DE102019132651A1 - Electric hybrid synchronous machine with alternating electric and permanent magnetic rotor pole excitation and motor vehicle - Google Patents

Electric hybrid synchronous machine with alternating electric and permanent magnetic rotor pole excitation and motor vehicle Download PDF

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Norman Borchardt
Korbinian König-Petermaier
Guenter Georg Schlangen
Maximilian Martens
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    • H02K1/2753Inner rotor where the magnetisation axis of the magnets is radial or tangential consisting of a plurality of circumferentially positioned magnets consisting of magnets or groups of magnets arranged with alternating polarity
    • H02K1/276Magnets embedded in the magnetic core

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rotor (4) für eine hybrid erregte Synchronmaschine (1) mit Schenkelpolgeometrie, aufweisend:
- ein Rotorblechpaket (6) mit einem Jochring (7) und mehreren, entlang eines Umfangs des Jochrings (7) an dem Jochring (7) angeordneten Schenkelpolen (8, 9),
- Erregerwicklungen zur Erzeugung eines elektrisch erregten magnetischen Flusses und
- Permanentmagnetanordnungen (10), welche jeweils zumindest einen Permanentmagneten (11) zur Erzeugung eines permanent erregten magnetischen Flusses aufweisen,
wobei ein hybrid erregter magnetischer Fluss mittels des elektrisch erregten Flusses und des permanent erregten magnetischen Flusses bereitstellbar ist, und
wobei die Erregerwicklungen an ersten Schenkelpolen (8) angeordnet sind und die Permanentmagnetanordnungen (10) in zweite Schenkelpole (9) eingebettet sind, wobei die ersten Schenkelpole (9) und die zweiten Schenkelpole (10) abwechselnd zueinander entlang des Umfangs des Jochrings (7) angeordnet sind.
Figure DE102019132651A1_0000
The invention relates to a rotor (4) for a hybrid excited synchronous machine (1) with salient pole geometry, comprising:
- A rotor core (6) with a yoke ring (7) and several salient poles (8, 9) arranged along a circumference of the yoke ring (7) on the yoke ring (7),
- Excitation windings for generating an electrically excited magnetic flux and
- Permanent magnet arrangements (10), each of which has at least one permanent magnet (11) for generating a permanently excited magnetic flux,
wherein a hybrid excited magnetic flux can be provided by means of the electrically excited flux and the permanently excited magnetic flux, and
wherein the excitation windings are arranged on first salient poles (8) and the permanent magnet arrangements (10) are embedded in second salient poles (9), the first salient poles (9) and the second salient poles (10) alternating with one another along the circumference of the yoke ring (7) are arranged.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Hybrid- Synchronmaschine mit Schenkelpolgeometrie, welcher Erregerwicklungen zur Erzeugung eines elektrisch erregten magnetischen Flusses sowie Permanentmagnetanordnungen zur Erzeugung eines permanenterregten magnetischen Flusses aufweist. Die Erfindung betrifft außerdem eine hybrid erregte Synchronmaschine sowie ein Kraftfahrzeug.The invention relates to a rotor for an electric hybrid synchronous machine with salient pole geometry, which has exciter windings for generating an electrically excited magnetic flux and permanent magnet arrangements for generating a permanently excited magnetic flux. The invention also relates to a hybrid excited synchronous machine and a motor vehicle.
  • Vorliegend richtet sich das Interesse auf hybriderregte elektrische Rotationsmaschinen, welche beispielsweise als Traktionsmaschinen für elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge eingesetzt werden können. Elektrische Rotationsmaschinen weisen einen Stator und einen gegenüber dem Stator drehbar gelagerten Rotor auf. Bei elektrisch erregten bzw. fremderregten elektrischen Rotationsmaschinen wird ein magnetischer Fluss im Rotor durch Bestromen von Erregerwicklungen des Rotors erzeugt. Der durch Variation des elektrischen Stromes in den Erregerwicklungen bzw. Rotorwicklungen erzeugte magnetische Erregerfluss kann in vorteilhafter Weise variabel eingestellt werden und stellt somit einen Freiheitsgrad bei der Betriebspunktbestimmung der elektrischen Rotationsmaschine dar. Aus dem elektrischen Widerstand der Rotorwicklungen resultieren jedoch ohmsche Verluste, welche den Rotor erwärmen. Bei einer Verwendung von elektrisch erregten bzw. fremderregten Rotationsmaschinen als Antriebsmaschinen schränken die Verluste im Rotor zum einen die erreichbare mechanische Dauerleistung sowie das erreichbare mechanische Dauerdrehmoment der Maschine ein und beeinflussen zum anderen maßgeblich die Effizienz der elektromechanischen Wandlung.In the present case, interest is directed towards hybrid-excited electric rotary machines, which can be used, for example, as traction machines for electrically driven motor vehicles. Rotary electric machines have a stator and a rotor which is rotatably mounted with respect to the stator. In electrically excited or separately excited electric rotating machines, a magnetic flux is generated in the rotor by energizing the exciter windings of the rotor. The magnetic excitation flux generated by varying the electric current in the excitation windings or rotor windings can advantageously be set variably and thus represents a degree of freedom in determining the operating point of the electric rotating machine. The electrical resistance of the rotor windings, however, results in ohmic losses which heat the rotor . When using electrically excited or separately excited rotating machines as drive machines, the losses in the rotor limit the achievable continuous mechanical power and the achievable mechanical continuous torque of the machine and have a significant influence on the efficiency of the electromechanical conversion.
  • Bei permanenterregten elektrischen Rotationsmaschinen wird der magnetische Erregerfluss durch Permanentmagnete erzeugt. Hier wird keine Rotorwicklung benötigt, jedoch wird teures und zum Teil seltenes Aktivmaterial für die Herstellung der Permanentmagnete benötigt. Daher ist es aus dem Stand der Technik bekannt, hybrid erregte elektrische Rotationsmaschinen bereitzustellen, welche im Rotor sowohl Erregerwicklungen zur elektrischen Erregung als auch Permanentmagnete zur permanenten Erregung aufweisen.In permanent-magnet rotary electric machines, the magnetic excitation flux is generated by permanent magnets. No rotor winding is required here, but expensive and sometimes rare active material is required for the manufacture of the permanent magnets. It is therefore known from the prior art to provide hybrid-excited electrical rotating machines which have both excitation windings for electrical excitation and permanent magnets for permanent excitation in the rotor.
  • Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Rotor für eine hybrid erregte Rotationsmaschine bereitzustellen, bei welchem Erregerwicklungen und Permanentmagnete hinsichtlich ihres Zusammenwirkens besonders günstig zueinander positioniert sind.It is the object of the present invention to provide a rotor for a hybrid-excited rotary machine in which the excitation windings and permanent magnets are positioned particularly favorably with respect to their interaction with one another.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Rotor, eine hybrid erregte Synchronmaschine sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figur.According to the invention, this object is achieved by a rotor, a hybrid excited synchronous machine and a motor vehicle with the features according to the respective independent claims. Advantageous embodiments of the invention are the subject of the dependent claims, the description and the figure.
  • Ein erfindungsgemäßer Rotor für eine hybrid erregte Synchronmaschine mit Schenkelpolgeometrie weist ein Rotorblechpaket mit einem Jochring und mehreren, entlang eines Umfangs des Jochrings an dem Jochring angeordneten Schenkelpolen auf. Außerdem weist der Rotor Erregerwicklungen zur Erzeugung eines elektrisch erregten magnetischen Flusses und Permanentmagnetanordnungen, welche jeweils zumindest einen Permanentmagneten zur Erzeugung eines permanent erregten magnetischen Flusses aufweisen, auf. Ein hybrid erregter magnetischer Fluss ist durch Überlagerung des elektrisch erregten magnetischen Flusses und des permanent erregten magnetischen Flusses bereitstellbar. Dabei sind die Erregerwicklungen an ersten Schenkelpolen angeordnet und die Permanentmagnetanordnungen sind in zweite Schenkelpole eingebettet, wobei die ersten Schenkelpole und die zweiten Schenkelpole abwechselnd zueinander entlang des Umfangs des Jochrings angeordnet sind.A rotor according to the invention for a hybrid excited synchronous machine with salient pole geometry has a laminated rotor core with a yoke ring and a plurality of salient poles arranged along a circumference of the yoke ring on the yoke ring. In addition, the rotor has excitation windings for generating an electrically excited magnetic flux and permanent magnet arrangements which each have at least one permanent magnet for generating a permanently excited magnetic flux. A hybrid excited magnetic flux can be provided by superimposing the electrically excited magnetic flux and the permanently excited magnetic flux. The excitation windings are arranged on first salient poles and the permanent magnet arrangements are embedded in second salient poles, the first salient poles and the second salient poles being arranged alternately with one another along the circumference of the yoke ring.
  • Zur Erfindung gehört außerdem eine hybrid erregte Synchronmaschine mit Schenkelpolgeometrie aufweisend einen Stator und einen erfindungsgemäßen Rotor, wobei der Stator und der Rotor unter Ausbildung eines Luftspaltes beabstandet zueinander angeordnet sind und der Rotor drehbar bezüglich des Stators gelagert ist. Die Hybrid- Synchronmaschine kann beispielsweise als Traktionsmaschine eines elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugs verwendet werden. Insbesondere ist die Synchronmaschine als Innenläufer ausgebildet, bei welcher der Rotor innerhalb eines hohlzylinderförmigen Statorblechpakets des Stators drehbar gelagert ist.The invention also includes a hybrid excited synchronous machine with salient pole geometry having a stator and a rotor according to the invention, the stator and the rotor being arranged at a distance from one another forming an air gap and the rotor being rotatably mounted with respect to the stator. The hybrid synchronous machine can be used, for example, as a traction machine of an electrically drivable motor vehicle. In particular, the synchronous machine is designed as an internal rotor, in which the rotor is rotatably supported within a hollow-cylindrical laminated core of the stator.
  • Der Rotor bzw. der Schenkelpolläufer weist das Rotorblechpaket auf, welches vorzugsweise aus einem Elektroblech gebildet ist. Das Rotorblechpaket weist den Jochring bzw. das ringförmige Rotorjoch auf, welches zum Übertragen einer Rotation des Rotors, beispielsweise auf Räder des Kraftfahrzeugs, mit einer Welle mechanisch verbindbar ist. An dem Rotorjoch abstehend sind die ersten und die zweiten Schenkelpole entlang der Umfangsrichtung abwechselnd zueinander angeordnet. Im Falle eines Innenläufers sind die Schenkelpole entlang eines Außenumfangs des ringförmigen Rotorjochs verteilt angeordnet und stehen radial nach außen hin ab. Die Schenkelpolgeometrie der Synchronmaschine weist den Vorteil auf, dass zusätzlich ein Reluktanzmoment, bedingt durch unterschiedliche magnetische Reluktanzen entlang einer d- und q-Achse, erzeugt werden kann.The rotor or the salient pole rotor has the rotor core, which is preferably formed from an electrical sheet. The laminated rotor core has the yoke ring or the annular rotor yoke, which can be mechanically connected to a shaft in order to transmit a rotation of the rotor, for example to the wheels of the motor vehicle. Projecting from the rotor yoke, the first and the second salient poles are arranged alternately with one another along the circumferential direction. In the case of an internal rotor, the salient poles are arranged distributed along an outer circumference of the annular rotor yoke and protrude radially outward. The salient pole geometry of the synchronous machine has the advantage that a reluctance torque can also be generated due to different magnetic reluctances along a d- and q-axis.
  • Das Rotorjoch und die Schenkelpole sind insbesondere einteilig ausgebildet. Die ersten Schenkelpole tragen eine erste magnetfelderzeugende Komponente in Form von den Erregerwicklungen und die zweiten Schenkelpole tragen eine zweite magnetfelderzeugende Komponente in Form von den Permanentmagnetanordnungen. Die die Erregerwicklungen tragenden ersten Schenkelpole bilden dabei erste magnetische Pole, beispielsweise Nordpole, aus und die die Permanentmagnetanordnungen tragenden zweiten Schenkelpole bilden dabei zweite magnetische Pole, beispielsweise Südpole, aus.The rotor yoke and the salient poles are in particular formed in one piece. The first salient poles carry a first magnetic field generating component in the form of the excitation windings and the second salient poles carry a second magnetic field generating component in the form of the permanent magnet arrangements. The first salient poles carrying the excitation windings form first magnetic poles, for example north poles, and the second salient poles carrying the permanent magnet arrangements form second magnetic poles, for example south poles.
  • Die Erregerwicklungen können dabei um die ersten Schenkelpole gewickelt sein und in Nuten, welche zwischen zwei benachbarten Schenkelpolen gebildet sind, angeordnet sein. Zum Erzeugen des elektrisch erregten Flusses kann den Rotorwicklungen ein elektrischer Strom zugeführt werden. Die Permanentmagnetanordnungen weisen jeweils zumindest einen Permanentmagneten zur Erzeugung des magnetisch erregten Flusses auf. Der zumindest eine Permanentmagnet einer Permanentmagnetanordnung kann beispielsweise mittig in dem zweiten Schenkelpol auf einer d-Achse des Schenkelpols angeordnet sein. Im Falle von einem Permanentmagneten pro Permanentmagnetanordnung ist beispielsweise tangential orientiert und radial magnetisiert. Eine die geometrische Lage des Permanentmagneten beschreibende Orientierungsrichtung entspricht also der tangentialen Richtung und eine Magnetisierungsrichtung entspricht einer entlang der d-Achse orientieren radialen Richtung. Dadurch, dass die Erregerwicklungen an den ersten Schenkelpolen angeordnet sind und die Permanentmagnetanordnungen in die zweiten Schenkelpole eingebettet sind, weist die Hybrid- Synchronmaschine eine alternierende elektrische und permanentmagnetische Rotorpolerregung auf. Der elektrisch erregte magnetische Fluss und der permanent erregte magnetische Fluss können sich zu dem hybrid erregten magnetischen Fluss überlagern, welcher eine Luftspaltflussdichte im Luftspalt der Synchronmaschine erzeugt.The excitation windings can be wound around the first salient poles and arranged in grooves which are formed between two adjacent salient poles. To generate the electrically excited flux, an electrical current can be supplied to the rotor windings. The permanent magnet arrangements each have at least one permanent magnet for generating the magnetically excited flux. The at least one permanent magnet of a permanent magnet arrangement can, for example, be arranged centrally in the second salient pole on a d-axis of the salient pole. In the case of one permanent magnet per permanent magnet arrangement, it is oriented tangentially and magnetized radially, for example. A direction of orientation describing the geometric position of the permanent magnet thus corresponds to the tangential direction and a direction of magnetization corresponds to a radial direction oriented along the d-axis. Because the excitation windings are arranged on the first salient poles and the permanent magnet arrangements are embedded in the second salient poles, the hybrid synchronous machine has an alternating electrical and permanent magnetic rotor pole excitation. The electrically excited magnetic flux and the permanently excited magnetic flux can be superimposed to form the hybrid excited magnetic flux, which generates an air gap flux density in the air gap of the synchronous machine.
  • Die Permanentmagnetanordnungen sind dabei in die zweiten Schenkelpole eingebettet. Dazu weist jeder zweite Schenkelpol insbesondere zumindest eine Aussparung auf, welche sich zumindest teilweise axial durch das Rotorblechpaket hindurch erstreckt und in welcher der zumindest eine Permanentmagnet der zugehörigen Permanentmagnetanordnung angeordnet ist. Das Einbetten der Permanentmagnete in das Rotorblechpaket weist den Vorteil auf, dass es auf einfach Weise automatisiert durchgeführt werden kann. Beispielsweise können die Aussparungen durch Ausstanzen gebildet sein und die Permanentmagnete können durch einfaches axiales Einschieben mit anschließendem Durchsetzfügen in die Aussparungen am Rotorblechpaket angeordnet werden. Außerdem können durch das Einbetten der Permanentmagnetanordnungen in das Rotorblechpaket die Vorteile der Schenkelpolgeometrie der Synchronmaschine, welche eine sinusförmige Luftspaltflussdichte mit geringen harmonischen Oberwellen begünstigt, beibehalten werden.The permanent magnet arrangements are embedded in the second salient poles. For this purpose, every second salient pole has in particular at least one recess which extends at least partially axially through the laminated rotor core and in which the at least one permanent magnet of the associated permanent magnet arrangement is arranged. Embedding the permanent magnets in the rotor core has the advantage that it can be carried out in an automated manner in a simple manner. For example, the cutouts can be formed by punching and the permanent magnets can be arranged in the cutouts on the rotor core by simply pushing them axially with subsequent clinching. In addition, by embedding the permanent magnet arrangements in the rotor core, the advantages of the salient pole geometry of the synchronous machine, which favors a sinusoidal air gap flux density with low harmonic harmonics, can be retained.
  • Ferner weist die Einbettung der einzelnen Permanentmagnete im aktiven Kurzschlussfall, günstige Bedingungen auf, um ein Entmagnetisieren der Permanentmagnete zu verhindern. Falls es dennoch zur Entmagnetisierung und damit zum Ausfall der Permanentmagnete kommen sollte, können nur die Erregerwicklungen zur Rotorpolerregung und damit zur Drehmomentwandlung verwendet werden. Sollte es zum Ausfall der Erregerwicklungen, also der elektrischen Erregung, kommen, kann die Synchronmaschine zur Drehmomentwandlung weiterhin alleinig mit der permanentmagnetischen Erregung durch die Permanentmagnete betrieben werden. Wenn also eine der magnetfelderzeugenden Komponenten ausfällt und damit an diesem Schenkelpol weder ein Permanentmagnet noch eine Erregerwicklung funktionstüchtig bzw. aktiv ist, wird dieser Schenkelpol trotzdem genutzt, um den magnetischen Fluss, welcher von der funktionstüchtigen magnetfelderzeugenden Komponente im benachbarten Schenkelpol erzeugt wird, unter Ausbildung eines Magnetkreises zurück zu leiten.Furthermore, the embedding of the individual permanent magnets in the active case of a short circuit has favorable conditions in order to prevent demagnetization of the permanent magnets. In the event that the permanent magnets are demagnetized and thus fail, only the excitation windings can be used for rotor pole excitation and thus for torque conversion. Should the excitation windings fail, i.e. the electrical excitation, the synchronous machine for torque conversion can continue to be operated solely with the permanent magnetic excitation by the permanent magnets. So if one of the magnetic field generating components fails and thus neither a permanent magnet nor an excitation winding is functional or active at this salient pole, this salient pole is still used to generate the magnetic flux that is generated by the functional magnetic field generating component in the adjacent salient pole To conduct the magnetic circuit back.
  • Wenn nun beide magnetfelderzeugenden Komponenten funktionstüchtig sind und die permanentmagnetische und die elektrische Erregungen „zusammenarbeiten“, dann sind dieselben, oben beschriebenen Magnetkreise vorhanden, jedoch stärker ausgeprägt, da sich der permanent erregte magnetische Fluss und der elektrisch erregte magnetische Fluss überlagern. Das Überlagern der magnetischen Flüsse weist eine Vielzahl von weiteren Vorteilen auf. Zum einen kann der den Erregerwicklungen zugeführte elektrische Strom zum Erzeugen eines bestimmten Drehmoments im Vergleich zu einer rein elektrisch erregten Rotationsmaschine reduziert werden. Die Hybrid-Synchronmaschine ist also besonders energiesparend ausgebildet. Durch das Reduzieren des elektrischen Stroms werden auch ohmsche Verluste, welche den Rotor erwärmen und eine mechanische Dauerleistung, das erreichbare mechanische Dauerdrehmoment sowie die Effizienz einer Rotationsmaschine negativ beeinflussen, in vorteilhafter Weise verringert. Zum anderen können die Permanentmagnete im Vergleich zu rein permanent erregten Rotationsmaschinen mit einer geringeren Magnetmasse ausgebildet werden. Aufgrund der kleineren, leichteren Permanentmagnete können die Aussparungen zum Aufnehmen der Permanentmagnete nahe zum Außenrand des zweiten Schenkelpols platziert werden und Stege des zweiten Schenkelpols zwischen dem Permanentmagnet und dem Luftspalt somit möglichst schmal ausgeführt werden, da die beim Rotieren des Rotors auf die Stege ausgeübte Kraft im Vergleich zu großen, schweren Permanentmagneten von rein permanent erregten Rotationsmaschinen geringer ist.If both magnetic field-generating components are functional and the permanent magnetic and electrical excitations "work together", then the same magnetic circuits described above are present, but more pronounced, since the permanently excited magnetic flux and the electrically excited magnetic flux are superimposed. Superimposing the magnetic fluxes has a number of other advantages. On the one hand, the electrical current supplied to the exciter windings for generating a specific torque can be reduced in comparison to a purely electrically excited rotary machine. The hybrid synchronous machine is therefore designed to be particularly energy-saving. By reducing the electrical current, ohmic losses, which heat up the rotor and negatively influence continuous mechanical power, the achievable continuous mechanical torque and the efficiency of a rotary machine, are advantageously reduced. On the other hand, the permanent magnets can be designed with a lower magnet mass than purely permanently excited rotating machines. Due to the smaller, lighter permanent magnets, the recesses for accommodating the permanent magnets can be placed close to the outer edge of the second salient pole and webs of the second salient pole between the permanent magnet and the air gap can thus be made as narrow as possible, since they hit the webs when the rotor rotates The force exerted is lower than that of large, heavy permanent magnets in purely permanently excited rotating machines.
  • Es kann vorgesehen sein, dass die ersten Schenkelpole und die zweiten Schenkelpole unterschiedliche geometrische Formen aufweisen. So kann eine geometrische Form der Schenkelpole hinsichtlich der jeweiligen daran angeordneten magnetfelderzeugenden Komponente optimiert werden. Die ersten Schenkelpole können also dahingehend optimiert werden, dass sie eine Erregerwicklung tragen können, und die zweiten Schenkelpole können dahingehend optimiert werden, dass sie zum Einbetten der Permanentanordnung ausgelegt sind.It can be provided that the first salient poles and the second salient poles have different geometric shapes. In this way, a geometric shape of the salient poles can be optimized with regard to the respective magnetic field-generating component arranged thereon. The first salient poles can therefore be optimized in such a way that they can carry an excitation winding, and the second salient poles can be optimized in such a way that they are designed for embedding the permanent arrangement.
  • Vorzugsweise weisen die ersten Schenkelpole jeweils einen radial von dem Jochring abstehenden, parallelflankigen Polschaft und jeweils einen an dem Polschaft angeordneten Polschuh auf, wobei die Erregerwicklungen um die Polschäfte gewickelt sind. Dabei ist ein Außenrand des Polschuhs dem Luftspalt der Synchronmaschine zugewandt und der Polschaft ist zwischen dem Jochring und dem Polschuh angeordnet. Um die Polschäfte sind die Erregerwicklungen bzw. Rotorwicklungen gewickelt und werden bei einer Rotation des Rotors durch die Polschuhe auf den Polschäften gehalten. Der Außenrand des Polschuhs kann beispielsweise einen Krümmungsradius aufweisen, welcher mit einem Krümmungsradius eines Innenrands des Stators korrespondiert, sodass der Luftspalt zwischen dem Außenrand des Polschuhs und dem Innenrand des Stators homogen ist und entlang der Umfangsrichtung eine konstante Breite aufweist. Auch kann der Krümmungsradius des Außenrands des Polschuhs von dem Krümmungsradius des Innenrands des Stators abweichen, sodass der Luftspalt zwischen dem Außenrand des Polschuhs und dem Innenrand des Stators inhomogen ist und entlang der Umfangsrichtung eine veränderliche Breite aufweist.The first salient poles preferably each have a parallel-flanked pole shaft protruding radially from the yoke ring and a pole shoe each arranged on the pole shaft, the excitation windings being wound around the pole shafts. An outer edge of the pole piece faces the air gap of the synchronous machine and the pole shaft is arranged between the yoke ring and the pole piece. The excitation windings or rotor windings are wound around the pole shafts and are held on the pole shafts by the pole shoes when the rotor rotates. The outer edge of the pole piece can, for example, have a radius of curvature which corresponds to a radius of curvature of an inner edge of the stator, so that the air gap between the outer edge of the pole piece and the inner edge of the stator is homogeneous and has a constant width along the circumferential direction. The radius of curvature of the outer edge of the pole piece can also differ from the radius of curvature of the inner edge of the stator, so that the air gap between the outer edge of the pole piece and the inner edge of the stator is inhomogeneous and has a variable width along the circumferential direction.
  • Die zweiten Schenkelpole weisen insbesondere eine trapezförmige Form auf, wobei ein einem Luftspalt der Synchronmaschine zugewandter Außenrand bogenförmig ausgebildet ist. Flanken der zweiten Schenkelpole, welche Schenkel des gleichschenkligen Trapezes bilden, weiten sich dabei ausgehend vom Jochring in Richtung des Luftspaltes auf. Der bogenförmige Außenrand der zweiten Schenkelpole kann dabei, wie bereits im Zusammenhang mit dem Außenrand der Polschuhe beschrieben, einen Krümmungsradius aufweisen, welcher dem Krümmungsradius des Innenrads des Stators entspricht oder davon abweicht. Insbesondere weisen die Außenränder der Polschuhe der ersten Schenkelpole und die Außenränder der zweiten Schenkelpole denselben Krümmungsradius auf. Durch diese trapezförmige bzw. flügelförmige Ausgestaltung der zweiten Schenkelpole steht genug Magnetmaterial zur Verfügung, um die Permanentmagnete einfach in die zweiten Schenkelpole einbetten zu können. Dabei ist der zumindest eine Permanentmagnet der Permanentmagnetanordnung nahe des Außenrands platziert, sodass der Steg zwischen dem Außenrand und dem zumindest einen Permanentmagneten möglichst schmal ist, um magnetische Streuflüsse gering zu halten.The second salient poles have, in particular, a trapezoidal shape, an outer edge facing an air gap of the synchronous machine being arcuate. The flanks of the second salient poles, which form the legs of the isosceles trapezoid, widen, starting from the yoke ring, in the direction of the air gap. The arcuate outer edge of the second salient pole can, as already described in connection with the outer edge of the pole shoes, have a radius of curvature which corresponds to or deviates from the radius of curvature of the inner wheel of the stator. In particular, the outer edges of the pole shoes of the first salient poles and the outer edges of the second salient poles have the same radius of curvature. Because of this trapezoidal or wing-shaped configuration of the second salient poles, enough magnetic material is available to be able to easily embed the permanent magnets in the second salient poles. The at least one permanent magnet of the permanent magnet arrangement is placed near the outer edge, so that the web between the outer edge and the at least one permanent magnet is as narrow as possible in order to keep magnetic leakage fluxes low.
  • Es kann vorgesehen sein, dass jede Permanentmagnetanordnung zwei Permanentmagnete aufweist, wobei die Permanentmagnete symmetrisch bezüglich der d-Achse des zweiten Schenkelpols angeordnet sind. Die zwei Permanentmagnete einer Permanentmagnetanordnung liegen sich also in tangentialer Richtung gegenüber. Vorzugsweise sind die Permanentmagnete in einer V-Anordnung in dem zweiten Schenkelpol angeordnet. Es sind aber auch andere Anordnungen der Permanentmagnete in dem zweiten Schenkelpol denkbar.It can be provided that each permanent magnet arrangement has two permanent magnets, the permanent magnets being arranged symmetrically with respect to the d-axis of the second salient pole. The two permanent magnets of a permanent magnet arrangement are therefore opposite one another in the tangential direction. The permanent magnets are preferably arranged in a V arrangement in the second salient pole. However, other arrangements of the permanent magnets in the second salient pole are also conceivable.
  • Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen hybrid erregten Synchronmaschine. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug und weist die Synchronmaschine als Traktionsmaschine auf.The invention also relates to a motor vehicle with a hybrid excited synchronous machine according to the invention. The motor vehicle is in particular an electrically drivable motor vehicle and has the synchronous machine as a traction machine.
  • Die mit Bezug auf den erfindungsgemäßen Rotor vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße hybrid erregte Synchronmaschine sowie für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.The embodiments presented with reference to the rotor according to the invention and their advantages apply accordingly to the hybrid-excited synchronous machine according to the invention and to the motor vehicle according to the invention.
  • Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Figur und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.Further features of the invention emerge from the claims, the figure and the description of the figures. The features and combinations of features mentioned above in the description as well as the features and combinations of features mentioned below in the description of the figures and / or shown alone in the figure can be used not only in the respectively specified combination, but also in other combinations or on their own.
  • Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt die einzige Figur 1 eine schematische Darstellung einer hybrid erregten Synchronmaschine 1.The invention will now be explained in more detail using a preferred exemplary embodiment and with reference to the drawing. It shows the only figure 1 a schematic representation of a hybrid excited synchronous machine 1 .
  • Die hybrid erregte Synchronmaschine 1 bzw. Hybrid- Synchronmaschine kann als Traktionsmaschine für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug verwendet werden. Die Synchronmaschine weist einen Stator 2 mit einem hohlzylinderförmigen Statorblechpaket 3 und einen innerhalb des Statorblechpakets 3 angeordneten Rotor 4 auf. In Statornuten 5 der Statorblechpakets 3 sind hier nicht gezeigte Statorwicklungen zur Erzeugung eines magnetischen Drehfelds angeordnet, welches den Rotor 4 in eine Drehbewegung versetzt. Der Rotor 4 weist ein Rotorblechpaket 6 mit einem Jochring 7 und ersten Schenkelpolen 8 und zweiten Schenkelpolen 9 auf, wobei die ersten und die zweiten Schenkelpole 8, 9 an dem Jochring 7 alternierend zueinander angeordnet sind. Die ersten Schenkelpole 8 bilden dabei erste magnetische Pole, beispielsweise Nordpole, aus und die zweiten Schenkelpole 9 bilden zweite magnetische Pole, beispielsweise Südpole, aus. Die ersten Schenkelpole 8 und die zweiten Schenkelpole 9 weisen dabei unterschiedliche geometrische Formen auf, sind jedoch insbesondere symmetrisch bezüglich einer d-Achse d ausgebildet. Die ersten Schenkelpole 8 weisen dabei eine erste magnetfelderzeugende Komponente in Form von hier nicht gezeigten Erregerwicklungen auf, welche einen elektrisch erregten magnetischen Fluss erzeugen, und die zweiten Schenkelpole 9 weisen eine zweite magnetfelderzeugende Komponente in Form von Permanentmagnetanordnungen 10 auf, welche einen permanent erregten magnetischen Fluss erzeugen. Die Permanentmagnetanordnungen 10 weisen hier pro zweitem Schenkelpol 9 zwei Permanentmagnete 11 auf.The hybrid excited synchronous machine 1 or hybrid synchronous machine can be used as a traction machine for an electric or hybrid vehicle. The synchronous machine has a stator 2 with a hollow cylindrical stator core 3rd and one inside the stator core 3rd arranged rotor 4th on. In stator slots 5 the stator core 3rd Stator windings, not shown here, are arranged to generate a rotating magnetic field, which drives the rotor 4th set in a rotary motion. The rotor 4th has a rotor core 6th with a yoke ring 7th and first salient pole 8th and second salient pole 9 on, the first and second salient poles 8th , 9 on the yoke ring 7th are arranged alternately to one another. The first salient pole 8th form first magnetic poles, for example north poles, and the second salient poles 9 form second magnetic poles, for example south poles. The first salient pole 8th and the second salient pole 9 have different geometric shapes, but are in particular designed symmetrically with respect to a d-axis d. The first salient pole 8th have a first magnetic field generating component in the form of excitation windings, not shown here, which generate an electrically excited magnetic flux, and the second salient poles 9 have a second magnetic field generating component in the form of permanent magnet arrangements 10 which generate a permanently excited magnetic flux. The permanent magnet arrangements 10 point here per second salient pole 9 two permanent magnets 11 on.
  • Die Permanentmagnete 11 sind eingebettete bzw. vergrabene Magnete und sind somit innerhalb von Aussparungen 12 in den zweiten Schenkelpolen 9 angeordnet. Die Permanentmagnete 11 einer Permanentmagnetanordnung 10 sind hier V-förmig in dem jeweiligen zweiten Schenkelpol 9 angeordnet. Eine Magnetisierungsrichtung der Permanentmagnete 11 ist dabei im Wesentlichen radial entlang der d-Achse d orientiert. The permanent magnets 11 are embedded or buried magnets and are therefore within recesses 12th in the second salient pole 9 arranged. The permanent magnets 11 a permanent magnet arrangement 10 are here V-shaped in the respective second salient pole 9 arranged. A direction of magnetization of the permanent magnets 11 is oriented essentially radially along the d-axis d.
  • Die zweiten Schenkelpole 9 weisen eine trapezförmige Form mit zwei schräg zueinander verlaufenden, sich in Richtung eines Luftspaltes 13 zwischen Rotor 4 und Stator 2 aufweitenden Flanken 14 sowie einem gekrümmten bzw. bogenförmigen, an den Luftspalt 13 angrenzenden Außenrand 15 auf. Die zweiten Schenkelpole 9 weisen somit eine flügelartige bzw. rotorblattartige Form auf.The second salient pole 9 have a trapezoidal shape with two inclined to each other, in the direction of an air gap 13th between rotor 4th and stator 2 widening flanks 14th as well as a curved or arched one to the air gap 13th adjacent outer edge 15th on. The second salient pole 9 thus have a wing-like or rotor blade-like shape.
  • Die ersten Schenkelpole 8 weisen jeweils einen Polschaft 16, welcher an den Jochring 7 angrenzt und um welchen die Erregerwicklung gewickelt ist, sowie einen Polschuh 17 auf, welcher an den Polschaft 16 angrenzt und welcher die Erregerwicklung bei einer Rotation des Rotors 4 auf dem Polschaft 16 hält. Flanken 18 der Polschäfte 16 sind dabei parallel zueinander orientiert und dem Luftspalt 13 zugewandte Außenränder 19 der Polschuhe 17 sind ebenfalls gekrümmt bzw. bogenförmig ausgebildet. Durch die unterschiedlich geformten ersten und zweiten Schenkelpole 8, 9 weisen Nuten 20 zwischen zwei benachbarten Schenkelpolen 8, 9, in welchen die Erregerwicklungen angeordnet sind, eine bezüglich einer q-Achse q asymmetrische Form auf.The first salient pole 8th each have a pole shaft 16 , which on the yoke ring 7th and around which the excitation winding is wound, and a pole piece 17th on which one to the pole shaft 16 adjoins and which the excitation winding when the rotor rotates 4th on the pole shaft 16 holds. Flanks 18th of the pole shafts 16 are oriented parallel to each other and the air gap 13th facing outer edges 19th the pole shoes 17th are also curved or arched. Due to the differently shaped first and second salient poles 8th , 9 have grooves 20th between two adjacent salient poles 8th , 9 , in which the excitation windings are arranged, have a shape which is asymmetrical with respect to a q-axis q.
  • In 1 sind außerdem beispielhaft zwei Magnetkreise M1, M2, gebildet durch magnetische Flüsse der ersten und/oder der zweiten magnetfelderzeugenden Komponente, schematisch dargestellt. Der Magnetkreis M1 schließt sich hier über einen zweiten Schenkelpol 9 und einen links benachbarten ersten Schenkelpol 8 und der Magnetkreis M2 schließt sich hier über denselben zweiten Schenkelpol 9 und einen rechts benachbarten ersten Schenkelpol 8. Die Magnetkreise M1, M2 können beispielsweise allein durch die permanent erregten magnetischen Flüsse der Permanentmagnete 11 erzeugt werden, für den Fall, dass die Erregerwicklungen der zweiten Schenkelpole 9 inaktiv sind. Auch können die Magnetkreise M1, M2 allein durch die elektrisch erregten magnetischen Flüsse der Erregerwicklungen erzeugt werden, für den Fall, dass die Permanentmagnete 11 der ersten Schenkelpole 8 inaktiv, beispielsweise entmagnetisiert, sind. Die Magnetkreise M1, M2 können aber auch durch die sich überlagernden magnetischen Flüsse der Erregerwicklungen und der Permanentmagnete 11 erzeugt werden, wobei die Stärke der durch beide magnetfelderzeugenden Komponenten erzeugte magnetische Fluss größer ist als der nur durch eine magnetfelderzeugende Komponente erzeugte Fluss.In 1 are also exemplary two magnetic circuits M1 , M2 , formed by magnetic fluxes of the first and / or the second magnetic field generating component, shown schematically. The magnetic circuit M1 closes here via a second salient pole 9 and a first salient pole adjacent to the left 8th and the magnetic circuit M2 closes here over the same second salient pole 9 and a first salient pole adjacent to the right 8th . The magnetic circuits M1 , M2 can, for example, solely through the permanently excited magnetic fluxes of the permanent magnets 11 are generated in the event that the excitation windings of the second salient pole 9 are inactive. The magnetic circuits can also M1 , M2 can be generated solely by the electrically excited magnetic fluxes of the excitation windings, in the event that the permanent magnets 11 of the first salient pole 8th are inactive, for example demagnetized. The magnetic circuits M1 , M2 but can also be caused by the overlapping magnetic fluxes of the excitation windings and the permanent magnets 11 are generated, the strength of the magnetic flux generated by both magnetic field-generating components is greater than the flux generated only by a magnetic field-generating component.

Claims (9)

  1. Rotor für eine hybrid erregte Synchronmaschine (1) mit Schenkelpolgeometrie, aufweisend: - ein Rotorblechpaket (6) mit einem Jochring (7) und mindestens zwei, entlang eines Umfangs des Jochrings (7) an dem Jochring (7) angeordneten Schenkelpolen (8, 9), - Erregerwicklungen zur Erzeugung eines elektrisch erregten magnetischen Flusses und - Permanentmagnetanordnungen (10), welche jeweils zumindest einen Permanentmagneten (11) zur Erzeugung eines permanent erregten magnetischen Flusses aufweisen, wobei ein hybrid erregter magnetischer Fluss durch Überlagerung des elektrisch erregten magnetischen Flusses und des permanent erregten magnetischen Flusses bereitstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Erregerwicklungen an ersten Schenkelpolen (8) angeordnet sind und die Permanentmagnetanordnungen (10) in zweite Schenkelpole (9) eingebettet sind, wobei die ersten Schenkelpole (9) und die zweiten Schenkelpole (10) abwechselnd zueinander entlang des Umfangs des Jochrings (7) angeordnet sind.A rotor for a hybrid excited synchronous machine (1) with salient pole geometry, comprising: a rotor core (6) with a yoke ring (7) and at least two salient poles (8, 9) arranged along a circumference of the yoke ring (7) on the yoke ring (7) ), - excitation windings for generating an electrically excited magnetic flux and - permanent magnet arrangements (10), which each have at least one permanent magnet (11) for generating a permanently excited magnetic flux, a hybrid excited magnetic flux by superimposing the electrically excited magnetic flux and the permanently excited magnetic flux can be provided, characterized in that the excitation windings are arranged on first salient poles (8) and the permanent magnet arrangements (10) are embedded in second salient poles (9), the first salient poles (9) and the second salient poles (10) are arranged alternately to one another along the circumference of the yoke ring (7) d.
  2. Rotor (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Schenkelpole (8) und die zweiten Schenkelpole (9) unterschiedliche geometrische Formen aufweisen.Rotor (4) Claim 1 , characterized in that the first salient poles (8) and the second salient poles (9) have different geometric shapes.
  3. Rotor (4) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Schenkelpole (8) jeweils einen radial von dem Jochring (7) abstehenden, parallelflankigen Polschaft (16) und jeweils einen an dem Polschaft (16) angeordneten Polschuh (17) aufweisen, wobei die Erregerwicklungen, um die Polschäfte (16) gewickelt sind.Rotor (4) Claim 1 or 2 , characterized in that the first salient poles (8) each one radially from the yoke ring (7) have protruding, parallel-flanked pole shaft (16) and in each case a pole shoe (17) arranged on the pole shaft (16), the excitation windings being wound around the pole shafts (16).
  4. Rotor (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweiten Schenkelpole (9) eine trapezförmige Form aufweisen, wobei ein einem Luftspalt (13) der Synchronmaschine (1) zugewandter Außenrand (15) bogenförmig ausgebildet ist.Rotor (4) according to one of the preceding claims, characterized in that the second salient poles (9) have a trapezoidal shape, an outer edge (15) facing an air gap (13) of the synchronous machine (1) being arcuate.
  5. Rotor (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder zweite Schenkelpol (9) zumindest eine Aussparung (12) aufweist, welche sich zumindest teilweise axial durch das Rotorblechpaket (6) erstreckt und in welcher der zumindest eine Permanentmagnet (11) der zugehörigen Permanentmagnetanordnung (10) angeordnet ist.Rotor (4) according to one of the preceding claims, characterized in that every second salient pole (9) has at least one recess (12) which extends at least partially axially through the rotor core (6) and in which the at least one permanent magnet (11) the associated permanent magnet arrangement (10) is arranged.
  6. Rotor (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Permanentmagnetanordnung (10) zwei Permanentmagnete (11) aufweist, wobei die Permanentmagnete (11) symmetrisch bezüglich einer d-Achse des zweiten Schenkelpols (9) angeordnet sind.Rotor (4) according to one of the preceding claims, characterized in that each permanent magnet arrangement (10) has two permanent magnets (11), the permanent magnets (11) being arranged symmetrically with respect to a d-axis of the second salient pole (9).
  7. Rotor (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Permanentmagnetanordnung (10) zwei Permanentmagnete (11) aufweist, welche in einer V-Anordnung in dem zweiten Schenkelpol (9) angeordnet sind.Rotor (4) according to one of the preceding claims, characterized in that each permanent magnet arrangement (10) has two permanent magnets (11) which are arranged in a V-arrangement in the second salient pole (9).
  8. Hybrid erregte Synchronmaschine (1) mit Schenkelpolgeometrie aufweisend einen Stator (2) und einen Rotor (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Hybrid excited synchronous machine (1) with salient pole geometry having a stator (2) and a rotor (4) according to one of the preceding claims.
  9. Kraftfahrzeug mit einer hybrid erregten Synchronmaschine (1) nach Anspruch 9.Motor vehicle with a hybrid excited synchronous machine (1) after Claim 9 .
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