DE102008006074A1 - Rotor einer Permanentmagnetmaschine - Google Patents

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Abstract

Ein Rotor für eine Maschine mit internen Permanentmagneten weist einen Rotorkörper mit einer Abtriebswelle und einen ersten Hohlraum auf, der mit einem magnetischen Material gefüllt ist. Zweite Hohlräume sind auf der Innenseite der ersten Hohlräume angeordnet und sind nicht mit einem magnetischen Material gefüllt. Nichtmagnetische Stangen erstrecken sich durch die zweiten Hohlräume und stehen über Endseiten des Rotorkörpers hinaus. Die Stangen sind in Blindbohrungen eingepresst, die in nichtmagnetischen Endplatten ausgebildet sind, welche benachbart zu den Endseiten des Rotorkörpers angeordnet sind. Schrumpfscheiben sind um hervorstehende Enden der Abtriebswelle in einer angrenzenden Beziehung mit den Endplatten aufgeschrumpft. Um zu verhindern, dass eine induzierte Spannung einen Strom in dem Käfig erzeugt, der von den Stangen und den Endplatten gebildet wird, ist eine Oxidschicht zwischen den Stangen und den Blindbohrungen in den Endplatten angeordnet.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen elektrische oder hybrid-elektrische Fahrzeugantriebssysteme. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung die Konstruktion von elektrischen Traktionsmotoren oder -maschinen zur Verwendung in Elektro- oder Hybridfahrzeugen.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Auf dem Kraftfahrzeugmarkt gibt es heutzutage eine Vielzahl von elektrischen Antriebs- oder Fahrtechnologien, die dazu verwendet werden, Fahrzeuge zu motorisieren. Die Technologien umfassen elektrische Traktionsmotoren, wie etwa DC-Motoren, AC-Induktionsmotoren, Motoren mit geschalteter Reluktanz, Synchronreluktanzmotoren, bürstenlose DC-Motoren, Permanentmagnetsynchronmotoren (PMSM) und eine entsprechende Leistungselektronik. PMSM-Motoren sind zur Verwendung als Traktionsmotoren in einem Elektrofahrzeug wegen ihrer besseren Eigenschaften hinsichtlich des Leistungsvermögens im Vergleich zu regulären DC-Motoren und AC-Induktionsmotoren von besonderem Interesse. PMSM-Motoren arbeiten typischerweise mit einem Permanentmagnetrotor. Ein Permanentmagnetrotor kann als Rotor mit oberflächenmontierten oder internen oder eingelassenen Permanentmagneten ausgestaltet sein. Ein Motor oder eine Maschine mit internen Permanentmagneten (IPM) weist im Vergleich zu regulären DC-Motoren und AC-Induktionsmotoren Merkmale hinsichtlich des Leistungsvermögens auf, die einen relativ hohen Wirkungsgrad, ein relativ hohes Drehmoment, eine relativ hohe Lei stungsdichte und einen Betriebsbereich mit über lange Zeit konstanter Leistung umfassen, die einen IPM-Motor für Fahrzeugantriebsanwendungen attraktiv machen.
  • In einem Rotor eines PMSM-Motors eingelassene Permanentmagnete zeigen aufgrund der niedrigen Permeabilität der Permanentmagnete eine hohe Reluktanz direkt entlang der magnetischen Achse oder der d-Achse. Entlang der q-Achse hingegen gibt es zwischen den magnetischen Polen oder magnetischen Barrieren eines IPM-Rotors keine magnetische Barriere und der spezifische magnetische Widerstand auf einen magnetischen Fluss ist sehr niedrig. Diese Schwankung der Reluktanz um den Rotor herum erzeugt in dem Rotoraufbau einer IPM-Maschine eine Ausprägung oder Schenkelpolarität (saliency). Daher weisen die IPM-Rotoren ein Reluktanzmoment zusätzlich zu dem Permanentmagnetmoment auf, das durch die im Rotor eingelassenen Magnete erzeugt wird.
  • Die Magnete in dem Motor sind in mehreren Schichten angeordnet, welche eine Mehrbarrierenkonstruktion erzeugen. Die Mehrbarrierenkonstruktion verringert Leckage und verbessert die Ausprägung des Rotors. Entsprechend weisen Motoren mit Mehrbarrieren-Rotoren zahlreiche Vorteile hinsichtlich des Leistungsvermögens gegenüber Einzelbarrieren-Rotorkonstruktionen auf, welche einen relativ hohen Gesamtwirkungsgrad, einen erweiterten Betriebsbereich mit hoher Drehzahl und konstanter Leistung und einen verbesserten Leistungsfaktor umfassen. Ein Verringern der Abhängigkeit vom magnetischen Moment hilft, die Anzahl der Magnete oder die Menge von magnetischem Material in einer IPM-Maschine im Vergleich zu einer Einzelbarrieren-IPM-Maschine oder zu einer Maschine mit oberflächenmontierten Permanentmagneten zu verringern. Die Menge von magnetischem Material, die zum Erzeugen eines speziellen Drehmoments und einer speziellen Wattleistung benötigt wird, hängt von dem Ausprä gungsniveau des Rotors ab. Je höher die Ausprägung oder Schenkelpolarität des Rotors ist, desto niedriger ist der Verbrauch magnetischen Materials für das gleiche Gesamt-Leistungsvermögen der Maschine. Elektromotoren mit einer Mehrbarrieren-Rotorkonstruktion erzeugen eine höhere Rotorausprägung im Vergleich zu einer Einzelbarrierenkonstruktion.
  • Von einem Kostenstandpunkt aus gesehen ist die Verringerung von magnetischem Material in dem Rotor eines Elektromotors wünschenswert. Folglich werden im Allgemeinen tiefe Hohlräume leer gelassen, da deren Beitrag zu dem Magnetfeld des Rotors relativ klein ist, wenn sie gefüllt sind. Der Grund dafür liegt in der relativen Distanz zu dem Motorluftspalt. Ein reiner Synchronreluktanzmotor, der eine ähnliche Rotorgeometrie aufweist wie die Mehrbarrieren-Permanentmagnetkonstruktion (Mehrbarrieren-PM-Konstruktion), aber ohne ein magnetisches Material in dem Rotor, ist eine Maschine mit einer relativ geringen Leistungsfähigkeit. Mehrbarrieren-IPM-Elektromotoren weisen die vorteilhaften Eigenschaften sowohl von Synchronreluktanzmaschinen als auch der Permanentmagnetmaschine auf und sind daher hervorragende Kandidaten für einen Fahrzeugantrieb. Eine Hauptschwierigkeit bei IPM-Maschinen ist die Konstruktion und die Herstellung des Rotors.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Mit Blick auf die voranstehend erwähnten Überlegungen ist die vorliegende Erfindung auf einen Rotor für eine Maschine mit internen Permanentmagneten gerichtet, der einen zylindrischen Körper aus einem nichtmagnetischen Material umfasst, welcher eine daraus hervorstehende axiale Welle aufweist, wobei der zylindrische Körper erste und zweite Enden und eine zylindrische Außenoberfläche aufweist. Eine Anordnung erster Hohlräume ist in dem Rotor angeordnet, wobei die ersten Anordnungen Per manentmagnete enthalten, und eine Anordnung zweiter Hohlräume ist in dem Rotor angeordnet, welche keine Magnete enthalten. Die Hohlräume sind durch Rotorbrücken getrennt, welche aus dem Rotormaterial bestehen. Eine Anordnung von Stangen aus einem nicht magnetischen Material erstreckt sich durch die zweiten Hohlräume in dem Rotor und ist an ersten und zweiten Endplatten befestigt, die benachbart zu den ersten und zweiten Enden des Rotors angeordnet sind.
  • Bei einem weiteren Aspekt des Rotors weist mindestens eine der Endplatten eine Isoliationsoxidschicht zwischen den Stangen und der Endplatte auf.
  • Bei noch einem weiteren Aspekt des Rotors bestehen die Stangen und die Endplatten aus Edelstahl oder Titan.
  • Bei noch einem weiteren Aspekt des Rotors weisen die Stangen Endvorsprünge auf, die in Blindbohrungen in den Endplatten aufgenommen sind, wobei die Endplatten benachbart zu den Enden des Rotors gehalten sind.
  • Bei noch einem weiteren Aspekt des Rotors sind ringförmige Schrumpfscheiben über Enden der Abtriebswelle außerhalb der Endplatten aufgeschrumpft, um die Endplatten festzuhalten.
  • Bei einem anderen Aspekt des Rotors sind die ersten Hohlräume benachbart zu den zweiten Hohlräumen in Gruppen angeordnet, wobei sich mehrere erste Hohlräume schräg von den zweiten Hohlräumen weg zu der zylindrischen Außenoberfläche des Rotors erstrecken.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Verschiedene andere Merkmale und begleitende Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser wahrgenommen, wenn dieselbe besser verstanden wird, sobald sie in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen betrachtet wird, in denen gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Ansichten gleiche oder ähnliche Teile bezeichnen und in denen:
  • 1 eine diagrammartige Querschnittszeichnung eines Permanentmagnetmotors ist;
  • 2 eine perspektivische Ansicht eines Rotors ist, der leere Hohlräume auf der Innenseite von Hohlräumen aufweist, welche magnetische Einsätze aufweisen;
  • 3 eine perspektivische Explosionsansicht ähnlich 2 ist, die aber Stangen zeigt, die zur Befestigung an ringförmigen Endplattenringen in den Rotor eingefügt sind;
  • 4 ein Aufriss eines Abschnitts der ringförmigen Endplatte mit einem Blindloch ist, das mit einem Ende einer Stange ausgerichtet ist; und
  • 5 eine perspektivische Ansicht mit Teilweglassungen des Rotors von 3 in zusammengebautem Zustand ist.
  • Genaue Beschreibung
  • 1 ist eine diagrammartige Zeichnung eines Permanentmagnetmotors 10 mit einem gewickelten Stator 12 und einem Permanentmagnetrotor 14, welcher eine damit einstückige Abtriebswelle 15 aufweist. Eine Energieversorgung und ein Umrichter 16 arbeiten als Stromwender oder Umschalter und steuern die Drehzahl und das Drehmoment des Motors 10 in Ansprechen auf eine Rückkopplung, die einen Codierer, einen Funktionsgeber oder Resolver, einen Drehzahlmesser, einen Näherungsschalterzahnsatz (proximity switch tooth set) und eine Detektion einer Gegen-EMK umfasst, aber nicht darauf beschränkt ist. Der Motor 10 kann als ein bürstenloser DC-Motor mit einer Rechteckwellen- oder Sinuswellenerregung charakterisiert sein, welche von der Energieversorgung und dem Umrichter 16 bereitgestellt ist.
  • 2 ist ein Permanentmagnetrotor 14 aus einem nichtmagnetischen Material, wobei ein magnetisches Material 17 in Hohlräumen 18 in der Nähe der Oberfläche 19 des Rotors 14 eingelassen ist. Aufgrund seiner Position in der Nähe der Oberfläche des Rotors 14 kann das magnetische Material 17 während eines Nachmagnetisierungsprozesses von einer Magnetisierungsvorrichtung oder dem gewickelten Stator 12 (1) magnetisiert werden.
  • Auf der Innenseite der ersten Hohlräume 18, die mit dem magnetischen Material 17 gefüllt sind, um Rotorbarrieren auszubilden, befinden sich zweite Rotorhohlräume 23, die leer sind. Das Vorhandensein leerer Hohlräume (oder Barrieren) 23 im Inneren der Rotorstruktur kann strukturelle Probleme im Inneren des Rotors 14 erzeugen, wenn der Rotor bei hohen Winkelgeschwindigkeiten rotiert, welche zu hohen Niveaus an Materialbelastung größtenteils bei Brücken 27 aus dem nichtmagnetischen Rotormaterial zwischen den Rotorbarrieren 18 und den leeren Hohlräumen 23 führen.
  • Es scheint, dass eine einfache Lösung für das mechanische Belastungsproblem darin besteht, die Rotorbrücken 27 dicker zu gestalten. Dieser Ansatz verringert jedoch auf zwei Arten die Leistungsfähigkeit des Motors 10 zur Drehmomenterzeugung. Erstens wird der Permanentmagnetfluss verringert, da die Brücken 27 die Magnete 17 "kurzschließen", welche in dem benachbarten Hohlraum 18 liegen, und zweitens werden die Ausprägungseigenschaften des Rotors 14 verschlechtert. Darüber hinaus leidet die Motordrehmomentdichte, weil der Permanentmagnetfluss durch die dicken Brücken 27 an Rändern der Magnete "leckt". Folglich wird, wenn die gleiche Motordrehmomentdichte gewünscht ist, ein kostspieligeres Magnetmaterial 17 mit einer höheren Stärke benötigt, um die Flussleckage zu kompensieren.
  • Eine Mehrschichten- oder Mehrbarrierengeometrie für einen IPM-Rotor verbessert die Ausprägung des Rotors 14. Dementsprechend weist die Geometrie des Rotors 14 von 2 den Vorteil auf, dass sie eine relativ hohe Ausprägung aufweist, welche die Maschinendrehmomentdichte verbessert und Volumenanforderungen für das magnetische Material für ein spezielles Drehmoment oder eine spezielle Wattleistung verringert. Geringere Volumenanforderungen für das magnetische Material verringern die Motorkosten und relativieren wegen des Vorhandenseins eines Permanentmagnetfeldes auch Probleme im Zusammenhang mit Hochfluss-PM-Maschinen, beispielsweise Probleme mit Kurzschlussfehlern und Unterbrechungsfehlern und Drehverlusten (wirbelstrominduzierte Verluste). Mehrbarrieren-Rotorgeometrien weisen auch den Vorteil eines günstigen Drehmoment-Drehzahlprofils mit einem erweiterten Bereich mit konstanter Leistung für eine Fahrzeugantriebsanwendung auf.
  • Die magnetische Feldstärke ist durch die remanente Flussdichte oder Induktion Br des Magnets und die magnetische Koerzivität HC des Magnets definiert. Br ist das Maß der magnetischen Flussdichte, wenn die zwei Enden des Magnets (magnetisch Nord und magnetisch Süd) unter Verwendung eines hochpermeablen magnetischen Materials kurzgeschlossen sind. HC ist das Maß der Feldstärke, die benötigt würde, um den Gesamtfluss in dem Magnet auf Null zu treiben. Das Magnetenergieprodukt (MEP) ist proportional zu dem Produkt der magnetischen remanenten Flussdichte und der magnetischen Koerzivität, welches eine Einheit von Joule pro Volumeneinheit aufweist. Das MEP multipliziert mit dem Magnetgesamtvolumen ergibt die Gesamtenergie des Magneten, der aus dem magnetischen Material ausgebildet ist. Um den Magnetfluss in dem Luftspalt unverändert zu halten, wird das MEP in dem gleichen Verhältnis erhöht, mit dem das Volumen des magnetischen Materials verringert wird. Auf diese Weise wird das MEP multipliziert mit dem Magnetvolumen für die Rotorgeometrien im Wesentlichen unverändert bleiben.
  • Die tatsächlichen Kosten des magnetischen Materials 17 sind eine komplexe Funktion mit vielen Faktoren, beispielsweise dem Typ der Magnete, der chemischen Zusammensetzung des magnetischen Materials, dem MEP, dem magnetischen Materialvolumen, den Erfordernissen beim Verarbeiten des magnetischen Materials etc. Die Gesamtkosten für das magnetische Material können jedoch durch ein Verringern des Gesamtvolumens des magnetischen Materials verringert werden, während das MEP multipliziert mit dem Volumen des magnetischen Materials im Wesentlichen gleich gehalten wird.
  • Aufgrund des Permanentmagnetfelds weisen IPM-Geometrien zusätzlich zu dem magnetischen Moment ein Reluktanzmoment auf. Das Reluktanzmoment wird aufgrund der Schwankungen der Ausprägung des Rotors 14 mit der Rotorposition erzeugt. Diese Schwankung der Reluktanz des Rotors 14 mit der Rotorposition erzeugt die Ausprägung des Rotors, welche die Quelle des Reluktanzmoments ist. Wenn das magnetische Material 17 in den Hohlräumen 23 fehlt und durch ein nicht magnetisches Material ersetzt wird oder diese leer bleiben, ändert sich die Reluktanz des Rotors 14 im Allgemeinen nicht. Daher bleibt das Reluktanzmoment größtenteils unverändert. Wenn das Entfernen von magnetischem Material 17 durch ein Erhöhen des MEP der Rotormagnete oder der Barrieren 27, welche durch das magnetische Material 19 ausgebildet sind, kompensiert wird, bleibt das Motordrehmoment im Wesentlichen unverändert.
  • Nun auf 3 Bezug nehmend, in der eine Rotorstruktur 30 gemäß der Anordnung der vorliegenden Erfindung gezeigt ist, erstreckt sich eine Anordnung 32 von Stangen 34 durch die zuvor leeren Hohlräume 23 von 2. Die Stangen 34 weisen vorstehende Endabschnitte 36 und 38 auf, welche aus ersten und zweiten Enden 40 und 42 des Rotors 14 hervorstehen. Die Stangen 34 bestehen aus einem nichtmagnetischen Material, beispielsweise, aber nicht beschränkt auf, Edelstahl oder Titan, welches für einen magnetischen Fluss nicht permeabel ist und sich daher nicht auf den Magnetzustand des Rotors 14 auswirkt.
  • Erste und zweite ringförmige Endplatten 46 und 48, die jeweils Blindlöcher 50 darin aufweisen, sind mit den hervorstehenden Endabschnitten 36 und 38 der Stangen 34 ausgerichtet. Die Endplatten 46 und 48 weisen jeweils Mittelöffnungen 52 auf, welche die Abtriebswelle 15 des Rotors 14 aufnehmen.
  • Die Stangen 34 sind an einer Stelle in dem Rotor 14 platziert, an welcher der magnetische Fluss verglichen mit dem Rest des Rotors 14 niedrig ist, jedoch gibt es eine kleine Komponente des magnetischen Flusses bei der elektrischen Grundfrequenz des Motors 10. Dieser Fluss genügt, um eine Spannung in dem Schaltkreis, welcher von zwei benachbarten Stangen 34 und den Endplatten 46 und 48 gebildet wird, zu induzieren. Gemäß Berechnungen, die für einen 400 mm langen Rotor 14 mit einem Außendurchmesser von 250 mm, der bei 12000 Umdrehungen pro Minute rotiert, durchgeführt wurden, wird eine Spannung mit einer Spitze von etwa 2 Volt erzeugt.
  • Wegen der niedrigen Impedanz des Schaltkreises, die von den zwei benachbarten Stangen 34 gebildet wird, kann der Strom, der durch die induzierte Spannung erzeugt wird, sehr groß sein. Der Strom wird keinerlei Drehmoment in dem Motor 10 erzeugen, da er die gleiche Frequenz wie das Hauptfeld des Motors aufweist, jedoch kann er ungewünschte Verluste in dem Käfig erzeugen, der durch die Rotorstangen 34 gebildet wird, Verluste, welche wiederum den Wirkungsgrad des Motors 10 verringern. Aus diesem Grund weist mindestens eine der Endplatten 46 oder 48 eine Isolationsoxidschicht 56 auf, die in dem Gebiet 58 aufgebracht ist, in das die Stangen eingreifen, wie in 4 zu sehen ist. Auf diese Weise ist eine geschlossene Schleife von zwei benachbarten Stangen 34 offen und nur ein sehr kleiner oder gar kein Verlust erzeugender Strom kann zirkulieren.
  • Ein Paar ringförmige Schrumpfscheiben 62 und 63 mit Mittelöffnungen 64 sind mit entgegengesetzten Enden der Abtriebswelle 15 ausgerichtet, um zum Halten der Endplatten 46 und 48 in einer Presspassungsbeziehung mit den Enden 36 und 38 der Stangen 34 beizutragen.
  • Nun auf 5 Bezug nehmend ist die Rotorstruktur 30 nach dem Einpressen der Endabschnitte 36 und 38 der Stangen 34 in die Blindlöcher 50 in den Endplatten 46 und 48 und nach dem Aufschrumpfen der Schrumpfscheiben 62 und 64 auf die Abtriebswelle 15 in zusammengebautem Zustand gezeigt.
  • Durch das Einführen der Stangen 34 in die leeren Barrieren oder Hohlräume 32 des Rotors und durch ein Verbinden derselben mit den Endplatten 46 und 48 wird im Inneren des Rotors 14 ein struktureller Käfig entwickelt. Folglich werden die Belastungsniveaus in den Rotorbrücken 27 verringert und Verformungen der Rotorbrücken werden ebenso verkleinert.
  • Wie in 5 sowie in 24 zu sehen ist, sind die ersten Hohlräume 18, die mit einem magnetischen Material 17 gefüllt sind, in Gruppen angeordnet, die sich von den zweiten Hohlräumen 23, welche die Stangen 34 enthalten, nach außen in Richtungen erstrecken, welche schräg zu der äußeren Umgebungsoberfläche 19 des Rotors 14 verlaufen.
  • Obwohl diese Erfindung unter Verwendung spezieller Ausführungsformen beschrieben wurde, ist festzustellen, dass andere Formen von einem Fachmann leicht angepasst werden können. Dementsprechend ist der Schutzumfang dieser Erfindung als nur durch die nachfolgenden Ansprüche beschränkt zu betrachten.
  • Aus der voranstehenden Beschreibung kann ein Fachmann leicht die wesentlichen Eigenschaften dieser Erfindung entnehmen und verschiedene Änderungen und Modifikationen der Erfindung vornehmen, um sie an verschiedene Verwendungen und Bedingungen anzupassen, ohne von dem Geist und dem Schutzumfang derselben abzuweichen.

Claims (8)

  1. Rotor für eine Maschine mit internen Permanentmagneten, der umfasst: einen zylindrischen Körper aus einem nichtmagnetischen Material mit einer axialen Welle, die aus diesem hervorsteht, wobei der zylindrische Körper erste und zweite Enden und eine zylindrische Außenoberfläche aufweist; eine Anordnung erster Hohlräume darin, die Permanentmagnete enthalten, und eine Anordnung zweiter Hohlräume darin, die keine Magnete enthalten, wobei die Hohlräume durch Rotorbrücken getrennt sind, die aus dem Rotormaterial bestehen; eine Anordnung von Stangen aus einem nichtmagnetischen Material, die sich durch die zweiten Hohlräume in dem Rotor erstrecken, und erste und zweite Endplatten, die benachbart zu den ersten und zweiten Enden des Rotors angeordnet sind und an der Anordnung von Stangen befestigt sind.
  2. Rotor nach Anspruch 1, wobei mindestens eine der Endplatten eine Isolationsoxidschicht zwischen den Stangen und der Endplatte aufweist.
  3. Rotor nach Anspruch 2, wobei die Stangen und die Endplatten aus Edelstahl oder Titan bestehen.
  4. Rotor nach Anspruch 3, wobei die Stangen Endvorsprünge aufweisen, die in Blindbohrungen in den Endplatten aufgenommen sind und wobei die Endplatten benachbart zu den Enden des Rotors gehalten sind.
  5. Rotor nach Anspruch 3, wobei die Stangen erste und zweite Endvorsprünge aufweisen, die über die ersten und zweiten Enden des Rotors hinausragen, und wobei die Endplatten Blindbohrungen darin aufweisen, wobei die Endvorsprünge der Stangen durch eine Presspassung in den Blindbohrungen gehalten sind.
  6. Magnetmaschinenrotor nach Anspruch 5, wobei Schrumpfscheiben über Enden der Abtriebswelle außerhalb der Endplatten aufgeschrumpft sind.
  7. Magnetmaschinenrotor nach Anspruch 5, wobei die ersten Hohlräume benachbart zu den zweiten Hohlräumen in Gruppen angeordnet sind, wobei sich mehrere erste Hohlräume schräg von den zweiten Hohlräumen weg zu der zylindrischen Außenoberfläche des Rotors hin erstrecken.
  8. Magnetmaschinenrotor nach Anspruch 1, wobei die ersten Hohlräume benachbart zu den zweiten Hohlräumen in Gruppen angeordnet sind, wobei sich mehrere erste Hohlräume schräg von den zweiten Hohlräumen weg zu der zylindrischen Außenoberfläche des Rotors hin erstrecken.
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