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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor für eine permanent erregte Maschine mit mehreren axial voneinander getrennten Segmenten.
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Permanent erregte elektrische Maschinen besitzen typischerweise einen Rotor aus geschichtetem Elektroblech mit eingefügten Permanentmagneten. Diese werden für spezielle Anforderungen geschränkt, d. h. die Magnete eines Pols werden zueinander in Umfangsrichtung versetzt. Zweck der Schränkung ist insbesondere eine Verbesserung des Rotors hinsichtlich eines Drehmomentrippels (Drehmomentenwelligkeit) und des Laufgeräuschs. Die Schränkung geht jedoch zu Lasten des Spitzendrehmoments und der Leistung.
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Eine Variante der Schränkung besteht in einem kontinuierlichen Winkelversatz von Blech zu Blech (kontinuierliche Schränkung). Häufig werden aber zur vereinfachten Montage einzelne Segmente des Rotorstapels mit einem Winkelversatz aufeinander gesetzt (diskrete Schränkung). Die diskrete Schränkung wird entweder in linearer Form oder in V-Form ausgeführt.
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Ein gattungsgemäßer Rotor ist beispielsweise aus der Druckschrift
JP 2004 24 8422 A1 bekannt. Dort ist der Rotorkern, der auf eine Rotorwelle montiert wird, axial in mehrere Abschnitte unterteilt. Die einzelnen Abschnitte sind zueinander in Umfangsrichtung um einen Winkel versetzt, der das kleinste gemeinsame Vielfache zwischen der Anzahl der Nuten und der Anzahl der Pole darstellt. Ähnlich geschränkte Rotoren sind auch aus den Druckschriften
JP 2000 308 286 A1 ,
WO 2009 084 151 A1 ,
JP 2006 230 116 A1 und
EP 1 509 989 A1 bekannt. Allen gemeinsam ist jedoch, dass sie eine fest vorgegebene Schränkung besitzen.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, den Wirkungsgrad einer elektrischen Maschine mit unterschiedlichen Betriebspunkten bei geringer Drehmomentenwelligkeit zu optimieren.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen Rotor nach Anspruch 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird demnach bereitgestellt ein Rotor für eine permanent erregte Maschine mit
- – mehreren axial voneinander getrennten Segmenten, wobei
- – die einzelnen Segmente in Umfangsrichtung gegeneinander beweglich sind, so dass sich eine Schränkung des Rotors ergibt, wobei
- – die Schränkung im komplett montierten Zustand des Rotors variierbar ist.
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In vorteilhafter Weise kann durch die variable Schränkung abhängig vom Betriebspunkt die jeweils optimale Charakteristik des Rotors eingestellt werden.
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Vorzugsweise beträgt die maximale Schränkung eine Polteilung. Die Segmente können auf einem zylindrischen Rotorträger angeordnet sein, wobei eines der Segmente mit dem Rotorträger drehfest verbunden ist und die übrigen Segmente auf dem Rotorträger drehbar gelagert sind. Ferner kann jedes der Segmente einen radial nach innen weisenden Zapfen besitzen, der in einer jeweiligen Aussparung im Rotorträger aufgenommen ist. Hierbei ist es weiter vorteilhaft, wenn in den Rotorträger eine axial verschiebbare Welle mit mehreren Buchsen eingesetzt ist, in die jeweils ein Zapfen eines der Segmente ragt, wobei die Buchsen bei axialer Bewegung der Welle ihre Position in Umfangsrichtung ändern, so dass sich die Schränkung des Rotors verändert.
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Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Rotorabschnitts ohne Schränkung;
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2 den Rotorabschnitt von 1 bei leichter Schränkung;
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3 den Rotorabschnitt von 1 bei Schränkung über einen Pol; und
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4 eine perspektivische Darstellung von Rotorteilen vor dem Zusammenbau.
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1 zeigt schematisch eine Draufsicht auf zwei benachbarte Pole eines Rotors. Der Rotor ist hier nicht geschränkt, so dass sich die beiden benachbarten Magnete 1 und 2 parallel zueinander in axialer Richtung erstrecken. Sie definieren jeweils ungeschränkte Polbereiche 3, 4, welche in 1 als Rahmen dargestellt sind.
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Bei ungeschränkter Magnetanordnung auf dem Rotor kann es bei Synchronmotoren zu dem so genannten „torque rippel” kommen, welches bei Verwendung der Synchronmotoren in Kraftfahrzeugen das Fahrgefühl negativ beeinflusst. Um dies zu verbessern, werden in bekannter Weise die Magnete auf dem Rotor geschränkt angeordnet. Da die Schränkung aber auch eine Abnahme des maximalen Drehmoments bedeutet, wird die Schränkung im Rotor erfindungsgemäß variabel gehalten, so dass die Schränkung an einen aktuellen Betriebszustand des Rotors bzw. der elektrischen Maschine angepasst werden kann. Die Schränkung soll im Betrieb des Elektromotors im Fahrzeug durch einen Aktor einstellbar sein. Dazu werden einzelne Segmente des Rotors auf Teilblechpakete (zueinander drehbar) auf die Welle gesetzt. Beispielsweise besteht der Rotor aus vier Teilblechpaketen bzw. Segmenten 5 bis 8, wie dies in 2 für den gewählten Rotorabschnitt angedeutet ist.
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Der Mechanismus zum Schränken muss das Drehmoment zur Welle hin übertragen können. Während der Rotation der elektrischen Maschine kann nun durch eine geeignete Mechanik eine Relativbewegung der Segmente 5 bis 8 zueinander bewirkt werden.
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Im Ankerstellbereich bei niedrigen Drehzahlen kann mit einer Schränkung von 0° (keine Schränkung) gemäß 1 ein hohes Drehmoment erreicht werden. Bei höheren Drehzahlen im Feldschwächbereich wird hingegen eine Schränkung benötigt, um Rippel/Geräusch oder Oberwellen zu reduzieren. Auf Grund der variablen Schränkung ist der Rotor also nicht nur in einem niedrigen Drehzahlbereich, sondern auch bei höheren Drehzahlen im Feldschwächbereich betreibbar. Da eben die Schränkung variabel eingestellt werden kann, muss im Feldschwächbereich kein Strom eingeprägt werden, der das Magnetfeld schwächt. Bei diesem Konzept wird der magnetische Fluss, der auf eine Statorspule wirkt, dadurch geschwächt, dass durch eine erhöhte Schränkung weniger magnetischer Fluss gleichzeitig auf die Spule wirkt.
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Durch weiteres Schränken bis zu einem Winkel zwischen zwei Polen (Polteilung) gemäß 3 lässt sich der magnetische Fluss durch eine Statorspule auf Null reduzieren. Das hat zur Folge, dass hierbei keine Spannungen induziert werden und damit die Maschine in einem sicheren passiven Zustand ist. Dies muss bei herkömmlichen Konzepten durch zusätzliche Sicherheitsmaßnahmen, z. B. in der Elektronik, ausgeglichen werden.
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4 zeigt eine Realisierungsmöglichkeit eines Rotors mit variabler Schränkung. Der Übersicht halber ist jedoch nur ein einziges Segment 5, d. h. ein einziges Teilblechpaket, dargestellt. Es besitzt am Umfang verteilte Permanentmagnete 1, 2. Das Segment ist ringförmig und besitzt einen nach innen radial abstehenden Zapfen 9. Das Segment wird von einem Rotorträger 10 getragen, der zylinderförmig ausgebildet ist. Der Rotorträger 10 besitzt im Abstand der Dicke der Segmente 5 verschieden lange Nuten 11. Die Nuten (Langlöcher) verlaufen in Umfangsrichtung und die längste Nut entspricht der maximalen Schränkung. Die kürzeste Nut entspricht hier einer Bohrung, in die der Zapfen 9 ortsfest aufgenommen wird. Im vorliegenden Beispiel werden also von dem Rotorträger 10 vier Segmente 5 aufgenommen, wobei ihr Winkelversatz untereinander gemäß der Länge der Nuten 11 veränderbar ist.
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Zur Veränderung der Winkelstellung der einzelnen Segmente dient beispielsweise eine Welle 12, die in dem Rotorträger 10 axial verschiebbar ist. Auf ihr sind Buchsen 13 angeordnet, die auf der Welle 12 axial verschiebbar sind. Bei der axialen Verschiebung ändern die Buchsen 13 auch ihre Winkelposition, so dass eine Umsetzung einer translatorischen Bewegung in eine rotatorische Bewegung stattfindet. Hierbei führen die Buchsen 13 unterschiedlich weite rotatorische Bewegungen aus, so dass eine variable diskrete Schränkung in linearer oder in V-Form eingestellt werden kann. Da jede der Buchsen 13 einen Zapfen 9 eines Segments 5 aufnimmt, verdrehen sich die Segmente gegeneinander, wenn die Welle 12 axial verschoben wird. Je nach Betriebszustand ist somit durch eine axiale Bewegung der Welle 12 eine geeignete Schränkung einstellbar. Die Schränkung kann aber auch durch beliebige andere Mechanismen variabel gehalten werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Magnet
- 2
- Magnet
- 3
- Polbereich
- 4
- Polbereich
- 5
- Segment
- 6
- Segment
- 7
- Segment
- 8
- Segment
- 9
- Zapfen
- 10
- Rotorträger
- 11
- Nut
- 12
- Welle
- 13
- Buchsen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2004248422 A1 [0004]
- JP 2000308286 A1 [0004]
- WO 2009084151 A1 [0004]
- JP 2006230116 A1 [0004]
- EP 1509989 A1 [0004]
