung der erfindungsgemäßen Rotoranordnungmit eingebetteten speichenförmigen Permanentmagnetenaus isotropem Material, welchen durch eine externe Magnetisierungseinrichtung eineHalbach-Magnetisierung aufgeprägtwird, ist auf einfache Weise und mit einem Minimum an magnetischemMaterial realisierbar. Durch Erzeugung der Halbach-Magnetisierung istes auch möglich,den Rotorkörperohne Eisenrückschluß auszuführen. Es istmöglich,den Rotorkörperaus einem Kunststoffträgerherzustellen, in welchen die Magnete eingebettet werden. Dadurchentstehen in den Magneten keine oder nur sehr geringe thermischeSpannungen, so daß keineBruchgefahr fürdie Magnete besteht. Eine besonders einfache Ausgestaltung ergibtsich, wenn der Rotorkörperdirekt auf die Welle aufgespritzt wird.
    [0035] Erfindungsgemäß kann dieHalbach-Magnetisierung der Permanentmagnete ohne theoretische Modellbildungoder mathematisch berechnete Auslegung der Permanentmagnete realisiertwerden. Die erfindungsgemäße Anordnungeignet sich sowohl für niedrigeals auch fürhohe Polzahlen. Trotz Verwendung von Einzelmagneten mit einfacherMagnetform kann eine Halbach-Magnetisierung erreicht werden.
    [0036] Diein der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Zeichnungen offenbartenMerkmale könnensowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichungder Erfindung in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutungsein.
    20 Rotorkörper 22 Träger 24,26 Permanentmagnete 30 Stator 40 Rotorkörper 42 Träger 44,46 Permanentmagnete 50 Stator 52 Magnetisierungsspulen 54 Magnetisierungseinrichtung 56 Magnetisierungsspulen
    权利要求:
    Claims (8)
    [1] Verfahren zur Herstellung einer Rotoranordnungfür eineelektrische Maschine, bei dem ein Rotorkörper (40) bereitgestelltwird und Permanentmagnete (44, 46) aus einem isotropenMagnetmaterial in den Rotorkörpereingebettet werden, wobei den Permanentmagneten durch eine externeMagnetisierungseinrichtung (52; 56) eine Magnetisierungaufge prägtwird, die wenigstens näherungsweiseeiner Halbach-Magnetfeldverteilung entspricht.
    [2] Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,daß wenigstenseine externe Magnetisierungsspule (52; 56) relativzu dem Rotorkörper(40) und den darin eingebetteten Permanentmagneten (44, 46)positioniert und aktiviert wird, um Magnetisierungs-Feldlinien zu erzeugen,um die eingebetteten Permanentmagnete (44, 46)zu magnetisieren.
    [3] Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,daß dieMagentisierungsspule (52; 56) Magnetisierungs-Feldlinienerzeugt, die relativ zur Längsrichtungdes Rotorkörpers(40) schrägverlaufen.
    [4] Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, daß diePermanentmagnete (44, 46) speichenförmig indem Rotorkörper(40) angeordnet werden.
    [5] Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, daß jederPol der Rotoranordnung durch mehrere Einzelmagnet (44, 46)gebildet wird.
    [6] Rotoranordnung füreine elektrische Maschine, mit einem Rotorkörper (40), in denPermanentmagnete (44, 46) aus einem isotropenMagnetmaterial eingebettet sind, wobei den Permanentmagnete (44, 46)eine Magnetisierung aufgeprägtist, die wenigstens näherungsweiseeiner Halbach-Magnetfeldverteilung entspricht.
    [7] Rotoranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,daß diePermanentmagnete (44, 46) speichenförmig indem Rotorkörper(40) angeordnet sind.
    [8] Rotoranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurchgekennzeichnet, daß jeder Polder Rotoranordnung durch mehrere Einzelmagnet (44, 46)gebildet ist.
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    2017-08-29| R081| Change of applicant/patentee|Owner name: MINEBEA MITSUMI INC., JP Free format text: FORMER OWNER: MINEBEA CO., LTD., NAGANO, JP |
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    申请号 | 申请日 | 专利标题
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    US11/092,970| US7204012B2|2004-04-07|2005-03-30|Method for fabricating a rotor arrangement and a rotor arrangement for an electric machine|
    JP2005106090A| JP2005304292A|2004-04-07|2005-04-01|電動機用ロータユニットの製造方法、電動機用ロータユニット、及び電動機|
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