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Die Erfindung betrifft einen Schenkelpolrotor für eine elektrisch erregte Synchronmaschine. Der Schenkelpolrotor weist ein Rotorblechpaket mit einem Jochring und mehreren, entlang eines Umfangs des Jochrings an dem Jochring angeordneten Schenkelpolen auf, welche jeweils einen radial von dem Jochring abstehenden Polschaft und jeweils einen an dem Polschaft angeordneten Polschuh aufweisen, wobei zwischen zwei benachbarten Schenkelpolen jeweils eine nutartige Pollücke ausgebildet ist. Außerdem weist der Schenkelpolrotor Rotorspulen zur Erzeugung eines elektrisch erregten magnetischen Flusses auf, welche um die Polschäfte gewickelt sind und in den an die Polschäfte angrenzenden Pollücken angeordnet sind. Ferner weist der Schenkelpolrotor Nutverschlusselemente auf, welche zum Verschließen der Pollücken an jeweils zwei benachbarten Polschuhen befestigt sind. Die Erfindung betrifft außerdem eine Synchronmaschine sowie ein Kraftfahrzeug.
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Vorliegend richtet sich das Interesse auf elektrisch erregte Synchronmaschinen mit Schenkelpolgeometrie, welche beispielsweise als Traktionsmaschinen für elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge eingesetzt werden können. Elektrisch erregte Synchronmaschinen in Schenkelpolbauweise weisen einen Stator und einen gegenüber dem Stator drehbar gelagerten Schenkelpolrotor auf. Ein solcher Schenkelpolrotor weist Schenkelpole mit Polschäften, um welche Rotorspulen gewickelt sind, sowie Polschuhe auf, welche die Rotorspulen auf den Polschäften halten. Durch Bestromen der Rotorspulen wird ein magnetischer Fluss erzeugt, welcher durch Variation des elektrischen Stromes in den Rotorspulen in vorteilhafter Weise variabel eingestellt werden kann und somit einen Freiheitsgrad bei der Betriebspunktbestimmung der Synchronmaschinen darstellt.
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Zum Erzeugen des Statorfelds werden dabei einzelne Stränge von Statorwicklungen des Stators mit sinusförmigen, zueinander phasenverschobenen Strangströmen gespeist, wobei die dreiphasigen Strangströme mit Hilfe der d/q-Transformation in d-Ströme und q-Ströme umgeformt werden können. Unter Last erfolgt für bestimmte d-Ströme und q-Ströme eine ungleichmäßige Verteilung der magnetischen Flussdichte im Luftspalt und in den Schenkelpolen. Dies hat zur Folge, dass zwischen den Polschuhen ein magnetischer Streufluss entstehen kann.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine besonders streuflussarme und effiziente Synchronmaschine bereitzustellen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Schenkelpolrotor, eine 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 Figuren.
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Ein erfindungsgemäßer Schenkelpolrotor für eine Synchronmaschine mit Schenkelpolgeometrie weist ein Rotorblechpaket mit einem Jochring und mehreren, entlang eines Umfangs des Jochrings an dem Jochring angeordneten Schenkelpolen auf, welche jeweils einen radial von dem Jochring abstehenden Polschaft und jeweils einen an dem Polschaft angeordneten Polschuh aufweisen. Zwischen zwei benachbarten Schenkelpolen ist jeweils eine nutartige Pollücke ausgebildet. Der Schenkelpolrotor weist außerdem Rotorspulen zur Erzeugung eines elektrisch erregten magnetischen Flusses auf, welche um die Polschäfte gewickelt sind und in den an die Polschäfte angrenzenden Pollücken angeordnet sind. Ferner weist der Schenkelpolrotor Nutverschlusselemente auf, welche zum Verschließen der Pollücken an jeweils zwei benachbarten Polschuhen befestigt sind. Die Nutverschlusselemente sind zumindest teilweise als Permanentmagnete ausgebildet, wobei die Permanentmagnete durch Erzeugung eines permanenterregten magnetischen Flusses zum einen dazu ausgelegt sind, einen hybrid erregten magnetischen Fluss durch Überlagerung des permanenterregten magnetischen Flusses mit dem elektrisch erregten Fluss bereitzustellen und zum anderen, um magnetische Streuflüsse zwischen den Schenkelpolen im Betrieb der Synchronmaschine zu reduzieren.
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Zur Erfindung gehört außerdem eine elektrisch erregte Synchronmaschine mit Schenkelpolgeometrie aufweisend einen Stator und einen erfindungsgemäßen Schenkelpolrotor, wobei der Stator und der Schenkelpolrotor unter Ausbildung eines Luftspaltes beabstandet zueinander angeordnet sind und der Schenkelpolrotor drehbar bezüglich des Stators gelagert ist. Die elektrisch erregte Synchronmaschine kann beispielsweise als Traktionsmaschine eines elektrisch betriebenen Kraftfahrzeugs verwendet werden. Insbesondere ist die Synchronmaschine als Innenläufer ausgebildet, bei welcher der Schenkelpolrotor innerhalb eines hohlzylinderförmigen Statorblechpakets des Stators drehbar gelagert ist.
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Der Schenkelpolrotor bzw. der Schenkelpolläufer weist das Rotorblechpaket auf, welches vorzugsweise aus mehreren Elektroblechen 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 Schenkelpole entlang der Umfangsrichtung abwechselnd zueinander und unter Ausbildung der Pollücken beabstandet zueinander angeordnet. Das Rotorjoch und die Schenkelpole sind insbesondere einteilig ausgebildet. 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 durch den Schenkelpol verlaufenden d-Achse und einer durch die Pollücke verlaufenden q-Achse, erzeugt werden kann.
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Die Schenkelpole weisen jeweils einen Polschaft bzw. Polkern und einen Polschuh auf, wobei ein Außenrand des Polschuhs dem Luftspalt der elektrisch erregten Synchronmaschine zugewandt ist und wobei der Polschaft zwischen dem Jochring und dem Polschuh angeordnet ist. Die Polschäfte sind vorzugsweise parallelflankig ausgebildet. Um die Polschäfte sind die Rotorspulen bzw. die Erregerwicklungen gewickelt und werden bei einer Rotation des Schenkelpolrotors durch die Polschuhe auf den Polschäften gehalten. Zum Erzeugen eines elektrisch erregten Flusses kann den Rotorspulen ein elektrischer Strom zugeführt werden. 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.
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Zwei benachbarte Polschuhe sind dabei beabstandet zueinander angeordnet, sodass die sich dazwischen befindliche Pollücke in Richtung des Luftspaltes offen ist. Um die Pollücke in Richtung des Luftspaltes zu verschließen und somit einen geschlossenen Außenrand des Rotorblechpakets auszubilden, sind die Öffnungen durch die Nutverschlusselemente verschlossen. Dabei ist jeweils ein Nutverschlusselement zwischen zwei benachbarten Polschuhen angeordnet. Die Nutverschlusselemente sind dabei zumindest teilweise als Permanentmagnete ausgebildet. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Nutverschlusselemente aus den Permanentmagneten bestehen. Zwischen zwei benachbarten Polschuhen des Schenkelpolrotors wird also jeweils ein Permanentmagnet eingebettet. Zum Befestigen der Nutverschlusselemente an dem Rotorblechpaket sind die Permanentmagnete beispielsweise mittels einer um das Rotorblechpaket verlaufenden Bandage zwischen den Polschuhen gehalten. Alternativ dazu können die Nutverschlusselemente Nutverschlusskeile aufweisen, welche eine Außenform der Nutverschlusselemente ausbilden und in welche die Permanentmagnete eingebettet sind. Hier erfolgt die Einbettung des Permanentmagnets also im Nutverschlusskeil, welcher die Pollücke zwischen den zwei Schenkelpolen verschließt. Die Nutverschlusskeile sind insbesondere aus einem magnetisch und elektrisch nicht leitenden Material, beispielsweise Kunststoff, ausgebildet. Die Nutverschlusskeile können dann zum Befestigen der Nutverschlusselemente an dem Rotorblechpaket mechanisch, insbesondere zumindest formschlüssig, mit den jeweiligen zwei Polschuhen verbunden sein.
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Die Einbettung der Permanentmagnete erfolgt dabei derart, dass die Vorteile der Schenkelpolgeometrie der Synchronmaschine, welche eine sinusförmige Luftspaltflussdichte mit geringen harmonischen Oberwellen begünstigt, beibehalten werden. Die Permanentmagnete sind vorzugsweise jeweils auf einer durch die Pollücke verlaufenden q-Achse angeordnet und senkrecht zur q-Achse magnetisiert. Anders ausgedrückt sind die Permanentmagnete tangential orientiert und tangential magnetisiert. Die Magnetisierung der Permanentmagnete erfolgt dabei in Überlagerung zu der elektrischen Erregung, erzeugt anhand des elektrischen Stromes in der Rotorspule. Durch die Überlagerung des elektrisch erregten und des permanenterregten magnetischen Flusses können zwei Effekte erzielt werden. Zum einen kann der magnetische Streufluss unter Last, durch das Entgegenwirken mittels einer permanentmagnetischen Polarisierung der Permanentmagnete, reduziert werden. Zum anderen bilden sich geringfügige magnetische Kreise zwischen dem Schenkelpolrotor und dem Stator aus, welche ebenfalls zur Drehmomentwandlung herangezogen werden können. Beide Effekte überlagern sich und ermöglichen eine Reduktion des elektrischen Stroms in der Rotorspule, um ein im Vergleich zu einer rein elektrischen Erregung äquivalentes Drehmoment zu wandeln. Dies hat zur Folge, dass geringere Verlustleistungen, bedingt durch den elektrischen Widerstand der Rotorspule, erzeugt werden und eine höhere Dauerleistung, ein höheres Dauermoment und eine höhere Effizienz erreichbar sind. Insgesamt besitzt die vorgeschlagene elektrisch erregte Synchronmaschine drei elektromechanische Wandlungsprinzipien, welche ein Drehmoment erzeugen können. Hierzu zählen ein Reluktanzmoment, bedingt durch unterschiedliche magnetische Reluktanzen entlang der d- und q-Achse, ein permanentmagnetisches Drehmoment, bedingt durch den magnetischen Fluss der Permanentmagnete, und ein elektrisch erregtes Drehmoment, bedingt durch den magnetischen Fluss erzeugt durch den elektrischen Strom in der Rotorspule.
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Die Erfindung betrifft außerdem ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Synchronmaschine. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug und weist die Synchronmaschine als Traktionsmaschine auf.
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Die mit Bezug auf den erfindungsgemäßen Schenkelpolrotor vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße Synchronmaschine sowie für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar. Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Synchronmaschine mit einer ersten Ausführungsform von Nutverschlusselementen; und
- 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform von N utversch lusselementen.
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In den Figuren sind gleiche sowie funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine Synchronmaschine 1, welche als Antriebsmaschine für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug verwendet werden kann. Die Synchronmaschine 1 weist einen Stator 2 mit einem hohlzylinderförmigen Statorblechpaket 3 und einen innerhalb des Statorblechpakets 3 angeordneten Schenkelpolrotor 4 auf. In Statornuten 5 des Statorblechpakets 3 sind hier nicht gezeigte Statorwicklungen zur Erzeugung eines magnetischen Drehfelds angeordnet, welches den Schenkelpolrotor 4 in eine Drehbewegung versetzt. Der Schenkelpolrotor 4 weist ein Rotorblechpaket 6 mit einem Jochring 7 und Schenkelpolen 8 auf, welche an dem Jochring 7 angeordnet sind. Die Schenkelpole 8 weisen jeweils einen Polschaft 9 sowie einen Polschuh 10 auf. Zwischen einem Außenrand 11 des Rotorblechpakets 6 und dem Statorblechpaket 3 ist ein Luftspalt 12 gebildet. Um jeden Polschaft 9 ist eine hier nicht gezeigte Erregerwicklung gewickelt, wobei die Erregerwicklungen in nutartigen Pollücken 13 zwischen zwei benachbarten Schenkelpolen 8 angeordnet sind. Durch Einprägen eines elektrischen Stroms in die Erregerwicklungen erzeugen diese einen elektrisch erregten magnetischen Fluss, welcher zu einer magnetischen Flussdichte im Luftspalt 12 beiträgt.
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Darüber hinaus weist der Schenkelpolrotor 4 Nutverschlusselemente 14 auf, welche zum Verschließen der Pollücken 13 zwischen Polschuhen 10 zweier benachbarter Schenkelpole 8 angeordnet ist. Die Nutverschlusselemente 14 sind gemäß 1 als Permanentmagnete 15 ausgebildet. In 2 ist ein Ausschnitt des Schenkelpolrotors 4 gezeigt, bei welchem die Nutverschlusselemente 14 einen Nutverschlusskeil 16 aufweisen, in welchen ein Permanentmagnet 15 eingebettet ist. Der Nutverschlusskeil 16 ist hier formschlüssig mit den Polschuhen 10 verbunden. Beispielsweise können die Polschuhe 10 nutartige Vertiefungen aufweisen, welche sich axial durch das Rotorblechpaket 6 erstrecken. Die Nutverschlusskeile 16 können Vorsprünge aufweisen, welche in die nutartigen Vertiefungen einschiebbar sind, sodass die Nutverschlusselemente 14 in radialer Richtung gehalten bzw. fixiert sind.
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Durch die Nutverschlusselemente 14 sind die Pollücken 13 in Richtung des Luftspaltes 12 abgeschlossen und der Außenrand 11 des Rotorblechpakets 6 bildet eine in Umfangsrichtung geschlossene Kurve. Die Permanentmagnete 15 sind auf einer q-Achse q angeordnet, welche durch die jeweilige Pollücke 13 verläuft. Eine d-Achse d verläuft durch die Schenkelpole 8. Die Magnetisierung der Permanentmagnete 15 erfolgt senkrecht zur q-Achse q. Die Permanentmagnete 15 erzeugen einen permanenterregten magnetischen Fluss, welcher sich mit dem elektrisch erregten Fluss überlagern kann. Dadurch kann die Synchronmaschine 1 hybrid erregt werden. Außerdem reduzieren die Permanentmagnete 15 magnetische Streuflüsse, welche beispielsweise aufgrund von bestimmten q- und d- Statorströmen zur Erzeugung des Drehfelds für eine ungleichmäßige Verteilung der magnetischen Flussdichte im Luftspalt 12 und in den Polschuhen 10 sorgen, indem die magnetischen Streuflüsse durch die Permanentmagnete 15 eingefangen werden.