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Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine, insbesondere ein Rotorblech für eine permanentmagneterregte Synchronmaschine, eine permanentmagneterregte Synchronmaschine mit einem Rotor und einen Hybridantrieb, insbesondere für ein Fahrzeug mit einer permanentmagneterregten Synchronmaschine und/oder einem Rotor.
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Stand der Technik
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In Synchronmaschinen wird eine Welle angetrieben, indem ein mit Permanentmagneten bestückter Rotor, welcher mit der Welle verbunden ist, sich in einem drehenden Magnetfeld ausrichtet, welches von einem mit spannungsbeaufschlagten Wicklungen versehenem Stator erzeugt wird. Die Permanentmagnete sind in Magnettaschen angeordnet, welche komplett vom Rotor umschlossen werden. Es ist bekannt, dass durch Ausformungen an den Magnettaschen der magnetische Fluss im Rotor beeinflusst wird. Die Wahl der Geometrie der Ausformung an den Magnettaschen ist daher eine wichtige Einflussgröße auf das Drehmoment der elektrischen Maschine
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Ein Rotor, welcher derartige Ausformungen aufweist, ist aus der
DE 10 2014 219 894 A1 für eine dreiphasige permanentmagneterregte Synchronmaschine in Dreieckschaltung bekannt. Zur Unterdrückung unerwünschter Kreisströme und zur Verringerung thermischer Verluste wird ein Rotor vorgeschlagen, welcher Magnettaschen für die Permanentmagnete aufweist, an dessen Wandungen Taschen angeformt sind. Die Taschen sind zwischen dem Permanentmagneten und der Umfangsfläche des Rotors im Anschluss an die in Richtung der Umfangsfläche des Rotors gekippte Ecke der Magnettaschen für die Permanentmagnete angeordnet. In einer Ausgestaltungsform sind die Ausformungen als Kavitäten im Rotor zwischen den Permanentmagneten und der Umfangsfläche des Rotors ausgeführt.
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Weiterhin ist aus der
DE 10 2013 201 199 A1 ein Elektroblech für eine elektrische Maschine bekannt, wobei das Elektroblech jeweils zwei paarweise V-förmig angeordnete Magnettaschen aufweist, an deren radial äußeren Enden Kavitäten angebracht sind. An den radial inneren Enden der Magnettaschen, an welchen diese zur V-Form verbunden sind, befindet sich ein Steg. Weitere Stege sind an den radial äußeren Enden der Magnettaschen hin zum Luftspalt angeordnet.
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Aus der
DE 103 57 502 A1 ist weiterhin eine elektrische Maschine mit einem Rotor bekannt, wobei der Rotor Magnetaufnahmen aufweist, an welchen sich seitlich in Umfangsrichtung des Rotors Materialaussparungen an dem Magnetaufnahmen innerhalb des Rotors befinden.
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Bei bisher bekannten Magnettaschengeometrien hat sich gezeigt, dass radiale, dynamische Kraftdichteamplituden entstehen, welche bei bestimmten Drehzahlen akustisch auffällig sind. Bisher sind keine Lösungen bekannt, welche diese radialen Kraftdichteamplituden reduzieren, ohne dabei Einbußen hinsichtlich Leistung, Drehmoment oder Materialkosten in Kauf nehmen zu müssen. Bisher wurden die akustisch auffälligen Kraftdichteamplituden durch Reduzierung des Magnetflusses im Rotor und damit durch Reduzierung der Leistungsdichte minimiert. Alternativ kann der Luftspalt zwischen Stator und Rotor der elektrischen Maschine vergrößert werden.
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Darstellung der Erfindung: Aufgabe, Lösung, Vorteile
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Rotor oder eine elektrische Maschine, insbesondere ein Rotorblech für eine permanentmagneterregte Synchronmaschine, bereitzustellen, welche akustische Auffälligkeiten, hervorgerufen durch radial anregende Kraftdichteamplituden, performanceneutral und ohne zusätzlichen Materialeinsatz reduziert. Diese Aufgabe wird durch den Rotor mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Die Erfindung sieht einen Rotor für elektrische Maschinen, insbesondere ein Rotorblech für eine permanentmagneterregte Synchronmaschine, vor, welche wenigstens eine Magnettasche zur Aufnahme eines Magneten aufweist, wobei die Magnettasche in radialer Richtung vollständig vom Rotor umschlossen ist und der Magnet jeweils eine einer Umfangsfläche des Rotors zugewandte erste Stirnfläche und eine der Umfangsfläche des Rotors abgewandte zweite Stirnfläche aufweist, wobei die Magnettasche im Bereich der an einer der Umfangsfläche des Rotors zugewandten ersten Stirnfläche des Magneten eine Ausformung aufweist. Diese Ausformung grenzt mit einem ersten Bereich an die der Umfangsfläche des Rotors zugewandte erste Stirnfläche des Magneten an und erstreckt sich mit wenigstens einem zweiten Bereich in Umfangsrichtung des Rotors seitlich des Magneten.
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In den Bereichen außerhalb der Ausformung folgt die Magnettaschenkontur der Kontur des Magneten, sodass dieser fest in der Magnettasche gehalten wird.
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Durch die zusätzliche spezielle Modifikation der Magnettaschengeometrie können die störenden Kraftdichteamplituden ohne Leistungseinbußen und ohne zusätzlichen Materialeinsatz deutlich reduziert werden. Insbesondere ist es nicht notwendig, ein zusätzliches Werkzeug zur Schaffung neuer Strukturen, beispielsweise von Rotornuten oder anderen nicht mit der Magnettasche zusammenhängende Strukturen, vorzusehen. Die Magnettaschengeometrie bewirkt, dass die von den im Rotor eingelassenen Permanentmagneten induzierten Spannungen, speziell die Leerlaufspannung, deutlich weniger Oberwellen aufweist, welche akustische Auffälligkeiten verursachen.
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Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung ist vorgesehen, dass der zweite Bereich nasenförmig ausgebildet ist. Nasenförmig bedeutet dabei, dass sich der wenigstens eine zweite Bereich seitlich des Magneten in Umfangsberichtung des Rotors betrachtet ausgehend von einer Ausgangsbreite in Umfangsrichtung des Rotors verjüngt und mit einem abgerundeten Endbereich abschließt. Durch diese nasenartige Form des wenigstens einen zweiten Bereichs entsteht eine Materialausformung des Rotormaterials, welche sich entgegengesetzt zur nasenartigen Ausformung zwischen dem mindestens einen zweiten Bereich und dem Magneten erstreckt.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass ein Übergangsbereich zwischen dem ersten Bereich und dem wenigstens einen zweiten Bereich stegförmig ausgebildet ist. Zur Akustikoptimierung ist es vorteilhaft, wenn der Bereich zwischen Rotoreisen und Magnet möglichst schmal ausgeführt ist. Gleichzeitig sollte sich die Ausformung möglichst weit entlang der Umfangsrichtung des Rotors erstrecken. Durch diese Geometrie werden die Fliehkräfte der Magnete an den Stegen am Luftspalt über einen breiteren Bereich verteilt, sodass die Fliehkraftfestigkeit erhöht wird. Dadurch kann der Bereich des Rotors zwischen der Ausformung und dem Luftspalt in der radialen Höhe schmal ausgeführt werden, so dass in diesem Bereich weniger magnetischer Streufluss entsteht und weniger Magnetmaterial benötigt wird.
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Weiterhin ist gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung vorgesehen, dass jeweils zwei Magnettaschen im Bereich der zweiten Stirnfläche der Magneten, welche der Umfangsfläche des Rotors abgewandt sind, miteinander verbunden sind und schräg in radialer Richtung verlaufen. Dadurch ergibt sich in der Querschnittsbetrachtung eine V-förmige Form der Magnettaschen und eine V-förmige Anordnung der Magnete in den Magnettaschen. Die beiden Magnettaschen bilden dabei eine zusammenhängende Aussparung im Rotor. Durch die V-förmige Anordnung von je zwei Magneten entlang des Umfangs des Rotors werden sowohl das Reluktanzerregungsprinzip als auch das Permanentmagneterregungsprinzip optimal ausgenutzt, da das maximale lorentzkraftbasierte Grundmoment und das maximale Reluktanzmoment im zur Verfügung stehenden Bauraum erzeugt werden. Das Reluktanzmoment wird durch deutlich unterschiedliche Induktivitätswerte in den d- und q-Achsen des Rotors optimal ausgenutzt.
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Weiterhin ist nach einer vorteilhaften Ausführungsform vorgesehen, dass jeweils zwei Magnettaschen im Bereich der zweiten Stirnfläche der Magneten, welche der Umfangsfläche des Rotors abgewandt sind, miteinander verbunden sind und schräg in radialer Richtung verlaufen und sich der mindestens eine zweite Bereich einer jeden Magnettasche in einem Bereich zwischen den beiden Magneten befindet, und dass die beiden Magnete einen Winkel α von 110° bis 120°, vorzugsweise jedoch 116° einschließen. Jedoch sind auch andere zweckmäßige Öffnungswinkel der V-förmig angeordneten Magnete denkbar.
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Weiterhin ist gemäß einer zweckmäßigen Weiterbildung vorgesehen, dass sich die Magnettaschen bis auf radiale Randbereiche des Rotors über die gesamte radiale Länge des Rotors erstrecken.
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Gemäß einer weiteren zweckmäßigen Ausgestaltung ist weiterhin vorgesehen, dass der zweite Bereich ein von der Magnettasche separat ausgebildeter Hohlraum ist. Diese Ausführungsform wirkt sich ebenfalls vorteilhaft auf die Akustik aus.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Magnete in radialer Richtung eine Höhe von 4 mm bis 8 mm, vorzugsweise 5 mm bis 7 mm, insbesondere 6 mm aufweisen und dass die Magnete in Umfangsrichtung des Rotors betrachtet eine Breite von 11 mm bis 14 mm, vorzugsweise 12 mm bis 16 mm, insbesondere 14,4 mm aufweisen. Andere zweckmäßige Bemaßungen sind darüber hinaus jedoch auch denkbar.
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Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine permanentmagneterregte Synchronmaschine mit einem Rotor, welcher die zuvor beschriebenen Merkmale aufweist.
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Weiterhin betrifft die Erfindung einen Hybridantrieb, insbesondere für ein Fahrzeug, welcher eine permanentmagneterregte Synchronmaschine mit einem Rotor aufweist, welcher die zuvor beschriebenen Merkmale aufweist.
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Figurenliste
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 einen Ausschnitt aus der Querschnittsdarstellung des Rotors, wobei der zweite Bereich nasenförmig ausgeführt ist,
- 2 einen Ausschnitt aus der Querschnittsdarstellung des Rotors in einer Ausführungsform, wobei der zweite Bereich nicht nasenförmig ausgeführt ist, und
- 3 eine weitere Ausführungsform des Rotors in einer ausschnittsweisen Querschnittdarstellung, wobei der zweite Bereich als separater Hohlraum ausgeführt ist.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt den Rotor (100) in einer Querschnittsdarstellung, wobei der Rotor (100) Aussparungen in Form von Magnettaschen (11, 12) aufweist, welche zur Aufnahme von Magneten (13, 14) ausgebildet sind. Die Magnettaschen sind derart im Rotor angeordnet, dass eine erste Stirnfläche (15) des Magneten (13, 14) der Umfangsfläche (23) des Rotors zugewandt ist und eine zweite Stirnfläche (16) des Magneten (13, 14) der Umfangsfläche des Rotors abgewandt ist. Dabei verlaufen die Magnettaschen (11, 12) mit den darin befindlichen Magneten (13, 14) in radialer Richtung betrachtet schräg. Jeden Magnettasche (11, 12) weist im Bereich der ersten Stirnfläche (15, 15a) eine Ausformung (17, 18) auf, welche sich sowohl direkt an die erste Stirnfläche (15, 15a) angrenzend erstreckt, als auch seitlich in Umfangsrichtung (23) des Rotors betrachtet des Magneten (13, 14) sich erstreckt. Die Ausformung (17, 18) bildet somit einen zusammenhängenden Hohlraum bestehend aus dem zuvor beschriebenen ersten Bereich (20, 20a) und wenigstens einem zweiten Bereich (21, 21a), wobei diese durch einen stegförmigen Übergangsbereich (24, 24a) verbunden sind. Der wenigstens eine zweite Bereich (21, 21a) erstreckt sich ausgehend vom stegförmigen Übergangsbereich (24, 24a) zwischen dem wenigstens einen zweiten Bereich (21, 21a) und dem ersten Bereich (20, 20a) über eine gewisse Breite (b) in den Bereich seitlich der Magnettasche (11, 12) in Umfangsrichtung des Rotors (100) betrachtet, und läuft dann sich verjüngend zu in Umfangsberichtung des Rotors (100) betrachtet und bildet am Ende eine abgerundete Form aus. Insgesamt weist der wenigstens eine zweite Bereich (21, 21a) also eine nasenförmige Form auf.
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Jeweils zwei Magnettaschen (11, 12) sind im Bereich der der Umfangsfläche (23) des Rotors (100) abgewandten zweiten Stirnfläche (16) des Magneten (13, 14) verbunden, sodass sie in einer Querschnittsbetrachtung eine V-Form aufweisen. Dementsprechend sind auch die in den Magnettaschen (11, 12) angeordneten Magnete (13, 14) V-förmig angeordnet. Derartig V-förmige angeordnete Magnettaschen (11, 12) und Magnete (13, 14) sind über die gesamte Umfangsrichtung des Rotors verteilt. Jeweils zwei V-förmig angeordnete Magnete (13, 14) schließen einen Winkel α ein, und jeder Magnet besitzt eine Höhe (H) in radialer Richtung betrachtet und eine Breite (B) in Umfangsrichtung des Rotors betrachtet.
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In den 2 und 3 sind weitere mögliche Ausführungsformen des Rotors (100) gemäß 1 dargestellt, wobei gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen benannt sind.
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2 zeigt dabei eine weitere mögliche Ausführungsform des Rotors (100), wobei der mindestens eine zweite Bereich (21, 21a) nicht nasenförmig ausgeführt ist. Der Bereich, der bei der nasenförmigen Ausführung des mindestens einen zweiten Bereichs (21, 21a) sich auf einer der Umfangsfläche (23) des Rotors (100) abgewandten Seite der ausgeformten Nase seitlich der Magnettasche (11, 12) erstreckt und aus Rotormaterial gebildet ist, ist in dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ebenfalls als Ausformung ausgebildet, und somit hohl.
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3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, wobei der mindestens eine zweite Bereich (21, 21a) ein von der Magnettasche (11, 12) separat ausgebildeter Hohlraum ist. Diese Hohlräume sind bei V-förmiger Anordnung der Magnete (13, 14) im Bereich zwischen den beiden Magneten (13, 14) angeordnet und befinden sich darüber hinaus nah am Luftspalt zwischen Rotor (100) und Stator (22).
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Rotor
- 11, 12
- Magnettasche
- 13, 14
- Magnete
- 15, 15a
- erste Stirnfläche des Magneten
- 16, 16a
- zweite Stirnfläche des Magneten
- 17, 18
- Ausformung
- 20, 20a
- erster Bereich der Ausformung
- 21, 21a
- zweiter Bereich der Ausformung
- L
- radiale Länge des Rotors
- H
- Höhe des Magneten
- B
- Breite des Magneten
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014219894 A1 [0003]
- DE 102013201199 A1 [0004]
- DE 10357502 A1 [0005]
