DE102019123031A1

DE102019123031A1 - Rotor für eine elektrische Maschine und elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102019123031A1
Application number: DE102019123031.4A
Authority: DE
Inventors: Boris Dotz
Original assignee: Valeo Siemens eAutomotive Germany GmbH
Current assignee: Valeo eAutomotive Germany GmbH
Priority date: 2019-08-28
Filing date: 2019-08-28
Publication date: 2021-03-04
Also published as: JP2022546462A; CN114175460A; WO2021037809A1; KR20220047794A; EP4022743A1; US20220302778A1

Abstract

Rotor (1) für eine elektrische Maschine (16), welcher wenigstens zwei Pole und eine gerade Anzahl von N ≥ 6 gestaffelten Rotormodulen (2a-2f) aufweist, wobei die Rotormodule (2a-2f) für einen jeweiligen Pol eine Magnetkomponente (3a-3f; 3a-3h) aufweisen und Magnetkomponenten (3a-3f; 3a-3h), die denselben Pol ausbilden, eine jeweilige Magnetkomponentenanordnung (4a, 4b, 4f) bilden,- wobei das erste bis N-te Rotormodul (2a-2f) in aufsteigender Reihenfolge ihrer Benennung in axialer Richtung angeordnet sind,- wobei eine jeweilige zu einer der Magnetkomponentenanordnungen (4a) gehörende Magnetkomponente (3a-3f; 3a-3h) des ersten bis N-ten Rotormoduls (2a-2f) jeweils in einem Staffelungswinkel α1... αNin Umfangsrichtung angeordnet ist,- wobei die Staffelungswinkel αifür 1 ≤ i ≤ N/2 einen Wert αi= α0+k·β mit 0 ≤ k ≤ [(N/2)-1] aufweisen, α0eine feste Winkelposition in Umfangsrichtung ist, β ein fester Versatzwinkel ist und alle Staffelungswinkel αiunterschiedlich zueinander sind,- wobei die Staffelungswinkel αmfür [(N/2)+1] ≤ m ≤ N einen Wert αm= αN-m+1aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass der Staffelungswinkel αivon wenigstens zwei der zur Magnetkomponentenanordnung (4a) gehörenden Magnetkomponente (3b) ungleich α0+(i-1)·β ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine, welcher wenigstens zwei Pole und eine gerade Anzahl von N ≥ 6 gestaffelten Rotormodulen aufweist, wobei die Rotormodule für einen jeweiligen Pol eine Magnetkomponente aufweisen und Magnetkomponenten, die denselben Pol ausbilden, eine jeweilige Magnetkomponentenanordnung bilden, wobei das erste bis N-te Rotormodul in aufsteigender Reihenfolge ihrer Benennung in axialer Richtung angeordnet sind, wobei eine jeweilige zu einer der Magnetkomponentenanordnungen gehörende Magnetkomponente des ersten bis N-ten Rotormoduls jeweils in einem Staffelungswinkel α₁ ... α_N in Umfangsrichtung angeordnet ist, wobei die Staffelungswinkel α₁ für 1 ≤ i ≤ N/2 einen Wert α₁ = α₀+k·β mit 0 ≤ k ≤ [(N/2)-1] aufweisen, α₀ eine feste Winkelposition in Umfangsrichtung ist, β ein fester Versatzwinkel ist und alle Staffelungswinkel α_i unterschiedlich zueinander sind, wobei die Staffelungswinkel α_m für [(N/2)+1] ≤ m ≤ N einen Wert α_m = α_N-m+1 aufweisen.
Daneben betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine.
Gestaffelte Rotoren, bei denen sich ein jeweiliger Pol nicht durchgängig gerade in axialer Richtung erstreckt, dienen dazu, Rastmomente und eine Drehmomentwelligkeit beim Betrieb einer elektrischen Maschine zu reduzieren.
Das Dokument DE 10 2012 205 191 A1 offenbart beispielsweise einen Rotor mit einer Anordnung von sechs Polkomponenten, die in einer senkrecht zur Rotationsrichtung verlaufenden Schichtrichtung angeordnet sind. Zwischen einer ersten Polkomponente und einer zweiten Polkomponente besteht ein Versatz ebenso wie zwischen einer dritten Polkomponente und einer zweiten Polkomponente. Eine vierte Polkomponente weist keinen Versatz gegenüber der dritten Polkomponente auf. Eine fünfte Polkomponente und eine sechste Pokomponente weisen zu ihrem Vorgänger jeweils einen Versatz in die entgegengesetzte Richtung auf.
Eine solche symmetrische V-förmige Anordnung ermöglicht es, beim Drehbetrieb des Rotors entstehende axiale Kräfte auf das erste bis dritte Rotormodul durch nahezu betragsgleiche aber entgegengesetzt orientierte axiale Kräfte auf das vierte bis sechste Rotormodul auszugleichen. Dies führt jedoch zu einer messbaren axialen Deformation des Rotors, die Vibrationen und Schwingungen hervorrufen kann. In einem ungünstigen Fall kann die axiale Kraft so auf einen Stator übertragen werden, dass eine Eigenfrequenz des Stators angeregt wird, was insbesondere unter NVH-Gesichtspunkten (Noise, Vibration, Harshness - Geräusch, Vibration, Rauheit) unerwünscht ist.
Der Erfindung liegt mithin die Aufgabe zugrunde, eine unter NVH-Gesichtspunkten verbessert Möglichkeit zum Betrieb einer elektrischen Maschine anzugeben.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einem Rotor der eingangs genannten Art vorgesehen, dass der Staffelungswinkel α_i von wenigstens zwei der zur Magnetkomponentenanordnung gehörenden Magnetkomponente ungleich α₀+(i-1)·β ist.
Die zur Magnetkomponentenanordnungen gehörenden Magnetkomponenten sind jeweils im Staffelungswinkel α₁ ... α_N angeordnet, der ein Mittelpunktswinkel in einem zylindrischen Koordinatensystem ist. Das Koordinatensystem ist dabei für alle anderen Staffelungswinkel identisch. Ein jeweiliger Staffelungswinkel bezieht sich dabei auf einen vorgegebenen Punkt einer Magnetkomponente, der für alle Magnetkomponenten gleich ist. Dies kann bei plattenförmigen Magnetkomponenten beispielsweise ihr Mittelpunkt sein, auf dem der Winkel lotrecht stehen kann.
Die Staffelungswinkel α_i beziehen sich auf die zur Magnetkomponentenanordnung gehörenden Magnetkomponenten des ersten bis (N/2)-ten Rotormoduls. Diese Magnetkomponenten werden im Weiteren auch als erste Gruppe bezeichnet. Da die Staffelungswinkel α_i zueinander unterschiedlich sind, hat jede Magnetkomponente der ersten Gruppe einen anderen Staffelungswinkel. Mit anderen Worten kommt kein Staffelungswinkel in der ersten Gruppe mehrfach vor.
Die Staffelungswinkel α_m beziehen sich auf die zur Magnetkomponentenanordnung gehörenden Magnetkomponenten des [(N/2)+1]-ten bis N-ten Rotormoduls. Diese Magnetkomponenten werden im Weiteren auch als zweite Gruppe bezeichnet. Für diese gilt α_m = α_N-m+1. Das heißt, dass die zweite Gruppe bezüglich einer Symmetrieebene, die senkrecht auf der Achse des Koordinatensystems steht und zwischen dem (N/2)-ten und [(N/2)+1]-ten Rotormodul verläuft, spiegelsymmetrisch zur ersten Gruppe angeordnet ist.
Der erfindungsgemäße Rotor zeichnet sich dadurch aus, dass der Staffelungswinkel α_i von wenigstens zwei der zur Magnetkomponentenanordnung gehörenden Magnetkomponente ungleich α₀+(i-1)·β ist. Das heißt, dass die erste Gruppe und wegen der spiegelsymmetrischen Anordnung auch die zweite Gruppe in Umfangsrichtung wenigstens einen Versprung aufweisen. Mit anderen Worten ist wenigstens ein Paar von Staffelungswinkeln der ersten Gruppe im Vergleich zu Staffelungswinkeln einer nicht erfindungsgemäßen V-förmigen Anordnung, bei der die Magnetkomponenten der ersten Gruppe jeweils um einen festen Winkel zur vorangehenden Magnetkomponente versetzt sind, vertauscht. Aufgrund der spiegelsymmetrischen Anordnung kann man beim erfindungsgemäßen Rotor von einer M-, W-, oder zickzack-förmigen Anordnung der zur Magnetkomponentenanordnung gehörenden Magnetkomponenten sprechen.
Bei dem erfindungsgemäßen Rotor entstehen im Drehbetrieb entgegengesetzt orientierte axiale Kräfte innerhalb des ersten bis (N/2)-ten Rotormoduls, wohingegen bei der V-förmigen Anordnung die axialen Kräfte in innerhalb des ersten bis (N/2)-ten Rotormoduls und des [(N/2)+1]-ten bis N-ten Rotormoduls einheitlich orientiert sich. Bei dem erfindungsgemäßen Rotor findet so bereits ein zumindest teilweiser Ausgleich der axialen Kräfte innerhalb des ersten bis (N/2)-ten Rotormoduls einerseits und des [(N/2)+1]-ten bis N-ten Rotormoduls andererseits statt, was sich vorteilhafterweise günstig auf die Entstehung von Geräuschen und Vibrationen im Drehbetrieb auswirkt.
In der Regel ist N ≤ 20, bevorzugt N ≤ 12, besonders bevorzugt N ≤ 10. Der erfindungsgemäße Rotor weist bevorzugt wenigstens vier, besonders bevorzugt wenigstens sechs, ganz besonders bevorzugt wenigstens acht, Pole auf. Die Pole bzw. die Magnetkomponenten eines jeweiligen Rotormoduls bzw. die Magnetkomponentenanordnungen sind typischerweise äquidistant zueinander in Umfangsrichtung anordnet. In der Regel wechseln sich Nordpole bzw. Magnetkomponentenanordnungen, die radial außen einen Nordpol ausbilden, mit Südpolen bzw. Magnetkomponentenanordnungen, die radial außen einen Südpol ausbilden, in Umfangsrichtung ab. Typischerweise sind benachbarte Magnetkomponentenanordnungen überlappungsfrei. Sind bei der ersten Magnetkomponentenanordnung α_1,n = α_n mit 1 ≤ n ≤ N und sind α_2,n ... α_P,n für 2 ≤ p ≤ P jeweils ein Staffelungswinkel einer zur p-ten Magnetkomponentenanordnung gehörenden Magnetkomponente des n-ten Rotormoduls, wobei P die Anzahl der Pole ist, so gilt typischerweise α_p,n = α_n+[(p-1)·2π/P].
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Staffelungswinkel α_i von wenigstens drei der zur Magnetkomponentenanordnung gehörenden Magnetkomponente ungleich α₀+(i-1)·β ist. Es ist auch denkbar, dass der Staffelungswinkel α_i aller zur Magnetkomponentenanordnung gehörenden Magnetkomponenten des ersten bis (N/2)-ten Rotormoduls ungleich α₀+(i-1)·β ist.
Es kann beim erfindungsgemäßen Rotor vorgesehen sein, dass der Versatzwinkel von einer Abtriebsseite des Rotors aus betrachtet im Uhrzeigersinn positiv ist. Alternativ ist der Versatzwinkel von einer Abtriebsseite des Rotors aus betrachtet im Uhrzeigersinn negativ.
Bei bevorzugten Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Rotors ist α₁ = α₀. Anders gesprochen befindet sich die zur Magnetkomponentenanordnung gehörende Magnetkomponente des ersten Rotormoduls an einer Randposition in Umfangsrichtung.
Eine besonders aufwandsarme Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Rotors ergibt sich, wenn N = 6. Hier lässt sich freilich nur eine M- bzw. W-förmige Anordnung realisieren. Dabei werden im Detail folgende Ausführungen des Rotors, die jeweils in einer Zeile der folgenden Tabelle angegeben sind, bevorzugt:

α₁ = α₀+ α₂ = α₀+ α₃ = α₀+

0 2·β β

β 0 2·β

2·β 0 β

β 2·β 0
Davon ist es besonders bevorzugt, wenn α₂ = α₀+2·β und α₃ = α₀+β.
Allgemein kann für komplexere Rotoren vorgesehen sein, dass N ≥ 8 ist. Ein guter Kompromiss zwischen der Komplexität des Rotors und der Möglichkeit zur Gestaltung der Verteilung der axialen Kräfte ergibt sich, wenn N = 8.

Bei einem Rotor mit acht Rotormodulen sind jeweils folgende Ausgestaltungen möglich:

α₁ = α₀+	α₂ = α₀+	α₃ = α₀+	α₄ = α₀+
0	β	3·β	2·β
0	2·β	β	3·β
0	2·β	3·β	β
0	3·β	β	2·β
0	3·β	2·β	β
β	0	2·β	3·β
β	0	3·β	2·β
2·β	0	β	3·β
2·β	0	3·β	β
3·β	0	β	2·β
3·β	0	2·β	β
β	2·β	0	3·β
β	3·β	0	2·β
2·β	β	0	3·β
2·ß	3·β	0	β
3·β	β	0	2·β
3·β	2·β	0	β
β	2·β	3·β	0
β	3·β	2·β	0
2·β	β	3·β	0
2·β	3·β	β	0
3·β	β	2·β	0

Als besonders bevorzugte Ausgestaltungen sind für α₁ = α₀ dabei hervorzuheben,

- dass α₂ = α₀+β und α₃ = α₀+3·β und α₄ = α₀+2·β oder
- dass α₂ = α0+3·β und α₃ = α₀+2·β und α₄ = α₀+β oder
- dass α₂ = α0+3·β und α₃ = α₀+β und α₄ = α₀+2·β.

Eine besonders ausgeglichene Kraftverteilung bei N größer gleich 8 ergibt sich, wenn für jede Anordnung von [(N/2)-1] aufeinanderfolgenden Rotormodulen des ersten bis (N/2)-ten Rotormoduls höchstens [(N/2)-3] Paar oder Paare von unmittelbar benachbarten Magnetkomponenten der Magnetkomponentenanordnung um den einfachen Versatzwinkel zueinander versetzt sind.
Bei dem erfindungsgemäßen Rotor ist zweckmäßigerweise vorgesehen, dass die axiale Breite eines jeweiligen Rotormoduls wenigstens 5 mm, bevorzugt wenigstens 10 mm, besonders bevorzugt wenigstens 15 mm und/oder höchstens 45 mm, bevorzugt höchstens 35 mm, besonders bevorzugt höchstens 30 mm beträgt.
Außerdem kann beim erfindungsgemäßen Rotor vorgesehen sein, dass jedes Rotormodul ein Teilblechpaket aufweist, in dem die Magnetkomponenten, insbesondere eingebettet oder oberflächenmontiert, angeordnet sind. Die Teilblechpakete bilden typischerweise ein zusammenhängendes Rotorblechpaket aus.
Der Rotor kann auch eine Welle aufweisen.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird ferner gelöst durch eine elektrische Maschine, umfassend einen Stator und einen innerhalb des Stators angeordneten erfindungsgemäßen Rotor.
Dabei kann vorgesehen sein, dass der Stator eine Vielzahl von Statorzähnen aufweist. Bevorzugt sind die Statorzähne jeweils um einen Zahnwinkel voneinander beabstandet, wobei der Versatzwinkel β ein ganzzahliges positives Vielfaches des Zahnwinkels ist. Alternativ oder zusätzlich können die Statorzähne in axialer Richtung gerade verlaufen.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im folgenden beschriebenen Zeichnung. Diese sind schematische Darstellungen und zeigen:

1 eine Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Rotors;
2 eine geschnittene Detailansicht des in 1 gezeigten Rotors;
3 ein Staffelungsschema mit eingezeichneten Axialkräften des in 1 gezeigten Rotors;
4 ein Staffelungsschema mit eingezeichneten Axialkräften eines Rotors nach dem Stand der Technik.
5 bis 7 jeweils ein Staffelungsschema eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Rotors mit N = 6.
8 bis 10 jeweils ein Staffelungsschema mit eingezeichneten Axialkräften eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Rotors mit N = 8.
11 bis 29 jeweils ein Staffelungsschema eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Rotors mit N = 8.
30 eine Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine.

1 ist eine Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines Rotors 1.
Der Rotor weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel exemplarisch P = 6 Pole und eine gerade Anzahl von N = 6 gestaffelten Rotormodulen 2a bis 2f auf. Für einen jeweiligen Pol des Rotors 1 weist jedes Rotormodul 2a bis 2f eine Magnetkomponente auf, wobei Magnetkomponenten der Rotormodule 2a bis 2f, die denselben Pol ausbilden, eine Magnetkomponentenanordnung 4a, 4b, 4f bilden. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind in 1 nur eine Magnetkomponente 3a des ersten Rotormoduls 2a, eine Magnetkomponente 3b des zweiten Rotormoduls 2b, eine Magnetkomponente 3c des dritten Rotormoduls 2c, eine Magnetkomponente 3d des vierten Rotormoduls 2d, eine Magnetkomponente 3e des fünften Rotormoduls 2e und eine Magnetkomponente 3f eines sechsten Rotormoduls 2f, die zusammen eine erste Magnetkomponentenanordnung 4a bilden, mit Bezugszeichen versehen. Ersichtlich sind das erste bis sechste Rotormodul 2a bis 2f in aufsteigender Reihenfolge ihrer Benennung in axialer Richtung angeordnet.
Daneben zeigt 1 eine zweite Magnetkomponentenanordnung 4b und eine sechste Magnetkomponentenanordnung 4f, wobei sich eine dritte, eine vierte und eine fünfte Magnetkomponentenanordnung auf einer in 1 verdeckten Rückseite des Rotors 1 befinden. Die Magnetkomponenten 3a bis 3f der ersten Magnetkomponentenanordnung 4a, die Magnetkomponenten der dritten Magnetkomponentenanordnung und die Magnetkomponenten der fünften Magnetkomponentenanordnung bilden hier jeweils rein exemplarisch radial außen einen Nordpol aus, wohingegen die Magnetkomponenten der zweiten Magnetkomponentenanordnung 4b, die Magnetkomponenten der vierten Magnetkomponentenanordnung und die Magnetkomponenten der sechsten Magnetkomponentenanordnung 4f jeweils radial außen ein Südpol ausbilden.
Die Magnetkomponenten 3a bis 3f und die übrigen Magnetkomponenten sind als plattenförmige, in ein Blechpaket 5 des Rotors 1 eingebettete Permanentmagnete ausgebildet und in 1 sichtbar dargestellt sind. Der Rotor 1 weist ferner eine Welle 6 auf.
2 ist ein geschnittene Detailansicht des Rotors 1 von eine Abtriebsseite 7 (siehe 1) aus betrachtet. 2 zeigt dabei einen sektorähnlichen Ausschnitt im Bereich der ersten Magnetkomponentenanordnung 4a, in dem Projektionen der Magnetkomponenten 3a bis 3f dargestellt sind.
Die zur ersten Magnetkomponentenanordnung 4a gehörenden Magnetkomponenten 3a bis 3f sind jeweils in einem Staffelungswinkel α₁ ... α_N in Umfangsrichtung angeordnet. In 2 sind dazu drei im Uhrzeigersinn positive Winkel 8, 9, 10 bezogen auf eine Referenzwinkelposition 12 dargestellt. Der Winkel 8 kennzeichnet dabei die Staffelungswinkel α₁, α₆, in denen die Magnetkomponenten 3a und 3f angeordnet sind, der Winkel 9 kennzeichnet die Staffelungswinkel α₃, α₄, in denen die Magnetkomponenten 3c, 3d angeordnet sind, und der Winkel 10 kennzeichnet die Staffelungswinkel α₂, α₅, in denen die Magnetkomponenten 3b, 3e angeordnet sind. Dabei sind die Staffelungswinkel α₃, α₄ um einen Versatzwinkel β, dargestellt durch ein Winkel 11, und die Staffelungswinkel α₂, α₅ um den doppelten Versatzwinkel β größer als die Staffelungswinkel α₁, α₆. Formelmäßig ausgedrückt gilt: α₁ = α₀ und α₂ = α₀+2·β und α₃ = α₀+β, wobei α₀ eine Randposition in Umfangsrichtung der Magnetkomponente, hier der Magnetkomponente 3a, mit dem kleinsten betragsmäßigen Winkel beschreibt.
Mithin weisen die Staffelungswinkel α_i für 1 ≤ i ≤ 3 einen Wert α₁ = α₀+k·β mit 0 ≤ k ≤ 2 auf. Die Staffelungswinkel α_m für 4 ≤ m ≤ 6 weisen einen Wert α_m = α_7-m auf, wodurch sie spiegelsymmetrisch bezüglich einer Symmetrieebene 13 (siehe 1) verteilt sind. Insofern können die ersten drei bzw. N/2 Magnetkomponenten 3a, 3b, 3c auf einer Seite der Symmetrieebene 13 auch als erste Gruppe und die letzten drei bzw. N/2 Magnetkomponenten 3d, 3e, 3f auf der anderen Seite der Symmetrieebene 13 auch als zweite Gruppe bezeichnet werden.
Ersichtlich gilt für die zur ersten Magnetkomponentenanordnung 4a gehörenden Magnetkomponenten 3a, 3b, 3c, dass die Staffelungswinkel α₂ = α₀+2·β ≠ α₀+(2-1)·β und α₃ = α₀+β ≠ α₀+(3-1) sind. Dadurch wird ein Versprung in der Anordnung der Magnetkomponenten 3a bis 3c realisiert, der wegen der spiegelsymmetrischen Anordnung auch bei der Anordnung der Magnetkomponenten 3d bis 3f realisiert wird.
Allgemein gesprochen gilt für die erste Magnetkomponentenanordnung 4a, dass die Staffelungswinkel α_i für 1 ≤ i ≤ N/2 einen Wert α₁ = α₀+k·β mit 0 ≤ k ≤ [(N/2)-1] aufweisen und alle Staffelungswinkel α_i unterschiedlich zueinander sind, dass die Staffelungswinkel α_m für [(N/2)+1] ≤ m ≤ N einen Wert α_m = α_N-m+1 aufweisen, und dass der Staffelungswinkel α_i wenigstens einer der zur Magnetkomponentenanordnung gehörenden Magnetkomponente 3b, 3c ungleich α₀+(i-1)·β ist.
Wieder mit Bezug zu 1 ergibt sich durch den Versprung die gut erkennbare M-förmige Anordnung der Magnetkomponenten 3a bis 3f. Bei den übrigen Magnetkomponentenanordnungen 4b, 4f sind die jeweiligen Magnetkomponenten analog dazu angeordnet. Die einzelnen Staffelungswinkel der Magnetkomponenten der übrigen Magnetkomponentenanordnungen 4b, 4f sind hier um 60° oder allgemein um 360°/P in Umfangsrichtung gegenüber der vorangehenden Magnetkomponentenanordnung 4a, 4b versetzt.
3 ist ein Staffelungsschema des Rotors 1 mit eingezeichneten Axialkräften beim Drehbetrieb des Rotors 1. Ein Staffelungsschema illustriert dabei die Lageverhältnisse der Magnetelemente einer Magnetkomponentenanordnung repräsentativ für die übrigen Magnetkomponentenanordnungen in zweidimensionaler Form. Der Versatzwinkel β und axiale Abstände der Magnetkomponenten sind dabei rein exemplarisch. Im Wesentlichen werden durch das Staffelungsschema die Vielfachen des Versatzwinkels β der einzelnen Magnetkomponenten qualitativ dargestellt.
Die beim Drehbetrieb wirkenden Axialkräfte sind durch Pfeile 14a, 14b, 15a, 15b dargestellt. Dabei beziehen sich die Pfeile 14a, 14b auf Axialkräfte innerhalb der Rotormodule 2a, 2b, 2c, die auf der ersten Seite der Symmetrieebene 13 liegen, und die Pfeile 15a, 15b auf Axialkräfte innerhalb der Rotormodule 2d, 2e, 2f, die auf der anderen Seite der Symmetrieebene 13 liegen. Die Richtung der eingezeichneten Axialkräfte bezieht sich dabei auf einen exemplarischen Arbeitspunkt im Rotationsbetrieb des Rotors 1. Die Richtung einer jeweiligen eingezeichneten Axialkraft kann sich bei anderen Betriebspunkten umkehren, wobei jedoch ihre relative Anordnung zueinander erhalten bleibt.
Die spiegelsymmetrische Anordnung der Magnetkomponenten 3a bis 3f hat zunächst den Vorteil, dass sich die Axialkräfte über die gesamte Länge des Rotors 1 gegeneinander aufheben. Dies ist im Hinblick auf NVH-Anforderungen ein wesentlicher Vorteil. Es ist aber auch erkennbar, dass sich die durch die Pfeile 14a, 14b repräsentierten Axialkräfte einerseits und die durch die Pfeile 15a, 15b repräsentierten Axialkräfte andererseits teilweise gegenseitig kompensieren.
Zum Vergleich zeigt 4 ein Staffelungsschema eines Rotors nach dem Stand der Technik mit einer V-förmigen Anordnung von Magnetkomponenten. Erkennbar sind hier durch korrespondierende Pfeile 14', 15' dargestellte Axialkräfte zwar auch gleich groß. Es erfolgt aber keine Kompensation innerhalb von Rotormodulen auf einer jeweiligen Seite der Symmetrieebene 13'. Bei dem Rotor nach dem Stand der Technik ist eine axiale Deformation, die unerwünschte Vibrationen und Geräusche verursachen kann und auch eine stehende Welle auf einen Stator übertragen kann, wesentlichen größer als beim Rotor 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
In 4 verdeutlichen Doppelpfeile 16' außerdem, dass die Bedingung, wonach der Staffelungswinkel α_i von wenigstens zwei der zur Magnetkomponentenanordnung gehörenden Magnetkomponente ungleich α₀+(i-1)·β ist, bei diesem und den folgenden Ausführungsbeispielen als Vertauschen der Staffelungswinkel zweier Magnetkomponenten interpretiert werden kann.
Die 5 bis 7 sind jeweils ein Staffelungsschema eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Rotors mit N = 6.
Für die Staffelungswinkel α₁, α₂, α₃ gilt dabei jeweils:

α₁ = α₀+ α₂ = α₀+ α₃ = α₀+

5 β 0 2·β

6 β 2·β 0

7 2·β 0 β
Wegen der Spiegelsymmetrie lassen sich die weiteren Staffelungswinkel α₄, α₅, α₆ selbstverständlich analog daraus ermitteln. Mithin können die Ausführungsbeispiele gemäß 5 und 7 als W-förmige Anordnung und das Ausführungsbeispiel gemäß 6 als M-förmige Anordnung aufgefasst werden.
8 bis 29 sind jeweils ein Staffelungsschema eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Rotors mit N = 8, wobei in 8 bis 10 zusätzlich Axialkräfte entsprechend 3 eingezeichnet sind. Bei diesen Ausführungsbeispielen sind selbstverständlich ein siebtes und achtes Rotormodul vorgesehen. Ferner weist die erste Gruppe Magnetkomponenten 3a bis 3d mit Staffelungswinkeln α₁, α₂, α₃, α₄ und die zweite Gruppe Magnetkomponenten 3e bis 3h mit Staffelungswinkeln α₅, α₆, α₇, α₈ auf. Die übrigen Ausführungen zum ersten Ausführungsbeispiel gelten für die Ausführungsbeispiele mit N = 8 entsprechend, soweit im Folgenden nichts Abweichendes beschrieben ist.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 8 gilt α₁ = α₀, α₂ = α₀+β, α₃ = α₀+3·β und α₄ = α₀+2·β. Ersichtlich heben sich hier vorteilhafterweise die durch die Pfeile 14a, 14b repräsentierten Axialkräfte einerseits und die durch die Pfeile 15a, 15b repräsentierten Axialkräfte auf jeder Seite der Symmetrieebene 13 auf. Es liegt wiederum eine M-förmige Anordnung vor.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 9 gilt α₁ = α₀, α₂ = α₀+3·β und α₃ = α₀+2·β und α₄= α₀+β. Ersichtlich heben sich hier vorteilhafterweise die durch die Pfeile 14a, 14b repräsentierten Axialkräfte einerseits und die durch die Pfeile 15a, 15b repräsentierten Axialkräfte auf jeder Seite der Symmetrieebene 13 teilweise auf. Es liegt wiederum eine M-förmige Anordnung vor.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 10 gilt α₁ = α₀, α₂ = α₀+3·β, α₃ = α₀+β und α₄= α₀+2·β. Ersichtlich heben sich hier vorteilhafterweise die durch die Pfeile 14a, 14b, 14c repräsentierten Axialkräfte einerseits und die durch die Pfeile 15a, 15b, 15c repräsentierten Axialkräfte auf jeder Seite der Symmetrieebene 13 teilweise auf. Diese Anordnung kann als zickzack-förmig aufgefasst werden.

Bei den Ausführungsbeispielen gemäß 11 bis 29 wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit auf die Eintragung der Bezugszeichen 3a bis 3f und 13 verzichtet. Hier gilt im Einzelnen für die Staffelungswinkel α₁, α₂, α₃, α₄:

	α₁ = α₀+	α₂ = α₀+	α₃ = α₀+	α₄ = α₀+
11	0	2·β	β	3·β
12	0	2·β	3·β	β
13	β	0	3·β	2·β
14	β	0	2·β	3·β
15	β	3·β	0	2·β
16	β	3·β	2·β	0
17	β	2·β	0	3·β
18	β	2·β	3·β	0
19	2·β	0	β	3·β
20	2·β	0	3·β	β
21	2·β	β	0	3·β
22	2·β	β	3·β	0
23	2·β	3·β	0	β
24	2·β	3·β	β	0
25	3·β	0	β	2·β
26	3·β	0	2·β	β
27	3·β	β	0	2·β
28	3·β	β	2·β	0
29	3·β	2·β	0	β

Gemäß weiteren Ausführungsbeispielen eines Rotors, die im Übrigen einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele entsprechen, sind die Magnetkomponenten als oberflächenmontierte Permanentmagnete ausgebildet.
30 ist eine Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels einer elektrischen Maschine 16.
Die elektrische Maschine 16 umfasst einen Stator 17 mit Statornuten bzw. Statorzähnen 18. Typischerweise sind die Statornuten bzw. Statorzähne in axialer Richtung gerade. Innerhalb des Stators 17 ist ein Rotor 1 gemäß einem der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele drehbar angeordnet. Die Statorzähnen 18 sind jeweils um ein Zahnwinkel voneinander beabstandet, wobei der Versatzwinkel β ein ganzzahliges positives Vielfaches des Zahnwinkels ist.
Die elektrische Maschine 16 ist zum Antreiben eines Fahrzeugs, beispielsweise eines Elektrofahrzeugs oder eines Hybridfahrzeugs, eingerichtet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102012205191 A1 [0004]

Claims

Rotor (1) für eine elektrische Maschine (16), welcher wenigstens zwei Pole und eine gerade Anzahl von N ≥ 6 gestaffelten Rotormodulen (2a-2f) aufweist, wobei die Rotormodule (2a-2f) für einen jeweiligen Pol eine Magnetkomponente (3a-3f; 3a-3h) aufweisen und Magnetkomponenten (3a-3f; 3a-3h), die denselben Pol ausbilden, eine jeweilige Magnetkomponentenanordnung (4a, 4b, 4f) bilden, - wobei das erste bis N-te Rotormodul (2a-2f) in aufsteigender Reihenfolge ihrer Benennung in axialer Richtung angeordnet sind, - wobei eine jeweilige zu einer der Magnetkomponentenanordnungen (4a) gehörende Magnetkomponente (3a-3f; 3a-3h) des ersten bis N-ten Rotormoduls (2a-2f) jeweils in einem Staffelungswinkel α₁ ... α_N in Umfangsrichtung angeordnet ist, - wobei die Staffelungswinkel α_i für 1 ≤ i ≤ N/2 einen Wert α_i = α₀+k·β mit 0 ≤ k ≤ [(N/2)-1] aufweisen, α₀ eine feste Winkelposition in Umfangsrichtung ist, β ein fester Versatzwinkel ist und alle Staffelungswinkel α_i unterschiedlich zueinander sind, - wobei die Staffelungswinkel α_m für [(N/2)+1] ≤ m ≤ N einen Wert α_m = α_N-m+1 aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass der Staffelungswinkel α_i von wenigstens zwei der zur Magnetkomponentenanordnung (4a) gehörenden Magnetkomponente (3b) ungleich α₀+(i-1)·β ist.
Rotor nach Anspruch 1, wobei der Staffelungswinkel α_i von wenigstens drei der zur Magnetkomponentenanordnung (4a) gehörenden Magnetkomponente (3b, 3c) ungleich α₀+(i-1)·β ist.
Rotor nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Versatzwinkel β von einer Abtriebsseite (7) des Rotors (1) aus betrachtet im Uhrzeigersinn positiv oder negativ ist.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei α_i = α₀.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei N = 6.
Rotor nach den Ansprüche 4 und 5, wobei α₂ = α₀+2·β und α₃ = α₀+β.
Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei N ≥ 8.
Rotor nach Anspruch 7, wobei N = 8.
Rotor nach den Ansprüchen 4 und 8, wobei α₂ = α₀+β und α₃ = α₀+3·β und α₄ = α₀+2·β.
Rotor nach den Ansprüchen 4 und 8, wobei α₂ = α₀+3·β und α₃ = α₀+2·β und α₄ = α₀+β.
Rotor nach den Ansprüchen 4 und 8, wobei α₂ = α₀+3·β und α₃ = α₀+β und α₄ = α₀+2·β.
Rotor nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei für jede Anordnung von [(N/2)-1] aufeinanderfolgenden Rotormodulen (3a-3f; 3a-3h) ersten bis (N/2)-ten Rotormoduls (2a, 2b, 2c) höchstens [(N/2)-3] Paar oder Paare von unmittelbar benachbarten Magnetkomponenten (3a-3f; 3a-3h) der Magnetkomponentenanordnung (4a) um den einfachen Versatzwinkel β zueinander versetzt sind.
Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die axiale Breite eines jeweiligen Rotormoduls (2a-2f) wenigstens 5 mm, bevorzugt wenigstens 10 mm, besonders bevorzugt wenigstens 15 mm und/oder höchstens 45 mm, bevorzugt höchstens 35 mm, besonders bevorzugt höchstens 30 mm beträgt.
Elektrische Maschine (16), umfassend einen Stator (17) und einen innerhalb des Stators (17) angeordneten Rotor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Elektrische Maschine nach Anspruch 14, wobei der Stator (17) eine Vielzahl von Statorzähnen (18) aufweist, die jeweils um einen Zahnwinkel voneinander beabstandet sind, wobei der Versatzwinkel β ein ganzzahliges positives Vielfaches des Zahnwinkels ist.