-
Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine, insbesondere für einen Elektromotor, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
-
Aus dem Stand der Technik ist eine Vielzahl von möglichen Ausführungsformen eines Rotors einer elektrischen Maschine, insbesondere eines Elektromotors, bekannt. Insbesondere kennt der Stand der Technik Rotoren mit internen, das heißt innerhalb des Rotors angeordneten Permanentmagneten (eng. Internal-Permanentmagnet-Motors; abgekürzt IPM).
-
Elektrische Maschinen beziehungsweise Rotoren mit internen Permanentmagneten (IPM) weisen sowohl ein Reluktanzdrehmoment als auch ein Drehmoment auf, welches aus der magnetischen Wechselwirkung zwischen den Polen eines Stators der elektrischen Maschine und den internen Permanentmagneten gebildet wird.
-
Ein möglicher Nachteil einer elektrischen Maschine mit einem Rotor, der interne Permanentmagneten aufweist, ist, dass das magnetische Feld der Permanentmagnete auch im lastfreien Betrieb (Leerlauf) der elektrischen Maschine vorhanden ist. Das gegenüber dem Stator zeitlich variierende magnetische Feld der Permanentmagnete induziert in Wicklungen des Stators eine Gegenspannung (Gegen-Elektromotorische-Kraft; abgekürzt Gegen-EMK), die der an den Wicklungen des Stators anliegenden Spannung entgegen wirkt. Übertrifft die induzierte Gegen-EMK die angelegte Spannung, so kann ein konstantes Drehmoment der elektrischen Maschine bei einer Steigerung der Drehzahl des Rotors nicht aufrecht erhalten werden.
-
Zur Verringerung des in den Rotoren selbst verketteten magnetischen Feldes der Permanentmagneten können nach dem Stand der Technik innerhalb des Rotors der elektrischen Maschine Lufttaschen vorgesehen sein. Solche Lufttaschen sind beispielsweise aus den Druckschriften
DE 10 2008 059 347 A1 und
DE 11 2010 005 756 T5 bekannt.
-
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Rotor einer elektrischen Maschine zu verbessern.
-
Die Aufgabe wird durch einen Rotor mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 1 gelöst. In den abhängigen Patentansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
-
Der erfindungsgemäße Rotor für eine elektrische Maschine, insbesondere für einen Elektromotor, umfasst einen ersten Permanentmagneten und eine ferromagnetische Struktur mit einer radial außenliegenden Außenseite, wobei die ferromagnetische Struktur dazu ausgelegt ist wenigstens einen Teil des ersten Permanentmagneten einzufassen. Erfindungsgemäß ist zwischen einer der Außenseite abgewandten transversalen Seite des ersten Permanentmagneten und einer gegenüber dem ersten Permanentmagneten radial weiter innenliegenden Aushöhlung der ferromagnetischen Struktur ein erster Zwischenbereich der ferromagnetischen Struktur vorgesehen, wobei die Aushöhlung einen Stoff mit einer geringeren magnetischen Permeabilität als die ferromagnetische Struktur umfasst.
-
Die Richtungen axial, radial und azimutal beziehen sich auf eine Drehachse des Rotors und bilden in ihrer Gesamtheit ein zylindrisches Koordinatensystem (Rotorkoordinatensystem) aus.
-
Der erfindungsgemäße Rotor ist im Allgemeinen in elektrischen Maschinen, wie beispielsweise in Elektromotoren für elektrisch betriebene Kraftfahrzeuge und/oder Generatoren einsetzbar. Im Folgenden wird als elektrische Maschine eine elektrische Maschine angesehen, die den erfindungsgemäßen Rotor umfasst.
-
Der erfindungsgemäße Rotor bewirkt durch die Wechselwirkung mit einem magnetischen Feld eines Stators der elektrischen Maschine mittels der ferromagnetischen Struktur ein Reluktanzdrehmoment. Zusätzlich bewirkt das magnetische Feld der Permanentmagneten einen weiteren Beitrag zum Drehmoment der elektrischen Maschine, welche elektrische Maschine den erfindungsgemäßen Rotor umfasst.
-
Erfindungsgemäß ist radial zwischen der Aushöhlung, die eine geringere magnetische Permeabilität als die ferromagnetische Struktur aufweist, und der der Außenseite des Rotors abgewandten transversalen Seite des ersten Permanentmagneten ein erster Zwischenbereich der ferromagnetischen Struktur vorgesehen. Insbesondere ist der Zwischenbereich ferromagnetisch.
-
Wird die elektrische Maschine, welche den erfindungsgemäßen Rotor umfasst, in einem Arbeitspunkt ihrer Leistungskurve bei konstantem Drehmoment (Ankerstellbereich) betrieben, so ist der erste Zwischenbereich durch das magnetische Feld des Stators magnetisch gesättigt. Durch die magnetische Sättigung des ersten Zwischenbereiches, sowie durch die Aushöhlung mit einer geringen magnetischen Permeabilität, wird die Induktivität Ld der d-Achse (d-Achseninduktivität) des Rotors verringert. Durch die Verringerung der Induktivität Ld der d-Achse wird vorteilhafterweise das Drehmoment der elektrischen Maschine vergrößert. Generell ist es von Vorteil eine möglichst kleine Induktivität Ld der d-Achse und eine möglichst große Induktivität Lq der q-Achse (q-Achseninduktivität) zu erreichen. Mit anderen Worten wird das Drehmoment der elektrischen Maschine gesteigert, wenn die betragsmäßige Differenz zwischen den Induktivitäten der d- und q-Achse vergrößert wird.
-
Einen weiteren Beitrag zum Drehmoment der elektrischen Maschine liefert das magnetische Feld des ersten Permanentmagneten, welcher wenigstens teilweise durch die ferromagnetische Struktur eingefasst ist. Der erste Permanentmagnet kann beispielsweise auf der Außenseite des Rotors (eng. Surface-Mounted-Permanentmagnets-Machine; abgekürzt SMPM) oder innerhalb der ferromagnetischen Struktur (IPM) angeordnet sein.
-
Bevorzugt umfasst die elektrische Maschine eine Mehrzahl von Permanentmagneten. Hierbei ist der Bereich der ferromagnetischen Struktur um den jeweiligen Permanentmagneten gemäß dem ersten Permanentmagneten ausgebildet. Mit anderen Worten weist der Rotor eine Mehrzahl von ersten Permanentmagneten auf. Die Einfassung des ersten Permanentmagneten oder der Mehrzahl der Permanentmagneten durch die ferromagnetische Struktur kann form-, stoff- und/oder kraftschlüssig erfolgen.
-
Durch die magnetische Sättigung des ersten ferromagnetischen Zwischenbereiches wird das magnetische Feld der Permanentmagneten abgeschwächt, so dass vorteilhafterweise die Gegen-EMK reduziert wird. Eine Reduzierung der Gegen-EMK ist insbesondere im lastfreien Betrieb der elektrischen Maschine von Vorteil.
-
Wird die Gegen-EMK zu groß, so wird die elektrische Maschine mit konstanter Leistung betrieben (Feldstellbereich). Im Feldstellbereich wird es durch ein Anlegen eines negativen d-Stromes id an den Wicklungen des Stators möglich, den ersten ferromagnetischen Zwischenbereich magnetisch zu entsättigen. Durch die magnetische Entsättigung des ersten Zwischenbereiches wird vorteilhafterweise das magnetische Feld des ersten Permanentmagneten vergrößert, so dass das Drehmoment der elektrischen Maschine im Feldstellbereich gesteigert werden kann.
-
Ein weiterer Vorteil der Aushöhlung ist, dass Verluste in der ferromagnetischen Struktur verringert werden, da die Aushöhlung ein Material umfasst, das eine geringere magnetische Permeabilität als die ferromagnetische Struktur aufweist und insbesondere elektrisch nicht leitend ist. Weiterhin ermöglicht die Aushöhlung eine Führung oder eine Anpassung der magnetischen Felder oder des magnetischen Gesamtfeldes. Mit anderen Worten kann durch die Aushöhlung eine gerichtete Bündelung der magnetischen Feldlinien der magnetischen Felder oder des magnetischen Gesamtfeldes bewirkt werden, so dass das magnetische Feld in einem Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator konzentriert wird, wodurch das Drehmoment der elektrischen Maschine weiter erhöht werden kann. Ferner kann vorteilhafterweise das Massenträgheitsmoment des Rotors durch die Aushöhlung, insbesondere durch eine Mehrzahl von Aushöhlungen, verringert werden. Hierfür umfasst die Aushöhlung einen Stoff, dessen Dichte geringer als die Dichte der ferromagnetischen Struktur ist.
-
Bevorzugt umfasst die Aushöhlung Luft als Stoff. Mit anderen Worten wird die Aushöhlung der ferromagentischen Struktur durch einen luftbefüllten Hohlraum, das heißt durch eine Lufttasche der ferromagnetischen Struktur gebildet.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist wenigstens ein Teil der Aushöhlung an einer ersten lateralen Seite des ersten Permanentmagneten angeordnet.
-
Dadurch wird vorteilhafterweise die Induktivität entlang der d-Achse weiter verringert, so dass das Drehmoment der elektrischen Maschine weiter vergrößert wird. Weiterhin wird das magnetische Feld des ersten Permanentmagneten zum Luftspalt gerichtet und gebündelt. Zudem werden magnetische Streufelder, welche zu Verlusten führen können und nicht zum Drehmoment der elektrischen Maschine beitragen, vorteilhafterweise verringert.
-
Zur weiteren Verbesserung des Rotors ist bevorzugt eine weitere Aushöhlung an einer der ersten lateralen Seite gegenüberliegenden zweiten lateralen Seite des Permanentmagneten angeordnet.
-
Dadurch werden die Effizienz und das Drehmoment der elektrischen Maschine weiter verbessert.
-
In einer besonders bevorzugt Ausgestaltung der Erfindung erstreckt sich die Aushöhlung annähernd entlang der gesamten transversalen Seite des ersten Permanentmagneten.
-
Dadurch wird eine vorteilhafte Führung oder Leitung des magnetischen Feldes des Stators, welches magnetische Feld das Reluktanzdrehmoment bewirkt, durch den Rotor beziehungsweise durch die ferromagnetische Struktur des Rotors ermöglicht. Das magnetische Feld des Stators wird im Wesentlichen entlang der q-Achse des Rotors in die ferromagnetische Struktur ein- oder aus dieser herausgeführt und mittels der sich annähernd entlang der gesamten transversalen Seite des ersten Permanentmagneten erstreckenden Aushöhlung um den ersten Permanentmagneten innerhalb der ferromagnetischen Struktur herumgeführt. Die Induktivität der q-Achse wird folglich vergrößert, so dass das Drehmoment der elektrischen Maschine weiter erhöht wird.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung umfasst der Rotor einen zweiten Permanentmagneten, welcher mittels der ferromagnetischen Struktur wenigstens teilweise eingefasst ist, wobei der erste und zweite Permanentmagnet V-förmig angeordnet sind und azimutal zwischen dem ersten und zweiten Permanentmagnet ein zweiter Zwischenbereich der ferromagnetischen Struktur vorgesehen ist.
-
Mit anderen Worten wird ein V-förmiger Magnetpol des Rotors durch die V-förmig angeordneten Permanentmagneten ausgebildet. Hierbei sind die Magnetisierungen der beiden Permanentmagneten konisch zueinander gerichtet, so dass mittels der V-förmigen Anordnung eine vorteilhafte Bündelung oder wenigstens teilweise Fokussierung des von den Permanentmagneten erzeugten magnetischen Feldes im Luftspalt der elektrischen Maschine erfolgt. Mit anderen Worten werden die Feldlinien des magnetischen Feldes der Permanentmagneten im Luftspalt konzentriert. Ferner wird durch die V-förmige Anordnung vorteilhafterweise eine größere Breite des Magnetpols erreicht, so dass das magnetische Feld im Luftspalt weiter verstärkt wird.
-
Die V-förmige Anordnung der zwei Permanentmagneten ergibt sich insbesondere aus einer axialen Schnittdarstellung des Rotors. Als eine V-förmige Anordnung der zwei Permanentmagneten wird beispielsweise eine Anordnung bezeichnet, die im Wesentlichen in einem axialen Schnitt des Rotors der geometrischen Form des Buchstabens V entspricht, wobei die beiden Schenkel des Buchstabens V mittels der Permanentmagneten gebildet sind. Im Gegensatz zur geometrischen Form des Buchstaben V ist eine direkte Verbindung der Schenkel (erster und zweiter Permanentmagnet) nicht vorgesehen, sondern es liegt azimutal zwischen dem ersten und zweiten Permanentmagnet ein zweiter Zwischenbereich der ferromagnetischen Struktur. Dadurch kann der zweite Zwischenbereich magnetisch gesättigt sein, so dass die Induktivität der d-Achse weiter verringert wird. Vorteilhafterweise wird dadurch das Drehmoment der elektrischen Maschine weiter gesteigert.
-
Bevorzugt ist der zweite Zwischenbereich reckteckförmig ausgebildet und weist ein Aspektverhältnis größer als zwei auf.
-
Dadurch wird die magnetische Sättigung des zweiten Zwischenbereiches bereits durch ein relativ schwaches magnetisches Feld erreicht.
-
Weiterhin ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung die Aushöhlung L-förmig ausgebildet.
-
Mit anderen Worten weist die Aushöhlung in einem axialen Schnitt des Rotors annähernd die geometrische Form des Buchstabes L auf. Vorteilhafterweise erstreckt sich der längere Schenkel der Aushöhlung entlang der ersten transversalen Seite und der kürzere Schenkel entlang der ersten lateralen Seite des ersten Permanentmagneten.
-
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der erste ferromagnetische Zwischenbereich keilartig und/oder dreieckförmig ausgebildet.
-
In einem axialen Schnitt des Rotors weist der erste ferromagentische Zwischenbereich eine dreieckförmige geometrische Form auf. Dadurch wird der Verlauf der Feldlinien des magnetischen Feldes des ersten, zweiten oder von einer Mehrzahl, insbesondere benachbarten Permanentmagneten, vorteilhaft verbessert. Insbesondere wird eine radiale Eindringtiefe des magnetischen Feldes der Permanentmagneten in die ferromagnetische Struktur verringert.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der erste und/oder zweite Permanentmagnet als Halbach-Array ausgebildet.
-
Ein Vorteil eines Halbach-Arrays liegt darin begründet, dass das magnetische Feld im Wesentlichen im Luftspalt, der radial zwischen Stator und Rotor liegt, verläuft. Beispielsweise kann das Halbach-Array mittels einer Mehrzahl von einzelnen Permanentmagneten gebildet sein, so dass durch eine spezielle Anordnung der einzelnen Permanentmagneten das magnetische Feld in radial nach innen gerichteter Richtung (innerhalb des Rotors) abgeschwächt wird, während sie im Luftspalt (außerhalb des Rotors) verstärkt und/oder konzentriert wird. Durch die Abschwächung des magnetischen Feldes innerhalb des Rotors werden Verluste, die aufgrund von Wirbelströmen im Rotor oder innerhalb der ferromagnetischen Struktur auftreten, verringert. Zudem wird durch das im Luftspalt verstärkte und/oder konzentrierte magnetische Feld ein höheres Drehmoment der elektrischen Maschine bereitgestellt und die Leistungsdichte erhöht. Generell kann sogar auf einen gebräuchlichen Eisenrückschluss verzichtet werden, wodurch das Massenträgheitsmoment des Rotors weiter reduziert wird.
-
Der Verlauf des magnetischen Feldes kann bei nach dem Stand der Technik bekannten IPM im Luftspalt annähernd rechteckförmig sein. Die steil ausgeprägten Kanten der Rechteckform führen zur Erzeugung höherer harmonischer Anteile. Durch die Verwendung von Halbach-Arrays werden die steilen Kanten geglättet, so dass ein annähernd sinus- oder cosinusförmiger und somit ein räumlich harmonischer Verlauf des magnetischen Feldes im Luftspalt ermöglicht wird.
-
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der Rotor eine rosettenartigen ferromagnetischen Struktur auf, welche mittels einer Mehrzahl von sich radial erstreckenden säulenartigen ferromagnetischen Teilstrukturen gebildet ist, wobei die säulenartigen Teilstrukturen um eine Drehachse des Rotors azimutal gleichmäßig verteilt angeordnet sind, jeweils eine Aushöhlung aufweisen und jeweils zwischen zwei benachbarten säulenartigen Teilstrukturen wenigstens eine weitere Aushöhlung liegt.
-
Hierbei ergibt sich die genannte rosettenartige Ausgestaltung der ferromagnetischen Struktur in einem axialen Schnitt der ferromagnetischen Struktur beziehungsweise des Rotors. Durch die besondere rosettenartige Ausgestaltung der ferromagnetischen Struktur wird eine Mehrzahl von Aushöhlungen ermöglicht, so dass das Massenträgheitsmoment des Rotors verringert wird. Die Permanentmagneten des Rotors werden mittels der säulenartigen Teilstrukturen radial fixiert. Weiterhin ist die rosettenartige ferromagnetische Struktur in ihrer geometrischen Ausgestaltung mit einer Fensterrose eines Fensters eines Bauwerkes vergleichbar. Die säulenartigen Teilstrukturen erstrecken sich hierbei von einem radial innenliegenden Bereich des Rotors zur radial außenliegenden Außenseite des Rotors. Sie sind beispielsweise azimutal gleichmäßig um eine radial innenliegende Welle des Rotors angeordnet und an der Welle befestigt oder drehmomentschlüssig fixiert.
-
Ferner kann durch die zahlreichen Ausgestaltungen einer Rosette, die den Ausgestaltungen der ferromagnetischen Struktur entsprechen, die Führung der magnetischen Felder oder des magnetischen Gesamtfeldes optimiert werden. Die rosettenartige ferromagnetische Struktur verbindet somit mechanische Vorteile mit elektromagnetischen synergetisch.
-
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus dem im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
-
1 eine schematische axiale Schnittdarstellung eines Rotors einer elektrischen Maschine mit einer ringförmigen ferromagnetischen Struktur, wobei mittels der Struktur eine Mehrzahl von benachbarten Permanentmagneten eingefasst werden und die Struktur eine Mehrzahl von Aushöhlungen aufweist;
-
2 eine schematische axiale Schnittdarstellung eines Rotors einer elektrischen Maschine mit einer rosettenartigen ferromagnetischen Struktur; und
-
3 eine schematische axiale Schnittdarstellung eines Rotorsegmentes eines Rotors einer elektrischen Maschine.
-
Gleichartige oder äquivalente Elemente können in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen sein.
-
Die Richtungen axial 100, radial 101 und azimutal 106 beziehen sich stets auf eine Drehachse 100 eines Rotors 1 und bilden in ihrer Gesamtheit ein zylindrisches Koordinatensystem (Rotorkoordinatensystem) aus.
-
In 1 ist eine schematische axiale Schnittdarstellung eines Rotors 1 einer nicht dargestellten elektrischen Maschine mit einer ringförmigen ferromagnetischen Struktur 3 dargestellt. Die ferromagnetische Struktur 3 kann als Blechform ausgebildet sein und umfasst eine Mehrzahl von azimutal benachbarten Permanentmagneten 21, 22, wobei jeweils ein erster Permanentmagnet 21 und ein zweiter Permanentmagnet 22 einen Magnetpol 24 des Rotors 1 ausbilden. Die Permanentmagneten 21, 22 sind durch die ferromagnetische Struktur 3 form-, stoff- und/oder kraftschlüssig teilweise eingefasst. Weiterhin weist die ferromagnetische Struktur 3 des Rotors 1 eine Mehrzahl von Aushöhlungen 42 auf, welche Aushöhlungen 42 als Lufttaschen 42 ausgebildet sind. Die Ecken und/oder Kanten der Aushöhlungen 42 beziehungsweise der Lufttaschen 42 können zur Verbesserung der mechanischen Stabilität abgerundet sein. Der Rotor 1 kann aus einer Mehrzahl von Blechformen, gemäß der in 1 dargestellten Ausführungsform, axial geschichtet aufgebaut sein. Weiterhin kann der Rotor 1 nicht magnetische Zwischenschichten zur Verringerung von Wirbelströmen aufweisen in axialer Richtung 100 aufweisen.
-
Der in 1 dargestellte Rotor 1 weist acht gleichartige Magnetpole 24 auf. Die Anzahl der Magnetpole 24 kann zweckgemäß angepasst sein. Die Permanentmagneten 21, 22 eines Magnetpols 24 sind annähernd vollständig von der ferromagnetischen Struktur 3 umschlossen und im dargestellten axialen Schnitt V-förmig angeordnet.
-
Im Folgenden wird exemplarisch der erste Permanentmagnet 21 eines Magnetpols 24 betrachtet.
-
Zwischen einer transversalen Seite 6 des ersten Permanentmagneten 21 und der Aushöhlung 42 ist ein erster ferromagnetischer Zwischenbereich 81 der ferromagnetischen Struktur 3 angeordnet. Der erste ferromagnetische Zwischenbereich 81 ist dreieckförmig ausgebildet. Weiterhin ist die transversale Seite 6 des ersten Permanentmagneten 21 einer Außenseite 4 des Rotors 1 abgewandt. Mit anderen Worten liegt radial zwischen der radial innenliegenden transversalen Seite 6 des ersten Permanentmagneten 21 und der Aushöhlung 42 der erste ferromagnetische Zwischenbereich 81. Weiterhin erstreckt sich die Aushöhlung 42 annähernd entlang der gesamten transversalen Seite 6 des ersten Permanentmagneten 21.
-
An einer ersten lateralen Seite 5 des ersten Permanentmagneten 21 ist wenigstens ein Teil 421 der Aushöhlung 42 angeordnet. Mit anderen Worten weist die Aushöhlung 42 eine L-Form auf, wobei der kurze Schenkel der L-Form an der ersten lateralen Seite 5 unmittelbar am ersten Permanentmagneten 21 angeordnet ist und der lange Schenkel der L-Form sich annähernd über die gesamte transversale Seite 6 des ersten Permanentmagneten 21 erstreckt. Der kurze Schenkel der L-Form erstreckt sich hierbei annähernd radial, während sich der lange Schenkel der L-Form im Wesentlichen azimutal erstreckt.
-
An einer zweiten lateralen Seite 7 des ersten Permanentmagneten 21 schließt sich eine weitere Aushöhlung 43 an. Hierbei sind die Aushöhlung 42, 43 als Hohlraum in der ferromagnetischen Struktur 3 ausgebildet, so dass die Aushöhlung 42, sowie die weitere Aushöhlung 43 luftbefüllt ist. Dadurch wird das Massenträgheitsmoment des Rotors 1 verbessert.
-
Die Anordnung des zweiten Permanentmagneten 22, sowie die entsprechende Anordnung und Ausgestaltung der Aushöhlungen 42, 43, ergibt sich aus dem bereits für den ersten Permanentmagneten 21 genannten, falls die genannten Anordnungen und Ausführungen an einer d-Achse 103 des Rotors 1 gespiegelt werden. So liegen sich beispielsweise die beiden kurzen Schenkel der jeweiligen L-förmigen Aushöhlungen 42 azimutal gegenüber. Die d-Achse 103 des Rotors 1 erstreckt sich in radialer Richtung und verläuft annähernd azimutal mittig durch den Magnetpol 24. Es ist anzumerken, dass der Rotor 1 eine Mehrzahl von d-Achsen 103 und q-Achsen 102 aufweist, die den jeweiligen Magnetpolen 24 zugeordnet sind.
-
Durch die Aushöhlungen 42, 43 wird ein magnetisches Feld (magentische Flussdichte) mit einer exemplarischen Feldlinie 104, welches magnetische Feld durch die Permanentmagneten 21, 22 bewirkt wird, innerhalb der ferromagnetischen Struktur 3 des Rotors 1 geführt. Insbesondere ist der erste ferromagnetische Zwischenbereich 81 aufgrund des magnetischen Feldes des ersten und/oder zweiten Permanentmagneten 21 magnetisch gesättigt. Durch die magnetische Sättigung des ersten ferromagnetischen Zwischenbereiches 81 wird die Induktivität der d-Achse (d-Achseninduktivität) des Rotors 1 verringert und folglich das Drehmoment der elektrischen Maschine, welche den Rotor 1 umfasst, vergrößert.
-
Aufgrund der ferromagnetischen Struktur 3 bewirkt der Rotor 1, in magnetischer oder elektromagnetischer Wechselwirkung mit dem magnetischen Feld eines nicht dargestellten Stators, ein Reluktanzdrehmoment. Das dem Reluktanzdrehmoment zugehörige magnetische Feld ist durch einen exemplarischen räumlichen Verlauf einer Feldlinie 105 dargestellt. Das magnetische Feld des Stators tritt im Wesentlichen entlang der q-Achsen 102 des Rotors 1 in die ferromagnetische Struktur 3 ein und/oder aus.
-
Azimutal zwischen zwei benachbarten Aushöhlungen 42 ist ein länglicher, reckteckförmiger zweiter ferromagentischer Zwischenbereich 82 der ferromagnetischen Struktur 3 angeordnet. Durch die relativ dünne azimutale Ausgestaltung des zweiten Zwischenbereiches 82 wird die Induktivität der d-Achse 103 des Rotors 1 weiter verringert, so dass das Drehmoment der elektrischen Maschine, dieser Verringerung entsprechend, weiter vergrößert werden kann.
-
Wird die den Rotor 1 umfassende elektrische Maschine mit konstantem Drehmoment betrieben, das heißt innerhalb des Ankerstellbereiches, so sind der erste und zweite ferromagnetische Zwischenbereich 81, 82 der ferromagnetischen Struktur 3 magnetisch gesättigt, so dass insgesamt die Induktivität der d-Achse 103 gegenüber der Induktivität der q-Achse 102 verringert wird. Mit anderen Worten ermöglicht der in 1 dargestellte Rotor 1 eine Vergrößerung der betragsmäßigen Differenz zwischen der Induktivität der d-Achse 103 und der q-Achse 102, so dass das Drehmoment der elektrischen Maschine im Ankerstellbereich gesteigert wird.
-
Wird die durch das magnetische Feld der Permanentmagneten 21, 22 innerhalb der Wicklungen des Stators induzierte Spannung (Gegen-EMK), insbesondere im lastfreien Betrieb, zu groß, so wird die elektrische Maschine nicht mehr mit konstantem Drehmoment sondern mit einer konstanten Leistung betrieben (Feldstellbereich). Innerhalb des Feldstellbereiches ist es von Vorteil einen negativen d-Strom in die Wicklungen des Stators zu induzieren. Dadurch wird das magnetische Feld der Permanentmagneten 21, 22 des Rotors 1 abgeschwächt. Durch die genannte Abschwächung des magnetischen Feldes der Permanentmagneten 21, 22 wird die Gegen-EMK verringert, was insbesondere im lastfreien Betrieb der elektrischen Maschine von Vorteil ist.
-
Im Betrieb der elektrischen Maschine unter Last ist ein weiterer Vorteil des dargestellten Rotors 1, dass mittels des negativen d-Stromes und der daraus resultierenden Minderung oder Abschwächung des magnetischen Feldes der Permanentmagneten 21, 22 wenigstens der erste ferromagnetische Zwischenbereich 81 des Rotors 1 magnetisch entsättigt wird. Dadurch ist es möglich das Drehmoment der elektrischen Maschine im Feldstellbereich zu steigern, da der Beitrag des magentischen Feldes der Permanentmagneten 21, 22 zum Drehmoment vergrößert wird.
-
2 zeigt eine schematische axiale Schnittdarstellung eines Rotors 1 einer elektrischen Maschine mit einer rosettenartigen ferromagnetischen Struktur 3. Hierbei weist der Rotor 1 eine Mehrzahl von Permanentmagneten 21, 22 auf, wobei ein Magnetpol 24 des Rotors 1 mittels des ersten und zweiten Permanentmagneten 21, 22 gebildet ist. Insgesamt weist der Rotor 1 in 2 zwölf gleichartige Magnetpole 24 auf. Die Anzahl der Magnetpole 24 kann je nach Anwendungsbereich variieren.
-
Die rosettenartige ferromagnetische Struktur 3 des Rotors 1 wird durch eine Mehrzahl von sich radial erstreckenden säulenartigen ferromagnetischen Teilstrukturen 30 gebildet. Hierbei weisen die Teilstrukturen 30 jeweils eine Aushöhlung 42 auf.
-
Innerhalb eines Magnetpols 24 ist die Aushöhlung 42 im dargestellten Ausführungsbeispiel dreieckförmig ausgebildet, wobei die radial außenliegende Längsseite der dreieckförmigen Aushöhlung 42 radial unterhalb der Permanentmagneten 21, 22 liegt und sich azimutal entlang der transversalen Seiten 6 der Permanentmagneten 21, 22 erstreckt. Weiterhin liegt radial zwischen der Aushöhlung 42 und den ersten und zweiten Permanentmagneten 21, 22 ein erster ferromagnetischer Zwischenbereich 81 der ferromagnetischen Struktur 3. Ein zweiter ferromagnetischer Zwischenbereich 82 ist azimutal zwischen dem ersten und zweiten Permanentmagneten 21, 22 angeordnet.
-
Mittels der gleichmäßigen azimutalen Anordnung der säulenartigen Teilstrukturen 30 werden zudem weitere Aushöhlungen 43 ausgebildet, so dass eine rosettenartige Ausbildung des Rotors 1 ermöglicht wird. Hierbei sind die säulenartigen Teilstrukturen 30 derart ausgebildet und angeordnet, so dass sich im axialen Schnitt ein Muster nach Art einer Fensterrose ergibt. Diese weist eine Mehrzahl von Bögen auf, wobei die Bögen azimutal um eine Drehachse 100 des Rotors 1 oder der elektrischen Maschine angeordnet sind. Generell ist zur Optimierung des Rotors 1 eine Vielzahl von rosettenartigen Ausgestaltungen der ferromagnetischen Struktur 3 denkbar, die an die mechanischen Belastungen und elektromagnetischen Anforderungen angepasst sind.
-
Der Rotor 1 weist eine konzentrisch mit der Drehachse 100 angeordnete kreisförmige Öffnung auf, die eine Befestigung der säulenartigen Teilstrukturen 30 und folglich des Rotors 1 insgesamt auf einer Welle der elektrischen Maschine ermöglicht. Hierbei ist insbesondere eine drehmomentschlüssige Befestigung oder Fixierung des Rotors 1 an der nicht dargestellten Welle zweckmäßig.
-
In 3 ist eine schematische axiale Schnittdarstellung eines Rotorsegmentes 25 eines weiteren Rotors 1 einer elektrischen Maschine dargestellt. Das dargestellte Rotorsegment 25 weist wenigstens einen ersten Permanentmagneten 21 und eine Aushöhlung 42 auf. Ein zweiter Permanentmagnet 22, wie bereits in den vorangegangen Figuren dargestellt, kann vorgesehen sein. Die Aushöhlung 42 der ferromagnetischen Struktur 3 des Rotorsegmentes 25 ist als Lufttasche 42 ausgebildet. Radial zwischen der Aushöhlung 42 und einer radial innenliegenden transversalen Seite 6 des Permanentmagneten 21 ist ein erster ferromagnetischer Zwischenbereich 81 der ferromagnetischen Struktur 3 angeordnet.
-
Ergänzend zu 1 und/oder 2 weist das Rotorsegment 25 in 3 einen Steg 50 auf, der als Teil der ferromagnetischen Struktur 3 ausgebildet ist und die Aushöhlung 42 azimutal in zwei Teilbereiche aufteilt. Hierbei erstreckt sich der Steg 50 im Wesentlichen entlang der radialen Richtung 101. Der Steg 50 kann zur mechanischen Stabilisierung des dargestellten Rotorsegmentes 25 vorgesehen sein. Ein entsprechender Steg 50 kann zudem für die in 1 und/oder 2 dargestellten Rotoren 1 vorgesehen sein.
-
Durch den in den Figuren dargestellten Rotor 1 werden magnetische Flussfade (exemplarisch dargestellt durch die Feldlinien 104, 105) mit unterschiedlicher magnetischer Permeabilität ermöglicht, so dass das Reluktanzdrehmoment erhöht und die Induktivität der d-Achse 103 verringert wird. Weiterhin wird mittels des ersten Zwischenbereiches 81 als auch durch eine Steuerung des d- und/oder q-Stromes innerhalb der Wicklungen des Stators das magnetische Feld der Permanentmagneten 21, 22 angepasst, gesteuert und/oder geregelt. Hierbei können der d- und/oder q-Strom an das benötigte Drehmoment, die Geschwindigkeit und ein Spannungslevel der elektrischen Maschine angepasst werden. Ferner kann, beispielsweise durch die rosettenartige Ausbildung des Rotors 1 beziehungsweise der ferromagnetischen Struktur 3, das Massenträgheitsmoment des Rotors 1 verringert werden, wodurch die Leistung der elektrischen Maschine gesteigert wird. Überdies ist eine Herstellung des Rotors 1 mit einer Vielzahl bekannter Herstellungsverfahren möglich.
-
Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt oder andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102008059347 A1 [0005]
- DE 112010005756 T5 [0005]
