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Die Erfindung betrifft eine elektrische Rotationsmaschine mit einer die Oberwellen dritter Ordnung des Stroms reduzierenden Konfiguration. Die Erfindung findet eine besonders vorteilhafte, aber nicht ausschließliche Anwendung bei reversiblen elektrischen Maschinen, die im Generator- und Motorbetrieb arbeiten können.
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In an sich bekannter Weise umfassen elektrische Rotationsmaschinen einen Stator und einen Rotor, der fest mit einer Welle verbunden ist. Der Rotor kann mit einer antreibenden und/oder angetriebenen Welle fest verbunden sein und kann zu einer elektrischen Rotationsmaschine in Form einer Lichtmaschine, eines Elektromotors oder einer reversiblen Maschine gehören, die in beiden Betriebsarten arbeiten kann.
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Der Rotor umfasst einen Körper, der aus einem Stapel von Blechen gebildet ist, die mittels eines geeigneten Befestigungssystems in Form eines Pakets gehalten werden. Der Rotor umfasst Pole, die z.B. durch Permanentmagnete gebildet sind, die in Hohlräumen einliegen, welche in den Rotorkörper eingebracht sind.
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Darüber hinaus ist der Stator in einem Gehäuse montiert, das eingerichtet ist, um die Rotorwelle drehbar zu lagern, z.B. durch Kugellager. Der Stator umfasst einen Körper, der mit einer Vielzahl von Zähnen ausgestattet ist, die Nuten definieren, und eine Bewicklung, die in die Statornuten eingesetzt ist. Die Bewicklung wird z.B. aus emaillierten Endlosdrähten oder aus Leiterelementen in Form von Stäben hergestellt, die durch Schweißen miteinander verbundenen sind. Alternativ werden die Phasen der Maschinen aus einzelnen Spulen gebildet, die jeweils um einen Statorzahn gewickelt sind.
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Im Falle eines Stators umfassend mindestens eine im Dreieck verschaltete dreiphasige Wicklungsgruppe, die in Kombination mit einem Rotor verwendet wird, der mit Polen ausgestattet ist, die jeweils aus zwei Magneten mit einem V-förmigen Querschnitt gebildet sind, ist ein signifikantes Vorhandensein von Oberwellen dritter Ordnung zu beobachten, insbesondere bei hohen Strömen, wenn die elektrische Maschine in einer Anlasserphase arbeitet. Diese Oberwellen erhöhen jedoch die Joule-Verluste der elektrischen Maschine.
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Die Erfindung zielt darauf ab, diesen Nachteil wirksam zu beheben, indem eine elektrische Rotationsmaschine für Kraftfahrzeuge vorgeschlagen wird, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die umfasst:
- - einen Rotor (11) und einen Stator (15), die durch einen Spalt (13) mit einer Dicke (E) voneinander getrennt sind,
- - wobei der besagte Stator (15) einen Körper (16) und eine Bewicklung (17) umfasst, die mindestens eine dreiphasige Wicklungsgruppe (U1, V1, W1; U2, V2, W2) aufweist, wobei die Wicklungsgruppe in einem Dreieck verschaltet ist,
- - wobei der besagte Rotor (11) einen aus einem Magnetmaterial gebildeten Körper (31) hat und eine Anzahl von Polpaaren (P) umfasst, wobei jeder Pol (P) von mindestens zwei Permanentmagneten (37) gebildet ist, die im Querschnitt eine Form definieren, die mindestens ein V umfasst, wobei die beiden Permanentmagnete insbesondere vollständig in dem Pol enthalten sind,
- - wobei der besagte Rotor (11) mindestens zwei Zonen (Z1, Z2) entferntem Magnetmaterials umfasst, wobei die beiden Zonen (Z1, Z2) zwischen den beiden Permanentmagneten (37) eines Pols (P) und einem äußeren Umfang des Rotors (11) angeordnet sind.
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Die Erfindung ermöglicht somit im Falle eines Stators umfassend mindestens eine im Dreieck verschaltete dreiphasige Wicklungsgruppe, die in Kombination mit einem Rotor verwendet wird, der mit Polen ausgestattet ist, die jeweils aus zwei Magneten mit einem V-förmigen Querschnitt gebildet sind, dank der Konfiguration des Rotors das Vorhandensein von Oberwellen der dritten Ordnung in den Phasenströmen des Stators zu reduzieren, eine sehr spezifische Statorkonfiguration, bei der man ein Vorhandensein besonders starker Oberwellen dritter Ordnung beobachtet. Man reduziert somit die Joule-Verluste, insbesondere bei hohem Strom, während der Anlasserphase, was zu einem verbesserten Wirkungsgrad des Elektromotors und damit zu einer besseren Nutzung der in den Batterien gespeicherten elektrischen Energie führt.
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Gemäß einer Ausführungsvariante sind die beiden Zonen auf beiden Seiten einer Symmetrieachse des Pols angeordnet.
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Diese spezielle Konfiguration ermöglicht es, das Vorhandensein von Oberwellen dritter Ordnung in den Phasenströmen des Stators zu reduzieren.
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Gemäß einer Ausführungsvariante schließen die Längsachsen der beiden Permanentmagnete im Querschnitt einen Winkel ungleich Null ein, insbesondere einen spitzen Winkel, wobei der Winkel am Spalt betrachtet wird.
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Gemäß einer Ausführungsvariante liegt ein erster kürzester Abstand zwischen einem Außenumfang einer Zone und dem Spalt zwischen der Hälfte der Dicke des Spalts und dem Dreifachen der Dicke des Spalts.
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Gemäß einer Ausführungsvariante liegt ein zweiter kürzester Abstand zwischen einem Außenumfang einer Zone und dem am nächsten gelegenen Permanentmagneten zwischen dem Einfachen der Dicke des Spalts und dem Zehnfachen der Dicke des Spalts.
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Gemäß einer Ausführungsvariante ist ein Winkel, gebildet durch
- - ein erstes Segment, das durch eine Achse des Rotors und denjenigen Punkt einer Zone eines Pols verläuft, der dem Spalt am nächsten liegt, und
- - ein zweites Segment, das durch die Achse des Rotors und denjenigen Punkt der anderen Zone des Pols verläuft, der dem Spalt am nächsten liegt,
- - gleich dem K-fachen einer Zahnteilung des Stators, wobei K eine ganze Zahl größer oder gleich 1 ist.
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Gemäß einer Ausführungsvariante ist die Spaltdicke variabel.
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Gemäß einer Ausführungsvariante sind die Zonen mit einem nichtferromagnetischen, z.B. amagnetischen, Material gefüllt, insbesondere Luft.
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Gemäß einer Ausführungsvariante weist die elektrische Rotationsmaschine eine Betriebsspannung zwischen 30 und 60 Volt auf.
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Gemäß einer Ausführungsvariante beträgt ein Außendurchmesser des Rotorkörpers zwischen 80 und 350mm.
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Gemäß einer Ausführungsvariante hat die besagte elektrische Rotationsmaschine eine maximale Leistung zwischen 10kW und 50kW.
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Gemäß einer Ausführungsvariante umfasst der Rotor eine ungerade Anzahl von Polpaaren. Mit einer solchen Rotorkonfiguration wird die Reduzierung der Oberwellen dritter Ordnung optimiert.
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Gemäß einer Ausführungsvariante umfasst der Rotor fünf Polpaare.
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Gemäß einer Ausführungsvariante erstrecken sich die Zonen entferntem Magnetmaterials axial über mindestens zwei Drittel einer axialen Höhe des Rotorkörpers.
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Die Erfindung wird besser durch das Lesen der nachfolgenden Beschreibung und die Betrachtung der sie begleitenden Figuren verstanden. Diese Figuren dienen nur zur Veranschaulichung, nicht aber als Einschränkung der Erfindung.
- Die 1 zeigt eine Längsschnittansicht der elektrischen Rotationsmaschine gemäß der vorliegenden Erfindung;
- Die 2 ist eine schematische Darstellung der dreiphasigen Verschaltung von zwei Wicklungsgruppen von Statorphasen der elektrischen Rotationsmaschine gemäß der Erfindung;
- Die 3a und 3b zeigen grafische Darstellungen von Stromsignalen der Phasen, die jeweils mit einem herkömmlichen Rotor und einem erfindungsgemäßen Rotor erhalten wurden, der zwei Zonen entferntem Magnetmaterials pro Rotorpol umfasst.
- Die 4 ist eine grafische Darstellung der Oberwellen, die in den Stromsignalen der 3a und 3b enthalten sind.
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Identische, ähnliche oder analoge Elemente behalten von einer Figur zur anderen das Bezugszeichen.
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Die 1 zeigt eine elektrische Rotationsmaschine10 umfassend einen Rotor 11 mit einer Drehachse, der zur Montage auf einer Welle (nicht dargestellt) bestimmt ist. Ein gewickelter Stator 15, der mehrphasig sein kann, umgibt den Rotor 11 koaxial. Der Stator 15 und der Rotor 11 sind durch einen Spalt 13 der Dicke E voneinander getrennt, der sich zwischen dem Außenumfang des Rotors 11 und dem Innenumfang des Stators 15 erstreckt. Die Dicke E des Spaltes 13 kann konstant oder vorzugsweise entlang des Rotorumfangs 11 variabel sein.
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Die elektrische Maschine 10 kann eine Betriebsspannung zwischen 30 und 60 Volt und eine maximale Leistung zwischen 10kW und 50kW aufweisen.
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Genauer betrachtet, umfasst der Stator 15 einen Körper 16 und eine Bewicklung 17. Der Statorkörper 16 besteht aus einem axialen Stapel von flachen Blechen. Der Körper 16 umfasst Zähne 20, die gleichmäßig winklig verteilt sind. Diese Zähne 20 begrenzen Nuten 24, so dass jede Nut 24 durch zwei aufeinanderfolgende Zähne 20 begrenzt ist. Die Nuten 24 öffnen sich axial zu den axialen Stirnflächen des Körpers 16. Die Nuten 24 sind ebenfalls radial zum Inneren des Körpers 16 hin offen.
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Der Stator 15 ist an den Seiten der freien Enden der Zähne 20 mit Polschuhen 25 ausgestattet. Jeder Polschuh 25 erstreckt sich in Umfangsrichtung auf beiden Seiten eines entsprechenden Zahnes 20.
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Die Bewicklung 17 wird beispielsweise aus emaillierten Endlosdrähten oder aus stabförmigen Leiterelementen 26 erhalten, die durch Schweißen miteinander verbunden sind. Alternativ sind die Phasen der Maschine aus einzelnen Spulen gebildet, die jeweils um einen Statorzahn 20 gewickelt sind.
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In dem Fall, der in 2 dargestellt ist, umfasst die Bewicklung 17 zwei dreiphasige Wicklungsgruppen U1, V1, W1 und U2, V2, W2. Die Wicklungen einer Gruppe U1, V1, W1 oder U2, V2, W2 sind miteinander im Dreieck verschaltet. Jede Wicklungsgruppe U1, V1, W1 und U2, V2, W2, W2, W2 ist einem Wechselrichter 28.1, 28.2 zugeordnet. Jeder Wechselrichter 28.1, 28.2 umfasst drei Brückenzweige 29 (einen pro Phase), die in bekannter Weise einen oberen Schalter 30.1 und einen unteren Schalter 30.2 aufweisen, um die entsprechende Phase selektiv mit dem Versorgungspotential der elektrischen Maschine oder mit Masse zu verbinden. Die Schalter 30.1, 30.2 haben z.B. die Form eines Transistors vom MOSFET-Typ. Alternativ kann die Bewicklung 17 eine einzige Gruppe von im Dreieck verschalteten Wicklungen oder mehr als zwei Gruppen von im Dreieck verschalteten Wicklungen umfassen.
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Darüber hinaus umfasst der Rotor 11 einen Körper 31, der aus einem axialen Stapel flacher Bleche gebildet ist, um Wirbelströme zu reduzieren. Der Körper 31 ist aus einem magnetischen Material gefertigt. Ein Außendurchmesser des Rotorkörpers 31 liegt beispielsweise zwischen 80 und 350 mm.
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Der Rotor 11 umfasst ferner Hohlräume 36, die dazu bestimmt sind, Permanentmagnete 37 aufzunehmen, die Magnetpole P bilden. In diesem Fall umfasst der Rotor 11 eine Polpaaranzahl P. Vorteilhafterweise umfasst der Rotor 11 eine ungerade Anzahl von Polpaaren P, insbesondere fünf Polpaare. Durch eine solche Rotorkonfiguration 11 wird die Oberwellenreduzierung optimiert.
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Jeder Pol P wird durch mindestens zwei Permanentmagnete 37 gebildet, die im Querschnitt eine mindestens ein V umfassende Form definieren. Mit „Form umfassend mindestens ein V' ist gemeint, dass die Längsachsen X1, X2 mindestens einer Gruppe von zwei Magneten 37 des Pols P im Längsschnitt einen Winkel A1 zwischen sich einschließen, der ungleich null ist. Die entsprechenden Hohlräume 36 sind in diesem Fall voneinander getrennt. Alternativ könnten die Hohlräume 36 auf der Höhe der Spitze des V ineinander übergehen. Alternativ sind die Pole P jeweils aus mehreren Gruppen, insbesondere zwei Gruppen, von Magneten gebildet, die mindestens zwei ineinander verschachtelte V definieren.
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Die Permanentmagnete 37 können je nach Anwendung und geforderter Leistung der Maschine 10 aus Ferrit oder seltenen Erden hergestellt sein. Alternativ können die Permanentmagnete leicht unterschiedlich sein, um die Kosten zu senken.
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Vorteilhafterweise umfasst der Rotor 11 mindestens zwei Zonen Z1, Z2 entferntem Magnetmaterial. Die beiden Zonen Z1, Z2 sind zwischen den beiden Magneten 37 eines Pols P und einem Außenumfang des Rotors 11 angeordnet. Die beiden Zonen Z1, Z2 sind auf beiden Seiten einer Symmetrieachse X3 des Pols P angeordnet. Diese Symmetrieachse X3 kann eine Radialachse in Bezug auf die Rotorachse sein. Vorteilhafterweise trennt die Symmetrieachse X3 des Pols P die beiden Zonen Z1, Z2, ohne sie zu durchlaufen. Vorteilhafterweise erstrecken sich die Zonen Z1, Z2 entferntem Materials axial über mindestens zwei Drittel einer axialen Höhe des Rotorkörpers 31. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante durchlaufen die Zonen Z1, Z2 axial den Rotorkörper 31 vollständig.
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Die Zonen Z1 und Z2 können gemäß einer oder mehreren regelmäßigen Formen vom Typ Kreis, Polygon, Ellipse oder gemäß irgendeinem Muster ausgeführt sind. In dem dargestellten Beispiel sind die Zonen Z1 und Z2 mit einem nichtferromagnetischen, zum Beispiel amagnetischen Material, insbesondere Luft, gefüllt.
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Ein erster kürzester Abstand L1 zwischen einem Außenumfang einer Zone Z1 oder Z2 und dem Spalt 13 liegt zwischen der Hälfte der Dicke E des Spalts 13 und dem Dreifachen der Dicke E des Spalts 13.
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Ein zweiter kürzester Abstand L2 zwischen einem Außenumfang einer Zone Z1 oder Z2 und dem am nächsten gelegenen Magneten 37 liegt zwischen dem Einfachen der Dicke E des Spalts 13 und dem Zehnfachen der Dicke E des Spaltes 13.
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Zusätzlich ist ein Winkel A2, gebildet durch:
- - ein Segment S1, das durch eine Achse des Rotors 11 und denjenigen Punkt einer Zone Z1 eines Pols P verläuft, der dem Spalt 13 am nächsten liegt, und
- - ein Segment S2, das durch die Achse des Rotors 11 und denjenigen Punkt der anderen Zone Z2 des Pols P verläuft, der dem Spalt 13 am nächsten liegt,
- - gleich dem K-fachen einer Zahnteilung des Stators 15, wobei K eine ganze Zahl größer oder gleich 1 ist. Es wird daran erinnert, dass eine Zahnteilung gleich 360 Grad geteilt durch die Anzahl der Statorzähne 20 ist.
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Die 3a und 3b zeigen grafische Darstellungen der Stromsignale der Phasen, die jeweils mit einem konventionellen Rotor 11 ohne Zonen entferntem Magnetmaterials (siehe Kurve lph_edt) und einem Rotor gemäß der Erfindung mit zwei Zonen Z1, Z2 entferntem Magnetmaterials pro Rotorpol P (siehe Kurve Iph_inv) erhalten wurden.
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Die 4 zeigt das Niveau der Oberwellen in diesen Signale lph_edt und Iph_inv. Es ist zu erkennen, dass das Niveau der Oberwelle dritter Ordnung bei einem erfindungsgemäßen Rotor 11 niedriger ist als bei einem konventionellen Rotor ohne Zonen entferntem Magnetmaterials.
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Die Joule-Verluste der Maschine Pj werden durch die folgende Relation ausgedrückt: Pj=m×R× l2, wobei m die Anzahl der Phasen der Maschine ist, R der Wicklungswiderstand einer Phase ist und I der Effektivwert des Stroms ist.
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Der Effektivwert des Stroms hängt stark von seinem Oberwellengehalt. Folglich reduziert die Reduzierung der Amplitude der Oberwellen der Ordnung größer als 1 nicht nur den Effektivwert des in den Statorwicklungen 15 fließenden Stroms, sondern auch den Wert der Verluste bei hohen Geschwindigkeiten.
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Selbstverständlich ist die vorstehende Beschreibung ausschließlich als Beispiel gegeben und schränkt das Gebiet der Erfindung nicht ein, welches man nicht verlassen würde, indem man die verschiedenen Elemente durch ganz andere Äquivalente ersetzt.
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Darüber hinaus können die verschiedenen Merkmale, Ausführungsvarianten und/oder Realisierungsformen der vorliegenden Erfindung in verschiedenen Kombinationen miteinander verbunden werden, sofern sie nicht unvereinbar sind oder sich gegenseitig ausschließen.
