DE102020111036A1

DE102020111036A1 - Rotortopologie mit heterogen magnetisierten Oberflächenmagneten, elektrische Maschine und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102020111036A1
Application number: DE102020111036.7A
Authority: DE
Inventors: Norman Borchardt; Guenter Georg Schlangen
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2020-04-23
Filing date: 2020-04-23
Publication date: 2021-10-28

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine, eine elektrische Maschine mit einem derartigen Rotor und ein damit ausgestattetes Kraftfahrzeug. Dabei ist in einem Polbereich des Rotors ein Oberflächenmagnet angeordnet. Dieser Oberflächenmagnet weist entlang seiner Längserstreckung zum Erhöhen einer magnetischen Durchflutung in einem an den Rotor anschließenden Luftspalt eine variierte Magnetisierung auf. Dazu sind Orientierungen lokaler Magnetisierungsvektoren und/oder deren Beträge für den Oberflächenmagneten asymmetrisch bezogen auf eine senkrecht zu einer zentralen Drehachse des Rotors verlaufenden Mittelquerachse des Oberflächenmagneten ausgebildet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine, eine elektrische Maschine mit einem solchen Rotor und ein Kraftfahrzeug mit einer solchen elektrischen Maschine.
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. Vor diesem Hintergrund ist in der DE 10 2014 105 171 A1 ein Rotor mit einem Permanentmagneten für eine elektrische Maschine beschrieben. Mit diesem Rotor soll auf einfache Weise in einem Luftspalt eine hohe magnetische Flussdichte erzeugbar sein. Dazu wird ein Magnetpulver in ein Presshohl eingefüllt. Durch Erzeugen eines Orientierungsmagnetfeldes in dem Presshohl wird eine magnetische Orientierung der Teilchen des Magnetpulvers ausgerichtet. Das Orientierungsmagnetfeld weist dabei in einer Schnittebene eine magnetische Winkelstreuung auf, deren Absolut-Betrag größer als 20° ist. Das Magnetpulver wird dann zu einem pulvergepressten einteiligen Permanentmagneten gesintert.
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 für eine elektrische Maschine, insbesondere für die weiter unten beschriebene erfindungsgemäße elektrische Maschine, weist mehrere Polbereiche auf. Ein Polbereich in diesem Sinne ist ein Abschnitt oder Sektor des Rotors, der einen, insbesondere genau einen, Rotorpol bildet oder umfasst. Ein Polbereich in diesem Sinne kann beispielsweise ein Schenkel des Rotors oder ein Teil oder ein - insbesondere im Querschnitt kreissektorförmiger- Ausschnitt eines in Umfangsrichtung kontinuierlich ausgebildeten Rotors sein. Ein Polbereich kann beispielsweise einen Permanentmagneten sowie eine Aufnahme oder Halterung für diesen umfassen. Ebenso kann ein Polbereich beispielsweise wenigstens einen Elektromagneten und/oder wenigstens eine Kavität und/oder wenigstens eine Aussparung des Rotors umfassen.
Vorliegend ist in wenigstens einem der Polbereiche des Rotors ein Permanentmagnet als Oberflächenmagnet an einer bestimmungsgemäß einem Luftspalt der elektrischen Maschine zuzuwendenden Seite des Rotors angeordnet. Ein Oberflächenmagnet ist hier im fachüblichen Sinne ein Magnet, der an einer Oberseite oder Außenfläche des Rotors angeordnet ist. Der Oberflächenmagnet ist also kein versenkter oder vergrabener Magnet. Dementsprechend kann der Oberflächenmagnet beispielsweise bereichsweise eine Außenseite oder äußere Begrenzung des Rotors bilden. Dabei kann der Oberflächenmagnet zum Schutz eine Abdeckung oder Beschichtung oder dergleichen aufweisen, was jedoch von einem metallischen Volumen- oder Hauptmaterial des restlichen Rotors verschieden sein kann.
Erfindungsgemäß ist eine Magnetisierung des Oberflächenmagneten entlang von dessen Längserstreckung in einer zumindest im Wesentlichen senkrecht zu einer zentralen Drehachse des Rotors stehenden Querschnittsebene zum Erhöhen einer magnetischen Durchflutung in dem an den Rotor anschließenden Luftspalt variiert.
Der Luftspalt ist im Sinne der vorliegenden Erfindung diejenige an den Rotor beziehungsweise eine Oberfläche oder Außenseite des Rotors anschließende Luftschicht, die in bestimmungsgemäßer Einbaulage des Rotors in der elektrischen Maschine zwischen dem Rotor und einem Stator der elektrischen Maschine liegt. Sofern der Rotor als Einzelteil betrachtet wird, also nicht mit einem Stator kombiniert ist, ist der Luftspalt als die an den Rotor beziehungsweise dessen Oberfläche an einer bestimmungsgemäß dem Stator zuzuwendenden Seite des Rotors anschließende Luftschicht zu verstehen. Eine dem Luftspalt zugewandte Oberfläche oder Kontur des Rotors, insbesondere des Oberflächenmagneten, kann hier gleichmäßig geformt sein, sodass der Luftspalt bei bestimmungsgemäßer Anordnung des Rotors in einer elektrischen Maschine homogen ist, also entlang des Umfangs des Rotors an jeder Stelle die gleiche radiale Dicke hat. Ebenso kann der Rotor beziehungsweise dessen dem Luftspalt zugewandte Oberfläche oder Kontur ungleichmäßig geformt sein. Der Rotor kann also an verschiedenen Stellen unterschiedliche radiale Ausdehnungen aufweisen. In diesem Fall kann der Luftspalt dann bei bestimmungsgemäßer Anordnung des Rotors in einer elektrischen Maschine inhomogen sein, also entlang des Umfangs des Rotors an unterschiedlichen Stellen unterschiedliche radiale Dicken aufweisen. Dabei kann der Rotor bevorzugt über den jeweiligen Polbereich hinweg asymmetrisch bezüglich einer in der Querschnittsebene in radialer Richtung durch die Mitte des Oberflächenmagneten und/oder des Polbereichs verlaufenden gedachten Linie geformt sein. Ebenso kann der Oberflächenmagnet - sowohl bei homogenem als auch bei inhomogenem Luftspalt - an unterschiedlichen Stellen unterschiedliche radiale Dicken aufweisen, insbesondere also asymmetrisch geformt sein. Durch die beschriebenen Ausgestaltungen des Rotors beziehungsweise des Oberflächenmagneten kann also eine geometrische Asymmetrie des Polbereichs gegeben sein.
Die erhöhte magnetische Durchflutung oder magnetische Spannung ist im Sinne der vorliegenden Erfindung absolut und/oder relativ zur Magnetgröße und/oder zur Magnetfeld- oder Magnetisierungsstärke des Oberflächenmagneten im Vergleich zur Verwendung von homogen magnetisierten Permanentmagneten gleicher Größe und/oder gleicher Magnetfeld- oder Magnetisierungsstärke zu verstehen.
Die Magnetisierung ist erfindungsgemäß derart variiert, dass die Orientierungen lokaler Magnetisierungsvektoren und/oder deren Beträge für den Oberflächenmagneten asymmetrisch sind bezogen auf dessen in der Querschnittsebene verlaufende Mittelquerachse. Die Mittelquerachse steht hier wenigstens in deren Schnittpunkt mit der Längserstreckungsrichtung des Oberflächenmagneten zumindest im Wesentlichen senkrecht zu dieser und steht zudem zumindest im Wesentlichen senkrecht zu der zentralen Drehachse des Rotors. Weiter kann die Mittelquerachse insbesondere durch einen Mittelpunkt einer in der Querschnittsebene liegenden Querschnittsfläche und/oder durch einen Mittelpunkt der Längserstreckung des Magneten - also dessen Ausdehnung oder entlang der Längserstreckungsrichtung - in der Querschnittsebene verlaufen.
Die zentrale Drehachse ist dabei diejenige Achse, um die der Rotor im bestimmungsgemäßen Betrieb oder Einsatz in der elektrischen Maschine rotiert. Die Längserstreckungsrichtung kann insbesondere eine gedachte Linie beschreiben, die der Längserstreckung des Oberflächenmagneten in der Querschnittsebene folgt und gegebenenfalls über den Oberflächenmagneten hinausragt oder hinaus verlängert sein. Die Längserstreckung beziehungsweise die Längserstreckungsrichtung des Oberflächenmagneten kann insbesondere dessen Haupterstreckung oder Haupterstreckungsrichtung in der Querschnittsebene sein, also entlang einer größten Ausdehnung des Oberflächenmagneten in der Querschnittsebene verlaufen. Insbesondere dann, wenn der Oberflächenmagnet in der Querschnittsebene eine gerade oder ebene Form aufweist, beispielsweise zumindest im Wesentlichen rechteckig ist, können die Längserstreckung und die Längserstreckungsrichtung des Oberflächenmagneten zusammenfallen. Die Längserstreckungsrichtung kann dann durch einen Mittelpunkt des Oberflächenmagneten in der Querschnittsebene verlaufen, also insbesondere einer Symmetrieachse des Oberflächenmagneten zumindest in der Querschnittsebene entsprechen.
Ebenso kann der Oberflächenmagnet in einer vorteilhaften Ausgestaltung jedoch entlang seiner Längserstreckung um die Drehachse des Rotors gekrümmt sein oder verlaufen, sodass er dessen Außenkrümmung folgt. Der Rotor kann also zumindest bereichsweise entlang des Luftspalts eine die Drehachse umgreifende runde Kontur oder Form haben, deren Krümmung dann der Krümmung des Oberflächenmagneten entsprechen kann. Auf diese Weise kann eine besonders kompakte und symmetrische Ausgestaltung des Rotors realisiert werden. Insbesondere kann hier der Luftspalt über die gesamte Längserstreckung oder Oberfläche des Oberflächenmagneten hinweg in bestimmungsgemäßer Einbaulage des Rotors in der elektrischen Maschine ohne Weiteres die gleiche Dicke in Radialrichtung aufweisen. In diesem Fall ist der Oberflächenmagnet also entlang einer Längserstreckung gebogen oder gekrümmt. Die Längserstreckungsrichtung kann dann ebenfalls diese Krümmung aufweisen beziehungsweise dieser Krümmung folgen, also beispielsweise entlang einer entsprechend gekrümmten Mittellängsachse des Oberflächenmagneten verlaufen. Ebenso kann die Längserstreckungsrichtung jedoch als tangential verlaufende Linie oder Richtung aufgefasst werden.
Ein lokaler Magnetisierungsvektor für oder in einem bestimmten Punkt oder Bereich des Oberflächenmagneten ist hier charakterisiert durch seine Orientierung und seinen Betrag. Die Orientierung gibt dabei die Richtung oder Ausrichtung des jeweiligen lokalen Magnetfeldvektors, also eines durch einen jeweiligen Teilbereich oder an dem jeweiligen Punkt des Oberflächenmagneten erzeugten Magnetfelds an. Der Betrag des jeweiligen lokalen Magnetisierungsvektors gibt eine jeweilige lokale Magnetisierungsstärke, also die Stärke oder Größe des von dem jeweiligen Teilbereich oder an dem jeweiligen Punkt des Permanentmagneten erzeugten Magnetfelds an. Die lokalen Magnetisierungsvektoren beschreiben also Beiträge jeweiliger Teilbereiche oder Abschnitte des Oberflächenmagneten zu dessen Gesamtmagnetfeld.
Vorliegend können die lokalen Magnetisierungsvektoren, also deren Orientierungen und/oder Beträge, in entlang der Längserstreckung des Oberflächenmagneten betrachtet einander gegenüberliegenden Endbereichen des Oberflächenmagneten unterschiedlich voneinander und/oder unterschiedlich zu einem weiteren lokalen Magnetisierungsvektor in einem oder mehreren dazwischenliegenden Teilbereichen des Oberflächenmagneten sein. In einem einfachen Fall kann der Oberflächenmagnet durch die Mittelquerachse in zwei Teilbereiche unterteilt werden. Bevorzugt können entlang der Längserstreckung des Oberflächenmagneten aber eine Vielzahl entsprechender Teilbereiche angeordnet sein. Insbesondere können die Orientierungen der lokalen Magnetisierungsvektoren und/oder deren Beträge entlang der Längserstreckung des Oberflächenmagneten kontinuierlich oder nahezu kontinuierlich variieren. Die Orientierungen der lokalen Magnetisierungsvektoren und/oder deren Beträge können also entlang der Längserstreckungsrichtung des Permanentmagneten in jedem Punkt oder in jedem Teilbereich unterschiedlich sein. Ebenso kann es jedoch einen oder mehrere Teilbereiche geben, in dem oder in denen die Orientierungen der lokalen Magnetisierungsvektoren und/oder deren Beträge gleich beziehungsweise konstant sind.
Die hier vorgesehene ungleichmäßige Magnetisierung des Oberflächenmagneten kann beispielsweise durch entsprechend asymmetrisches Aufmagnetisieren des Oberflächenmagneten durch eine entsprechende Magnetisierungsvorrichtung erreicht werden, die ein entsprechend - hinsichtlich seiner Richtung und/oder Stärke - asymmetrisches Magnetfeld erzeugt und dem Oberflächenmagneten aufprägt. Zusätzlich oder alternativ können beispielsweise ein oder mehrere Teilbereiche des Oberflächenmagneten separat durch eine externe Aufmagnetisierungsvorrichtung aufmagnetisiert werden, dann beispielsweise mit entsprechend unterschiedlichen Magnetfeldern. Ebenso kann der Oberflächenmagnet beispielsweise aus Teilmagneten aufgebaut oder zusammengesetzt werden, wobei diese unter Berücksichtigung ihrer jeweiligen Magnetisierungen relativ zueinander ausgerichtet werden können, um die beabsichtigte asymmetrische Magnetisierung des resultierenden Gesamtmagneten zu erreichen.
Die konkrete Ausgestaltung der Asymmetrie der Magnetisierung kann im Einzelfall von unterschiedlichen Faktoren abhängen, wie beispielsweise einem bestimmungsgemäß vorgesehenen Betriebsmodus und/oder Arbeitspunkt der entsprechenden elektrischen Maschine, einer Form des Rotors, einer Form, Größe und/oder Anordnung des Oberflächenmagneten relativ einem Rest des Rotors oder der elektrischen Maschine und/oder dergleichen mehr. Zudem kann der Rotor beispielsweise als Innenläufer oder als Außenläufer ausgebildet sein, wovon die Ausgestaltung der Asymmetrie der Magnetisierung ebenfalls abhängig sein kann.
Für die jeweilige Auslegung oder Ausgestaltung des Rotors beziehungsweise des Oberflächenmagneten kann beispielsweise ein rechner- oder computergestütztes Optimierungsverfahren zum Bestimmen oder Festlegen der jeweiligen Magnetisierung angewendet werden. Dabei kann in an sich grundsätzlich bekannter Weise ein entsprechendes Modell beziehungsweise eine entsprechende Kostenfunktion bereitgestellt werden, also vorgegeben werden, die jeweilige individuelle Eigenschaften, wie etwa eine vorgesehene Geometrie, eine vorgesehene Drehrichtung des Rotors und/oder dergleichen mehr, sowie wenigstens eine vorgegebene Randbedingung enthält oder berücksichtigt. Eine derartige Randbedingung kann beispielsweise ein vorgegebenes Optimierungskriterium sein oder beschreiben. So kann durch entsprechende Ausgestaltung oder Anpassung der Magnetisierung beziehungsweise deren Asymmetrie der Rotor beispielsweise hinsichtlich einer Maximierung eines Drehmoments, insbesondere bei einer gegebenen Magnetgröße oder Magnetmasse und/oder einem gegebenen Phasenstrom, hinsichtlich einer Minimierung oder Verringerung einer Drehmomentwelligkeit, also etwa einer Reduktion harmonischer Oberwellenanteile, hinsichtlich einer Minimierung der Magnetmasse oder Magnetgröße, 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 also der Rotor beziehungsweise eine entsprechende elektrische Maschine - zumindest für eine Drehrichtung und/oder für wenigstens einen Betriebs- oder Arbeitspunkt - hinsichtlich eines oder mehrerer dieser Kriterien oder Eigenschaften gegenüber herkömmlichen Rotoren beziehungsweise elektrischen Maschinen optimiert oder verbessert werden. Somit kann letztlich also beispielsweise ein verbessertes Betriebsverhalten, eine verbesserte Effizienz und/oder eine verbesserte Akustik einer entsprechenden elektrischen Maschine erreicht werden. Diese vorteilhaften Effekte der Asymmetrie der Magnetisierung können gegebenenfalls durch die genannte geometrische Asymmetrie des Polbereichs unterstützt werden.
Besonders bevorzugt können alle Polbereiche des Rotors in der beschriebenen Weise mit jeweils einem asymmetrisch magnetisierten Permanentmagneten ausgebildet sein. Ebenso bevorzugt können in dem jeweiligen Polbereich zusätzlich zu dem beschriebenen Oberflächenmagneten ein oder mehrere weitere Permanentmagnete und/oder eine Rotorwicklung angeordnet sein. Beispielsweise kann in Umfangs- oder Drehrichtung des Rotors neben dem Oberflächenmagneten und/oder radial innenliegend, also in radialer Richtung unterhalb des Oberflächenmagneten jeweils ein oder mehrere weitere Permanentmagnete angeordnet sein. Diese weiteren Permanentmagnete können dann je nach ihrer Lage oder Anordnung ebenfalls Oberflächenmagnete oder aber versenkte oder vergrabene, also in dem Rotor angeordnete Magnete sein. Solche weiteren Magnete können beispielsweise gerade oder ebene, insbesondere rechteckige Formen oder Querschnitte aufweisen, aber je nach Auslegung oder Anwendungsfall ebenso gebogen oder gekrümmt oder auf andere Weise ausgeformt sein. Entsprechende weitere Permanentmagnete können beispielsweise in tangentialer Ausrichtung, in radialer Ausrichtung, in einer sich nach außen oder nach innen aufweitenden, symmetrischen oder asymmetrischen V-Formation und/oder dergleichen mehr angeordnet sein. Diese weiteren Permanentmagnete können dabei jeweils homogene oder inhomogene, insbesondere bezogen auf ihre jeweilige Mittelquerachse asymmetrische, Magnetisierungen aufweisen. Durch eine derartige Verwendung mehrerer beziehungsweise weiterer Permanentmagnete kann ein resultierendes Gesamtmagnetfeld des Rotors besonders genau beziehungsweise besonders flexibel gestaltet oder angepasst werden. Insbesondere können auf diese Weise gegebenenfalls auf besonders einfache Weise oder mit besonders kostengünstigen Materialien beziehungsweise unabhängig von materialbedingten Einschränkungen größere Gradienten innerhalb des Gesamtmagnetfelds realisiert werden als dies bei ausschließlicher Verwendung des einen Oberflächenmagneten möglich wäre. Somit können die beschriebenen vorteilhaften Effekte der Asymmetrie des Magnetfelds des Rotors also gegebenenfalls verstärkt oder besonders effektiv oder effizient ausgenutzt werden.
Die Formulierungen „im Wesentlichen“ und „nahezu“ können im Sinne der vorliegenden Erfindung beispielsweise durch Fertigungstoleranzen oder -ungenauigkeiten bedingte Abweichungen von der jeweiligen Ausrichtung oder dem jeweiligen Wert oder beispielsweise eine Abweichung von jeweils bis zu 10 % einschließen oder zulassen.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist für einen ersten Betriebsmodus des Rotors beziehungsweise einer den erfindungsgemäßen Rotor umfassenden elektrischen Maschine mit zumindest nahezu reiner oder ausschließlicher I_q-Bestromung in einem von der Mittelquerachse aus betrachtet in bestimmungsgemäßer Drehrichtung des Rotors liegenden Endbereich des Oberflächenmagneten zumindest ein dortiger lokaler Magnetisierungsvektor beziehungsweise dessen Orientierung stärker zu der Mittelquerachse hin geneigt als zumindest ein weiterer lokaler Magnetisierungsvektor, der näher an dieser Mittellängsachse und/oder auf einer anderen Seite der Mittelquerachse verortet ist. Der Endbereich, in dem der stärker geneigte lokale Magnetisierungsvektor verortet ist, ist also der in bestimmungsgemäßer Drehrichtung führende oder vorne liegende Endbereich des Oberflächenmagneten. Der im Vergleich dazu schwächer oder weniger relativ zu der Mittelquerachse geneigte weitere lokale Magnetisierungsvektor befindet sich dementsprechend in einem entgegen der bestimmungsgemäßen Drehrichtung weiter von dem Endbereich entfernt liegenden Teilbereich des Oberflächenmagneten.
Die I_q-Bestromung ist hier im Sinne des Formalismus der an sich bekannten d/q-Transformation oder Park-Transformation zu verstehen. I_q ist dabei ein Drehmoment bildender Anteil eines im Betrieb der elektrischen Maschine in deren Statorwicklung fließenden Strangstroms. I_d ist demgegenüber ein Magnetisierungsstromanteil. In der vorliegend vorgeschlagenen Ausgestaltung ist der genannte lokale Magnetisierungsvektor in dem in Drehrichtung führenden Endbereich des Oberflächenmagneten also - entgegen der bestimmungsgemäßen Drehrichtung - zur d-Achse hin geneigt. Mit der d-Achse kann hier ebenso wie im Folgenden insbesondere die geometrische d-Achse gemeint sein, die mittig durch den jeweiligen Pol oder Polbereich verlaufen kann. Je nach Ausgestaltung kann die jeweilige Neigung oder Geometrie aber ebenso bezüglich der magnetischen d-Achse gelten, die abhängig von verschiedenen Faktoren relativ zu der geometrischen d-Achse etwas gekippt sein kann.
Insbesondere kann hier nicht nur ein lokaler Magnetisierungsvektor entsprechend geneigt sein. Vielmehr kann die Neigung beispielsweise in dem in Drehrichtung führenden Endbereich am stärksten sein und entlang der Längserstreckung des Oberflächenmagneten zumindest bis zu der Mittelquerachse kontinuierlich abnehmen. In einem von dem in Drehrichtung führenden Endbereich entlang der Längserstreckung des Oberflächenmagneten aus betrachtet auf der anderen oder gegenüberliegenden Seite der Mittelquerachse liegenden Bereich können ein oder mehrere dortige lokale Magnetisierungsvektoren in der bestimmungsgemäßen Drehrichtung zu der Mittelquerachse hin geneigt sein. Auch diese Neigung kann dabei in dem in der bestimmungsgemäßen Drehrichtung betrachtet folgenden oder hinten liegenden Endbereich am stärksten ausgeprägt sein und dann beispielsweise entlang der Längserstreckungsrichtung in Richtung der Mittelquerachse oder bis zu der Mittelquerachse kontinuierlich abnehmen. Dabei kann die Neigung des oder der lokalen Magnetisierungsvektoren in dem in Drehrichtung führenden Endbereich insbesondere stärker ausgeprägt sein als in dem in Drehrichtung folgenden oder hinten liegenden Endbereich.
Die jeweilige Neigung eines lokalen Magnetisierungsvektors beziehungsweise von dessen Orientierung kann hier relativ zu der Mittelquerachse oder deren Richtung oder Orientierung gelten. Ebenso kann die Neigung relativ zu einer am Ort des jeweiligen Magnetisierungsvektors in der Querschnittsebene senkrecht auf einer Oberfläche des Oberflächenmagneten stehenden gedachten Linie gelten. In der vorliegenden Ausgestaltung kann es also insbesondere einen zwischen den beiden Endbereichen liegenden Mittelbereich des Oberflächenmagneten geben, in dem ein dortiger lokaler Magnetisierungsvektor senkrecht zu einem dortigen lokalen Oberflächenabschnitt oder einer dort an dem Oberflächenmagneten Tangente orientiert ist. Es hat sich gezeigt, dass mit der hier vorgeschlagenen Ausgestaltung der Asymmetrie der Magnetisierung eine besonders hohe Drehmomentausbeute beziehungsweise ein besonders geringes Magnetvolumen bei gleichem Drehmoment erreicht werden kann.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist für einen weiteren oder zweiten Betriebsmodus des Rotors beziehungsweise einer den Rotor umfassenden elektrischen Maschine mit kombinierter I_d-Bestromung und I_q-Bestromung ein lokaler Magnetisierungsvektor des Oberflächenmagneten in Richtung des Luftspalts ein weiterer lokaler Magnetisierungsvektor des Oberflächenmagneten weist dann in eine von dem Luftspalt abgewandte Richtung. Ist der Rotor als Innenläufer ausgebildet, weist der hier zuerst genannte erste lokale Magnetisierungsvektor also nach außen, während der weitere lokale Magnetisierungsvektor nach innen, also in eine der zentralen Drehachse oder einem Innenbereich des Rotors zugewandte Richtung weist. Mit anderen Worten dreht die Orientierung der Magnetisierungsvektoren entlang der Längserstreckung des Oberflächenmagneten also in der Querschnittsebene über die Längserstreckungsrichtung des Oberflächenmagneten hinweg. Insbesondere kann der in Richtung des Luftspalts weisende erste Magnetisierungsvektor in dem in Drehrichtung führenden Endbereich des Oberflächenmagneten verortet sein. Der weitere lokale Magnetisierungsvektor kann hingegen insbesondere in einem von der Mittelquerachse aus gesehen entgegen der bestimmungsgemäßen Drehrichtung des Rotors liegenden Endbereich des Oberflächenmagneten, also in dem folgenden oder hinten liegenden Endbereich, verortet sein. Dabei können in der Querschnittsebene auf beiden Seiten der Mittelquerachse verortete Magnetisierungsvektoren zu der Mittelquerachse hin geneigt sein. Auf der in Drehrichtung führenden Seite der Mittelquerachse kann diese Neigung dabei entgegen der Drehrichtung von dem führenden Endbereich bis zu der Mittelquerachse hin kontinuierlich abnehmen. Es hat sich gezeigt, dass durch die hier vorgeschlagene Ausgestaltung der Asymmetrie der Magnetisierung bei kombinierter I_d- und I_q-Bestromung die beschriebenen Vorteile besonders effektiv oder effizient realisiert werden können.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der Oberflächenmagnet als monolithischer Einzelmagnet ausgebildet. Der Oberflächenmagnet kann mit anderen Worten also einstückig oder einteilig ausgebildet sein. Beispielsweise kann der Oberflächenmagnet als ein einziger pulvergepresster oder gesinterter Magnet ausgebildet sein. Eine solche monolithische Ausgestaltung des Oberflächenmagneten kann vorteilhaft einen besonders gleichmäßigen oder kontinuierlichen Verlauf der Magnetisierung über die Längserstreckung des Oberflächenmagneten hinweg ermöglichen, sodass beispielsweise Sprünge oder Unterbrechungen in der Magnetisierung oder deren Verlauf vermieden werden können. Dies kann der Fall sein, da es dann innerhalb des Oberflächenmagneten keine Grenzen oder Unterbrechungen, beispielsweise zwischen separaten Komponenten oder Bauteilen gibt. Ebenso kann ein derartiger monolithischer Oberflächenmagnet gegebenenfalls einfacher oder kostengünstiger gefertigt und/oder in der Fertigung des Rotors gehandhabt, also beispielsweise eingebaut werden.
In einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist der Oberflächenmagnet aus mehreren Einzel- oder Teilmagneten zusammengesetzt oder aufgebaut. Die Teilmagnete sind hier voneinander abgegrenzte Einzelteile, die miteinander zu dem Oberflächen- beziehungsweise Gesamtmagneten verbunden sind. Die Teilmagnete können dazu beispielsweise miteinander verklebt und/oder durch eine umgebende Klammer oder ein Gehäuse gehalten sein. Die Teilmagnete sind im vorliegenden Sinne also nicht als unterschiedliche Bereiche eines monolithischen Magneten zu verstehen, die ohne klare Begrenzung oder Abgrenzung ineinander übergehen. Die Teilmagnete können jeweils für sich homogen magnetisiert sein, also homogene oder symmetrische Magnetisierungen aufweisen, wobei unterschiedliche Teilmagnete dann unterschiedlich magnetisiert sein können. Ebenso können einer oder mehrere der Teilmagnete bezogen auf ihre jeweilige Mittelquerachse asymmetrisch magnetisiert sein. Die Magnetisierungen oder Magnetfelder der Teilmagnete überlagern sich letztendlich und bilden somit zusammengenommen die Magnetisierung beziehungsweise das Magnetfeld des gesamten Oberflächenmagneten. Die Asymmetrie der Magnetisierung des Oberflächenmagneten insgesamt kann also durch entsprechende relative Anordnung oder Ausrichtung der Teilmagnete zueinander zusammengesetzt oder erzeugt werden. Durch die hier vorgeschlagene Ausgestaltung können vorteilhaft beispielsweise Wirbelströme und entsprechende Verluste innerhalb des Oberflächenmagneten vermieden oder im Vergleich zu einem monolithisch ausgebildeten Oberflächenmagneten reduziert werden. Zudem können durch entsprechendes Zusammensetzen oder Anordnen der Teilmagnete besonders einfach und kostengünstig auch komplexe Formen oder Geometrien des Oberflächenmagneten und damit entsprechend komplex geformte Magnetfelder realisiert werden. Somit kann auf besonders einfache Weise die Magnetisierung des Oberflächenmagneten besonders einfach und besonders flexibel angepasst oder eingestellt werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Magnetisierung des Oberflächenmagneten in axialer Richtung der Drehachse variiert. Analog wie beschrieben können dabei die Orientierungen und/oder die Beträge lokaler Magnetisierungsvektoren variiert, also an verschiedenen Stellen des Oberflächenmagneten unterschiedlich sein. Die Magnetisierung kann in der axialen Richtung, also entlang der Längserstreckung der Drehachse, symmetrisch oder asymmetrisch variiert sein bezogen auf eine Achse oder eine Schnittebene des Rotors, die zumindest im Wesentlichen senkrecht zu der Drehachse steht und bezogen auf die Längserstreckung der Drehachse durch deren Mittelpunkt beziehungsweise den Mittelpunkt des Rotors oder der entsprechenden elektrischen Maschine verläuft. Beispielsweise können jeweilige lokale Magnetisierungsvektoren an einer oder beiden Stirnseiten des Oberflächenmagneten in axialer Richtung relativ zu der genannten Achse oder Ebene geneigt sein, dann also nicht-parallel zu dieser ausgerichtet sein. Insgesamt kann die Magnetisierung also in drei Dimensionen variiert, insbesondere asymmetrisch gestaltet sein. Auf diese Weise können die beschriebenen Vorteile - gegebenenfalls abhängig von der sonstigen Ausgestaltung der elektrischen Maschine - noch weiter verstärkt werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist der Rotor wenigstens eine Magnetisierungswicklung in Form eines zumindest bereichsweise an dem Oberflächenmagneten entlanggeführten elektrischen Leiters auf. Durch entsprechende Bestromung dieser Magnetisierungswicklung kann dann ein auf den Oberflächenmagneten zu dessen zumindest teilweiser Ummagnetisierung einwirkendes Magnetfeld erzeugt werden. Damit kann also durch Beaufschlagen der Magnetisierungswicklung mit einem entsprechenden Strompuls oder Stromprofil die Magnetisierung des Oberflächenmagneten eingestellt oder angepasst werden. Dadurch kann der Rotor beispielsweise für verschiedene Arbeitspunkte oder Betriebsmodi nach Bedarf, insbesondere reversibel magnetisiert werden, ohne dass dafür beispielsweise der Oberflächenmagnet ausgebaut oder eine externe Aufmagnetisierungsvorrichtung angewendet oder eingesetzt werden müsste.
Wird der Rotor beispielsweise als Teil einer elektrischen Maschine eines Kraftfahrzeugs verwendet, so kann der Oberflächenmagnet also mit Mitteln der elektrischen Maschine oder mit fahrzeugeigenen Mitteln zumindest teilweise ummagnetisiert werden. So kann beispielsweise ein besonders effizienter Betrieb in verschiedenen Fahrsituationen erreicht werden. Die Magnetisierungswicklung kann an einer oder mehreren Seiten entlang des Oberflächenmagneten entlanggeführt sein oder zumindest in einem Abschnitt des Oberflächenmagneten um diesen herumgewickelt sein. Dabei kann die Magnetisierungswicklung beispielsweise asymmetrisch ausgebildet oder angeordnet sein, etwa indem in einem Bereich des Oberflächenmagneten eine engere Wicklung oder höhere Wicklungsdichte und/oder ein geringerer Abstand der Magnetisierungswicklung von dem Oberflächenmagneten vorgesehen wird als in einem anderen Bereich des Oberflächenmagneten und/oder ein Teilbereich des Oberflächenmagneten von der Magnetisierungswicklung freigelassen wird. Auf diese Weise kann bei dem Ummagnetisieren die asymmetrische Magnetisierung des Oberflächenmagneten besonders einfach erzeugt werden. Sofern in dem jeweiligen Polbereich mehrere Oberflächen- oder Permanentmagnete angeordnet sind, kann eine gemeinsame Magnetisierungswicklung entlang dieser Permanentmagnete geführt sein. Ebenso kann für mehrere oder jeden der Permanentmagneten eine separate Magnetisierungswicklung vorgesehen sein. Ebenso kann beispielsweise die Magnetisierungswicklung nur zum Ummagnetisieren eines der Permanentmagnete oder eines Teils der Permanentmagnete angeordnet sein, während wenigstens ein anderer der Permanentmagnete dann nicht mittels der oder einer Magnetisierungswicklung ummagnetisierbar ist.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist eine elektrische Maschine, die einen Stator und einen von diesem durch einen Luftspalt beabstandeten erfindungsgemäßen Rotor aufweist. Die erfindungsgemäße elektrische Maschine kann insbesondere die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Rotor genannte elektrische Maschine sein. Dementsprechend kann die erfindungsgemäße elektrische Maschine einige oder alle der im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Rotor genannten Eigenschaften und/oder Merkmale aufweisen.
In vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ist diese dazu eingerichtet, durch Bestromung einer Statorwicklung ein Ummagnetisierungsfeld zum zumindest teilweisen Ummagnetisieren zumindest des Oberflächenmagneten zu bewirken. Um ein derartiges Ummagnetisieren des Oberflächenmagneten zu bewirken, kann beispielsweise ein Strompuls oder ein Stromprofil angewendet werden, der oder das eine Stärke oder Leistung aufweist, die über eine in einem bestimmungsgemäßen regulären Betrieb der elektrischen Maschine, in dem keine signifikante Ummagnetisierung des Oberflächenmagneten stattfindet, bestimmungsgemäß auftretende Stromstärke oder Leistung hinausgeht. Dementsprechend kann die Statorwicklung also für eine derartige erhöhte Stromstärke und/oder Leistung ausgelegt sein. Ebenso kann die elektrische Maschine beispielsweise eine separate Strom- oder Leistungsversorgung zum Erzeugen eines entsprechenden Ummagnetisierungsstroms aufweisen. Ebenso kann die elektrische Maschine ein Steuergerät oder eine Steuerschaltung aufweisen, die zum Erzeugen eines entsprechenden Ummagnetisierungs-Strompulses oder -Stromprofils beziehungsweise zum Steuern einer entsprechenden Stromversorgung eingerichtet ist. Durch die Verwendung der Statorwicklung zum Ummagnetisieren des Oberflächenmagneten kann beispielsweise eine separate dedizierte Magnetisierungswicklung eingespart und dadurch die elektrische Maschine besonders kompakt, leicht und kostengünstig gefertigt werden. Dies kann alternativ oder zusätzlich analog für einen oder mehrere gegebenenfalls in dem Rotor beziehungsweise in dem jeweiligen Polbereich angeordnete weitere Permanentmagnete gelten.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Kraftfahrzeug, das wenigstens eine erfindungsgemäße elektrische Maschine aufweist. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug kann insbesondere das im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine und/oder im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Rotor genannte Fahrzeug sein. Dementsprechend kann das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug einige oder alle der im Zusammenhang mit diesen anderen Aspekten der vorliegenden Erfindung genannten Eigenschaften und/oder Merkmale aufweisen. Die elektrische Maschine des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs kann insbesondere zu dessen Antrieb ausgelegt und eingerichtet, also eine Traktions- oder Antriebsmaschine sein. Derartige elektrische Maschinen müssen typischerweise eine besonders große Leistung aufbringen können, sodass sich die beschriebenen Vorteile hier besonders signifikant auswirken können.
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;
2 eine schematische Detaildarstellung eines Oberflächenmagneten eines Rotors der elektrischen Maschine für einen ersten Betriebsmodus; und
3 eine schematische Detaildarstellung eines Oberflächenmagneten eines Rotors der elektrischen Maschine für einen zweiten Betriebsmodus.

In den Figuren sind gleiche und funktionsgleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt eine schematische ausschnittweise Queransicht einer elektrischen Maschine 10. Die elektrische Maschine 10 umfasst hier einen außenliegenden Stator 12 und einen darin umlaufenden Rotor 14. Der Rotor 14 ist dabei in radialer Richtung von dem Stator 12 durch einen dazwischenliegenden Luftspalt 16 beabstandet. Der Luftspalt 16 kann dabei homogen oder inhomogen sein, also in radialer Richtung eine konstante oder entlang des Umfangs des Rotors 14 variierende Breite aufweisen. Der Rotor 14 ist hier zur Rotation um eine zentrale Drehachse 18 der elektrischen Maschine 10 angeordnet.
Konkret ist hier lediglich ein Sektor der elektrischen Maschine 10 dargestellt, der sich in radialer Richtung von der Drehachse 18 über den Rotor 14, den Luftspalt 16 und den Stator 12 erstreckt und in Umfangsrichtung einen Polbereich 20 des Rotors 14 umfasst.
In dem Polbereich 20 ist vorliegend an einer dem Luftspalt 16 zugewandten Seite des Rotors 14 ein Permanentmagnet angeordnet, der hier entsprechend seiner Lage in oder an dem Rotor 14 als Oberflächenmagnet 22 bezeichnet wird.
Die Zeichenebene entspricht hier einer Querschnittsebene der elektrischen Maschine 10. Die Drehachse 18 steht hier also senkrecht auf der Zeichen- beziehungsweise Querschnittsebene. In dieser Querschnittsebene verläuft hier in radialer Richtung durch den Oberflächenmagneten 22 dessen Mittelquerachse 24. Die Mittelquerachse 24 kann je nach konkreter Ausgestaltung des Permanentmagneten 22 und/oder des Polbereiches 20 bezogen auf die Querschnittsebene durch einen Mittelpunkt des Permanentmagneten 22 und/oder bezogen auf die Umfangsrichtung oder eine hier durch einen Pfeil schematisch angedeutete bestimmungsgemäße Drehrichtung des Rotors 14 durch die Mitte des Polbereiches 20 führen. Die Mittelquerachse 24 fällt hier im Formalismus der d/q-Transformation mit der geometrischen d-Achse des Polbereichs 20 zusammen. Ein seitlicher Rand des Polbereichs 20 fällt hier beispielhaft mit der geometrischen q-Achse zusammen. Der Winkel zwischen den d- und der q-Achsen ist abhängig von der Anzahl der Polpaare des Rotors 14, kann also für verschiedene elektrische Maschinen 10 beziehungsweise für verschiedene Ausgestaltungen des Rotors 14 unterschiedlich sein.
Der Oberflächenmagnet 22 weist hier eine heterogene und bezogen auf die Mittelquerachse 24 beziehungsweise die d-Achse asymmetrische also nichtspiegelsymmetrische Magnetisierung auf. Dies ist in 2 in einer schematischen Detaildarstellung des Oberflächenmagneten 22 aus 1 beispielhaft für einen ersten Betriebsmodus mit zumindest im Wesentlichen reiner I_q-Bestromung des Stators 12 beziehungsweise einer hier nicht im Detail dargestellten Statorwicklung veranschaulicht.
Der Oberflächenmagnet 22 kann grundsätzlich als monolithischer Einzelmagnet ausgebildet sein. Im vorliegend dargestellten Beispiel ist der Oberflächenmagnet 22 jedoch aus einer Vielzahl von Teilmagneten 28 zusammengesetzt, von denen hier der Übersichtlichkeit halber nur einige explizit gekennzeichnet sind.
Zur Veranschaulichung der Magnetisierung des Oberflächenmagneten 22 sind hier für die Teilmagnete 28 schematische Magnetisierungsvektoren 30 dargestellt. Jeweils einer der Magnetisierungsvektoren 30 veranschaulicht hier also eine Richtung oder Orientierung eines Magnetfeldes des jeweiligen Teilmagneten 28. Der Übersichtlichkeit halber sind hier nur einige der Magnetisierungsvektoren 30 explizit gekennzeichnet. Die Magnetisierungsvektoren 30 beziehungsweise die durch diese repräsentierten Magnetfelder der Teilmagnete 28 überlagern sich dann zur Gesamtmagnetisierung beziehungsweise zum Gesamtmagnetfeld des Oberflächenmagneten 22.
Für den genannten I_q-Betriebsmodus ist hier ein erster Magnetisierungsvektor 32 eines Teilmagneten 28 in einem in der auch hier durch einen entsprechenden Pfeil angedeuteten bestimmungsgemäßen Drehrichtung des Rotors 14 führenden Endbereich des Oberflächenmagneten 22 entgegen der Drehrichtung zu der Mittelquerachse 24 hin geneigt. Der erste Magnetisierungsvektor 32 ist dabei stärker zu der Mittelquerachse 24 beziehungsweise zur d-Achse hin geneigt als wenigstens ein weiter entgegen der Drehrichtung verorteter hier beispielhaft gekennzeichneter zweiter Magnetisierungsvektor 34. Insbesondere können dabei aber alle oder zumindest im Wesentlichen alle lokalen Magnetisierungsvektoren 30 zumindest in der in Drehrichtung führenden Hälfte des Oberflächenmagneten 22 zu der d-Achse beziehungsweise zur Mittelquerachse 24 hin geneigt sein. Diese Neigung kann dabei mit zunehmender Entfernung von der d-Achse zunehmen.
In der anderen, also von der Mittelquerachse 24 aus betrachtet entgegen der Drehrichtung liegenden Hälfte des Oberflächenmagneten 22 können die dortigen lokalen Magnetisierungsvektoren 30 ebenfalls geneigt sein, insbesondere mit entlang der Längserstreckung des Oberflächenmagneten 22 mit zunehmender Entfernung von der Mittelquerachse 24 zunehmender Neigung. Beispielhaft ist hier ein dritter Magnetisierungsvektor 36 in einem in Drehrichtung folgenden oder hinten liegenden Endbereich des Oberflächenmagneten 22 stärker in Drehrichtung zu der d-Achse hin geneigt als ein zwischen diesem und der d-Achse liegender weiterer der Magnetisierungsvektoren 30.
3 zeigt analog eine weitere schematische Detailansicht des Oberflächenmagneten 22 für einen zweiten Betriebsmodus mit kombinierter I_d- und I_q-Bestromung. Für diesen zweiten Betriebsmodus ist dabei eine andere Ausgestaltung und Asymmetrie der Magnetisierung des Oberflächenmagneten 22 vorgesehen, wie hier ebenfalls durch entsprechende lokale Magnetisierungsvektoren 30 angedeutet ist.
Für diesen zweiten Betriebsmodus ist in der in Drehrichtung führenden Hälfte ein erster Magnetisierungsvektor 32 ebenfalls stärker zu der d-Achse hin geneigt als en beispielhaft gekennzeichneter zweiter Magnetisierungsvektor 34, der weiter von dem in Drehrichtung führenden Endbereich des Oberflächenmagneten 22 entfernt verortet ist. Auch hier kann die Neigung der lokalen Magnetisierungsvektoren 30 entlang der Längserstreckung des Oberflächenmagneten 22 entgegen der Drehrichtung abnehmen. Dabei kann sich vorliegend die Neigungsrichtung bezogen auf die d-Achse sogar umkehren, sodass näher an der d-Achse verortete Magnetisierungsvektoren 30, wie hier beispielsweise der zweite Magnetisierungsvektor 34 beispielsweise in Drehrichtung von der d-Achse weg geneigt sein können.
In der in Drehrichtung folgenden oder hinten liegenden anderen Hälfte des Oberflächenmagneten 22 ist die Magnetisierungsrichtung bezogen auf die Längserstreckung des Oberflächenmagneten 22 zumindest bereichsweise umgekehrt beziehungsweise entgegengesetzt. Während also beispielsweise der erste Magnetisierungsvektor 32 und der zweite Magnetisierungsvektor 34 bei der hier dargestellten Topologie in Richtung des Luftspalts 16 weisen, gibt es zumindest einen dritten Magnetisierungsvektor 36, der in eine von dem Luftspalt 16 abgewandte Richtung weist. Dabei kehrt sich ausgehend von diesem dritten Magnetisierungsvektor 36 die Orientierung der Magnetisierungsvektoren 30 entlang der Längserstreckung des Oberflächenmagneten 22 vorliegend zumindest im Wesentlichen kontinuierlich um. Somit gibt es also zwischen dem dritten Magnetisierungsvektor 36 und dem ersten Magnetisierungsvektor 32 zumindest einen vierten Magnetisierungsvektor 38, der zumindest im Wesentlichen lokal, also bezogen auf einen lokalen Bereich des Oberflächenmagneten 22, zumindest im Wesentlichen tangential orientiert ist.
Obwohl in den Figuren die jeweilige Asymmetrie der Magnetisierung des Oberflächenmagneten 22 durch die Neigung eines oder mehrerer der jeweiligen Magnetisierungsvektoren 30 veranschaulicht ist, kann die Asymmetrie der Magnetisierung zusätzlich oder alternativ durch eine entsprechende Variation der Beträge der Magnetisierungsvektoren 30, also der Magnetisierungsstärke entlang der Längserstreckung des Oberflächenmagneten 22 realisiert werden.
Die hier in den Figuren veranschaulichten Magnetisierungen beziehungsweise deren Asymmetrien stellen lediglich jeweilige Beispiele für eine konkrete Rotortopologie, eine vorgegebene Geometrie, eine vorgegebene Drehrichtung, einen bestimmten Betriebsmodus und/oder Arbeitspunkt und/oder dergleichen mehr dar. Für andere Ausgestaltungen beziehungsweise für andere Werte dieser Parameter kann die jeweilige optimale Magnetisierung beziehungsweise deren Asymmetrie also anders aussehen.
Die jeweilige optimale Magnetisierung beziehungsweise deren jeweilige optimale Asymmetrie kann beispielsweise automatisch durch einen vorgegebenen Optimierungsalgorithmus beziehungsweise anhand eines vorgegebenen Modells der jeweiligen elektrischen Maschine 10 bestimmt werden. Ein solcher Optimierer kann dabei die Orientierung der Magnetisierungsvektoren 30 und/oder deren Beträge, also eine jeweilige lokale Magnetisierungsstärke, beispielsweise für unterschiedliche Bereiche des Oberflächenmagneten 22 beziehungsweise für die verschiedenen Teilmagnete 28 frei, also in einem gesamten oder vollständigen Parameter- oder Wertebereich variieren. Grundsätzlich könnte die Orientierung der Magnetisierungsvektoren 30 also zumindest in der Querschnittsebene zwischen 0 und 360° sowie alternativ oder zusätzlich senkrecht dazu variiert werden. Ebenso könnten die Beträge der Magnetisierungsvektoren, also die Magnetisierungsstärke zwischen 0 und einem, beispielsweise materialabhängigen, Maximalwert variiert werden. Ebenso kann die Magnetisierung in axialer Richtung variiert sein. Es kann vorteilhaft sein, eine Beschränkung auf einen vorgegebenen Werte- oder Variationsbereich als Randbedingung vorzugeben. Dadurch kann dann beispielsweise ein Rechenaufwand reduziert werden und/oder es können dadurch praktische Beschränkungen oder Anforderungen berücksichtigt werden. Weiter kann als mögliche Option zudem vorgegeben sein, dass ein Teilbereich des Oberflächenmagneten 22 oder eines für diesen vorgesehenen Bauraums durch ein nicht-magnetisches Material gebildet oder gefüllt werden kann. Mit anderen Worten kann also der Oberflächenmagnet 22 also beispielsweise verkürzt und/oder bereichsweise ausgespart werden. Eine solche Aussparung kann dann ein offenes oder leeres, beispielsweise luftgefülltes Volumen sein oder durch ein Ersatz- oder Füllmaterial ausgefüllt sein. Auf diese Weise kann letztlich eine geometrische Asymmetrie in dem Polbereich 20 erzeugt werden.
Insgesamt zeigen die beschriebenen Beispiele wie eine heterogene Magnetisierung eines Oberflächenmagneten 22 beispielsweise in einer elektrischen Traktionsmaschine realisiert werden kann. Dabei sind divergierende lokale Magnetisierungen vorgesehen, durch die ein verbesserter Betrieb der jeweiligen Maschine erreicht werden kann. Es können also einzelne Bereiche des jeweiligen Magneten unterschiedlich stark und/oder mit unterschiedlichen Orientierungen magnetisiert sein. Dadurch können beispielsweise veränderte Betriebs- oder Arbeitspunkte entstehen, eine Drehmomentausbeute erhöht, ein für ein bestimmtes Drehmoment notwendiges Magnetvolumen reduziert, eine Grundharmonische und harmonische Oberwellen hinsichtlich einer verbesserten Effizienz, Akustik und/oder Drehmomentwelligkeit optimiert und/oder eine Kostenreduktion erreicht werden.
Bezugszeichenliste

10: elektrische Maschine
12: Stator
14: Rotor
16: Luftspalt
18: Drehachse
20: Polbereich
22: Oberflächenmagnet
24: Mittelquerachse
28: Teilmagnete
30: Magnetisierungsvektoren
32: erster Magnetisierungsvektor
34: zweiter Magnetisierungsvektor
36: dritter Magnetisierungsvektor
38: vierter Magnetisierungsvektor
d: d-Achse
q: q-Achse

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 102014105171 A1 [0002]

Claims

Rotor (14) für eine elektrische Maschine (10), aufweisend mehrere Polbereiche (20), wobei - in wenigstens einem Polbereich (20) ein Permanentmagnet als Oberflächenmagnet (22) an einer bestimmungsgemäß einem Luftspalt (16) zuzuwendenden Seite des Rotors (14) angeordnet ist, und - eine Magnetisierung des Oberflächenmagneten (22) entlang von dessen Längserstreckung in einer zumindest im Wesentlichen senkrecht zu einer zentralen Drehachse (18) des Rotors (14) stehenden Querschnittsebene zum Erhöhen einer magnetischen Durchflutung in dem an den Rotor (14) anschließenden Luftspalt (16) variiert ist, sodass Orientierungen lokaler Magnetisierungsvektoren (30) und/oder deren Beträge für den Oberflächenmagneten (22) asymmetrisch sind bezogen auf dessen in der Querschnittsebene verlaufende Mittelquerachse (24), die wenigstens in deren Schnittpunkt mit der Längserstreckungsrichtung des Oberflächenmagneten (22) zumindest im Wesentlichen senkrecht zu dieser und zumindest im Wesentlichen senkrecht zu der Drehachse (18) des Rotors (14) steht.
Rotor (14) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Oberflächenmagnet (22) entlang seiner Längserstreckung um die Drehachse (18) des Rotors (14) gekrümmt ist, sodass er dessen Außenkrümmung folgt.
Rotor (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für einen Betriebsmodus mit zumindest nahezu reiner I_q-Bestromung in einem in von der Mittelquerachse (24) aus betrachtet in bestimmungsgemäßer Drehrichtung des Rotors (14) liegenden Endbereich des Oberflächenmagneten (22) ein lokaler Magnetisierungsvektor (30, 32) stärker zu der Mittelquerachse (24) hin geneigt ist als ein weiterer lokaler Magnetisierungsvektor (30, 34), der näher an dieser Mittelquerachse (24) und/oder auf einer anderen Seite der Mittelquerachse (24) verortet ist.
Rotor (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für einen Betriebsmodus mit kombinierter I_d- und I_q-Bestromung ein lokaler Magnetisierungsvektor (30, 32, 34) des Oberflächenmagneten (22) in Richtung des Luftspalts (16) weist und, insbesondere in einem von der Mittelquerachse (24) aus gesehen entgegen einer bestimmungsgemäßen Drehrichtung des Rotors (14) liegenden Endbereich des Oberflächenmagneten (22), ein weiterer lokaler Magnetisierungsvektor (30, 36) des Oberflächenmagneten (22) in eine von dem Luftspalt (16) abgewandte Richtung weist.
Rotor (14) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Oberflächenmagnet (22) aus mehreren Teilmagneten (28) zusammengesetzt ist.
Rotor (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetisierung des Oberflächenmagneten (22) in axialer Richtung der Drehachse (18) variiert ist.
Rotor (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (14) wenigstens eine Magnetisierungswicklung (26) in Form eines zumindest bereichsweise an dem Oberflächenmagneten (22) entlanggeführten elektrischen Leiters aufweist, sodass ein durch Bestromung der Magnetisierungswicklung (26) erzeugtes Magnetfeld auf den Oberflächenmagneten (22) zu dessen Ummagnetisierung einwirkt.
Elektrische Maschine (10), aufweisend ein Stator (12) und einen von diesem durch einen Luftspalt (16) beabstandeten Rotor (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Elektrische Maschine (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (10) dazu eingerichtet ist, durch Bestromung einer Statorwicklung ein Ummagnetisierungsfeld zum Ummagnetisieren des Oberflächenmagneten (22) zu bewirken.
Kraftfahrzeug, aufweisend eine elektrische Maschine (10) nach einem der Ansprüche 8 und 9.