DE102014017304A1

DE102014017304A1 - Rotor für elektrische Maschinen und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102014017304A1
Application number: DE102014017304.6A
Authority: DE
Inventors: Matthias Gregor; Dirk Lieske; Christina Schöll
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2014-11-21
Filing date: 2014-11-21
Publication date: 2016-05-25

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Rotor einer elektrischen Maschine, umfassend mehrere in axiale Richtung nebeneinander angeordnete Segmente (1.1 bis 1.7), wobei jedes der Segmente (1.1 bis 1.7) mehrere magnetische Pole aufweist, die koaxial zu einer Rotationsachse (X) der elektrischen Maschine und in Umfangsrichtung des Segments (1.1 bis 1.7) gleichverteilt angeordnet sind. Eine relative Winkellage der magnetischen Pole in Umfangsrichtung eines Segments (1.1 bis 1.7) weisen zur relativen Winkellage der magnetischen Pole eines anderen Segments (1.1 bis 1.7) einem Winkelversatz ungleich null auf, was im Allgemeinen auch als Schrägung der Pole eines Rotors bezeichnet werden kann. Erfindungsgemäß ist eine Segmentreihenfolge der Segmente (1.1 bis 1.7) in dem Rotor (1) und dadurch ein relativer Winkelversatz zwischen den magnetischen Polen zweier unmittelbar benachbarter Segmente (1.1 bis 1.7) in Abhängigkeit einer Zuordnungsreihenfolge der magnetischen Pole der Segmente (1.1 bis 1.7) aus einem Polarkoordinatensystem (P), unter Berücksichtigung eines maximalen Polarwinkelunterschieds der magnetischen Pole zweier unmittelbar benachbart anzuordnenden Segmente (1.1 bis 1.7) in dem Polarkoordinatensystem (P), ausgebildet. Die Erfindung betrifft weiterhin eine elektrische Maschine umfassend zumindest einen solchen Rotor (1).

Description

Die Erfindung betrifft einen Rotor für elektrische Maschinen, umfassend mehrere axial nebeneinander angeordnete Segmente, wobei magnetische Pole der Segmente koaxial zu einer Rotationsachse der elektrischen Maschine und in Umfangsrichtung gleichverteilt angeordnet sind.
Ferner betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine, umfassend ein solches Rotor.
Aus dem Stand der Technik sind allgemein so genannte Schrägungen bei Rotoren und Statoren elektrischer Maschinen bekannt. Diese Schrägung verläuft entlang einer Rotationachse der elektrischen Maschine, um eine Rasterung zwischen Polen des Stators und des Rotors zu verhindern und verbesserte Schwingungseigenschaften der elektrischen Maschine zu ermöglichen. Unter einer Schrägung wird dabei ein ”schräger” Verlauf der Pole unterschiedlicher Segmente der Rotoren und Statoren verstanden, wobei Pole gleicher Polarität jedoch unterschiedlicher Segmente über eine axiale Länge des Rotors oder Stators in unterschiedlichen Winkellagen, das heißt an unterschiedlichen Positionen des Umfangs, angeordnet sind.
Hierbei sind so genannte lineare Schrägungen bekannt, bei welchen die Schrägung der Pole gleicher Polarität von einem ersten Segment zu einem letzten Segment linear verläuft. Hierbei ist ein Winkelversatz der Pole zueinander bei allen unmittelbar benachbarten Segmenten gleich groß ausgeführt, wodurch eine lineare Schrägung der Pole über die axiale Länge des Rotors entsteht. Weiterhin sind auch nichtlineare Schrägungen bekannt, bei denen ein Verlauf der Pole über die axiale Länge des Rotors besonders bestimmbar und einstellbar ist.
Eine solche nichtlineare Schrägung zeigt die EP 1 684 400 B1 , welche eine rotierende elektrische Maschine mit einem Rotor und einem Stator mit mehreren Schlitzen beschreibt, wobei der Rotor axial in vier Rotorstücke unterteilt ist. Die vier Rotorstücke weisen jeweils Referenzlängen von 0,29 L, 0,71 L, 0,71 L und 0,29 L auf, wobei 2 L eine axiale Länge des Rotorkerns ist. Eine axiale Länge der Rotorstücke ist mit 0,29 L auf einen Wert gesetzt, der die Referenzlänge 0,29 L mit einer Toleranz von –4% bis +16% der axialen Länge 2 L des Rotorkerns ist, während eine Länge der Rotorstücke mit 0,71 L auf einen Wert gesetzt ist, der die Referenzlänge 0,71 L mit einer Toleranz von +4% bis –16% der axialen Länge 2 L des Rotorkerns ist. Dabei bilden zwei erste Rotorstücke zusammen einen Teil mit einer Länge L in axialer Richtung und weisen wirksame Magnetpolöffnungswinkel in den Rotorstücken auf, die Schrägstellungen definieren, die unter den zwei ersten Rotorstücken kontinuierlich sind, wobei Phasenunterschiede elektrischer Winkel zwischen entgegengesetzten Enden der zwei Rotorstücke zueinander gleich sind und wobei die Schrägstellungen zwischen den zwei ersten Rotorstücken kontinuierlich sind. Zwei zweite Rotorstücke bilden zusammen einen Teil der verbleibenden axialen Länge in axialer Richtung und sind symmetrisch bezüglich der Mitte der axialen Länge 2 L des Rotorkerns zu den zwei Rotorstücken, die den Teil mit der axialen Länge L bilden. Die zwei zweiten Rotorstücke sind in Umfangsrichtung des Rotorkerns um eine Phasendifferenz dagegen verschoben, die der Phasendifferenz zwischen den elektrischen Winkeln an den entgegengesetzten Enden der Rotorstücke entspricht, so dass die Schrägstellungen in der Mitte der axialen Länge 2 L des Rotorkerns nicht kontinuierlich sind. Dabei sind die Magnetpole innerhalb der Rohrstücke derart angeordnet, dass diese in einer Schrägstellung innerhalb der Rohrstücke verlaufen. Somit ergibt sich bei zwei unmittelbar benachbart angeordneten Rohrstücken eines Paares über einen Verlauf der montierten Rohrstücke eine kontinuierliche Schrägung der Magnetpole.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein gegenüber dem Stand der Technik verbesserter Rotor für elektrische Maschinen und eine elektrische Maschine anzugeben.
Hinsichtlich des Rotors wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale und hinsichtlich der elektrischen Maschine durch die im Anspruch 10 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein Rotor für elektrische Maschinen umfasst mehrere in axialer Richtung nebeneinander angeordnete Segmente, wobei jedes der Segmente mehrere magnetische Pole aufweist, die koaxial zu einer Rotationsachse der elektrischen Maschine und in Umfangsrichtung gleichverteilt angeordnet sind. Hierbei hängt sowohl die Anzahl der Pole, als auch durch die Gleichverteilung der Pole über den Umfang hinweg deren Winkellage von einer Auslegung des Rotors und der elektrischen Maschine ab.
Jedes Segment des Rotors weist eine gleiche Anzahl an Polen auf, so dass auch die relative Winkellagen der Pole eines Segments zueinander durch die Gleichverteilung der Pole über den Umfang des Segments, bei allen Segmenten gleich sind.
Die Segmente sind nun im Rotor so angeordnet, dass die relative Winkellage der magnetischen Pole in Umfangsrichtung eines Segments (1.1 bis 1.7) zur relativen Winkellage der magnetischen Pole eines anderen Segments (1.1 bis 1.7) einem Winkelversatz ungleich null aufweisen. Hierdurch ist an einer Winkellage immer nur maximal ein Pol eines Segments angeordnet und die anderen Pole der anderen Segmente weisen zu dieser Winkellage einen Winkelversatz ungleich null auf. Die Pole des Rotors sind somit geschrägt, um die Eigenschaften der elektrischen Maschine zu verbessern.
Aus der Gleichverteilung der Pole über den Umfang der Segmente und deren gleichwirkende elektromagnetische Eigenschaften kann im Folgenden ein Pol als Referenz für die Schrägung genommen werden, wobei Entsprechendes ebenfalls für die anderen Pole der elektrischen Maschine gilt. Die anderen Pole eines Segments weisen den gleichen Winkelversatz zu den Polen der anderen Segmente auf, wie der Referenzpol.
Der Rotor kann dabei als sogenannter Innenläufer, der in radiale Richtung innerhalb eines Stators angeordnet ist, oder auch als Außenläufer, der in radiale Richtung außerhalb des Stators angeordnet ist, ausgebildet sein ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Ebenfalls sind von der Erfindung Rotoren umfasst, die mit oder ohne separaten Rotorträger ausgestaltet sind. Weiterhin kann auch im Rahmen der Erfindung ein Gesamtrotor aus mehreren Teilrotoren aufgebaut sein, wobei zumindest einer der Teilrotoren als ein Rotor entsprechend der erfinderischen Idee ausgeführt ist.
Erfindungsgemäß ist eine Segmentreihenfolge der Segmente in dem Rotor und dadurch ein relativer Winkelversatz zwischen den magnetischen Polen zweier unmittelbar benachbarter Segmente in Abhängigkeit einer Zuordnungsreihenfolge der magnetischen Pole der Segmente aus einem Polarkoordinatensystem bestimmt. Die Zuordnungsreihenfolge und damit die Segmentreihenfolge der Segmente ist unter Berücksichtigung eines maximalen Polarwinkelunterschieds der magnetischen Pole zweier unmittelbar benachbart anzuordnenden Segmente in dem Polarkoordinatensystem ausgebildet. Hierbei ist aber jedes Segment in der Segmentreihenfolge nur ein einziges Mal vorzusehen, so dass auch die entsprechende Winkellage der Pole der Segmente nur ein einziges Mal im Rotor vorhanden ist und sich so durch eine geänderte Segmentreihenfolge keine Beeinträchtigung der eigentlichen Schrägung an sich ergibt.
Im Polarwinkelbereich von 0° bis 360° kann so ein Polarwinkelunterschied maximal bis 180° vorhanden sein und so ist ein maximaler Betrag eines Polarwinkelunterschieds immer kleiner gleich als 180°. Beim Polarwinkelunterschied ist nicht eine Winkelrichtung beziehungsweise positive oder negative Winkelunterschiede von Bedeutung, sondern immer nur der Betrag des Polarwinkelunterschieds, welcher zwischen 0° und einschließlich 180° liegen kann.
In dem Polarkoordinatensystem sind Kräfte, insbesondere Radialkräfte oder Tangentialkräfte, der magnetischen Pole der Segmente bei einer Segmentreihenfolge einer linearen Schrägung eines Rotors entsprechend ihres dazugehörigen Polarwinkels enthalten. Entsprechend einer linearen Schrägung des Rotors ist zwischen jeweils zwei unmittelbar benachbarten Segmenten immer der gleiche relative Winkelversatz zwischen den Polen ausgebildet. Das Polardiagramm zeigt nun die Radialkräfte oder Tangentialkräfte an dem Polen der Segmente einer linearen Schrägung für eine bestimmte ausgewählten Ordnung n.
Erfindungsgemäß ist die Segmentreihenfolge der Segmente in dem Rotor und somit eine Größe des relativen Winkelversatzes zwischen zwei unmittelbar benachbarten Segmenten in dem Rotor aus einem Polarkoordinatensystem der Kräfte der magnetischen Pole der Segmente einer linearer Schrägung bestimmt ist, bei der die Darstellung aller Polarkoordinaten der Pole in dem Polarkoordinatensystem bei der linearen Schrägung gleichverteilt 360° umfasst.
Hierbei ist angenommen, dass die lineare Schrägung der Pole eines Rotors so gewählt ist, dass der Winkelversatz der Segmente und damit der Pole der Segmente in der Polardarstellung der Ordnung n, die reduziert werden soll, gleichverteilt über 360° sind. In bekannter Weise bewirkt ein solcher Winkelversatz der linearen Schrägung der Pole bei Rotoren eben eine Verbesserung der Eigenschaften des Rotors in der ausgewählten Ordnung n. In anderen Ordnungen (ungleich n) kann dabei die Verbesserung nur geringer sein oder gar teilweise ungünstig sein, wobei hier eine Optimierung der Ordnung n höherrangig wünschenswert ist. Bei elektrischen Maschinen entstehen Kräfte und Anregungen in verschiedenen Ordnungen, wobei ungünstige Anregungen in bestimmten Ordnungen hauptsächlich für merkliche Schwingungen und Vibrationen verantwortlich sind. So ist bekannt, je nach Auslegung der elektrischen Maschine eine lineare Schrägung der Pole im Rotor vorzusehen, welche zur Verbesserung der Eigenschaften bezüglich einer bestimmten Ordnung, beispielsweise der 60.Ordnung, beiträgt. Im Polarkoordinatensystem der Kräfte der ausgewählten Ordnung sind dann die einzelnen Segmente über den kompletten Winkelbereich von 360° durch die lineare Schrägung gleichverteilt dargestellt.
Die Wahl der zu verbessernden Ordnung und damit die Bestimmung eines absoluten Schrägungswinkels einer linearen Schrägung an sich, ist bekannter Stand der Technik und für die erfindungsgemäße Idee unerheblich. Wesentlich ist jedoch die Segmentreihenfolge der Segmente im Rotor anhand der Zuordnungsreihenfolge aus dem Polarkoordinatensystem einer Schrägung zur Optimierung der Ordnung n mit vollständiger Deckung der 360° unter Berücksichtigung eines maximalen Polarwinkelunterschieds zwischen den Segmenten im Polarkoordinatensystem.
Diese hinsichtlich ihrer magnetischen Wirkung optimierte Anordnung und Ausrichtung der Segmente und Pole zueinander führt in besonders vorteilhafter Weise dazu, dass sich magnetische Anregungskräfte der Paare unmittelbar benachbarter Segmente zumindest weitgehend aufheben, so dass ein optimiertes Geräusch- und Schwingungsverhalten der elektrischen Maschine, bei einem Fahrzeug ein so genanntes NVH-Verhalten (NVH = Noise Vibration Harshness), erzielt ist. Dadurch werden insbesondere hochfrequente Geräuschentwicklungen minimiert, welche zumeist als Störgeräusche empfunden werden. Hierbei wird für jedes Paar zumindest nahezu eine Aufhebung der Anregungskräfte erzielt, wobei eine Phasenlage der Kräfte je Segment derart verändert ist, dass sich eine vektorielle Summe der Kräfte benachbarter Segmente zumindest nahezu aufhebt. Die Segment-Kräfte innerhalb des Segments bleiben jedoch hoch. Bei aus dem Stand der Technik bekannten Rotoren mit einer so genannten linearen oder V-förmigen Schrägung der Pole kommt es hingegen erst nach mehreren Segmenten zu einer teilweisen Aufhebung der Anregungskräfte, so dass störende Schwingungen und Geräusch entstehen können.
Enthält ein Rotor eine geradzahlige Anzahl 2N an Segmenten, sind in dem Polarkoordinatensystem der zur verbessernden Ordnung Segmentpaare ([1, N + 1); [2, N + 2]; ..., [N, 2N]) vorhanden, deren Polarkoordinaten bei einer linearen Schrägung sich im Polarkoordinatensystem um 180° unterscheiden. Diese Segmentpaare sind dann in der erfindungsgemäßen Segmentreihenfolge der Segmente unmittelbare Nachbarn. Bei den Segmentpaaren heben sich entsprechend des Polarwinkelunterschieds von 180° die Kräfte der zur verbessernden Ordnung direkt auf, so dass es hierdurch zu weniger oder keinen unerwünschten Anregungen und Schwingungen kommen kann. In einem Segment heben sich die unerwünschten Kräfte zur Seite des Segmentpaarpartners hin durch den Polarwinkelunterschied von 180° vollständig oder zumindest fast vollständig auf, wobei zur gegenüberliegenden Seite nur ein Segment mit einem Polarwinkelunterschied von kleiner als 180° angeordnet werden kann. Hierbei heben sich die unerwünschten Kräfte zwar auch teilweise auf, was zur Minderung von Schwingungen und Vibrationen führt, diese aber nicht vollständig verhindern kann.
Unter Berücksichtigung des maximalen Polarwinkelunterschieds ist in der Segmentreihenfolge ausgehend von einem ersten Segment bei einer geradzahligen Anzahl an Segmenten immer das zweite Segment des Segmentpaares das nachfolgende Segment in der Segmentreihenfolge. Hierbei kann von jedem Segment der linearen Schrägung ausgehend begonnen werden, die Segmentreihenfolge zu bestimmen. Zur besseren Verdeutlichung der Segmentreihenfolge ist im Folgenden vom Segment 1 ausgehend begonnen, ohne jedoch die erfinderische Idee auf diese explizite Reihenfolge festzulegen. Vielmehr sind alle Permutationen der Reihenfolgen, insbesondere Permutationen des Startsegments, nach vorgestellten Regeln Teil des Schutzumfangs.
So folgt als Beispiel auf das Segment 1 das Segment N + 1 mit einem Polarwinkelunterschied von 180°. Fortführend vom Segment N + 1 ist nun wieder ein noch nicht verwendetes Segment nach dem maximalen Polarwinkelunterschied zu bestimmen. Ein Polarwinkelunterschied von 180° ist nun nicht mehr möglich, da das entsprechende Segment bereit in der Segmentreihenfolge angeordnet ist. Bei einer geradzahligen Anzahl an Segmenten haben sowohl das Segment 2, als auch das Segment 2N, den gleichen und maximalen Polarwinkelunterschied zum Segment N + 1. So kann beispielsweise als nächstes Segment in der Segmentreihenfolge das Segment 2 angeordnet sein, was bis jetzt die Segmentreihenfolge 1, N + 1, 2 ergibt. Zum Segment 2 ist wieder ein Segment mit dem maximalen Polarwinkelunterschied 180° vorhanden, so dass das Segment N + 2 als Segmentpartner nun in der Segmentreihenfolge angeordnet ist. Für das Segment N + 2 ist nun aber nur noch ein einziges nicht verwendetes Segment mit maximalem Polarwinkelunterschied verfügbar, das Segment 3. Das Segment 1 hätte zwar den gleichen maximalen Polarwinkelunterschied zu N + 2 wie das Segment 3, aber das Segment 1 ist bereits in der Segmentreihenfolge angeordnet und kann somit nicht mehr zugeordnet werden. Weiterfolgend ist nun die Segmentreihenfolge eindeutig, so dass es bei einer geradzahligen Anzahl 2N von Segmenten, zwei Folgen von Anordnungen gibt, die den Regeln des maximalen Polarwinkelunterschieds folgend die erfinderische Idee umsetzen.
Ohne Beschränkung der Allgemeinheit auf ein Startsegment ist ausgehend vom Segment 1 die Segmentreihenfolge bei geradzahliger Anzahl 2N der Segmente entweder
1, N + 1, 2, N + 2, 3, N + 3, ..., N – 1, 2N – 1, N, 2N
oder
1, N + 1, 2N, N, 2N – 1, N – 1, 2N – 2, N – 2, ..., N + 3, 3, N + 2, 2.
Bei der ersten Segmentreihenfolge umläuft die Zuordnungsreihenfolge der Segmentpaare das Polarkoordinatensystem paarweise im Uhrzeigersinn und bei der zweiten Segmentreihenfolge umläuft die Zuordnungsreihenfolge der Segmentpaare das Polarkoordinatensystem paarweise im Gegenuhrzeigersinn.
Enthält ein Rotor eine ungeradzahlige Anzahl 2N + 1 an Segmenten, sind keine Segmentpaare mit einem Polarwinkelunterschied von 180° vorhanden. In der Segmentreihenfolge weisen alle unmittelbar benachbart angeordneten Segmente den gleichen Polarwinkelunterschied auf, wobei sich hierdurch die unerwünschten Kräfte vektoriell zwar nicht vollständig, aber dennoch wesentlich aufheben und so zu einer Reduktion von Schwingungen und Vibrationen führen. Hierbei heben sich die Kräfte zu beiden Seiten des Segments in gleicher Weise und Größe auf, da beide unmittelbar benachbarten Segmente den gleichen Polarwinkelunterschied aufweisen.
Hierbei kann wieder ohne Beschränkung der Allgemeinheit beim Segment 1 begonnen werden, wobei alle anderen Permutationen der Segmentreihenfolge ausgehend von einem anderen Segment als Startsegment ebenfalls mit umfasst sind.
Beginnt die Segmentreihenfolge somit beispielsweise bei Segment 1 weisen das Segment N + 2 und das Segment N + 1 den gleichen maximalen Polarwinkelunterschied auf und eines kann daraus als gleichwertig ausgewählt werden. Fortführend aus der Segmentreihenfolge 1, N + 2 weisen zwar wieder zwei Segmente einen maximalen Polarwinkelunterschied zum Segment N + 2 auf, das Segment 2 und das Segment 1, aber nur ein Segment ist noch unverwendet, so dass unter Berücksichtigung des maximalen Polarwinkelunterschied das Segment 2 in der Segmentreihenfolge als nächstes anzuordnen ist. Weiterfolgend ist nun die Segmentreihenfolge eindeutig, so dass es auch bei einer ungeradzahligen Anzahl 2N + 1 von Segmenten, zwei Folgen von Anordnungen gibt, die den Regeln des maximalen Polarwinkelunterschieds folgend die erfinderische Idee umsetzen.
Ohne Beschränkung der Allgemeinheit auf ein Startsegment ist ausgehend vom Segment 1 die Segmentreihenfolge bei ungeradzahliger Anzahl 2N + 1 der Segmente entweder
1, N + 2, 2, N + 3, 3, ..., 2N, N, 2N + 1, N + 1
oder
1, N + 1, 2N + 1, N, 2N, N – 1, 2N – 1, ..., 3, N + 3, 2, N + 2.
Bei der ersten Segmentreihenfolge umläuft die Zuordnungsreihenfolge der Segmente das Polarkoordinatensystem im Uhrzeigersinn und bei der zweiten Segmentreihenfolge umläuft die Zuordnungsreihenfolge der Segmente das Polarkoordinatensystem im Gegenuhrzeigersinn.
Durch die Segmentreihenfolge nach einem maximalen Polarwinkelunterschied befinden sich immer zwei Segmente unmittelbar benachbart angeordnet, deren Radialkräfte und Tangentialkräfte sich zumindest bestmöglich vektoriell aufheben. Im bestmöglichen Fall einen Polarwinkelunterschied von 180° können sich die Kräfte zwischen diesen beiden Segmenten vollständig aufheben, was zumindest lokal zu Verbesserungen der Schwingungs- und Vibrationseigenschaften des Rotors im Betrieb führt.
Vorteilhaft stimmt eine magnetische Wirkung eines Rotors mit vorgeschlagener Segmentreihenfolge nach außen hin mit einer Wirkung eines Rotors mit linearer Schrägung der Pole übereinstimmt.
Gemäß einer Weiterbildung des Rotors sind die Pole innerhalb eines Segments parallel zu einer axialen Richtung des Rotors ausgerichtet. Somit wird eine diskrete Schrägung der Pole erzeugt. Gleichzeitig ist gegenüber mit einer Schrägung innerhalb eines Segments angeordneten Polen eine Herstellung der Segmente vereinfacht und es sind größere Fertigungstoleranzen zulässig.
Die elektrische Maschine umfasst zumindest einen erfindungsgemäßen Rotor oder Ausgestaltungen desselben und zeichnet sich deshalb durch ein optimiertes Schwingungs- und Geräuschverhalten aus und eignet sich aufgrund des verbesserten NVH-Verhaltens besonders auch für Fahrzeuganwendungen.
Gemäß einer möglichen Weiterbildung der elektrischen Maschine kann eine solche erfindungsgemäße Schrägung eines Rotors auch an einem anderen Rotor einer elektrischen Maschine wie zum Beispiel einem Stator ausgebildet sein. Vorteilhafterweise ist die vorgeschlagene Schrägung mit der Segmentreihenfolge aber an Rotoren auszugestalten, die Segmente umfassen, deren Winkellage und Reihenfolge bestimmbar ist. Dies dürfte bei Statoren mit Wicklungen nur selten der Fall sein, so dass sich die erfinderische Idee besonders vorteilhaft bei Rotoren eignet, ohne dennoch die vorteilhafte Idee alleine darauf zu beschränken. Ein Übertrag der Idee auf geschrägte Statoren ist möglich und bedarf nur einer Anpassung von Produktions- und Herstellungsverfahren. Entsprechend sind auch eine Schrägung von Rotor und eine Schrägung vom Stator zusammen möglich.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 schematisch eine perspektivische Ansicht eines vorbekannten Ausführungsbeispiels nach dem Stand der Technik eines mehrere Segmente umfassenden Rotors für eine elektrische Maschine,
2 schematisch ein Polarkoordinatensystem der radialen mehrerer Segmente des Rotors gemäß 1 für eine Ordnung n,
3 schematisch eine perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines mehrere Segmente (Anzahl 2N) umfassenden erfindungsgemäßen Rotors für eine elektrische Maschine,
4 schematisch ein Polarkoordinatensystem von radialen Zahnkräften mehrerer Segmente des Rotors gemäß 3 für eine Ordnung n,
5 schematisch eine perspektivische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines mehrere Segmente (Anzahl 2N) umfassenden erfindungsgemäßen Rotors für eine elektrische Maschine,
6 schematisch eine perspektivische Ansicht eines dritten Ausführungsbeispiels eines mehrere Segmente (Anzahl 2N + 1) umfassenden erfindungsgemäßen Rotors für eine elektrische Maschine,
7 schematisch ein Polarkoordinatensystem von radialen Zahnkräften mehrerer Segmente des Rotors gemäß 6 für eine Ordnung n, und
8 schematisch eine perspektivische Ansicht eines vierten Ausführungsbeispiels eines mehrere Segmente (Anzahl 2N + 1) umfassenden erfindungsgemäßen Rotors für eine elektrische Maschine.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist in stark vereinfachter Weise ein vorbekanntes Ausführungsbeispiel eines mehrere Segmente 1.1 bis 1.6 umfassenden Rotors 1 für eine elektrische Maschine nach dem Stand der Technik dargestellt. Der Rotor 1 ist für eine permanent erregte Synchronmaschine ausgeführt und jedes Segment umfasst in nicht näher dargestellter Weise eine Mehrzahl magnetischer Pole, die aus Permanentmagneten gebildet sind. Dabei sind die magnetischen Pole koaxial zu einer Rotationsachse X der elektrischen Maschine und in Umfangsrichtung gleichverteilt angeordnet. Jedes Segment weist die gleiche Anzahl an Polen auf, wobei alle Pole eines Segments zueinander äquidistant angeordnet sind, so dass jeder Pol eines Segments einen gleichen Winkelversatz zu den Polen der anderen Segmente aufweist. Somit kann ein Pol pro Segment als Referenzpol zur Beschreibung genutzt werden, wobei sich alles entsprechend auf die anderen Pole übertragen lässt.
Zwischen dem Rotor und einem Stator elektrischer Maschinen treten in verschiedenen Ordnungen magnetische Anregungskräfte auf. Diese Anregungskräfte regen Rotor und Stator zu Schwingungen an, was sich bei einer Verwendung in einem Fahrzeug negativ auf dessen NVH-Verhalten auswirkt.
Um ein Schwingungs- und Geräuschverhalten der elektrischen Maschine zu verbessern, weist der Rotor 1 eine so genannte Schrägung entlang der Rotationsachse auf. Hierzu sind die Segmente 1.1 bis 1.6 derart zueinander ausgerichtet, dass elektrische Pole gleicher Polarität benachbarter Segmente versetzt zueinander mit einem vorgegebenen Winkelversatz angeordnet sind.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Segmente 1.1 bis 1.6 derart angeordnet, dass sich eine lineare Schrägung ergibt. Hierbei handelt es sich um eine diskrete Schrägung. Der erste Winkelversatz ist dabei derart ausgebildet, dass sich die Anregungskräfte in einer so genannten geräuschdominierenden Ordnung n möglichst gut ausgleichen. Diese Ordnung könnte beispielsweise die 60.Ordnung (n = 60) sein. Die Schrägung führt im optimalen Fall dazu, dass sich eine Phasenlage der Kräfte je Segment 1.1 bis 1.6 derart ändert, dass sich eine vektorielle Summe der Kräfte zumindest nahezu aufhebt. Segment-Kräfte außerhalb des Rotors 1 zum Antrieb des Rotors 1 sollen jedoch hoch bleiben.
Bei der dargestellten linearen Schrägung gleichen sich die Kräfte erst nach mehreren Segmenten 1.1 bis 1.6 aus, so dass Anregungskräfte den Rotor 1 in Schwingungen versetzen können.
2 zeigt ein Polarkoordinatensystem P von radialen Zahnkräften F_r1 bis F_r6, F_rges der Segmente 1.1 bis 1.6 für eine für das NVH-Verhalten relevante, geräuschdominierende mechanische Ordnung für das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel des Rotors 1 nach dem Stand der Technik.
Bei dem Rotor 1 handelt es sich um einen Rotor für eine permanent erregte Synchronmaschine mit einer Polpaarzahl von p = 10, wobei die Schrägung derart ausgeführt ist, dass diese bezüglich der Radialkraft eine gute Wirkung aufweist.
Aus dem Polarkoordinatensystem P, auch als Polardiagramm bezeichnet, wird ersichtlich, dass sich die radialen Zahnkräfte F_r1 bis F_r6 nahezu ausgleichen, so dass sich eine ausgeglichene gesamte radiale Zahnkraft F_rges bildet.
Nachteilig ist jedoch, dass die gesamte radiale Zahnkraft F_rges sehr stark gegenüber den einzelnen radialen Zahnkräften F_r1 bis F_r6 der Segmente 1.1 bis 1.6 reduziert ist.
3 zeigt in stark vereinfachter Weise ein mögliches erstes Ausführungsbeispiel eines mehrere Segmente 1.1 bis 1.6 umfassenden erfindungsgemäßen Rotors 1 für eine elektrische Maschine. Im Unterschied zu dem in 1 dargestellten vorbekannten Ausführungsbeispiel nach dem Stand der Technik ist die Reihenfolge der axial nebeneinander angeordneten Segmente 1.1 bis 1.6 verändert. 4 zeigt ein Polarkoordinatensystem P von radialen Zahnkräften F_r1 bis F_r6 der Segmente 1.1 bis 1.6 des Rotors 1 gemäß der 3 und 4 für eine für das NVH-Verhalten relevante, geräuschdominierende mechanische Ordnung.
Um eine bessere Vergleichbarkeit mit dem Rotor 1 nach dem Stand der Technik herzustellen, wurden die Bezugszeichen für die Segmente 1.1 bis 1.6 beibehalten.
Die lineare Schrägung wurde auf die dargestellte Ordnung hin optimiert, so dass die Darstellung der Winkellagen der Pole der Segmente in dem Polarkoordinatensystem in den 3 und 4 vollumfänglich auf 360° gleichverteilt sind. Entsprechend ist bei einer Gleichverteilung der 360° auf 6 Segmente, der Polarwinkelunterschied zwischen den Segmenten 60° beziehungsweise ein vielfaches von 60° (n·60°)
Um die Nachteile aus dem Stand der Technik zu überwinden, ist eine Segmentreihenfolge in dem Rotor 1 in Abhängigkeit einer Anordnung der magnetischen Pole der Segmente 1.1 bis 1.6 in dem Polarkoordinatensystem P unter Berücksichtigung eines maximalen Polarwinkelunterschieds ausgeführt.
Ausgehend von einer linearen Schrägung ist unter Beibehaltung des jeweiligen Winkelversatzes des entsprechenden Segments, d. h. unter Beibehaltung der Winkellage des Segments aus einer linearen Schrägung, die Segmentreihenfolge in dem Rotor 1 derart gegenüber dem Rotor 1 gemäß 1 verändert, dass im Rotor 1 die magnetischen Pole gleicher Polarität unmittelbar benachbart angeordneter Segmente 1.1 bis 1.6 in dem Polarkoordinatensystem P einen maximalen Polarwinkelunterschied mit einem Betrag von bis zu 180° aufweisen.
Für einen Rotor 1 mit geradzahliger Anzahl 2N = 6 von Segmente ergibt sich entsprechend der Segmentreihenfolge 1, N + 1, 2N, N, 2N – 1, N – 1, 2N – 2, N – 2, ..., N + 3, 3, N + 2, 2 eine erste dargestellte Reihenfolge der Segmente 1.1, 1.4, 1.6, 1.3, 1.5, 1.2.
Die Reihenfolge der Bezugszeichen 1.1, 1.4, 1.6, 1.3, 1.5, 1.2 zeigt dabei die Reihenfolge der Segmente 1.1 bis 1.6. Das heißt, das Rotor 1 weist eine lineare Schrägung mit einem entsprechenden Winkelversatz auf, welche die gewünschten ”globalen” elektrischen und magnetischen Eigenschaften des Rotors 1 bestimmt. Durch die Anordnung der Segmente 1.1, 1.4, 1.6, 1.3, 1.5, 1.2 unter der Berücksichtigung eines maximalen Polarwinkelunterschieds zueinander werden zusätzlich das Schwingungs- und Geräuschverhalten des Rotors 1 verbessert ohne die ”globalen” elektrischen und magnetischen Eigenschaften des Rotors 1 zu beeinflussen.
Wie das Polarkoordinatensystem P in 4 verdeutlicht, ist zwischen den benachbarten Segmenten 1.1, 1.4; 1.6, 1.3; 1.5, 1.2 jeweils paarweise der Polarwinkelunterschied maximiert und beträgt nahezu 180°, so dass sich die radialen Zahnkräfte F_r1, F_r4; F_r6, F_r3; F_r5, F_r2 zwischen den Partner der Segmentpaare nahezu vollständig ausgleichen. Weiterhin ist auch zwischen unmittelbar benachbarten Segmenten 1.4, 1.6; 1.3, 1.5, die nicht ein Segmentpaar bilden der Polarwinkelunterschied maximiert und beträgt nahezu 120°.
Somit wird gegenüber dem Stand der Technik erreicht, dass der Rotor und auch der Stator der elektrischen Maschine weniger zu Schwingungen angeregt werden, wodurch ein schallmindernder Effekt der linearen Schrägung signifikant verbessert wird.
Zur Ermittlung der Segmentreihenfolge wird ausgehend von einem beliebigen Segment 1.1 bis 1.6 der Referenzpolanordnung, im dargestellten Ausführungsbeispiel ausgehend vom ersten Segment 1.1, als unmittelbar benachbartes Segment 1.4 das Segment 1.4 aus der Referenzpolanordnung gewählt, welches im Polarkoordinatensystem P der Referenzpolanordnung als Polarwinkelunterschied den maximal möglichen Winkel von 180° zum ersten Segment 1.1 einschließt. Die Segmente 1.1 und 1.4 bilden dabei ein Paar von Segmenten 1.1, 1.4, deren radiale Zahnkräfte F_r1, F_r4 sich nahezu vollständig ausgleichen.
Als allgemein gültige Formel zur Ermittlung der Paare von Segmenten 1.1 bis 1.6 bei einer beliebigen geraden Anzahl 2N von Segmenten 1.1 bis 1.6 ergibt sich (1, N + 1), (2, N + 2), (3, N + 3) ... (N, N + N)), die im Polarkoordinatensystem P bei der zu optimierenden Ordnung einen Polarwinkelunterschied von 180° aufweisen.
Für die weitere Segmentreihenfolge stehen ausgehend vom Segment 1.4 die Segmente 1.2, 1.3, 1.5, 1.6 zur Verfügung. Hierbei ist jeder Betrag des Polarwinkelunterschieds geringer als 180°, so dass daraus das Segment mit dem maximalen Polarwinkelunterschied auszuwählen ist. Hierbei stehen das Segment 1.6 und – das Segment 1.2 mit dem gleichen maximalen Polarwinkelunterschied von 120° gleichwertig zur Verfügung, wobei in der Ausführung in 3 das Segment 1.6 als nächstes in der Segmentreihenfolge 1.1, 1.4 ausgewählt ist.
Ausgehend von diesem Segment 1.6 wird wiederum das Segment 1.3 gewählt, welches gemeinsam mit dem Segment 1.6 ein Paar von Segmenten 1.6, 1.3 bildet, deren Polarwinkelunterschied 180° beträgt und deren radiale Zahnkräfte F_r6, F_r3 sich nahezu vollständig ausgleichen.
Als unmittelbar benachbartes Segment 1.5 des Segments 1.3 wird das Segment 1.5 gewählt, welches ausgehend vom Segment 1.3 einzig als noch nicht verwendetes Segment 1.5 den maximalen Polarwinkelunterschied von 120° aufweist.
Hieraus ergibt sich, dass bei einer geraden Anzahl von Segmenten 1.1 bis 1.6 immer die Segmente 1.1 bis 1.6 als Paare zusammengefasst werden, deren radiale Zahnkräfte F_r1, F_r4; F_r6, F_r3; F_r5, F_r2 sich nahezu vollständig ausgleichen, d. h. sich im Polarkoordinatensystem P möglichst gegenüberliegen.
Allgemein kann eine Formel für die Segmentreihenfolge des Rotors 1 aus 3 als 1, N + 1, 2N, N, 2N – 1, N – 1, 2N – 2, N – 2, ..., N + 3, 3, N + 2, 2 angegeben werden, wobei sich die Segmentbezeichnung auf eine Anordnung in einer ursprünglich linearen Schrägung bezieht. Bei dieser Segmentreihenfolge sind Segmentpaare im Polarkoordinatensystem paarweise dem Gegenuhrzeigersinn nach zugeordnet.
In 5 ist in ebenfalls stark vereinfachter Weise ein mögliches zweites Ausführungsbeispiel des mehrere Segmente 1.1 bis 1.6 umfassenden erfindungsgemäßen Rotors 1 dargestellt, wobei die Reihenfolge der Segmente 1.1 bis 1.6 gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel nach 3 geändert ist. Das Rotor 1 mit dieser Segmentreihenfolge weist dennoch die gleichen elektrischen und magnetischen Eigenschaften wie der Rotor gemäß 3 auf. Auch werden die gleichen positiven Schwingungseigenschaften erzielt, wodurch der hohe schallmindernde Effekt erreicht wird.
Zur Ermittlung der Segmentreihenfolge wird, wie bereits bei 3 beschrieben, ausgehend von einem beliebigen Segment 1.1 bis 1.6 der Referenzpolanordnung, im dargestellten Ausführungsbeispiel ausgehend vom ersten Segment 1.1, als unmittelbar benachbartes Segment 1.4 das verbleibende Segment 1.4 aus der Referenzpolanordnung gewählt, welches im Polarkoordinatensystem P der Referenzpolanordnung als Polarwinkelunterschied den maximal möglichen Winkel von bis zu 180° zum ersten Segment 1.1 einschließt. Die Segmente 1.1 und 1.4 bilden dabei ein Paar von Segmenten 1.1, 1.4, deren radiale Zahnkräfte F_r1, F_r4 sich nahezu vollständig ausgleichen.
Ebenfalls wie in 3 schon beschrieben stehen für die weitere Segmentreihenfolge ausgehend vom Segment 1.4 die Segmente 1.2, 1.3, 1.5, 1.6 zur Verfügung. Hierbei ist jeder Betrag des Polarwinkelunterschieds geringer als 180°, so dass daraus das Segment mit dem maximalen Polarwinkelunterschied auszuwählen ist. Hierbei stehen das Segment 1.6 und das Segment 1.2 mit dem gleichen maximalen Polarwinkelunterschied von 120° gleichwertig zur Verfügung, wobei im Gegensatz zur Ausführung in 3 hier in der Ausführung der 5 das Segment 1.2 als nächstes in der Segmentreihenfolge 1.1, 1.4 ausgewählt ist.
Ausgehend von diesem Segment 1.2 wird wiederum das Segment 1.5 gewählt, welches gemeinsam mit dem Segment 1.2 ein Paar von Segmenten 1.2, 1.5 bildet, deren Polarwinkelunterschied 180° beträgt und deren radiale Zahnkräfte F_r2, F_r5 sich nahezu vollständig ausgleichen.
Als unmittelbar benachbartes Segment 1.3 des Segments 1.5 wird das Segment 1.3 gewählt, welches ausgehend vom Segment 1.5 einzig als noch nicht verwendetes Segment 1.3 den maximalen Polarwinkelunterschied von 120° aufweist.
Hieraus ergibt sich, dass bei einer geraden Anzahl von Segmenten 1.1 bis 1.6 immer die Segmente 1.1 bis 1.6 als Paare zusammengefasst werden, deren radiale Zahnkräfte F_r1, F_r4; F_r2, F_r5; F_r3, F_r6 sich nahezu vollständig ausgleichen, d. h. sich im Polarkoordinatensystem P möglichst gegenüberliegen.
Allgemein kann eine Formel für die Segmentreihenfolge des Rotors 1 aus 5 als 1, N + 1, 2, N + 2, 3, N + 3, ..., N – 1, 2N – 1, N, 2N angegeben werden, wobei sich die Segmentbezeichnung auf eine Anordnung in einer ursprünglich linearen Schrägung bezieht.
Bei dieser Segmentreihenfolge sind Segmentpaare im Polarkoordinatensystem paarweise dem Uhrzeigersinn nach zugeordnet.
6 zeigt in stark vereinfachter Weise ein mögliches drittes Ausführungsbeispiel eines mehrere Segmente 1.1 bis 1.7 umfassenden erfindungsgemäßen Rotors 1 für eine elektrische Maschine. In 7 ist ein Polarkoordinatensystem P von radialen Zahnkräften F_r1 bis F_r7 der Segmente 1.1 bis 1.7 des Rotors 1 für eine für das NVH-Verhalten relevante, geräuschdominierende mechanische Ordnung dargestellt.
Im Unterschied zu dem in 3 dargestellten ersten Ausführungsbeispiel umfasst das Rotor 1 eine ungerade Anzahl 2N + 1 von Segmenten 1.1 bis 1.7. Aufgrund der ungeraden Anzahl 2N + 1 von Segmenten 1.1 bis 1.7 ist der Polarwinkelunterschied für jedes Paar unmittelbar benachbarter Segmente 1.1, 1.4, 1.7, 1.3, 1.6, 1.2, 1.5 gleich groß, im dargestellten Ausführungsbeispiel insbesondere 154°. Die Reihenfolge der Bezugszeichen 1.1, 1.4, 1.7, 1.3, 1.6, 1.2, 1.5 zeigt dabei die Reihenfolge der Segmente 1.1 bis 1.7.
Die lineare Schrägung wurde auf die dargestellte Ordnung hin optimiert, so dass die Darstellung der Winkellagen der Pole der Segmente in dem Polarkoordinatensystem in den 6 und 7 vollumfänglich auf 360° gleichverteilt sind. Entsprechend ist bei einer Gleichverteilung der 360° auf 7 Segmente, der Polarwinkelunterschied zwischen den Segmenten 51,4° beziehungsweise ein vielfaches von 51,4° (n·51,4°)
Auch hierbei werden immer die Segmente 1.1 bis 1.7 in der Segmentreihenfolge so zusammengefasst, dass ein Grad des Ausgleichs der radialen Zahnkräfte F_r1, F_r4; F_r7, F_r3; F_r6, F_r2, F_r5 maximiert ist, d. h. die sich im Polarkoordinatensystem P möglichst gegenüberliegen.
Ausgehend von einer linearen Schrägung ist unter Beibehaltung des jeweiligen Winkelversatzes des entsprechenden Segments, d. h. unter Beibehaltung der Winkellage des Segments aus einer linearen Schrägung, eine Segmentreihenfolge derart geändert, dass im Rotor 1 die magnetischen Pole gleicher Polarität unmittelbar benachbart angeordneter Segmente 1.1 bis 1.7 in dem Polarkoordinatensystem P einen maximalen Polarwinkelunterschied mit einem Betrag von bis zu 180° aufweisen.
Für einen Rotor 1 in 6 mit ungeradzahliger Anzahl 2N + 1 = 7 von Segmente ergibt sich entsprechend der Segmentreihenfolge 1, N + 1, 2N + 1, N, 2N, N – 1, 2N – 1, ..., 3, N + 3, 2, N + 2 eine erste dargestellte Reihenfolge der Segmente 1.1, 1.4, 1.7, 1.3, 1.6, 1.2, 1.5.
Die Reihenfolge der Bezugszeichen 1.1, 1.4, 1.7, 1.3, 1.6, 1.2, 1.5 zeigt dabei die Reihenfolge der Segmente 1.1 bis 1.7. Das heißt, das Rotor 1 weist eine lineare Schrägung mit einem entsprechenden Winkelversatz auf, welche die gewünschten ”globalen” elektrischen und magnetischen Eigenschaften des Rotors 1 bestimmt. Durch die Anordnung der Segmente 1.1, 1.4, 1.7, 1.3, 1.6, 1.2, 1.5 unter der Berücksichtigung eines maximalen Polarwinkelunterschieds zueinander werden zusätzlich das Schwingungs- und Geräuschverhalten des Rotors 1 verbessert ohne die ”globalen” elektrischen und magnetischen Eigenschaften des Rotors 1 zu beeinflussen.
Wie das Polarkoordinatensystem P in 7 verdeutlicht, ist zwischen den unmittelbar benachbarten Segmenten der Segmentreihenfolge 1.1, 1.4, 1.7, 1.3, 1.6, 1.2, 1.5 jeweils paarweise der Polarwinkelunterschied maximiert und beträgt ungefähr 154°, so dass sich die radialen Zahnkräfte F_r1, F_r4; F_r7, F_r3; F_r6, F_r2, F_r5 zwischen den Segmenten zumindest teilweise ausgleichen.
Somit wird gegenüber dem Stand der Technik erreicht, dass der Rotor und auch der Stator der elektrischen Maschine weniger zu Schwingungen angeregt werden, wodurch ein schallmindernder Effekt der linearen Schrägung signifikant verbessert wird.
Zur Ermittlung der Segmentreihenfolge wird ausgehend von einem beliebigen Segment 1.1 bis 1.7 der Referenzpolanordnung, im dargestellten Ausführungsbeispiel ausgehend vom ersten Segment 1.1, ein nächstes Segment unter Berücksichtigung eines maximalen Polarwinkelunterschied angeordnet. Hierbei schließen sowohl das Segment 1.4, als auch das Segment 1.5 den maximalen Polarwinkelunterschied von 154° zum Segment 1.1 ein. Hierbei stehen das Segment 1.4 und das Segment 1.5 mit dem gleichen maximalen Polarwinkelunterschied gleichwertig zur Verfügung, wobei in der Ausführung in 6 das Segment 1.4 als nächstes in der Segmentreihenfolge 1.1, 1.4 ausgewählt ist.
Ausgehend von diesem Segment 1.4 schließen zwar zwei Segmente, das Segment 1.1 und das Segment 1.7 beide den maximalen Polarwinkelunterschied von 154° zum Segment 1.4 ein, aber nur Segment 1.7 ist noch nicht verwendet und kann in der Segmentreihenfolge angeordnet werden.
Entsprechend fortfahrend schließen sich der Segmentreihenfolge 1.1, 1.4, 1.7 jeweils mit dem maximalen Polarwinkelunterschied von 154° die noch nicht verwendeten Segmente 1.3, 1.6, 1.2, 1.5 an.
Hieraus ergibt sich, dass bei einer ungeraden Anzahl von Segmenten 1.1 bis 1.7 immer die Segmente 1.1 bis 1.7 in der optimierten Segmentreihenfolge zusammengefasst werden, deren radiale Zahnkräfte F_r1, F_r4; F_r7, F_r3; F_r6, F_r2, F_r5 sich entsprechend des maximalen Polarwinkelunterschied, insbesondere von 154°, am ehesten ausgleichen, d. h. sich im Polarkoordinatensystem P möglichst gegenüberliegen.
Allgemein kann eine Formel für die Segmentreihenfolge des Rotors 1 aus 6 als 1, N + 1, 2N + 1, N, 2N, N – 1, 2N – 1, ..., 3, N + 3, 2, N + 2 angegeben werden, wobei sich die Segmentbezeichnung auf eine Anordnung in einer ursprünglich linearen Schrägung bezieht. Bei dieser Segmentreihenfolge sind die Segmente im Polarkoordinatensystem dem Gegenuhrzeigersinn nach zugeordnet.
In 8 ist in ebenfalls stark vereinfachter Weise ein mögliches viertes Ausführungsbeispiel des mehrere Segmente 1.1 bis 1.7 umfassenden erfindungsgemäßen Rotors 1 dargestellt, wobei die Reihenfolge der Segmente 1.1 bis 1.7 gegenüber dem dritten Ausführungsbeispiel nach 6 geändert ist.
Auch hierbei werden immer die Segmente 1.1 bis 1.7 in der Segmentreihenfolge so zusammengefasst, dass ein Grad des Ausgleichs der radialen Zahnkräfte F_r1, F_r5; F_r2, F_r6; F_r3, F_r7, F_r4 maximiert ist, d. h. die sich im Polarkoordinatensystem P möglichst gegenüberliegen.
Ausgehend von einer linearen Schrägung ist unter Beibehaltung des jeweiligen Winkelversatzes des entsprechenden Segments, d. h. unter Beibehaltung der Winkellage des Segments aus einer linearen Schrägung, eine Segmentreihenfolge derart geändert, dass im Rotor 1 die magnetischen Pole gleicher Polarität unmittelbar benachbart angeordneter Segmente 1.1 bis 1.7 in dem Polarkoordinatensystem P einen maximalen Polarwinkelunterschied mit einem Betrag von bis zu 180° aufweisen.
Für einen Rotor 1 in 8 mit ungeradzahliger Anzahl 2N + 1 = 7 von Segmente ergibt sich entsprechend der Segmentreihenfolge 1, N + 2, 2, N + 3, 3, ..., 2N, N, 2N + 1, N + 1 eine erste dargestellte Reihenfolge der Segmente 1.1, 1.5, 1.2, 1.6, 1.3, 1.7, 1.4.
Die Reihenfolge der Bezugszeichen 1.1, 1.5, 1.2, 1.6, 1.3, 1.7, 1.4 zeigt dabei die Reihenfolge der Segmente 1.1 bis 1.7. Das heißt, das Rotor 1 weist eine lineare Schrägung mit einem entsprechenden Winkelversatz auf, welche die gewünschten ”globalen” elektrischen und magnetischen Eigenschaften des Rotors 1 bestimmt. Durch die Anordnung der Segmente 1.1, 1.5, 1.2, 1.6, 1.3, 1.7, 1.4 unter der Berücksichtigung eines maximalen Polarwinkelunterschieds zueinander werden zusätzlich das Schwingungs- und Geräuschverhalten des Rotors 1 verbessert ohne die ”globalen” elektrischen und magnetischen Eigenschaften des Rotors 1 zu beeinflussen.
Wie das Polarkoordinatensystem P in 7 verdeutlicht, ist zwischen den unmittelbar benachbarten Segmenten der Segmentreihenfolge 1.1, 1.5, 1.2, 1.6, 1.3, 1.7, 1.4 jeweils paarweise der Polarwinkelunterschied maximiert und beträgt ungefähr 154°, so dass sich die radialen Zahnkräfte F_r1, F_r5; F_r2, F_r6; F_r3, F_r7, F_r4 zwischen den Segmenten zumindest teilweise ausgleichen.
Somit wird gegenüber dem Stand der Technik erreicht, dass der Rotor und auch der Stator der elektrischen Maschine weniger zu Schwingungen angeregt werden, wodurch ein schallmindernder Effekt der linearen Schrägung signifikant verbessert wird.
Zur Ermittlung der Segmentreihenfolge wird ausgehend von einem beliebigen Segment 1.1 bis 1.7 der Referenzpolanordnung, im dargestellten Ausführungsbeispiel ausgehend vom ersten Segment 1.1, ein nächstes Segment unter Berücksichtigung eines maximalen Polarwinkelunterschied angeordnet. Hierbei schließen sowohl das Segment 1.5, als auch das Segment 1.4 den maximalen Polarwinkelunterschied von 154° zum Segment 1.1 ein. Hierbei stehen das Segment 1.5 und das Segment 1.4 mit dem gleichen maximalen Polarwinkelunterschied gleichwertig zur Verfügung, wobei in der Ausführung in 8 das Segment 1.5 als nächstes in der Segmentreihenfolge 1.1, 1.5 ausgewählt ist. In 6 ist bereits als dritte Ausführung die Alternative dargestellt, bei der das Segment 1.4 als nächstes Segment in der Segmentreihenfolge gewählt ist.
Ausgehend von diesem Segment 1.5 schließen zwar zwei Segmente, das Segment 1.1 und das Segment 1.2 beide den maximalen Polarwinkelunterschied von 154° zum Segment 1.5 ein, aber nur Segment 1.2 ist noch nicht verwendet und kann in der Segmentreihenfolge angeordnet werden.
Entsprechend fortfahrend schließen sich der Segmentreihenfolge 1.1, 1.5, 1.2 jeweils mit dem maximalen Polarwinkelunterschied von 154° die noch nicht verwendeten Segmente 1.6, 1.3, 1.7, 1.4 an.
Hieraus ergibt sich, dass bei einer ungeraden Anzahl von Segmenten 1.1 bis 1.7 immer die Segmente 1.1 bis 1.7 in der optimierten Segmentreihenfolge zusammengefasst werden, deren radiale Zahnkräfte F_r1, F_r5; F_r2, F_r6; F_r3, F_r7, F_r4 sich entsprechend des maximalen Polarwinkelunterschied, insbesondere von 154°, am ehesten ausgleichen, d. h. sich im Polarkoordinatensystem P möglichst gegenüberliegen.
Allgemein kann eine Formel für die Segmentreihenfolge des Rotors 1 aus 8 als 1, N + 2, 2, N + 3, 3, ..., 2N, N, 2N + 1, N + 1 angegeben werden, wobei sich die Segmentbezeichnung auf eine Anordnung in einer ursprünglich linearen Schrägung bezieht. Bei dieser Segmentreihenfolge sind die Segmente im Polarkoordinatensystem dem Uhrzeigersinn nach zugeordnet.
Unabhängig von den dargestellten Ausführungsbeispielen ist die Erfindung auf beliebige elektrische Rotoren 1 mit unterschiedlichen geraden oder ungeraden Anzahlen von Segmenten 1.1 bis 1.7 übertragbar. Dabei gilt insbesondere, dass die Anordnung der Segmente 1.1 bis 1.7 derart ausgebildet ist, dass der Polarwinkelunterschied unmittelbar benachbart angeordneter Segmente 1.1 bis 1.7 bei einer kritischen mechanischen Ordnung möglichst nahe an 180° liegt, beziehungsweise sich die Segmente im Polarkoordinatensystem gegenüberliegen, damit ein vektorieller Kräfteausgleich möglich ist.
Insbesondere werden stets solche Segmente 1.1 bis 1.7 als Paare kombiniert, deren die Schwingungen erzeugenden Kräfte sich weitestgehend aufheben. Die Paare werden dann wiederum derart nebeneinander angeordnet, dass auch zwischen den Paaren die Polarwinkelunterschied möglichst hoch ist, damit auch zwischen den Paaren von Segmenten 1.1 bis 1.7 die Aufhebung der die Schwingung erzeugenden Kräfte maximiert ist.
Entsprechende Ideen können auch jede Art von Rotoren, wie insbesondere Innenläufer oder Außenläufer, übertragen werden. Auch ist eine entsprechende Schrägung von Statoren möglichen, wenn dies auch komplizierter bei der Herstellung sein dürfte. Dennoch lässt sich die erfinderische Idee auch darauf übertragen.
Ebenso kann ein solch erfinderischer Rotor auch Teil eines größeren Gesamtrotors sein, wobei der Gesamtrotor dann zumindest einen Rotorteil umfasst, dessen Segmente nach der erfinderischen Idee angeordnet sind. Dies kann besonders bei langen Rotoren der Fall sein, welche viele Segmente umfassen, die zumindest bereichsweise eine ursprüngliche lineare Schrägung darstellen und entsprechend angeordnet sind. Hierbei könnte beispielsweise eine ursprüngliche lineare Schrägung zu einer Art „Sägezahn” immer wiederholt werden oder zwei Bereiche eine entgegengesetzte Schrägung zu einer Art „V-Form” zusammenfügen sein. Ist die Segmentreihenfolge in solchen Teilbereiche mit einer ursprünglichen linearen Schrägung, selbst nur als Teil eines größeren Rotors, entsprechend der Segmentreihenfolge unter Berücksichtigung eines maximalen Polarwinkelunterschieds angeordnet, fällt dies unter diese dargelegte erfinderische Idee.
Bezugszeichenliste

1: Rotor
1.1 bis 1.7: Segment
F_r1 bis F_r7: radiale Polkraft
F_rges: radiale Polkraft
P: Polarkoordinatensystem
X: Rotationsachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1684400 B1 [0005]

Claims

Rotor einer elektrischen Maschine, umfassend – mehrere in axiale Richtung nebeneinander angeordnete Segmente (1.1 bis 1.7), – wobei jedes der Segmente (1.1 bis 1.7) mehrere magnetische Pole aufweist, die koaxial zu einer Rotationsachse (X) der elektrischen Maschine und in Umfangsrichtung des Segments (1.1 bis 1.7) gleichverteilt angeordnet sind, – wobei eine relative Winkellage der magnetischen Pole in Umfangsrichtung eines Segments (1.1 bis 1.7) zur relativen Winkellage der magnetischen Pole eines anderen Segments (1.1 bis 1.7) einem Winkelversatz ungleich null aufweist dadurch gekennzeichnet, dass – eine Segmentreihenfolge der Segmente (1.1 bis 1.7) in dem Rotor (1) und dadurch ein relativer Winkelversatz zwischen den magnetischen Polen zweier unmittelbar benachbarter Segmente (1.1 bis 1.7) in Abhängigkeit einer Zuordnungsreihenfolge der magnetischen Pole der Segmente (1.1 bis 1.7) aus einem Polarkoordinatensystem (P) der Ordnung n, unter Berücksichtigung eines maximalen Betrags eines Polarwinkelunterschieds der magnetischen Pole zweier unmittelbar benachbart anzuordnenden Segmente (1.1 bis 1.7) in dem Polarkoordinatensystem (P) der Ordnung n, ausgebildet ist.
Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Polarkoordinatensystem (P) der Ordnung n Kräfte (F_r1 bis F_r7) der magnetischen Pole der Segmente (1.1 bis 1.7) bei einer Segmentreihenfolge einer linearen Schrägung eines Rotors entsprechend ihres dazugehörigen Polarwinkels enthalten sind, wobei bei der linearen Schrägung des Rotors zwischen jeweils zwei unmittelbar benachbarten Segmenten (1.1 bis 1.7) immer der gleiche relative Winkelversatz zwischen den Polen ausgebildet ist.
Rotor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmentreihenfolge der Segmente (1.1 bis 1.7) in dem Rotor (1) und eine Größe des relativen Winkelversatzes zwischen zwei unmittelbar benachbarten Segmenten (1.1 bis 1.7) in dem Rotor (1) aus einem Polarkoordinatensystem (P) der Ordnung n mit den Kräften (F_r1 bis F_r7) der magnetischen Pole der Segmente (1.1 bis 1.7) einer linearer Schrägung bestimmt ist, bei der die Darstellung aller Polarkoordinaten der Pole in dem Polarkoordinatensystem (P) bei der linearen Schrägung gleichverteilt 360° umfasst.
Rotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei geradzahliger Anzahl 2N der Segmente (1.1 bis 1.6) sich Segmentpaare ([1, N + 1]; [2, N + 2]; ..., [N, 2N]) bilden, deren Polarkoordinaten bei einer linearen Schrägung sich im Polarkoordinatensystem (P) der Ordnung n um 180° unterscheiden, und diese in der Segmentreihenfolge der Segmente (1.1 bis 1.6) unmittelbare Nachbarn sind.
Rotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmentreihenfolge bei geradzahliger Anzahl 2N der Segmente (1.1 bis 1.6) entweder 1, N + 1, 2, N + 2, 3, N + 3, ..., N – 1, 2N – 1, N, 2N oder 1, N + 1, 2N, N, 2N – 1, N – 1, 2N – 2, N – 2, ..., N + 3, 3, N + 2, 2 oder eine Permutation des Anfangswertes einer der beiden Folgen ist.
Rotor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmentreihenfolge bei ungeradzahliger Anzahl 2N + 1 der Segmente (1.1 bis 1.7) entweder 1, N + 2, 2, N + 3, 3, ..., 2N, N, 2N + 1, N + 1 oder 1, N + 1, 2N + 1, N, 2N, N – 1, 2N – 1, ..., 3, N + 3, 2, N + 2 oder eine Permutation des Anfangswertes einer der beiden Folgen ist.
Rotor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmentreihenfolge entsprechend eines maximalen Polarwinkelunterschieds im Polarkoordinatensystem (P) der Ordnung n so ausgestaltet ist, dass sich während eines Betriebs des Rotors (1) magnetische Kräfte an den Polen in radiale Richtung und/oder in axiale Richtung zwischen zwei unmittelbar benachbarten Segmenten (1.1 bis 1.7) vermindern oder ganz aufheben.
Rotor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine magnetische Wirkung des Rotors (1) nach außen hin mit einer Wirkung eines Rotors mit linearer Schrägung der Pole übereinstimmt.
Rotor nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetischen Pole innerhalb eines Segments (1.1 bis 1.7) in axiale Richtung ausgerichtet sind.
Elektrische Maschine, umfassend zumindest einen Rotor (1) nach einem der vorherigen Ansprüche.