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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere eine permanentmagneterregte Synchronmaschine, mit einem Läufer mit aufgesetztem Permanentmagneten.
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Stand der Technik
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Elektrische Maschinen mit Permanentmagneterregung sind aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt. Beispielsweise können rotatorische Synchronmaschinen vorgesehen sein, die einen Läufer in Form eines im Inneren eines Stators gelegenen Rotors aufweisen. Der Rotor ist mit Permanentmagneten versehen, die ein Erregermagnetfeld erzeugen. Die Permanentmagneten sind so angeordnet, dass Rotorpole ausgebildet werden. Durch die Rotorpole verläuft ein Magnetfeld in Richtung des Stators, d. h. radial nach außen, um mit einem von Statorspulen an dem Stator bewirkten Magnetfeld zu Wechselwirken.
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Es gibt verschiedene Aufbauweisen des Rotors. Eine davon besteht darin, dass der Rotor mit Hilfe eines Lamellenpakets aus Blechlamellen aufgebaut ist, die gemeinsam einen zylinderförmigen Rotorkörper bilden, auf dessen Mantelfläche entsprechend geformte Permanentmagneten angebracht, beispielsweise geklebt, werden. Die Permanentmagneten haben in der Regel identische Abmessungen und sind auf der Mantelfläche des Rotors in Umfangsrichtung äquidistant verteilt.
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Bislang sind Synchronmaschinen bekannt, bei denen die Außenkontur der Permanentmagneten der Kontur von Statorzähnen des Stators angepasst ist, so dass zwischen den nach innen weisenden Enden der Statorzähne (den so genannten Zahnköpfen) und der Außenfläche der Permanentmagneten ein Luftspalt gleicher Dicke gebildet wird.
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Um dies zu erreichen, müssen die Permanentmagneten vor dem Aufsetzen auf das Rotorinnere entsprechend geformt werden, wobei die auf die Mantelfläche des Rotorinneren aufzusetzende Fläche und die den Statorzähnen zugewandte Außenfläche verschiedene Radien aufweisen. Die Formung bzw. Herstellung solcher Permanentmagneten ist technisch aufwändig und erschwert die Herstellung einer solchen elektrischen Maschine.
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Weiterhin treten bei derartigen elektrischen Maschinen mit aufgesetzten Permanentmagneten zumindest im unbestromten Zustand Rastmomente auf. Diese Rastmomente entsprechen einem Drehmoment, dessen Betrag und Richtung von der Winkelposition des Rotors abhängig ist. Der Rotor rastet in jenen Positionen ein, in denen ein oder mehrere Polübergänge des Stators je einem Polübergang des Rotors gegenüber liegen. Bei vielen Anwendungen stört das Rastmoment oder stellt ein Sicherheitsrisiko dar. Ein Beispiel ist eine elektrische Servolenkung bzw. Lenkkraftunterstützung eines Kraftfahrzeugs. Bei Ausfall der elektrischen Unterstützung soll es möglich sein, das Kraftfahrzeug mit Muskelkraft zu lenken. Ein Rastmoment ist dabei so störend, dass es das Unfallrisiko, das im Moment des Ausfalls der Lenkkraftunterstützung ohnehin erhöht ist, nochmals deutlich erhöht.
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Zur Reduzierung des Rastmoments bei elektrischen Maschinen ist es bei permanentmagneterregten Synchronmaschinen mit Rotoranordnungen, die vergrabene Permanentmagneten aufweisen, bekannt, die Rotorpolschuhe des Rotors mit einer bestimmten Form zu versehen. Die Formung der Rotorpolschuhe erfolgt in einer Weise, so dass die Außenkontur der Rotorpolschuhe eine möglichst sinusförmige Luftspaltflussdichteverteilung ausbildet. Dazu sind die Rotorpolschuhe bezüglich des zylinderförmigen Rotorkörpers nach außen gewölbt. Weiterhin führt die Außenkontur dazu, dass zwischen zwei benachbarten Rotorpolschuhen ein vergrößerter Luftspalt gebildet wird.
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Als Beispiel einer solchen Kontur eines Rotorpolschuhs wird die Richter-Kontur genannt (Richter, R., Elektrische Maschinen, Band I, Allgemeine Berechnungselemente, Die Gleichstrommaschine, 3. Auflage, Birkhäuser Verlag, Basel 1967, Seiten 168–170). Die Richter-Kontur sieht die Formung des Rotorpolschuhs gemäß eines Kehrwerts einer quadrierten Kosinusfunktion über dem tangentialen Verlauf des Rotorpolschuhs vor, um näherungsweise eine sinusförmige Luftspaltflussdichteverteilung zu erreichen. In der Praxis wird die Richter-Kontur durch eine kreisförmige Bogenkontur angenähert, die einen kleineren Radius aufweist als der Rotoraußendurchmesser. Dadurch kann die Herstellung einer solchen Rotoranordnung mit vergrabenen Permanentmagneten erheblich vereinfacht werden.
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Zwar sind die Rastmomente und die daraus resultierende Drehmomentwelligkeit bei Rotoranordnungen mit aufgesetzten Permanentmagneten bereits geringer als bei Rotoranordnungen mit vergrabenen Permanentmagneten, dennoch ist es wünschenswert, die Rastmomente bei einer Rotoranordnung mit aufgesetzten Permanentmagneten weiter zu reduzieren.
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Zudem sind aufgesetzte Permanentmagnete mit komplexen Konturen aufwändig herzustellen, da diese aus einem Block magnetischen Materials herausgeschnitten werden müssen.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte elektrischen Maschine mit aufgesetzten Permanentmagneten zur Verfügung zu stellen, die einfacher herzustellen ist als eine elektrische Maschine mit Richter-Kontur und die gegenüber einer herkömmlichen elektrischen Maschine reduzierte Rastmomente aufweist.
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Offenbarung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird durch die elektrische Maschine nach Anspruch 1 und die Rotoranordnung und die Verwendung von Permanentmagneten für den Aufbau einer Rotoranordnung gemäß den nebengeordneten Ansprüchen gelöst.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Gemäß einem Aspekt ist eine elektrische Maschine vorgesehen. Die elektrische Maschine umfasst:
- – einen Rotor mit einer Anzahl von Rotorpolen, die jeweils eine Außenfläche aufweisen;
- – einen Stator mit einer Anzahl von Statorzähnen, die in Richtung des Rotors jeweils eine Zahnkontur aufweisen;
wobei die Außenfläche jedes Rotorpols und die Zahnkontur jedes Statorzahns jeweils einer kreisförmigen Bogenkontur entsprechen, deren Krümmungsradien verschiedene Mittelpunkte aufweisen.
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Eine Idee der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine möglichst einfach herzustellende elektrische Maschine zur Verfügung zu stellen, die verbesserte Rastmomente aufweist. Dies wird dadurch erreicht, dass einerseits kreisbogenförmige Konturen für die Rotorpole gewählt werden, die einfach herzustellen sind, und ein von eins verschiedenes Polabhebungsverhältnis durch die Wahl unterschiedlicher Mittelpunkte gewählt wird. Auf diese Weise können die Permanentmagneten zum Aufbau der elektrischen Maschine in einfacher Weise hergestellt werden. Eine Rotoranordnung, die mit derartigen Permanentmagneten ausgebildet ist, weist gegenüber einer Rotoranordnung ohne Polabhebung, d. h. mit einer Außenkontur der Permanentmagneten, die dem Radius des Rotors entspricht, eine verbesserte Drehmomentwelligkeit, d. h. verringerte Rastmomente auf.
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Weiterhin kann vorgesehen sein, dass bei Ausrichtung eines Rotorpols auf einen Statorzahn zwischen der Außenfläche des Rotorpols und der Zahnkontur ein Luftspalt besteht, der ein Polabhebungsverhältnis zwischen 2,5 und 3, insbesondere von 2 aufweist.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Anzahl der Statorzähne 3 oder Vielfache von 3 und die Anzahl der Rotorpole 2 oder Vielfache von 2 entsprechen und ein Verhältnis zwischen der Anzahl der Statorzähne 3 und der Anzahl der Rotorpole 1,5 betragen.
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Weiterhin kann der Rotor mit einem Rotorkörper und aufgesetzten Permanentmagneten gebildet sein, wobei der Rotorkörper Befestigungsbereiche aufweist, an der Permanentmagneten mit einer jeweiligen Aufsetzfläche angeordnet sind, wobei die Aufsetzfläche und eine der Aufsetzfläche gegenüberliegende Außenfläche der Permanentmagneten die gleichen Krümmungsradien aufweisen, wobei deren Krümmungswölbungen gleichgerichtet sind.
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Es ergibt sich ein Permanentmagnet, dessen Aufsetzfläche und dessen Außenfläche gleiche Radien aufweisen, deren Mittelpunkt auf einer Mittenachse durch den Permanentmagneten, die im Wesentlichen radial durch eine Drehachse des Rotors verläuft, verschoben ist. Der Versatz entspricht der Dicke des Permanentmagneten.
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Weiterhin können die Zahnköpfe eine Zahnkontur aufweisen, die einen Krümmungsradius aufweist, dessen Mittelpunkt der Drehachse des Rotors entspricht.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Rotor mit einem Rotorkörper und eingebetteten Permanentmagneten ausgebildet sein, wobei an der Mantelfläche des Rotorkörpers die Rotorpole vorgesehen sein, wobei die Außenflächen der Rotorpole und die Zahnkontur der Zahnköpfe jeweils eine Krümmung aufweisen, deren Krümmungsbäuche gegeneinander ausgerichtet sind.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Rotoranordnung vorgesehen, die einen Rotorkörper und aufgesetzte Permanentmagneten aufweist, wobei eine Außenfläche der Permanentmagneten und eine Aufsetzfläche der Permanentmagneten, mit der die Permanentmagneten auf den Rotorkörper aufgesetzt sind, jeweils eine kreisförmige Bogenkontur aufweisen, deren Krümmungsradien gleich sind und die verschiedene Mittelpunkte aufweisen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist vorgesehen, einen Permanentmagneten mit einer Aufsetzfläche und einer der Aufsetzfläche gegenüberliegende Außenfläche zum Herstellen einer Rotoranordnung mit aufgesetzten Permanentmagneten für eine elektrische Maschine zu verwenden.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Bevorzugte Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Querschnitts-Darstellung einer elektrischen Maschine mit einem Innenläuferrotor mit aufgesetzten Permanentmagneten, die eine Außenkontur für einen Luftspalt variierender Breite aufweisen;
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2 eine vergrößerte Darstellung eines Ausschnitts der elektrischen Maschine nach 1;
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3a und 3b verschiedene Gestaltungen der Permanentmagneten mit verschiedenen Polabhebungen;
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4 eine weitere Synchronmaschine mit geformten Zahnköpfen gemäß einer weiteren Ausführungsform; und
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5 einen Verlauf des Rastmoments bei einer elektrischen Maschine mit einem Luftspalt gleicher Breite und bei einer elektrischen Maschine mit einem Luftspalt variierender Breite gemäß der Ausführungsform der 1 und 2.
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Beschreibung von Ausführungsformen
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In den 1 und 2 ist eine elektrische Maschine 1 in Form eines permanentmagneterregten Synchronmotors dargestellt. Der Synchronmotor 1 ist in dem gezeigten Beispiel als ein Innenläufermotor ausgebildet, bei dem ein Stator 2 um einen im Inneren des Stators 2 drehbar gelagerten Rotor 3 angeordnet ist. Selbstverständlich ist nachfolgend Beschriebenes auch auf elektrische Maschinen mit Außenläuferrotor übertragbar.
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Der Stator 2 umfasst einen Statorkörper 8 und Statorzähne 4, die von dem Statorkörper 8 radial ins Innere in Richtung einer Mittenachse des Stators 2 gerichtet sind. Die Statorzähne 8 sind von Statorspulen (nicht gezeigt) umwickelt, die in geeigneter Weise elektrisch ansteuerbar sind, um den Synchronmotor zu betreiben. Die inneren Enden der Statorzähne 4 werden Zahnköpfe genannt und weisen eine zur Ausnehmung gerichtete Zahnkontur auf, die eine innere Ausnehmung 10 des Stators 2 definiert. Die innere Ausnehmung des Stators 2 weist einen im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitt auf. Die Zahnkontur der nach innen gerichteten Oberflächen der Zahnköpfe 5 entspricht im Wesentlichen dem Radius der inneren Ausnehmung 10.
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In der inneren Ausnehmung 10 des Stators 2 ist der Rotor 3 drehbeweglich um die Mittenachse angeordnet. Der Rotor 3 weist einen Rotorkörper 6 auf, auf dem Permanentmagneten 7 auf Befestigungsbereichen als Rotorpole aufgesetzt sind, beispielsweise aufgeklebt oder in sonstiger Weise daran befestigt sind. Die Befestigungsbereiche weisen jeweils eine Kontur auf, die zu der Aufsetzfläche 11 des betreffenden Permanentmagneten 7 komplementär sind.
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Beispielsweise kann der Rotorkörper 6 kreiszylindrisch mit einer Zylinderachse ausgebildet sein, die der Drehachse des Rotors 3 entspricht. Somit entspricht die Kontur des Befestigungsbereichs einem Abschnitt der Mantelfläche eines Kreiszylinders. Der Abschnitt der Mantelfläche weist einen ersten Krümmungsradius auf, der dem Radius des Rotorkörpers 6 entspricht. Im vorliegenden Fall ist der Befestigungsbereich 11 des Rotorkörpers 6 entsprechend der Mantelfläche des zylinderförmigen Rotorkörpers 6 mit dem ersten Krümmungsradius und einer Länge, die der Länge der aufzusetzenden Permanentmagneten 7 entspricht, ausgebildet.
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Der erste Krümmungsradius des Befestigungsbereichs 11 muss nicht notwendigerweise dem Radius der Mantelfläche des Rotorkörpers 6 entsprechen. Es kann durchaus vorgesehen sein, dass der erste Krümmungsradius kleiner ist als der Radius des Rotorkörpers 6; dieser weist dann Auswölbungen auf, die die Befestigungsbereiche 11 bilden bzw. beinhalten.
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Die Permanentmagneten 7 weisen eine Aufsetzfläche 11 auf, mit dem diese auf den Befestigungsbereich 11 aufgesetzt werden. Die Permanentmagneten 7 weisen weiterhin eine der Aufsetzfläche 11 gegenüberliegende Außenfläche 12 auf, die eine der Aufsetzfläche 11 entsprechende Außenkontur mit einem zweiten Krümmungsradius aufweist. Die Außenfläche 12 weist eine Mantelbogenkontur auf, deren zweiter Krümmungsradius dem ersten Krümmungsradius der Befestigungsfläche 11 entspricht.
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Im vorliegenden Beispiel weist die Synchronmaschine 1 zwölf Statorzähne 4 und acht Rotorpole auf. Allgemein lässt sich obige Formgebung der aufzusetzenden Permanentmagneten 7 für alle Synchronmaschinen 1 anwenden. Vorzugsweise sollte die Synchronmaschine ein Polzahlverhältnis, also das Verhältnis der Anzahl von Statorzähnen zu der Anzahl von Rotorpolen, von 3:2 oder Vielfachen davon aufweisen.
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Zwischen den Außenflächen 12 der Permanentmagneten 7 des Rotors 3 und an den Enden der Zahnköpfe 5 des Stators 2 vorliegenden Zahnkonturen 13 wird ein Luftspalt gebildet. Die Breite dieses Luftspalts variiert durch die Wahl des zweiten Krümmungsradius als ein Radius, der kleiner ist als der größte Abstand auf einem Punkt der Außenfläche 12 des Permanentmagneten 7 zu der Mittenachse M des Rotors 3, in Umfangsrichtung. Insbesondere wird so bei einer elektrischen Maschine mit Permanentmagneten 7, die wie oben beschrieben geformt sind, eine Veränderung der Breite des Luftspalts erreicht, die Polabhebung genannt wird. D. h. die Polabhebung bezeichnet eine Abstandsänderung, um die sich die minimale Breite des Luftspalts im Verlauf der Breite eines Permanentmagneten 7 in Umfangsrichtung vergrößert, d. h. das Verhältnis der maximalen Breite des Luftspalts zur minimalen Breite des Luftspalts.
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In den 3a und 3b sind zwei Ausgestaltungen der Permanentmagneten 7 an einem Rotorkörper 6 dargestellt. Man erkennt, dass in beiden Ausgestaltungen sowohl der erste Krümmungsradius Rinnen des Befestigungsbereichs 11 bzw. der Aufsetzfläche als auch der zweite Krümmungsradius Raußen der Außenfläche 12 identisch sind, jedoch verschiedene Mittelpunkte aufweisen. Der Abstand der Mittelpunkte auf einer Mittenachse M, die eine Symmetrieachse des Permanentmagneten 7 bzw. des Rotorpols darstellt, entspricht dann der Dicke des Permanentmagneten 7 entlang der Mittenachse M.
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In 3a sind die Krümmungsradien kleiner als bei den Permanentmagneten 7 der 3b. Man erkennt an dem Abstand zwischen der Außenfläche 12 des dargestellten Permanentmagneten 7 und deren Außenkante in Richtung der Mittelachse M, dass je kleiner der Radius Rinnen = Raußen ist, desto größer ist die Polabhebung, d. h. desto größer ist die Variation der Breite des Luftspalts über einem Rotorpol.
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Die Variation der Polabhebung in einem bestimmten Verhältnis hat einen bedeutenden Einfluss auf die Charakteristik von Rastmomenten. Bei einer Synchronmaschine mit einem Zahnkopf-/Polzahlverhältnis von 3:2, d. h. einer Synchronmaschine mit 6, 9, 12 usw. Statorzähnen und 4 bzw. 6 bzw. 8 usw. Rotorpolen, ist zur Reduzierung von Rastmomenten des Synchronmotors eine Polabhebung von 2√2·δmin optimal, wobei δmin der minimalen Breite des Luftspalts zwischen der Außenfläche 12 des Permanentmagneten 7 und der Zahnkontur des Zahnkopfs 5 entspricht.
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Bei der Herstellung der Permanentmagneten 7 können somit in einfacher Weise die Fräs- bzw. Sägeradien für den Befestigungsbereich 11 sowie die Außenfläche 12 an das Abhebungsverhältnis, d. h. die Polabhebung, angepasst werden. Bei einer Gestaltung eines Rotors 3 mit aufgesetzten Permanentmagneten 7, die so konturiert sind, dass sie eine Polabhebung von 2√2·δmin aufweisen, und bei einem Zahnkopf-/Polzahlverhältnis von 3:2 kann eine Reduzierung des Rastmoments um mehr als das Dreifache im Vergleich zu einer Synchronmaschine mit einem konstanten Luftspalt von δmin und ansonsten gleichen Abmessungen erreicht werden. Dies ist beispielsweise in der Darstellung der 5 gezeigt.
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5 zeigt das Rastmoment in % bezogen zu einem durchschnittlichen Moment einer herkömmlichen Synchronmaschine mit konstantem Luftspalt und einer Synchronmaschine mit variablem Luftspalt und einem Polabhebungsverhältnis von 2√2 über dem mechanischen Rotorwinkel.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform einer Synchronmaschine kann im Gegensatz zu der in den 1 bis 3 dargestellten Synchronmaschine der Stator im Inneren angeordnet und der Rotor drehbeweglich um den Stator gelagert sein. Die für den Außenläufer verwendeten Permanentmagneten können im Wesentlichen identisch konstruiert sein wie diejenigen bei dem Innenläufer-Sychronmotor. Die für die Außenfläche und die Aufsatzfläche verwendeten Krümmungsradien sind jedoch größer gewählt als der Außenradius, der durch die Zahnkonturen der Statorzähne des innen liegenden Stators definiert ist, insbesondere der Radius, der durch den Abstand zwischen der Zahnkontur der Statorzähne und einer Mittenachse des Synchronmotors definiert ist. Der Außenläufer kann einen ringförmigen Rotorkörper aufweisen, der an einer zylindrischen Innenfläche Befestigungsbereiche aufweist, an die konvex geformte Aufsatzflächen der Permanentmagnete angeordnet werden. Im Gegensatz zu der Ausführungsform der 1 bis 3 sind die Außenflächen der Permanentmagneten 7, die den Zahnköpfen 5 gegenüber liegen, konkav ausgebildet.
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Die Ausgestaltung der Permanentmagnete 7 zum Aufbau von Rotoren 3 in den oben beschriebenen Ausführungsformen ermöglicht die besonders einfache Herstellung der Permanentmagneten mit einer einzigen Fräsereinstellung, da die Befestigungsfläche sowie die Außenfläche die gleichen Krümmungsradien aufweisen. Zudem kann durch die Verwendung dieser Geometrie der Permanentmagneten in einfacher Weise eine Reduzierung der Rastmomente, insbesondere bei einer Synchronmaschine mit einem Statorzahn-/Polzahlverhältnis von 3:2, erreicht werden.
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Das gleiche Polabhebungsverhältnis kann bei einer elektrischen Maschine erreicht werden, die als Ausschnitt in 4 dargestellt ist. Der Rotor 3 der elektrischen Maschine 1 der 4 weist Rotorpole auf, die durch vergrabene Permanentmagneten 7 gebildet werden, d. h. die Permanentmagneten 7 sind in Taschen in dem Rotorkörper 6 angeordnet. Die Außenflächen der durch den Rotorkörper gebildeten Rotorpole weisen einen Krümmungsradius auf, der dem Radius des Rotor 3 entspricht, mit einem Mittelpunkt, der der Drehachse des Rotors 3 entspricht.
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Die Statorzähne 4 weisen Zahnköpfe 5 auf, die in eine Umfangsrichtung des Stators 2 kreisförmige Kontur aufweisen. Die Krümmung der Zahnköpfe 5 ist zu der Krümmung der Rotorpole entgegengesetzt. Die Zahnköpfe 5 weisen einen Krümmungsradius auf, der zu einem Polabhebungsverhältnis von 2√2 führt. In diesem Ausführungsbeispiel entspricht das Polabhebungsverhältnis dem Verhältnis der Breiten des Luftspaltes an einer Mittenlinie M des betreffenden Statorzahns 4 und an einem Rand des Zahnkopfes 5 in Umfangsrichtung. Das Polabhebungsverhältnis ist bei einer elektrischen Maschine mit einem Statorzahn-/Polzahlverhältnis von 3:2 unabhängig von der Breite des Zahnkopfes in Umfangsrichtung bei 2√2 optimal. Mit anderen Worten ist der Krümmungsradius des Zahnkopfes in Umfangsrichtung umso größer je geringer die Breite der Zahnköpfe in Umfangsrichtung beträgt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Richter, R., Elektrische Maschinen, Band I, Allgemeine Berechnungselemente, Die Gleichstrommaschine, 3. Auflage, Birkhäuser Verlag, Basel 1967, Seiten 168–170 [0008]