DE102018127127A1

DE102018127127A1 - Elektrische Maschine und Verfahren zum Betreiben der elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102018127127A1
Application number: DE102018127127.1A
Authority: DE
Inventors: Gurakuq Dajaku
Original assignee: FEAAM GmbH
Current assignee: FEAAM GmbH
Priority date: 2018-10-30
Filing date: 2018-10-30
Publication date: 2020-04-30
Anticipated expiration: 2038-10-31
Also published as: CN113597726A; DE102018127127B4; US20210384781A1; WO2020089110A1

Abstract

Es wird eine elektrische Maschine (20) mit einem Stator (21) und mit einem zum Stator (21) drehbar gelagerten Rotor (22) angegeben. Der Rotor (22) weist mindestens ein magnetisches Polpaar auf, welches zwei Magnete (23) aufweist. Außerdem weist der Rotor (22) mindestens zwei Ausnehmungen (25) aufweist, welche sich zumindest teilweise durch den Rotor (22) hindurch erstrecken, wobei die Ausnehmungen (25) an gegenüberliegenden Seiten des Rotors (22) angeordnet sind, und die Anzahl der magnetischen Polpaare des Rotors (22) verschieden von der Anzahl der im Betrieb des Rotors (22) erzeugbaren elektromagnetischen Polpaare ist. Des Weiteren wird ein Verfahren zum Betreiben der elektrischen Maschine (20) angegeben.

Description

Die vorliegende Anmeldung betrifft eine elektrische Maschine und ein Verfahren zum Betreiben der elektrischen Maschine.
Typischerweise umfassen elektrische Maschinen einen Stator und einen dazu relativ beweglichen Rotor. Elektrische Maschinen können motorisch oder generatorisch arbeiten, wobei elektrische Energie in Bewegungsenergie oder umgekehrt konvertiert wird. Im Betrieb interagiert ein Magnetfeld des Rotors mit einem Magnetfeld des Stators.
Zur Erzeugung eines Rotormagnetfeldes kann der Rotor Permanentmagnete aufweisen. Die Verwendung von Permanentmagneten hat den Vorteil, dass es viele verschiedene Möglichkeiten gibt die Permanentmagnete im Rotor anzuordnen, weshalb es mehr Möglichkeiten zur Optimierung der Effizienz der elektrischen Maschine gibt.
Allerdings machen die Permanentmagnete üblicherweise einen großen Anteil der Gesamtkosten der elektrischen Maschine aus.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, eine elektrische Maschine anzugeben, welche effizient betrieben werden kann. Eine weitere zu lösende Aufgabe besteht darin, ein effizientes Verfahren zum Betreiben der elektrischen Maschine anzugeben.
Die Aufgaben werden durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine, umfasst die elektrische Maschine einen Stator und einen zum Stator drehbar gelagerten Rotor. Der Stator kann eine Statorwicklung aufweisen. Dazu kann der Stator Nuten aufweisen, in welchen die Statorwicklung angeordnet ist. Die Statorwicklung kann an eine Leistungselektronik angeschlossen sein und dazu ausgelegt sein ein Drehfeld zu erzeugen. Bei dem Rotor kann es sich um einen Innenläufer oder einen Außenläufer handeln. Handelt es sich bei dem Rotor um einen Innenläufer, so ist eine Außenseite des Rotors dem Stator zugewandt. Der Rotor kann auf einer Welle angeordnet sein. Außerdem weist der Rotor eine Rotationsachse auf. Zwischen dem Stator und dem Rotor kann ein Luftspalt angeordnet sein.
Der Rotor weist mindestens ein magnetisches Polpaar auf, welches zwei Magnete aufweist. Bei den Magneten kann es sich um Permanentmagnete oder um Elektromagnete handeln. Die zwei Magnete können an gegenüberliegenden Seiten des Rotors angeordnet sein. Die Magnete können im Rotor angeordnet sein. Alternativ ist es möglich, dass die Magnete außen am Rotor angeordnet sind. Die Magnete weisen jeweils eine magnetische Achse auf. Die magnetische Achse verläuft parallel zur Magnetisierungsrichtung der Magnete. Das bedeutet, die magnetische Achse verbindet die beiden Pole jedes Magneten. Die magnetische Achse der Magnete kann in die gleiche Richtung zeigen.
Der Rotor weist mindestens zwei Ausnehmungen auf, welche sich zumindest teilweise durch den Rotor hindurch erstrecken. Bei den Ausnehmungen kann es sich um Hohlräume im Rotor handeln.
Der Rotor kann einen Rotorkern aufweisen, welcher ein Kernmaterial aufweist. Die Magnete können auf oder im Rotorkern angeordnet sein. Die zwei Ausnehmungen sind frei vom Kernmaterial. Bei dem Kernmaterial kann es sich um Eisen handeln.
Die Ausnehmungen können sich im Querschnitt durch den Rotor von der Außenseite des Rotors in Richtung des Mittelpunkts des Rotors erstrecken. Das bedeutet, die Ausnehmungen können direkt an den Luftspalt angrenzen. Der Querschnitt durch den Rotor erstreckt sich in einer Ebene, welche senkrecht zur Rotationsachse des Rotors verläuft. Es ist jedoch auch möglich, dass die Ausnehmungen vollständig im Rotor angeordnet sind. Die Ausnehmungen können sich gleich weit durch den Rotor erstrecken. Zum Beispiel erstrecken sich die Ausnehmungen teilweise durch den Rotorkern. Es ist weiter möglich, dass sich die Ausnehmungen vollständig durch den Rotor hindurch erstrecken. Das kann bedeuten, dass sich die Ausnehmungen bis zur Welle, auf der der Rotor angeordnet ist, erstrecken. Weiter können die Ausnehmungen die gleiche geometrische Form aufweisen. Zum Beispiel weisen die Ausnehmungen im Querschnitt die Form eines Rechtecks auf.
Die Ausnehmungen sind an gegenüberliegenden Seiten des Rotors angeordnet. Das kann bedeuten, dass die zwei Ausnehmungen um 180° verschoben zueinander entlang des Umfangs des Rotors angeordnet sind. Weiter weisen die Ausnehmungen die gleiche Haupterstreckungsrichtung auf.
Die Anzahl der magnetischen Polpaare des Rotors ist verschieden von der Anzahl der im Betrieb des Rotors erzeugbaren elektromagnetischen Polpaare. Bei den magnetischen Polpaaren eines Rotors handelt es sich um Polpaare von Magneten. Das bedeutet, ein magnetisches Polpaar wird durch zwei Magnete gebildet. Dabei können die zwei Magnete jedes Polpaars an gegenüberliegenden Seiten des Rotors angeordnet sein. Weist der Rotor beispielsweise zwei Magnete auf, so weist der Rotor insgesamt ein magnetisches Polpaar auf. Bei den im Betrieb des Rotors erzeugbaren elektromagnetischen Polpaaren handelt es sich unter anderem um die elektromagnetischen Polpaare, welche im Betrieb der elektrischen Maschine zur Erzeugung eines Drehmoments genutzt werden. Die elektromagnetischen Polpaare sind die Polpaare des Rotormagnetfelds, welches im Betrieb mit dem Magnetfeld des Stators interagiert. Die Anzahl der magnetischen Polpaare eines Rotors und die Anzahl der elektromagnetischen Polpaare eines Rotors können sich unterscheiden, wenn eine Komponente der magnetomotorischen Kraft des Rotors mit einer Ordnung von größer als 1 zur Drehmomenterzeugung genutzt wird. Die magnetomotorische Kraft des Rotors kann Komponenten unterschiedlicher harmonischer Ordnungen aufweisen. Ein anderer Ausdruck für die magnetomotorische Kraft ist die Felderregerkurve.
Weist beispielsweise die Komponente der magnetomotorischen Kraft des Rotors mit der Ordnung 3 eine von null verschiedene magnetische Flussdichte auf, so kann diese Komponente zur Drehmomenterzeugung genutzt werden. In diesem Fall weist der Rotor sechs elektromagnetische Pole oder drei elektromagnetische Polpaare auf. Zur Erzeugung der sechs elektromagnetischen Pole wird im Rotor nur ein magnetisches Polpaar benötigt. Somit ist die Anzahl der magnetischen Polpaare des Rotors verschieden von der Anzahl der im Betrieb des Rotors erzeugbaren elektromagnetischen Polpaare. Mit anderen Worten, das Magnetfeld des Rotors, welches mit einem Magnetfeld des Stators interagiert, weist sechs elektromagnetische Pole auf.
Die magnetische Flussdichte der harmonischen Komponenten der magnetomotorischen Kraft des Rotors hängt unter anderem von der geometrischen Ausdehnung der Magnete des Rotors ab. Zum Beispiel können zwei Magnete des Rotors entlang des Umfangs des Rotors angeordnet sein. In diesem Fall hängt die Flussdichte der harmonischen Komponenten der magnetomotorischen Kraft des Rotors von der Größe des Winkelbereichs ab, über welchen sich die Magnete jeweils erstrecken. Der Winkelbereich wird dabei in einem Querschnitt durch den Rotor vom Mittelpunkt des Rotors aus gemessen. Außerdem kann die Flussdichte der harmonischen Komponenten der magnetomotorischen Kraft des Rotors durch das Einbringen von nicht-magnetischem Material in den Rotor beeinflusst werden.
Der hier beschriebenen elektrischen Maschine liegt unter anderem die Idee zugrunde, dass die Magnete und die Ausnehmungen des Rotors derart angeordnet sind, dass die Flussdichte einer Komponente der magnetomotorischen Kraft des Rotors mit einer Ordnung von größer als 1 größer als die Flussdichte der Grundwelle der magnetomotorischen Kraft des Rotors ist. Außerdem liegt der hier beschriebenen elektrischen Maschine unter anderem die Idee zugrunde, dass der Rotor derart aufgebaut ist, dass die Flussdichte einer Komponente der magnetomotorischen Kraft des Rotors mit einer Ordnung von größer als 1 größer als die Flussdichte der Grundwelle der magnetomotorischen Kraft des Rotors ist.
Es ist vorteilhaft, dass die Anzahl der magnetischen Polpaare des Rotors verschieden von der Anzahl der im Betrieb des Rotors erzeugbaren elektromagnetischen Polpaare ist, da somit die Anzahl der benötigten Magnete reduziert werden kann. Handelt es sich bei den Magneten des Rotors um Permanentmagnete, so tragen diese wesentlich zu den Kosten des Rotors bei. Durch eine Verringerung der Anzahl der benötigten Magnete oder durch eine Verringerung der Größe der Magnete des Rotors können die Kosten des Rotors wesentlich gesenkt werden. Es hat sich gezeigt, dass ein hier beschriebener Rotor mit einer geringeren Gesamtmasse der Permanentmagneten des Rotors als ein Rotor, bei dem die Anzahl der magnetischen Polpaare gleich der Anzahl der elektromagnetischen Polpaare ist, bei einer ähnlichen magnetischen Flussdichte betrieben werden kann. Das Drehmoment einer elektrischen Maschine hängt direkt von der magnetischen Flussdichte ab.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine, ist die Anzahl der magnetischen Polpaare des Rotors kleiner als die Anzahl der im Betrieb des Rotors erzeugbaren elektromagnetischen Polpaare. Dies kann dadurch erreicht werden, dass eine Komponente der magnetomotorischen Kraft des Rotors mit einer Ordnung von größer als 1 zur Drehmomenterzeugung genutzt wird. Vorteilhafterweise werden somit insgesamt weniger magnetische Polpaare und damit weniger Magnete im Rotor benötigt. Dadurch können die Herstellungskosten der elektrischen Maschine reduziert werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine, sind die Magnete Permanentmagnete. Das bedeutet, die Magnete weisen ein magnetisches Material auf. Die Magnete können die Form eines Quaders aufweisen. In einem Querschnitt durch den Rotor entlang einer Ebene, welche senkrecht zur Rotationsachse verläuft, können die Magnete die Form eines Rechtecks aufweisen. Alternativ ist es möglich, dass die Magnete in einem Querschnitt durch den Rotor eine gebogene Form aufweisen. Zum Beispiel erstrecken sich die Magnete stellenweise entlang des Umfangs des Rotors. Die Magnete weisen jeweils eine magnetische Achse auf. Die magnetische Achse verläuft parallel zur Magnetisierungsrichtung der Magnete. Das bedeutet, die magnetische Achse verbindet die beiden Pole jedes Magneten. Die Verwendung von Permanentmagneten im Rotor ist vorteilhaft, da es viele Möglichkeiten zur Anordnung der Permanentmagnete und der Formgebung der Permanentmagnete gibt, so dass es viele verschiedene Möglichkeiten zur Verbesserung der Effizienz der elektrischen Maschine gibt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine, verläuft die magnetische Achse der Magnete in einem Querschnitt durch den Rotor senkrecht zu einer radialen Richtung. Der Querschnitt durch den Rotor erstreckt sich in einer Ebene, welche senkrecht zur Rotationsachse des Rotors verläuft. Die magnetischen Achsen der Magnete können im Querschnitt durch den Rotor entlang der gleichen Richtung verlaufen. Alternativ ist es möglich, dass die magnetischen Achsen der Magnete in entgegengesetzte Richtungen verlaufen. Die radiale Richtung erstreckt sich jeweils im Querschnitt durch den Rotor vom Mittelpunkt des Rotors zum jeweiligen Magneten. Die magnetische Achse der Magnete kann im Querschnitt durch den Rotor senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung der Magnete verlaufen.
Verläuft die magnetische Achse der Magnete in einem Querschnitt durch den Rotor senkrecht zu einer radialen Richtung, so kann vorteilhafterweise eine Komponente oder Komponenten der magnetomotorischen Kraft des Rotors, welche zur Drehmomenterzeugung genutzt wird, verstärkt werden und Komponenten oder eine Komponente der magnetomotorischen Kraft, welche nicht zur Drehmomenterzeugung genutzt werden, können unterdrückt werden. Dadurch kann die elektrische Maschine effizient betrieben werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine, weist der Rotor mindestens ein weiteres magnetisches Polpaar auf, welches zwei weitere Magnete aufweist. Bei den weiteren Magneten kann es sich um Permanentmagnete oder um Elektromagnete handeln. Die zwei weiteren Magnete können an gegenüberliegenden Seiten des Rotors angeordnet sein. Die weiteren Magnete können im Rotor angeordnet sein. Dabei können die weiteren Magnete jeweils in einer Ausnehmung im Rotor angeordnet sein. Alternativ ist es möglich, dass die weiteren Magnete außen am Rotor angeordnet sind. Die magnetische Achse der weiteren Magnete kann in die gleiche Richtung zeigen. Die weiteren Magnete können entlang des Umfangs des Rotors angeordnet sein. Beispielsweise weisen die weiteren Magnete die Form eines Kreissegments oder eine gebogene Form auf.
Der hier beschriebenen elektrischen Maschine liegt unter anderem die Idee zugrunde, dass die Magnete, die Ausnehmungen und die weiteren Magnete des Rotors derart angeordnet sind, dass die Flussdichte einer Komponente der magnetomotorischen Kraft des Rotors mit einer Ordnung von größer als 1 größer als die Flussdichte der Grundwelle der magnetomotorischen Kraft des Rotors ist. Da die weiteren Magnete entlang des Umfangs des Rotors angeordnet sein können, hängt die Flussdichte der harmonischen Komponenten der magnetomotorischen Kraft des Rotors von der Größe des Winkelbereichs ab, über welchen sich die weiteren Magnete jeweils erstrecken. Somit kann durch die hier beschriebene Anordnung der Magnete und der weiteren Magnete im Rotor die Effizienz der elektrischen Maschine erhöht werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine, sind die weiteren Magnete Permanentmagnete. Das bedeutet, die weiteren Magnete weisen ein magnetisches Material auf. Die weiteren Magnete können die Form eines Quaders aufweisen. In einem Querschnitt durch den Rotor entlang einer Ebene, welche senkrecht zur Rotationsachse verläuft, können die weiteren Magnete die Form eines Rechtecks aufweisen. Alternativ ist es möglich, dass die weiteren Magnete in einem Querschnitt durch den Rotor eine gebogene Form aufweisen. Zum Beispiel erstrecken sich die weiteren Magnete stellenweise entlang des Umfangs des Rotors. Die weiteren Magnete weisen jeweils eine magnetische Achse auf. Die magnetische Achse verbindet die beiden Pole jedes weiteren Magneten. Die Verwendung von Permanentmagneten im Rotor ist vorteilhaft, da es viele Möglichkeiten zur Anordnung der Permanentmagnete und der Formgebung der Permanentmagnete gibt, so dass es viele verschiedene Möglichkeiten zur Verbesserung der Effizienz der elektrischen Maschine gibt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine, ist das weitere magnetische Polpaar durch mindestens einen Elektromagneten gebildet. Das kann bedeuten, dass die weiteren Magnete jeweils durch einen elektrischen Leiter gebildet sind. Im Betrieb der elektrischen Maschine werden die elektrischen Leiter von einer Energieversorgung mit Strom versorgt. Die elektrischen Leiter können jeweils in einer Ausnehmung im Rotor angeordnet sein. Die Ausnehmungen können an den Luftspalt angrenzen. Es ist weiter möglich, dass die Ausnehmungen vollständig im Rotor angeordnet sind. Die elektrischen Leiter können jeweils ein elektrisch leitfähiges Material aufweisen. Zum Beispiel sind die elektrischen Leiter jeweils durch einen Stab oder einen Draht gebildet. Es ist weiter möglich, dass es sich bei dem Elektromagneten um eine Spule handelt. Dabei können eine oder mehrere Windungen der Spule in den Ausnehmungen angeordnet sein. Die zwei elektrischen Leiter des weiteren magnetischen Polpaars können an gegenüberliegenden Seiten des Rotors angeordnet sein. Das kann bedeuten, dass die zwei elektrischen Leiter des weiteren magnetischen Polpaars um 180° verschoben zueinander entlang des Umfangs des Rotors angeordnet sind. Alternativ ist es möglich, dass die zwei elektrischen Leiter des weiteren magnetischen Polpaars weniger als 180° verschoben zueinander entlang des Umfangs des Rotors angeordnet sind. Beispielsweise sind die zwei elektrischen Leiter des weiteren magnetischen Polpaars um weniger als 120° verschoben zueinander entlang des Umfangs des Rotors angeordnet.
Durch die Verwendung von mindestens einem Elektromagneten kann die elektrische Maschine flexibler betrieben werden. Durch das Einstellen der Richtung des elektrischen Stroms zur Versorgung der elektrischen Leiter kann die magnetische Achse der weiteren Magnete eingestellt werden. Durch eine Änderung der Richtung des elektrischen Stroms zur Versorgung der elektrischen Leiter wird die magnetische Achse der weiteren Magnete um 180° gedreht. Mit den weiteren Magneten können somit einzelne Komponenten der magnetomotorischen Kraft des Rotors verstärkt oder kompensiert werden durch eine Überlagerung der Magnetfelder der Magnete und der weiteren Magnete. Eine Verstärkung einer Komponente der magnetomotorischen Kraft kann vorteilhaft sein, wenn diese Komponente zur Drehmomenterzeugung genutzt wird. Eine Kompensation oder Abschwächung einer Komponente der magnetomotorischen Kraft kann vorteilhaft sein, wenn diese nicht zur Drehmomenterzeugung genutzt wird.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine, zeigt die magnetische Achse der Magnete in die entgegengesetzte Richtung im Vergleich zur magnetischen Achse der weiteren Magnete. Das bedeutet, dass die magnetische Achse der Magnete einen Winkel von 180° mit der magnetischen Achse der weiteren Magnete einschließt. Bei dieser Anordnung kann vorteilhafterweise eine Komponente oder Komponenten der magnetomotorischen Kraft des Rotors, welche zur Drehmomenterzeugung genutzt wird, verstärkt werden und Komponenten oder eine Komponente der magnetomotorischen Kraft, welche nicht zur Drehmomenterzeugung genutzt werden, können unterdrückt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine, verläuft die magnetische Achse der Magnete in einem Querschnitt durch den Rotor senkrecht zu einer radialen Richtung und die magnetische Achse der weiteren Magnete verläuft in einem Querschnitt durch den Rotor nicht senkrecht zu einer radialen Richtung. Beispielsweise verläuft die magnetische Achse der weiteren Magnete parallel zu einer radialen Richtung in einem Querschnitt durch den Rotor. Das bedeutet, die magnetische Achse der Magnete und die magnetische Achse der weiteren Magnete können parallel oder antiparallel zueinander verlaufen. Bei dieser Anordnung der Magnete und der weiteren Magnete kann vorteilhafterweise eine Komponente oder Komponenten der magnetomotorischen Kraft des Rotors, welche zur Drehmomenterzeugung genutzt wird, verstärkt werden und Komponenten oder eine Komponente der magnetomotorischen Kraft, welche nicht zur Drehmomenterzeugung genutzt werden, können unterdrückt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine, ist die Ausdehnung der Magnete oder der weiteren Magnete entlang des Umfangs des Rotors jeweils größer als 180 elektrische Grad. Es ist weiter möglich, dass die Ausdehnung der Magnete oder der weiteren Magnete entlang des Umfangs des Rotors jeweils kleiner als 180 elektrische Grad ist. Die Ausdehnung der Magnete oder der weiteren Magnete entlang des Umfangs des Rotors bezeichnet die Erstreckung der Magnete oder der weiteren Magnete entlang des Umfangs des Rotors. Zum Beispiel können sich die Magnete oder die weiteren Magnete im Querschnitt durch den Rotor über einen Winkelbereich von 60° entlang des Umfangs des Rotors erstrecken. Die Ausdehnung der Magnete oder der weiteren Magnete entlang des Umfangs des Rotors bezieht sich somit auf die geometrische Anordnung der Magnete oder der weiteren Magnete.
Die elektrischen Grad beziehen sich auf das Magnetfeld des Rotors. Weist das Magnetfeld des Rotors zwei magnetische Pole auf, so entsprechen 360 elektrische Grad 360 geometrischen Grad. Weist das Magnetfeld des Rotors sechs magnetische Pole auf, so entsprechen 360 elektrische Grad 120 geometrischen Grad. Das bedeutet, dass die magnetische Flussdichte des Magnetfelds des Rotors entlang des Umfangs des Rotors drei Maxima und drei Minima aufweist. Sind die Magnete oder die weiteren Magnete entlang des Umfangs des Rotors angeordnet oder erstrecken sich die Magnete oder die weiteren Magnete entlang des Umfangs des Rotors, so kann die geometrische Ausdehnung der Magnete oder weiteren Magnete mehr als 180 elektrischen Grad entsprechen. Alternativ kann die geometrische Ausdehnung der Magnete oder der weiteren Magnete weniger als 180 elektrischen Grad entsprechen. Dies wird dadurch ermöglicht, dass die Anzahl der magnetischen Polpaare des Rotors kleiner als die Anzahl der im Betrieb des Rotors erzeugbaren elektromagnetischen Polpaare ist. Es kann vorteilhaft sein die Ausdehnung der Magnete oder der weiteren Magnete entlang Umfangs des Rotors jeweils größer oder kleiner als 180 elektrische Grad zu wählen, da über die Ausdehnung der Magnete oder weiteren Magnete entlang des Umfangs des Rotors die magnetische Flussdichte einer oder mehrerer Komponenten der magnetomotorischen Kraft des Rotors gezielt geändert werden kann.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine, erstrecken sich die zwei Ausnehmungen in einem Querschnitt durch den Rotor parallel zu einer radialen Richtung zumindest teilweise durch den Rotor hindurch. Im Querschnitt durch den Rotor erstreckt sich die radiale Richtung vom Mittelpunkt des Rotors bis zu einer Außenseite des Rotors. Die Außenseite kann die dem Luftspalt zugewandte Seite sein. Jede der zwei Ausnehmungen erstreckt sich parallel zu einer radialen Richtung. Die Ausnehmungen dienen dazu die magnetomotorische Kraft des Rotors zu beeinflussen. Beispielsweise kann durch das Einbringen der Ausnehmungen in den Rotor die magnetische Flussdichte von Komponenten der magnetomotorischen Kraft des Rotors beeinflusst werden. Somit können zum Beispiel Komponenten unterdrückt oder verstärkt werden. Dies ermöglicht die Nutzung einer Komponente der magnetomotorischen Kraft des Rotors mit einer Ordnung von größer als 1 zur Drehmomenterzeugung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine, sind die Magnete in jeweils einer der Ausnehmungen des Rotors angeordnet. Das kann bedeuten, dass jeder Magnet in einer Ausnehmung des Rotors angeordnet ist. Die Ausnehmungen können jeweils direkt an den Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator angrenzen. Die Magnete in den Ausnehmungen können die Ausnehmungen teilweise oder vollständig ausfüllen. Für einen derartigen Rotor kann die Komponente der magnetomotorischen Kraft des Rotors mit der Ordnung 3 eine größere Flussdichte als die Grundwelle aufweisen. Dies ist vorteilhaft für eine Nutzung dieser Komponente zur Drehmomenterzeugung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine, ist in den Ausnehmungen ein Isolationsmaterial angeordnet, welches nicht magnetisch ist. Das Isolationsmaterial kann elektrisch und oder magnetisch isolierend sein. Das Isolationsmaterial kann die Ausnehmungen vollständig ausfüllen. Zum Beispiel weist das Isolationsmaterial Luft auf.
Die Ausnehmungen mit dem Isolationsmaterial können als magnetische Flussbarrieren wirken. Dadurch kann die magnetische Flussdichte von Komponenten der magnetomotorischen Kraft des Rotors verringert werden. Ist beispielsweise eine der Komponenten der magnetomotorischen Kraft des Rotors unerwünscht, da diese nicht zur Drehmomenterzeugung genutzt wird, so ist es vorteilhaft die magnetische Flussdichte dieser Komponente zu reduzieren. Eine hohe magnetische Flussdichte von Komponenten, welche nicht zur Drehmomenterzeugung genutzt werden, kann zu Verlusten in der elektrischen Maschine, lauter Geräuschentwicklung und einer Sättigung des Rotorkerns führen. Insbesondere die Breite der Ausnehmungen mit dem Isolationsmaterial entlang des Umfangs des Rotors hat einen Einfluss auf die magnetische Flussdichte von Komponenten der magnetomotorischen Kraft.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine, verläuft die Haupterstreckungsrichtung der Magnete in einem Querschnitt durch den Rotor in einer radialen Richtung. Weiter ist es möglich, dass die Haupterstreckungsrichtung der weiteren Magnete in einem Querschnitt durch den Rotor in einer radialen Richtung verläuft. Der Querschnitt verläuft in einer Ebene, welche senkrecht zur Rotationsachse des Rotors verläuft. Somit erstrecken sich die Magnete oder die weiteren Magnete entlang der radialen Richtung. Das bedeutet, die Magnete können die gleiche Haupterstreckungsrichtung aufweisen. Die weiteren Magnete können ebenfalls die gleiche Haupterstreckungsrichtung aufweisen. Die Haupterstreckungsrichtung der Magnete kann verschieden von der Haupterstreckungsrichtung der weiteren Magnete sein. Dabei können die Magnete um 180° verschoben zueinander entlang des Umfangs des Rotors angeordnet sein. Die weiteren Magnete können auch 180° verschoben zueinander entlang des Umfangs des Rotors angeordnet sein. Die Magnete oder die weiteren Magnete können gemäß dieser Ausführungsform in den Ausnehmungen des Rotors angeordnet sein. Für einen derartigen Rotor kann die Komponente der magnetomotorischen Kraft des Rotors mit der Ordnung 3 eine größere Flussdichte als die Grundwelle aufweisen. Dies ist vorteilhaft für eine Nutzung dieser Komponente zur Drehmomenterzeugung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine, verläuft die Haupterstreckungsrichtung der Magnete oder der weiteren Magnete in einem Querschnitt durch den Rotor senkrecht zu einer radialen Richtung. Bei der Haupterstreckungsrichtung der Magnete oder weiteren Magnete handelt es sich um die Haupterstreckungsrichtung im Querschnitt durch den Rotor. Weisen die Magnete oder die weiteren Magnete im Querschnitt durch den Rotor die Form eines Rechtecks auf, so verläuft die Haupterstreckungsrichtung der Magnete oder der weiteren Magnete entlang der längeren Seite des Rechtecks. Im Querschnitt durch den Rotor können die Magnete und die weiteren Magnete die gleiche Haupterstreckungsrichtung aufweisen. Dabei kann die Haupterstreckungsrichtung der Magnete parallel zur radialen Richtung verlaufen und die Haupterstreckungsrichtung der weiteren Magnete kann senkrecht zur radialen Richtung verlaufen. Dabei bezieht sich die radiale Richtung auf die Position, an der der jeweilige Magnet angeordnet ist. Das kann bedeuten, dass die radiale Richtung für die Magnete verschieden von der radialen Richtung für die weiteren Magnete ist. Es ist alternativ möglich, dass die Haupterstreckungsrichtung der Magnete senkrecht zur radialen Richtung verläuft und dass die Haupterstreckungsrichtung der weiteren Magnete parallel zur radialen Richtung verläuft.
Verläuft die Haupterstreckungsrichtung der Magnete oder der weiteren Magnete in einem Querschnitt durch den Rotor senkrecht zur radialen Richtung, so können die Magnete und die weiteren Magnete die gleiche Haupterstreckungsrichtung im Querschnitt durch den Rotor aufweisen. Dies ermöglicht vorteilhafterweise, dass eine Komponente oder Komponenten der magnetomotorischen Kraft des Rotors, welche zur Drehmomenterzeugung genutzt wird oder werden, verstärkt wird oder werden und dass eine Komponente oder Komponenten der magnetomotorischen Kraft, welche nicht zur Drehmomenterzeugung genutzt wird oder werden, unterdrückt wird oder werden. Dadurch kann die elektrische Maschine effizient betrieben werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine, weist die elektrische Maschine mindestens einen weiteren Rotor auf, wobei der Rotor und der weitere Rotor entlang einer Achse angeordnet und um einen Winkel von mindestens 45 elektrischen Grad zueinander verdreht sind. Der weitere Rotor kann einen wie für den Rotor der elektrischen Maschine beschriebenen Aufbau aufweisen. Dabei können der Rotor und der weitere Rotor den gleichen oder einen unterschiedlichen Aufbau aufweisen. Der Rotor und der weitere Rotor können auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sein. Dabei verläuft die Achse, entlang welcher der Rotor und der weitere Rotor angeordnet sind, entlang der Welle. Dass der Rotor und der weitere Rotor um einen Winkel von mindestens 45 elektrischen Grad zueinander verdreht sind, kann bedeuten, dass eine Symmetrieachse des Rotors nicht parallel zu einer Symmetrieachse des weiteren Rotors verläuft. Vorteilhafterweise können somit Ungleichmäßigkeiten im Aufbau des Rotors durch den weiteren Rotor ausgeglichen werden und damit kann die elektrische Maschine insgesamt effizienter betrieben werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine, weist die elektrische Maschine mindestens einen weiteren Rotor auf, der wie der Rotor aufgebaut ist, wobei der Rotor und der weitere Rotor entlang einer Achse angeordnet und um einen Winkel von mindestens 45 elektrischen Grad zueinander verdreht sind. Das bedeutet, der Rotor und der weitere Rotor weisen den gleichen Aufbau auf. Der Rotor und der weitere Rotor können auf einer gemeinsamen Welle angeordnet sein. Dabei verläuft die Achse, entlang welcher der Rotor und der weitere Rotor angeordnet sind, entlang der Welle. Der Rotor und der weitere Rotor können beabstandet zueinander angeordnet sein. Dass der Rotor und der weitere Rotor um einen Winkel von mindestens 45 elektrischen Grad zueinander verdreht sind, kann bedeuten, dass eine Symmetrieachse des Rotors nicht parallel zu einer Symmetrieachse des weiteren Rotors verläuft. Die zwei Ausnehmungen des Rotors können sich entlang einer ersten Achse erstrecken. Die zwei Ausnehmungen des weiteren Rotors können sich entlang einer zweiten Achse erstrecken. Die erste Achse und die zweite Achse schließen einen Winkel von größer als 0° miteinander ein. Der Winkel zwischen der ersten Achse und der zweiten Achse kann vom Aufbau des Rotors und des zweiten Rotors abhängen. Weisen der Rotor und der weitere Rotor jeweils vier im Betrieb erzeugbare elektromagnetische Polpaare auf, so können die erste Achse und die zweite Achse einen Winkel von 180° einschließen. Das bedeutet, der Rotor und der weitere Rotor können um einen Winkel von 180° zueinander verdreht sein. Der Winkel von 180° entspricht in diesem Fall einem Winkel von 360 elektrischen Grad. Das bedeutet, der Rotor und der weitere Rotor können um einen Winkel von 360 elektrischen Grad zueinander verdreht sein. Bei einer Verdrehung um einen Winkel von 360 Grad können Unregelmäßigkeiten im Aufbau des Rotors oder ein unsymmetrischer Aufbau des Rotors durch den weiteren Rotor kompensiert werden. Daher kann die elektrische Maschine effizient betrieben werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine, weist die elektrische Maschine mindestens zwei weitere Rotoren auf, die wie der Rotor aufgebaut sind, wobei der Rotor und die weiteren Rotoren entlang einer Achse angeordnet und um einen Winkel von mindestens 45 elektrischen Grad zueinander verdreht sind. Die zwei Ausnehmungen des Rotors können sich entlang einer ersten Achse erstrecken. Die zwei Ausnehmungen des ersten weiteren Rotors können sich entlang einer zweiten Achse erstrecken. Die zwei Ausnehmungen des zweiten weiteren Rotors können sich entlang einer dritten Achse erstrecken. Weisen der Rotor und die weiteren Rotoren jeweils sechs im Betrieb erzeugbare elektromagnetische Polpaare auf, so können die erste Achse, die zweite Achse und die dritte Achse jeweils einen Winkel von 120° einschließen. Das bedeutet, der Rotor und die weiteren Rotoren können um einen Winkel von jeweils 120° zueinander verdreht sein. Der Winkel von 120° entspricht in diesem Fall einem Winkel von 360 elektrischen Grad.
Es ist weiter möglich, dass die elektrische Maschine bei einer größeren Anzahl von elektromagnetischen Polpaaren mehrere weitere Rotoren aufweist.
Da die Anzahl der im Betrieb des Rotors oder der weiteren Rotoren erzeugbaren elektromagnetischen Polpaare größer als die Anzahl der magnetischen Polpaare des jeweiligen Rotors sein kann, kann eine im Betrieb durch den Stator induzierte magnetische Flussdichte in verschiedene Materialien der Rotoren eindringen. Das bedeutet, die Magnetfeldlinien der verschiedenen magnetischen Pole können sich über verschiedene Bereiche der Rotoren erstrecken. Der Rotor und der weitere Rotor weisen jeweils Magnete und einen Rotorkern auf. Somit ist es möglich, dass die Magnetfeldlinien eines Pols in der Nähe des Luftspalts lediglich in den Rotorkern eindringen. Magnetfeldlinien eines anderen Pols können in der Nähe des Luftspalts sowohl in den Rotorkern als auch in einen der Magneten eindringen. Um die Ungleichheit zwischen den verschiedenen Polen auszugleichen, weist die elektrische Maschine einen Rotor und mindestens einen weiteren Rotor auf. Dabei sind der Rotor und der mindestens eine weitere Rotor zueinander verdreht, so dass sich die Magnetfeldlinien insgesamt durch gleiche Materialien erstrecken.
Des Weiteren wird ein Verfahren zum Betreiben der hier beschriebenen elektrischen Maschine angegeben. Somit sind alle Merkmale der beschriebenen elektrischen Maschine auch für das Verfahren zum Betreiben der elektrischen Maschine offenbart und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben der elektrischen Maschine, wird eine Komponente der magnetomotorischen Kraft des Rotors mit einer Ordnung von größer als 1 zur Drehmomenterzeugung genutzt. Das bedeutet, dass die Komponente der magnetomotorischen Kraft des Rotors mit der Ordnung 1, welche als Grundwelle bezeichnet wird, nicht zur Drehmomenterzeugung genutzt wird. Stattdessen wird eine höhere Harmonische der magnetomotorischen Kraft des Rotors zur Drehmomenterzeugung genutzt. Das bedeutet, dass im Betrieb der elektrischen Maschine eine Komponente der magnetomotorischen Kraft des Rotors mit einer Ordnung von größer als 1 zur Drehmomenterzeugung mit dem Magnetfeld des Stators interagiert. Somit ist die Anzahl der magnetischen Polpaare des Rotors kleiner als die Anzahl der im Betrieb des Rotors erzeugbaren elektromagnetischen Polpaare. Die Magnete und die weiteren Magnete können dazu derart im Rotor angeordnet sein, dass die Flussdichte für die Komponente der magnetomotorischen Kraft des Rotors, welche zur Drehmomenterzeugung genutzt wird, maximiert wird. Vorteilhafterweise kann ebenfalls die Flussdichte von Komponenten der magnetomotorischen Kraft des Rotors, welche nicht zur Drehmomenterzeugung genutzt werden, minimiert werden. Dies ermöglicht einen effizienten Betrieb der elektrischen Maschine.
Im Folgenden werden die hier beschriebene elektrische Maschine und das Verfahren zum Betreiben der elektrischen Maschine in Verbindung mit Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert.

Die 1A und 1B zeigen beispielhaft einen schematischen Querschnitt durch einen Rotor.
2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine elektrische Maschine gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Mit den 3A, 3B, 4A, und 4B wird beispielhaft eine elektrische Maschine beschrieben.
Mit den 5A und 5B wird beispielhaft eine weitere elektrische Maschine beschrieben.
In den 6A und 6B ist beispielhaft die magnetische Flussdichte für zwei elektrische Maschinen aufgetragen.
Mit den 7A, 7B, 8A und 8B wird beispielhaft eine weitere elektrische Maschine beschrieben.
In den 9, 10A und 10B ist ein schematischer Querschnitt durch eine elektrische Maschine gemäß einem Ausführungsbeispiel gezeigt.
In den 11A und 11B ist die magnetische Flussdichte für zwei elektrische Maschinen und eine elektrische Maschine gemäß einem Ausführungsbeispiel aufgetragen.
In 12A ist beispielhaft ein Querschnitt durch eine weitere elektrische Maschine gezeigt.
In 12B ist ein schematischer Querschnitt durch eine elektrische Maschine gemäß einem Ausführungsbeispiel gezeigt.
In 12C ist die Verteilung der magnetischen Flussdichte in der in 12A gezeigten elektrischen Maschine dargestellt.
In 12D ist die Verteilung der magnetischen Flussdichte in dem in 12B gezeigten Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine dargestellt.
In den 12E und 12F ist die magnetische Flussdichte für eine elektrische Maschine und eine elektrische Maschine gemäß einem Ausführungsbeispiel aufgetragen.
In 13A ist ein beispielhaft ein Querschnitt durch einen Rotor gezeigt.
Die 13B und 13C zeigen jeweils einen Querschnitt durch einen Rotor gemäß einem Ausführungsbeispiel.
Die 14A, 14B, 14C, 14D, 15A, 15B, 16A, 16B, 17A, 17B, 17C, 17D, 17E und 17F zeigen jeweils einen Querschnitt durch eine elektrische Maschine gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele.
In 18A ist ein schematischer Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel der elektrischen Maschine gezeigt.
In 18B ist ein schematischer Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel der elektrischen Maschine gezeigt.
In 19A ist die magnetische Flussdichte in der in 18A gezeigten elektrischen Maschine dargestellt.
In 19B ist die magnetische Flussdichte der in 18B gezeigten elektrischen Maschine dargestellt.
In den 20A, 20B, 21A und 21B ist die magnetische Flussdichte für elektrische Maschinen gemäß verschiedener Ausführungsbeispiele aufgetragen.
Mit den 22A, 22B, 22C, 22D, 23A und 23B wird ein weiteres Ausführungsbeispiel der elektrischen Maschine mit zwei weiteren Rotoren beschrieben.
Mit den 24A und 24B wird ein weiteres Ausführungsbeispiel der elektrischen Maschine mit einem weiteren Rotor beschrieben.

In 1A ist beispielhaft ein schematischer Querschnitt durch einen Rotor 22 gezeigt. Bei dem Rotor 22 handelt es sich nicht um ein Ausführungsbeispiel. Der Rotor 22 weist vier Permanentmagnete 28 auf, welche im Rotor 22 angeordnet sind.
In 1B ist beispielhaft ein schematischer Querschnitt durch einen weiteren Rotor 22 gezeigt. Bei dem Rotor 22 handelt es sich nicht um ein Ausführungsbeispiel. Der Rotor 22 weist vier Permanentmagnete 28 auf, welche an einer Außenseite 29 des Rotors 22 angeordnet sind. Mittels einer Halterung 30 werden die Permanentmagnete 28 auch bei hohen Drehgeschwindigkeiten des Rotors 22 am Rotor 22 gehalten. Die Verwendung von Permanentmagneten 28 für einen Rotor 22 erlaubt eine große Anzahl von Möglichkeiten der Anordnung der Permanentmagnete 28 am oder im Rotor 22.
In 2 ist ein schematischer Querschnitt durch eine elektrische Maschine 20 gemäß einem Ausführungsbeispiel gezeigt. Die elektrische Maschine 20 weist einen Stator 21 und einen zum Stator 21 drehbar gelagerten Rotor 22 auf. Bei dem Rotor 22 handelt es sich um einen Innenläufer, welcher im Stator 21 angeordnet ist. Das bedeutet, im gezeigten Querschnitt umgibt der Stator 21 den Rotor 22 vollständig.
Der Stator 21 weist eine Vielzahl von Nuten 31 auf. Die Nuten 31 sind im Stator 21 angeordnet. In den Nuten 31 ist eine Statorwicklung 32 angeordnet. Die Statorwicklung 32 kann Spulen aufweisen, welche um Zähne 33 des Stators 21 gewickelt sind, wobei die Zähne 33 zwischen jeweils zwei Nuten 31 angeordnet sind. Die Statorwicklung 32 weist ein elektrisch leitfähiges Material auf. Alternativ kann die Statorwicklung 32 elektrisch leitfähige Stäbe aufweisen, welche in den Nuten 31 angeordnet sind. Zwischen dem Stator 21 und dem Rotor 22 ist ein Luftspalt 26 angeordnet. Die Nuten 31 grenzen direkt an den Luftspalt 26 an.
Der Rotor 22 weist ein magnetisches Polpaar auf, welches zwei Magnete 23 aufweist. Die Magnete 23 sind jeweils in einer Ausnehmung 25 im Rotor 22 angeordnet. Dabei erstrecken sich die Ausnehmungen 25 vom Luftspalt 26 bis zu einer Welle 34, auf welcher der Rotor 22 angeordnet ist. Das bedeutet, die Ausnehmungen 25 erstrecken sich im Querschnitt durch den Rotor 22 parallel zu einer radialen Richtung. Jede radiale Richtung erstreckt sich vom Mittelpunkt des Rotors 22 in Richtung des Luftspalts 26. Der Rotor 22 weist einen Rotorkern 35 auf. Die Ausnehmungen 25 erstrecken sich vollständig durch den Rotorkern 35.
Außerdem sind die zwei Ausnehmungen 25 um 180° verschoben zueinander entlang des Umfangs des Rotors 22 angeordnet. Das bedeutet, dass die zwei Ausnehmungen 25 an gegenüberliegenden Seiten im Rotor 22 angeordnet sind. Da die Magnete 23 in den Ausnehmungen 25 angeordnet sind, verläuft die Haupterstreckungsrichtung der Magnete 23 im Querschnitt durch den Rotor 22 in einer radialen Richtung. Die Magnete 23 füllen die Ausnehmungen 25 jeweils vollständig aus. Bei den Magneten 23 handelt es sich jeweils um einen Permanentmagneten. Mit Pfeilen ist die magnetische Achse der Magnete 23 dargestellt. Die magnetische Achse der Magnete 23 verläuft im Querschnitt durch den Rotor 22 senkrecht zu einer radialen Richtung. Die magnetische Achse der beiden Magnete 23 verläuft in die gleiche Richtung. Entlang des Umfangs des Rotors 22 erstrecken sich die Magnete 23 über einen Bereich von weniger als 60°.
Der Rotor 22 weist außerdem ein weiteres magnetisches Polpaar auf, welches zwei weitere Magnete 24 aufweist. Die weiteren Magnete 24 sind jeweils in einer Ausnehmung 25 im Rotor 22 angeordnet. Die Ausnehmungen 25 grenzen direkt an den Luftspalt 26 an. Die Ausnehmungen 25 erstrecken sich vom Luftspalt 26 her in den Rotor 22. Das bedeutet, die Ausnehmungen 25 sind im Rotorkern 35 angeordnet. Die Ausnehmungen 25, in welchen die weiteren Magnete 24 angeordnet sind, erstrecken sich weniger weit durch den Rotor 22 als die Ausnehmungen 25, in welchen die Magnete 23 angeordnet sind.
Die Ausnehmungen 25, in welchen die weiteren Magnete 24 angeordnet sind, erstrecken sich jeweils über einen Bereich von mindestens 30° entlang des Umfangs des Rotors 22. Zum Beispiel erstrecken sich die Ausnehmungen 25, in welchen die weiteren Magnete 24 angeordnet sind, über einen Bereich von mindestens 50° entlang des Umfangs des Rotors 22. Bevorzugt erstrecken sich die Ausnehmungen 25, in welchen die weiteren Magnete 24 angeordnet sind, über einen Bereich von 60° entlang des Umfangs des Rotors 22. Die Ausnehmungen 25, in welchen die weiteren Magnete 24 angeordnet sind, sind um 180° verschoben zueinander entlang des Umfangs des Rotors 22 angeordnet. Das bedeutet, dass die weiteren Magnete 24 an gegenüberliegenden Seiten des Rotors 22 angeordnet sind.
Die weiteren Magnete 24 füllen die Ausnehmungen 25 jeweils teilweise aus. Die weiteren Magnete 24 erstrecken sich entlang des Umfangs des Rotors 22. Das bedeutet, die weiteren Magnete 24 weisen jeweils die Form eines Kreissegments auf. Somit weisen die weiteren Magnete 24 eine gebogene Form auf.
Bei den weiteren Magneten 24 handelt es sich jeweils um einen Permanentmagneten. Mit Pfeilen ist die magnetische Achse der weiteren Magnete 24 dargestellt. Die magnetische Achse der weiteren Magnete 24 verläuft im Querschnitt durch den Rotor 22 parallel zu einer radialen Richtung. Die magnetische Achse der beiden weiteren Magnete 24 verläuft in die gleiche Richtung. Das bedeutet, die magnetische Achse eines weiteren Magneten 24 zeigt zum Mittelpunkt des Rotors 22 und die magnetische Achse des anderen weiteren Magneten 24 zeigt in Richtung des Luftspalts 26. Die magnetische Achse der Magnete 23 zeigt in die entgegengesetzte Richtung im Vergleich zur magnetischen Achse der weiteren Magnete 24. Somit schließen die magnetische Achse der Magnete 23 und die magnetische Achse der weiteren Magnete 24 einen Winkel von 180° ein.
Die Anzahl der magnetischen Polpaare des Rotors 22 beträgt somit 2. Die Anzahl der im Betrieb des Rotors 22 erzeugbaren elektromagnetischen Polpaare beträgt 3. Daher ist die Anzahl der magnetischen Polpaare des Rotors 22 verschieden von der Anzahl der im Betrieb des Rotors 22 erzeugbaren elektromagnetischen Polpaare. Die im Betrieb des Rotors 22 erzeugbaren elektromagnetischen Polpaare werden in den folgenden Figuren genauer beschrieben.
In 3A ist beispielhaft ein schematischer Querschnitt durch eine elektrische Maschine 20 gezeigt. Bei der elektrischen Maschine 20 handelt es sich nicht um ein Ausführungsbeispiel. Im Vergleich zu dem in 2 gezeigten Rotor 22 weist der Rotor 22 der elektrischen Maschine 20 in 3A nur die weiteren Magnete 24 auf. Der Rotor 22 weist keine Ausnehmungen 25 auf, in welchen Magnete 23 angeordnet sind. Die weiteren Magnete 24 erstrecken sich jeweils über einen Winkel von 60° entlang des Umfangs des Rotors 22.
In 3B ist die Verteilung der simulierten magnetischen Flussdichte in dem in 3A gezeigten Querschnitt dargestellt. Das Magnetfeld des Rotors 22 weist zwei magnetische Pole auf.
In 4A ist die simulierte magnetische Flussdichte im Luftspalt 26 für die in 3A gezeigte elektrische Maschine 20 dargestellt. Auf der x-Achse ist der Winkel entlang des Luftspalts 26 in Radiant aufgetragen. Die Position des Winkels von 0° ist in 3A mit einem x markiert. Auf der y-Achse ist die magnetische Flussdichte in Tesla aufgetragen. Das Magnetfeld im Luftspalt 26 weist somit zwei elektromagnetische Pole auf.
In 4B sind die simulierten harmonischen Komponenten der magnetischen Flussdichte im Luftspalt 26 der in 3A dargestellten elektrischen Maschine 20 aufgetragen. Auf der x-Achse ist die Ordnung der Komponenten aufgetragen. Auf der y-Achse ist die magnetische Flussdichte auf 1 normiert aufgetragen. Die Komponente der Ordnung 1 weist die größte Flussdichte auf. Außerdem weist die Komponente der Ordnung 3 eine Flussdichte von über 0,6 auf. Es hat sich gezeigt, dass die Flussdichte der Komponente der Ordnung 3 maximal ist, wenn die weiteren Magnete 24 sich jeweils über einen Winkel von 60° entlang des Umfangs des Rotors 22 erstrecken. Wird die die Komponente der Ordnung 3 zur Drehmomenterzeugung genutzt, so weist der Rotor 22 drei elektromagnetische Polpaare auf. Da die magnetische Flussdichte der Komponente der Ordnung 1 jedoch größer als die magnetische Flussdichte der Komponente der Ordnung 3 ist, ist die Effizienz der elektrischen Maschine 20 reduziert. Die relativ hohe magnetische Flussdichte der Komponente der Ordnung 1, welche nicht zur Drehmomenterzeugung genutzt wird, führt zu Verlusten im Stator 21, hoher Geräuschentwicklung und einer Sättigung des Rotorkerns 35.
In 5A ist beispielhaft ein schematischer Querschnitt durch eine weitere elektrische Maschine 20 gezeigt. Bei der elektrischen Maschine 20 handelt es sich nicht um ein Ausführungsbeispiel. Im Vergleich zu dem in 3A gezeigten Rotor 22, weist der Rotor 22 der in 5A gezeigten elektrischen Maschine 20 zusätzlich zwei Ausnehmungen 25 auf. Die Ausnehmungen 25 sind wie die in 2 gezeigten Ausnehmungen 25 angeordnet, in welchen in 2 die Magnete 23 angeordnet sind. Die Ausnehmungen 25 in 5A sind frei vom Material des Rotorkerns 35. In den Ausnehmungen 25 ist ein Isolationsmaterial 27 angeordnet, welches nicht magnetisch ist. Zum Beispiel befindet sich in den Ausnehmungen 25 Luft.
In 5B ist die Verteilung der simulierten magnetischen Flussdichte in dem in 5A gezeigten Querschnitt dargestellt. Die Ausnehmungen 25 wirken als Flussbarriere, so dass das Magnetfeld des Rotors 22 sechs elektromagnetische Pole aufweist.
In 6A ist die simulierte magnetische Flussdichte im Luftspalt 26 für die in 3A gezeigte elektrische Maschine 20 mit einer durchgezogenen Linie und für die in 5A gezeigte elektrische Maschine 20 mit einer gestrichelten Linie dargestellt. Auf der x-Achse ist der Winkel entlang des Luftspalts 26 in Radiant aufgetragen. Auf der y-Achse ist die magnetische Flussdichte in Tesla aufgetragen. Das Magnetfeld der in 5A gezeigten elektrischen Maschine 20 weist im Luftspalt 26 sechs elektromagnetische Pole auf. Das Magnetfeld der in 3A gezeigten elektrischen Maschine 20 weist im Luftspalt 26 lediglich zwei elektromagnetische Pole auf.
In 6B sind die simulierten harmonischen Komponenten der magnetischen Flussdichte im Luftspalt 26 der in 3A dargestellten elektrischen Maschine 20 mit schwarzen Balken und der in 5A dargestellten elektrischen Maschine 20 mit weißen Balken aufgetragen. Auf der x-Achse ist die Ordnung der Komponenten aufgetragen. Auf der y-Achse ist die magnetische Flussdichte auf 1 normiert aufgetragen. Im Vergleich zu der in 3A gezeigten elektrischen Maschine 20 ist die Flussdichte der Komponente der Ordnung 3 für die in 5A gezeigte elektrische Maschine 20 wesentlich erhöht. Außerdem ist für die elektrische Maschine 20 aus 5A die Flussdichte der Komponente der Ordnung 1 wesentlich geringer als die Flussdichte der Komponente der Ordnung 3. Somit führt das Einbringen der Ausnehmungen 25 zu einer relativen Verringerung der Flussdichte der Komponente der Ordnung 1 und zu einer relativen Erhöhung der Flussdichte der Komponente der Ordnung 3. Daher kann die Komponente der magnetomotorischen Kraft des Rotors 22 mit der Ordnung 3 effizienter zur Drehmomenterzeugung genutzt werden.
In 7A ist beispielhaft ein schematischer Querschnitt durch eine weitere elektrische Maschine 20 gezeigt. Bei der elektrischen Maschine 20 handelt es sich nicht um ein Ausführungsbeispiel. Im Vergleich zu dem in 2 gezeigten Rotor 22, sind im Rotor 22 der in 7A gezeigten elektrischen Maschine 20 keine weiteren Magnete 24 in den Ausnehmungen 25 angeordnet. In den Ausnehmungen 25 kann sich Luft befinden.
In 7B ist die Verteilung der simulierten magnetischen Flussdichte in dem in 7A gezeigten Querschnitt dargestellt. Das Magnetfeld des Rotors 22 weist sechs elektromagnetische Pole auf.
In 8A ist die simulierte magnetische Flussdichte im Luftspalt 26 für die in 7A gezeigte elektrische Maschine 20 dargestellt. Auf der x-Achse ist der Winkel entlang des Luftspalts 26 in Radiant aufgetragen. Auf der y-Achse ist die magnetische Flussdichte in Tesla aufgetragen. Das Magnetfeld im Luftspalt 26 weist somit sechs elektromagnetische Pole auf.
In 8B sind die simulierten harmonischen Komponenten der magnetischen Flussdichte im Luftspalt 26 der in 7A dargestellten elektrischen Maschine 20 aufgetragen. Auf der x-Achse ist die Ordnung der Komponenten aufgetragen. Auf der y-Achse ist die magnetische Flussdichte auf 1 normiert aufgetragen. Die Komponente der Ordnung 3 weist den größten Wert der magnetischen Flussdichte auf. Auch die Komponente der Ordnung 1 weist einen relativ hohen Wert der magnetischen Flussdichte auf.
Mit 9 ist gezeigt, dass der in 2 gezeigte Rotor 22 eine Kombination der in den 5A und 7A gezeigten Rotoren 22 ist. Auf der linken Seite sind die in den 5A und 7A gezeigten elektrischen Maschinen 20 dargestellt. Auf der rechten Seite ist ein schematischer Querschnitt durch die elektrische Maschine 20 gemäß einem Ausführungsbeispiel gezeigt, wobei der Rotor 22 der elektrischen Maschine 20 eine Kombination der in den 5A und 7A gezeigten Rotoren 22 ist.
In 10A ist ein schematischer Querschnitt durch die elektrische Maschine 20 gemäß dem in 9 gezeigten Ausführungsbeispiel dargestellt. Der Aufbau des Stators 21 ist beliebig.
In 10B ist die Verteilung der simulierten magnetischen Flussdichte in dem in 10A gezeigten Querschnitt dargestellt. Der Rotor 22 weist vier magnetische Pole und sechs elektromagnetische Pole auf. Das bedeutet, der Rotor 22 weist zwei magnetische Polpaare und drei elektromagnetische Polpaare auf.
In 11A ist die simulierte magnetische Flussdichte im Luftspalt 26 für die in 5A gezeigte elektrische Maschine 20 mit einer schwarzen Linie, die in 7A gezeigte elektrischen Maschine 20 mit einer gestrichelten Linie und das in 10A gezeigte Ausführungsbeispiel der elektrischen Maschine 20 mit einer grauen Linie dargestellt. Auf der x-Achse ist der Winkel entlang des Luftspalts 26 in Radiant aufgetragen. Auf der y-Achse ist die magnetische Flussdichte in Tesla aufgetragen. Das in 10A gezeigte Ausführungsbeispiel des Rotors 22 weist somit sechs elektromagnetische Pole auf.
In 11B sind die simulierten harmonischen Komponenten der magnetischen Flussdichte im Luftspalt 26 einer elektrischen Maschine 20 mit einem in 5A gezeigten Rotor 22 in schwarz, mit einem in 7A gezeigten Rotor 22 in hellgrau und mit einem in 10A gezeigten Ausführungsbeispiel des Rotors 22 in grau aufgetragen. Auf der x-Achse ist die Ordnung der Komponenten aufgetragen. Auf der y-Achse ist die magnetische Flussdichte auf 1 normiert aufgetragen. Für den in 10A gezeigten Rotor 22 ist die Komponente der Ordnung 1 gegenüber der Komponente der Ordnung 3 wesentlich reduziert. Die Komponente der Ordnung 1 ist auf unter 0,05 reduziert. Dies wird dadurch erreicht, dass die magnetische Achse der Magnete 23 mit der magnetischen Achse der weiteren Magnete 24 einen Winkel von 180° einschließt.
Somit zeigt die magnetische Achse der Magnete 23 in die entgegengesetzte Richtung im Vergleich zur magnetischen Achse der weiteren Magnete 24. Das bedeutet, die Komponente der Ordnung 1 des Magnetfeldes der Magnete 23 ist um 180° zur Komponente der Ordnung 1 des Magnetfeldes der weiteren Magnete 24 verschoben. Daher kompensieren sich die beiden Komponenten der Ordnung 1. Dies ist in 11B anhand der stark reduzierten Flussdichte der Komponente der Ordnung 1 ersichtlich. Außerdem ist die Komponente der Ordnung 3 des Magnetfeldes der Magnete 23 um 360° zur Komponente der Ordnung 3 des Magnetfeldes der weiteren Magnete 24 verschoben. Das bedeutet, dass sich die Komponenten der Ordnung 3 addieren. Daher weist die Komponente der Ordnung 3 für den in 10A gezeigten Rotor 22 eine größere Flussdichte als für die anderen beiden Rotoren 22 auf.
In 12A ist beispielhaft ein Querschnitt durch eine elektrische Maschine 20 gezeigt. Bei der elektrischen Maschine 20 handelt es sich nicht um ein Ausführungsbeispiel. Der Rotor 22 der elektrischen Maschine 20 weist sechs Permanentmagnete 28 auf. Die Permanentmagnete 28 sind an der Außenseite 29 des Rotors 22 entlang des Umfangs des Rotors 22 angeordnet. Die magnetischen Achsen benachbarter Permanentmagnete 28 zeigen in entgegengesetzte Richtungen. Die magnetischen Achsen der Permanentmagnete 28 verlaufen jeweils parallel zu einer radialen Richtung im Querschnitt durch den Rotor 22.
In 12B ist zum Vergleich ein schematischer Querschnitt durch das in 10A gezeigte Ausführungsbeispiel der elektrischen Maschine 20 dargestellt.
In 12C ist die Verteilung der simulierten magnetischen Flussdichte in dem in 12A gezeigten Querschnitt dargestellt. Der Rotor 22 weist sechs magnetische Pole und sechs elektromagnetische Pole auf. Das bedeutet, das Verhältnis zwischen der Anzahl der magnetischen Pole und der Anzahl der elektromagnetischen Pole beträgt 1 und ist somit eine ganze Zahl.
In 12D ist zum Vergleich die Verteilung der simulierten magnetischen Flussdichte in dem in 12B gezeigten Querschnitt dargestellt. Der Rotor 22 weist vier magnetische Pole und sechs elektromagnetische Pole auf. Hier beträgt das Verhältnis der Anzahl der magnetischen Pole zur Anzahl der elektromagnetischen Pole 2/3. Bei der hier beschriebenen elektrischen Maschine 20 ist das Verhältnis zwischen der Anzahl der magnetischen Pole und der Anzahl der elektromagnetischen Pole keine ganze Zahl.
In 12E ist die simulierte magnetische Flussdichte im Luftspalt 26 für die in 12A gezeigte elektrische Maschine 20 mit einer gestrichelten Linie und das in 12B gezeigte Ausführungsbeispiel der elektrischen Maschine 20 mit einer durchgezogenen Linie dargestellt. Auf der x-Achse ist der Winkel entlang des Luftspalts 26 in Radiant aufgetragen. Auf der y-Achse ist die magnetische Flussdichte in Tesla aufgetragen. Beide elektrischen Maschinen 20 weisen sechs elektromagnetische Pole auf.
In 12F sind die simulierten harmonischen Komponenten der magnetischen Flussdichte im Luftspalt 26 einer elektrischen Maschine 20 mit einem in 12A gezeigten Rotor 22 mit weißen Balken und mit einem in 12B gezeigten Ausführungsbeispiel des Rotors 22 mit schwarzen Balken aufgetragen. Auf der x-Achse ist die Ordnung der Komponenten aufgetragen. Auf der y-Achse ist die magnetische Flussdichte auf 1 normiert aufgetragen. Für das in 12B gezeigte Ausführungsbeispiel des Rotors 22 ist somit das Verhältnis der Flussdichte der Komponente der Ordnung 3 zur Flussdichte der Komponente der Ordnung 1 größer als für den in 12A gezeigten Rotor 22. Somit kann die hier beschriebene elektrische Maschine 20 effizienter betrieben werden.
In 13A ist ein schematischer Querschnitt durch den Rotor 22 der in 12A gezeigten elektrischen Maschine 20 dargestellt. Mit den gestrichelten Linien ist ein Winkel von 180 elektrischen Grad dargestellt. Die Permanentmagnete 28 erstrecken sich jeweils über einen Bereich von ungefähr 180 elektrischen Grad. Dies entspricht 60 geometrischen Grad.
In 13B ist ein schematischer Querschnitt durch einen Rotor 22 gemäß einem Ausführungsbeispiel gezeigt. Der Rotor 22 weist in etwa den in 2 gezeigten Aufbau auf. Mit den gestrichelten Linien ist ein Winkel von 180 elektrischen Grad dargestellt. Die weiteren Magnete 24 erstrecken sich um weniger als 180 elektrische Grad entlang des Umfangs des Rotors 22. Das bedeutet, die Ausdehnung der weiteren Magnete 24 entlang des Umfangs des Rotors 22 ist kleiner als 180 elektrische Grad. Bei dem hier beschriebenen Rotor 22 kann die Ausdehnung der weiteren Magnete 24 entlang des Umfangs des Rotors 22 beliebig angepasst werden, um die Effizienz der elektrischen Maschine 20 zu erhöhen. In dem in 13A gezeigten Beispiel eines Rotors 22 beträgt die maximal mögliche Ausdehnung der Permanentmagnete 28 entlang des Umfangs des Rotors 22 180 elektrische Grad.
In 13C ist ein schematischer Querschnitt durch einen Rotor 22 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel gezeigt. Der Rotor 22 weist in etwa den in 2 gezeigten Aufbau auf. Mit den gestrichelten Linien ist ein Winkel von 180 elektrischen Grad dargestellt. Die weiteren Magnete 24 erstrecken sich um mehr als 180 elektrische Grad entlang des Umfangs des Rotors 22. Das bedeutet, die Ausdehnung der weiteren Magnete 24 entlang des Umfangs des Rotors 22 ist jeweils größer als 180 elektrische Grad. Vorteilhafterweise kann bei dem hier beschriebenen Rotor 22 die Ausdehnung der weiteren Magnete 24 entlang des Umfangs des Rotors 22 beliebig angepasst werden, um die Effizienz der elektrischen Maschine 20 zu erhöhen.
In den 14A, 14B, 14C und 14D sind Ausführungsbeispiele der elektrischen Maschine 20 gezeigt, bei welchen der Rotor 22 sechs elektromagnetische Pole aufweist.
In 14A ist ein schematischer Querschnitt durch die in 10A gezeigte elektrische Maschine 20 dargestellt.
In 14B ist ein schematischer Querschnitt durch die elektrische Maschine 20 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel dargestellt. Im Unterschied zu dem in 14A gezeigten Rotor 22 erstrecken sich die weiteren Magnete 24 nicht entlang des Umfangs des Rotors 22. Die weiteren Magnete 24 sind vollständig im Rotor 22 angeordnet. Die weiteren Magnete 24 weisen im Querschnitt durch den Rotor 22 jeweils die Form eines Rechtecks auf. Weiter verläuft die Haupterstreckungsrichtung der weiteren Magnete 24 parallel zur Haupterstreckungsrichtung der Magnete 23. Somit verläuft die Haupterstreckungsrichtung der weiteren Magnete 24 im Querschnitt durch den Rotor 22 senkrecht zu einer radialen Richtung. Die magnetischen Achsen der weiteren Magnete 24 zeigen die gleiche Richtung. Die magnetische Achse der weiteren Magnete 24 zeigt in die entgegengesetzte Richtung im Vergleich zur magnetischen Achse der Magnete 23. Das bedeutet, die magnetische Achse der weiteren Magnete 24 verläuft senkrecht zur Haupterstreckungsrichtung der weiteren Magnete 24. Die weiteren Magnete 24 sind jeweils an einer Position entlang des Umfangs des Rotors 22 angeordnet, welche um 90° verschoben zur Position der Magnete 23 ist.
In 14C ist ein schematischer Querschnitt durch die elektrische Maschine 20 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel dargestellt. Im Unterschied zu dem in 14B gezeigten Rotor 22 sind anstelle jedes weiteren Magneten 24 zwei weiteren Magnete 24 im Rotor 22 angeordnet. Dabei sind jeweils zwei weitere Magnete 24 in Form eines V im Rotor 22 angeordnet. Somit zeigen die magnetischen Achsen der weiteren Magnete 24 in verschiedene Richtungen. Die magnetischen Achsen der weiteren Magnete 24 schließen jeweils einen Winkel von größer als 90° mit der magnetischen Achse der Magnete 23 ein. Die Haupterstreckungsrichtungen der weiteren Magnete 24 verlaufen nicht parallel zur Haupterstreckungsrichtung der Magnete 23.
In 14D ist ein schematischer Querschnitt durch die elektrische Maschine 20 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel dargestellt. Im Vergleich zu dem in 14A gezeigten Ausführungsbeispiel sind in den Ausnehmungen 25 keine Magnete 23 angeordnet, sondern ein Isolationsmaterial 27 ist in den Ausnehmungen 25 angeordnet. Der Rotor 22 weist zwei Magnete 23 und zwei weitere Magnete 24 auf. Die zwei Magnete 23 grenzen jeweils direkt an eine der Ausnehmungen 25 an und sind im Querschnitt durch den Rotor 22 an gegenüberliegenden Seiten des Rotors 22 angeordnet. Die zwei weiteren Magnete 24 grenzen ebenfalls jeweils direkt an eine der Ausnehmungen 25 an und sind im Querschnitt durch den Rotor 22 an gegenüberliegenden Seiten des Rotors 22 angeordnet. Das bedeutet, direkt neben jeder der Ausnehmungen 25 sind ein Magnet 23 und ein weiterer Magnet 24 angeordnet. Die Magnete 23 und die weiteren Magnete 24 weisen jeweils die Form eines Kreissegments auf. Die magnetischen Achsen der Magnete 23 zeigen in die gleiche Richtung und verlaufen im Querschnitt durch den Rotor 22 parallel zu einer radialen Richtung. Die magnetischen Achsen der weiteren Magnete 24 zeigen in die gleiche Richtung und in eine Richtung, welche verschieden von der Richtung ist, in welche die magnetischen Achsen der Magnete 23 zeigen. Die magnetischen Achsen der weiteren Magnete 24 verlaufen im Querschnitt durch den Rotor 22 parallel zu einer radialen Richtung.
In 15A ist ein schematischer Querschnitt durch die elektrische Maschine 20 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel dargestellt. Im Vergleich zu dem in 14A gezeigten Rotor 22 weist der in 15A gezeigte Rotor 22 insgesamt vier weitere Magnete 24 auf. Jeweils zwei weitere Magnete 24 sind an gegenüberliegenden Seiten des Rotors 22 angeordnet. Das bedeutet, jeweils zwei weitere Magnete 24 sind um 180° verschoben zueinander entlang des Umfangs des Rotors 22 angeordnet. Die weiteren Magnete 24 sind in Ausnehmungen 25 im Rotor 22 angeordnet. Die Ausnehmungen 25 grenzen direkt an den Luftspalt 26 an. Die weiteren Magnete 24 erstrecken sich entlang des Umfangs des Rotors 22 und weisen eine gebogene Form oder die Form eines Kreissegments auf. Die magnetischen Achsen der jeweils an gegenüberliegenden Seiten des Rotors 22 angeordneten weiteren Magnete 24 zeigen in die gleiche Richtung. Die magnetische Achse der weiteren Magnete 24 verläuft jeweils parallel zu einer radialen Richtung im Querschnitt durch den Rotor 22. Der Rotor 22 weist somit drei magnetische Polpaare und fünf elektromagnetische Polpaare auf.
In 15B ist ein schematischer Querschnitt durch die elektrische Maschine 20 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel dargestellt. Im Vergleich zu dem in 15A gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Rotor 22 sechs statt vier weitere Magnete 24 auf. Der Rotor 22 weist somit vier magnetische Polpaare und sieben elektromagnetische Polpaare auf.
In 16A ist ein schematischer Querschnitt durch die elektrische Maschine 20 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel dargestellt. Im Vergleich zu dem in 10A gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Rotor 22 insgesamt vier Magnete 23 auf. Die Magnete 23 sind in Ausnehmungen 25 im Rotor 22 angeordnet. Die Ausnehmungen 25 erstrecken sich jeweils parallel zu einer radialen Richtung im Querschnitt durch den Rotor 22. Jeweils zwei Magnete 23 sind an gegenüberliegenden Seiten des Rotors 22 angeordnet. Die magnetischen Achsen der Magnete 23 verlaufen jeweils senkrecht zu einer radialen Richtung im Querschnitt durch den Rotor 22. Die magnetischen Achsen von jeweils zwei Magneten 23, welche um 180° verschoben zueinander entlang des Umfangs des Rotors 22 angeordnet sind, schließen einen Winkel von 180° miteinander ein. Die Haupterstreckungsrichtungen von jeweils zwei Magneten 23 schließen einen Winkel von kleiner als 90° miteinander ein. Die magnetischen Achsen dieser zwei Magnete 23 schließen einen Winkel von größer als 90° miteinander ein. Die zwei weiteren Magnete 24 sind wie in dem in 10A gezeigten Ausführungsbeispiel angeordnet. Im Unterschied zu dem in 10A gezeigten Rotor 22 schließen die magnetischen Achsen der weiteren Magnete 24 einen Winkel von 180° miteinander ein. Der Rotor 22 weist somit drei magnetische Polpaare und vier elektromagnetische Polpaare auf.
In 16B ist ein schematischer Querschnitt durch die elektrische Maschine 20 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel dargestellt. Im Vergleich zu dem in 16A gezeigten Ausführungsbeispiel sind in den Ausnehmungen 25, in welchen in 16A die Magnete 23 angeordnet sind, keine Magnete 23 und keine weiteren Magnete 24 angeordnet. Beispielsweise befindet sich in diesen Ausnehmungen 25 Luft. Zusätzlich weist der Rotor 22 zwei weitere Ausnehmungen 25 auf, in welchen jeweils einen Magnet 25 angeordnet ist. Das bedeutet, die Magnete 23 und die weiteren Magnete 24 sind wie in 10A gezeigt angeordnet. Der Rotor 22 weist somit zwei magnetische Polpaare und drei elektromagnetische Polpaare auf.
In 17A ist ein schematischer Querschnitt durch die elektrische Maschine 20 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel dargestellt. Im Vergleich zu dem in 10A gezeigten Rotor 22 sind in den Ausnehmungen 25, welche sich parallel zu einer radialen Richtung in einem Querschnitt durch den Rotor 22 erstrecken, keine Magnete 23 angeordnet. In den Ausnehmungen 25, welche sich parallel zur einer radialen Richtung durch den Rotor 22 erstrecken, befindet sich beispielsweise Luft. Die Magnete 23 sind jeweils in Ausnehmungen 25 angeordnet, welche sich entlang des Umfangs des Rotors 22 erstrecken. Die zwei Magnete 23 weisen jeweils die Form eines Kreissegments auf. Dabei erstrecken sich die zwei Magnete 23 jeweils über einen Winkel von 90° entlang des Umfangs des Rotors 22. Dabei grenzt jeder der Magnete 23 an eine der Ausnehmungen 25 an, welche sich parallel zu einer radialen Richtung durch den Rotor 22 erstrecken. Die magnetischen Achsen der Magnete 23 verlaufen jeweils parallel zu einer radialen Richtung. Außerdem zeigen die magnetischen Achsen der Magnete 23 in entgegengesetzte Richtungen. Das bedeutet, beide magnetischen Achsen zeigen in Richtung des Luftspalts 26. Der in 17A gezeigte Rotor 22 weist keine weiteren Magneten 24 auf. Somit weist der Rotor 22 ein magnetisches Polpaar und zwei elektromagnetische Polpaare auf.
In 17B ist ein schematischer Querschnitt durch die elektrische Maschine 20 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel dargestellt. Im Vergleich zu dem in 17A gezeigten Rotor 22 ist in jeder der Ausnehmungen 25, welche sich parallel zu einer radialen Richtung erstrecken, ein Magnet 23 angeordnet. Die Magnete 23 sind wie in Verbindung mit 10A gezeigt angeordnet, mit dem Unterschied, dass die magnetischen Achsen der Magnete 23 in entgegengesetzte Richtungen zeigen. Zwei weitere Magnete 24 sind wie die in 17A gezeigten Magnete 23 angeordnet. Der Rotor 22 weist zwei magnetische Polpaare und vier elektromagnetische Polpaare auf.
In 17C ist ein schematischer Querschnitt durch die elektrische Maschine 20 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel dargestellt. In den Ausnehmungen 25, welche sich parallel zu einer radialen Richtung erstrecken, sind keine Magnete 23 und keine weiteren Magnete 24 angeordnet. Zum Beispiel befindet sich in diesen Ausnehmungen 25 Luft. Zwei Magnete 23 sind in Ausnehmungen 25, welche sich entlang des Umfangs des Rotors 22 erstrecken, angeordnet. Die Magnete 23 weisen jeweils die Form eines Kreissegments auf. Die Magnete 23 sind jeweils direkt neben einer der Ausnehmungen 25 angeordnet, welche sich parallel zu einer radialen Richtung durch den Rotor 22 erstrecken. Die magnetischen Achsen der Magnete 23 verlaufen parallel zu einer radialen Richtung und zeigen in entgegengesetzte Richtungen. Außerdem sind zwei weitere Magnete 24 in Ausnehmungen 25 im Rotor 22 angeordnet. Die weiteren Magnete 24 erstrecken sich stellenweise entlang des Umfangs des Rotors 22 und weisen jeweils die Form eines Kreissegments auf. Jeder der weiteren Magnete 24 ist entlang des Umfangs des Rotors 22 zwischen einer Ausnehmung 25, welche sich parallel zu einer radialen Richtung durch den Rotor 22 erstreckt, und einem Magneten 23 angeordnet. Die magnetischen Achsen der weiteren Magnete 24 zeigen in verschiedene Richtungen. Der Rotor 22 weist zwei magnetische Polpaare und vier elektromagnetische Polpaare auf.
In 17D ist ein schematischer Querschnitt durch die elektrische Maschine 20 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel dargestellt. Im Vergleich zu dem in 17C gezeigten Rotor 22 ist in einer der Ausnehmungen 25 ein Magnet 23 angeordnet. Der Magnet 23 ist in der Ausnehmung 25 angeordnet, welche sich parallel zu einer radialen Richtung erstreckt, und an welche keine Magnete 23 direkt angrenzen. Die magnetische Achse des Magneten 23 in dieser Ausnehmung 25 verläuft senkrecht zu einer radialen Richtung. Der Rotor 22 weist vier elektromagnetische Polpaare auf.
In 17E ist ein schematischer Querschnitt durch die elektrische Maschine 20 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel dargestellt. Im Vergleich zu dem in 17C gezeigten Rotor 22 sind die Magnete 23 und die weiteren Magnete 24 symmetrisch entlang des Umfangs des Rotors 22 verteilt. Dabei grenzen die Magnete 23 jeweils direkt an eine der Ausnehmungen 25 auf, in welcher keine Magnete 23 und keine weiteren Magnete 24 angeordnet sind. Die Magnete 23 sind um 180° verschoben zueinander entlang des Umfangs des Rotors 22 angeordnet. Die weitere Magnete 24 sind um 180° verschoben zueinander entlang des Umfangs des Rotors 22 angeordnet. Die Magnete 23 sind jeweils um 90° entlang des Umfangs des Rotors 22 verschoben zu den weiteren Magneten 24 angeordnet. Die magnetischen Achsen der Magnete 23 und der weiteren Magnete 24 zeigen jeweils in Richtung des Mittelpunkts des Rotors 22. Der Rotor 22 weist zwei magnetische Polpaare und vier elektromagnetische Polpaare auf.
In 17F ist ein schematischer Querschnitt durch die elektrische Maschine 20 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel dargestellt. Im Vergleich zu dem in 17D gezeigten Rotor 22 ist in den Ausnehmungen 25, welche sich parallel zu einer radialen Richtung durch den Rotor 22 erstrecken, jeweils ein Magnet 23 angeordnet. Die Magnete 23 sind wie in 10A gezeigt angeordnet, mit dem Unterschied dass die magnetischen Achsen der Magnete 23 in entgegengesetzte Richtungen zeigen. Der Rotor 22 weist drei magnetische Polpaare und vier elektromagnetische Polpaare auf.
In 18A ist ein schematischer Querschnitt durch die elektrische Maschine 20 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel dargestellt. Im Unterschied zu dem in 10A gezeigten Rotor 22 sind die weiteren magnetischen Polpaare jeweils durch einen Elektromagneten gebildet. Für jedes weitere magnetische Polpaar weist der Rotor 22 zwei Ausnehmungen 25 auf. In den Ausnehmungen 25 sind jeweils elektrische Leiter 36 angeordnet. Die elektrischen Leiter 36 sind dazu ausgelegt mit elektrischem Strom versorgt zu werden. Die elektrischen Leiter 36 in zwei benachbarten Ausnehmungen 25 bilden jeweils einen Elektromagneten. Zum Beispiel wird jeder Elektromagnet durch eine Spule gebildet. Die elektrischen Leiter 36 eines weiteren Magneten 24 sind um weniger als 180° verschoben zueinander entlang des Umfangs des Rotors 22 angeordnet. Die zwei weiteren Magneten 24 sind symmetrisch in Bezug auf die Magnete 23 im Querschnitt durch den Rotor 22 angeordnet.
Werden die Elektromagneten nicht mit Strom versorgt, so weist der Rotor 22 ein magnetisches Polpaar und ein elektromagnetisches Polpaar auf (erster Betriebszustand). Werden die Elektromagneten mit Strom versorgt, so kann durch die Stromrichtung die magnetische Achse der weiteren Magnete 24 eingestellt werden. Verläuft die magnetische Achse der weiteren Magnete 24 in die entgegengesetzte Richtung im Vergleich zur magnetischen Achse der Magnete 23, so entspricht dies dem mit 2 gezeigten Fall (zweiter Betriebszustand). Der Rotor 22 weist in diesem Fall drei elektromagnetische Polpaare auf. Verläuft die magnetische Achse der weiteren Magnete 24 in die gleiche Richtung wie die magnetische Achse der Magnete 23, so weist der Rotor 22 ein elektromagnetisches Polpaar auf und kann bei einer hohen magnetischen Flussdichte betrieben werden (dritter Betriebszustand). Somit ermöglicht der in 18A gezeigte Aufbau drei verschiedene Betriebszustände, die je nach Anforderung gewählt werden können. Außerdem kann die Anzahl der elektromagnetischen Polpaare im Betrieb der elektrischen Maschine 20 geändert und eingestellt werden. Des Weiteren kann im Betrieb der elektrischen Maschine20 die magnetische Flussdichte der magnetomotorischen Kraft des Rotors 22 am Luftspalt 26 geändert und eingestellt werden.
In 18B ist ein schematischer Querschnitt durch die elektrische Maschine 20 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel dargestellt. Im Vergleich zu dem in 18A gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Magnete 23 wie die weiteren Magnete 24 in 10A gezeigt angeordnet. Die Ausnehmungen 25 erstrecken sich nicht vollständig durch den Rotor 22. In zwei Ausnehmungen 25, welche um 180° verschoben zueinander entlang des Umfangs des Rotors 22 angeordnet sind, sind elektrische Leiter 36 angeordnet. Die elektrischen Leiter 36 bilden den weiteren Magneten 24. Die elektrischen Leiter 36 sind jeweils um 90° verschoben zum Mittelpunkt der Magnete 23 entlang des Umfangs des Rotors 22 angeordnet. Dieses Ausführungsbeispiel kann wie mit 18A beschriebenen betrieben werden.
In 19A ist die Verteilung der simulierten magnetischen Flussdichte in dem in 18A gezeigten Querschnitt im ersten Betriebszustand dargestellt. In diesem Fall werden die weiteren Magnete 24 nicht bestromt. Es handelt sich also um den ersten Betriebszustand. Der Rotor 22 weist ein elektromagnetisches Polpaar auf. In diesem Betriebszustand kann die elektrische Maschine 20 bei hohen Drehzahlen betrieben werden.
In 19B ist die Verteilung der simulierten magnetischen Flussdichte in dem in 18A gezeigten Querschnitt im zweiten Betriebszustand dargestellt. In diesem Fall werden die weiteren Magnete 24 derart mit Strom versorgt, dass die magnetischen Achsen der weiteren Magnete 24 in die entgegengesetzte Richtung im Vergleich zu den magnetischen Achsen der Magnete 23 zeigen. Es handelt sich also um den zweiten Betriebszustand. Der Rotor 22 weist drei elektromagnetische Polpaare auf. In diesem Betriebszustand kann die elektrische Maschine 20 effizient betrieben werden.
In 20A ist die simulierte magnetische Flussdichte im Luftspalt 26 für den ersten Betriebszustand mit einer durchgezogenen Linie und den zweiten Betriebszustand mit einer gestrichelten Linie dargestellt. Auf der x-Achse ist der Winkel entlang des Luftspalts 26 in Radiant aufgetragen. Auf der y-Achse ist die magnetische Flussdichte in Tesla aufgetragen. Im zweiten Betriebszustand weist der Rotor 22 sechs elektromagnetische Pole auf.
In 20B sind die simulierten harmonischen Komponenten der magnetischen Flussdichte im Luftspalt 26 für den ersten Betriebszustand mit schwarzen Balken und für den zweiten Betriebszustand mit weißen Balken aufgetragen. Auf der x-Achse ist die Ordnung der Komponenten aufgetragen. Auf der y-Achse ist die magnetische Flussdichte auf 1 normiert aufgetragen. Im ersten Betriebszustand wird die Komponente der magnetomotorischen Kraft des Rotors 22 mit der Ordnung 1 zur Drehmomenterzeugung genutzt. Im zweiten Betriebszustand wird die Komponente der magnetomotorischen Kraft des Rotors 22 mit der Ordnung 3 zur Drehmomenterzeugung genutzt. Da in diesem Fall das Verhältnis der Flussdichte der Komponente der Ordnung 3 zur Flussdichte der Komponente der Ordnung 1 wesentlich größer als im ersten Betriebszustand ist, kann die elektrische Maschine 20 im zweiten Betriebszustand wesentlich effizienter betrieben werden als im ersten Betriebszustand.
In 21A ist die simulierte magnetische Flussdichte im Luftspalt 26 für den ersten Betriebszustand mit einer durchgezogenen Linie und für den dritten Betriebszustand mit einer gestrichelten Linie dargestellt. Auf der x-Achse ist der Winkel entlang des Luftspalts 26 in Radiant aufgetragen. Auf der y-Achse ist die magnetische Flussdichte in Tesla aufgetragen. Im dritten Betriebszustand kann somit ein größeres Drehmoment als im ersten Betriebszustand erzeugt werden.
In 21B sind die simulierten harmonischen Komponenten der magnetischen Flussdichte im Luftspalt 26 für den ersten Betriebszustand mit schwarzen Balken und für den dritten Betriebszustand mit weißen Balken aufgetragen. Auf der x-Achse ist die Ordnung der Komponenten aufgetragen. Auf der y-Achse ist die magnetische Flussdichte auf 1 normiert aufgetragen. Im dritten Betriebszustand kann die elektrische Maschine 20 effizienter betrieben werden als im ersten Betriebszustand.
In 22A ist ein schematischer Querschnitt durch das in 10A gezeigte Ausführungsbeispiel der elektrischen Maschine 20 gezeigt. Im Querschnitt sind die Magnetfeldlinien der im Betrieb durch den Stator 21 induzierten magnetischen Flussdichte gezeigt. Die mit durchgezogen Linien dargestellte Flussdichte erstreckt sich entlang des Luftspalts 26 durch den Rotorkern 35. Die mit gestrichelten Linien dargestellte Flussdichte erstreckt sich entlang des Luftspalts 26 einmal durch den Rotorkern 35 und einmal durch einen der weiteren Magnete 24. Dies führt zu verschiedenen magnetischen Flussdichten der unterschiedlichen Pole.
In 22B ist ein schematischer Querschnitt durch den in 22A gezeigten Rotor 22 gezeigt. Der außen am Rotor 22 gezeigte Pfeil stellt einen Bezugspunkt für die folgenden zwei Figuren dar.
In 22C ist ein schematischer Querschnitt durch einen weiteren Rotor 37 gezeigt. Der weitere Rotor 37 weist den in 22B gezeigten Aufbau auf. Außerdem ist der weitere Rotor 37 um einen Winkel von 120° zu dem in 22B gezeigten Rotor 22 verdreht. Mit den Pfeilen außen am weiteren Rotor 37 ist die Verdrehung um 120° dargestellt. Die 120° entsprechen 360 elektrischen Grad.
In 22D ist ein schematischer Querschnitt durch einen weiteren Rotor 37 gezeigt. Der weitere Rotor 37 weist den in 22B gezeigten Aufbau auf. Außerdem ist der weitere Rotor 37 um einen Winkel von 120° zu dem in 22C gezeigten weiteren Rotor 37 verdreht. Mit den Pfeilen außen am weiteren Rotor 37 ist die Verdrehung um 120° dargestellt. Das bedeutet, dass der weitere Rotor 37 um 120° zu dem in 22B gezeigten Rotor 22 verdreht ist. Die 120° entsprechen 360 elektrischen Grad.
In 23A sind der in 22B gezeigte Rotor 22 und die in den 22C und 22D gezeigten weiteren Rotoren 37 dargestellt. Der Rotor 22 und die weiteren Rotoren 37 sind entlang einer Achse angeordnet. Außerdem sind die Rotoren 22 und die weiteren Rotoren 37 um jeweils 120° zueinander verdreht.
In 23B sind der Rotor 22 und die weiteren Rotoren 37 aus 23A dargestellt. Der Rotor 22 und die weiteren Rotoren 37 können auf einer gemeinsamen Welle 34 in der elektrischen Maschine 20 angeordnet sein, welche nicht gezeigt ist. Dabei können der Rotor 22 und die weiteren Rotoren 37 wie in 23B gezeigt direkt nebeneinander angeordnet sein. Entlang der Achse, entlang welcher der Rotor 22 und die weiteren Rotoren 37 angeordnet sind, weisen der Rotor 22 und die weiteren Rotoren 37 die gleiche Ausdehnung auf.
In 24A sind ein Rotor 22 und ein weiterer Rotor 37 gemäß einem Ausführungsbeispiel gezeigt. Der Rotor 22 und der weitere Rotor 37 weisen den in 17A gezeigten Aufbau auf. Die magnetischen Achsen der Magnete 23 des Rotors 22 verlaufen parallel zu einer radialen Richtung im Querschnitt des Rotors 22. Dabei zeigen die magnetischen Achsen der Magnete 23 jeweils in Richtung der Außenseite 29 des Rotors 22. Die magnetischen Achsen der Magnete 23 des weiteren Rotors 37 verlaufen parallel zu einer radialen Richtung im Querschnitt des weiteren Rotors 37. Dabei zeigen die magnetischen Achsen der Magnete 23 jeweils in Richtung des Zentrums des weiteren Rotors 37. Das bedeutet, die magnetischen Achsen weisen von der Außenseite 29 des weiteren Rotors 37 weg. Somit weisen der Rotor 22 und der weitere Rotor 37 jeweils zwei elektromagnetische Polpaare auf. Der Rotor 22 und der weitere Rotor 37 sind in der elektrischen Maschine 20 entlang einer Achse angeordnet. Der Rotor 22 und der weitere Rotor 37 können auf einer gemeinsamen Welle 34 angeordnet sein, welche nicht gezeigt ist. Außerdem sind der Rotor 22 und der weitere Rotor 37 um einen Winkel von 90° zueinander verdreht. Die Verdrehung um 90° ist in 24A mit Pfeilen dargestellt.
In 24B sind der Rotor 22 und der weitere Rotor 37 aus 24A dargestellt. Der Rotor 22 und der weitere Rotor 37 sind in der elektrischen Maschine 20 direkt nebeneinander angeordnet. Entlang der Achse, entlang welcher der Rotor 22 und der weitere Rotor 37 angeordnet sind, weisen der Rotor 22 und der weitere Rotor 37 die gleiche Ausdehnung auf.
Bezugszeichenliste

20:: elektrische Maschine
21:: Stator
22:: Rotor
23:: Magnet
24:: weiterer Magnet
25:: Ausnehmung
26:: Luftspalt
27:: Isolationsmaterial
28:: Permanentmagnet
29:: Außenseite
30:: Halterung
31:: Nut
32:: Statorwicklung
33:: Zahn
34:: Welle
35:: Rotorkern
36:: elektrischer Leiter
37:: weiterer Rotor

Claims

Elektrische Maschine (20) mit einem Stator (21) und mit einem zum Stator (21) drehbar gelagerten Rotor (22), wobei der Rotor (22): - mindestens ein magnetisches Polpaar aufweist, welches zwei Magnete (23) aufweist, und - mindestens zwei Ausnehmungen (25) aufweist, welche sich zumindest teilweise durch den Rotor (22) hindurch erstrecken, wobei - die Ausnehmungen (25) an gegenüberliegenden Seiten des Rotors (22) angeordnet sind, und - die Anzahl der magnetischen Polpaare des Rotors (22) verschieden von der Anzahl der im Betrieb des Rotors (22) erzeugbaren elektromagnetischen Polpaare ist.
Elektrische Maschine (20) gemäß Anspruch 1, bei der die Anzahl der magnetischen Polpaare des Rotors (22) kleiner als die Anzahl der im Betrieb des Rotors (22) erzeugbaren elektromagnetischen Polpaare ist.
Elektrische Maschine (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Magnete (23) Permanentmagnete sind.
Elektrische Maschine (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der die magnetische Achse der Magnete (23) in einem Querschnitt durch den Rotor (22) senkrecht zu einer radialen Richtung verläuft.
Elektrische Maschine (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der der Rotor (22) mindestens ein weiteres magnetisches Polpaar aufweist, welches zwei weitere Magnete (24) aufweist.
Elektrische Maschine (20) gemäß dem vorherigen Anspruch, bei der die weiteren Magnete (24) Permanentmagnete sind.
Elektrische Maschine (20) gemäß Anspruch 5, bei der das weitere magnetische Polpaar durch mindestens einen Elektromagneten gebildet ist.
Elektrische Maschine (20) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, bei der die magnetische Achse der Magnete (23) in die entgegengesetzte Richtung im Vergleich zur magnetischen Achse der weiteren Magnete (24) zeigt.
Elektrische Maschine (20) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 8, bei der die magnetische Achse der Magnete (23) in einem Querschnitt durch den Rotor (22) senkrecht zu einer radialen Richtung verläuft und bei der die magnetische Achse der weiteren Magnete (24) in einem Querschnitt durch den Rotor (22) nicht senkrecht zu einer radialen Richtung verläuft.
Elektrische Maschine (20) gemäß einem der Ansprüche 5 bis 8, bei der die Ausdehnung der Magnete (23) oder der weiteren Magnete (24) entlang des Umfangs des Rotors (22) jeweils größer oder kleiner als 180 elektrische Grad ist.
Elektrische Maschine (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der sich die zwei Ausnehmungen (25) in einem Querschnitt durch den Rotor (22) parallel zu einer radialen Richtung zumindest teilweise durch den Rotor (22) hindurch erstrecken.
Elektrische Maschine (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Magnete (23) in jeweils einer der Ausnehmungen (25) des Rotors (22) angeordnet sind.
Elektrische Maschine (20) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, bei der in den Ausnehmungen (25) ein Isolationsmaterial (27) angeordnet ist, welches nicht magnetisch ist.
Elektrische Maschine (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei der die Haupterstreckungsrichtung der Magnete (23) in einem Querschnitt durch den Rotor (22) in einer radialen Richtung verläuft.
Elektrische Maschine (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, welche mindestens einen weiteren Rotor (37) aufweist, der wie der Rotor (22) aufgebaut ist, wobei der Rotor (22) und der weitere Rotor (37) entlang einer Achse angeordnet und um einen Winkel von mindestens 45 elektrischen Grad zueinander verdreht sind.
Verfahren zum Betreiben der elektrischen Maschine (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei dem eine Komponente der magnetomotorischen Kraft des Rotors (22) mit einer Ordnung von größer als 1 zur Drehmomenterzeugung genutzt wird.