-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrisch erregte Synchronmaschine, eine derartige Synchronmaschine und ein damit ausgestattetes Kraftfahrzeug.
-
Elektrische Maschinen werden heutzutage in vielfältigen Bereichen und Anwendungen eingesetzt. Insbesondere im Fahrzeugbereich wird derzeit und in Zukunft ein verstärkter Einsatz angestrebt. Obwohl zuverlässig funktionsfähige elektrische Maschinen seit langem bekannt sind, sind daher weitere Verbesserungen stets wünschenswert. So ist beispielsweise in der
DE 10 2008 057 391 A1 eine Synchronmaschine eines Innenpermanentmagnettyps beschrieben, durch die ein erhöhtes Ausgangsdrehmoment erreicht werden soll, während gleichzeitig unterdrückt wird, dass sich eine Verwendungsmenge eines Magneten erhöht. Dabei hat ein Rotor magnetische Pole, die ein Reluktanzdrehmoment erzeugen, und magnetentspringende magnetische Pole, die durch Verwenden von Permanentmagneten ein Magnetdrehmoment erzeugen. Die Synchronmaschine weist weiter eine Einrichtung zum Verschieben einer magnetisch mittigen Position des von den Permanentmagneten ausgehenden magnetischen Flusses in Umfangsrichtung auf.
-
Als weiteres Beispiel ist in der WO 2013/ 131 795 A2 ein Rotor für eine permanenterregte Synchronmaschine oder eine synchrone Reluktanzmaschine beschrieben. Der Rotor weist dabei einen ersten Teil-Rotor und einen zweiten Teil-Rotor auf, die jeweils eine Fluss-Barriere umfassen. Die Fluss-Barriere des zweiten Teil-Rotors ist dabei in Bezug auf die Fluss-Barriere des zweiten Teil-Rotors in Umfangsrichtung verschoben. Die beiden Teil-Rotoren sind zudem miteinander axial und/oder in Umfangsrichtung kombiniert. Damit soll letztlich eine reduzierte Drehmomentwelligkeit erreicht werden.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen weiter verbesserten Betrieb einer elektrischen Maschine zu ermöglichen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen, in der Beschreibung und in den Figuren angegeben.
-
Der erfindungsgemäße Rotor ist zum Einsatz in einer elektrisch erregten Synchronmaschine vorgesehen, also ausgebildet. Dazu weist der erfindungsgemäße Rotor mehrere zumindest teilweise durch eine Erregerwicklung des Rotors umwickelte magnetische beziehungsweise elektromagnetische Pole oder Polbereiche auf. In einer Querschnittsebene des Rotors, die senkrecht zu dessen zentraler Drehachse steht und in welcher der Rotor im bestimmungsgemäßen Betrieb rotiert, sind die Pole oder Polbereiche dabei jeweils geometrisch asymmetrisch geformt bezüglich einer jeweiligen Winkelhalbierenden, die in der Querschnittsebene in radialer Richtung durch den jeweiligen Pol verläuft und diesen in bestimmungsgemäßer oder bestimmungsgemäß bevorzugter Drehrichtung des Rotors halbiert. Diese Drehrichtung entspricht dabei einer Umfangsrichtung des Rotors in der Querschnittsebene. Durch die asymmetrische Form oder asymmetrische geometrische Ausgestaltung der Pole ist der Rotor für eine Drehrichtung, nämlich gerade für die bestimmungsgemäße oder bestimmungsgemäß bevorzugte Drehrichtung, optimiert. Dies bedeutet, dass der Rotor für einen Betrieb oder einen Einsatz vorgesehen ist, in dem er zumindest hauptsächlich in dieser bestimmungsgemäßen Drehrichtung rotiert beziehungsweise erwartungsgemäß rotieren wird. Dies schließt jedoch nicht aus, dass der Rotor ebenso in der entgegengesetzten Drehrichtung rotieren oder betrieben werden kann. Beispielsweise kann der Rotor in einer Traktionsmaschine eines Fahrzeugs verwendet werden, wobei dann die bestimmungsgemäße Drehrichtung zu einer Vorwärtsfahrt des Fahrzeugs führen, also in einem Vorwärtsfahrbetrieb des Fahrzeugs vorliegen kann, während die entgegengesetzte Drehrichtung zu einer Rückwärtsfahrt des Fahrzeugs führen, also in einem Rückwärtsfahrbetrieb des Fahrzeugs vorliegen kann.
-
Ein Pol oder Polbereich kann hier in der Querschnittsebene betrachtet ein Kreissektor des Rotors sein oder einem Kreissektor des Rotors entsprechen, also einen bestimmten Winkelbereich des Rotors in Umfangs- oder Drehrichtung umfassen. Dabei kann der gesamte Rotor in der Umfangs- oder Drehrichtung durch derartige Kreissektoren abgedeckt sein. Die, insbesondere für alle Pole des Rotors gleich großen, Winkelbereiche beziehungsweise deren Anzahl können dabei durch eine Polpaarzahl des Rotors gegeben sein, wobei insbesondere in jedem derartigen Winkelbereich oder Kreissektor genau ein Pol des Rotors angeordnet sein kann. In diesem Sinne kann der Pol also in einem derartigen Winkelbereich oder Kreissektor angeordnetes Material des Rotors umfassen.
-
Ebenso kann der Pol in diesem Sinne Ausnehmungen, Lücken, Nuten, Leerbereiche oder dergleichen, die sich in dem jeweiligen Winkelbereich oder Kreissektor befinden, umfassen. Aufgrund der asymmetrischen Ausgestaltung oder Form der Pole kann daher ein jeweiliger Mittelpunkt oder Schwerpunkt eines jeweiligen massiven Teils, also eines Materials des jeweiligen Pols außerhalb oder neben der Winkelhalbierenden liegen.
-
Die asymmetrische Formgebung kann vorliegend alle Pole des Rotors individuell betreffen. Dabei können alle Pole des Rotors gleich geformt sein, sodass der Rotor insgesamt dann also eine entsprechende diskrete Rotationssymmetrie um die zentrale Drehachse aufweisen kann. Ebenso können ein oder mehrere Pole jedoch abweichend oder unterschiedlich zu einem oder mehreren anderen Polen des Rotors geformt sein. Beispielsweise kann in Umfangsrichtung gezählt jeder zweite Pol wie beschrieben gestaltet sein, während die dazwischenliegenden Pole anders gestaltet sein können, beispielsweise symmetrisch und/oder ohne Erregerwicklung.
-
Ein jeweiliger asymmetrisch geformter Pol kann hier eine jeweilige eigene Erregerwicklung aufweisen. Ebenso kann die Erregerwicklung eines Pols mit der Erregerwicklung eines anderen Pols verbunden sein oder sich in oder als diese fortsetzen.
-
Grundsätzlich ist es bekannt, dass gemäß dem Formalismus der d/q- oder Park-Transformation ein Phasenstrom einer elektrisch erregten Synchronmaschine im Betrieb in eine d- und eine q-Komponente zerlegt werden kann. Diese beiden Stromanteile oder Stromkomponenten können dabei typischerweise unterschiedlich groß, also unterschiedlich stark ausgeprägt sein, woraus letztlich eine asymmetrische magnetische Durchflutung in den Aktivteilen der jeweiligen Synchronmaschine resultiert. Eine symmetrische Topologie der Synchronmaschine beziehungsweise deren Rotors, wie sie klassischerweise verwendet wird, kann dabei für einen positiven ebenso wie für einen negativen Drehsinn, also für beide entgegengesetzten Drehrichtungen gleichermaßen effektiv eingesetzt werden. Die vorliegende Erfindung beruht nun unter anderem auf der Erkenntnis, dass in der Praxis elektrisch erregte Synchronmaschinen oftmals eine bevorzugte Drehrichtung besitzen, in der sie hauptsächlich betrieben werden, woraus sich die Möglichkeit ergibt, derartige Synchronmaschinen gezielt für diese bevorzugte oder bestimmungsgemäße Drehrichtung auszulegen, also zu konstruieren und zu optimieren.
-
Dafür nutzt die vorliegende Erfindung einen Freiheitsgrad, der sich aus der Aufhebung der Anforderung oder Randbedingung einer symmetrischen Gestaltung der einzelnen Pole des Rotors ergibt. Dieser Freiheitsgrad ermöglicht also die asymmetrische Formgebung der Pole des Rotors. Es hat sich gezeigt, dass - zumindest für eine Drehrichtung oder eine Betriebsart oder für zumindest einen Betriebs- oder Arbeitspunkt - durch die asymmetrische Formgebung der Rotorpole einer entsprechenden elektrisch erregten Synchronmaschine beispielsweise deren Effizienz verbessert, deren Drehmoment erhöht, deren Betriebsverhalten verbessert, deren Aktivmasse verringert und/oder deren Rotormassenträgheit bedarfsgerecht angepasst werden kann. Es kann also beispielsweise bei gleicher Masse und entsprechend zumindest im Wesentlichen gleichen Kosten ein größeres Drehmoment im Vergleich zu herkömmlichen elektrisch erregten Synchronmaschinen beziehungsweise im Vergleich zur Verwendung eines herkömmlichen Rotors mit symmetrischen Polen erreicht werden oder dasselbe Drehmoment beispielsweise mit einer kleineren und/oder leichteren und dementsprechend gegebenenfalls kostengünstigeren Synchronmaschine produziert werden. Ebenso kann beispielsweise ein bestimmtes Drehmoment mit weniger Strom erreicht werden, sodass beispielsweise bei einer Verwendung der vorliegenden Erfindung in einem Elektrofahrzeug dessen Effizienz und Reichweite gesteigert und gegebenenfalls dessen Herstellungs- und/oder Betriebskosten gesenkt werden können. Wird die vorliegende Erfindung dazu genutzt, durch die asymmetrische Formgebung der Pole Material einzusparen, können vorteilhaft Kosten eingespart und die Massenträgheit des Rotors reduziert werden. Letzteres hat zur Folge, dass eine Dynamik des Rotors beziehungsweise der entsprechenden Synchronmaschine verbessert werden kann.
-
Die konkrete Ausgestaltung der Asymmetrie beziehungsweise des Rotors kann im Einzelfall von unterschiedlichen Faktoren abhängen, wie beispielsweise einem bestimmungsgemäß vorgesehenen Betriebsmodus und/oder Arbeitspunkt der entsprechenden Synchronmaschine, einem geforderten Drehmoment, einer Begrenzung der einsetzbaren Stromstärke, einer vorgegebenen minimalen oder maximalen Größe des Rotors oder der Synchronmaschine und/oder weiterer vorgegebener oder geforderter Charakteristiken oder Eigenschaften des Rotors oder der entsprechenden Synchronmaschine. Für die jeweilige Auslegung oder Ausgestaltung des Rotors kann beispielsweise ein rechner- oder computergestütztes Optimierungsverfahren zum Bestimmen oder Festlegen der jeweiligen Form des Rotors beziehungsweise der Pole des Rotors angewendet werden. Dabei kann in an sich bekannter Weise ein entsprechendes Modell beziehungsweise eine entsprechende Kostenfunktion bereitgestellt, also vorgegeben werden, die jeweilige individuelle Eigenschaften, wie etwa eine vorgesehene Größe, eine vorgegebene Drehrichtung des Rotors, einen vorgegebenen Drehzahlbereich, eine vorgegebene maximale Erregerstromstärke und/oder Betriebsspannung, ein für den Rotor und/oder die Erregerwicklung zu verwendendes Material beziehungsweise dessen Materialeigenschaften, eine Anzahl und/oder minimale Größe der Rotornuten, eine für die mechanische Stabilität entscheidende minimale Materialstärke einzelner Bereiche des Rotors und/oder dergleichen mehr enthält oder berücksichtigt. Zudem kann wenigstens eine Randbedingung in Form eines Optimierungsziels oder Optimierungskriteriums vorgegeben sein. So kann durch das Optimierungsverfahren die Form oder Asymmetrie des Rotors beispielsweise hinsichtlich einer Maximierung des Drehmoments, insbesondere bei einer gegebenen Größe oder Masse des Rotors und/oder einem gegebenen Phasenstrom, hinsichtlich einer Minimierung oder Verringerung einer Drehmomentwelligkeit, hinsichtlich einer Minimierung der Masse des Rotors, hinsichtlich verringerter Fertigungskosten, hinsichtlich eines vorgegebenen Kompromisses oder einer vorgegebenen Kombination aus mehreren dieser Kriterien und/oder dergleichen mehr optimiert werden. Dementsprechend kann durch die vorliegende Erfindung der Rotor beziehungsweise die damit ausgestattete entsprechende Synchronmaschine hinsichtlich eines oder mehrerer dieser Kriterien oder Eigenschaften gegenüber herkömmlichen Rotoren beziehungsweise gegenüber herkömmlichen elektrisch erregten Synchronmaschinen verbessert werden. Die Form oder Asymmetrie des Rotors kann also letztlich bedarfsgerecht anhand eines entsprechenden Modells oder einer entsprechenden Simulation bestimmt werden. Ebenso wären aber zusätzlich oder alternativ konkrete Experimente mit unterschiedlich gestalteten Rotoren möglich, um die beschriebenen Vorteile zu erzielen.
-
In vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der Rotor als Vollpolläufer ausgebildet. Damit kann sich also insbesondere das Material des jeweiligen Pols über dessen gesamten Winkelbereich erstrecken. Davon unbenommen ist, dass der Vollpolläufer Aussparungen oder Kavitäten oder dergleichen aufweisen kann. Diese können dabei beispielsweise ebenfalls bezüglich der Winkelhalbierenden des jeweiligen Pols asymmetrisch gestaltet sein, wodurch die beschriebenen vorteilhaften Effekte gegebenenfalls verstärkt oder unterstützt werden können. Insbesondere kann der Vollpolläufer Nuten für die Erregerwicklung aufweisen, wobei diese Rotornuten zum Erzeugen der Asymmetrie des Pols asymmetrisch geformt und/oder angeordnet, also beispielsweise mit variierendem Abstand über den jeweiligen Pol verteilt sein können.
-
In vorteilhafter Weiterbildung der vorliegenden Erfindung weisen die Pole also jeweilige Rotornuten auf, wobei zum Erzeugen der Asymmetrie ein Abstand der Rotornuten zueinander, eine Nutgrundbreite, eine Nutöffnungsweite beziehungsweise ein jeweiliger entsprechender Nutgrundwinkel oder Nutöffnungswinkel, eine Nuttiefe und/oder ein Winkel zwischen den Rotornuten und einer durch die jeweilige Rotornut verlaufenden Radiallinie jeweils für mehrere oder alle Rotornuten eines Pols variiert ist. Eine oder mehrere dieser Eigenschaften oder Parameter sind also über die verschiedenen Rotornuten jeweils eines einzelnen Pols hinweg variiert, sodass eine entsprechende Variation oder Unterschiedlichkeit der Rotornuten also innerhalb eines demselben Pol zugeordneten Satzes von Rotornuten gegeben ist. Dabei unterscheiden sich für jeweils einen Pol wenigstens zwei Rotornuten oder zwei Abstände zwischen benachbarten Rotornuten voneinander. Sofern der jeweilige Pol mehr als zwei Rotornuten aufweist, können dementsprechend also beispielsweise wenigstens zwei Rotornuten gleich geformt sein.
-
Der Abstand der Rotornuten zueinander sowie die Nutgrundbreite und die Nutöffnungsweite können hier in Umfangs- oder Drehrichtung des Rotors gemessen sein, während die Nuttiefe in radialer Richtung gemessen sein kann. Die Rotornuten eines Pols können hier also ungleichmäßig über den Pol verteilt und/oder ungleichmäßig geformt sein. Zusätzlich oder alternativ können die Rotornuten in unterschiedlichem Maße relativ zur jeweiligen Radiallinie oder Radialrichtung schräg gestellt oder gekippt sein. Die dabei jeweils als Referenz verwendete Radiallinie ist eine gedachte Linie, die in der Querschnittsebene von der zentralen Drehachse des Rotors in radialer Richtung beispielsweise durch den jeweiligen Nutgrund oder einen Mittelpunkt oder einen anderen Referenzpunkt der jeweiligen Rotornut verläuft. Mit dieser jeweiligen Radiallinie können die Rotornuten beziehungsweise gedachte Linien, die beispielsweise mittig entlang oder in Richtung der Nuttiefe verlaufen, also verschiedene Winkel einschließen. Die Rotornuten können also entsprechend unterschiedliche beziehungsweise asymmetrische Lagen oder Ausrichtungen aufweisen, müssen sich also nicht sämtlich in radialer Richtung erstrecken. Es hat sich gezeigt, dass durch derartige Variationen bei ansonsten gleichen Eigenschaften oder Parametern des Rotors beziehungsweise der Synchronmaschine eine Drehmomentausbeute im Vergleich zu einem symmetrischen Aufbau also im Vergleich zu einer gleichmäßigen Anordnung und Formgebung der Rotornuten jeweils eines Pols vergrößert werden kann.
-
Für die konkrete Ausgestaltung der Rotornuten können die genannten Eigenschaften oder Parameter als zu variierende oder variierbare Größen dem genannten Optimierungsverfahren, also einem entsprechenden Optimierungsalgorithmus oder Optimierer, vorgegeben werden. Dabei kann jeweils eine Variation über den gesamten möglichen Parameterraum erlaubt werden oder es kann beispielsweise ein jeweiliger zulässiger Wertebereich für die Variation vorgegeben werden. Dadurch können beispielsweise ein Fertigungsaufwand und/oder eine benötigte Berechnungszeit begrenzt werden und/oder jeweiliger Anforderungen oder Einschränkungen im Einzelfall berücksichtigt werden. Die vorliegende Erfindung ist also vorteilhaft flexibel für verschiedene Gegebenheiten oder in verschiedenen Situationen flexibel anwendbar.
-
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der Rotor als Schenkelpolläufer ausgebildet. Der genannte Winkelbereich beziehungsweise Kreissektor eines Pols kann dabei dann genau einen Schenkel des Schenkelpolläufers umfassen. Den Winkelbereich beziehungsweise den Pol in Umfangsrichtung seitlich begrenzende gedachte Radiallinien können also auf beiden Seiten des jeweiligen Pols beziehungsweise des jeweiligen Schenkels zwischen diesem und dem jeweiligen benachbarten Schenkel verlaufen. Bei einer symmetrischen Formgebung der Pole beziehungsweise der Schenkel würde die Winkelhalbierende also mittig durch den jeweiligen Schenkel verlaufen. Aufgrund der vorliegend vorgesehenen Asymmetrie der Pole beziehungsweise der Schenkel ist dies hier jedoch nicht notwendigerweise der Fall. Die Winkelhalbierende kann zwar auch hier durch den jeweiligen Schenkel verlaufen, wobei aber auf beiden Seiten der Winkelhalbierenden liegende Teile des jeweiligen Schenkels unterschiedlich groß sein und/oder unterschiedlich geformt sein können. Ebenso könnte der jeweilige Schenkel innerhalb des jeweiligen Pols, also innerhalb des genannten Winkelbereiches oder Kreissektors, so weit verschoben sein, dass er gänzlich auf einer Seite der Winkelhalbierenden liegt. Auch dies soll im vorliegenden Sinne als asymmetrische Gestaltung der Pole bezogen auf die Winkelhalbierende verstanden werden. Dies ist gerechtfertigt, da auch in diesem Fall zu beiden Seiten der Winkelhalbierenden unterschiedliche Teile oder Anteile des Schenkels angeordnet sind. Es hat sich gezeigt, dass durch eine derartige asymmetrische Ausgestaltung auch bei Schenkelpolläufern die Drehmomentausbeute im Vergleich zu einer symmetrischen Ausgestaltung der Pole beziehungsweise der Schenkel zumindest für die bestimmungsgemäße oder bestimmungsgemäß bevorzugte Drehrichtung oder zumindest für eine Betriebsart oder einen Betriebs- oder Arbeitspunkt vergrößert werden kann.
-
In vorteilhafter Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist ein jeweiliger Polschuh der Schenkel des Schenkelpolläufers, also der Schenkelpole, asymmetrisch geformt. Die asymmetrische Ausgestaltung der Polschuhe beruht auf der Erkenntnis, dass in herkömmlichen Schenkelpolmaschinen ein magnetischer Fluss für bestimmte Betriebs- oder Arbeitspunkte nicht gleichmäßig über den jeweiligen gesamten herkömmlichen symmetrischen Polschuh verteilt ist, sondern in einem Teilbereich konzentriert sein oder hauptsächlich von einem Teilbereich des Polschuhs getragen werden kann.
-
Beispielsweise kann dann ein um diesen Teilbereich größter Stärke oder größter Dichte des magnetischen Flusses angeordneter Teil des Polschuhs beibehalten oder vergrößert werden, während ein anderer Teilbereich, der den magnetischen Fluss nicht oder nur in minimalem Maße trägt, zumindest relativ verkleinert oder eingespart werden kann. Somit kann die Effizienz oder Materialnutzung verbessert beziehungsweise der magnetische Fluss gezielt verschoben oder gelenkt werden, um die beschriebenen vorteilhaften Effekte zu erzielen oder zu unterstützen.
-
Die asymmetrische Formgebung der Polschuhe kann zudem eine vereinfachte Fertigung des Rotors, insbesondere ein vereinfachtes Anbringen der Erregerwicklung ermöglichen, da beispielsweise ein minimaler Abstand zwischen zwei benachbarten Polschuhen im Vergleich zu einer herkömmlichen symmetrischen Ausgestaltung vergrößert sein kann. Dazu weisen in einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung die Schenkel des Schenkelpolläufers, also die Schenkelpole des Rotors, jeweils einen zumindest im Wesentlichen radial erstreckten Schaft und einen Polschuh auf. Der Polschuh schließt sich dabei an den Schaft an dessen bestimmungsgemäß einem Luftspalt zugewandten Ende an. In bestimmungsgemäßer Einbaulage des Rotors in der elektrischen erregten Synchronmaschine beabstandet der Luftspalt den Rotor von einem Stator der Synchronmaschine. Wird der Rotor hingegen als Einzelteil betrachtet, kann der Luftspalt als eine bestimmungsgemäß dem Stator zuzuwendende Oberfläche oder Außenseite des Rotors anschließende Luftschicht verstanden werden. Erfindungsgemäß ist es hier vorgesehen, dass jeweils ein von der jeweiligen Winkelhalbierenden aus betrachtet in der bestimmungsgemäß bevorzugten Drehrichtung des Rotors liegender Teil der Polschuhe jeweils größer ist als ein auf der jeweils anderen Seite der jeweiligen Winkelhalbierenden liegender Teil der Polschuhe. Der jeweilige Polschuh kann dabei insbesondere in der Drehrichtung von der Winkelhalbierenden aus betrachtet länger sein und/oder weiter über den Schaft hinausragen als auf der anderen Seite der Winkelhalbierenden, also als entgegen der Drehrichtung. Dadurch kann wie beschrieben die asymmetrische Führung des magnetischen Flusses erreicht oder unterstützt werden und zum anderen das Einbringen oder Anbringen der Erregerwicklungen vereinfacht beziehungsweise beschleunigt werden, da zwischen zwei benachbarten Polschuhen ein entsprechend vergrößerter Abstand gegeben sein kann. Der jeweilige Schaft des Schenkelpols kann dabei gleichmäßig oder symmetrisch geformt sein, sodass die Winkelhalbierende bevorzugt beispielsweise durch die Mitte des jeweiligen Schafts verlaufen kann.
-
Ebenso kann jedoch in vorteilhafter Weiterbildung der vorliegenden Erfindung der jeweilige radial erstreckte Schaft der Schenkel des Schenkelpolläufers, also der Schenkelpole des Rotors, bezogen auf die jeweilige durch den Schaft verlaufende Winkelhalbierende in der bestimmungsgemäßen Drehrichtung des Rotors asymmetrisch gestaltet sein. Dabei kann insbesondere ein von der Winkelhalbierenden aus betrachtet entgegen der bestimmungsgemäßen Drehrichtung liegender Teil des jeweiligen Schafts verkleinert sein im Vergleich zu einem auf der anderen Seite der jeweiligen Winkelhalbierenden Teil des Schafts, also im Vergleich zu einem in der Drehrichtung führenden oder vorneliegenden Teil des Schafts. Hierdurch ist also vorteilhaft ein zusätzlicher Parameter oder Freiheitsgrad für die konkrete Ausgestaltung oder Optimierung der Formgebung des Rotors beziehungsweise der Asymmetrie der Pole gegeben. Dementsprechend können durch die hier vorgeschlagene Weiterbildung der Erfindung die beschriebenen vorteilhaften Eigenschaften besonders effektiv oder besonders effizient realisiert werden. In einem konkreten Beispiel könnte der jeweilige Schaft sich etwa einseitig, also asymmetrisch entlang seiner radialen Längserstreckung mit zunehmender Annäherung an den jeweiligen Polschuh beziehungsweise an den Luftspalt in Drehrichtung verjüngen. Eine Querschnittsfläche oder Querschnittsform des jeweiligen Schafts könnte also beispielsweise zumindest im Wesentlichen wie ein rechtwinkliges oder schiefes Dreieck oder Trapez geformt sein.
-
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der Rotor aus mehreren Segmenten zusammengesetzt, die jeweils einen Pol des Rotors umfassen. Die einzelnen Pole oder Segmente können also Einzelteile sein, die zu dem Gesamtrotor zusammengesetzt, also miteinander verbunden werden können. Die einzelnen Pole oder Segmente können dabei jeweils eine eigene Erregerwicklung oder einen eigenen Abschnitt der Erregerwicklung oder der Erregerwicklungen des Rotors umfassen. Mit anderen Worten können die einzelnen Segmente oder Pole also mit ihrer jeweiligen Erregerwicklung oder ihrem jeweiligen Abschnitt der Erregerwicklung umwickelt werden, bevor sie zu dem Rotor zusammengesetzt werden. Dies kann vorteilhaft eine signifikant vereinfachte und beschleunigte Fertigung des Rotors ermöglichen, da ein technisch herausforderndes und schwierig zu realisierendes Einfädeln der Erregerwicklung zwischen jeweils zwei benachbarten Polen im Wesentlichen entfallen kann. Die einzelnen Segmente können beispielsweise mit einem, insbesondere ringförmigen, Verbindungsbereich des Rotors verbunden sein und/oder zum Verbinden mit einer Welle der jeweiligen Synchronmaschine vorgesehen sein. Eine entsprechende Verbindung kann beispielsweise über einen jeweiligen Formschluss, etwa über eine Schwalbenschwanzform der Segmente, mittels einer Schweiß- oder Schraubverbindung oder dergleichen realisiert werden. Ein derartiger Aufbau des Rotors aus einzelnen Segmenten kann gegebenenfalls eine besonders komplexe Asymmetrie, also eine besonders komplexe Formgebung der Pole ermöglichen oder eine entsprechende Herstellung vereinfachen.
-
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine elektrisch erregte Synchronmaschine, die einen Stator und einen von diesem durch einen Luftspalt beabstandeten erfindungsgemäßen Rotor aufweist. Die erfindungsgemäße Synchronmaschine kann insbesondere die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Rotor genannte Synchronmaschine sein. Dementsprechend kann die erfindungsgemäße Synchronmaschine einige oder alle der im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Rotor genannten Eigenschaften und/oder Merkmale aufweisen.
-
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Kraftfahrzeug, das wenigstens eine erfindungsgemäße elektrische erregte Synchronmaschine aufweist. Diese Synchronmaschine kann dabei insbesondere eine Traktionsmaschine des Kraftfahrzeugs sein. Das Kraftfahrzeug kann dementsprechend das im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Rotor genannte Fahrzeug, insbesondere ein Elektro- oder Hybridfahrzeug sein. Elektrische Maschinen, die zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs, also als Traktions- oder Antriebsmaschine ausgelegt und eingerichtet sind, müssen typischerweise besonders große Leistungen aufbringen können und können dementsprechend einen signifikanten Anteil am Gesamtgewicht des jeweiligen Kraftfahrzeugs ausmachen. Daher können sich die beschriebenen Vorteile der vorliegenden Erfindung in einem solchen Fall besonders signifikant auswirken.
-
Weitere Merkmale der Erfindung können sich aus den Ansprüchen, den Figuren und der Figurenbeschreibung ergeben. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung 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, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
-
Die Zeichnung zeigt in:
- 1 eine schematische ausschnittweise Querschnittansicht einer elektrischen Maschine mit einem asymmetrischen Vollpolläufer;
- 2 eine schematische ausschnittweise Querschnittansicht eines asymmetrischen Rotors; und
- 3 eine schematische ausschnittweise Querschnittansicht einer elektrischen Maschine mit einem asymmetrischen Schenkelpolläufer.
-
In den Figuren sind gleiche und funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
-
In 1 ist in einer ausschnittweisen schematischen Querschnittansicht eine elektrische Maschine 10 dargestellt. Die elektrische Maschine 10 umfasst hier einen außenliegenden Stator 12, in dem ein als Innenläufer ausgebildeter Rotor 14 angeordnet ist. Der Rotor 14 ist hier durch einen umlaufenden Luftspalt 16 von dem Stator 12 beabstandet. Der Stator 12 und der Rotor 14 sind dabei konzentrisch um eine zentrale Drehachse 18 der elektrischen Maschine 10 angeordnet. Eine bestimmungsgemäße beziehungsweise bestimmungsgemäß bevorzugte Drehrichtung R des Rotors 14 ist hier durch einen entsprechenden Pfeil angedeutet.
-
Der Rotor 14 ist in dem hier dargestellten Beispiel als Vollpolläufer mit sechs gleichmäßig in Dreh- oder Umfangsrichtung verteilten Polen ausgebildet. Ein Pol umfasst dabei einen jeweiligen Winkelbereich oder Kreissektor des Rotors 14, wobei diese Winkelbereiche oder Kreissektoren, also die Pole des Rotors 14 in Umfangsrichtung unmittelbar aneinander anschließen und somit den gesamten Rotor 14 bilden.
-
Beispielhaft ist hier ein solcher Pol, also ein entsprechender Winkelbereich oder Kreissektor, durch eine in Drehrichtung R führende Begrenzungslinie 20 und eine hintere Begrenzungslinie 22 gekennzeichnet. In der Dreh- oder Umfangsrichtung ist der Pol durch eine mittig zwischen den Begrenzungslinien 20, 22 in radialer Richtung verlaufende Winkelhalbierende 24 halbiert. Der hier durch die Begrenzungslinien 20, 22 gekennzeichnete Pol weist - ebenso wie die übrigen Pole - mehrere Rotornuten 26 auf. Der Pol ist dabei - ebenso wie die übrigen Pole des Rotors 14 - asymmetrisch bezüglich der Winkelhalbierenden 24 geformt. Dazu sind vorliegend die Rotornuten 26 unterschiedlich beziehungsweise ungleichmäßig gestaltet und angeordnet. Durch diese asymmetrische Ausgestaltung der Pole des Rotors 14 kann beispielsweise eine Drehmomentausbeute der elektrischen Maschine 10 vergrößert werden, beispielsweise im Vergleich zu einer gleich großen und gleich schweren elektrischen Maschine mit symmetrisch geformten Polen.
-
Zur weiteren Veranschaulichung zeigt 2 beispielhaft eine schematische Detailansicht eines asymmetrisch gestalteten Rotorpols oder Polbereiches des Rotors 14. Der Pol weist wie beschrieben mehrere Rotornuten 26 auf, die asymmetrisch bezüglich der Winkelhalbierenden 24 gestaltet sind. Im vorliegend dargestellten Beispiel befinden sich zwar in beiden Hälften des dargestellten Pols, also einerseits in der in Drehrichtung R führenden Hälfte zwischen der Winkelhalbierenden 24 und der führenden Begrenzungslinie 20 und andererseits in der folgenden oder hinteren Hälfte zwischen der Winkelhalbierenden 24 und der hinteren Begrenzungslinie 22, gleich viele Rotornuten 26. Der Satz von Rotornuten 26 in der führenden Hälfte unterscheidet sich jedoch von dem Satz von Rotornuten 26 in der hinteren Hälfte des dargestellten Pols.
-
Dabei können beispielsweise ein Nutabstand 28, eine Nutgrundbreite 30, eine Nutöffnungsbreite 32 und/oder eine Nuttiefe 34 über den Pol hinweg variiert sein. Diese Parameter oder Größen sind hier der Übersichtlichkeit halber nur für einige der Rotornuten 26 gekennzeichnet. Vorliegend weisen beispielsweise in der führenden Hälfte eine von der führenden Begrenzungslinie 20 aus betrachtet erste führende Nut und eine führende zweite Nut 36 die gleiche Nuttiefe 34 in radialer Richtung auf, während die Nuttiefen 34 der führenden zweiten Nut 36 und einer führenden dritten Nut 38 unterschiedlich sind. Bezogen auf die Winkelhalbierende 24 als Spiegel- oder Symmetrieachse würden der führenden zweiten Nut 36 und der führenden dritten Nut 38 eine in der hinteren Hälfte angeordnete folgende zweite Nut 40 und eine folgende dritte Nut 42 entsprechen. Letztere weisen jedoch wiederum andere Nuttiefen 34 auf. Ebenso können sich diese Nuten beispielsweise hinsichtlich ihrer Nutgrundbreite 30 sowohl voneinander als auch von den entsprechenden führenden Nuten 36, 38 und/oder anderen der Rotornuten 26 unterscheiden. Dadurch ist also letztlich eine Asymmetrie des dargestellten Pols bezüglich der Winkelhalbierenden 24 gegeben.
-
Als weiteres Beispiel ist in 3 eine schematische ausschnittweise Querschnittansicht einer weiteren elektrischen Maschine 10 dargestellt. Auch diese elektrische Maschine 10 weist hier einen Stator 12 und einen darin umlaufenden Rotor 14 auf. In diesem Beispiel ist der Rotor 14 jedoch als Schenkelpolläufer ausgebildet. Auch hier ist ein Pol des Rotors 14 als Winkelbereich oder Kreissektor zwischen einer führenden Begrenzungslinie 20 und einer folgenden Begrenzungslinie 22 mit einer mittig dazwischen radial verlaufenden Winkelhalbierenden 24 gekennzeichnet. Ein hierin angeordneter Schenkel umfasst einen radial erstreckten Schaft 44 an den sich an einer dem Luftspalt 16 zugewandten Seite ein Polschuh 46 anschließt. Die Winkelhalbierende 24 verläuft hier beispielhaft mittig durch den Schaft 44, während der Polschuh 46 bezogen auf die Winkelhalbierende 24 asymmetrisch ausgebildet ist. Vorliegend ist ein in Drehrichtung R führender Teil 48 des Polschuhs 46 größer beziehungsweise länger ausgebildet als ein entgegen der Drehrichtung R über den Schaft 44 hinausragender hinterer Teil 50 des Polschuhs 46. Damit ergibt sich zwischen zwei benachbarten Polschuhen 46 ein Polschuhabstand 52, der im Vergleich zu einer symmetrischen Ausgestaltung des Polschuhs 46, bei welcher der hintere Teil 50 spiegelsymmetrisch wie der führende Teil 48 ausgebildet wäre, vergrößert, also in Dreh- oder Umfangsrichtung vergrößert ist.
-
Die in den Figuren dargestellten Beispiele veranschaulichen geeignete Polasymmetrien für jeweils eine bestimmte konkrete Synchronmaschine beziehungsweise jeweils eine bestimmte Betriebsart oder ein bestimmtes Anforderungsprofil. Für andere Maschinen, Anforderungen, Situationen oder Einsatzzwecke könnten also entsprechend andere Formgebungen beziehungsweise Asymmetrien jeweils optimal sein.
-
Insgesamt zeigen die beschriebenen Beispiele unterschiedliche Weisen, wie eine drehsinnoptimierte elektrisch erregte Synchronmaschine mit asymmetrischer Rotorpolgeometrie realisiert werden kann, um einen verbesserten Betrieb und/oder verbesserte Eigenschaften im Vergleich zu herkömmlichen Synchronmaschinen zu erreichen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 10
- elektrische Maschine
- 12
- Stator
- 14
- Rotor
- 16
- Luftspalt
- 18
- Drehachse
- 20
- führender Begrenzungslinie
- 22
- hintere Begrenzungslinie
- 24
- Winkelhalbierende
- 26
- Rotornuten
- 28
- Nutabstand
- 30
- Nutgrundbreite
- 32
- Nutöffnungsbreite
- 34
- Nuttiefe
- 36
- führende zweite Nut
- 38
- führende dritte Nut
- 40
- folgende zweite Nut
- 42
- folgende dritte Nut
- 44
- Schaft
- 46
- Polschuh
- 48
- führender Teil
- 50
- hinterer Teil
- 52
- Polschuhabstand
- R
- Drehrichtung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102008057391 A1 [0002]
