DE102013004057B4 - Device for an electric machine - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung für eine Elektro-Maschine, aufweisend:einen Stator mit einem Statorträger (611, 1711) und mindestens einem Statorzahn (613, 1713), der sich in einer axialen Richtung (203-1803) erstreckt und an einem Axialende des Statorzahns (613, 1713) an einer ersten Axialposition (621, 1721) endet; undeinen Rotor mit mindestens einem Permanentmagneten (619, 1719),wobei der Rotor relativ zu dem Stator um eine in der axialen Richtung (203-1803) verlaufende Drehachse bei einem ersten axialen Abstand zwischen dem Stator und dem Rotor und bei einem zweiten axialen Abstand (d2) zwischen dem Stator und dem Rotor drehbar ist, wobei der Rotor und/oder der Stator jeweils durch einen ersten Teil (305a, 301a) und einen zweiten Teil (305b, 301b) gebildet ist, die spiegelsymmetrisch angeordnet sind, wobei eine Spiegelebene (325-1825) senkrecht zu der Drehachse orientiert ist und von der ersten Axialposition (621, 1721) beabstandet ist,wobei dem ersten Teil (305a, 301a) und dem zweiten Teil (305b, 301b) jeweils ein erster axialer Abstand zwischen Rotor und Stator und ein zweiter axialer Abstand (d2) zwischen Rotor und Stator zugeordnet sind, wobei jeweils ausgehend von dem ersten axialen Abstand der erste Teil des Rotors und der zweite Teil des Rotors in entgegengesetzten axialen Richtungen von der Spiegelebene 325-1825) weg bewegt werden, um den jeweils zweiten axialen Abstand (d2) zu erreichen,wobei die folgenden Merkmale verwirklicht sind:der Statorträger (611, 1711) ragt axial über die erste Axialposition (621,1721) nach axial außerhalb des Statorzahns (613, 1713) hinaus undder Permanentmagnet (619, 1719) ragt bei jedem axialen Abstand zwischen Stator und Rotor, bei dem der Rotor relativ zu dem Stator drehbar ist, axial über die erste Axialposition (621, 1721) nach axial außerhalb des Statorzahns (613, 1713) hinaus.Apparatus for an electric machine, comprising: a stator having a stator support (611, 1711) and at least one stator tooth (613, 1713) extending in an axial direction (203-1803) and at an axial end of the stator tooth (613, 1713) terminates at a first axial position (621, 1721); anda rotor having at least one permanent magnet (619, 1719), wherein the rotor relative to the stator about an axis of rotation in the axial direction (203-1803) at a first axial distance between the stator and the rotor and at a second axial distance ( d2) is rotatable between the stator and the rotor, wherein the rotor and / or the stator is in each case formed by a first part (305a, 301a) and a second part (305b, 301b) which are arranged mirror-symmetrically, a mirror plane ( 325-1825) is oriented perpendicular to the axis of rotation and spaced from the first axial position (621, 1721), wherein the first part (305a, 301a) and the second part (305b, 301b) each have a first axial distance between the rotor and the stator and a second axial distance (d2) between rotor and stator are assigned, wherein in each case starting from the first axial distance of the first part of the rotor and the second part of the rotor in opposite axial directions of the mirror plane 325-1825) are moved away to reach the respective second axial distance (d2), wherein the following features are realized: the stator support (611, 1711) protrudes axially beyond the first axial position (621, 1721) axially outwards of the stator tooth (613, 1713) and the permanent magnet (619, 1719) projects axially beyond the first axial position (621, 1721) axially outward of the axial distance between the stator and the rotor where the rotor is rotatable relative to the stator Statorzahns (613, 1713) addition.
Description
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung betreffen eine Vorrichtung für eine Elektro-Maschine, welche einen Permanentmagneten aufweist und die erlaubt, ein Überlappungsausmaß zwischen Stator und einem den Permanentmagneten aufweisenden Rotor zu verkleinern, um eine Feldschwächung in einem erhöhten Drehzahlbereich zu ermöglichen.Embodiments of the present invention relate to an apparatus for an electric machine having a permanent magnet and which allows to reduce an overlap amount between the stator and a rotor having the permanent magnet to enable field weakening in an increased speed range.
Permanentmagnetisch erregte Elektro-Maschinen, wie etwa Elektromotoren oder Generatoren, haben einen oder mehrere Permanentmagneten, welche in einer Umfangsrichtung beabstandet voneinander angeordnet sein können, als Erreger zur Erzeugung eines Magnetfeldes. Bei Rotation relativ zu dem Statorwicklungen aufweisenden Stator induzieren die Permanentmagneten elektrische Spannungen in den Statorwicklungen. Bei hohen Drehzahlen kann es erforderlich sein, dieses magnetische Erregungsfeld wegen der begrenzten Versorgungsspannung, welche etwa durch eine Batterie geliefert werden kann, zu schwächen, um somit eine induzierte Spannung unterhalb der Versorgungsspannung zu halten. Konventionell ist beispielsweise eine mechanische Feldschwächung vorgeschlagen worden, wobei das von den Permanentmagneten erzeugte und mit den Statorwicklungen gekoppelte Magnetfeld dadurch geschwächt wird, dass eine Reduzierung der axialen Überlappung bzw. Überdeckung zwischen Stator und Rotor auf mechanische Weise, etwa durch Verschiebung, erreicht wird.Permanent magnetically excited electric machines, such as electric motors or generators, have one or more permanent magnets, which may be arranged in a circumferential direction spaced from one another, as exciters for generating a magnetic field. When rotating relative to the stator windings stator, the permanent magnets induce electrical voltages in the stator windings. At high speeds it may be necessary to weaken this magnetic excitation field because of the limited supply voltage, which may be supplied by a battery, for example, so as to maintain an induced voltage below the supply voltage. Conventionally, for example, a mechanical field weakening has been proposed, whereby the magnetic field generated by the permanent magnets and coupled to the stator windings is weakened by achieving a reduction of the axial overlap or overlap between stator and rotor in a mechanical manner, for instance by displacement.
Es ist beobachtet worden, dass eine Feldschwächung nicht in allen Situationen in vorteilhafter Weise erreicht werden kann oder/und mit Performanzverlusten einhergeht. Insbesondere ist eine Performanz- oder Leistungsdichte von konventionellen Elektro-Maschinen mit mechanischer Feldschwächung nicht zufriedenstellend und/oder konventionelle Elektro-Maschinen weisen unerwünschte Verluste auf.It has been observed that field weakening can not be achieved in all situations in an advantageous manner and / or is associated with performance losses. In particular, a performance or power density of conventional electric machines with mechanical field weakening is unsatisfactory and / or conventional electric machines have undesirable losses.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung für eine Elektro-Maschine mit Permanentmagneten bereitzustellen, welche auf einfache und effektive Weise eine Feldschwächung erreicht, wobei eine Performanz bzw. Leistungsdichte der Elektro-Maschine, gegenüber konventionellen Elektro-Maschinen, erhöht ist und/oder wobei Verluste gegenüber konventionellen Elektro-Maschinen vermindert sind.Object of the present invention is to provide an apparatus for a permanent magnet electric machine, which achieves a field weakening in a simple and effective manner, wherein a performance or power density of the electric machine, compared to conventional electric machines, is increased and / or whereby losses compared to conventional electric machines are reduced.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können von der Erkenntnis ausgehen, dass eine mechanische Feldschwächung durch Streufelder im Feldschwächungsbereich begrenzt sein kann. Um die Feldschwächbarkeit der Elektro-Maschine zu verbessern, wird gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine neuartige Bauweise von Rotor und/oder Stator und/oder Wicklung des Stators vorgeschlagen.Embodiments of the present invention may be based on the recognition that a mechanical field weakening by stray fields in the field weakening region may be limited. In order to improve the field wearability of the electric machine, a novel design of rotor and / or stator and / or winding of the stator is proposed according to embodiments of the present invention.
Ferner können Ausführungsbeispiele der Erfindung von der Erkenntnis ausgehen, dass eine mechanische Feldschwächung mit zusätzlichen Verlusten verbunden ist und dass, wenn diese Zusatzverluste in der Auslegungsphase berücksichtigt werden, die Verluste deutlich verringert werden können. Insbesondere ist von den Erfindern gefunden worden, dass mit Wickelköpfen der Statorwicklungen assoziierte Verluste auftreten können, insbesondere wegen axialer Felder und wegen leitfähiger Konstruktionsteile. Ausführungsbeispiele sind darauf gerichtet, die Verluste wegen axialer Felder und/oder die Verluste auf den leitfähigen Konstruktionsteilen zu vermindern, um diese parasitären Verluste im mechanischen Feldschwächungsbereich, das heißt bei erhöhten Drehzahlen, zu minimieren. Auch die Verluste können, gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung, durch neuartige Stator-/Rotor-/Wicklungskonstruktionen vermindert werden.Furthermore, embodiments of the invention can be based on the recognition that a mechanical field weakening is associated with additional losses and that, if these additional losses are taken into account in the design phase, the losses can be significantly reduced. In particular, it has been found by the inventors that losses associated with winding heads of the stator windings can occur, in particular because of axial fields and because of conductive structural parts. Embodiments are directed to reducing the losses due to axial fields and / or the losses on the conductive structural members in order to minimize these parasitic losses in the mechanical field weakening region, that is, at increased rotational speeds. Also, the losses can be reduced, according to embodiments of the present invention, by novel stator / rotor / winding designs.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind auf eine permanent erregte Elektro-Maschine gerichtet, wobei eine Verbesserung der Feldschwächbarkeit und/oder eine Verringerung von Zusatzverlusten erreicht werden kann.Embodiments of the present invention are directed to a permanently energized electric machine, wherein an improvement of the field weakenability and / or a reduction of additional losses can be achieved.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung für eine Elektro-Maschine, etwa einen Elektromotor oder einen Generator, bereitgestellt, welche einen Stator und einen Rotor aufweist. Der Stator, welcher etwa einen Umfangsabschnitt oder ein Umfangssegment repräsentieren kann oder einen Gesamtumfang der Elektro-Maschine repräsentieren kann, weist einen Statorträger und mindestens einen Statorzahn (welcher mit dem Statorträger verbunden ist) auf, wobei sich der Statorzahn in einer axialen Richtung erstreckt und an einem Axialende des Statorzahns an einer ersten Axialposition endet. Der Rotor weist mindestens einen Permanentmagneten auf, welcher insbesondere zumindest in einem Betriebszustand der Vorrichtung induktiv mit einer Statorwicklung, welche an dem Stator vorgesehen sein kann, gekoppelt ist. Dabei ist der Rotor relativ zu dem Stator um eine in der axialen Richtung verlaufende Drehachse bei einem ersten axialen Abstand zwischen dem Stator und dem Rotor und bei einem zweiten axialen Abstand zwischen dem Stator und dem Rotor drehbar. Ferner sind bei der Vorrichtung für eine Elektro-Maschine mindestens eines der folgenden Merkmale verwirklicht: Der Statorträger ragt radial über die erste Axialposition nach axial außerhalb des Statorzahns hinaus und der Permanentmagnet ragt sowohl im Falle des ersten axialen Abstandes als auch im Falle des zweiten axialen Abstandes axial über die erste Axialposition nach axial außerhalb des Statorzahns hinaus. Unter einem axialen Abstand kann bei Ausführungsbeispielen auch ein axialer Versatz verstanden werden.According to an embodiment of the present invention, there is provided an apparatus for an electric machine, such as an electric motor or a generator, having a stator and a rotor. The stator, which may represent about a circumferential portion or a circumferential segment or may represent an entire circumference of the electric machine, has a stator support and at least one stator tooth (which is connected to the stator), wherein the stator tooth extends in an axial direction and on an axial end of the stator tooth terminates at a first axial position. The rotor has at least one permanent magnet which, in particular at least in an operating state of the device, is inductively coupled to a stator winding, which may be provided on the stator. In this case, the rotor is rotatable relative to the stator about an axis of rotation extending in the axial direction at a first axial distance between the stator and the rotor and at a second axial distance between the stator and the rotor. Further, in the apparatus for an electric machine, at least one of the following features is realized: the stator support protrudes radially beyond the first axial position axially outward of the stator tooth, and the permanent magnet protrudes both in the case of the first axial distance and in the case of the second axial distance axially beyond the first axial position axially outward of the stator tooth. In an axial distance can be understood in embodiments, an axial offset.
Mit der Vorrichtung für eine Elektro-Maschine kann insbesondere ein permanent erregter Elektromotor aufgebaut sein. Der Stator, insbesondere einschließlich des Statorträgers und des Statorzahns, kann aus einem magnetisch hochpermeablen Material gefertigt sein, um ein Magnetfeld bei einem elektrischen Stromfluss durch Statorwicklungen ein erzeugtes Magnetfeld innerhalb des Stators zu konzentrieren, sodass insbesondere das erzeugte Magnetfeld in einen Spalt zwischen Stator und Permanentmagneten austritt, um mit einem von dem Permanentmagneten erzeugten Magnetfeld zu koppeln, welche ebenfalls in den Spalt hinausreichen kann. Der Rotor kann als ein Innenrotor oder als ein Außenrotor ausgeführt sein. Wenn der Rotor als ein Innenrotor ausgeführt ist, kann sich der Statorträger radial außerhalb des Statorzahns befinden. Wenn der Rotor als ein Außenrotor ausgeführt ist, kann sich der Statorträger radial innerhalb des Statorzahns befinden bzw. angeordnet sein. Der Stator sowie der Statorträger und der Statorzahn können jeweils zwei Axialenden aufweisen. Jedenfalls an einem Axialende des Statorzahns (oder auch an beiden Axialenden des Statorzahns) endet der Statorzahn (jeweils) bei einer bestimmten Axialposition, insbesondere endet der Statorzahn an einem Axialende an einer ersten Axialposition, an dem anderen Axialende des Statorzahns kann der Statorzahn an einer anderen ersten Axialposition enden.In particular, a permanently excited electric motor can be constructed with the device for an electric machine. The stator, in particular including the stator carrier and the stator tooth, may be made of a magnetically highly permeable material to concentrate a magnetic field in an electric current flow through stator windings generated magnetic field within the stator, so that in particular the magnetic field generated in a gap between the stator and permanent magnets exit to couple with a magnetic field generated by the permanent magnet, which can also extend into the gap. The rotor may be embodied as an inner rotor or as an outer rotor. If the rotor is designed as an inner rotor, the stator carrier may be located radially outside of the stator tooth. When the rotor is configured as an outer rotor, the stator carrier may be located radially inside the stator tooth. The stator and the stator carrier and the stator tooth may each have two axial ends. In any case, at an axial end of the stator tooth (or at both axial ends of the stator tooth) of the stator tooth (each) ends at a certain axial position, in particular the stator tooth ends at an axial end at a first axial position, at the other axial end of the stator tooth, the stator tooth at another first axial position end.
Der erste axiale Abstand bzw. der zweite axiale Abstand zwischen dem Stator und dem Rotor kann auf verschiedene Weisen definiert sein. Insbesondere können sowohl dem Stator als auch dem Rotor bestimmte axiale Positionen zugeordnet sein, ausgehend von welchen ein axialer Abstand definiert werden kann. Insbesondere kann eine axiale Positionierung des Stators und/oder des Rotors jeweils durch eine Schwerpunktposition des Stators bzw. des Rotors in der axialen Richtung definiert sein. Alternativ kann beispielsweise eine axiale Position des Stators bzw. des Rotors durch eine axiale Position an einem Ende des Stators bzw. des Rotors definiert sein oder eine axiale Position des Stators bzw. des Rotors kann als axiale Position irgendeiner (festgelegten) Stelle innerhalb des Stators bzw. des Rotors definiert sein. Der erste axiale Abstand bzw. der zweite axiale Abstand zwischen dem Stator und dem Rotor kann dann als eine (vorzeichenbehaftete) Differenz zwischen der axialen Position des Stators und der axialen Position des Rotors definiert sein.The first axial distance or the second axial distance between the stator and the rotor can be defined in various ways. In particular, both the stator and the rotor can be assigned certain axial positions, starting from which an axial distance can be defined. In particular, an axial positioning of the stator and / or the rotor can be defined in each case by a center of gravity position of the stator or of the rotor in the axial direction. Alternatively, for example, an axial position of the stator or rotor may be defined by an axial position at one end of the stator or rotor, or an axial position of the stator or rotor may be an axial position of any (fixed) location within the stator or rotor . of the rotor. The first axial distance or the second axial distance between the stator and the rotor can then be defined as a (signed) difference between the axial position of the stator and the axial position of the rotor.
Dem ersten axialen Abstand zwischen dem Stator und dem Rotor kann eine erste relative axiale Überlappung zwischen Stator und Rotor zugeordnet sein und dem zweiten axialen Abstand zwischen dem Stator und dem Rotor kann insbesondere eine zweite relative axiale Überlappung zwischen Stator und Rotor zugeordnet sein. Die erste axiale Überlappung kann insbesondere verschieden von der zweiten axialen Überlappung sein. Die zweite axiale Überlappung kann insbesondere kleiner sein als die erste axiale Überlappung. Die zweite axiale Überlappung kann insbesondere eingestellt werden, wenn im Betrieb der Elektro-Maschine eine Drehzahl des Rotors einen Drehzahlschwellenwert übersteigt, um in einer solchen Situation bzw. in einem solchen Betriebsmodus eine Feldschwächung eines effektiv zwischen Rotor und Stator wirkenden magnetischen Feldes bzw. magnetischen Flusses zu erreichen.The first axial distance between the stator and the rotor may be associated with a first relative axial overlap between the stator and rotor and the second axial distance between the stator and the rotor may in particular be associated with a second relative axial overlap between stator and rotor. The first axial overlap may in particular be different from the second axial overlap. The second axial overlap may in particular be smaller than the first axial overlap. In particular, the second axial overlap can be adjusted if, during operation of the electric machine, a rotational speed of the rotor exceeds a rotational speed threshold, in such a situation or in such an operating mode a field weakening of an effectively acting between rotor and stator magnetic field or magnetic flux to reach.
Insbesondere kann dem ersten axialen Abstand zwischen dem Stator und dem Rotor eine erste axiale Relativposition bzw. Relativlage bzgl. dem Stator und dem Rotor zugeordnet sein und dem zweiten axialen Abstand zwischen dem Stator und dem Rotor kann eine zweite axiale Relativposition bzw. Relativlage bzgl. des Stators und des Rotors zugeordnet sein. Es kann eine axiale relative Verschiebbarkeit zwischen dem Rotor und dem Stator ermöglicht sein, um den ersten axialen Abstand bzw. den zweiten axialen Abstand zwischen Stator und dem Rotor einstellen zu können. Die relative axiale Verschiebbarkeit kann durch mechanische und/oder elektromechanische und/oder elektrische Mechanismen bzw. Antriebe, umfassend z.B. eine Feder, ein Elektro-Motor, ein Zentrifugalkraftregelungssystem, realisiert sein.In particular, the first axial distance between the stator and the rotor may be associated with a first axial relative position or relative position with respect to the stator and the rotor and the second axial distance between the stator and the rotor may be a second axial relative position or relative position with respect to Stators and the rotor to be assigned. An axial relative displacement between the rotor and the stator can be made possible in order to be able to set the first axial distance or the second axial distance between the stator and the rotor. The relative axial displaceability may be provided by mechanical and / or electromechanical and / or electrical mechanisms, including e.g. a spring, an electric motor, a centrifugal force control system, be realized.
Der Statorträger kann axial über die erste Axialposition nach axial außerhalb des Statorzahns, um eine gleiche Länge wie oder um eine andere Länge als der Permanentmagnet hinausragen. Der Permanentmagnet kann somit sowohl in einem Normalbetriebsmodus der Elektro-Maschine (welcher dem ersten axialen Abstand zwischen Rotor und Stator entsprechen kann) als auch in einem Betriebszustand bei erhöhter Drehzahl (welcher dem zweiten axialen Abstand zwischen Rotor und Stator entsprechen kann) axial über die erste Axialposition nach axial außerhalb des Statorzahns hinausragen. Das Hinausragen des Statorträgers axial über die erste Axialposition nach axial außerhalb des Statorzahns kann auch als ein Statorträgerüberhang bezeichnet werden. Das Hinausragen des Permanentmagneten axial über die erste Axialposition nach axial außerhalb des Statorzahns hinaus kann auch als ein Permanentmagnetüberhang (oder kurz auch Rotorüberhang) bezeichnet werden. Statorträgerüberhang und/oder Permanentmagnetüberhang können individuell realisiert sein oder in Kombination. Damit kann eine Verbesserung der Feldschwächbarkeit der Elektromaschine erreicht werden.The stator support may protrude axially beyond the first axial position axially outwardly of the stator tooth by an equal length to or beyond a length other than the permanent magnet. The permanent magnet can thus axially over the first both in a normal operating mode of the electric machine (which may correspond to the first axial distance between the rotor and stator) and in an operating state at elevated speed (which may correspond to the second axial distance between the rotor and stator) Axial position after axially protrude outside the stator tooth. The protrusion of the stator carrier axially beyond the first axial position axially outward of the stator tooth may also be referred to as a stator carrier overhang. The protrusion of the permanent magnet axially beyond the first axial position axially outward of the stator tooth may also be referred to as a permanent magnet overhang (or rotor overhang for short). Stator carrier overhang and / or permanent magnet overhang can be realized individually or in combination. Thus, an improvement of the field weakenability of the electric machine can be achieved.
Der Rotor und/oder der Stator kann als einteiliges Element, das heißt einteiliger Rotor bzw. einteiliger Stator oder als zweiteiliges Element, das heißt zweiteiliger Rotor bzw. zweiteiliger Stator, ausgeführt sein. Insbesondere kann eine mechanische Feldschwächung mit einem einteiligen Rotor oder mit einem zweiteiligen Rotor durch Verschiebung relativ zu dem Stator bereitgestellt werden. Bei dem ersten axialen Abstand zwischen Stator und Rotor kann eine aktive Länge (und insbesondere axiale Überlappung) der Elektro-Maschine größer sein, als bei dem zweiten axialen Abstand zwischen dem Stator und dem Rotor, wobei das Erregerfeld nicht direkt proportional zur aktiven Länge der Elektro-Maschine geschwächt sein kann.The rotor and / or the stator can be designed as a one-piece element, that is to say a one-piece rotor or one-part stator, or as a two-part element, that is to say a two-part rotor or two-part stator. In particular, mechanical field weakening may be provided with a one-piece rotor or with a two-piece rotor by displacement relative to the stator. At the first axial distance between stator and rotor, an active length (and in particular axial overlap) of the electric machine may be greater than at the second axial distance between the stator and the rotor, wherein the excitation field is not directly proportional to the active length of the electric Machine can be weakened.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ragt der Permanentmagnet bei jedem axialen Abstand zwischen Stator und Rotor, bei dem der Rotor relativ zu dem Stator drehbar ist, axial über die erste axiale Position nach axial außerhalb des Statorzahns hinaus. Damit kann ein Permanentmagnetüberhang nicht nur im erhöhten Drehzahlbereich, in dem eine Feldschwächung erreicht werden soll, sondern auch im normalen Drehzahlbereich gegeben sein. Insbesondere kann die Vorrichtung derart ausgestaltet sein, dass es nicht möglich ist, keinen Permanentmagnetüberhang zu erreichen. Es können im Normaldrehzahlbereich mehr Stör- oder Streufelder auftreten, als wenn es keinen Permanentmagnetüberhang gebe. Eine Veränderung der Störfelder bzw. Streufelder, bei Einstellen des zweiten axialen Abstands zwischen Stator und Rotor, kann jedoch kleiner sein, wenn auch im Normaldrehzahlbereich ein Permanentmagnetüberhang vorhanden ist, verglichen mit dem Fall, in dem im Normaldrehzahlbereich kein Permanentmagnetüberhang vorhanden ist. Damit kann eine Feldschwächung verbessert werden.According to the present invention, at each axial distance between the stator and the rotor, in which the rotor is rotatable relative to the stator, the permanent magnet protrudes axially beyond the first axial position axially outwardly of the stator tooth. Thus, a permanent magnet overhang not only in the increased speed range in which a field weakening is to be achieved, but also be given in the normal speed range. In particular, the device may be such be configured that it is not possible to achieve no permanent magnet overhang. There may be more noise or stray fields in the normal speed range than if there is no permanent magnet overhang. However, a change in the interference fields or stray fields, when setting the second axial distance between the stator and the rotor, may be smaller, although there is a permanent magnet overhang in the normal speed range, compared to the case in which there is no permanent magnet overhang in the normal speed range. Thus, a field weakening can be improved.
Aufgrund eines Statorüberhangs und/oder eines Rotorüberhangs können Wickelköpfe von Statorwicklungen an der Drehmomentbildung beteiligt werden. Insbesondere können Streufelder verstärkt werden und sich an der Drehmomentbildung beteiligen.Due to a stator overhang and / or a rotor overhang, winding heads of stator windings can be involved in the formation of torque. In particular, stray fields can be amplified and participate in the formation of torque.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist weiterhin der Rotor und/oder der Stator jeweils durch einen ersten Teil und einen zweiten Teil gebildet, die spiegelsymmetrisch angeordnet sind, wobei eine Spiegelebene senkrecht zu der Drehachse orientiert ist und von der ersten axialen Position beabstandet ist, wobei insbesondere dem ersten Teil des Stators und dem zweiten Teil des Stators jeweils eine erste Axialposition (jeweils einem axialen Ende des Statorzahns entsprechend) zugeordnet sein können. Dabei ist dem ersten Teil und dem zweiten Teil jeweils ein erster axialer Abstand zwischen dem jeweiligen Teil des Rotors und Stators und ein zweiter axialer Abstand zwischen dem jeweiligen Teil des Rotors und des Stators zugeordnet. Ferner kann jeweils ausgehend von dem ersten axialen Abstand der erste Teil des Rotors und der zweite Teil des Rotors in entgegengesetzten axialen Richtungen von der Spiegelebene wegbewegt werden, um den jeweils zweiten axialen Abstand zu erreichen. Somit kann insbesondere zwischen einem ersten Teil des Rotors und dem Stator ein erster axialer Abstand ermöglicht sein und zwischen dem zweiten Teil des Rotors und dem Stator kann ebenfalls ein erster axialer Abstand erreicht sein bzw. eine erste axiale Überlappung. Ferner kann zwischen dem zweiten Teil des Rotors und dem Stator ein zweiter axialer Abstand bzw. eine zweite axiale Überlappung erreicht werden und auch zwischen dem zweiten Teil des Rotors und dem Stator kann ein zweiter axialer Abstand bzw. eine zweite axiale Überlappung erreicht werden. Damit kann eine Feldschwächung auf einfache Weise realisiert werden. Ferner kann damit eine Elektromaschine mit zweiteiligem Rotor bzw. zweiteiligem Stator durch einen Rotorüberhang bzw. und/oder einen Statorüberhang bezüglich einer Feldschwächbarkeit und Verringerung von Verlusten verbessert werden.According to the present invention, the rotor and / or the stator are each formed by a first part and a second part, which are arranged mirror-symmetrically, wherein a mirror plane is oriented perpendicular to the axis of rotation and spaced from the first axial position, in particular the first part of the stator and the second part of the stator may each have a first axial position (each corresponding to an axial end of the stator tooth) may be assigned. In this case, the first part and the second part are each assigned a first axial distance between the respective part of the rotor and stator and a second axial distance between the respective part of the rotor and the stator. Furthermore, in each case starting from the first axial distance, the first part of the rotor and the second part of the rotor can be moved away in opposite axial directions from the mirror plane in order to reach the respective second axial distance. Thus, in particular between a first part of the rotor and the stator, a first axial distance can be made possible and between the second part of the rotor and the stator can also be achieved a first axial distance or a first axial overlap. Furthermore, a second axial distance or a second axial overlap can be achieved between the second part of the rotor and the stator and also between the second part of the rotor and the stator, a second axial distance or a second axial overlap can be achieved. Thus, a field weakening can be realized in a simple manner. Furthermore, an electric machine with a two-part rotor or a two-part stator can thus be improved by a rotor overhang and / or a stator overhang with regard to field weakenability and reduction of losses.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist die Vorrichtung ferner einen elektrischen Leiter auf, der sich, in Umfangsrichtung angrenzend an den Statorzahn, in einem ersten Axialbereich in axialer Richtung entlang des Statorzahns erstreckt und der in einem zweiten Axialbereich, der axial außerhalb des Statorzahns liegt, zumindest teilweise einen Wickelkopf bildet. Der erste Axialbereich kann sich insbesondere von der ersten Axialposition nach axial innerhalb des Statorzahns erstrecken und der zweite Axialbereich kann sich insbesondere von der ersten Axialposition aus nach axial außerhalb des Statorzahns erstrecken. Der elektrische Leiter kann insbesondere zumindest teilweise eine Statorwicklung bilden. Insbesondere kann der Stator mit mehreren elektrischen Leitern vorgesehen sein, welche mehrere Statorwicklungen bilden können. Durch ein Vorsehen eines Rotorüberhangs und/oder Statorüberhangs kann der Wickelkopf, welcher in dem zweiten Axialbereich angeordnet ist, insbesondere an einer Drehmomentbildung beteiligt sein. Damit kann eine Performanz der Elektro-Maschine verbessert sein bzw. eine Drehmomenterzeugung kann erhöht sein.According to an embodiment of the present invention, the device further comprises an electrical conductor which extends in the circumferential direction adjacent to the stator tooth, in a first axial region in the axial direction along the stator tooth and in a second axial region, which lies axially outside of the stator tooth, at least partially forms a winding head. The first axial region may extend in particular from the first axial position axially within the stator tooth, and the second axial region may extend in particular from the first axial position to axially outside the stator tooth. The electrical conductor may in particular at least partially form a stator winding. In particular, the stator may be provided with a plurality of electrical conductors, which may form a plurality of stator windings. By providing a rotor overhang and / or stator overhang, the winding head, which is arranged in the second axial region, can be involved in particular in torque formation. Thus, a performance of the electric machine can be improved or a torque generation can be increased.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der Leiter in dem Wickelkopf zumindest teilweise von einem Einbettungsmaterial umgeben, insbesondere eingebettet und/oder eingegossen, das eine relative magnetische Permeabilität von > 1, insbesondere zwischen 1 + 0,4 × 10 -6 und 50 aufweist, wobei das Einbettungsmaterial insbesondere an das Axialende des Statorzahns angrenzt und/oder insbesondere axial außerhalb des Statorzahns an den Statorträger angrenzt. Das Einbettungsmaterial kann zu einer Fokussierung von magnetischem Feld bzw. magnetischem Fluss führen, um eine Kopplung zwischen Stator und Rotor zur erhöhen. Damit können Leistungseigenschaften der Elektromaschine verbessert sein. Die relative magnetische Permeabilität des Einbettungsmaterials kann insbesondere größer als die von Luft sein, insbesondere bei normalen Bedingungen, wie etwa einer Temperatur von 20 °C und einem Luftdruck von etwa 1 bar. Der Leiter kann insbesondere in dem Bereich des Wickelkopfes von dem Einbettungsmaterial eingegossen sein. Das Einbettungsmaterial kann aus einem ein ferromagnetisches Material aufweisenden Pulver und einem Harz gebildet sein. Das Einbettungsmaterial kann bei der Verarbeitung flüssig sein und kann später in einem festen Zustand (etwa nach Polymerisation) sein. Das Einbettungsmaterial kann insbesondere in Kontakt mit dem Axialende des Statorzahns und/oder in Kontakt mit dem Statorträger sein. Aufgrund des Einbettungsmaterials kann eine Drehmomentbildung verbessert werden und insbesondere kann ein Anteil des Drehmoments aufgrund des Wickelkopfes durch einen Wickelkopfverguss mittels des Einbettungsmaterials verbessert sein.According to one embodiment of the present invention, the conductor in the winding head is at least partially surrounded, in particular embedded and / or cast in by an embedding material which has a relative magnetic permeability of> 1, in particular between 1 + 0.4 × 10 -6 and 50, wherein the embedding material in particular adjacent to the axial end of the stator tooth and / or in particular axially adjacent to the outside of the stator tooth to the stator. The potting material may result in magnetic field or magnetic flux focusing to increase coupling between the stator and rotor. Thus, performance characteristics of the electric machine can be improved. The relative magnetic permeability of the embedding material may in particular be greater than that of air, in particular under normal conditions, such as a temperature of 20 ° C and an air pressure of about 1 bar. The conductor may be cast in particular in the region of the winding head of the embedding material. The embedding material may be formed of a ferromagnetic material-containing powder and a resin. The embedding material may be liquid during processing and may later be in a solid state (such as after polymerization). The embedding material may in particular be in contact with the axial end of the stator tooth and / or in contact with the stator carrier. Due to the embedding material, a torque formation can be improved, and in particular a proportion of the torque due to the winding head can be improved by a winding head casting by means of the embedding material.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist der Wickelkopf ein axial inneres Ende, welches mit der ersten Axialposition übereinstimmt, und ein axial äußeres Ende auf, welches mit einer Axialposition übereinstimmt, bis zu der der Permanentmagnet im Falle des ersten axialen Abstands hinausragt und/oder bis zu der der Statorträger axial über die erste Axialposition nach axial außerhalb des Statorzahns hinausragt. Andere Ausführungsbeispiele ermöglichen verschiedene Permanentmagnetüberhänge und/oder Statorüberhänge bzw. Statorträgerüberhänge, welche etwa axial außerhalb eines axial äußeren Endes des Wickelkopfes liegen. Damit kann eine kompakte Elektro-Maschine bereitgestellt werden, welche eine Feldschwächung verbessern kann.According to an embodiment of the present invention, the winding head has a axially inner end coinciding with the first axial position and an axially outer end coinciding with an axial position up to which the permanent magnet protrudes in the case of the first axial distance and / or to the stator carrier axially beyond the first axial position protrudes axially outside of the stator tooth. Other embodiments allow various permanent magnet overhangs and / or stator overhangs or Statorträgerüberhänge, which lie approximately axially outside of an axially outer end of the winding head. Thus, a compact electric machine can be provided which can improve field weakening.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist der elektrische Leiter in dem ersten Axialbereich, welcher von der ersten Axialposition nach innerhalb des Statorzahns hinreicht, vollständig in einem ersten Radialbereich angeordnet und der elektrische Leiter ist in dem zweiten Axialbereich, welcher von der ersten Axialposition nach außerhalb des Statorzahns hinreicht, in einem zweiten Radialbereich angeordnet, der zumindest einen Teilradialbereich umfasst, der nicht mit dem ersten Radialbereich überlappt, wobei der Teilradialbereich radial weiter von dem Rotor entfernt angeordnet ist als der erste Radialbereich. Insbesondere kann somit der Wickelkopf radial, zumindest teilweise, weiter entfernt von dem Rotor angeordnet sein als der elektrische Leiter axial innerhalb des Statorzahns. Der Wickelkopf bzw. der elektrische Leiter kann insbesondere derart gebildet, geformt oder gekrümmt sein, dass er möglichst weit (in dem Wickelkopfbereich) von dem Rotor entfernt angeordnet ist. Damit können zusätzliche Verluste, welche insbesondere bei dem zweiten axialen Abstand zwischen Rotor und Stator auftreten können, vermindert werden.According to an exemplary embodiment of the present invention, the electrical conductor in the first axial region, which extends from the first axial position within the stator tooth, is arranged completely in a first radial region and the electrical conductor is in the second axial region, which is outside the first axial position Statorzahns arranged in a second radial region which comprises at least a partial radial region which does not overlap with the first radial region, wherein the partial radial region is arranged radially further away from the rotor than the first radial region. In particular, therefore, the winding head can be arranged radially, at least partially, further away from the rotor than the electrical conductor axially within the stator tooth. The winding head or the electrical conductor can in particular be formed, shaped or curved such that it is arranged as far as possible (in the winding head region) away from the rotor. Thus, additional losses, which may occur especially at the second axial distance between the rotor and stator can be reduced.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist der elektrische Leiter in dem zweiten Axialbereich eine Biegung, insbesondere zwischen 70° und 90°, weg von dem Rotor, auf. Damit kann erreicht werden, dass zumindest ein Teil des elektrischen Leiters (insbesondere in dem Wickelkopfbereich) möglichst weit weg von dem Rotor angeordnet ist. Damit können Zusatzverluste im Feldschwächungsdrehzahlbereich vermindert werden.According to an exemplary embodiment of the present invention, the electrical conductor in the second axial region has a bend, in particular between 70 ° and 90 °, away from the rotor. This can be achieved that at least a portion of the electrical conductor (in particular in the winding head region) is arranged as far away from the rotor. Thus, additional losses in the field weakening speed range can be reduced.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist der elektrische Leiter in dem zweiten Axialbereich zumindest einen Abschnitt auf (oder eine Mehrzahl von Abschnitten), dessen Längsrichtung radial orientiert ist, und/oder einen Abschnitt (oder eine Mehrzahl von Abschnitten), der sowohl eine radialorientierte Komponenten als auch eine axial orientierte Komponente aufweist.According to an exemplary embodiment of the present invention, the electrical conductor in the second axial region has at least one section (or a plurality of sections) whose longitudinal direction is radially oriented and / or a section (or a plurality of sections) which is both a radially oriented component and having an axially oriented component.
Damit kann insbesondere eine als Stirnwicklung bezeichnete Wicklung bzw. eine als Kegelmantelwicklung bezeichnete Wicklung des elektrischen Leiters erreicht werden, um zumindest einen Teil des Wickelkopfes möglichst weit entfernt (in radialer Richtung) von dem Rotor anordnen zu können. Damit können Zusatzverluste, insbesondere im Feldschwächungsbereich, in dem der zweite axiale Abstand zwischen Stator und Rotor eingestellt ist, vermindert werden.In particular, a winding designated as an end winding or a winding of the electrical conductor designated as a conical jacket winding can thus be achieved in order to be able to dispose at least part of the winding head as far as possible (in the radial direction) from the rotor. Thus, additional losses, in particular in the field weakening range, in which the second axial distance between the stator and the rotor is set, can be reduced.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist im Falle des zweiten axialen Abstands eine geringere axiale Überdeckung (bzw. Überlappung) zwischen Rotor und Stator erreicht als im Falle des ersten axialen Abstands, wobei der erste axiale Abstand in einem ersten Drehzahlbereich und der zweite axiale Abstand in einem zweiten Drehzahlbereich, der höher als der erste Drehzahlbereich ist, einstellbar sind, um im zweiten Drehzahlbereich eine Feldschwächung (insbesondere Magnetfeldschwächung bzw. Schwächung einer Kopplung zwischen Stator und Rotor) zu erreichen, sodass eine in Betrieb induzierte Spannung (welche insbesondere in den Statorwicklungen erzeugt sein kann) kleiner als eine Versorgungsspannung einer Statorwicklung ist (welche Statorwicklung insbesondere zumindest teilweise durch den elektrischen Leiter gebildet ist). Insbesondere kann eine aktive Länge der Elektro-Maschine bei dem zweiten axialen Abstand zwischen Stator und Rotor kleiner sein als bei dem ersten axialen Abstand zwischen Stator und Rotor.According to an embodiment of the present invention, in the case of the second axial distance, a smaller axial overlap (or overlap) between rotor and stator is achieved than in the case of the first axial distance, wherein the first axial distance in a first speed range and the second axial distance in a second speed range, which is higher than the first speed range, are adjustable in order to achieve field weakening (in particular magnetic field weakening or weakening of a coupling between stator and rotor) in the second speed range, so that an operating-induced voltage (which in particular in the stator windings generated may be smaller than a supply voltage of a stator winding (which stator winding is in particular at least partially formed by the electrical conductor). In particular, an active length of the electric machine may be smaller at the second axial distance between the stator and the rotor than at the first axial distance between the stator and the rotor.
Damit kann die Elektro-Maschine derart betrieben werden, um mit einer Versorgungsspannungsquelle einer begrenzten Höhe einer Versorgungsspannung versorgt zu werden, etwa mit einer Batterie.Thus, the electric machine can be operated to be supplied with a supply voltage source of a limited level of a supply voltage, such as a battery.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ragt der Permanentmagnet im Falle des ersten axialen Abstandes um eine erste Länge und im Falle des zweiten axialen Abstands um eine zweite Länge, die größer als die erste Länge ist, axial über die erste Axialposition nach axial außerhalb des Statorzahns hinaus. Ferner ragt gemäß dieser Ausführungsform der Statorträger um eine dritte Länge axial über die erste Axialposition nach axial außerhalb des Statorzahns hinaus, wobei die erste Länge kleiner ist als die dritte Länge, wobei die zweite Länge größer ist als die dritte Länge, wobei die zweite Länge, insbesondere einer axialen Ausdehnung des Wickelkopfes gleicht. Damit kann eine Feldschwächung verbessert werden und Zusatzverluste können insbesondere reduziert werden.According to an embodiment of the present invention, in the case of the first axial distance, the permanent magnet extends for a first length and, in the case of the second axial distance for a second length greater than the first length, axially beyond the first axial position axially outward of the stator tooth , Further, according to this embodiment, the stator support extends axially beyond the first axial position axially beyond the stator tooth by a third length, the first length being smaller than the third length, the second length being greater than the third length, the second length being especially similar to an axial extent of the winding head. Thus, a field weakening can be improved and additional losses can be reduced in particular.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist die Vorrichtung für die Elektromaschine ferner eine mit dem Rotor mitrotierende Rotorrückschlussstruktur auf, welche axial außerhalb des Permanentmagneten angeordnet ist, wenn der zweite axiale Abstand eingenommen ist. Die Rotorrückschlussstruktur kann aus einem magnetisch hoch permeablen Material gebildet sein und kann insbesondere eine Funktion ausführen, ein durch den Permanentmagneten erzeugtes Magnetfeld bzw. einen erzeugten magnetischen Fluss in den Rotor zurückzuführen, in dem magnetische Feldlinien innerhalb der Rotorrückschlussstruktur konzentriert werden, um zu verhindern bzw. es zu reduzieren, dass die von dem Permanentmagneten erzeugten magnetischen Felder bzw. magnetischen Flüsse mit anderen Komponenten interagieren, welche nicht mit dem Rotor mitrotieren, wie etwa an den Rotor axial benachbarten Komponenten, etwa ein Gehäuse. Damit kann ein Verlust vermindert werden, was eine Performanz der Elektro-Maschine erhöhen kann.According to an embodiment of the present invention, the apparatus for the electric machine further comprises a rotor back-up structure co-rotating with the rotor, which is disposed axially outside the permanent magnet when the second axial distance is taken is. The rotor yoke structure may be formed of a magnetically highly permeable material and, in particular, may perform a function of returning a magnetic field generated by the permanent magnet into the rotor by concentrating magnetic field lines within the rotor yoke structure to prevent or prevent magnetic field leakage. to reduce it, that the magnetic fields or magnetic fluxes generated by the permanent magnet interact with other components that do not rotate with the rotor, such as components axially adjacent to the rotor, such as a housing. Thus, a loss can be reduced, which can increase a performance of the electric machine.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist der Rotor ferner einen Träger (auch Rotorträger genannt) auf (welcher im Falle eines Innenrotors, insbesondere radial innerhalb des Permanentmagneten angeordnet sein kann und welcher im Falle eines Außenrotors insbesondere radial außerhalb des Permanentmagneten angeordnet sein kann), an dem der Permanentmagnet angebracht ist (derart insbesondere, dass der Permanentmagnet eine Außenoberfläche des Rotors repräsentiert), wobei die Rotorrückschlussstruktur zumindest teilweise durch den Träger gebildet ist, wobei der Träger axial außerhalb des Permanentmagneten insbesondere, zumindest teilweise, eine rechteckige Querschnittsform aufweist.According to one exemplary embodiment of the present invention, the rotor further has a carrier (also called a rotor carrier) (which in the case of an inner rotor, in particular radially inside the permanent magnet and which in the case of an outer rotor can be arranged in particular radially outside the permanent magnet) the permanent magnet is mounted (in particular such that the permanent magnet represents an outer surface of the rotor), wherein the rotor yoke structure is at least partially formed by the carrier, wherein the carrier axially outside of the permanent magnet in particular, at least partially, has a rectangular cross-sectional shape.
Insbesondere kann der Träger somit axial nach außerhalb des Permanentmagneten hervorragen oder hinausragen, um somit einen Rückschluss von Magnetfeldlinien, eines Magnetfeldes, welches durch den Permanentmagneten erzeugt ist, in den Rotor zu erlauben. Insbesondere kann ein von dem Permanentmagneten erzeugtes Magnetfeld, insbesondere an einem axialen Ende des Permanentmagneten, Magnetfeldlinien mit zumindest teilweise axialer Komponente aufweisen. Aufgrund der Rotorrückschlussstruktur, welche axial außerhalb des Permanentmagneten durch den Rotorträger gebildet ist, können diese Magnetfeldlinien bzw. derart ausgerichteten Magnetfelder zurück in den Rotor geführt werden, um eine unerwünschte Wechselwirkung mit axial benachbarten Komponenten des Rotors bzw. der Elektro-Maschine zu verhindern, um somit den Zusatzverlust zu vermindern.In particular, the carrier may thus protrude or protrude axially outwardly of the permanent magnet, thus allowing magnetic field lines of a magnetic field, which is generated by the permanent magnet, to be drawn back into the rotor. In particular, a magnetic field generated by the permanent magnet, in particular at an axial end of the permanent magnet, magnetic field lines having at least partially axial component. Due to the rotor yoke structure, which is formed axially outside of the permanent magnet by the rotor carrier, these magnetic field lines or magnetic fields aligned in this way can be guided back into the rotor in order to prevent undesired interaction with axially adjacent components of the rotor or electric machine thus reducing the additional loss.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung verjüngt sich der Träger in seiner radialen Ausdehnung mit zunehmender axialer Entfernung von dem Permanentmagneten, insbesondere in linearer Weise. Im Querschnitt kann ein axial außerhalb des Permanentmagneten angeordneter Teil des Trägers eine Dreiecksform (zumindest teilweise) aufweisen. Damit kann eine Rückführung von magnetischem Fluss in den Rotor verbessert sein. Insbesondere kann der Träger axial außerhalb des Permanentmagneten ein gleiches radiales Niveau oder ein verschiedenes radiales Niveau, verglichen mit einem radialen Niveau einer Oberfläche des Permanentmagneten, aufweisen. Ferner kann ein Niveau des (Rotor)Trägers in radialer Richtung axial außerhalb des Permanentmagneten verschiedene Werte annehmen, wobei insbesondere das radiale Niveau des Trägers des Rotors axial außerhalb des Permanentmagneten (über einen bestimmten Axialbereich hinweg) niedriger sein kann als in einem axial weiter entfernten Abschnitt von dem Permanentmagneten. Dieser Abschnitt des Trägers radial außerhalb des Permanentmagneten, welcher ein radiales Niveau aufweist, welches niedriger ist als ein radiales Niveau des Permanentmagneten, kann eine Lücke bilden bzw. eine Kerbe. Dimensionen eines radialen Niveaus des Trägers radial außerhalb des Permanentmagneten bzw. Dimensionen einer axialen Ausdehnung des Trägers radial außerhalb des Permanentmagneten und/oder der Lücke können gemäß Simulationen optimiert werden. Auch kann eine Ausdehnung eines axialen Überhangs des Rotorträgers über ein axiales Ende des Permanentmagneten hinaus durch Simulationen optimiert werden. Auch kann eine Form einer Verjüngung des Trägers nach außerhalb des Endes des Permanentmagneten hinaus durch Simulation optimiert werden.According to an embodiment of the present invention, the carrier tapers in its radial extent with increasing axial distance from the permanent magnet, in particular in a linear manner. In cross-section, an axially outside of the permanent magnet disposed part of the carrier may have a triangular shape (at least partially). This can improve a return of magnetic flux into the rotor. In particular, the carrier may have axially outside the permanent magnet a same radial level or a different radial level compared to a radial level of a surface of the permanent magnet. Furthermore, a level of the (rotor) carrier in the radial direction may assume different values axially outside the permanent magnet, in particular the radial level of the carrier of the rotor may be lower axially outside the permanent magnet (over a certain axial area) than in an axially more distant portion from the permanent magnet. This portion of the carrier radially outward of the permanent magnet, which has a radial level which is lower than a radial level of the permanent magnet, can form a gap or a notch. Dimensions of a radial level of the carrier radially outside the permanent magnet or dimensions of an axial extent of the carrier radially outside of the permanent magnet and / or the gap can be optimized according to simulations. An expansion of an axial overhang of the rotor carrier beyond an axial end of the permanent magnet can also be optimized by simulations. Also, a form of taper of the carrier beyond the end of the permanent magnet can be optimized by simulation.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst die Rotorrückschlussstruktur eine Scheibe (insbesondere Kreisscheibe), die in einer Ebene senkrecht zu der Drehachse angeordnet ist und mit dem Rotor verbunden ist. Die Scheibe kann auch als eine Permanentmagnet-Kurzschluss-Scheibe bezeichnet werden. Die Scheibe kann insbesondere ein Eindringen von Magnetfeldern, welche innerhalb der Elektro-Maschine erzeugt sind, in umliegende Elemente, wie etwa ein Gehäuse, vermindern bzw. verhindern. Die Scheibe kann insbesondere als eine Rotorglocke ausgebildet sein, sodass sie (insbesondere im Falle eines Außenrotors) den Stator zumindest teilweise umgeben kann, insbesondere zusammen mit dem Rotor. Die Scheibe kann sowohl für einen einteiligen Rotor als auch für einen zweiteiligen Rotor bereitgestellt werden, wobei im Falle des zweitteiligen Rotors jeweils an jedem Teil des Rotors eine Scheibe angebracht sein kann.According to an embodiment of the present invention, the rotor yoke structure comprises a disk (in particular circular disk) which is arranged in a plane perpendicular to the axis of rotation and is connected to the rotor. The disk may also be referred to as a permanent magnet shorting disk. In particular, the disk can reduce penetration of magnetic fields generated within the electric machine into surrounding elements such as a housing. In particular, the disk can be designed as a rotor bell, so that it can (at least partially) surround the stator (in particular in the case of an external rotor), in particular together with the rotor. The disc can be provided both for a one-piece rotor and for a two-part rotor, wherein in the case of the two-part rotor in each case a portion of the rotor, a disc may be mounted.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert. Die Erfindung ist nicht auf die illustrierten oder beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.
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1 illustriert eine beispielhafte Kennlinie einer Elektromaschine, welche gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung berücksichtigt wird; -
2 illustriert in einer schematischen Querschnittsansicht einer Permanentmagnet-erregten Elektromaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; -
3A ,3B illustrieren in schematischer seitlicher Schnittansicht eine Elektromaschine; -
4A ,4B ,4C illustrieren in schematischer seitlicher Schnittansicht eine Elektromaschine in verschiedenen Betriebsmodi; -
5 illustriert eine Kennlinie einer Elektromaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, welche gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung berücksichtigt wird; -
6A ,6B illustrieren in schematischer seitlicher Schnittansicht eine Elektromaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; -
7 illustriert eine magnetische Flussverteilung in einer Elektromaschine; ; -
8 illustriert in seitlicher schematischer Schnittansicht eine Elektromaschine; -
9A ,9B ,9C illustrieren schematisch Geometrien eines elektrischen Leiters in einem Wickelabschnitt einer Statorwicklung, welche in einer Elektromaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden kann; -
10 illustriert in schematischer seitlicher Schnittansicht eine Elektromaschine bzw. einen Teil einer Elektromaschine; -
11A ,11B illustrieren in schematischer seitlicher Schnittansicht eine Elektromaschine in verschiedenen Betriebsmodi; -
12A ,12B ,12C ,12D illustrieren Ausführungsbeispiele einer Elektromaschine, welche eine Rotorrückschlussstruktur umfassen; -
13 illustriert in schematischer seitlicher Schnittansicht eine Elektromaschine bzw. einen Teil einer Elektromaschine mit einer Rotorrückflussscheibe; -
14 illustriert in schematischer seitlicher bzw. axialer Schnittansicht eine Elektromaschine bzw. einen Teil einer Elektromaschine; -
15 illustriert in den Teilansichten15A ,15B ,15C Elektromaschinen, welche eine Permanentmagnet-Kurzschlussscheibe umfassen; -
16 illustriert in den Teilansichten16A bis16H Elektromaschinen; -
17A ,17B illustrieren eine Elektromaschine in zwei verschiedenen Betriebsmodi gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und -
18A ,18B illustrieren in schematischer seitlicher Schnittansicht eine Elektromaschine in zwei verschiedenen Betriebsmodi.
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1 illustrates an exemplary characteristic of an electric machine that is taken into account according to an embodiment of the present invention; -
2 illustrated in a schematic cross-sectional view of a permanent magnet-excited electric machine according to an embodiment of the present invention; -
3A .3B illustrate in schematic side sectional view an electric machine; -
4A .4B .4C illustrate in schematic side sectional view an electric machine in various modes of operation; -
5 illustrates a characteristic of an electric machine according to an embodiment of the present invention, which is taken into account according to an embodiment of the present invention; -
6A .6B illustrate in schematic side sectional view an electric machine according to an embodiment of the present invention; -
7 illustrates a magnetic flux distribution in an electric machine; ; -
8th illustrates in lateral schematic sectional view of an electric machine; -
9A .9B .9C schematically illustrate geometries of an electrical conductor in a winding section of a stator winding, which can be used in an electric machine according to an embodiment of the present invention; -
10 illustrates in schematic side sectional view an electric machine or a part of an electric machine; -
11A .11B illustrate in schematic side sectional view an electric machine in various modes of operation; -
12A .12B .12C .12D illustrate embodiments of an electric machine comprising a rotor yoke structure; -
13 11 illustrates, in a schematic side sectional view, an electric machine or a part of an electric machine with a rotor return flow disk; -
14 illustrates in schematic side or axial sectional view of an electric machine or a part of an electric machine; -
15 illustrated in the partial views15A .15B .15C Electric machines comprising a permanent magnet shorting disc; -
16 illustrated in the partial views16A to16H Electrical machinery; -
17A .17B illustrate an electric machine in two different modes of operation according to an embodiment of the present invention and -
18A .18B illustrate in schematic side sectional view an electric machine in two different operating modes.
Verschiedene Ausführungsbeispiele werden nun ausführlicher unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen einige Ausführungsbeispiele dargestellt sind. In den Figuren können die Dickenabmessungen von Linien, Schichten und/oder Regionen um der Deutlichkeit Willen übertrieben dargestellt sein.Various embodiments will now be described in more detail with reference to the accompanying drawings, in which some embodiments are illustrated. In the figures, the thickness dimensions of lines, layers and / or regions may be exaggerated for the sake of clarity.
Obwohl Ausführungsbeispiele auf verschiedene Weise modifiziert und abgeändert werden können, sind Ausführungsbeispiele in den Figuren als Beispiele dargestellt und werden hierin ausführlich beschrieben. Es sei jedoch klargestellt, dass nicht beabsichtigt ist, Ausführungsbeispiele auf die jeweils offenbarten Formen zu beschränken, sondern dass Ausführungsbeispiele vielmehr sämtliche Modifikationen, Äquivalente und Alternativen, die im Bereich der Erfindung liegen, abdecken sollen. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in der gesamten Figurenbeschreibung gleiche oder ähnliche Elemente.Although embodiments may be modified and changed in various ways, exemplary embodiments are illustrated in the figures as examples and will be described in detail herein. It should be understood, however, that it is not intended to limit embodiments to the particular forms disclosed, but that embodiments are intended to cover all modifications, equivalents, and alternatives that are within the scope of the invention. Like reference numerals designate like or similar elements throughout the description of the figures.
Man beachte, dass ein Element, dass als mit einem anderen Element „verbunden“ oder „verkoppelt“ bezeichnet wird, mit dem anderen Element direkt verbunden oder verkoppelt sein kann oder dass dazwischenliegende Elemente vorhanden sein können. Wenn ein Element dagegen als „direkt verbunden“ oder „direkt verkoppelt“ mit einem anderen Element bezeichnet wird, sind keine dazwischenliegenden Elemente vorhanden. Andere Begriffe, die verwendet werden, um die Beziehung zwischen Elementen zu beschreiben, sollten auf ähnliche Weise interpretiert werden (z.B., „zwischen“ gegenüber „direkt dazwischen“, „angrenzend“ gegenüber „direkt angrenzend“ usw.).Note that an element referred to as being "connected" or "coupled" to another element may be directly connected or coupled to the other element, or intervening elements may be present. Conversely, when an element is referred to as being "directly connected" or "directly coupled" to another element, there are no intervening elements. Other terms used to describe the relationship between elements should be interpreted in a similar manner (e.g., "between" versus "directly in between," "adjacent" versus "directly adjacent," etc.).
Die Terminologie, die hierin verwendet wird, dient nur der Beschreibung bestimmter Ausführungsbeispiele und soll die Ausführungsbeispiele nicht beschränken. Wie hierin verwendet, sollen die Singularformen „ einer,“ „ eine“, „eines“ und „der, die, das“ auch die Pluralformen beinhalten, solange der Kontext nicht eindeutig etwas anderes angibt. Ferner sei klargestellt, dass die Ausdrücke „beinhaltet“, „beinhaltend“, aufweist“ und/oder „aufweisend“, wie hierin verwendet, das Vorhandensein von genannten Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Arbeitsabläufen, Elementen und/oder Komponenten angeben, aber das Vorhandensein oder die Hinzufügung von einem bzw. einer oder mehreren Merkmalen, ganzen Zahlen, Schritten, Arbeitsabläufen, Elementen, Komponenten und/oder Gruppen davon nicht ausschließen.The terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to limit the embodiments. As used herein, the singular forms "a," "a," "an," and "the" are also meant to include the plural forms unless the context clearly indicates otherwise. Further, it should be understood that the terms "including," "including," "and / or having," as used herein, indicate the presence of said features, integers, steps, operations, elements, and / or components, but that Presence or addition of one or more features, integers, steps, operations, elements, components, and / or groups thereof.
Solange nichts anderes definiert ist, haben sämtliche hierin verwendeten Begriffe (einschließlich von technischen und wissenschaftlichen Begriffen) die gleiche Bedeutung, die ihnen ein Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet, zu dem die Ausführungsbeispiele gehören, beimisst. Ferner sei klargestellt, dass Ausdrücke, z.B. diejenigen, die in allgemein verwendeten Wörterbüchern definiert sind, so zu interpretieren sind, als hätten sie die Bedeutung, die mit ihrer Bedeutung im Kontext der einschlägigen Technik konsistent ist, und nicht in einem idealisierten oder übermäßig formalen Sinn zu interpretieren sind, solange dies hierin nicht ausdrücklich definiert ist. Unless otherwise defined, all terms (including technical and scientific terms) used herein have the same meaning as commonly assigned to one of ordinary skill in the art to which the embodiments pertain. It is further to be understood that terms, such as those defined in commonly used dictionaries, are to be interpreted as having the meaning consistent with their meaning in the context of the relevant art, and not in an idealized or overly formal sense are to be interpreted unless expressly defined herein.
Insbesondere ist die Elektromaschine
Der Permanentmagnet
Dem ersten Teil
In oder bei Einnahme des zweiten axialen Abstands
Zu Klarheitszwecken ist jeweils nur der linke Teil der Elektromaschine, welche in
Insbesondere weisen die magnetischen Feldlinien in einem ersten axialen Bereich
Die Effekte dieser parasitären oder unerwünschten magnetischen Felder können messtechnisch untersucht werden, wie in
Gemäß Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine neue Bauweise für eine permanentmagnetisch erregte Elektromaschine mit mechanischer Feldschwächung vorgeschlagen, wobei eine effektive Feldschwächung ermöglicht ist. Dabei kann von einer Erkenntnis ausgegangen werden, dass die Streufelder das elektromagnetische Feld im Feldschwächungsbereich verstärken und dass deswegen die aktive Länge der Elektromaschine durch die mechanische Bewegung der Rotorteile weiter reduziert werden muss. Gemäß Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die Streufelder in der Auslegung einer Elektromaschine berücksichtigt und werden auch bei der Drehmomentbildung genutzt, um ein Feldschwächungsverfahren effektiver ausgestalten zu können. Hierbei sind folgende konstruktive Änderungen möglich:
- 1. Statorüberhang,
- 2. Rotorüberhang.
- 3. Wickelkopfverguss (relative magnetische Permeabilität größer 1, bzw. größer Luft).
- 4. Stator- und Rotorüberhang.
- 5. Statorüberhang mit Wickelkopfverguss (relative magnetische Permeabilität größer 1)
- 6. Rotorüberhand mit Wickelkopfverguss (relative magnetische Permeabilität größer 1)
- 7. Stator- und Rotorüberhang mit Wickelkopfverguss (relative magnetische Permeabilität >1).
- 1. stator overhang,
- 2nd rotor overhang.
- 3. winding head casting (relative magnetic permeability greater than 1, or greater air).
- 4. Stator and rotor overhang.
- 5. Stator overhang with winding head encapsulation (relative magnetic permeability greater than 1)
- 6. Rotor overhang with winding head casting (relative magnetic permeability greater than 1)
- 7. Stator and rotor overhang with winding head casting (relative magnetic permeability> 1).
Der Statorzahn
In der Elektromaschine
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können ferner Zusatzverluste, welche bei der mechanischen Feldschwächung auftreten können, vermindern. In konventionellen Elektromaschinen können im mechanischen Feldschwächungsbereich die magnetischen Felder an den Außenkanten des Rotors nicht durch ein softmagnetisches Material eingerichtet sein. Durch eine relative Bewegung zwischen dem Rotor und anderen Maschinenteilen können diese Felder zu Zusatzverlust in leitfähigen Materialien beitragen. Diese Zusatzverluste wurden von den Erfindern folgendermaßen identifiziert:
- 1. Die Eisenverluste im Stator wegen axialer Felder,
- 2. die Verluste in den Wickelköpfen wegen des Wechselfeldes (PM),
- 3. die Verluste in den leitfähigen Konstruktionsteilen.
- 1. The iron losses in the stator due to axial fields,
- 2. the losses in the windings due to the alternating field (PM),
- 3. the losses in the conductive construction parts.
Die von den Erfindern identifizierten Verlustmechanismen sind beispielhaft in
Die in
Eine Ausdehnung des Teilradialbereichs trb relativ zu einer Ausdehnung des ersten radialen Bereiches
Wie in
Die Streufelder können an Außenkanten des Rotors durch Konstruktionsmaßnahmen vermindert oder sogar minimiert werden. Dabei können neue Stator- und Rotorkonstruktionen definiert werden. Zum Beispiel können, wenn der Statorrückschluss länger gebaut wird, die Streufelder außerhalb des Stators zum Teil eingerichtet werden. The stray fields at the outer edges of the rotor can be reduced or even minimized by design measures. New stator and rotor designs can be defined. For example, if the stator yoke is built longer, the stray fields outside the stator may be partially established.
Eine derartige Bauweise ist schematisch in
Die in
In der in
Gemäß Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung kann ein Permanent-Kurzschluss zumindest teilweise auch mit einer sich mit dem Rotor drehenden Scheibe realisiert werden, wie beispielhaft in
Die in der vorstehenden Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und den beigefügten Figuren offenbarten Merkmale können sowohl einzeln wie auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung eines Ausführungsbeispiels in ihren verschiedenen Ausgestaltungen von Bedeutung sein und implementiert werden.The features disclosed in the foregoing description, the appended claims and the appended figures may be taken to be and effect both individually and in any combination for the realization of an embodiment in its various forms.
Claims (13)
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