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Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Hybrid-Synchronmaschine mit Schenkelpolgeometrie, welcher Erregerwicklungen zur Erzeugung eines elektrisch erregten magnetischen Flusses sowie Permanentmagnetanordnungen zur Erzeugung eines permanent erregten magnetischen Flusses aufweist. Die Erfindung betrifft außerdem eine hybrid erregte Synchronmaschine sowie ein Kraftfahrzeug.
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Vorliegend richtet sich das Interesse auf hybrid erregte elektrische Rotationsmaschinen, welche beispielsweise als Antriebsmaschinen für elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge eingesetzt werden können. Elektrische Rotationsmaschinen weisen einen Stator und einen gegenüber dem Stator drehbar gelagerten Rotor auf. Bei elektrisch erregten bzw. fremderregten elektrischen Rotationsmaschinen wird ein magnetischer Fluss im Rotor durch Bestromen von Erregerwicklungen des Rotors erzeugt. Der durch Variation des Stromes in den Erregerwicklungen bzw. Rotorwicklungen erzeugte magnetische Erregerfluss kann in vorteilhafter Weise variabel eingestellt werden und stellt somit einen Freiheitsgrad bei der Betriebspunktbestimmung der elektrischen Rotationsmaschine dar. Aus dem elektrischen Widerstand der Rotorwicklungen resultieren jedoch ohmsche Verluste, welche den Rotor erwärmen. Bei einer Verwendung von elektrisch erregten bzw. fremderregten Rotationsmaschinen als Antriebsmaschinen schränken die Verluste im Rotor zum einen die erreichbare mechanische Dauerleistung sowie das erreichbare mechanische Dauerdrehmoment der Maschine ein und beeinflussen zum anderen maßgeblich die Effizienz der elektromechanischen Wandlung.
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Bei permanent erregten elektrischen Rotationsmaschinen wird der magnetische Erregerfluss durch Permanentmagnete erzeugt. Hier wird keine Rotorwicklung benötigt, jedoch wird teures und zum Teil seltenes Aktivmaterial für die Herstellung der Permanentmagnete benötigt. Daher ist es aus dem Stand der Technik bekannt, hybrid erregte elektrische Rotationsmaschinen bereitzustellen, welche im Rotor sowohl Erregerwicklungen zur elektrischen Erregung als auch Permanentmagnete zur permanenten Erregung aufweisen.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Rotor für eine hybrid erregte Rotationsmaschine bereitzustellen, bei welchem Erregerwicklungen und Permanentmagnete hinsichtlich ihres Zusammenwirkens besonders günstig zueinander positioniert sind.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Rotor, eine hybrid erregte Synchronmaschine sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figur.
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Ein erfindungsgemäßer Rotor für eine hybrid erregte elektrische Synchronmaschine mit Schenkelpolgeometrie weist ein Rotorblechpaket mit einem Jochring und zumindest zwei, entlang eines Umfangs des Jochrings an dem Jochring angeordneten Schenkelpolen auf. Die Schenkelpole weisen jeweils einen radial von dem Jochring abstehenden Polschaft und jeweils einen an dem Polschaft angeordneten Polschuh auf. Außerdem weist der Rotor eine mit einer Anzahl an Schenkelpolen korrespondierende Anzahl an Erregerwicklungen auf, welche um die Polschäfte gewickelt sind und welche zur Erzeugung eines elektrisch erregten magnetischen Flusses ausgebildet sind. Darüber hinaus weist der Rotor eine mit der Anzahl an Schenkelpolen korrespondierende Anzahl an Permanentmagnetanordnungen auf, welche jeweils zumindest einen Permanentmagneten zur Erzeugung eines permanent erregten magnetischen Flusses aufweisen und welche in die Polschuhe eingebettet sind. Pro Schenkelpol ist somit ein rein elektrisch erregter magnetischer Fluss bei Ausfall der Permanentmagnetanordnung, ein rein permanent erregter magnetischer Fluss bei Ausfall der Erregerwicklungen und ein hybrid erregter magnetischer Fluss durch Überlagerung des elektrisch erregten Flusses und des permanent erregten magnetischen Flusses bereitstellbar.
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Zur Erfindung gehört außerdem eine hybrid erregte Synchronmaschine mit Schenkelpolgeometrie bzw. Schenkelpolmaschine aufweisend einen Stator und einen erfindungsgemäßen Rotor bzw. Schenkelpolläufer, wobei der Stator und der Rotor unter Ausbildung eines Luftspaltes beabstandet zueinander angeordnet sind und der Rotor drehbar bezüglich des Stators gelagert ist. Die Hybrid-Synchronmaschine kann beispielsweise als Antriebsmaschine eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs verwendet werden. Insbesondere ist die Synchronmaschine als Innenläufer ausgebildet, bei welcher der Rotor innerhalb eines hohlzylinderförmigen Statorblechpakets des Stators drehbar gelagert ist.
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Der Rotor weist das Rotorblechpaket auf, welches vorzugsweise aus einem Elektroblech gebildet ist. Das Rotorblechpaket weist den Jochring bzw. das ringförmige Rotorjoch auf, welches zum Übertragen einer Rotation des Rotors, beispielsweise auf Räder des Kraftfahrzeugs, mit einer Welle mechanisch verbindbar ist. An dem Rotorjoch abstehend sind die Schenkelpole angeordnet. Im Falle eines Innenläufers sind die Schenkelpole entlang eines Außenumfangs des ringförmigen Rotorjochs verteilt angeordnet und stehen radial nach außen hin ab. Die Schenkelpolgeometrie der Synchronmaschine weist den Vorteil auf, dass zusätzlich ein Reluktanzmoment, bedingt durch unterschiedliche magnetische Reluktanzen entlang einer d- und q-Achse, erzeugt werden kann. Das Rotorjoch und die Schenkelpole sind insbesondere einteilig ausgebildet. Die Schenkelpole weisen jeweils einen Polschaft bzw. Polkern und einen Polschuh auf, wobei ein Außenrand des Polschuhs dem Luftspalt der Synchronmaschine zugewandt ist und der Polschaft zwischen dem Jochring und dem Polschuh angeordnet ist. Der Polschaft weist vorzugsweise eine rechteckförmige Querschnittsfläche auf, ist also vorzugsweise parallelflankig ausgebildet, und der Polschuh weist entweder eine kreissegmentförmige Querschnittsfläche auf, sodass die Schenkelpole eine pilzförmige Querschnittsfläche aufweisen und zwischen der Oberfläche der Schenkelpole und dem Innendurchmesser des Stators ein inhomogener Luftspalt resultiert, oder eine zylinderförmige Querschnittsfläche auf, sodass zwischen der Oberfläche der Schenkelpole und dem Innendurchmesser des Stators ein homogener Luftspalt resultiert. Zwischen zwei benachbarten Schenkelpolen sind Nuten gebildet, in welchen die um die Polschäfte gewickelten Erregerwicklungen bzw. Rotorwicklungen angeordnet sind. Die Erregerwicklungen werden bei einer Rotation des Rotors durch die Polschuhe auf den Polschäften gehalten. Zum Erzeugen eines elektrisch erregten Flusses kann den Rotorwicklungen ein Strom zugeführt werden.
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Außerdem weist der Rotor die Permanentmagnetanordnungen auf, welche jeweils mindestens einen Permanentmagneten zur Erzeugung des magnetisch erregten Flusses aufweisen. Der zumindest eine Permanentmagnet einer Permanentmagnetanordnung kann beispielsweise mittig im Polschuh und damit auf einer radial orientierten Schenkelpolachse angeordnet sein. Die Permanentmagnete der Permanentmagnetanordnung sind beispielsweise tangential orientiert und radial entlang einer d-Achse magnetisiert. Eine Orientierungsrichtung der Permanentmagnete ist also in tangentialer Richtung orientiert und eine Magnetisierungsrichtung der Permanentmagnete ist in radialer Richtung orientiert. Der magnetisch erregte Fluss und der permanent erregte magnetische Fluss können sich zu dem hybrid erregten magnetischen Fluss überlagern, welcher eine Luftspaltflussdichte im Luftspalt der Synchronmaschine erzeugt. Die Permanentmagnetanordnungen sind in die Polschuhe eingebettet. Dazu weist jeder Polschuh insbesondere zumindest eine Aussparung auf, welche sich zumindest teilweise axial durch das Rotorblechpaket hindurch erstreckt und in welcher der zumindest eine Permanentmagnet der zugehörigen Permanentmagnetanordnung angeordnet ist. Das Einbetten der Permanentmagnete in das Rotorblechpaket weist den Vorteil auf, dass es auf einfach Weise automatisiert durchgeführt werden kann. Beispielsweise können die Aussparungen durch Ausstanzen gebildet sein und die Permanentmagnete können durch einfaches axiales Einschieben mit anschließendem Durchsetzfügen in die Aussparungen am Rotorblechpaket angeordnet werden. Außerdem können durch das Einbetten der Permanentmagnetanordnungen in die Polschuhe die Vorteile der Schenkelpolgeometrie der Synchronmaschine, welche eine sinusförmige Luftspaltflussdichte mit geringen harmonischen Oberwellen begünstigt, beibehalten werden.
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Das Überlagern der magnetischen Flüsse weist eine Vielzahl von Vorteilen auf. Zum einen kann der den Erregerwicklungen zugeführte elektrische Strom zum Erzeugen eines bestimmten Drehmoments im Vergleich zu einer rein elektrisch erregten Rotationsmaschine reduziert werden. Die Synchronmaschine ist also besonders energiesparend ausgebildet. Durch das Reduzieren des elektrischen Stroms werden auch ohmsche Verluste, welche den Rotor erwärmen und eine mechanische Dauerleistung, das erreichbare mechanische Dauerdrehmoment sowie die Effizienz einer Rotationsmaschine negativ beeinflussen, in vorteilhafter Weise verringert. Zum anderen können die Permanentmagnete im Vergleich zu rein permanent erregten Rotationsmaschinen mit einer geringeren Magnetmasse ausgebildet werden. Aufgrund der kleineren, leichteren Permanentmagnete können die Aussparungen zum Aufnehmen der Permanentmagnete nahe zum Außenrand des Polschuhs platziert werden und Stege des Polschuhs zwischen dem Permanentmagnet und dem Luftspalt somit möglichst schmal ausgeführt werden, da die beim Rotieren des Rotors auf die Stege ausgeübte Kraft im Vergleich zu großen, schweren Permanentmagneten von rein permanent erregten Rotationsmaschinen geringer ist.
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Ferner weist die Einbettung der einzelnen Permanentmagnete im aktiven Kurzschlussfall, welcher zum Vermeiden von Schäden bei zu hohen elektrischen Spannungen an der Synchronmaschine und somit zum Bereitstellen eines sicheren Betriebsmodus für die Synchronmaschine gezielt herbeigeführt werden kann, günstige Bedingungen auf, um ein Entmagnetisieren der Permanentmagnete zu verhindern. Falls es dennoch zur Entmagnetisierung und damit zum Ausfall der Permanentmagnete kommen sollte, kann die Synchronmaschine weiterhin mit Hilfe der Erregerwicklungen elektrisch erregt werden. Sollte es zum Ausfall der Erregerwicklungen, also der elektrischen Erregung, kommen, kann die Synchronmaschine weiterhin alleinig mit der permanentmagnetischen Erregung durch die Permanentmagnete betrieben werden.
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Wenn sowohl die elektrische Erregung als auch die permanentmagnetische Erregung zur Verfügung stehen, so besitzt die hybrid erregte Synchronmaschine drei elektromechanische Wandlungsprinzipien, welche ein Drehmoment erzeugen können. Hierzu zählen ein Reluktanzmoment, bedingt durch unterschiedliche magnetische Reluktanzen entlang einer d- und q-Achse aufgrund der Schenkelpole, ein permanentmagnetisch erregtes Drehmoment, bedingt durch den magnetischen Fluss der Permanentmagnete, und ein elektrisch erregtes Drehmoment, bedingt durch den magnetischen Fluss erzeugt durch den elektrischen Strom in den Erregerwicklungen.
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Insbesondere weist jede Permanentmagnetanordnung zwei Permanentmagnete auf, wobei jeweils ein Permanentmagnet einer Permanentmagnetanordnung in einem tangential von dem Polschaft abstehenden Überstand des Polschuhs angeordnet ist. Die zwei Permanentmagnete einer Permanentmagnetanordnung sind also in den Polschuhbereichen angeordnet, welche seitlich an dem Polschaft überstehen und in Richtung der Nuten ragen. Die zwei Permanentmagnete einer Permanentmagnetanordnung liegen sich also in tangentialer Richtung in den Überständen des Polschuhs gegenüber. Vorzugsweise sind die Permanentmagnete in V-Anordnung in dem jeweiligen Polschuh angeordnet. Es sind aber auch andere Anordnungen der Permanentmagnete in dem Polschuh denkbar.
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Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen hybrid erregten Synchronmaschine. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug und weist die Synchronmaschine als Antriebsmaschine auf.
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Die mit Bezug auf den erfindungsgemäßen Rotor vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße hybrid erregte Synchronmaschine sowie für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Figur und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
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Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt die einzige Figur 1 eine schematische Darstellung einer hybrid erregten Synchronmaschine 1 bzw. Hybrid-Synchronmaschine.
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Die Synchronmaschine 1 weist einen Stator 2 mit einem hohlzylinderförmigen Statorblechpaket 3 und einen innerhalb des Statorblechpakets 3 angeordneten Rotor 4 auf. In Statornuten 5 sind hier nicht gezeigte Statorwicklungen zur Erzeugung eines magnetischen Drehfelds angeordnet, welches den Rotor 4 in eine Drehbewegung versetzt. Der Rotor 4 weist ein Rotorblechpaket 6 mit einem Jochring 7 und Schenkelpolen 8 auf, wobei die Schenkelpole 8 an dem Jochring 7 angeordnet sind. Die Schenkelpole 8 weisen jeweils einen Polschaft 9 sowie einen Polschuh 10 auf. Zwischen einem Außenrand 11 der Polschuhe 10 und dem Statorblechpaket 3 ist ein Luftspalt 12 gebildet. Um jeden Polschaft 9 ist eine hier nicht gezeigte Erregerwicklung gewickelt, wobei die Erregerwicklungen in Nuten 13 zwischen zwei benachbarten Schenkelpolen 8 angeordnet sind. Die Erregerwicklungen bilden eine erste magnetfelderzeugende Komponente. Dazu können die Erregerwicklungen bestromt werden und erzeugen einen elektrisch erregten magnetischen Fluss, welcher zu einer Flussdichte im Luftspalt 12 beiträgt.
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Außerdem weist der Rotor 4 eine zweite magnetfelderzeugende Komponente in Form von Permanentmagnetanordnungen 14 auf, welche in die Polschuhe 10 eingebettet sind. Dabei ist jeweils eine Permanentmagnetanordnung 14 in einen Polschuh 10 eingebettet, sodass jeder Schenkelpol 8 eine Erregerwicklung und eine Permanentmagnetanordnung 14 aufweist. Jede Permanentmagnetanordnung 14 weist hier zwei Permanentmagnete 15 auf, welche in tangential nach außen abstehenden Überständen 16 der Polschuhe 10 angeordnet sind. Die Permanentmagnete 15 sind insbesondere tangential orientiert und radial, entlang der d-Achse, magnetisiert. Die Permanentmagnete 15 erzeugen einen permanent erregten magnetischen Fluss, welcher ebenfalls zu der Flussdichte im Luftspalt 12 beiträgt. Der elektrisch erregte magnetische Fluss und der permanent erregte magnetische Fluss können sich zu einem hybrid erregten magnetischen Fluss überlagern, welcher die Luftspaltflussdichte ausbildet. Der elektrisch erregte magnetische Fluss und permanent erregte magnetische Fluss können aber auch für sich alleine die Luftspaltflussdichte erzeugen, falls die jeweils andere magnetflusserzeugende Komponente ausfällt.
