DE102020104659A1

DE102020104659A1 - Elektrische Maschine und Verfahren zum Betreiben der elektrischen Maschine

Info

Publication number: DE102020104659A1
Application number: DE102020104659.6A
Authority: DE
Inventors: Gurakuq Dajaku
Original assignee: FEAAM GmbH
Current assignee: FEAAM GmbH
Priority date: 2020-02-21
Filing date: 2020-02-21
Publication date: 2021-08-26
Also published as: US11735964B2; US20210265883A1; CN113300512A

Abstract

Es wird eine elektrische Maschine (20) mit einem Stator (21) und mit einem zum Stator (21) drehbar gelagerten Rotor (22) angegeben. Der Rotor (22) weist zwei erste Ausnehmungen (23) und mindestens eine zweite Ausnehmung (24) auf, wobei zwischen dem Stator (21) und dem Rotor (22) ein Luftspalt (25) angeordnet ist, die zwei ersten Ausnehmungen (23) im Rotor (22) angeordnet sind und sich vollständig durch den Rotor (22) vom Luftspalt (25) zu einer Welle (26), auf der der Rotor (22) angeordnet ist, erstrecken, die zwei ersten Ausnehmungen (23) um weniger als 180° entlang des Umfangs des Rotors (22) zueinander verschoben angeordnet sind, die mindestens eine zweite Ausnehmung (24) um mindestens 90° entlang des Umfangs des Rotors (22) zu den ersten Ausnehmungen (23) verschoben angeordnet ist, die mindestens eine zweite Ausnehmung (24) sich nicht bis zur Welle (26) durch den Rotor (22) erstreckt, und in den ersten Ausnehmungen (23) jeweils ein erster Permanentmagnet (27) angeordnet ist und/oder in der mindestens einen zweiten Ausnehmung (24) ein zweiter Permanentmagnet (28) angeordnet ist. Außerdem wird ein Verfahren zum Betreiben der elektrischen Maschine (20) angegeben.

Description

Die vorliegende Anmeldung betrifft eine elektrische Maschine und ein Verfahren zum Betreiben der elektrischen Maschine.
Typischerweise umfassen elektrische Maschinen einen Stator und einen dazu relativ beweglichen Rotor. Elektrische Maschinen können motorisch oder generatorisch arbeiten, wobei elektrische Energie in Bewegungsenergie oder umgekehrt konvertiert wird. Im Betrieb interagiert ein Magnetfeld des Rotors mit einem Magnetfeld des Stators.
Zur Erzeugung eines Rotormagnetfeldes kann der Rotor Permanentmagnete aufweisen. Die Verwendung von Permanentmagneten hat den Vorteil, dass es viele verschiedene Möglichkeiten gibt die Permanentmagnete im Rotor anzuordnen, weshalb es mehr Möglichkeiten zur Optimierung der Effizienz der elektrischen Maschine gibt.
Allerdings machen die Permanentmagnete üblicherweise einen großen Anteil der Gesamtkosten der elektrischen Maschine aus.
Eine zu lösende Aufgabe besteht darin, eine elektrische Maschine anzugeben, welche effizient betrieben werden kann. Eine weitere zu lösende Aufgabe besteht darin, ein effizientes Verfahren zum Betreiben der elektrischen Maschine anzugeben.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine, umfasst die elektrische Maschine einen Stator und einen zum Stator drehbar gelagerten Rotor. Der Stator kann eine Statorwicklung aufweisen. Dazu kann der Stator Nuten aufweisen, in welchen die Statorwicklung angeordnet ist. Die Statorwicklung kann an eine Leistungselektronik angeschlossen sein und dazu ausgelegt sein ein Drehfeld zu erzeugen. Bei dem Rotor kann es sich um einen Innenläufer oder einen Außenläufer handeln. Handelt es sich bei dem Rotor um einen Innenläufer, so ist eine Außenseite des Rotors dem Stator zugewandt. Der Rotor kann auf einer Welle angeordnet sein. Außerdem weist der Rotor eine Rotationsachse auf.
Der Rotor weist zwei erste Ausnehmungen auf. Bei den ersten Ausnehmungen kann es sich um Hohlräume im Rotor handeln. Der Rotor kann einen Rotorkern aufweisen, welcher ein Kernmaterial aufweist. Die zwei ersten Ausnehmungen sind frei vom Kernmaterial. Bei dem Kernmaterial kann es sich um Eisen handeln. Die ersten Ausnehmungen können sich entlang der Rotationsachse des Rotors vollständig durch den Rotor erstrecken. Der Rotor kann genau zwei erste Ausnehmungen aufweisen.
Der Rotor weist weiter mindestens eine zweite Ausnehmung auf. Bei der zweiten Ausnehmung kann es sich um einen Hohlraum im Rotor handeln. Die zweite Ausnehmung ist frei vom Kernmaterial des Rotors. Die zweite Ausnehmung kann sich entlang der Rotationsachse des Rotors vollständig durch den Rotor erstrecken. Der Rotor kann genau eine zweite Ausnehmung aufweisen. Alternativ kann der Rotor genau zwei zweite Ausnehmungen aufweisen.
Zwischen dem Stator und dem Rotor ist ein Luftspalt angeordnet. Der Luftspalt kann sich zwischen dem Stator und dem Rotor in einer Richtung, welche parallel zur Rotationsachse des Rotors verläuft, erstrecken.
Die zwei ersten Ausnehmungen sind im Rotor angeordnet und erstrecken sich vollständig durch den Rotor vom Luftspalt zu einer Welle, auf der der Rotor angeordnet ist. Das bedeutet, die ersten Ausnehmungen sind zumindest teilweise vom Rotor umgeben. Die ersten Ausnehmungen können zumindest teilweise vom Material des Rotors umgeben sein. Die ersten Ausnehmungen grenzen jeweils an den Luftspalt an. Vom Luftspalt erstrecken sich die ersten Ausnehmungen jeweils entlang einer radialen Richtung in einem Querschnitt durch den Rotor bis zur Welle. Der Querschnitt durch den Rotor erstreckt sich in einer Ebene, welche senkrecht zur Rotationsachse des Rotors verläuft. Die ersten Ausnehmungen grenzen direkt an die Welle an. Die ersten Ausnehmungen können eine gerade Form aufweisen. Das bedeutet, die ersten Ausnehmungen können sich entlang einer geraden Linie vom Luftspalt zur Welle erstrecken.
Die zwei ersten Ausnehmungen sind um weniger als 180° entlang des Umfangs des Rotors zueinander verschoben angeordnet. Das bedeutet, die zwei ersten Ausnehmungen sind in einem Querschnitt durch den Rotor um weniger als 180° entlang des Umfangs des Rotors zueinander verschoben angeordnet. Somit schließen die Haupterstreckungsrichtungen der ersten Ausnehmungen in einem Querschnitt durch den Rotor einen Winkel von weniger als 180° miteinander ein.
Die mindestens eine zweite Ausnehmung ist um mindestens 90° entlang des Umfangs des Rotors zu den ersten Ausnehmungen verschoben angeordnet. Das bedeutet, die mindestens eine zweite Ausnehmung ist in einem Querschnitt durch den Rotor um mindestens 90° entlang des Umfangs des Rotors zu den ersten Ausnehmungen verschoben angeordnet. Somit ist die mindestens eine zweite Ausnehmung beabstandet zu den ersten Ausnehmungen angeordnet. Somit ist die Position, an welcher die zweite Ausnehmung angeordnet ist, entlang des Umfangs des Rotors um mindestens 90° von den Positionen der ersten Ausnehmungen verschoben angeordnet.
Die mindestens eine zweite Ausnehmung erstreckt sich nicht bis zur Welle durch den Rotor. Das bedeutet, die zweite Ausnehmung erstreckt sich teilweise durch den Rotor, jedoch nicht bis zur Welle. Die zweite Ausnehmung kann vollständig im Rotor angeordnet sein. Das bedeutet, in einem Querschnitt durch den Rotor kann die zweite Ausnehmung von allen Seiten vom Rotor gegeben sein. Die zweite Ausnehmung kann eine andere geometrische Form als die ersten Ausnehmungen aufweisen.
In den ersten Ausnehmungen ist jeweils ein erster Permanentmagnet angeordnet und/oder in der mindestens einen zweiten Ausnehmung ist ein zweiter Permanentmagnet angeordnet. Die ersten Permanentmagnete können die gleiche Größe und die gleiche Form aufweisen. Der zweite Permanentmagnet kann eine andere Größe oder eine andere Form als die ersten Permanentmagnete aufweisen. Die ersten Permanentmagnete füllen die ersten Ausnehmungen jeweils nicht vollständig aus. Der zweite Permanentmagnet füllt die zweite Ausnehmung nicht vollständig aus. Die ersten Permanentmagnete und der zweite Permanentmagnet weisen jeweils eine magnetische Achse auf. Die magnetische Achse verläuft parallel zur Magnetisierungsrichtung der jeweiligen Magnete. Das bedeutet, die magnetische Achse verbindet die beiden Pole jedes Permanentmagneten.
Es gibt somit drei verschiedene Möglichkeiten für den Aufbau des Rotors: in den ersten Ausnehmungen ist jeweils ein erster Permanentmagnet angeordnet und die zweite Ausnehmung ist frei von einem Permanentmagneten, in der zweiten Ausnehmung ist ein zweiter Permanentmagnet angeordnet und die ersten Ausnehmungen sind frei von Permanentmagneten, oder in den ersten Ausnehmungen ist jeweils ein erster Permanentmagnet angeordnet und in der zweiten Ausnehmung ist ein zweiter Permanentmagnet angeordnet.
Für einen Rotor, bei dem in den ersten Ausnehmungen jeweils ein erster Permanentmagnet angeordnet und in der zweiten Ausnehmung ein zweiter Permanentmagnet angeordnet ist, weist das durch die Permanentmagnete erregte Rotormagnetfeld vier Pole auf. Die Eigenschaften des Rotormagnetfeldes hängen unter anderem von der geometrischen Ausdehnung der Permanentmagnete im Rotor und der Anordnung von nicht magnetischem Material im Rotor ab. Daher weist das Rotormagnetfeld vier Pole auf, auch wenn die Anzahl der Permanentmagnete im Rotor kleiner als vier ist. Somit kann die Anzahl der Permanentmagnete im Rotor kleiner als die Anzahl der Pole des Rotormagnetfeldes sein.
Dies hat den Vorteil, dass somit die Anzahl der benötigten Permanentmagnete reduziert werden kann. Permanentmagnete tragen normalerweise wesentlich zu den Kosten des Rotors bei. Bei dem hier beschriebenen Rotor werden für ein Rotormagnetfeld mit vier Polen weniger als vier Permanentmagnete benötigt. Durch eine Verringerung der Anzahl der benötigten Permanentmagnete oder durch eine Verringerung der Größe der Permanentmagnete des Rotors können die Kosten des Rotors wesentlich gesenkt werden.
Weiter ist es mit der hier beschriebenen elektrischen Maschine möglich eine Komponente der magnetomotorischen Kraft des Rotors mit einer Ordnung von größer als 1 zur Drehmomenterzeugung zu nutzen. Die magnetomotorische Kraft des Rotors kann Komponenten unterschiedlicher harmonischer Ordnungen aufweisen. Ein anderer Ausdruck für die magnetomotorische Kraft ist die Felderregerkurve. Weist beispielsweise die Komponente der magnetomotorischen Kraft des Rotors mit der Ordnung 3 eine von null verschiedene magnetische Flussdichte auf, so kann diese Komponente zur Drehmomenterzeugung genutzt werden. Der Aufbau des hier beschriebenen Rotors ist optimiert für einen Betrieb der elektrischen Maschine, bei der eine Komponente der magnetomotorischen Kraft mit einer Ordnung von größer als 1 zur Drehmomenterzeugung genutzt wird. Dadurch kann die elektrische Maschine effizient betrieben werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine, weist das durch die ersten und den mindestens einen zweiten Permanentmagneten erregte Rotormagnetfeld vier Pole auf. Das bedeutet, das Rotormagnetfeld weist zwei Polpaare auf. Somit weist der Rotor mit nur drei Permanentmagneten ein Rotormagnetfeld mit vier Polen auf. Dadurch kann die Anzahl der benötigten Permanentmagnete gering gehalten werden und die Herstellungskosten der elektrischen Maschine können reduziert werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine, zeigen die magnetischen Achsen der ersten Permanentmagnete entlang des Umfangs des Rotors in entgegengesetzte Richtungen. Das bedeutet, dass die magnetischen Achsen der ersten Permanentmagnete entlang des Umfangs des Rotors voneinander weg zeigen. Die magnetischen Achsen der ersten Permanentmagnete können in einem Querschnitt durch den Rotor entlang des Umfangs des Rotors in entgegengesetzte Richtungen zeigen. In einem Querschnitt durch den Rotor können die magnetischen Achsen der ersten Permanentmagnete einen Winkel von größer als 180° miteinander einschließen. Bei dieser Anordnung kann vorteilhafterweise eine Komponente oder Komponenten der magnetomotorischen Kraft des Rotors, welche zur Drehmomenterzeugung genutzt wird, verstärkt werden und Komponenten oder eine Komponente der magnetomotorischen Kraft, welche nicht zur Drehmomenterzeugung genutzt werden, können unterdrückt werden. Dadurch kann die elektrische Maschine effizient betrieben werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine, verlaufen die magnetischen Achsen der ersten Permanentmagnete jeweils senkrecht zu einer radialen Richtung in einem Querschnitt durch den Rotor. Die radialen Richtungen verlaufen in einem Querschnitt durch den Rotor von der Welle in Richtung des Luftspalts. Die magnetischen Achsen der ersten Permanentmagnete verlaufen senkrecht zu der jeweiligen radialen Richtung, welche sich durch den jeweiligen ersten Permanentmagneten erstreckt. So kann vorteilhafterweise eine Komponente oder Komponenten der magnetomotorischen Kraft des Rotors, welche zur Drehmomenterzeugung genutzt wird, verstärkt werden und Komponenten oder eine Komponente der magnetomotorischen Kraft, welche nicht zur Drehmomenterzeugung genutzt werden, können unterdrückt werden. Dadurch kann die elektrische Maschine effizient betrieben werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine, ist in den ersten Ausnehmungen zumindest stellenweise ein elektrisch isolierendes Material oder ein Gas angeordnet. Das elektrisch isolierende Material ist nicht magnetisch. Das elektrisch isolierende Material oder das Gas kann die ersten Ausnehmungen jeweils vollständig ausfüllen. Alternativ kann das elektrisch isolierende Material oder das Gas den Bereich der ersten Ausnehmungen ausfüllen, in welchem kein erster Permanentmagnet angeordnet ist. Somit können ein erster Permanentmagnet und das elektrisch isolierende Material oder das Gas jeweils eine erste Ausnehmung vollständig ausfüllen. Dabei kann das elektrisch isolierende Material oder das Gas sowohl angrenzend an den Luftspalt als auch angrenzend an die Welle angeordnet sein. Somit kann der erste Permanentmagnet in der ersten Ausnehmung an zwei Seiten vom elektrisch isolierenden Material oder vom Gas umgeben sein. Bei dem Gas kann es sich um Luft handeln. In den Bereichen, wo das elektrisch isolierende Material oder das Gas angeordnet ist, ist der Widerstand für die magnetische Flussdichte erhöht im Vergleich zum umgebenden Rotormaterial. Das Anordnen des elektrisch isolierenden Materials oder des Gases angrenzend an den Luftspalt und angrenzend an die Welle ermöglicht, dass möglichst wenige geschlossene Feldlinien im Rotor vorliegen. Das bedeutet, die Verluste im Rotor werden minimiert. Somit kann die elektrische Maschine effizient betrieben werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine, sind die ersten Ausnehmungen jeweils größer als der darin angeordnete erste Permanentmagnet. Das kann bedeuten, dass die ersten Ausnehmungen jeweils eine größere geometrische Ausdehnung als der darin angeordnete erste Permanentmagnet aufweisen. Insbesondere sind die ersten Ausnehmungen in einem Querschnitt durch den Rotor jeweils größer als der darin angeordnete erste Permanentmagnet. Dies ermöglicht, dass ein elektrisch isolierendes Material oder ein Gas gemeinsam mit einem ersten Permanentmagneten in jeweils einer ersten Ausnehmung angeordnet ist. Dies ermöglicht einen effizienten Betrieb der elektrischen Maschine.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine, ist die mindestens eine zweite Ausnehmung größer als der zweite Permanentmagnet. Das kann bedeuten, dass die zweite Ausnehmung eine größere geometrische Ausdehnung als der darin angeordnete zweite Permanentmagnet aufweist. Insbesondere ist die zweite Ausnehmung in einem Querschnitt durch den Rotor größer als der darin angeordnete zweite Permanentmagnet. Beispielsweise erstreckt sich die zweite Ausnehmung weiter entlang des Umfangs des Rotors als der zweite Permanentmagnet. Dies ermöglicht, dass ein elektrisch isolierendes Material oder ein Gas gemeinsam mit dem zweiten Permanentmagneten in der zweiten Ausnehmung angeordnet ist. Dies ermöglicht einen effizienten Betrieb der elektrischen Maschine.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine, ist in der mindestens einen zweiten Ausnehmung zumindest stellenweise ein elektrisch isolierendes Material oder ein Gas angeordnet. Das elektrisch isolierende Material ist nicht magnetisch. Das elektrisch isolierende Material oder das Gas können die zweite Ausnehmung vollständig ausfüllen. Alternativ kann das elektrisch isolierende Material oder das Gas den Bereich der zweiten Ausnehmung ausfüllen, in welchem kein zweiter Permanentmagnet angeordnet ist. Somit können ein zweiter Permanentmagnet und das elektrisch isolierende Material oder das Gas die zweite Ausnehmung vollständig ausfüllen. Dabei kann das elektrisch isolierende Material oder das Gas entlang des Umfangs des Rotors an beiden Enden des zweiten Permanentmagneten angeordnet sein. Das bedeutet, die zweite Ausnehmung kann sich weiter entlang des Umfangs des Rotors erstrecken als der darin angeordnete zweite Permanentmagnet. Der zweite Permanentmagnet kann zentriert in der zweiten Ausnehmung angeordnet sein. Das elektrisch isolierende Material oder das Gas kann in den Randbereichen der zweiten Ausnehmung angeordnet sein, welche nicht vom zweiten Permanentmagneten ausgefüllt sind. Somit kann der zweite Permanentmagnet an zwei Seiten vom elektrisch isolierenden Material oder vom Gas umgeben sein. Die zweite Ausnehmung kann direkt an den Luftspalt angrenzen. Bei dem Gas kann es sich um Luft handeln. Somit kann in den Randbereichen der zweiten Ausnehmung Luft aus dem Luftspalt angeordnet sein. Das Anordnen des elektrisch isolierenden Materials oder des Gases in den Bereichen der zweiten Ausnehmung, welche nicht vom zweiten Permanentmagneten ausgefüllt sind, ermöglicht, dass möglichst wenige geschlossene Feldlinien im Rotor vorliegen. Das bedeutet, die Verluste im Rotor werden minimiert. Somit kann die elektrische Maschine effizient betrieben werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine, weist der mindestens eine zweite Permanentmagnet eine gebogene Form auf. Der zweite Permanentmagnet kann sich stellenweise entlang des Umfangs des Rotors erstrecken. Somit kann der zweite Permanentmagnet die Form eines Kreissegments aufweisen. Diese Form des zweiten Permanentmagneten ermöglicht, dass der Rotor, welcher ebenfalls zwei erste Permanentmagnete aufweist, ein Magnetfeld mit vier Polen aufweist. Insgesamt können somit die benötigte Anzahl von Permanentmagneten und die Herstellungskosten der elektrischen Maschine reduziert werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine, grenzt die mindestens eine zweite Ausnehmung direkt an den Luftspalt an. Die zweite Ausnehmung kann sich direkt vom Luftspalt in den Rotor erstrecken. Die zweite Ausnehmung kann sich in einem Querschnitt durch den Rotor in den radialen Richtungen vom Luftspalt in Richtung der Welle erstrecken. Dabei erstreckt sich die zweite Ausnehmung nur teilweise und nicht bis zur Welle durch den Rotor. Dies ermöglicht eine einfache Herstellung der zweiten Ausnehmung und ein einfaches Einbringen des zweiten Permanentmagneten in die zweite Ausnehmung.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine, erstreckt sich die mindestens eine zweite Ausnehmung entlang eines Teils des Umfangs des Rotors. Das bedeutet, die zweite Ausnehmung weist die Form eines Kreissegments auf. Dies ermöglicht, dass auch der zweite Permanentmagnet die Form eines Kreissegments aufweist. Dadurch können insgesamt die benötigte Anzahl von Permanentmagneten und die Herstellungskosten der elektrischen Maschine reduziert werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine, hat die mindestens eine zweite Ausnehmung eine Haupterstreckungsrichtung, welche senkrecht zu einer radialen Richtung in einem Querschnitt durch den Rotor verläuft. Die zweite Ausnehmung kann in einem Querschnitt durch den Rotor eine Haupterstreckungsrichtung haben, welche senkrecht zu einer radialen Richtung in einem Querschnitt durch den Rotor verläuft. Dabei kann die radiale Richtung durch den Mittelpunkt der zweiten Ausnehmung verlaufen. Die zweite Ausnehmung erstreckt sich im Querschnitt durch den Rotor weiter entlang ihrer Haupterstreckungsrichtung als in anderen Richtungen. Die zweite Ausnehmung kann vollständig im Rotor angeordnet sein. Das bedeutet, die zweite Ausnehmung grenzt nicht an den Luftspalt an. Diese Form der zweiten Ausnehmung ermöglicht, dass in der zweiten Ausnehmung ein zweiter Permanentmagnet angeordnet ist, welcher im Querschnitt eine rechteckige Form aufweist. Somit kann der zweite Permanentmagnet einfach und kostengünstig hergestellt werden.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform der elektrischen Maschine, weist die elektrische Maschine zwei zweite Ausnehmungen auf, die vollständig im Rotor angeordnet sind. In jeder der zweiten Ausnehmungen kann ein zweiter Permanentmagnet angeordnet sein. Die zweiten Ausnehmungen grenzen nicht an den Luftspalt an. Die zweiten Ausnehmungen sind nicht miteinander verbunden. Das bedeutet, die zweiten Ausnehmungen sind beabstandet zueinander im Rotor angeordnet. Die zweiten Ausnehmungen können in einem Querschnitt durch den Rotor eine im Wesentlichen rechteckige Form aufweisen. Dies ermöglicht, dass die zweiten Permanentmagnete in einem Querschnitt durch den Rotor jeweils eine rechteckige Form aufweisen. Somit können die zweiten Permanentmagnete einfach und kostengünstig hergestellt werden.
Des Weiteren wird ein Verfahren zum Betreiben der hier beschriebenen elektrischen Maschine angegeben. Somit sind alle Merkmale der beschriebenen elektrischen Maschine auch für das Verfahren zum Betreiben der elektrischen Maschine offenbart und umgekehrt.
Gemäß zumindest einer Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben der elektrischen Maschine, wird eine Komponente der magnetomotorischen Kraft des Rotors mit einer Ordnung von größer als 1 zur Drehmomenterzeugung genutzt. Das bedeutet, dass die Komponente der magnetomotorischen Kraft des Rotors mit der Ordnung 1, welche als Grundwelle bezeichnet wird, nicht zur Drehmomenterzeugung genutzt wird. Stattdessen wird eine höhere Harmonische der magnetomotorischen Kraft des Rotors zur Drehmomenterzeugung genutzt. Das bedeutet, dass im Betrieb der elektrischen Maschine eine Komponente der magnetomotorischen Kraft des Rotors mit einer Ordnung von größer als 1 zur Drehmomenterzeugung mit dem Magnetfeld des Stators interagiert. Die Permanentmagnete können dazu derart im Rotor angeordnet sein, dass die Flussdichte für die Komponente der magnetomotorischen Kraft des Rotors, welche zur Drehmomenterzeugung genutzt wird, maximiert wird. Vorteilhafterweise kann ebenfalls die Flussdichte von Komponenten der magnetomotorischen Kraft des Rotors, welche nicht zur Drehmomenterzeugung genutzt werden, minimiert werden. Dies wird beides durch die hier beschriebene Anordnung der ersten Ausnehmungen und der mindestens einen zweiten Ausnehmung erreicht. Dies ermöglicht einen effizienten Betrieb der elektrischen Maschine.
Im Folgenden werden die hier beschriebene elektrische Maschine und das Verfahren zum Betreiben der elektrischen Maschine in Verbindung mit Ausführungsbeispielen und den dazugehörigen Figuren näher erläutert.

1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine elektrische Maschine gemäß einem Ausführungsbeispiel.
2 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Rotor gemäß einem Ausführungsbeispiel.
3 zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Rotor gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
4 zeigt die Verteilung der simulierten magnetischen Flussdichte in der in 1 gezeigten elektrischen Maschine.
5 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine elektrische Maschine gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
6 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine elektrische Maschine gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
7 zeigt einen schematischen Querschnitt durch eine elektrische Maschine gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.

In 1 ist ein schematischer Querschnitt durch eine elektrische Maschine 20 gemäß einem Ausführungsbeispiel gezeigt. Die elektrische Maschine 20 weist einen Stator 21 und einen zum Stator 21 drehbar gelagerten Rotor 22 auf. Bei dem Rotor 22 handelt es sich um einen Innenläufer, welcher im Stator 21 angeordnet ist. Das bedeutet, im gezeigten Querschnitt umgibt der Stator 21 den Rotor 22 vollständig.
Zwischen dem Stator 21 und dem Rotor 22 ist ein Luftspalt 25 angeordnet.
Der Rotor 22 weist zwei erste Ausnehmungen 23 auf. Die zwei ersten Ausnehmungen 23 sind im Rotor 22 angeordnet und erstrecken sich vollständig durch den Rotor 22 vom Luftspalt 25 zu einer Welle 26, auf der der Rotor 22 angeordnet ist. Der Rotor 22 weist einen Rotorkern 30 auf. Die ersten Ausnehmungen 23 erstrecken sich im gezeigten Querschnitt durch den Rotor 22 vollständig durch den Rotorkern 30. Jede der ersten Ausnehmungen 23 erstreckt sich entlang einer radialen Richtung r durch den Rotor 22. Jede radiale Richtung r erstreckt sich vom Mittelpunkt des Rotors 22 in Richtung des Luftspalts 25. Die zwei ersten Ausnehmungen 23 erstrecken sich entlang zwei verschiedener radialer Richtungen r durch den Rotor 22. Das bedeutet, eine der ersten Ausnehmungen 23 erstreckt sich entlang einer radialen Richtung r, welche verschieden ist von einer radialen Richtung r, entlang welcher sich die andere der ersten Ausnehmungen 23 erstreckt.
Die zwei ersten Ausnehmungen 23 sind um weniger als 180° entlang des Umfangs des Rotors 22 zueinander verschoben angeordnet. Insbesondere sind die ersten Ausnehmungen 23 um weniger als 120° entlang des Umfangs des Rotors 22 zueinander verschoben angeordnet.
In den ersten Ausnehmungen 23 ist jeweils ein erster Permanentmagnet 27 angeordnet. Die ersten Ausnehmungen 23 sind jeweils größer als der darin angeordnete erste Permanentmagnet 27. Das bedeutet, die ersten Permanentmagneten 27 füllen die ersten Ausnehmungen 23 jeweils nicht vollständig aus. Zusätzlich zu den ersten Permanentmagneten 27 ist in den ersten Ausnehmungen 23 jeweils ein elektrisch isolierendes Material 29 angeordnet. Bei dem elektrisch isolierenden Material 29 handelt es sich in diesem Fall um Luft. In den ersten Ausnehmungen 23 ist jeweils zwischen dem ersten Permanentmagneten 27 und dem Luftspalt 25 Luft angeordnet. Außerdem ist in den ersten Ausnehmungen 23 jeweils zwischen dem ersten Permanentmagneten 27 und der Welle 26 Luft angeordnet.
Die ersten Permanentmagnete 27 weisen im Querschnitt durch den Rotor 22 jeweils eine rechteckige Form auf. Die magnetischen Achsen der ersten Permanentmagnete 27 zeigen entlang des Umfangs des Rotors 22 in entgegengesetzte Richtungen. Das bedeutet in diesem Fall, dass die magnetischen Achsen der ersten Permanentmagnete 27 einen Winkel von ungefähr 90° miteinander einschließen. Die magnetischen Achsen der ersten Permanentmagnete 27 verlaufen jeweils senkrecht zu einer radialen Richtung r in einem Querschnitt durch den Rotor 22.
Der Rotor 22 umfasst weiter eine zweite Ausnehmung 24. Die zweite Ausnehmung 24 ist entlang des Umfangs des Rotors 22 zu den ersten Ausnehmungen 23 um mindestens 90° verschoben angeordnet. In diesem Fall ist die zweite Ausnehmung 24 entlang des Umfangs des Rotors 22 zu den ersten Ausnehmungen 23 um mehr als 90° verschoben angeordnet. Das bedeutet, dass jeder Bereich der zweiten Ausnehmung 24 entlang des Umfangs des Rotors 22 zu den beiden ersten Ausnehmungen 23 um mehr als 90° verschoben angeordnet ist. Im Querschnitt durch den Rotor 22 kann der Rotor 22 in zwei Hälften aufgeteilt werden, wobei in einer der Hälften die zwei ersten Ausnehmungen 23 und in der anderen Hälfte die zweite Ausnehmung 24 angeordnet sind.
Die zweite Ausnehmung 24 erstreckt sich nicht bis zur Welle 26 durch den Rotor 22. Die zweite Ausnehmung 24 erstreckt sich vom Luftspalt 25 in Richtung der Welle 26. Somit grenzt die zweite Ausnehmung 24 direkt an den Luftspalt 25 an. Außerdem erstreckt sich die zweite Ausnehmung 24 entlang eines Teils des Umfangs des Rotors 22. Das bedeutet, dass die zweite Ausnehmung 24 eine gebogene Form aufweist. Weiter weist die zweite Ausnehmung 24 die Form eines Kreissegments auf.
In der zweiten Ausnehmung 24 ist ein zweiter Permanentmagnet 28 angeordnet. Die zweite Ausnehmung 24 ist größer als der zweite Permanentmagnet 28. Somit füllt der zweite Permanentmagnet 28 die zweite Ausnehmung 24 nicht vollständig aus. Neben dem zweiten Permanentmagneten 28 ist in der zweiten Ausnehmung 24 stellenweise ein elektrisch isolierendes Material 29 angeordnet. In diesem Fall handelt es sich bei dem elektrisch isolierenden Material 29 um Luft. Der zweite Permanentmagnet 28 weist wie die zweite Ausnehmung 24 eine gebogene Form auf und erstreckt sich entlang eines Teils des Umfangs des Rotors 22. Die zweite Ausnehmung 24 erstreckt sich weiter entlang des Umfangs des Rotors 22 als der zweite Permanentmagnet 28. In den Bereichen, wo sich die zweite Ausnehmung 24 weiter als der zweite Permanentmagnet 28 entlang des Umfangs des Rotors 22 erstreckt, ist das elektrisch isolierende Material 29 angeordnet. Der zweite Permanentmagnet 28 ist zentriert in der zweiten Ausnehmung 24 angeordnet, so dass an zwei Seiten des zweiten Permanentmagneten 28 das elektrisch isolierende Material 29, also Luft aus dem Luftspalt 25, angeordnet ist.
Die magnetische Achse des zweiten Permanentmagneten 28 zeigt vom Luftspalt 25 in Richtung der Welle 26. Das heißt, für jede Position entlang des zweiten Permanentmagneten 28 verläuft die magnetische Achse parallel zu der radialen Richtung r an der jeweiligen Position. Die magnetische Achse des zweiten Permanentmagneten 28 zeigt somit zum Mittelpunkt des Rotors 22.
Das durch die ersten Permanentmagnete 27 und den zweiten Permanentmagneten 28 erregte Rotormagnetfeld weist vier Pole auf. Die in 1 gezeigte elektrische Maschine 20 weist genau zwei erste Permanentmagnete 27 und genau einen zweiten Permanentmagneten 28 auf.
Die in 1 gezeigte elektrische Maschine 20 kann mit einem Verfahren betrieben werden, bei dem eine Komponente der magnetomotorischen Kraft des Rotors 22 mit einer Ordnung von größer als 1 zur Drehmomenterzeugung genutzt wird.
In 2 ist ein Querschnitt durch einen Rotor 22 gemäß einem Ausführungsbeispiel gezeigt. Der Rotor 22 aus 2 kann in der in 1 gezeigten elektrischen Maschine 20 anstelle des in 1 gezeigten Rotors 22 verwendet werden. Der in 2 gezeigte Rotor 22 unterscheidet sich von dem in 1 gezeigten Rotor 22 durch die Form und die Anordnung der zweiten Ausnehmung 24 und des zweiten Permanentmagneten 28. Die zweite Ausnehmung 24 hat eine Haupterstreckungsrichtung, welche senkrecht zu einer radialen Richtung r in einem Querschnitt durch den Rotor 22 verläuft. Die Haupterstreckungsrichtung der zweiten Ausnehmung 24 verläuft senkrecht zu der radialen Richtung r, welche durch den Mittelpunkt der zweiten Ausnehmung 24 verläuft. Die zweite Ausnehmung 24 ist vollständig im Rotor 22 angeordnet. Das bedeutet, im Querschnitt durch den Rotor 22 ist die zweite Ausnehmung 24 von allen Seiten vom Material des Rotors 22 umgeben.
Der zweite Permanentmagnet 28 in der zweiten Ausnehmung 24 weist im Querschnitt durch den Rotor 22 eine rechteckige Form auf. Die magnetische Achse des zweiten Permanentmagneten 28 zeigt vom Luftspalt 25 in Richtung der Welle 26. Dabei verläuft die magnetische Achse des zweiten Permanentmagneten 28 parallel zu der radialen Richtung r, welche durch den Mittelpunkt des zweiten Permanentmagneten 28 verläuft. Das bedeutet, die magnetische Achse des zweiten Permanentmagneten 28 verläuft an jeder Position des zweiten Permanentmagneten 28 parallel zu der radialen Richtung r, welche durch den Mittelpunkt des zweiten Permanentmagneten 28 verläuft.
An den jeweils kürzeren Seitenkanten des zweiten Permanentmagneten 28 ist das elektrisch isolierende Material 29 angeordnet. Die Form der zweiten Ausnehmung 24 im Bereich des elektrisch isolierenden Materials 29 ist beliebig.
Das durch die ersten Permanentmagnete 27 und den zweiten Permanentmagneten 28 erregte Rotormagnetfeld weist vier Pole auf. Der in 2 gezeigte Rotor 22 weist genau zwei erste Permanentmagnete 27 und genau einen zweiten Permanentmagneten 28 auf.
In 3 ist ein Querschnitt durch einen Rotor 22 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel gezeigt. Der Rotor 22 aus 3 kann in der in 1 gezeigten elektrischen Maschine 20 anstelle des in 1 gezeigten Rotors 22 verwendet werden. Der in 3 gezeigte Rotor 22 unterscheidet sich von dem in 1 gezeigten Rotor 22 dadurch, dass der Rotor 22 insgesamt zwei zweite Ausnehmungen 24 aufweist. In jeder der zweiten Ausnehmungen 24 ist ein zweiter Permanentmagnet 28 angeordnet. Die zweiten Ausnehmungen 24 sind vollständig im Rotor 22 angeordnet.
Die zweiten Permanentmagnete 28 weisen jeweils im Querschnitt durch den Rotor 22 eine rechteckige Form auf. Die zweiten Permanentmagnete 28 füllen die zweiten Ausnehmungen 24 jeweils nicht vollständig aus. Neben den zweiten Permanentmagneten 28 ist in jeder der zweiten Ausnehmungen 24 ein elektrisch isolierendes Material 29 angeordnet. Die Form des Bereichs, in dem das elektrisch isolierende Material 29 angeordnet ist, ist beliebig. Das elektrisch isolierende Material 29 ist jeweils an der Seite des zweiten Permanentmagneten 28 angeordnet, welche am nächsten am Luftspalt 25 angeordnet ist.
Die zwei zweiten Permanentmagnete 28 sind derart im Rotor 22 angeordnet, dass sie in etwa gemeinsam ein V formen. Die zweiten Ausnehmungen 24 sind beabstandet zueinander angeordnet. Die magnetischen Achsen der zweiten Permanentmagnete 28 zeigen in verschiedene Richtungen. Für jeden der zweiten Permanentmagnete 28 verläuft die magnetische Achse parallel zu den kürzeren Seitenkanten des zweiten Permanentmagneten 28. Außerdem zeigen die magnetischen Achsen der zweiten Permanentmagnete 28 in etwa in Richtung der ersten Permanentmagnete 27.
Das durch die ersten Permanentmagnete 27 und die zweiten Permanentmagnete 28 erregte Rotormagnetfeld weist vier Pole auf. Der in 3 gezeigte Rotor 22 weist genau zwei erste Permanentmagnete 27 und genau zwei zweite Permanentmagnete 28 auf.
In 4 ist die Verteilung der simulierten magnetischen Flussdichte in dem in 1 gezeigten Querschnitt durch die elektrischen Maschine 20 dargestellt. Das Magnetfeld des Rotors 22 weist vier Pole auf.
In 5 ist ein schematischer Querschnitt durch eine elektrische Maschine 20 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel gezeigt. Die elektrische Maschine 20 weist den gleichen Aufbau wie in 1 gezeigt auf, mit dem einzigen Unterschied, dass in den ersten Ausnehmungen 23 keine ersten Permanentmagnete 27 angeordnet sind. Die ersten Ausnehmungen 23 sind somit frei von Permanentmagneten. Somit füllt das elektrisch isolierende Material 29 die ersten Ausnehmungen 23 vollständig aus. Bei dem elektrisch isolierenden Material 29 handelt es sich in diesem Fall um Luft. Somit wirken die ersten Ausnehmungen 23 als Flussbarrieren im Rotor 22. Die elektrische Maschine 20 weist genau zwei erste Ausnehmungen 23, welche vollständig mit Luft gefüllt sind, und genau eine zweite Ausnehmung 24 auf, in welcher ein zweiter Permanentmagnet 28 angeordnet ist. Ein Betrieb der in 5 gezeigten elektrischen Maschine 20 ist in gleicher Weise wie mit der in 1 gezeigten elektrischen Maschine 20 möglich.
In 6 ist ein schematischer Querschnitt durch eine elektrische Maschine 20 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel gezeigt. Die elektrische Maschine 20 weist den gleichen Aufbau wie in 1 gezeigt auf, mit dem einzigen Unterschied, dass in der zweiten Ausnehmung 24 kein zweiter Permanentmagnet 28 angeordnet ist. Die zweite Ausnehmung 24 ist somit frei von Permanentmagneten. Somit füllt das elektrisch isolierende Material 29 die zweite Ausnehmung 24 vollständig aus. Bei dem elektrisch isolierenden Material 29 handelt es sich in diesem Fall um Luft. Somit wirkt die zweite Ausnehmung 24 als Flussbarriere im Rotor 22. Die elektrische Maschine 20 weist genau zwei erste Ausnehmungen 23 auf, in welchen jeweils ein erster Permanentmagnet 27 angeordnet ist, und genau eine zweite Ausnehmung 24, welche vollständig mit Luft gefüllt ist. Ein Betrieb der in 6 gezeigten elektrischen Maschine 20 ist in gleicher Weise wie mit der in 1 gezeigten elektrischen Maschine 20 möglich.
In 7 ist ein schematischer Querschnitt durch eine elektrische Maschine 20 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel gezeigt. Die elektrische Maschine 20 weist den gleichen Aufbau wie in 1 gezeigt auf, mit dem einzigen Unterschied, dass die magnetische Achse des zweiten Permanentmagneten 28 anders verläuft, als in 1 gezeigt ist. Im Rotor 22 in 7 verläuft die magnetische Achse des zweiten Permanentmagneten 28 parallel zu der radialen Richtung r, welche durch den Mittelpunkt des zweiten Permanentmagneten 28 verläuft. Das bedeutet, die magnetische Achse des zweiten Permanentmagneten 28 verläuft an jeder Position des zweiten Permanentmagneten 28 parallel zu der radialen Richtung r, welche durch den Mittelpunkt des zweiten Permanentmagneten 28 verläuft.
Bezugszeichenliste

20:: elektrische Maschine
21:: Stator
22:: Rotor
23:: erste Ausnehmung
24:: zweite Ausnehmung
25:: Luftspalt
26:: Welle
27:: erster Permanentmagnet
28:: zweiter Permanentmagnet
29:: elektrisch isolierendes Material
30:: Rotorkern
r:: radiale Richtung

Claims

Elektrische Maschine (20) mit einem Stator (21) und mit einem zum Stator (21) drehbar gelagerten Rotor (22), wobei der Rotor (22): - zwei erste Ausnehmungen (23) aufweist, und - mindestens eine zweite Ausnehmung (24) aufweist, wobei - zwischen dem Stator (21) und dem Rotor (22) ein Luftspalt (25) angeordnet ist, - die zwei ersten Ausnehmungen (23) im Rotor (22) angeordnet sind und sich vollständig durch den Rotor (22) vom Luftspalt (25) zu einer Welle (26), auf der der Rotor (22) angeordnet ist, erstrecken, - die zwei ersten Ausnehmungen (23) um weniger als 180° entlang des Umfangs des Rotors (22) zueinander verschoben angeordnet sind, - die mindestens eine zweite Ausnehmung (24) um mindestens 90° entlang des Umfangs des Rotors (22) zu den ersten Ausnehmungen (23) verschoben angeordnet ist, - die mindestens eine zweite Ausnehmung (24) sich nicht bis zur Welle (26) durch den Rotor (22) erstreckt, und - in den ersten Ausnehmungen (23) jeweils ein erster Permanentmagnet (27) angeordnet ist und/oder in der mindestens einen zweiten Ausnehmung (24) ein zweiter Permanentmagnet (28) angeordnet ist.
Elektrische Maschine (20) gemäß Anspruch 1, wobei das durch die ersten und/oder den mindestens einen zweiten Permanentmagneten (27, 28) erregte Rotormagnetfeld vier Pole aufweist.
Elektrische Maschine (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die magnetischen Achsen der ersten Permanentmagnete (27) entlang des Umfangs des Rotors (22) in entgegengesetzte Richtungen zeigen.
Elektrische Maschine (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die magnetischen Achsen der ersten Permanentmagnete (27) jeweils senkrecht zu einer radialen Richtung (r) in einem Querschnitt durch den Rotor (22) verlaufen.
Elektrische Maschine (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei in den ersten Ausnehmungen (23) zumindest stellenweise ein elektrisch isolierendes Material (29) oder ein Gas angeordnet ist.
Elektrische Maschine (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die ersten Ausnehmungen (23) jeweils größer als der darin angeordnete erste Permanentmagnet (27) sind.
Elektrische Maschine (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die mindestens eine zweite Ausnehmung (24) größer als der zweite Permanentmagnet (28) ist.
Elektrische Maschine (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei in der mindestens einen zweiten Ausnehmung (24) zumindest stellenweise ein elektrisch isolierendes Material (29) oder ein Gas angeordnet ist.
Elektrische Maschine (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei der mindestens eine zweite Permanentmagnet (28) eine gebogene Form aufweist.
Elektrische Maschine (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die mindestens eine zweite Ausnehmung (24) direkt an den Luftspalt (25) angrenzt.
Elektrische Maschine (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, wobei die mindestens eine zweite Ausnehmung (24) sich entlang eines Teils des Umfangs des Rotors (22) erstreckt.
Elektrische Maschine (20) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die mindestens eine zweite Ausnehmung (24) eine Haupterstreckungsrichtung hat, welche senkrecht zu einer radialen Richtung (r) in einem Querschnitt durch den Rotor (22) verläuft.
Elektrische Maschine (20) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die elektrische Maschine (20) zwei zweite Ausnehmungen (24) aufweist, die vollständig im Rotor (22) angeordnet sind.
Verfahren zum Betreiben der elektrischen Maschine (20) gemäß einem der vorherigen Ansprüche, bei dem eine Komponente der magnetomotorischen Kraft des Rotors (22) mit einer Ordnung von größer als 1 zur Drehmomenterzeugung genutzt wird.