WO2013131795A2 - Rotor und elektrische maschine - Google Patents

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WO2013131795A2
WO2013131795A2 PCT/EP2013/053913 EP2013053913W WO2013131795A2 WO 2013131795 A2 WO2013131795 A2 WO 2013131795A2 EP 2013053913 W EP2013053913 W EP 2013053913W WO 2013131795 A2 WO2013131795 A2 WO 2013131795A2
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partial
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rotors
magnets
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Gurakuq Dajaku
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Feaam Gmbh
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    • H02K1/2753—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets the rotor consisting of magnets or groups of magnets arranged with alternating polarity
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    • H02K29/03—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with a magnetic circuit specially adapted for avoiding torque ripples or self-starting problems

Definitions

  • Rotor and electric machine The present invention relates to a rotor for an electric machine. Furthermore, the invention relates to an electrical machine with such a rotor.
  • Electric machines include a stator and a rotor movable relative thereto. Depending on the relative movement, a distinction is made between rotating machines and linear machines. Electrical machines can work by motor or generator, converting electrical energy into rotational energy or translational energy, or vice versa.
  • This torque ripple may result from the interaction between the magnetic flux due to stator currents and the magnetic flux of the rotor.
  • the torque ripple is the result of the interaction between higher harmonics of the flux density of the air gap, the rotor magnet and the Stator current is generated.
  • the cogging torque finally is He, as a variable reluctance consists ⁇ result of an interaction between the magnetic flux emanating from the magnet and the stator geometry depending on the angular position of the rotor.
  • the torque ripple and the cogging torque be less than 5% and 0.5% of the rated torque
  • sol ⁇ len There have so far been described different approaches to adorn these unwanted cogging or torque ripple to redu ⁇ .
  • previously known approaches are usually associated with a reduced efficiency of the machine and / or higher manufacturing costs.
  • a stator for an electrical machine which comprises at least two parts, which each have grooves for receiving electrical Wick ⁇ lungs.
  • the slot openings of the two stators are shifted from each other in the circumferential direction.
  • the stators are combined with each other axially and / or circumferentially.
  • This approach leads to an effective reduction of the cogging torque of the electric machine, largely without the above-described disadvantages of hitherto known approaches.
  • ER calls this approach a change in the geometry of the Sta ⁇ tors.
  • the rotor for an electric machine comprises a first and a second sub-rotor. These each have at least one magnet and at least ei ⁇ ne associated with the magnet flux barrier.
  • the flux barrier is designed to inhibit the magnetic flux in the rotor.
  • the flow barrier of the at least one two ⁇ th sub -rotor is arranged shifted with respect to the at least one flow barrier of the first sub-rotor in the circumferential direction of the rotor.
  • the two sub-rotors are combined with each other in the axial direction and / or in the circumferential direction.
  • the flow barriers of the rotor can be designed, for example, as air-filled cavities of the rotor.
  • the flow barriers directly adjoin the magnets in the circumferential direction on opposite sides.
  • Displacement in one embodiment, means that a flux barrier that attaches to a magnet is expanded in the circumferential direction, that is, enlarged, while the opposite flux barrier on this magnet can be reduced by the corresponding amount.
  • the displacement of the flux barriers relative to one another is designed such that the minimum of the reluctance of the rotor is shifted relative to one another, that is to say in comparison with the two sub-rotors.
  • Rotors of electric machines can be described with the d-q-axis theory.
  • the d-axis lies in the middle of a rotor pole, and the q-axis lies between two rotor poles.
  • the q-axis is shifted by 90 ° with respect to the d-axis.
  • the d-axis represents the location with the highest reluctance and the q-axis the place with the lowest reluctance.
  • the d-axis represents the region of highest reluctance and the q-axis represents the region of least reluctance.
  • Flow barriers are preferably regions of non-magnetic and non-electrical material, such as air. You can, for example, as a cavity in the Rotor laminated core be realized. This cavity borders be ⁇ vorzugt of the magnet and is enclosed by the way the iron of the Ro ⁇ tors.
  • Ver ⁇ shift the range of minimum reluctance of the rotor acts out so that the q-axis is also displaced and located in the middle of the minimum of the range of minimum reluctance rotor.
  • the asymmetric displacement of the flux barriers causes the q-axis to be shifted by an angle.
  • the shift angles of the q-axes of the sub-rotors are equal in magnitude to a rotor with conventional flux-barriers, but have a different sign.
  • the sub-rotors each have at least one magnetic north pole and a magnetic South Pole on.
  • the north pole and the south pole per each have ge ⁇ genüberode flux barrier, wherein the mustlie ⁇ constricting flow barrier of the North Pole, as well as the south pole with respect to a respective axis of symmetry of a conventional rotor are designed asymmetrically.
  • Partial rotors are preferably combined with each other, which apart from the described asymmetric displacement of the flow barriers have the same structure, in particular the same rotor geometry.
  • the sub-rotors When the sub-rotors are combined in the axial direction, the sub-rotors may even have a completely identical structure, but are not axially combined in the same sense, but one of the sub-rotors is combined in the opposite direction with the other.
  • the first and the second part rotor in the embodiment with permanent magnets, at least one of the following types: magnets used in grooves, buried magnets, such as buried tangential magnets or buried V magnets, or a buried Mehr fürstruk ⁇ structure .
  • magnets used in grooves buried magnets, such as buried tangential magnets or buried V magnets, or a buried Mehr fürstruk ⁇ structure .
  • buried magnets such as buried tangential magnets or buried V magnets, or a buried Mehr harshstruk ⁇ structure .
  • a buried Mehr für Ststruk ⁇ structure Preferably cuboid magnets are used.
  • the rotor may be designed as a reluctance rotor, in which case the first and second part-rotors are also designed as reluctance rotors.
  • an electric machine is provided with a stator and a rotor described above.
  • the stator may be designed to receive electrical windings, for example in stator slots.
  • the stator for receiving a three-phase electrical Be provided system, but there are other current systems ⁇ me possible.
  • FIG. 2 shows an exemplary embodiment of an electrical machine with a second partial rotor according to the proposed principle
  • FIG. 3 shows an embodiment of a rotor in which the first and second part-rotors according to FIGS. 1 and 2 are combined axially with one another
  • Figure 4 shows a conventional rotor with V-shaped buried
  • FIG. 6 shows an example of a diagram of torque profiles
  • FIG. 1 shows an embodiment of an electrical machine having a stator 1 and a rotor, wherein a first portion rotor 2 is shown in FIG. 1
  • the first part rotor 2 has buried V-shaped arranged magnetic poles, which are formed as north pole N and south pole S.
  • Insge ⁇ velvet are two magnetic pole pairs, that is a total of four buried magnets S, N provided, opposite magnets are each of the same polarity.
  • a flux barrier 4, 5 which is realized as an air-filled cavity.
  • the flux barrier 4, 5 respectively cavities in the iron core of the rotor which adjoin the permanent magnets ⁇ S, N are.
  • the d-axis passes through the center of a rotor pole N, while the q-axis is electrically perpendicular to it and in the middle between the north pole N and an adjacent south pole S runs.
  • the geometric angle is not 90 °, but only half of it, namely 45 ° between the d-axis and q-axis.
  • the d-axis represents the region of maximum reluctance of the rotor, while the q-axis represents the region of least reluctance.
  • FIG. 2 shows an electric machine with a second partial rotor 3 on an exemplary embodiment.
  • the structure and the geometry of the two sub-rotors of Figures 1 and 2 are completely identical, except for the asymmetry of the flux barriers, which are not clockwise in Figure 2, but in the counterclockwise direction. This results in the example of Figure 2, a displacement of the q-axis counterclockwise, by an angle r .
  • the displacement angle r of the examples of Figures 1 and 2 is moderate be ⁇ supporting the same, but in opposite directions. If the partial rotors 2, 3 according to FIGS. 1 and 2 are combined axially one after the other to form a common rotor, the result is a rotor according to the embodiment of FIG. 3.
  • the second partial rotor 3 according to FIG. 2 is behind the first part Rotor shown in FIG.
  • the stator 1 is not shown in the illustration of Figure 3 for the sake of clarity. It can be seen that the resulting q-axis of the entire rotor of Figure 3, which is characterized by superposition of the q-axis ql of the first part of the rotor 2 and the q-axis q2 of the second sub-rotor 3 results, just again at an angle of electrically 90 ° to the d-axis of the Ge ⁇ felrotors.
  • the d-axis of the overall rotor is identical to the dl-axis of the first sub-rotor and the d2-axis of the second sub-rotor. Function and advantages of this Ausgestal ⁇ tion will be explained later with reference to Figure 6.
  • Figure 4 shows a conventional rotor with V-shaped buried magnets S, N and symmetrically at the outer
  • Figures 5A and 5B show the field curves for the magneti ⁇ rule flux in the rotor and stator, wherein Figure 5A 5B is an exemplary detail of Figure 1 and Figure is an exemplary detail of FIG 2 with respect to the rotor and Statorgeo ⁇ geometry.
  • Figure 5A 5B is an exemplary detail of Figure 1
  • Figure is an exemplary detail of FIG 2 with respect to the rotor and Statorgeo ⁇ geometry.
  • the resulting torque curve - is drawn in dashed lines ⁇ and applies to the overall arrangement of Figure 3.
  • the total rotor is half formed from the sub-rotors 2 and 3. It can be clearly seen that the total torque ripple is very clearly reduced in the circumferential direction as a result of the proposed combination of partial rotors 2, 3 with flow barriers displaced relative to one another in the circumferential direction. This is accompanied by a significant reduction in the
  • Consequences of a high torque ripple for example, ⁇ a significant reduction of vibrations of the electric machine during operation and the operating noise and ultimately a significant improvement in efficiency.
  • FIGS. 7A and 7B show a further embodiment of the proposed principle with buried, tangential permanent magnets based on respective examples of two partial rotors.
  • the embodiment is based in its structure, the function ⁇ way and the advantageous mode of action on that ge ⁇ according to the figures 1 to 3 and will not be described in this respect again.
  • the V-shaped magnets instead of the V-shaped magnets are introduced in a tangential design in the sub-rotors.
  • FIGS. 7A and 7B show partial rotors according to an application of the proposed principle to a pure reluctance rotor without permanent magnets.
  • the electrical machine described requires no changes to the stator. It is sufficient to carry out the measures described in the rotor.
  • the asymmetrical design of the flux barriers 4, 5 can be done in a simple manner by punching the laminated core of the rotor, wherein for the realization 3, only a single punching tool is required, since the rotors of FIGS. 1 and 2 can be manufactured very inexpensively by turning over the laminations and twisting axially combined according to FIG.

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Abstract

Vorliegend ist ein Rotor für eine elektrische Maschine angegeben, der zwei Teil-Rotoren (2, 3) umfasst, die jeweils mindestens eine Fluss-Barriere (4, 5, 4', 5') umfassen. Die mindestens eine Fluss-Barriere (4', 5') des mindestens einen zweiten Teil-Rotors (3) ist in Bezug auf die mindestens eine Fluss-Barriere (4, 5) des ersten Teil-Rotors (2) in Umfangsrichtung verschoben. Die beiden Teil-Rotoren (2, 3) sind miteinander axial und/oder in Umfangsrichtung kombiniert. Weiterhin ist eine elektrische Maschine mit dem Rotor beschrieben.

Description

Beschreibung
Rotor und elektrische Maschine Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine. Weiterhin betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine mit einem solchen Rotor.
Elektrische Maschinen umfassen einen Stator und einen relativ dazu beweglichen Rotor. Abhängig von der Relativbewegung unterscheidet man rotierende Maschinen und linear arbeitende Maschinen. Elektrische Maschinen können motorisch oder generatorisch arbeiten und konvertieren dabei elektrische Energie in Rotationsenergie beziehungsweise Translationsenergie, oder umgekehrt.
Beispielsweise bei Synchronmaschinen mit im Rotor angeordne¬ ten Permanentmagneten, aber auch bei synchronen Reluktanzmaschinen, kann eine Welligkeit des Drehmoments der Maschine auftreten, die normalerweise unerwünscht ist. Derartige Dreh¬ momentschwankungen können die Ursache für Vibrationen, Geräusche und Drehzahlschwankungen sein sowie Probleme bei der Steuerung verursachen. Bei permanenterregten Synchronmaschinen unterscheidet man die Drehmomentwelligkeit und das Rast- moment, während bei Reluktanzmaschinen die Drehmomentwellig¬ keit signifikant ist.
Diese Drehmomentwelligkeit kann aus der Interaktion zwischen dem magnetischen Fluss aufgrund von Statorströmen und dem magnetischen Fluss des Rotors herrühren. Bei permanentmagnet¬ erregten Synchronmaschinen ist die Drehmomentwelligkeit das Ergebnis der Wechselwirkung von höheren Harmonischen der Flussdichte des Luftspalts, die von Rotormagneten und dem Statorstrom erzeugt wird. Das Rastmoment schließlich ist Er¬ gebnis einer Wechselwirkung zwischen dem magnetischen Fluss, der von Magneten herrührt, und der Statorgeometrie, da eine veränderliche Reluktanz abhängig von der Winkelposition des Rotors besteht.
Beispielsweise bei Anwendungen in der Automobilindustrie sol¬ len die Drehmomentwelligkeit und das Rastmoment geringer als 5 % beziehungsweise 0,5 % des Nenn-Drehmoments sein. Es sind bisher verschiedene Ansätze beschrieben, um diese unerwünschten Rastmomente beziehungsweise Drehmomentwelligkeit zu redu¬ zieren. Bisher bekannte Ansätze gehen jedoch meist mit einem reduzierten Wirkungsgrad der Maschine und/oder höheren Fertigungskosten einher.
In der Patentanmeldung DE 10 2010 032 764 ist ein Stator für eine elektrische Maschine angegeben, der zumindest zwei Teile umfasst, welche jeweils Nuten zur Aufnahme elektrischer Wick¬ lungen aufweisen. Die Nutöffnungen der beiden Statoren sind zueinander in Umfangsrichtung verschoben. Die Statoren sind miteinander axial und/oder in Umfangsrichtung kombiniert. Dieser Ansatz führt zu einer wirksamen Reduzierung des Rastmoments der elektrischen Maschine, weitgehend ohne die oben beschriebenen Nachteile bisher bekannter Ansätze. Dabei er- fordert dieser Ansatz eine Veränderung der Geometrie des Sta¬ tors .
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Rotor sowie eine Maschine mit diesem Rotor anzugeben, bei dem die Drehmo- mentwelligkeit deutlich reduziert ist. Die Aufgabe wird mit den Gegenständen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbil¬ dungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. In einer Ausführungsform umfasst der Rotor für eine elektrische Maschine einen ersten und einen zweiten Teil-Rotor. Diese haben jeweils mindestens einen Magneten und mindestens ei¬ ne dem Magneten zugeordnete Fluss-Barriere . Die Fluss- Barriere ist dazu eingerichtet, den magnetischen Fluss im Ro- tor zu hemmen. Die Fluss-Barriere des mindestens einen zwei¬ ten Teil-Rotors ist im Bezug auf die mindestens eine Fluss- Barriere des ersten Teil-Rotors in Umfangsrichtung des Rotors verschoben angeordnet. Die beiden Teil-Rotoren sind miteinander in axialer Richtung und/oder in Umfangsrichtung kombi- niert.
Eine unsymmetrische Verschiebung der Fluss-Barrieren in den Teil-Rotoren relativ zueinander führt entsprechend zu einer relativen Verschiebung des Ortes der minimalen Reluktanz der Teil-Rotoren. Hierdurch wiederum ergibt sich eine relative Verschiebung der Drehmomentwelligkeitskomponenten, die von den jeweiligen Teil-Rotoren erzeugt werden. Kombiniert man die Teil-Rotoren wie vorgeschlagen, so können die Drehmoment- welligkeitskomponenten der Teil-Rotoren gegenseitig kompen- siert werden und die gesamte Drehmomentwelligkeit eines der¬ artigen Rotors kann deutlich reduziert werden, bis hin zu einer Auslöschung.
Die Fluss-Barrieren des Rotors können beispielsweise als mit Luft gefüllte Hohlräume des Rotors ausgebildet sein.
Bevorzugt schließen die Fluss-Barrieren in Umfangsrichtung unmittelbar an gegenüberliegenden Seiten an die Magnete an. Verschiebung bedeutet in einer Ausführungsform, dass eine Fluss-Barriere, die sich an einen Magneten anschleißt, in Um- fangsrichtung ausgedehnt, das heißt vergrößert ist, während die gegenüberliegende Fluss-Barriere an diesem Magneten um den entsprechenden Betrag verkleinert sein kann.
Wie oben angedeutet, ist die Verschiebung der Fluss-Barrieren relativ zueinander so gestaltet, dass das Minimum der Reluktanz des Rotors relativ, das heißt im Vergleich der beiden Teil-Rotoren zueinander, verschoben ist.
Rotoren von elektrischen Maschinen können mit der d-q- Achsentheorie beschrieben werden. Dabei liegt die d-Achse in der Mitte eines Rotor-Pols, und die q-Achse liegt zwischen zwei Rotor-Polen. Die q-Achse ist bezüglich der d-Achse um 90° elektrisch verschoben.
Bei permanentmagneterregten Maschinen, beispielsweise mit eingesetzten oder mit vergrabenen Magneten im Rotor, reprä- sentiert die d-Achse den Ort mit der höchsten Reluktanz und die q-Achse den Ort mit der geringsten Reluktanz.
Auch bei synchronen Reluktanzmaschinen repräsentiert die d- Achse den Bereich höchsten Reluktanz und die q-Achse den Be- reich geringster Reluktanz.
Wie oben erläutert, führen asymmetrisch nach rechts oder links verschobene Fluss-Barrieren in Umfangsrichtung dazu, dass sich der Bereich minimaler Reluktanz des Rotors eben- falls nach links beziehungsweise rechts in Umfangsrichtung verschiebt. Fluss-Barrieren sind bevorzugt Regionen aus nichtmagnetischem und nichtelektrischem Material wie beispielsweise Luft. Sie können beispielsweise als Hohlraum im Rotor-Blechpaket realisiert sein. Dieser Hohlraum grenzt be¬ vorzugt an den Magnet an und ist im Übrigen vom Eisen des Ro¬ tors umschlossen. In der d-q-Achsentheorie wirkt sich die beschriebene Ver¬ schiebung des Bereichs minimaler Reluktanz des Rotors so aus, dass sich die q-Achse ebenfalls verschiebt und in der Mitte des Minimums des Bereichs minimaler Rotor-Reluktanz liegt. Mit anderen Worten führt die asymmetrische Verschiebung der Fluss-Barrieren dazu, dass die q-Achse um einen Winkel ver¬ schoben ist.
Es wird vorgeschlagen, den Rotor in mindestens zwei Teil- Rotoren zu zerlegen, wobei in einem Rotor die q-Achse um ei- nen bestimmten Winkel nach rechts, und dem anderen Rotor um einen bestimmten Winkel nach links verschoben ist. Anstelle der Begriffe rechts und links können alternativ die Begriffe Uhrzeigersinn und Gegenuhrzeigersinn Anwendung finden. Da mit der Verschiebung der q-Achse jeweils auch eine Verschiebung der Komponenten der Drehmomentwelligkeit der Teil- Rotoren einhergeht, ist es auf diese Weise möglich, die ge¬ samte Drehmoment-Restwelligkeit des Rotors signifikant zu re¬ duzieren, bis hin zu einer Auslöschung dieser Restwellig- keitskomponenten des Drehmoments.
In einer Ausführungsform sind die Verschiebungswinkel der q- Achsen der Teil-Rotoren gegenüber einem Rotor mit herkömmlichen Fluss-Barrieren betragsmäßig gleich, weisen jedoch ein unterschiedliches Vorzeichen auf.
In einer Ausführungsform weisen die Teil-Rotoren jeweils mindestens einen magnetischen Nordpol und einen magnetischen Südpol auf. Der Nordpol und der Südpol weisen je einander ge¬ genüberliegende Fluss-Barrieren auf, wobei die gegenüberlie¬ genden Fluss-Barrieren des Nordpols sowie auch des Südpols bezüglich einer jeweiligen Symmetrieachse eines herkömmlichen Rotors unsymmetrisch ausgebildet sind.
Bevorzugt werden Teil-Rotoren miteinander kombiniert, die abgesehen von der beschriebenen asymmetrischen Verschiebung der Fluss-Barrieren den gleichen Aufbau haben, insbesondere die gleiche Rotorgeometrie. Bei Kombination der Teil-Rotoren in axialer Richtung können die Teil-Rotoren sogar einen völlig identischen Aufbau haben, werden jedoch axial nicht in gleichem Sinn miteinander kombiniert, sondern einer der Teil- Rotoren wird in umgekehrter Achsrichtung mit dem anderen kom- biniert.
Bevorzugt weisen der erste und der zweite Teil-Rotor, bei Ausführung mit Permanentmagneten, mindestens einen der folgenden Typen auf: in Nuten eingesetzte Magnete, vergrabene Magnete, beispielsweise vergrabene tangentiale Magnete oder vergrabene V-Magnete, oder eine vergrabene Mehrschichtstruk¬ tur. Bevorzugt werden quaderförmige Magnete eingesetzt.
Alternativ oder zusätzlich kann der Rotor als Reluktanzrotor ausgebildet sein, wobei in diesem Fall auch der erste und zweite Teil-Rotor als Reluktanzrotoren ausgebildet sind.
In einer anderen Ausführungsform ist eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem vorstehend beschriebenen Rotor angegeben. Der Stator kann zur Aufnahme elektrischer Wicklungen, beispielsweise in Statornuten, ausgeführt sein. Dabei kann der Stator zur Aufnahme eines elektrischen Dreiphasen- Systems vorgesehen sein, es sind aber auch andere Stromsyste¬ me möglich.
Die Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbei- spielen anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
Figur 1 ein Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine mit einem ersten Teil-Rotor nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
Figur 2 ein Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine mit einem zweiten Teil-Rotor nach dem vorgeschlage- nen Prinzip,
Figur 3 ein Ausführungsbeispiel eines Rotors, bei dem der erste und zweite Teil-Rotor gemäß Figuren 1 und 2 axial miteinander kombiniert sind,
Figur 4 einen herkömmlichen Rotor mit V-förmig vergrabenen
Magneten,
Figuren 5A und 5B Ausführungsbeispiele der magnetischen
Flusslinien jeweiliger Ausschnitte der Beispiele von Figuren 1 und 2,
Figur 6 ein Beispiel eines Diagramms von Drehmomentverläu¬ fen,
Figuren 7A und 7B Ausführungsbeispiele von zwei Teil- Rotoren mit vergrabenen tangentialen Magneten nach dem vorgeschlagenen Prinzip, und Figuren 8A und 8B Ausführungsbeispiele von zwei als Reluk¬ tanzrotor ausgeführten Teil-Rotoren nach dem vorgeschlagenen Prinzip.
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer elektrischen Ma¬ schine mit einem Stator 1 und einem Rotor, wobei in Figur 1 ein erster Teil-Rotor 2 gezeigt ist. Der erste Teil-Rotor 2 weist vergrabene V-förmig angeordnete Magnetpole auf, die als Nordpol N beziehungsweise Südpol S ausgebildet sind. Insge¬ samt sind zwei magnetische Polpaare, das heißt insgesamt vier vergrabene Magnete S, N vorgesehen, wobei gegenüberliegende Magnete jeweils von gleicher Polarität sind. An die jeweils gegenüberliegenden Enden der Schenkel der V-förmigen Magnete schließt sich jeweils eine Fluss-Barriere 4, 5 an, welche als luftgefüllter Hohlraum realisiert ist. Dabei ist jeweils in Umfangsrichtung im Uhrzeigersinn vom jeweiligen Magnet S, N ausgehend die magnetische Fluss-Barriere 5 vergrößert, wäh¬ rend die Fluss-Barriere 4 im Gegenuhrzeigersinn von den Mag- neten ausgehend verkleinert ist. Damit ergibt sich eine un¬ symmetrische Verteilung der Fluss-Barrieren 4, 5 an den jeweiligen vergrabenen V-förmigen Magneten S, N.
Mit anderen Worten sind die Fluss-Barrieren 4, 5 jeweils Hohlräume im Eisenkern des Rotors, die sich an die Permanent¬ magnete S, N anschließen.
Betrachtet man die elektrische Maschine in einer d-q- Achsendarstellung mit einer d- und einer dazu im elektrischen Winkel senkrecht stehenden q-Achse, so verläuft die d-Achse durch die Mitte eines Rotorpols N, während die q-Achse dazu elektrisch senkrecht steht und in der Mitte zwischen dem Nordpol N und einem benachbarten Südpol S verläuft. Aufgrund der Tatsache, dass im Beispiel zwei Polpaare vorgesehen sind, ist der geometrische Winkel nicht 90°, sondern nur die Hälfte dessen, nämlich 45° zwischen d-Achse und q-Achse. Die d-Achse repräsentiert zugleich den Bereich höchster Reluktanz des Ro- tors, während die q-Achse den Bereich geringster Reluktanz repräsentiert. Dieser ideale Winkel von 45° gilt bei symmet¬ rischer Anordnung der Fluss-Barrieren, wie später in Figur 4 gezeigt. Bei der vorliegenden Figur 1 jedoch ergibt sich eine Verschiebung der q-Achse um einen Winkel r im Uhrzeigersinn. Dies hängt zusammen mit der Verschiebung des Bereichs ge¬ ringster Reluktanz im Rotor um den gleichen Winkel r bedingt durch die Unsymmetrie der Fluss-Barrieren 4, 5.
Figur 2 zeigt eine elektrische Maschine mit einem zweiten Teil-Rotor 3 an einem Ausführungsbeispiel. Der Aufbau und die Geometrie der beiden Teil-Rotoren von Figuren 1 und 2 sind vollständig identisch, nur abgesehen von der Unsymmetrie der Fluss-Barrieren, die bei der Figur 2 nicht im Uhrzeigersinn, sondern im Gegenuhrzeigersinn verschoben sind. Hierdurch er- gibt sich bei dem Beispiel von Figur 2 eine Verschiebung der q-Achse im Gegenuhrzeigersinn, um einen Winkel r . Der Verschiebungswinkel r der Beispiele von Figur 1 und 2 ist be¬ tragsmäßig gleich groß, jedoch gegensinnig. Kombiniert man die Teil-Rotoren 2, 3 gemäß Figuren 1 und 2 axial hintereinander zu einem gemeinsamen Rotor, so ergibt sich ein Rotor gemäß Ausführungsbeispiel von Figur 3. Dabei ist der zweite Teil-Rotor 3 gemäß Figur 2 in Figur 3 hinter dem ersten Teil-Rotor von Figur 1 dargestellt. Der Stator 1 ist bei der Darstellung von Figur 3 der besseren Übersichtlichkeit halber nicht eingezeichnet. Man erkennt, dass die resultierende q-Achse des gesamten Rotors von Figur 3, die sich durch Überlagerung der q-Achse ql des ersten Teil-Rotors 2 und der q-Achse q2 des zweiten Teil-Rotors 3 ergibt, gerade wieder im Winkel von elektrisch 90° zu der d-Achse des Ge¬ samtrotors steht. Die d-Achse des Gesamtrotors ist identisch mit der dl-Achse des ersten Teil-Rotors und der d2-Achse des zweiten Teil-Rotors. Funktion und Vorteile dieser Ausgestal¬ tung werden später anhand von Figur 6 erläutert.
Figur 4 zeigt einen herkömmlichen Rotor mit V-förmig vergrabenen Magneten S, N und symmetrisch an deren äußere
Schenkelenden anschließende Fluss-Barrieren .
Man erkennt, dass beim herkömmlichen Rotor von Figur 4 zwischen d-Achse und q-Achse der gleiche Winkel besteht wie bei der Kombination von Teil-Rotoren mit in Umfangsrichtung ver- schobenen Fluss-Barrieren gemäß Figur 3 resultierend.
Figuren 5A und 5B zeigen die Feldlinienverläufe des magneti¬ schen Flusses in Rotor und Stator, wobei Figur 5A ein beispielhafter Ausschnitt aus Figur 1 und Figur 5B ein beispiel- hafter Ausschnitt aus Figur 2 bezüglich Rotor- und Statorgeo¬ metrie ist. Man erkennt deutlich die Wirkung der jeweils lo¬ kal vergrößerten Fluss-Barrieren 5, 5', die lokal den magnetischen Fluss deutlich verringern. Dieser Effekt führt letztlich zu der Verschiebung des Bereichs minimaler Reluktanz, der durch die jeweilige Verschiebung der q-Achse um einen Winkel r veranschaulicht werden kann.
Die Wirkung der Kombination der Teil-Rotoren gemäß Figur 3 wird anhand des Schaubilds von Figur 6 anschaulich. Im Schau- bild von Figur 6 ist das elektromagnetische Drehmoment T ge¬ zeigt, wobei das Drehmoment aufgetragen ist über der Rotorpo¬ sition in elektrischen Graden. Die mit X gekennzeichnete Kurve bezeichnet die Drehmomentkurve der elektrischen Maschine von Figur 1, wenn der Rotor nur aus dem ersten Teil-Rotor 2 gebildet wird, während die mit 0 bezeichnete Drehmomentkurve das Drehmoment der Maschine wiedergibt, wenn der Rotor nur mit dem zweiten Teil-Rotor 3 von Figur 2 gebildet wird. Man erkennt, dass jede dieser Drehmomentkurven X, 0 für sich genommen eine hohe Drehmomentwelligkeit aufweist.
Die resultierende Drehmomentkurve -- ist gestrichelt einge¬ zeichnet und trifft auf die Gesamtanordnung gemäß Figur 3 zu. Hierbei wird der Gesamtrotor je zur Hälfte aus den Teil- Rotoren 2 und 3 gebildet. Man erkennt deutlich, dass durch die vorgeschlagene Kombination von Teil-Rotoren 2, 3 mit relativ zueinander verschobenen Fluss-Barrieren in Umfangsrich- tung die gesamte Drehmomentwelligkeit sehr deutlich reduziert ist. Damit einher geht auch eine deutliche Verringerung der
Konsequenzen aus einer hohen Drehmomentwelligkeit, beispiels¬ weise eine deutliche Reduzierung von Vibrationen der elektrischen Maschine im Betrieb sowie der Betriebsgeräusche und letztlich auch eine deutliche Verbesserung des Wirkungsgrads.
Damit eignet sich die beschriebene elektrische Maschine bei¬ spielsweise besonders für den Automobilbereich.
Figuren 7A und 7B zeigen anhand jeweiliger Beispiele für zwei Teil-Rotoren eine weitere Ausführungsform des vorgeschlagenen Prinzips mit vergrabenen, tangentialen Permanentmagneten. Das Ausführungsbeispiel beruht in seinem Aufbau, der Funktions¬ weise und der vorteilhaften Wirkungsweise auf demjenigen ge¬ mäß der Figuren 1 bis 3 und wird insoweit nicht noch einmal beschrieben. Hier sind jedoch anstelle der V-förmigen Magnete solche in tangentialer Ausführung in die Teil-Rotoren eingebracht. An die tangentialen Magnete S, N schließen sich wiederum Fluss-Barrieren 4, 4', 5, 5' an, wobei diese bei den beiden Teil-Rotoren gemäß Figuren 7A und 7B wiederum in unterschiedlichem Drehsinn verschoben sind, so dass sich die oben bereits erläuterte Unsymmetrie mit der entsprechenden Achsverschiebung der q-Achsen der Teil-Rotoren ql, q2 ergibt. Diese Teil-Rotoren gemäß Figuren 7A und 7B können wiederum axial miteinander zu einem Gesamt-Rotor kombiniert werden, der die oben erläuterten Vorteile und eine reduzierte Drehmo- mentwelligkeit aufweist. Figuren 8A und 8B zeigen Teil-Rotoren gemäß einer Anwendung des vorgeschlagenen Prinzips auf einen reinen Reluktanzrotor ohne Permanentmagnete. Die bei einem konventionellen Reluk¬ tanzrotor vorgesehenen doppelt v-förmig eingebrachten Gebiete mit fehlendem Eisen, das heißt Luft, gehen in unsymmetrisch ausgebildete Fluss-Barrieren an den jeweiligen Enden der v- förmigen Gebiete über. Diese Unsymmetrie in Umfangsrichtung ergibt bei dem ersten Teil-Rotor gemäß Figur 8A wiederum eine Verschiebung der q-Achse im Uhrzeigersinn zu der Achse ql, während bei dem zweiten Teil-Rotor gemäß Figur 8B eine Ver- Schiebung im Gegenuhrzeigersinn, wiederum um den gleichen
Winkelbetrag, vorgesehen ist, so dass sich die neue q-Achse q2 ergibt.
Diese Teil-Rotoren gemäß Figuren 8A und 8B können wiederum axial miteinander zu einem Gesamt-Rotor kombiniert werden, der die oben erläuterten Vorteile und eine reduzierte Drehmo- mentwelligkeit aufweist.
Die beschriebene elektrische Maschine erfordert keine Verän- derungen am Stator. Es genügt, die beschriebenen Maßnahmen im Rotor vorzunehmen. Die unsymmetrische Ausführung der Fluss- Barrieren 4, 5 kann in einfacher Weise durch Stanzen des Blechpakets des Rotors erfolgen, wobei für die Realisierung der beispielhaften Ausgestaltung von Figur 3 lediglich ein einziges Stanzwerkzeug erforderlich ist, da die Rotoren von Figuren 1 und 2 durch Umdrehen der Blechpakete und zueinander verdrehtes axiales Kombinieren gemäß Figur 3 sehr kostengüns- tig gefertigt werden können.
Selbstverständlich liegt es im Rahmen des fachmännischen Handelns, anstelle der gezeigten axialen Kombination eine Kombination der Teil-Rotoren in Umfangsrichtung vorzunehmen, bei- spielsweise mit zwei Teil-Rotoren, die jeweils 180° geomet¬ risch abdecken und als Halbzylinder realisiert sein können.
Ebenso liegt es im Rahmen fachmännischen Handelns, anstelle der gezeigten vergrabenen V-förmigen Permanentmagnete bzw. vergrabenen tangentialen Magnete, andere Rotortopologien zu verwenden, wie beispielsweise in Nuten eingesetzte Magnete oder auch vergrabene Multischichtmagnete . Darüber hinaus ist das vorgeschlagene Prinzip nicht auf vergrabene Permanentmag¬ nete beschränkt, sondern kann beispielsweise auch bei Multi- schichtreluktanzrotortopologien vorteilhaft eingesetzt werden .
Bezugs zeichenliste
1 Stator
2 erster Teil-Rotor
3 zweiter Teil-Rotor
4 verkleinerte Fluss-Barriere
4 ' verkleinerte Fluss-Barriere
5 vergrößerte Fluss-Barriere
5 ' vergrößerte Fluss-Barriere d d-Achse
dl Achse
d2 Achse
q q-Achse
ql Achse
q2 Achse
N Nordpol
S Südpol
r Verschiebungswinkel der q-Achse

Claims

Rotor für eine elektrische Maschine, der Rotor umfas¬ send :
- einen ersten Teil-Rotor (2) und mindestens einen
zweiten Teil-Rotor (3), die jeweils mindestens eine Fluss-Barriere (4, 4', 5, 5') umfassen,
- wobei die mindestens eine Fluss-Barriere (4', 5') des mindestens einen zweiten Teil-Rotors (3) im Bezug auf die mindestens eine Fluss-Barriere (4, 5) des ersten Teil-Rotors (2) in Umfangsrichtung verschoben ist und
- die beiden Teil-Rotoren (2, 3) miteinander axial
und/oder in Umfangsrichtung kombiniert sind.
Rotor nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Verschiebung der mindestens einen Fluss-Barriere (4', 5') des mindestens einen zweiten Teil-Rotors (3) im Bezug auf die mindestens eine Fluss-Barriere (4, 5) des ersten Teil-Rotors (2) derart ausgebildet ist, dass ein Minimum der Rotor-Reluktanz des zweiten Teil-Rotors (3) relativ zu einem Minimum der Rotor-Reluktanz des ersten Teil-Rotors (2) verschoben ist.
Rotor nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Verschiebung der mindestens einen Fluss-Barriere (4', 5') des mindestens einen zweiten Teil-Rotors (3) im Bezug auf die mindestens eine Fluss-Barriere (4, 5) des ersten Teil-Rotors (2) derart ausgebildet ist, dass die q-Achse (q2) des zweiten Teil-Rotors (3) relativ zur q- Achse (ql) des ersten Teil-Rotors (2), jeweils bezogen auf eine gemeinsame d-Achse (d) , verschoben ist. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Teil-Rotor
(2) und der mindestens eine zweite Teil-Rotor (3) jeweils mindestens einen Magneten (S, N) umfassen, dem jeweils die mindestens eine Fluss-Barriere (4, 4', 5, 5') des ersten beziehungsweise mindestens ei¬ nen zweiten Teil-Rotors (2, 3) zugeordnet ist. 5. Rotor nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
- der erste und der zweite Teil-Rotor (2,
3) jeweils mindestens einen magnetischen Nordpol (N) und einen magnetischen Südpol (S) umfassen, die jeweils eine Symmet¬ rieachse aufweisen,
- der Nordpol und der Südpol jeweils einander gegenüberliegende Fluss-Barrieren (4, 4', 5, 5') aufweisen,
- wobei die gegenüberliegenden Fluss-Barrieren (4, 4', 5, 5') des Nordpols (N) bezüglich dessen Symmetrieachse unsymmetrisch ausgebildet sind und/oder
- wobei die gegenüberliegenden Fluss-Barrieren (4,
4', 5,
5') des Südpols (S) bezüglich dessen Symmetrieachse unsymmetrisch ausgebildet sind.
6. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste und der zweite Teil-Rotor (2, 3) jeweils als Reluktanzrotor ausgebildet sind.
7. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
bei dem die mindestens eine Fluss-Barriere (4', 5') des mindestens einen zweiten Teil-Rotors (3) im Bezug auf die mindestens eine Fluss-Barriere (4, 5) des ersten Teil-Rotors (2) in Umfangsrichtung derart verschoben ist, dass die Drehmomentwelligkeit der Teil-Rotoren ge¬ genseitig kompensiert und/oder die Drehmomentwelligkeit reduziert ist.
8. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
bei dem die mindestens zwei Teil-Rotoren (2, 3), abgese¬ hen von der Verschiebung der Fluss-Barrieren (4, 4', 5, 5'), den gleichen Aufbau, insbesondere gleiche Geometrie haben .
9. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
der erste und der zweite Teil-Rotor (2, 3) Permanentmag¬ nete aufweisen, die von mindestens einem der folgenden Typen sind:
- in Nuten eingesetzte Magnete,
- vergrabene tangentiale Magnete,
- vergrabene V-Magnete,
- vergrabene Mehrschichtstruktur.
10. Elektrische Maschine mit einem Rotor nach einem der
Ansprüche 1 bis 9 sowie weiter umfassend:
einen Stator (1), wobei der Rotor (2, 3) relativ zum
Stator beweglich ist.
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