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Gebiet der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug umfassend einen Stator und einen relativ zum Stator beweglichen Rotor, wobei der Stator und/oder der Rotor eine Vielzahl von Nuten, nämlich der Stator Statornuten und der Rotor Rotornuten, aufweisen, wobei die Statornuten durch jeweils benachbarte Statorzähne und die Rotornuten durch jeweils benachbarte Rotorzähne ausgebildet sind, wobei die Statorzähne jeweils einen Statorzahnkopf und die Rotorzähne jeweils einen Rotorzahnkopf aufweisen.
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Stand der Technik
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Elektrische Maschinen umfassen in der Regel einen gehäusefesten Stator sowie einen relativ dazu beweglichen Rotor. Der Rotor kann beispielsweise bezüglich des Stators drehbar gelagert oder linear dazu verschiebbar sein. Elektrische Maschinen werden den elektro-mechanischen Energiewandlern zugeordnet. Dabei können sie motorisch oder generatorisch arbeiten.
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Beispielsweise können elektrische Maschinen zum Antrieb von Kraftfahrzeugen eingesetzt werden. Hierbei ist es wünschenswert, bestimmte Eigenschaften des Betriebsverhaltens der elektrischen Maschine zu erzielen. Zu diesen Eigenschaften werden neben Drehmoment, Baugröße etc. unter anderem auch die akustischen Eigenschaften (Noise Vibration Harshness, NVH) gezählt.
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Da elektrische Maschinen im Kraftfahrzeugbereich zunehmend unter kleineren Bauraumbedingungen eingesetzt werden, finden elektromagnetische Anregungen der elektrischen Maschine zunehmend Bedeutung im Rahmen von vorgegebenen NHV-Anforderungen. Ein typisches Motordesign liefert eine Vielzahl an für das Design charakteristischen Anregungsfrequenzen.
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Das Dokument
DE 689 21 721 T2 offenbart beispielsweise einen elektronisch kommutierter Motor mit einer stationären Anordnung und einer drehbaren Anordnung, wobei die stationäre Anordnung Zähne aufweist, die durch Nuten voneinander getrennt sind und wobei in denen Köpfen der Zähne zumindest eine Vertiefung ausgebildet ist.
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Weiterhin offenbart das Dokument
DE 36 08 472 C2 eine elektrische Maschine, nämlich insbesondere einen Drehstromgenerator, mit einem Ständer, der Ständerzähne aufweist, die durch Nutschlitze voneinander beabstandet sind. Dieses Dokument offenbart ebenso eine Ausführungsvariante eines Ständers in der Schlitze in die Ständerzähne eingearbeitet sind, wobei diese Statorzähne regulär oder irregulär voneinander distanziert sind.
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Das Dokument
DE 10 2016 125 039 A1 offenbart beispielsweise einen Stator zur Anordnung gegenüber einem Rotor eines permanentmagneterregten Elektromotors mit einer Mehrzahl in Umfangsrichtung angeordneter Polsegmente bestehend aus jeweils einem Zahn mit einem Zahnsegment, wobei die Zahnsegmente unmittelbar benachbarter Polsegmente jeweils durch einen Nutschlitz bestimmter Breite zueinander beabstandet sind, wobei die Zahnsegmente der Zähne an ihrer jeweils dem Rotor zugewandten Stirnseite wenigstens zwei Ausnehmungen mit einer definierten Breite aufweisen und jede der beiden Ausnehmung einen spezifisch gewählten Abstand, gemessen in Umfangsrichtung von der Mitte dieser Ausnehmung zur Mitte des jeweils am nächsten benachbarten Nutenschlitzes besitzt.
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Das Dokument
EP 2 234 250 A1 offenbart eine elektrische Rotationsmaschine mit einem Rotor mit mehreren Permanentmagneten mit Magnetpolen und einem Stator mit mehreren Zahnabschnitten mit jeweils einem dem Rotor zugewandten vorderen Endabschnitt, wobei der Rotor eine Schrägstruktur mit einem Änderungsabschnitt, in dem sich die Grenzen zwischen den Magnetpolen in Bezug auf eine Rotationsachsenrichtung ändern, aufweist und wobei der vordere Endabschnitt von jedem der mehreren Zahnabschnitte des Stators einen Hilfsschlitz aufweist.
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Das Dokument
CN 1 06 026 579 A offenbart beispielsweise eine Rotorstruktur mit Rotorzähnen, die auf einem Rotorkern angeordnet sind, und Rotorschlitzen zwischen den Rotorzähnen, wobei die Rotorzähne mit Rotornuten versehen sind. Weiterhin offenbart dieses Dokument eine Statorstruktur mit Statorzähne, die auf einem Statorkern angeordnet sind, und Statorschlitzen zwischen den Statorzähnen, wobei die Statorzähne mit Statornuten versehen sind.
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Weiterhin ist in diesem Zusammenhang auch das Dokument
JP H03 - 198 641 A zu erwähnen, dass ebenso eine elektrische Maschine mit einem Rotor offenbart, dessen Zähne unterschiedlich breit ausgeführt sind.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung eine elektrische Maschine, insbesondere für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug anzugeben, deren charakteristische Anregungsfrequenzen minimiert werden, um so das Geräusch- und Betriebsschwingungsverhalten der elektrischen Maschine zu verbessern.
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Dieser Bedarf kann durch den Gegenstand der vorliegenden Erfindung gemäß dem unabhängigen ersten Anspruch gedeckt werden. Vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Die erfindungsgemäße elektrische Maschine umfasst einen Stator und einen relativ zu dem Stator beweglichen Rotor.
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Der Stator und/oder der Rotor weisen erfindungsgemäß eine Vielzahl von Nuten, nämlich der Stator Statornuten und der Rotor Rotornuten, auf, wobei die Statornuten durch jeweils benachbarte Statorzähne und die Rotornuten durch jeweils benachbarte Rotorzähne ausgebildet sind. Die Statorzähne und/oder die Rotorzähne und somit auch die Statornuten und/oder Rotornuten erstrecken sich in eine radiale Richtung.
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Die Statorzähne weisen erfindungsgemäß jeweils einen Statorzahnkopf und die Rotorzähne jeweils einen Rotorzahnkopf auf.
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Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist in zumindest einem Statorzahnkopf und/oder einem Rotorzahnkopf zumindest eine Nut ausgebildet.
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Entsprechend der vorliegenden Erfindung weist der Stator ein Statorblechpaket mit einer Vielzahl von axial gestapelten Statorblechen und/oder der Rotor ein Rotorblechpaket mit einer Vielzahl von axial gestapelten Rotorblechen auf.
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Die Richtungsangabe „axial“ beschreibt eine Richtung entlang oder parallel zu einer zentralen Achse des Statorblechpakets und/oder des Rotorblechpakets.
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Die Richtungsangabe „radial“ beschreibt eine Richtung normal zu der zentralen Achse eines Statorblechpakets und/oder eines Rotorblechpakets.
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Erfindungsgemäß sind die Statorbleche und/oder Rotorbleche über die axiale Anordnung zueinander verdreht axial gestapelt.
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Weiterhin erfindungsgemäß ist ein Statorblech und/oder ein Rotorblech an jedem axialen Ende des Statorblechpakets und/oder des Rotorblechpakets derart verdreht, dass dadurch ein axialer Verschluss der Nut ausgebildet ist.
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Die Nut kann als eine oberflächliche Nut oder als eine vergrabene Nut ausgebildet sein.
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Unter der Begrifflichkeit „oberflächliche Nut“ ist in diesem Zusammenhang eine Nut zu verstehen, die teilweise offen ausgeführt ist und teilweise von dem Statorzahn(kopf) und/oder dem Rotorzahn(kopf) umgeben ist. D.h. die oberflächliche Nut ist in der Oberfläche des Statorzahns im Bereich des Statorzahnkopfs und/oder des Rotorzahns im Bereich des Rotorzahnkopfs ausgebildet.
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Unter der Begrifflichkeit „vergrabene Nut“ ist in diesem Zusammenhang eine Nut zu verstehen, die vollständig von dem Statorzahn(kopf) und/oder dem Rotorzahn(kopf) umgeben ist. D.h. die vergrabene Nut ist in dem Statorzahn im Bereich des Statorzahnkopfs und/oder in dem Rotorzahn im Bereich des Rotorzahnkopfs ausgebildet.
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Die Nut kann in allen Statorzahnköpfen und/oder Rotorzahnköpfen ausgebildet sein.
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Bevorzugt ist die Nut in regulär distanzierten Statorzahnköpfen und/oder Rotorzahnköpfen, also beispielsweise in jedem zweiten Statorzahn und/oder Rotorzahn, oder in irregulär distanzierten Statorzahnköpfen und/oder Rotorzahnköpfen, also beispielsweise in einem ersten, einem zweiten einem fünften, einem siebten etc. Statorzahn und/oder Rotorzahn, ausgebildet.
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Die Nut kann in Bezug auf die Geometrie des Statorzahns und/oder Rotorzahns zentriert in dem Statorzahnkopf und/oder Rotorzahnkopf ausgebildet sein.
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Weiterhin kann die Nut in Bezug auf die Geometrie des Statorzahns und/oder Rotorzahns außermittig, d.h. dezentriert, in dem Statorzahnkopf und/oder Rotorzahnkopf ausgebildet sein.
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Ausgehend davon, dass in mehreren oder allen Statorzahnköpfen und/oder Rotorzahnköpfen jeweils zumindest eine Nut ausgebildet ist, können die Nuten in Bezug auf eine Mitte des Statorzahns und/oder Rotorzahns um eine identische Distanz für alle Statorzähne und/oder Rotorzähne versetzt ausgeführt sein oder für jeden Statorzahn und/oder Rotorzahn in Bezug auf die Mitte des Statorzahns und/oder Rotorzahns um eine Zufallsdistanz versetzt ausgeführt sein.
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Weiterhin ausgehend davon, dass in mehreren oder allen Statorzahnköpfen und/oder Rotorzahnköpfen jeweils zumindest eine Nut ausgebildet ist, können die Nuten jeweils gleich tief oder mit unterschiedlicher Tiefe ausgeführt sein.
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Weiterhin ausgehend davon, dass in mehreren oder allen Statorzahnköpfen und/oder Rotorzahnköpfen jeweils zumindest eine Nut ausgebildet ist, können die Nuten jeweils die gleiche Geometrie oder unterschiedliche Geometrien aufweisen.
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Vorzugsweise weisen die Statorzähne und/oder die Rotorzähne eine variable Zahnbreite auf. Derart kann eine Bauraumoptimierung bei gleichbleibend hoher Anzahl von Statornuten und/oder Rotornuten und damit eine bessere Effizienz der elektrischen Maschine erreicht werden. Durch die Variation in der Zahnbreite der Statorzähne ergibt sich ein niedrigerer Füllfaktor in der Statornut, was zu einer geringeren mechanischen Belastung der Wicklung führt. Dadurch entsteht weniger Ausschuss. Weiterhin ist eine niedrigere mechanische Belastung auf eventuelles Isolationspapier in der Statornut zu verzeichnen. Es wird auch eine höhere Statornutung bei einem gleichbleibenden Bauraum erreicht, um damit den Drehmomentrippel zu reduzieren und die Effizienz und Regelbarkeit bzw. Drehmomentstellgenauigkeit der elektrischen Maschine zu erhöhen. Weiterhin wird ein größerer Bauraum für die Wicklung in den Nuten möglich um mehr Kupfer einzusetzen, wodurch entweder die ohmschen Verluste reduziert oder mehr Flexibilität in der Wicklungsausführung erreicht werden kann und somit eine Steigerung des Wirkungsgrades bei niedrigen Drehzahlen erreicht werden kann. Zudem können durch eine optimierte Nutgestaltung die frequenzabhängigen Verluste durch Stromverdrängung erheblich reduziert werden, was zu einer signifikanten Verbesserung des Wirkungsgrades der elektrischen Maschine bei hohen Drehzahlen führt. Durch eine optimierte Zahngestaltung, zum Beispiel breitere Zähne, können die Eisenverluste aufgrund einer reduzierten Sättigung in den Zähnen reduziert werden. Durch die niedrigere Sättigung des Eisens verringert sich auch die flussdichtebedingte „Luftspaltvergrößerung“ und damit kann eine Drehmomenterhöhung erreicht werden. Das NVH-Verhalten kann durch diese Maßnahme ebenfalls verbessert werden.
Die zumindest eine Nut in dem Statorzahnkopf und/oder dem Rotorzahnkopf kann durch direktes Stanzen der Statorbleche und/oder Rotorbleche hergestellt sein.
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Alternativ dazu kann die zumindest eine Nut in dem Statorzahnkopf und/oder dem Rotorzahnkopf durch maschinelles Bearbeiten, wie zum Beispiel Fräsen, des Statorblechpakets und/oder Rotorblechpakets hergestellt sein.
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In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung ist die elektrische Maschine als eine Asynchronmaschine mit einem Rotor vom Typ eines Käfigläufers ausgebildet und weist in zumindest einem Rotorkopfzahn zumindest eine Nut auf.
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Durch das Einbringen zumindest einer Nut in zumindest einem Statorzahnkopf und/oder Rotorzahnkopf werden zusätzliche Reluktanzanteile in die elektrische Maschine, genauer in den Luftspalt zwischen dem Stator und dem Rotor und den magnetischen Kreis, eingebracht, und somit die reluktanzerregten Schwingungsordnungen erhöht, die damit in nicht mehr wahrnehmbare Bereiche getrieben werden, was zu einer Verbesserung des NVH-Verhalten führt. Das Einbringen der Nuten verändert die Kraftverteilung im Luftspalt. Werden beispielsweise alle Stator- und/oder Rotorzähne in ihren Köpfen genutet, dann wird die Ordnungszahl verdoppelt.
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Zusammenfassend weist die erfindungsgemäße elektrische Maschine eine signifikant reduzierte NVH-Anregung und somit ein ruhigeres Laufverhalten auf. Zusätzlich kann eine verbesserte Ausregelbarkeit der elektrischen Maschine aufgrund geringerer Schwingungen im mechanischen und elektrischen System verzeichnet werden. Die erfindungsgemäße Ausbildung ist produktionstechnisch einfach zu realisieren.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
- 1 zeigt eine schematische Teilansicht eines Rotorblechs ohne eine Nut in dem Rotorzahnkopf.
- 2 zeigt eine schematische Teilansicht eines Rotorblechs mit einer vergrabenen Nut in jedem Rotorzahnkopf.
- 3 zeigt eine schematische Teilansicht eines Rotorblechs mit einer vergrabenen Nut in jedem zweiten Rotorzahnkopf.
- 4 zeigt eine schematische Teilansicht eines Rotorblechs mit einer oberflächlichen Nut in jedem Rotorzahnkopf.
- 5 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Rotorblechpakets eines Rotors.
- 6a-6b zeigen jeweils eine schematische Ansicht eines Statorblechs mit unterschiedlichen Statorzahnausführungen.
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Detaillierte Beschreibung der Erfindung
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Die in den Figuren dargestellten Größenverhältnisse sind beispielhaft gewählt und nur qualitativ zu bewerten. Sie geben keine Auskunft über tatsächliche Größen.
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Die erfindungsgemäße elektrische Maschine umfasst einen Stator und einen relativ zu dem Stator beweglichen Rotor. Der Stator weist ein Statorblechpaket mit einer Vielzahl von axial gestapelten Statorblechen 11 und/oder der Rotor ein Rotorblechpaket 10 mit einer Vielzahl von axial gestapelten Rotorblechen 12 auf (5).
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Die Richtungsangabe „axial“ beschreibt eine Richtung entlang oder parallel zu einer zentralen Achse 15 des Rotorblechpakets 10.
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Die Richtungsangabe „radial“ beschreibt eine Richtung normal zu der zentralen Achse 15 des Rotorblechpakets.
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Der Stator und/oder der Rotor weisen eine Vielzahl von Nuten, nämlich der Stator Statornuten 1 und der Rotor Rotornuten 2, auf, wobei die Statornuten 1 durch jeweils benachbarte Statorzähne 3 und die Rotornuten 2 durch jeweils benachbarte Rotorzähne 4 ausgebildet sind. Die Statorzähne 3 weisen jeweils einen Statorzahnkopf 5 und die Rotorzähne 4 jeweils einen Rotorzahnkopf 6 auf (1 - 4, 6a). Die Statorzähne 3 und somit die Statornuten 1 und/oder die Rotorzähne 4 und somit die Rotornuten 2 erstrecken sich in radialer Richtung.
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In 1 ist eine schematische Teilansicht des Rotorblechs 12 ohne eine Nut 7 in dem Rotorzahnkopf 6 des Rotorzahns 4 dargestellt. 2 - 4 zeigen jeweils eine schematische Teilansicht des Rotorblechs 12 mit jeweils unterschiedlich ausgeführten Nuten 7 in dem Rotorblech 12.
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In 2 ist in jedem Rotorzahnkopf 6 eine vergrabene Nut 7" ausgebildet. In 3 ist lediglich in jedem zweiten Rotorzahnkopf 6 eine vergrabene Nut 7" ausgeführt. Sämtliche in 2 und 3 dargestellten Nuten 7 weisen die gleiche Geometrie auf und sind in jedem (zweiten) Rotorzahnkopf 6 identisch ausgeführt.
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In 4 ist in jedem Rotorzahnkopf 6 eine oberflächliche Nut 7' ausgebildet. Sämtliche Nuten 7 weisen die gleiche Geometrie auf und sind gleich tief ausgeführt.
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Die in 2 bis 4 dargestellten Nuten 7 sind alle in Bezug auf eine Mitte 8 des Rotorzahns 4 zentriert ausgebildet.
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In 5 ist schematisch ein Rotorblechpaket 10 dargestellt, wobei die Rotorbleche 12 an den axialen Enden 13, 14 des Rotorblechpakets 10 ohne Nut 7 ausgeführt sind.
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In 6a und 6b ist ein Statorblech 11 eines Statorblechpakets eines Stators dargestellt, wobei die Statorzähne 3 in jeder dieser Figuren unterschiedlich ausgeführt sind. In 6a sind sämtliche Statorzähne 3 des Statorblechs 11 gleich breit ausgeführt. Weiterhin ist in 6a auch eine vergrabene Nut 7" in einem Statorzahnkopf 6 eines Statorzahns 3 dargestellt. 6b zeigt eine variable Zahnbreite 9 der Statorzähne 3 des Statorblechs 11. Die Statorzähne 3 weisen abwechselnd unterschiedliche Zahnbreiten 9 auf. Sämtliche Statornuten 1 weisen die gleiche Breite auf.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Statornut
- 2
- Rotornut
- 3
- Statorzahn
- 4
- Rotorzahn
- 5
- Statorzahnkopf
- 6
- Rotorzahnkopf
- 7
- Nut
- 7'
- Oberflächliche Nut
- 7"
- Vergrabene Nut
- 8
- Mitte (des Statorzahns oder der Rotorzahns)
- 9
- Zahnbreite (des Statorzahns oder des Rotorzahns)
- 10
- Rotorblechpaket
- 11
- Statorblech
- 12
- Rotorblech
- 13, 14
- Axiale Enden (des Statorblechpakets oder des Rotorblechpakets)
- 15
- Zentrale Achse (des Statorblechpakets oder des Rotorblechpakets)
