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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor für eine Elektromaschine sowie eine mit einem solchen Rotor ausgestattete Elektromaschine.
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Stand der Technik
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Elektrische Maschinen können zu unterschiedlichsten Zwecken als Motor oder als Generator eingesetzt werden. Beispielsweise können elektrische Synchronmaschinen mit Permanenterregung in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, um diese anzutreiben beziehungsweise um beim Abbremsen kinetische Energie in elektrische Energie zu rekuperieren. Eine elektrische Maschine weist hierzu im Allgemeinen einen Rotor und einen Stator auf, wobei sich der Rotor relativ zu dem Stator drehen lässt.
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Bei einer permanenterregten elektrischen Maschine sind meist Permanentmagnete an dem Rotor angeordnet. An dem Stator befinden sich Elektromagnete, mithilfe derer variierende Magnetfelder generiert werden können, die mit den von den Permanentmagneten erzeugten Magnetfeldern wechselwirken, so dass ein Drehmoment zwischen dem Stator und dem Rotor erzeugt wird.
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Da während des Rotierens des Rotors erhebliche Fliehkräfte auf die an dem Rotor angeordneten Permanentmagnete wirken können, müssen diese Permanentmagnete durch geeignete Konstruktionsmerkmale sicher an beziehungsweise in dem Rotor befestigt werden.
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Bei einem häufig eingesetzten Rotortyp sind innerhalb eines Rotorkörpers mehrere Aufnahmeräume vorgesehen, in die die Permanentmagnete beim Zusammenbau des Rotors zunächst eingeschoben und dann darin fixiert werden können, beispielsweise durch einkleben oder verpressen. Die Aufnahmeräume werden auch als Magnettaschen bezeichnet und befinden sich nahe dem Außenumfang des Rotorkörpers.
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Der Rotorkörper besteht vorzugsweise aus weichmagnetischem Material wie zum Beispiel Eisen. Beispielsweise kann der Rotor als Lamellenpaket ausgebildet sein, bei dem mehrere Magnetbleche als Lamellen in einer Axialrichtung hintereinander angeordnet sind. Die Magnetbleche können hierzu geeignet in Form gestanzt sein, so dass darin beispielsweise entsprechende Ausnehmungen ausgestanzt sind, die beim zusammengesetzten Lamellenpaket die Aufnahmeräume des Rotors bilden.
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Eine beispielhafte Ausgestaltung eines Rotors für eine Elektromaschine ist in
US 7,151,335 B2 beschrieben.
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Offenbarung der Erfindung
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Ein Rotor gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ermöglicht eine elektrische Maschine mit im Vergleich zu bisherigen elektrischen Maschinen gesteigertem Leistungspotenzial bei vorzugsweise gleichzeitig gesteigertem Wirkungsgrad.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Rotor für eine elektrische Maschine bereitgestellt. Der Rotor weist im Querschnitt eine Mehrzahl von Sektoren auf, die entlang einer Umfangsrichtung angeordnet sind und die jeweils mit einer gleichen Geometrie ausgebildet sind. Jeder der Sektoren ist dabei symmetrisch zu einer Mittellinie ausgebildet. Jeder Sektor weist wenigstens einen in einem Rotorkörper ausgebildeten Aufnahmeraum zur Aufnahme wenigstens eines Permanentmagneten auf. In einem solchen Aufnahmeraum ist wenigstens ein Permanentmagnet aufgenommen, der im Querschnitt eine längliche Form aufweist. Der Permanentmagnet ist dabei derart in dem Aufnahmeraum aufgenommen und besitzt eine derartige Magnetisierung, dass der Permanentmagnet mit einer radial nach außen gerichteten längsseitigen
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Oberfläche an einer Außenwand des Aufnahmeraums anliegt und dass magnetische Feldlinien quer, vorzugsweise senkrecht, von der längsseitigen Oberfläche des Permanentmagneten hin zu einem Außenumfang des Rotors verlaufen. Der Rotor zeichnet sich dadurch aus, dass an der Außenwand des Aufnahmeraums wenigstens eine Ausnehmung ausgebildet ist, die einen nicht magnetisierbaren Raumangrenzend an die längsseitige Oberfläche des Permanentmagneten bildet. Unter einem „nicht magnetisierbaren Raum“ soll hierbei ein Volumen verstanden werden, dass mit einem Material wie z.B. Luft, Kleber oder Harz gefüllt ist, welches sich, im Gegensatz zu einem ansonsten für den Rotor verwendeten weichmagnetischen Material wie beispielsweise Eisen, nicht bzw. kaum magnetisieren lässt.
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Ideen zu dem hierin vorgeschlagenen Rotor beziehungsweise dessen Ausführungsformen können unter anderem als auf den nachfolgend beschriebenen Erkenntnissen beruhend angesehen werden.
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Bei dem hierin vorgeschlagenen Rotor wird die Geometrie von als Magnettaschen dienenden Aufnahmeräumen in einem Rotorkörper derart modifiziert, dass sich zwischen der nach außen gerichteten längsseitigen Oberfläche eines der aufgenommenen Permanentmagnete und einer gegenüber liegenden Außenwand des Aufnahmeraums ein kleiner Spalt bildet.
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Bei herkömmlichen Rotoren waren die Aufnahmeräume und die Permanentmagnete im Allgemeinen in ihrer Geometrie derart komplementär zueinander ausgebildet, dass die nach außen gerichtete längsseitige Oberfläche der Permanentmagnete über ihre gesamte Fläche hin an der gegenüber liegenden Außenwand anliegt. Auf diese Weise konnte für einen zuverlässigen Halt der Permanentmagnete innerhalb der Aufnahmeräume insbesondere bei den im Betrieb auftretenden erheblichen Fliehkräften gesorgt werden.
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Es wurde nun jedoch erkannt, dass einerseits ein solches vollflächiges Anliegen der Magnetaußenseite an der gegenüber liegenden Wand des Aufnahmeraums für einen sicheren Halt nicht zwingend notwendig ist und dass andererseits das Vorsehen kleiner Luftspalte zwischen den Permanentmagneten und Wänden der Außenräume vorteilhaft auf die Eigenschaften des Rotors wirken kann.
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Insbesondere wurde erkannt, dass beim Betrieb einer elektrischen Maschine im Feldschwächebereich, d.h. bei hohen Drehzahlen, die Eisenverluste im Stator der elektrischen Maschine die gesamten Maschinenverluste dominieren. Diese Eisenverluste werden insbesondere durch hochfrequente Änderungen der magnetischen Flussdichten in den den Stator bildenden Blechen hervorgerufen. Eine Verlustleistung ist hierbei näherungsweise proportional zum Quadrat der Frequenz. Eine spektrale Zusammensetzung der Flussdichte in den Statorblechen wird maßgeblich durch die aus Sicht des Stators wechselnde magnetische Leitfähigkeit des drehenden Rotors beeinflusst. Leichte Änderungen in der Geometrie der den Rotor bildenden Bleche können somit erhebliche Auswirkungen bezüglich der Verluste im Stator bewirken.
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Durch die an Außenwänden von Aufnahmeräumen vorgesehenen Ausnehmungen oder, mit anderen Worten, durch die zusätzlichen Aussparungen an einer Oberkante einer Magnettasche in dem Rotor, wie sie hierin vorgeschlagen werden, kann ein kleiner beispielsweise als Luftraum ausgebildeter nicht magnetisierbarer Raum zwischen den aufgenommenen Permanentmagneten und angrenzenden Bereichen der Rotorbleche erzeugt werden. Hierdurch kann das Luftspaltfeld der elektrischen Maschine verändert werden, so dass die Eisenverluste in den Statorzähnen reduziert werden. Die Aussparungen an den Magnettaschen können hierbei Flussdichteschwankungen im Stator reduzieren bei nur geringen Auswirkungen auf das mittlere Drehmoment und die Leistung der elektrischen Maschine. An den richtigen Stellen eingesetzt, führen solche Aussparungen zu einer Reduktion der Eisenverluste im Feldschwächbereich, was eine Wirkungsgradsteigerung von bis zu 3% für die elektrische Maschine zur Folge haben kann.
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In den Aufnahmeräumen kann die wenigstens eine darin vorzusehende Ausnehmung vorzugsweise näher zu einem Rand des zugehörigen Sektors als zu dessen Mittellinie angeordnet sein. Es wurde festgestellt, dass ein durch eine solche Ausnehmung ausgebildeter nicht magnetisierbarer Raum besonders vorteilhaft auf die Eisenverluste in der elektrischen Maschine wirkt, wenn er in der Nähe des seitlichen Randes eines der Sektoren des Rotors angeordnet ist, insbesondere dort, wo der in dem Aufnahmenraum angeordnete Permanentmagnet dem Außenumfang des Rotors besonders nahe kommt.
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Während in jedem der Sektoren des Rotors ein oder mehrere Aufnahmeräume ausgebildet sein sollen, kann es vorteilhaft sein, in jedem Sektor eine geradzahlige Anzahl, das heißt, beispielsweise zwei, vier, sechs, usw., Ausnehmungen auszubilden. Für den Fall, dass in einem Sektor lediglich ein einziger Aufnahmeraum ausgebildet ist, können an diesem Aufnahmeraum zwei oder mehr Ausnehmungen ausgebildet sein, wobei jeweils eine oder mehr Ausnehmungen an einem seitlichen Rand des Aufnahmeraums ausgebildet sein kann. Wenn in einem Sektor mehr als ein Aufnahmeraum ausgebildet ist, können beispielsweise an jedem der in dem Sektor ausgebildeten Aufnahmeräume zugehörige Ausnehmungen ausgebildet sein.
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Insbesondere wurde es als vorteilhaft herausgefunden, wenn die mehreren in einem Sektor ausgebildeten Ausnehmungen symmetrisch zu einer Mittelachse des Sektors angeordnet sind.
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Um nachfolgend als besonders vorteilhaft erkannte Geometrien und Ausbildungen der in den Aufnahmeräumen vorzusehenden Ausnehmungen beschreiben zu können, werden die folgenden Größen beziehungsweise Winkel definiert: der Rotor ist im Querschnitt in eine Mehrzahl von Sektoren unterteilt. Jeder Sektor erstreckt sich hierbei über einen Winkelbereich von 2·α4. Mit anderen Worten beträgt der Winkel zwischen der Mittellinie eines Sektors und seiner äußeren Begrenzungslinie einen Wert von α4. Eine Linie zwischen einer in Umfangsrichtung außen liegenden Kante der in einem Aufnahmeraum vorgesehenen Ausnehmung und dem Mittelpunkt des Rotors ist in einem Winkel von α3 zu der Mittellinie des Sektors angeordnet. Eine Linie zwischen einer in Umfangsrichtung innen liegenden Kante der Ausnehmung und dem Mittelpunkt des Rotors ist in einem Winkel von α1 zu der Mittellinie des Sektors angeordnet. Eine Linie zwischen dem Mittelpunkt der Ausnehmung und dem Mittelpunkt des Rotors ist in einem Winkel von α2 zu der Mittellinie des Rotors angeordnet.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist der Rotor eine Geometrie auf, so dass ein Verhältnis von α2 zu α4, das heißt ein Quotient α2/α4, im Bereich von 0,3 bis 0,9 liegt.
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Ferner kann die Geometrie des Rotors vorteilhafterweise derart gewählt sein, dass ein Verhältnis der Differenz von α3 und α1 zu α4, das heißt, ein Quotient von (α3 – α1)/α4, im Bereich von 0,05 bis 0,5 liegt.
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Ferner wurde erkannt, dass eine vorteilhafte Wirkung dann erzielt werden kann, wenn eine minimale Steghöhe zwischen der in dem Aufnahmeraum vorgesehenen Ausnehmung und einem Außenumfang des Rotors im Bereich von 0,4 bis 2,5mm liegt.
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Es wird darauf hingewiesen, dass mögliche Vorteile und Merkmale von Ausführungsformen der Erfindung hierin teilweise mit Bezug auf einen erfindungsgemäßen Rotor und teilweise mit Bezug auf eine erfindungsgemäße elektrische Maschine beschrieben sind. Ein Fachmann erkennt, dass die beschriebenen Merkmale in geeigneter Weise miteinander kombiniert oder ausgetauscht werden können, um auf diese Weise zu weiteren Ausführungsformen und gegebenenfalls Synergieeffekten gelangen zu können.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei weder die Beschreibung noch die Zeichnungen als die Erfindung einschränkend auszulegen sind.
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1 zeigt Komponenten eines Rotors einer elektrischen Maschine in perspektivischer Darstellung.
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2 zeigt einen Sektor eines erfindungsgemäßen Rotors sowie einen angrenzenden Bereich eines Stators einer elektrischen Maschine im Querschnitt.
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3 zeigt eine Hälfte eines Sektors eines erfindungsgemäßen Rotors zur Verdeutlichung von definierten Winkelbereichen.
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Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt einen Rotor 1 einer permanenterregten elektrischen Synchronmaschine. Der Rotor 1 setzt sich aus einer Mehrzahl von Lamellenpaketen 9 zusammen. Jedes Lamellenpaket 9 besteht aus einer Vielzahl von Blechen 3, die in axialer Richtung z der Rotors hintereinander angeordnet sind. Aus den Blechen 3 sind Teilbereiche 4, 5 herausgestanzt. Beispielsweise sind im Zentrum der Bleche 3 Öffnungen 4 ausgestanzt, durch die hindurch eine Welle der elektrischen Maschine angeordnet werden kann. In Randbereichen der Bleche 3 sind annähernd rechteckige Bereiche 5 ausgestanzt, die zur Bildung von Aufnahmeräumen 6 zur Aufnahme von ebenfalls rechteckigen Permanentmagneten 7 dienen. Die Permanentmagnete 7 weisen eine im Querschnitt längliche Form auf mit einer nach außen gerichteten längsseitigen Oberfläche 10, einer nach innen gerichteten längsseitigen Oberfläche 11 und einer schmalen Stirnfläche 13. Mit ihrer nach außen gerichteten längsseitigen Oberfläche 10 liegen die Magnete 7 an einer Außenwand 12 des Aufnahmeraums 6 vollflächig an. An der gegenüber liegenden längsseitigen Oberfläche 11 kann in einer weiteren Ausnehmung 8 in dem Lamellenpaket 9 eine geeignete Befestigungsvorrichtung (nicht dargestellt) vorgesehen sein, um die Magnete 7 radial nach außen und damit mit ihrer nach außen gerichteten längsseitigen Oberfläche 10 gegen die Außenwand 12 vorzuspannen.
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Wie durch die gestrichelten Linien 14 in 1 dargestellt, kann man sich den Rotor 1 im Querschnitt als in eine Mehrzahl von Kreissektoren 15 unterteilt vorstellen. Die Linie 14 entspricht hierbei der magnetischen q-Achse. Die Sektoren 15 sind dabei nicht durch physikalische Merkmale voneinander getrennt, sondern stellen vielmehr kreissektorförmige Teileinheiten dar, aus denen der gesamte Rotor 1 zusammengesetzt gedacht werden kann, wobei die Sektoren 15 entlang des Umfangs des Rotors in y-Richtung versetzt angeordnet sind. Alle Sektoren weisen hierbei eine gleiche Geometrie auf. Ferner sind die Sektoren 15 jeweils symmetrisch zu einer Mittellinie 16 (in 1 lediglich einmal dargestellt) ausgebildet. Der bzw. die Permanentmagnete 7 sind in einem Sektor 15 dabei derart angeordnet, dass die sogenannte magnetische d-Achse mit der Mittellinie 16 zusammenfällt.
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In 2 ist ein Teilbereich einer der Sektoren 15 eines Rotors 1 sowie ein angrenzender Bereich eines Stators 2 im Querschnitt dargestellt. Der Stator 2 weist entlang seines Umfangs mehrere Elektromagneten 17 mit dazwischen liegenden Statorzähnen auf. Zwischen einem Innenumfang des Stators 2 und einem Außenumfang 27 des Rotors 1 ist ein schmaler Luftspalt 18 ausgebildet. In dem Sektor 15 des Rotors 1 sind im dargestellten Ausführungsbeispiel zwei nebeneinander ausgebildete Aufnahmeräume 6 ausgebildet, die aus Stabilitätsgründen durch eine dünne Wand 19 voneinander getrennt sind. Die beiden Aufnahmeräume sind im Querschnitt im Wesentlichen rechteckig, so dass ebenfalls rechteckige und im Querschnitt längliche Permanentmagnete 7 darin aufgenommen werden können.
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Die nach außen gerichteten längsseitigen Oberflächen 10 der Permanentmagnete 7 liegen dabei über große Bereiche hin direkt an einer Außenwand 12 des zugehörigen Aufnahmeraums 6 an. Ein in einem Aufnahmeraum 6 aufgenommener Permanentmagnet 7 ist dabei hinsichtlich seiner Geometrie und Magnetisierung derart ausgebildet, dass ein magnetisches Feld so erzeugt wird, dass magnetische Feldlinien von der nach außen gerichteten längsseitigen Oberfläche 10 hin zum Außenumfang 27 des Rotors und von dort hin zu dem Stator 2 verlaufen, wobei jedoch im Wesentlichen keine Feldlinien von der Stirnfläche 13 des Permanentmagneten 7 ausgehen und durch den angrenzenden Freiraum 28 verlaufen.
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In einem Randbereich 21 des Aufnahmeraums 6 ist jedoch an der Außenwand 12 eines der Aufnahmeräume 6 jeweils eine Ausnehmung 20 ausgebildet. In diesem Bereich 21 ist die Form des Magneten 7 nicht mehr komplementär zu der Form des Aufnahmeraums 6, so dass sich an der Ausnehmung 20 ein kleiner nicht magnetisierbarer Raum 29 bildet. Quer von der nach außen gerichteten längsseitigen Oberfläche 10 abgehende Feldlinien kreuzen dabei den derart erzeugten nicht magnetisierbaren Raum 29.
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Der durch die Ausnehmung 20 gebildete nicht magnetisierbare Raum 29 kann die beim Rotieren des Rotors 1 während des Betriebs der Elektromaschine im Stator 2 auftretenden Eisenverluste signifikant verringern und hierdurch zu einem gesteigerten Wirkungsgrad der Elektromaschine beitragen, ohne dass jedoch
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das mittlere Drehmoment und die Leistung der elektrischen Maschine erheblich verschlechtert würden.
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Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die beiden Permanentmagnete 7 und insbesondere die in den zugehörigen Aufnahmenräumen 6 vorgesehenen Ausnehmungen 20 symmetrisch zu der Mittellinie 16 des Sektors 15 angeordnet. In 3 sind zur Verdeutlichung einer bevorzugten geometrischen Ausgestaltung und Anordnung des Aufnahmeraums 6 und der Ausnehmung 20 innerhalb eines hälftig dargestellten Sektors 15 des Rotors mehrere Winkel dargestellt. Der Winkel zwischen der Mittellinie 16 und einer seitlichen Begrenzungslinie 22 des Sektors 15, welche der gestrichelten Linien 14 in 1 entspricht, wird als α4 bezeichnet. Der Winkel zwischen der Mittellinie 16 und einer Linie 21, die eine in Umfangsrichtung y innen liegende Kante der Ausnehmung 20 mit dem Mittelpunkt 23 des Rotors verbindet, wird als α1 bezeichnet. Der Winkel zwischen der Mittellinie 16 und einer Linie 25, die eine in Umfangsrichtung außen liegende Kante der Ausnehmung 20 mit dem Mittelpunkt 23 des Rotors verbindet, wird als α3 bezeichnet. Der Winkel zwischen der Mittellinie 16 und einer Linie 24, die den Mittelpunkt 26 der Ausnehmung 20 und den Mittelpunkt des Rotors 23 verbindet, wird als α2 bezeichnet. Ein minimaler Abstand zwischen einem Rand der Ausnehmung 20 und dem Außenumfang 27 des Rotors wird als Steghöhe h bezeichnet.
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Besonders vorteilhafte Wirkungen durch das Vorsehen von Ausnehmungen 20 in den Aufnahmeräumen 6 wurden beobachtet, wenn der Mittelpunkt der Ausnehmung derart positioniert wurde, dass α2/α4 im Bereich von 0,3 bis 0,9 liegt. Eine maximale Breite der Ausnehmung 20 sollte dabei möglichst so gewählt sein, dass (α3 – α1)/α4 im Bereich von 0,05 bis 0,5 liegt. Die minimale Steghöhe h sollte dabei vorzugsweise im Bereich von 0,4 bis 2,5mm liegen.
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Abschließend wird darauf hingewiesen, dass die Ausnehmungen 20 im Querschnitt in verschiedensten Formen wie zum Beispiel rechteckig, kreisförmig, ellipsenförmig, in Form von Langlöchern oder in ähnlicher Weise ausgebildet sein können. Das erfindungsgemäße Vorsehen von Ausnehmungen 20 in den Aufnahmenräumen 6 kann für elektrische Maschinen mit verschiedenen Lochzahlen q von beispielsweise q = 0,5, q = 1, q = 1,5, q = 2 oder q = 3 im Stator vorteilhaft sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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