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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung betreffen eine Vorrichtung für eine Elektro-Maschine, welche einen Permanentmagneten aufweist und die erlaubt, ein Überlappungsausmaß zwischen Stator und einen den Permanentmagneten aufweisenden Rotor zu verkleinern, um eine Feldschwächung in einem erhöhten Drehzahlbereich zu ermöglichen.
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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.
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JP 2005 253265 A offenbart einen Permanentmagnetsynchronmotor, wobei der Stator oder der Rotor mit einem axial beweglichen Verschiebungsmechanismus ausgestattet ist, um zu ermöglichen, dass eine Kopplungsflussfläche vermindert werden kann.
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JP 2007 129869 A offenbart einen Permanentmagnetmotor, wobei eine relative Verschiebung zwischen Stator und Rotor ermöglicht ist, um eine Spannung steuern zu können.
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EP 1 936 785 B1 offenbart ein selbst regulierendes Permanentmagnetgerät, wobei der Rotor zwei Rotorsegmente aufweist, welche mit Federelementen verbunden sind, um eine Rotationsausrichtung zwischen zwei Sätzen von Permanentmagneten, die auf den jeweiligen Rotorsegmenten angeordnet sind, aufrecht zu erhalten, wobei ferner ein Reaktionsmittel basierend auf einer Drehzahl ein Reaktionsdrehmoment erzeugt, welches der Federkraft entgegenwirkt und einen Versatz der beiden Sätze von Permanentmagneten erzeugt, sodass eine in den Statorwicklungen des Stators erzeugte elektromotorische Kraft reguliert wird.
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DE 10 2010 002 401 A1 offenbart eine elektrische Rotationsmaschine, wobei der Rotor in Richtung seiner Drehwelle zweigeteilt ist, wobei ein Variieren von Positionen von Feldmagneten, welche auf den beiden Teilen des Rotors angeordnet sind, ermöglicht ist.
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DE 10 2006 036 986 A1 offenbart einen Elektromotor mit mechanischer Feldschwächeinrichtung, wobei ein Stator relativ zum Rotor axial verschiebbar angeordnet ist, sodass eine aktive Leiterlänge einer Statorwicklung, die sich im Erregerfeld des Rotors befindet, veränderbar ist.
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US 6,771,000 B2 offenbart eine elektrische Rotationsmaschine und ein Energieerzeugungssystem, wobei ein erster Feldmagnet axial relativ zu einem zweiten Feldmagneten verschoben ist.
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US 6,664,694 B2 offenbart ein Rotor-Axial-Aktivierungsmodulationssystem mit einer zentrifugalkrafterzeugenden Axial-Zieh-Struktur und einer vorgespannten Feder, wobei der Rotor der elektrischen Maschine moduliert ist, um eine entsprechende axiale Verschiebung zu erzeugen.
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DE 602 19 096 T2 offenbart eine dynamoelektrische Maschine, in der eine Feldschwächung des durch Dauermagnete erzeugten Magnetenflusses ermöglicht ist, wobei ein Rotor zwei Feldmagneten aufweist, welche in Drehrichtung der Drehwelle verschiebbar sind, welche Verschiebbarkeit nach Maßgabe einer induzierten elektromotorischen Kraft steuerbar ist.
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WO 2009/004633 A2 offenbart einen Generator, welcher erlaubt, die Länge des Stators und/oder des Rotors zu steuern, wobei die Länge des Stators und/oder der Rotorwindung gemäß der Rotationsgeschwindigkeit des Schafts des Generators gesteuert wird, wobei eine relative Stellung der Statorwicklung relativ zu einer Stellung der Rotorwicklung eingestellt wird.
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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.
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Eine 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.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es insbesondere, eine Vorrichtung für eine Elektromaschine, die für eine mechanische Feldschwächung eingerichtet ist, bereitzustellen, wobei eine Effektivität der Elektromaschine verglichen mit einer konventionellen Elektromaschine, insbesondere in dem Feldschwächungsbereich verbessert ist.
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Die Aufgabe wird durch die Vorrichtung für eine Elektromaschine gemäß dem unabhängigen Anspruch gelöst. Die abhängigen Ansprüche spezifizieren besondere Ausführungsbeispiele der Erfindung.
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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 Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung eine neuartige Bauweise von Rotor und/oder Stator und/oder Wicklung des Stators vorgeschlagen.
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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 Verluste hervorgerufen durch axiale Felder in den Wickelköpfen und in den leitfähigen Konstruktionsteilen auftreten können. 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.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung sind auf eine permanent erregte Elektro-Maschine gerichtet, wobei eine Verbesserung der Feldschwächbarkeit und/oder eine Verringerung von Zusatzverlusten erreicht sein kann.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung für eine Elektromaschine bereitgestellt, welche einen Stator, einen elektrischen Leiter und einen Rotor aufweist. Dabei ist der Stator mit mindestens einem Statorzahn (und optional mit einem Statorträger) ausgestattet, der an einem Axialende des Statorzahns an einer ersten Axialposition endet. Insbesondere kann der Stator eine Mehrzahl an Statorzähnen aufweisen, die in Umfangsrichtung voneinander beabstandet sein können und sich in ihrer Längsrichtung in axialer Richtung erstrecken. Der elektrische Leiter erstreckt sich in einem ersten Axialbereich, welcher von der ersten Axialposition nach innerhalb des Statorzahns reicht, in axialer Richtung angrenzend an den Stator und bildet in einem zweiten Axialbereich, welcher von der ersten Axialposition nach außerhalb des Statorzahns hinreicht, zumindest teilweise einen Wickelkopf. Der Rotor hat mindestens einen Permanentmagneten, insbesondere eine Mehrzahl an Permanentmagneten, die in Umfangsrichtung an dem Rotor vorgesehen sind. Der Rotor ist 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 in der Vorrichtung für eine Elektromaschine zumindest eine der folgenden Merkmalsgruppen A, B verwirklicht:
- (A): Der elektrische Leiter ist in dem ersten Axialbereich vollständig in einem ersten Radialbereich angeordnet; der elektrische Leiter ist in dem zweiten Axialbereich 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.
- (B): Die Vorrichtung weist ferner eine mit dem Rotor mit rotierende Rotorrückschlussstruktur auf, welche axial außerhalb des Permanentmagneten angeordnet ist, wenn der zweite axiale Abstand zwischen dem Rotor und dem Stator eingenommen ist.
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Unter einem axialen Abstand zwischen zwei Elementen kann bei Ausführungsbeispielen auch ein axialer Versatz zwischen den beiden Elementen verstanden werden.
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Das Merkmal A kann ermöglichen, zumindest einen Teilbereich der zumindest teilweise durch den elektrischen Leiter gebildeten Wicklung radial weit entfernt von dem Rotor anzuordnen. Dadurch können Verluste, welche in konventionellen Wicklungen auftreten, vermindert werden, insbesondere wenn der zweite Abstand zwischen Stator und Rotor eingenommen ist, in welchem eine Feldschwächung erreicht ist, welche insbesondere in einem erhöhten Drehzahlbereich vorgenommen werde kann.
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Der elektrische Leiter kann demnach in dem ersten Axialbereich, welcher von der ersten Axialposition nach innerhalb des Statorzahns hinreicht, vollständig in dem ersten Radialbereich angeordnet sein und der elektrische Leiter kann in dem zweiten Axialbereich, welcher von der ersten Axialposition nach außerhalb des Statorzahns hinreicht, in einem zweiten Radialbereich angeordnet sein, 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.
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Die Rotorrückschlussstruktur gemäß Merkmal B kann ausgebildet sein, ein von dem Permanentmagneten erzeugtes magnetisches Feld wieder zurück in den Rotor zu führen (wobei insbesondere die Rotorrückschlussstruktur aus einem magnetisch hochpermeablen Material gefertigt sein kann, was etwa eine relative magnetische Permeabilität zwischen 1,5 und 50 aufweisen kann). Damit können Verluste, die in konventionellen Elektromaschinen durch eine Wechselwirkung mit umliegenden Strukturen hervorgerufen werden, vermindert werden.
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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.
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Mit der Vorrichtung für eine Elektro-Maschine kann insbesondere ein permanent erregter Elektromotor aufgebaut sein. Der Stator, insbesondere einschließlich des Statorträgers (sofern optional vorhanden) 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.
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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 Schwerpunktsposition 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Scheibe kann sowohl für einen einteiligen Rotor als auch für einen zweiteiligen Rotor bereitgestellt sein, wobei im Falle des zweitteiligen Rotors jeweils an jedem Teil des Rotors eine Scheibe angebracht sein kann.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung weist der Stator der Elektromaschine ferner einen mit dem Statorzahn verbundenen Statorträger auf, der axial über die erste Axialposition nach axial außerhalb des Statorzahns hinausragt. Die Konstruktion, bei welcher der Statorträger axial über die erste Axialposition nach axial außerhalb des Statorzahns hinausragt, kann auch als ein Statorüberhang bezeichnet sein. Damit kann eine Verbesserung der Feldschwächung erreicht werden, wenn der zweite Axialabstand zwischen dem Rotor und dem Stator eingenommen ist. In anderen Ausführungsbeispielen steht der Statorträger nicht über die erste Axialposition nach axial außerhalb des Statorzahns hinaus.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ragt der Permanentmagnet sowohl im Falle des ersten Axialabstands als auch im Falle des zweiten axialen Abstandes axial über die erste Axialposition nach axial außerhalb des Statorzahns hinaus. Eine derartige Konstruktionsweise des Permanentmagneten kann auch als ein Rotorüberhang bzw. Permanentmagnetüberhang bezeichnet werden. In anderen Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung ragt der Permanentmagnet nicht axial über die erste Axialposition nach axial außerhalb des Statorzahns hinaus. Wenn ein Permanentmagnetüberhang eingerichtet ist, kann eine Feldschwächung verbessert werden, wenn der zweite axiale Abstand zwischen dem Rotor und dem Stator eingenommen ist.
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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.
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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 sein. 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.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel 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.
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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.
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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.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Damit kann die Elektro-Maschine derart betrieben werden, um mit einer Versorgungsspannungsquelle einer begrenzten Höhe einer Versorgungsspannung versorgt zu werden, etwa mit einer Batterie.
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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;
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2 illustriert in einer schematischen Querschnittsansicht einer Permanentmagnet-erregten Elektromaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3A, 3B illustrieren in schematischer seitlicher Schnittansicht eine Elektromaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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4A, 4B, 4C illustrieren in schematischer seitlicher Schnittansicht eine Elektromaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in verschiedenen Betriebsmodi;
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5 illustriert eine Kennlinie einer Elektromaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, welche gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung berücksichtigt wird;
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6A, 6B illustrieren in schematischer seitlicher Schnittansicht eine Elektromaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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7 illustriert eine magnetische Flussverteilung in einer Elektromaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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8 illustriert in seitlicher schematischer Schnittansicht eine Elektromaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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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;
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10 illustriert in schematischer seitlicher Schnittansicht eine Elektromaschine bzw. einen Teil einer Elektromaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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11A, 11B illustrieren in schematischer seitlicher Schnittansicht eine Elektromaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in verschiedenen Betriebsmodi;
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12A, 12B, 12C, 12D illustrieren Ausführungsbeispiele einer 12C, 12D Elektromaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, welche eine Rotorrückschlussstruktur umfassen;
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13 illustriert in schematischer seitlicher Schnittansicht eine Elektromaschine bzw. einen Teil einer Elektromaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit einer Rotorrückflussscheibe;
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14 illustriert in schematischer seitlicher bzw. axialer Schnittansicht eine Elektromaschine bzw. einen Teil einer Elektromaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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15 illustriert in den Teilansichten 15A, 15B, 15C Elektromaschinen gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung, welche eine Permanentmagnet-Kurzschlussscheibe umfassen;
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16 illustriert in den Teilansichten 16A bis 16H Elektromaschinen gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung;
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17A, 17B illustrieren eine Elektromaschine in zwei verschiedenen Betriebsmodi gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, und
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18A, 18B illustrieren in schematischer seitlicher Schnittansicht eine Elektromaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in zwei verschiedenen Betriebsmodi.
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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.
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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.
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Man beachte, dass ein Element, das 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.).
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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.
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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.
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1 illustriert eine Kennlinie einer Elektromaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei eine Abszisse 101 eine normierte Drehzahl der Elektromaschine anzeigt und eine Ordinate 103 eine Leistung bzw. ein Drehmoment der Elektromaschine anzeigt. Insbesondere zeigt eine Kurve 105 die Abhängigkeit der Leistung von der Drehzahl an und eine Kurve 107 illustriert eine Abhängigkeit eines von der Elektromaschine erzeugten Drehmoments von der Drehzahl. In einem Grunddrehzahlbereich 109 (von 0-1 auf der Abszesse 101) steigt die Leistung 105 linear mit der Drehzahl an. In einem erhöhten Drehzahlbereich 111, welcher auch als ein Feldschwächungsbereich bezeichnet wird, bleibt die Leistung konstant, das Drehmoment (Kurve 107) fällt jedoch mit steigender Drehzahl stark ab. In diesem erhöhten Drehzahlbereich 111 kann daher gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eine mechanische Feldschwächung dadurch durchgeführt werden, dass eine aktive Länge der Elektromaschine mechanisch reduziert wird, wobei das Erregerfeld dabei nicht direkt proportional geschwächt werden kann. Insbesondere kann eine mechanische Feldschwächbarkeit einer konventionellen Elektromaschine durch die Bauraumeinschränkungen und die Streufelder begrenzt sein. Zur Feldschwächung kann es erforderlich sein, die Rotorteile weiter zu verstellen, was Bauraumbeschränkung widersprechen kann.
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2 zeigt in einer Schnittansicht (in axialer Richtung gesehen) eine Elektromaschine 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, welche im vorliegenden Fall als eine Innenrotorelektromaschine ausgebildet ist. Ein Rotor 201 ist um eine Drehachse 203 (z-Achse oder axiale Richtung) um einen Stator 205 drehbar. Eine radiale Richtung ist durch Bezugszeichen 207 bezeichnet. Eine Umfangsrichtung ist durch Bezugszeichen 209 bezeichnet. Der Stator 205 umfasst einen Statorträger 211, Statorzähne 213 und Statorwicklungen oder Statorwindungen 215. Der Rotor 201 umfasst einen Rotorträger oder Rotorrückschluss 217 und mindestens einen Permanentmagneten 219. Andere Ausführungsbeispiele stellen eine Elektromaschine mit Außenrotor bereit.
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3A, 3B zeigen in seitlicher Schnittansicht eine Elektromaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei 3A die Elektromaschine während eines Betriebs in dem Grunddrehzahlbereich 109 (siehe 1) illustriert, während 3B die Elektromaschine während eines Betriebs in dem erhöhten Drehzahlbereich 111 illustriert. Die in 3 illustrierte Elektromaschine kann einen Rotorüberhang und/oder einen Statorüberhang und/oder einen Wickelkopfverguss und/oder eine Rotorrückschlussstruktur und/oder Stirnwicklung bzw. Kegelmantelwicklung aufweisen. Die entsprechenden Komponenten in 2 und 3 sind mit denselben Bezugszeichen bezeichnet, welche sich lediglich in der ersten Ziffer unterscheiden. Somit umfasst der Stator 305 einen Statorträger 311, Statorzähne 313 und Statorwicklungen 315. Ferner liegt eine axiale Richtung 303 in der Zeichenebene, sodass axiale Enden der Elektromaschine 300 erkennbar sind. Insbesondere endet der Statorzahn 313 bei einer ersten axialen Position 321. Axial außerhalb der axialen Position 321 bzw. axial außerhalb des Statorzahns 313 ist ein Wickelkopf 323 angeordnet, welcher zumindest teilweise durch einen elektrischen Leiter der Wicklungen 315 gebildet ist.
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Insbesondere ist die Elektromaschine 300 durch zwei Teile gebildet, welche spiegelbildlich zu einer Spiegelebene liegen, welche hier durch die radiale Richtung 307 geht und senkrecht auf der axialen Richtung 303 steht und durch Bezugszeichen 325 bezeichnet ist. Insbesondere umfasst der Stator 305 einen ersten Teil 311a des Statorträgers, einen zweiten Teil 311b des Statorträgers, einen ersten Teil der Statorzähne 313a und einen zweiten Teil der Statorzähne 313b. Ähnlich weist der Rotor 301 einen ersten Rotorträger 317a und einen zweiten Rotorträger 317b auf, sowie einen ersten Teil eines Permanentmagneten 319a und einen zweiten Teil des Permanentmagneten 319b auf, welche spiegelsymmetrisch bezüglich der Spiegelachse 325 angeordnet sind.
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Der Permanentmagnet 319a kann axial nach außerhalb über die erste axiale Position 321 liegen und/oder der Statorträger 311a kann nach axial außerhalb über die erste axiale Position 321 hinausragen. Der erste Teil des Rotors 301 ist durch Bezugszeichen 301a und der zweite Teil des Rotors 301 ist durch Bezugszeichen 301b bezeichnet. Der erste Teil des Stators ist durch Bezugsziffer 305a bezeichnet und der zweite Teil des Stators 305 ist durch Bezugsziffer 305b bezeichnet.
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Dem ersten Teil 305a des Stators kann eine Schwerpunktposition 312a zugeordnet werden und dem zweiten Teil 305b des Stators kann eine Schwerpunktposition 312b zugeordnet werden. Ferner kann dem ersten Teil 301a des Rotors eine Schwerpunktposition 302a und dem zweiten Teil 301b des Rotors kann eine Schwerpunktposition 302b zugeordnet werden. Ein axialer Abstand (d. h. entlang der axialen Richtung 303 gemessen) zwischen dem ersten Teil 305a des Stators und dem ersten Teil 302a des Rotors kann z. B. als ein axialer Abstand zwischen der Schwerpunktposition 312a des ersten Teils des Stators und der Schwerpunktposition 302a des ersten Teils des Rotors definiert sein. Andere Definitionen, wie z. B. ein axialer Versatz zwischen den jeweiligen axialen Enden von Rotor(träger) und Stator(träger), sind natürlich ebenfalls denkbar. Insbesondere ist in der 3A ein erster axialer Abstand zwischen Rotor und Stator eingenommen, der hier 0 ist, da die Schwerpunktposition 312a des ersten Teils des Stators eine gleiche axiale Position wie die Schwerpunktposition 302a des Rotors hat. Somit ist ein Betrieb in dem Normaldrehzahlbereich 109 (siehe 1) ermöglicht, wobei eine aktive Länge l_z_aktiv erreicht ist, welche eine maximale Überlappung zwischen Rotor und Stator erreicht.
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3B zeigt die Elektromaschine 300 in einem Betriebszustand, welcher in dem erhöhten Drehzahlbereich 111 (siehe 1) eingenommen werden kann, wobei insbesondere ein zweiter axialer Abstand bzw. Versatz d2 zwischen dem ersten Teil 305a des Stators und dem ersten Teil 301a des Rotors eingenommen wird. Um den zweiten axialen Abstand bzw. Versatz d2 zwischen Stator und Rotor zu erreichen, wurde dabei der erste Teil 301a des Rotors in axialer Richtung weg von der Spiegelebene 325 bewegt und der zweite Teil 301b des Rotors wurde in entgegengesetzter Richtung von der Spiegelebene 325 wegbewegt. Dadurch ist eine Überlappung bzw. eine aktive Länge der Elektromaschine erreicht, welche gegeben ist durch l_z_aktiv1 + l_z_aktiv2, welche kleiner ist als die aktive Länge l_z_aktiv, welche im Normaldrehzahlbereich (siehe 3A) eingenommen ist.
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In oder bei Einnahme des zweiten axialen Abstands d2 (siehe 3B) ragt der Permanentmagnet um eine zweite Länge lr2 über die erste axiale Position 321 nach axial außerhalb des Statorzahns 313a hinaus. Auch kann der Statorträger 311a bzw. 311b axial nach außerhalb der ersten Axialposition 321 hinausragen gemäß einer alternativen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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4A, 4B, 4C illustrieren auftretende Streufelder, welche gemäß Ausführungsbeispielen einer Elektromaschine berücksichtigt werden. Insbesondere illustriert 4A die in 3 illustrierte Elektromaschine im Grunddrehzahlbereich, 4B zeigt die Elektromaschine im erhöhten Drehzahlbereich (Feldschwächungsbereich) und 4C illustriert zusätzlich die Streufelder wegen dem Magnetüberhang.
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Zu Klarheitszwecken ist jeweils nur der linke Teil der Elektromaschine, welche in 3 illustriert ist, in den 4A bis C (und auch in einigen der folgenden Figuren) illustriert. Der rechte Teil ergibt sich jeweils durch Spiegelung an der Spiegelebene 425 (bzw. der Spiegelebene der entsprechenden Figur). Insbesondere sind ähnliche oder gleiche Elemente in den 2, 3 und 4 durch Bezugszeichen bezeichnet, welche sich lediglich in der ersten Stelle nicht unterscheiden. Feldlinien 427 zeigen ein magnetisches Feld bzw. einen magnetischen Fluss an. Wie aus den in den 4A bis 4C dargestellten Feldlinien 427 ersichtlich ist, weist die Magnetisierung bzw. die magnetische Flussdichte in einem Bereich, welcher von der ersten axialen Position 421 axial innerhalb des Statorzahns 413 liegt, im Wesentlichen radiale Komponenten, jedoch kaum axiale Komponenten auf.
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Insbesondere weisen die magnetischen Feldlinien in einem ersten axialen Bereich ab1, welcher von der ersten Axialposition 421 nach innerhalb des Statorzahn 413 hinreicht, im Wesentlichen eine radiale Komponente auf. Ferner weisen die Magnetfeldlinien in einem zweiten Axialbereich, welcher von der ersten Axialposition 421 nach außerhalb des Statorzahns 413 hinreicht, auch axial gerichtete Komponenten auf, welche zu Störfeldern führen können.
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Die Effekte dieser parasitären oder unerwünschten magnetischen Felder können messtechnisch untersucht werden, wie in 5 illustriert ist. Dabei bezeichnet eine Abszesse 501 eine aktive Länge der untersuchten Elektromaschine und eine Ordinate 503 zeigt eine maximale Flussverkettung an. Kurve 505 zeigt einen idealen Verlauf an, wenn Störfelder nicht berücksichtigt werden, wobei sich der ideale Verlauf beispielsweise durch eine Simulation errechnen lässt. Kurve 507 zeigt demgegenüber eine Realsituation auf, in der auch die Stör- oder Streufelder berücksichtigt wurden, wobei die Kurve 507 beispielsweise durch Messungen und/oder Simulation erzeugbar ist. Insbesondere werden die beim Leerlauf gemessenen induzierten Spannungen eines elektromassiven Prototyps bei unterschiedlichen axialen Rotorpositionen mit den idealen Werten (Kurve 505) verglichen. Dabei weist die Elektromaschine einen Rotor mit Oberflächenpermanentmagneten auf, wobei Unterschiede zwischen verschiedenen Rotorarten erwartet werden. Wie aus dem Graphen der 5 ersichtlich ist, sind mehr als 20% der induzierten Spannung oder der Flussverkettung aufgrund der Streufelder erzeugt.
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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).
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6A, 6B illustrieren eine beispielhafte Elektromaschine 600 im Normaldrehzahlbereich (6A) und im erhöhten Drehzahlbereich (6B) gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei durch eine Kombination von Statorüberhang und Rotorüberhang die Wickelköpfe an der Drehmomentbildung beteiligt werden können und die Drehmomentanteile der Wickelköpfe auch durch den Wickelkopfverguss verstärkt werden können. Mit anderen Worten können die Streufelder verstärkt werden und sich an der Drehmomentbildung beteiligen. Wegen dieser Streufelder kann das Statorblech bzw. der Stator gesättigt sein, hinsichtlich der Ausbildung eines magnetischen Feldes. Wenn die Rotorteile (von denen jeweils nur ein linker Teil in 6A und 6B illustriert ist) axial verstellt werden bzw. verschoben werden, können sich die Streufelder nur begrenzt erhöhen. Dabei kann eine optimale Auslegung oder Bestimmung der Überhänge (Statorüberhang und/oder Rotorüberhang) sehr entscheidend für die Verbesserung der Feldschwächbarkeit sein, wobei die Überhangslängen durch Simulationen bestimmt werden können. Weitere Merkmale können hinzukommen und die Bauweisen können erweitert werden.
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Der Statorzahn 613 endet (axial) an der ersten axialen Position 621. Der Statorträger 611 ragt axial über die erste Axialposition 621 nach axial außerhalb des Statorzahns 613 um eine dritte Länge ls hinaus. Während im normalen Drehzahlbereich, wie in 6A gezeigt ist, der erste axiale Abstand zwischen Rotorschwerpunktposition 302 und Statorschwerpunktposition 312 (bzw. zwischen Rotor und Stator) eingenommen ist, welcher hier 0 ist, ragt der Permanentmagnet axial über die erste Axialposition 621 um eine erste Länge lr1 hinaus. Dabei ist die erste Länge lr1 kleiner als die dritte Länge ls. Wie aus 6B ersichtlich ist, ragt der Permanentmagnet 619 bei Einnahme des zweiten axialen Abstandes d2 zwischen der Schwerpunktposition 302 des Rotors und der Schwerpunktposition 312 des Stators um eine zweite Länge lr2 über die erste Axialposition 621 axial nach axial außerhalb des Statorzahns 613 hinaus. Dabei ist die zweite Länge lr2 größer als die dritte Länge ls, mit der der Statorüberhang bzw. der Statorträger über die erste Axialposition 621 axial nach außerhalb des Statorzahn 613 hinausragt.
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In der Elektromaschine 600, welche in 6A und 6B illustriert ist, wird eine Kombination von Statorüberhang, Rotorüberhang und Wickelkopfverguss bereitgestellt. Insbesondere ist der Wickelkopf 623 mit einem Einbettungsmaterial 624 umgeben, welches eine relative magnetische Permeabilität von größer 1 bzw. insbesondere zwischen 1,1 und 50 aufweist, umgeben. In anderen Ausführungsbeispielen kann entweder nur ein Rotorüberhang (ohne Statorüberhang und ohne Wickelkopfverguss) oder nur ein Statorüberhang (ohne Rotorüberhang und ohne Wickelkopfverguss) oder nur ein Wickelkopfverguss (ohne einen Statorüberhang oder ohne einen Rotorüberhang) vorgesehen sein.
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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.
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Die von den Erfindern identifizierten Verlustmechanismen sind beispielhaft in 7 illustriert, wobei damit auch eine Elektromaschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in seitlicher Schnittansicht schematisch illustriert ist. Die in 7 illustrierte Elektromaschine 700 ist in einem Gehäuse 731 angeordnet, wobei durch den Permanentmagneten 719 erzeugte Felder 727 mit dem Gehäuse 731 interagieren und zu Verlusten führen können. Ferner können in dem Statorträger 711 Eisenverluste auftreten und in den Wickelköpfen 723 können Verluste wegen des Wechselfeldes auftreten. Gemäß Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können die Wickelköpfe der Elektromaschine derart ausgestaltet werden, dass Verluste auf den Wickelköpfen, insbesondere im Feldschwächungsbereich, vermindert oder sogar minimiert werden. Ferner kann eine veränderte Statorkonstruktion und eine neuartige Rotorkonstruktion für alle Rotortypen zur Verminderung von Zusatzverlusten eingesetzt werden. Damit kann hauptsächlich eine Reduktion in den Verlusten auf den leitfähigen Konstruktionsteilen ermöglicht sein, wobei eine geringere Reduktion der anderen Zusatzverluste auch zu erwarten ist. Ferner können auch Gehäuseverluste dadurch verhindert werden, dass das Gehäuse aus niederpermeablem Pulvermaterial mit einer erforderlichen Festigkeit gebaut wird. Das Gehäusematerial kann auch leitfähig sein, um eine Abschirmung von elektromagnetischen Feldern zu gewährleisten. Die optimalen elektromagnetischen Eigenschaften können durch Simulation optimiert werden.
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8 zeigt in schematischer seitlicher Schnittansicht eine Elektromaschine 800 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, welche insbesondere ein neuartiges Wickelkopfkonzept aufweist. Dieser Bauweise liegt eine Erkenntnis der Erfinder zugrunde, dass, wenn Rotorteile axial verzogen bzw. verstellt werden, Permanentmagnetverluste in den Wickelköpfen verursacht sein können. Dabei können sich die Felder auf den Wickelköpfen im Feldschwächungsbereich für verschiedene Rotorkonstruktionen unterscheiden. Insbesondere können Elektromaschinen mit Oberflächen-Permanentmagneten höhere Streufelder auf den Wickelköpfen verglichen mit Elektromaschinen mit vergrabenen Permanentmagneten haben. Gemäß Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können Wickelkopfverluste wegen externer Permanentmagnetfelder in beiden Elektromagnetmaschinen dadurch reduziert werden, dass die Wickelköpfe möglichst weit entfernt vom Rotor angeordnet werden. Wie in 8 illustriert ist, ist der Wickelkopf 823 radial (entlang der Richtung 807) relativ weit vom Rotor 801 angeordnet. Bei dieser Weise kann der Statorrückfluss oder Statorträger 811 länger als die Statorzähne 813 gebaut werden und der Wickelkopf 823 kann senkrecht zu einer Statorkante gewickelt bzw. gebogen bzw. angeordnet werden. Wegen eines zum Teil fehlenden Statorrückschlusses kann sich eine Maschinenkonstante ändern und das Drehmoment kann sich bei gleicher Stromeinprägung verringern, was jedoch in einem Auslegungsprozess berücksichtigt und betrachtet werden kann.
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9A, 9B, 9C illustrieren in schematischer Weise einen Wickelkopfbereich bzw. verschiedenen Varianten einer Ausbildung eines Wickelkopfes (9A, 9B, 9C) gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Insbesondere kann ein elektrischer Leiter 926, welcher den Wickelkopf 923 zumindest teilweise bildet, in bestimmter Weise gebogen werden, insbesondere senkrecht zu einer Statorkante 910 gebogen werden. In einem ersten Axialbereich ab1 erstreckt sich der elektrische Leiter 926 in axialer Richtung 903 entlang des Statorzahns 913 und in einem zweiten Axialbereich ab2, welcher axial außerhalb des Statorzahns 913 liegt, bildet der elektrische Leiter 926 zumindest teilweise einen Wickelkopf 923. Die in 9A bis 9C illustrierten Wickelköpfe 923 können dabei von einem Einbettungsmaterial umgeben sein oder können frei von einem Einbettungsmaterial sein.
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Die in 9A bis 9C illustrierten Wickelköpfe 923 weisen ein axial inneres Ende 928 auf, welches mit der ersten Axialposition 921 übereinstimmt. Ferner weisen die Wickelköpfe 923 ein axial äußeres Ende 930 auf, welches beispielsweise mit einer axialen Endposition eines Rotors übereinstimmen kann. In dem ersten Axialbereich ab1 ist der elektrische Leiter 926 vollständig in einem ersten Radialbereich rb1 angeordnet und der elektrischer Leiter 926 ist in dem zweiten Axialbereich ab2 in einem zweiten Radialbereich rb2 angeordnet, der zumindest einen Teilradialbereich trb umfasst, der nicht mit dem ersten Radialbereich rb1 überlappt. Dabei ist der Teilradialbereich trb radial weiter von einem Rotor (welcher in den 9A bis 9C oberhalb der Wicklungen 923 angeordnet ist) entfernt angeordnet als der erste Radialbereich rb1.
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Eine Ausdehnung des Teilradialbereichs trb relativ zu einer Ausdehnung des ersten radialen Bereiches rb1 kann variieren, wobei ein Verhältnis trb/rb1 zwischen 0,2 und 5 liegen kann, insbesondere zwischen 1 und 5, ferner insbesondere zwischen 3 und 5. Je höher dieses Verhältnis ist, umso weiter kann zumindest ein Teil des Wickelkopfes 926 entfernt von dem Rotor angeordnet sein. Gemäß Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird eine Biegegeometrie des elektrischen Leiters 926 derart bestimmt oder optimiert, um den Teilradialbereich möglichst weit entfernt von dem Rotor anordnen zu können.
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Wie in 9B ersichtlich ist, umfasst der elektrische Leiter 926 einen Abschnitt 932, welcher sowohl eine radial orientierte Komponente, als auch eine axial orientierte Komponente aufweist, wobei der elektrische Leiter 926 weg von dem in 9B oberhalb angeordneten Rotor gebogen ist. Wie in 9C illustriert ist, weist der elektrische Leiter 926 in dem zweiten Axialbereich ab2 einen Abschnitt auf, dessen Längsrichtung radial orientiert ist und der Leiter weist eine Biegung 934 auf, welche eine Verlaufsrichtung um etwa 90 Grad von dem Rotor weg ändert. Die in 9C illustrierte Wicklungskonfiguration kann auch als eine Stirnwicklung bezeichnet werden und die in 9B illustrierte Wicklungskonfiguration kann auch als eine Kegelmantelwicklung bezeichnet sein.
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10 illustriert in schematischer seitlicher Schnittansicht eine Elektromaschine 1000 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, wobei ein Wickelkopf 1023 gemäß der in 9C illustrierten Bauweise Verwendung findet. Die in 10 illustrierten Elemente sind mit demselben Bezugszeichen bezeichnet wie die in 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 und 9 illustrierten Elemente, unterscheiden sich jedoch durch die vorangestellten ein bis zwei Ziffern. Damit kann eine Elektromaschine mit Stirnwicklung bereitgestellt werden. 10 kann ein Betriebszustand in Normaldrehzahlbereich illustrieren oder einen Betriebszustand in erhöhtem Drehzahlbereich. In Kombination mit der spezifischen Wicklungskonfiguration, welche in 10 dargestellt ist, kann ein Statorüberhang und/oder ein Rotorüberhang und/oder ein Wickelkopfverguss vorgesehen sein.
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Gemäß Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können Streufelder 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. Eine derartige Bauweise ist schematisch in 11A (Grunddrehzahlbereich) und 11B (Feldschwächungsbereich) in seitlicher schematischer Schnittansicht illustriert. Insbesondere kann der gesamte Verlust durch einen Statorüberhang reduziert werden oder durch eine Kombination von Statorüberhang und/oder Rotorüberhang und/oder Wickelkopfverguss. Zusätzliche Felder im Stator können jedoch mit Verlusten verbunden sein. Daher kann eine Änderung der Rotorkonstruktion eine Verminderung der Zusatzverluste herbeiführen. Gemäß Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist eine Reduzierung bzw. Minimierung der Streufelder an den Permanentmagnetkanten im Feldschwächungsbereich durch eine neuartige Rotorkonstruktion erreicht, wobei im Grunddrehzahlbereich die magnetischen Felder durch den Stator und den Rotor eingerichtet sind.
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12A, 12B, 12C und 12D illustrieren in schematischer seitlicher Schnittansicht Elektromaschinen gemäß Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Rotorrückschlussstrukturen, welche insbesondere zur Reduzierung von Streufeldern entworfen sind. Hierbei handelt es sich jeweils um eine Oberflächen-Permanentmagnet-Elektromaschinen, wobei Erweiterungen dieser Bauweise möglich sind. Insbesondere sind die gleichen Rotorkonstruktionen auch für andere Rotortypen anwendbar bzw. gültig. Dabei können die Rotorrückschlussüberhänge aus einem anderen Material als der Rotorrückschluss gebaut werden. Die in 12A bis 12D illustrierten Elektromaschinen können einen Permanentmagnet-Kurzschluss realisieren, wobei die Rotorrückschluss-Überhänge für jede Auslegung optimiert werden können.
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Die in 12A bis 12D illustrierten Elektromaschinen weisen jeweils eine Rotorrückschlussstruktur 1239 auf, welche axial außerhalb des jeweiligen Permanentmagneten 1219 angeordnet ist. Der Permanentmagnet 1219 ragt im Falle des zweiten axialen Abstandes d2 axial über die erste Axialposition 1221, um eine Überhangslänge oder um eine zweite Länge lr2 nach axial außerhalb des Statorzahns 1213 hinaus. Die Rotorrückschlussstruktur ist hier in 12A bis 12D, insbesondere teilweise durch den Rotorträger 1217 gebildet, wobei dieser Träger in dem Bereich der Rotorrückschlussstruktur 1239 in den Ausführungsbeispielen, welche in bis illustriert sind, zumindest teilweise eine rechteckige Querschnittsform aufweist. Eine radiale Ausdehnung ra der Rotorrückschlussstruktur kann durch Simulationen optimiert werden.
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In der in 12B illustrierten Ausführungsform hat die Rückschlussstruktur 1239 ein gleiches radiales Niveau, wie eine Oberfläche des Permanentmagneten 1219, wogegen das radiale Niveau der Rotorrückschlussstruktur 1239 im Falle der Abbildung oder 12A unterhalb des radialen Niveaus bzw. der Oberfläche des Permanentmagneten 1219 liegt. 12C illustriert den Fall, in welchem zwischen dem Permanentmagneten 1219 und zumindest einem Teil der Rotorrückschlussstruktur 1239 eine Lücke 1241 vorgesehen ist, deren axiale Ausdehnung aa variabel gemäß Simulationen optimiert werden kann. Auch die axialen Ausdehnungen aa bzw. die radialen Ausdehnungen ra, welche in 12A bis 12D illustriert sind, können gemäß Anforderungen oder Simulationen verändert bzw. optimiert werden.
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12D illustriert eine Ausführungsform, in welcher sich die Rotorrückschlussstruktur 1239 mit zunehmender Axialentfernung von den Permanentmagneten 1219 verjüngt und zwar in primärer Weise. Eine Steigung der Verjüngung kann durch Simulation optimiert werden.
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Gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung kann ein Permanent-Kurzschluss zumindest teilweise auch mit einer sich mit dem Rotor drehenden Scheibe realisiert werden, wie beispielhaft in 13 illustriert ist. Dabei kann eine leitfähige Scheibe 1343 möglichst in der Nähe von einem Elektromaschinegehäuse 1331 gebaut werden. Die Scheibe 1343 kann unterschiedliche Bauformen haben und aus verschiedenen Materialen oder unterschiedlichen Materialien gefertigt werden. Die Motoren von Außenläufermotoren können mit einer einseitigen Rotorglocke zum Lager befestigt werden. Eine beispielhafte Darstellung ist in 14 illustriert, wobei in diesem Fall die Rotorglocke 1345, welche die Scheibe 1443 umfasst, als Permanentmagnet-Kurzschluss-Scheibe und Rotorrückschluss genutzt werden kann.
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15A bis 15C illustrieren mögliche Konstruktionsweisen einer Rotorrückschlussstruktur, welche eine Scheibe 1543 umfasst. Dabei illustriert eine mögliche Rotorglocke-Konstruktion für eine Außenläufermaschine mit beiderseitiger mechanischer Feldschwächung, 15B illustriert eine mögliche Konstruktion einer Rotorglocke für eine Außenläufermaschine mit einseitiger mechanischer Feldschwächung und 15C illustriert eine mögliche Rotorglocke-Konstruktion für eine Außenläufermaschine mit einseitiger mechanischer Feldschwächung und Rotorrückschlussüberhang. Dabei ist in 15C der Rotorrückschlussüberhang durch Bezugszeichen 1547 bezeichnet, welcher Rotorrückschlussüberhang axial nach außerhalb des Permanentmagneten 1519 hinausragt bzw. übersteht. Permanentmagnet-Kurzschlusskonstruktionen können eingesetzt werden, um Gehäuseverluste zu minimieren und ggf. aufzuheben. Der Abstand zwischen den Maschinenteilen und dem Gehäuse kann demzufolge kürzer ausgelegt werden (ohne die Dicke des Rotorrückschlussüberhangs oder der Kurzschluss-Scheibe). Deswegen kann ein Permanentmagnet-Kurzschluss nicht nur eine Reduzierung der Verluste, sondern auch einen kompakteren gesamten Antrieb ermöglichen. In bestimmten Anwendungen kann die Permanentmagnet-Kurzschluss-Scheibe auch als eine Wirbelstrombremse eingesetzt oder benutzt werden.
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16A bis 16H illustrieren mögliche Ausführungsbeispiele einer Elektromaschine, welche durch die vorliegende Anmeldung bereitgestellt werden. Es ist jeweils der Betriebszustand der Elektromaschine in einem Normaldrehzahlbereich dargestellt, wobei somit zwischen dem Rotor und dem Stator ein erster axialer Abstand eingenommen ist. Alle in 16 dargestellten Ausführungsbeispiele ermöglichen jedoch eine Einstellung eines zweiten axialen Abstands zwischen Rotor und Stator, welcher insbesondere in dem erhöhten Drehzahlbereich (Feldschwächungsbereich) eingenommen werden kann. Die in 16B, 16E, 16F und 16H illustrierten Ausführungsbeispiele weisen einen Statorüberhang auf. Die in 16C, 16E, 16G und 16H illustrierten Ausführungsbeispiele weisen einen Rotorüberhang auf. Die in 16D, 16F und 16G illustrierten Ausführungsbeispiele weisen Wickelköpfe auf, welche in ein Einbettungsmaterial hoher relativer magnetischer Permeabilität (größer eins) eingebettet sind. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird eine Elektromaschine bereitgestellt, welche durch irgendeine Kombination der in 16A bis 16H gezeigten Merkmale aufweist.
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17A, 17B zeigen eine weitere Ausführungsform einer Elektromaschine 1700 im Grunddrehzahlbereich (17A) und im Feldschwächungsbereich (17B), welche eine mechanische Feldschwächung effektiver machen kann. Die in 17A, B illustrierte Elektromaschine 1700 weist sowohl einen Statorüberhang, als auch einen Rotorüberhang, als auch einen Wickelkopfverguss, als auch einen Permanent-Magnetkurzschluss (Rotorrückschlussstrukturen) auf. Der Stator weist einen Statorüberhang einer dritten Länge ls auf, der Permanentmagnet weist einen Rotorüberhang einer ersten Länge lr1, bei dem ersten axialen Abstand zwischen Stator und Rotor bzw. eine Überhangslänge oder zweite Länge lr2 während des zweiten axialen Abstandes d2 zwischen Rotor und Stator auf. Dabei kann der zweite axiale Abstand durch Bezugsziffer d2 als der axiale Abstand zwischen den Schwerpunktkoordinaten 1702 des Rotors und 1712 des Stators definiert sein. Ferner weist die Wicklung 1723 einen Wickelverguss 1724 aus hoch permeablem Material auf. Ferner weist die Elektromaschine 1700 eine Rotorrückschlussstruktur 1739 auf, welche axial außerhalb des Permanentmagneten 1719 angeordnet ist.
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18A (Grunddrehzahlbereich) und 18B (Feldschwächungsbereich) illustrieren schematisch in seitlicher Schnittansicht eine Elektromaschine 1800 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Elektromaschine 1800 weist eine Rotorrückschlussstruktur 1839 auf sowie einen Wickelkopf 1823, welcher als eine Stirnwicklung bzw. einem Stirnwicklungskopf ausgeführt ist, sodass die Wicklung 1823 möglichst weit von dem Permanentmagneten 1819 (in radialer Richtung betrachtet).
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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.
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Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar.
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Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modifikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2005253265 A [0003]
- JP 2007129869 A [0004]
- EP 1936785 B1 [0005]
- DE 102010002401 A1 [0006]
- DE 102006036986 A1 [0007]
- US 6771000 B2 [0008]
- US 6664694 B2 [0009]
- DE 60219096 T2 [0010]
- WO 2009/004633 A2 [0011]
