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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Blechpaket für eine elektrische Maschine sowie eine derartige elektrische Maschine.
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Hintergrund der Erfindung
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Statoren und Rotoren elektrischer Maschinen sind zur Unterdrückung von Ummagnetisierungsverlusten häufig aus Blechpaketen aufgebaut. Die Blechpakete bestehen dabei in der Regel aus gestanzten oder gelaserten, gegeneinander elektrisch isolierten Einzelblechen, die mit einem geeigneten Verfahren (Stanzpaketierung, Schweißen, Kleben, ...) zu einem Blechpaket zusammengefügt werden.
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Hierdurch werden insbesondere die ansonsten durch wechselnde Magnetisierung hervorgerufenen Wirbelströme zwischen den einzelnen Blechen wirksam unterdrückt. Standardmäßig kommt als Material für die Bleche siliziertes Eisenblech zum Einsatz. Die Anforderungen an das Material sind dabei normalerweise eine möglichst hohe Sättigungsflussdichte und eine geringe Verlustziffer, die auf den blechinternen Ummagnetisierungsverlusten, wie etwa Hystereseverlusten und Wirbelstromverlusten, beruht.
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Bei der Verwendung von FeSi-Blechen können jedoch beim Betrieb der elektrischen Maschine bei hohen Drehzahlen oder auch bei abgesenkter Flussdichte, die Ummagnetisierungsverluste relativ hoch sein. Insbesondere im Teillastbereich bei hohen Drehzahlen kann daher der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine absinken.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist Aufgabe der Erfindung, den Wirkungsgrad einer elektrischen Maschine bei mittleren und hohen Drehzahlen zu optimieren.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und aus der folgenden Beschreibung.
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Ein Aspekt der Erfindung betrifft ein Blechpaket für eine elektrische Maschine, das aus einer Mehrzahl von geschichteten, d. h. aufeinander gestapelten Blechen aufgebaut ist. Die Bleche können gegeneinander isoliert sein. Weiter können die Bleche des Blechpakets mittels eines Klebers, mittels Schweißen oder durch axiale Bolzen miteinander verbunden sein.
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Eine elektrische Maschine kann ein Elektromotor oder ein Generator sein. In den geschichteten Blechen sind erste Bleche aus einem ersten Blechmaterial und zweite Bleche aus einem zweiten Blechmaterial vorhanden. Das erste Blechmaterial weist eine niedrigere Verlustziffer für die Ummagnetisierung und/oder eine höhere Permeabilität als das zweite Blechmaterial auf. Das zweite Blechmaterial weist eine höhere Sättigungsflussdichte als das erste Blechmaterial auf.
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Mit anderen Worten weist das Bleckpaket zwei Sorten von Blechen auf, die in Bezug auf verschiedene Parameter gewählt wurden.
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Das Blechmaterial der ersten Bleche führt aufgrund seiner niedrigen Verlustziffer und/oder der hohen magnetischen Permeabilität zu niedrigen Ummagnetisierungsverlusten auch im Betrieb mit schwachen Magnetfeldern, d. h. besonders im Teillastbetrieb. Dabei ist zu verstehen, dass die Verlustziffer ein Faktor ist, mit dem sich aus der Stärke des Magnetfelds die Ummagnetisierungsverluste berechnen lassen.
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Da die ersten Bleche eine niedrige Sättigungsflussdichte aufweisen können, wird dies mit den zweiten Blechen ausgeglichen. Damit weist das Blechpaket für den Teillastbereich einen hohen Wirkungsgrad auf, ohne dass der maximal mögliche Magnetfluss reduziert werden muss.
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Damit ergibt sich gegenüber elektrischen Maschinen mit nur einer Sorte Blechmaterial ein erhöhter Wirkungsgrad im Teillastbetrieb, besonders bei hohen Drehzahlen, bei einer gleichbleibender Leistungsdichte der elektrischen Maschine. Insbesondere in Traktionsantrieben ist der verbesserte Teillastwirkungsgrad unmittelbar vorteilhaft für den Fahrzykluswirkungsgrad des gesamten Antriebes.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das erste Blechmaterial und/oder das zweite Blechmaterial eine Eisenlegierung. Die Ummagnetisierungsverluste P
Fe für ein Blech, das eine Eisenlegierung als Blechmaterial aufweist, können gemäß
berechnet werden, wobei f die Frequenz des veränderlichen Magnetfelds B und f
0 und B
0 Referenzgrößen sind. m stellt die Masse des Blechs dar. Die Ummagnetisierungsverluste P
Fe variieren mit dem Blechmaterial (beispielsweise mit dem Siliziumanteil einer SiFe-Legierung) und der Blechdicke.
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Der Faktor in der eckigen Klammer kann als (frequenzabhängige) Gesamtverlustziffer betrachtet werden, die in der Regel von der Verlustziffer vhy für Hystereseverluste und der Verlustziffer vwb für Wirbelstromverluste abhängig ist.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist das erste Blechmaterial eine Nickel-Eisen-Legierung und/oder ist das zweite Blechmaterial eine Eisen-Kobalt-Legierung. Eine Nickel-Eisen-Legierung ist ein Beispiel für ein Blechmaterial mit niedriger Verlustziffer. Eine Eisen-Kobalt-Legierung ist ein Beispiel für ein Blechmaterial mit einer hohen Sättigungsflussdichte.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die ersten Bleche und die zweiten Bleche in einer regelmäßen Reihenfolge geschichtet. Eine möglichst gleichmäßige Verteilung der Blechmaterialen kann sich dadurch ergeben, dass das Blechpaket aus (schmalen, nur wenige Bleche umfassenden) identisch aufgebauten Einzelpaketen zusammengefügt ist.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die ersten Bleche und die zweiten Bleche abwechselnd aufeinander geschichtet. Mit anderen Worten ist zwischen zwei ersten Blechen genau ein zweites Blech angeordnet und umgekehrt.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist zwischen zwei zweiten Blechen nur ein erstes Blech angeordnet. Es kann jedoch von Vorteil sein, wenn das Blechpaket mehr zweite Bleche als erste Bleche aufweist, um so eine höhere Sättigungsflussdichte zu erreichen.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind zwischen zwei ersten Blechen wenigstens zwei zweite Bleche angeordnet. Die Anzahl der zweiten Bleche kann doppelt oder dreifach so hoch wie die der ersten Bleche sein.
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Beispielsweise können genau zwei (oder drei) zweite Bleche zwischen zwei ersten Blechen angeordnet sein. Dies führt dann zu einem Muster, bei dem ein erstes Blech, zwei (bzw. drei) zweite Bleche, ein erstes Blech, zwei (bzw. drei) zweite Bleche usw. aufeinander abfolgend im Blechpaket angeordnet sind.
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Im Allgemeinen ist es jedoch möglich, dass beliebige Verhältnisses zwischen der Anzahl der ersten Bleche und der Anzahl der zweiten Bleche gewählt werden.
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Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor, die ineinander angeordnet sind.
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Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst entweder der Stator oder der Rotor oder Stator und Rotor jeweils ein Blechpaket, so wie es obenstehend und untenstehend beschrieben ist.
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Eine derartige elektrische Maschine kann vor allem in wirkungsgradsensitiven Antriebstechnikanwendungen mit hohen Anforderungen an die Leistungsdichte und an den Teillastwirkungsgrad im Bereich schwacher Felder eingesetzt werden. Beispiele hierfür sind Elektrofahrzeuge, Hybridfahrzeuge und die Industrieantriebstechnik.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung mit Bezug auf die beiliegenden Figuren detailliert beschrieben.
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1 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch eine elektrische Maschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Grundsätzlich sind identische oder ähnliche Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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Detaillierte Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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1 zeigt schematisch eine elektrische Maschine 10, die einen Stator 12 einen um eine Achse rotierbaren Rotor 14 im Stator 12, und ein die beiden Komponenten umschließendes Gehäuse 16 umfasst. Lediglich eine Hälfte der elektrischen Maschine 10 ist in der 1 dargestellt.
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Der Stator 12 weist ein Blechpaket 18 auf, das von einer Wicklung 20 umschlossen wird. Es ist zu verstehen, dass auch ein Blechpaket des Rotors 14, so wie das Blechpaket 18 aufgebaut sein kann, so wie es im Folgenden beschrieben wird.
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Das Statorblechpaket 18, das sandwichartig aufgebaut ist, umfasst abwechselnd geschichtete NiFe-Bleche 22 und FeCo-Bleche 24. Das Verhältnis von NiFe-Blechen 22 zu FeCo-Blechen 24 kann hierbei der Anwendung angepasst werden. Beispielsweise kann nach zwei oder drei FeCo-Blechen 24 jeweils ein einziges NiFe-Blech 22 in das Blechpaket eingeordnet sein.
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Die elektrische Maschine 10 kann beispielsweise in schnell laufenden Antrieben (Industrieantrieben, Elektrofahrzeuge, ...) eingesetzt werden, bei denen die Ummagnetisierungsverluste bei hohen Drehzahlen (d. h. hohen Frequenzen f) und im Teillastbetrieb einen wesentlichen Anteil der Gesamtverluste darstellen. Die Ummagnetisierungsverluste sind somit unmittelbar relevant für den Gesamtwirkungsgrad dieser Antriebe.
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In diesen Antrieben kommen in der Regel hochwertige FeSi-Bleche zum Einsatz, z. B. M330-35A, dessen Kennzahlen als Vergleichswerte in der folgenden Tabelle angegeben sind.
| | vhy | vwb | v10 | Bsat |
| M330-35A | ~1,1 W/kg | ~0,2 W/kg | ~1,3 W/kg | ca. 2T |
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Die Verlustzahlen vhy und vwb sind bereits in Bezug auf die Formel weiter oben beschrieben worden. Die Gesamtverlustziffer v10 wurde bei 50 Hz und 1T bestimmt. Bsat ist die Sättigungsflussdichte.
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Die Absenkung der durch das Eisen bedingten Verluste der FeSi-Legierung wird dadurch erreicht, dass im Stator 12 das FeSi-Blechpaket durch eine Kombination von NiFe-Blechen 22 und FeCo-Blechen 24 in einer Sandwichstruktur ersetzt wird.
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Das Verwenden der NiFe-Legierung bewirkt eine deutliche Reduktion der Ummagnetisierungverluste insbesondere im Teillastbereich bei hohen Drehzahlen (d. h. im Feldschwächebetrieb bei abgesenkter Flussdichte).
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Die schwache Sättigungsflussdichte der NiFe-Legierung wird hierbei in einer Sandwichstruktur zusammen mit FeCo-Blechen 24 ausgeglichen, die bei niedriger Drehzahl und hoher Last den Magnetfluss übernehmen können. Insgesamt bleibt somit bei abgesenkten Eisenverlusten die Leistungsdichte der elektrischen Maschine 10 erhalten.
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Die folgende Tabelle zeigt typische Kennwerte der NiFe-Bleche
22 und FeCo-Bleche
24.
| | vhy | vwb | v10 | Bsat |
| NiFe | ~0,25 W/kg | ~0,06 W/kg | ~0,3 W/kg | ca. 1,3 T |
| FeCo | ~1,15 W/kg | ~0,26 W/kg | ~1,4 W/kg | ca. 2,35 T |
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Die NiFe-Legierung weist dabei einen Anteil von ca. 48 % Nickel und ca. 52 % Eisen auf. Die FeCo-Legierung weist dabei einen Anteil von ca. 50% Kobalt und ca. 50% Eisen auf.
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Wie aus der Tabelle zu erkennen ist, weisen die NiFe-Bleche 22 niedrige Verluste bei niedrigen Flussdichten und die FeCo-Bleche 24 eine hohe Sättigungspolarisation auf.
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Ergänzend ist darauf hinzuweisen, dass „umfassend“ keine anderen Elemente oder Schritte ausschließt und „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließt. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
