DE102020111037A1

DE102020111037A1 - Mehrlagige Rotortopologie mit eingebetteten Permanentmagneten und divergierender Magnetisierung, elektrische Hybridmaschine und Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102020111037A1
Application number: DE102020111037.5A
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 wenigstens ein tangential ausgerichteter Permanentmagnet angeordnet. Eine Magnetisierung dieses Permanentmagneten ist dabei entlang von dessen Längserstreckung zum Erhöhen einer magnetischen Durchflutung in einem an den Rotor anschließenden Luftspalt variiert. Dazu sind Orientierungen lokaler Magnetisierungsvektoren und/oder deren Beträge für den wenigstens einen Permanentmagneten asymmetrisch ausgebildet bezogen auf eine Mittelquerachse des Permanentmagneten, die senkrecht zu dessen Längserstreckungsrichtung in einer senkrecht zu einer zentralen Drehachse des Rotors stehenden Querschnittsebene verläuft.

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 oder eine Gruppe von Permanentmagneten sowie eine entsprechende Aufnahme oder Halterung für diesen oder diese umfassen. Ebenso kann ein Polbereich beispielsweise wenigstens einen Elektromagneten und/oder wenigstens eine Kavität und/oder wenigstens eine Aussparung des Rotors umfassen. Eine Form und/oder Anordnung einer oder mehrere Kavitäten und/oder Aussparungen kann dabei bezüglich einer in radialer Richtung mittig durch den Polbereich verlaufenden Linie symmetrisch oder asymmetrisch sein. Durch eine derartige asymmetrische Form und/oder Anordnung kann also eine geometrische Asymmetrie des Polbereichs gegeben sein.
Vorliegend ist in wenigstens einem der Polbereiche wenigstens ein Permanentmagnet angeordnet. Eine zentrale Drehachse des Rotors, um die der Rotor bestimmungsgemäßen Betrieb in der elektrischen Maschine rotiert, steht hier senkrecht zu einer Querschnittsebene des Rotors. Der wenigstens eine Permanentmagnet ist dabei derart in dem Rotor angeordnet, dass eine Längserstreckungsrichtung des Permanentmagneten in der Querschnittsebene zumindest im Wesentlichen senkrecht zu einer in radialer Richtung durch die zentrale Drehachse und den wenigstens einen Permanentmagneten verlaufenden Linie ausgerichtet ist. Der wenigstens eine Permanentmagnet kann mit anderen Worten also insbesondere mit sich in tangentialer Richtung erstreckender Längserstreckungsrichtung angeordnet oder ausgerichtet sein, beispielsweise bezogen auf einen in der Querschnittsebene gedachten Kreis, der die zentrale Drehachse des Rotors konzentrisch umgibt und eine der Drehachse zugewandte Unterseite des Permanentmagneten berührt. Der wenigstens eine Permanentmagnet kann insbesondere eine zumindest im Wesentlichen quaderförmige Gestalt oder Form aufweisen. Dabei kann der wenigstens eine Permanentmagnet insbesondere in der Querschnittsebene einen zumindest im Wesentlichen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Die Längserstreckungsrichtung in der Querschnittsebene kann dann einer, insbesondere durch einen Mittelpunkt des Permanentmagneten beziehungsweise des Querschnitts des Permanentmagneten in der Querschnittsebene verlaufenden Mittelachse, Mittellängsachse oder Symmetrieachse des jeweiligen Permanentmagneten entsprechen. Insbesondere kann diese Längserstreckungsrichtung eine Haupterstreckungsrichtung des Permanentmagneten in der Querschnittsebene sein, also entlang einer Richtung verlaufen, in welcher der Permanentmagnet in der Querschnittsebene seine größte Ausdehnung aufweist. Dies muss je nach Auslegung aber nicht zwangsläufig der Fall sein.
Weiter ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine Magnetisierung des wenigstens einen Permanentmagneten entlang von dessen Längserstreckung, also in der Längserstreckungsrichtung über den Permanentmagneten hinweg, zum Erhöhen einer magnetischen Durchflutung in einem an den Rotor anschließenden Luftspalt variiert ist. Die erhöhte magnetische Durchflutung oder magnetische Spannung ist hier 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.
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 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 Permanentmagneten und/oder des Polbereichs verlaufenden gedachten Linie geformt sein. Ebenso kann der Permanentmagnet - 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 Permanentmagneten kann also ebenfalls eine geometrische Asymmetrie des Polbereichs gegeben sein.
Die Magnetisierung des wenigstens einen Permanentmagneten ist erfindungsgemäß derart variiert, dass die Orientierungen lokaler Magnetisierungsvektoren und/oder deren Beträge für den wenigstens einen Permanentmagneten asymmetrisch sind bezogen auf eine zumindest im Wesentlichen senkrecht zu der Drehachse stehende und in der Querschnittsebene verlaufende Mittelquerachse des wenigstens einen Permanentmagneten. Die Mittelquerachse kann insbesondere zumindest in deren Schnittpunkt mit der Längserstreckungsrichtung senkrecht auf dieser stehen. Insbesondere kann die Mittelquerachse in der Querschnittsebene in radialer Richtung verlaufen. Zumindest sofern der Permanentmagnet in der Querschnittsebene einen rechteckigen Querschnitt aufweist, kann die Mittelquerachse dementsprechend also die andere Symmetrieachse des Permanentmagneten in der Querschnittsebene darstellen. Sowohl die Längserstreckungsrichtung als auch die Mittelquerachse können dann also senkrecht auf jeweiligen Außenflächen oder Außenkanten des Permanentmagneten stehen.
Ein lokaler Magnetisierungsvektor für einen bestimmten Punkt oder Bereich des jeweiligen Permanentmagneten ist hier charakterisiert durch seine Orientierung und seinen Betrag. Die Orientierung gibt dabei die Richtung oder Ausrichtung des jeweiligen lokalen Magnetisierungsvektors, also eines durch einen jeweiligen Teilbereich oder an dem jeweiligen Punkt des Permanentmagneten 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 Teilbereich oder Abschnitte des Permanentmagneten zu dessen Gesamtmagnetfeld. Beispielsweise können die lokalen Magnetisierungsvektoren, also deren Orientierungen und/oder Beträge, in entlang der Längserstreckungsrichtung betrachtet einander gegenüberliegenden Endbereichen des wenigstens einen Permanentmagneten unterschiedlich voneinander und/oder unterschiedlich zu einem weiteren lokalen Magnetisierungsvektor in einem oder mehreren dazwischenliegenden Teilbereichen des jeweiligen Permanentmagneten sein. In einem einfachen Fall kann der Permanentmagnet durch die Mittelquerachse in zwei Teilbereiche unterteilt werden. Bevorzugt können entlang der Längserstreckung des Permanentmagneten aber eine Vielzahl von entsprechenden Teilbereichen angeordnet sein. Insbesondere können die Orientierungen der lokalen Magnetisierungsvektoren und/oder deren Beträge entlang der Längserstreckungsrichtung des Permanentmagneten kontinuierlich oder nahezu kontinuierlich variieren. Die Orientierungen der Magnetisierungsvektoren und/oder deren Beträge können also entlang der Längserstreckung des Permanentmagneten an 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 wenigstens einen Permanentmagneten kann beispielsweise durch entsprechend asymmetrisches Aufmagnetisieren des Permanentmagneten durch eine entsprechende Magnetisierungsvorrichtung erreicht werden, die ein entsprechend - hinsichtlich seiner Richtung und/oder seiner Stärke - asymmetrisches Magnetfeld erzeugt und dem Permanentmagneten aufprägt. Zusätzlich oder alternativ können beispielsweise ein oder mehrere Teilbereiche des Permanentmagneten separat durch eine externe Aufmagnetisierungsvorrichtung magnetisiert werden, dann beispielsweise mit entsprechend unterschiedlichen Magnetfeldern. Ebenso kann der wenigstens eine Permanentmagnet beispielsweise aus Teilmagneten aufgebaut oder zusammengesetzt sein, wobei diese dann unter Berücksichtigung ihrer jeweiligen Magnetisierungen relativ zueinander ausgerichtet oder angeordnet sein können, um die beabsichtigte asymmetrische Magnetisierung des resultierenden Gesamtmagneten zu erreichen.
Die konkrete Ausgestaltung der Asymmetrie 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 Permanentmagneten innerhalb des Rotors und/oder relativ zu einem oder mehreren gegebenenfalls in dem Polbereich oder in dem Rotor angeordneten weiteren Magneten und/oder dergleichen mehr. So kann der Permanentmagnet beispielsweise mehr oder weniger weit von dem Luftspalt entfernt in dem Rotor angeordnet, also in diesen integriert sein. Ebenso kann der Permanentmagnet beispielsweise entlang der Längserstreckungsrichtung verschoben sein, sodass die Mittelquerachse des Permanentmagneten beispielsweise parallel zu einer in der Querschnittsebene in radialer Richtung verlaufenden Linie angeordnet oder ausgerichtet sein kann. Zudem kann die Magnetisierung des Permanentmagneten beziehungsweise deren Asymmetrie abhängig davon ausgestaltet sein, ob der Rotor als Innenläufer oder als Außenläufer ausgebildet ist.
Die beschriebene Asymmetrie der Magnetisierung der Permanentmagnete kann mit der geometrischen Asymmetrie des Polbereichs kombiniert werden. Die geometrische Asymmetrie kann dabei die durch die Asymmetrie der Magnetisierung bewirkten Effekte unterstützen.
Für die jeweilige Auslegung oder Ausgestaltung des Rotors beziehungsweise des Permanentmagneten 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 verbessert werden. Somit kann letztlich also beispielsweise ein verbessertes Betriebsverhalten, eine verbesserte Effizienz und/oder eine verbesserte Akustik einer entsprechenden elektrischen Maschine erreicht werden.
Besonders bevorzugt können alle Polbereiche des Rotors in der beschriebenen Weise mit jeweils wenigstens einem Permanentmagneten ausgebildet oder ausgestattet sein. Ebenso bevorzugt können in dem jeweiligen Polbereich zusätzlich zu dem beschriebenen Permanentmagneten ein oder mehrere weitere Permanentmagnete und/oder eine Rotorwicklung angeordnet sein. Beispielsweise kann ein solcher weiterer Permanentmagnet eine um die zentrale Drehachse gebogene oder gewölbte Form aufweisen. Ebenso können beispielsweise ein oder mehrere schräg zu einer in der Querschnittsebene mittig durch den jeweiligen Polbereich verlaufenden Radiallinie ausgerichtete Permanentmagnete vorgesehen sein. Diese können bevorzugt in einer V-Formation relativ zueinander ausgerichtet sein, beispielsweise symmetrisch zu der Radiallinie. Ebenso sind entsprechende Kombinationen und/oder weitere Anordnungen eines oder mehrerer weiterer Permanentmagnete möglich. Der beschriebene wenigstens eine Permanentmagnet kann bevorzugt als versenkter oder vergrabener, also in den Rotor integrierter und von dessen Außenseite oder Oberfläche in radialer Richtung beabstandet angeordneter Magnet angeordnet sein. Jeweils einer oder mehrere der gegebenenfalls vorgesehenen weiteren Permanentmagnete können ebenfalls als vergrabene Magnete oder als Oberflächenmagnete an einer, insbesondere dem Luftspalt zugewandten, Außenseite oder Oberfläche des Rotors angeordnet sein.
Der oder die gegebenenfalls vorgesehenen weiteren Permanentmagnete können jeweils homogene oder inhomogene, insbesondere bezogen auf ihre jeweilige Mittelquerachse asymmetrische, Magnetisierungen aufweisen. Durch eine derartige Verwendung wenigstens eines weiteren Permanentmagneten kann ein resultierendes Gesamtmagnetfeld des Rotors gegebenenfalls 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 beschriebenen einen tangential ausgerichteten Permanentmagneten 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 vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist in dem wenigstens einen Polbereich wenigstens ein weiterer Permanentmagnet mit bezogen auf seine Mittelquerachse asymmetrischer Magnetisierung angeordnet. Der bereits genannte wenigstens eine Permanentmagnet und der hier zusätzlich vorgesehene wenigstens eine weitere Permanentmagnet sind dabei mit zumindest im Wesentlichen parallel in der Querschnittsebene verlaufenden und in Radialrichtung des Rotors voneinander beabstandeten Längserstreckungsrichtungen angeordnet. Mit anderen Worten sind diese beiden asymmetrisch magnetisierten Permanentmagnete in der Querschnittsebene in radialer Richtung übereinander oder untereinander angeordnet. Diese beiden Permanentmagnete können also in unterschiedlichen Abständen von der zentralen Drehachse des Rotors tangential ausgerichtet angeordnet sein. Es hat sich gezeigt, dass durch eine derartige Anordnung die beschriebenen Vorteile besonders effektiv und effizient realisiert werden können.
In vorteilhafter Weiterbildung der vorliegenden Erfindung weisen der wenigstens eine Permanentmagnet und der wenigstens eine weitere Permanentmagnet unterschiedlich große Längserstreckungen auf. Einer dieser Permanentmagnete mit kleinerer Längserstreckung, also kleinerer Ausdehnung entlang der jeweiligen Längserstreckung, ist dabei auf einer dem Luftspalt zugewandten Seite eines anderen dieser Permanentmagnete mit größerer Längserstreckung angeordnet. Mit anderen Worten sind diese beiden Permanentmagnete also unterschiedlich groß, wobei in radialer Richtung der - zumindest in Längserstreckungsrichtung - kleinere Permanentmagnet näher an dem Luftspalt angeordnet ist. Ist der Rotor als Innenläufer ausgebildet, kann der kleinere oder kürzere Permanentmagnet also außenseitig des im Vergleich dazu größeren oder längeren Permanentmagneten angeordnet sein. Ist der Rotor hingegen als Außenläufer ausgebildet, kann die Anordnung entsprechend umgekehrt sein. Es hat sich gezeigt, dass die beschriebenen Vorteile durch eine derartige Anordnung der Permanentmagnete besonders effektiv und effizient realisiert werden können, insbesondere für eine elektrische Hybridmaschine, bei der ein permanentmagnetisches Drehmoment und ein Reluktanzmoment jeweils wesentliche Teile eines Gesamtdrehmoments bilden. Die beiden Permanentmagnete können dazu insbesondere unterschiedliche Magnetisierungen beziehungsweise unterschiedliche Asymmetrien in ihren Magnetisierungen aufweisen wodurch ein durch entsprechende Überlagerung resultierendes Gesamtmagnetfeld einen in der beschriebenen Weise besonders effektiv verbesserten Betrieb des Rotors beziehungsweise der entsprechenden elektrischen Maschine ermöglicht.
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 gesehen in bestimmungsgemäßer Drehrichtung des Rotors liegenden Endbereich des wenigstens einen Permanentmagneten ein dortiger lokaler Magnetisierungsvektor beziehungsweise dessen Orientierung zu der Mittelquerachse des wenigstens einen Permanentmagneten hin geneigt. Diese Neigung ist dabei stärker ausgeprägt als die Neigung eines näher an dieser Mittelquerachse und/oder auf einer gegenüberliegenden Seite der Mittelquerachse verorteten weiteren lokalen Magnetisierungsvektor des wenigstens einen Permanentmagneten. Der stärker zu der Mittelquerachse hin geneigte lokale Magnetisierungsvektor befindet sich mit anderen Worten also in einem in der bestimmungsgemäßen Drehrichtung führenden oder vorne liegenden Bereich oder Abschnitt des Permanentmagneten. Der weniger stark geneigte weitere lokale Magnetisierungsvektor kann sich ebenfalls in diesem Bereich oder in einem in der bestimmungsgemäßen Drehrichtung folgenden, also hinten liegenden Bereich oder Abschnitt des Permanentmagneten befinden.
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 drehmomentbildender Anteil eines im Betrieb der elektrischen Maschine in deren Statorwicklung fließenden Strangstroms. I_d ist dementsprechend ein Magnetisierungsstromanteil. In der vorliegend vorgeschlagenen Ausgestaltung ist der stärker geneigte lokale Magnetisierungsvektor also 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 die Neigung der lokalen Magnetisierungsvektoren des wenigstens einen Permanentmagneten entlang dessen Längserstreckung an oder in dem in Drehrichtung führenden Endbereich des Permanentmagneten am stärksten sein und mit zunehmender Entfernung von diesem Endbereich beziehungsweise mit zunehmender Annäherung an die Mittelquerachse kontinuierlich abnehmen. In der anderen Hälfte des Permanentmagneten, also auf der in Längserstreckungsrichtung betrachtet anderen Seite der Mittelquerachse kann die Neigung der dortigen lokalen Magnetisierungsvektoren relativ zu der Mittelquerachse schwächer ausgeprägt und/oder anders orientiert sein. Beispielsweise können hier ein oder mehrere lokale Magnetisierungsvektoren von der d-Achse beziehungsweise der Mittelquerachse weg, also entgegen der bestimmungsgemäßen Drehrichtung des Rotors geneigt sein.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung kann die jeweilige Neigung eines lokalen Magnetisierungsvektors oder dessen Orientierung relativ zu der jeweiligen Mittelquerachse oder deren Richtung oder Orientierung gelten. Ebenso kann die jeweilige Neigung relativ zu einer am Ort des jeweiligen Magnetisierungsvektors in der Querschnittsebene senkrecht auf einer Oberfläche oder Außenkante des Permanentmagneten stehenden gedachten Linie gelten. Die jeweilige Neigung kann also eine jeweilige Abweichung von einer jeweils entsprechend parallelen Ausrichtung angeben. Es hat sich gezeigt, dass mit der hier vorgeschlagenen Ausgestaltung der Asymmetrie der Magnetisierung in dem genannten ersten Betriebsmodus eine besonders hohe Drehmomentausbeute beziehungsweise ein besonders geringes Magnetvolumen bei gleichem Drehmoment erreicht werden kann.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist für einen zweiten Betriebsmodus des Rotors beziehungsweise der den erfindungsgemäßen Rotor umfassenden elektrischen Maschine mit kombinierter I_d- und I_q-Bestromung ein lokaler Magnetisierungsvektor in einem von der Mittelquerachse des wenigstens einen Permanentmagneten aus betrachtet in bestimmungsgemäßer Drehrichtung des Rotors liegenden Endbereich des wenigstens einen Permanentmagneten in der bestimmungsgemäßen Drehrichtung von der Mittelquerachse weggeneigt. Mit anderen Worten ist in diesem in der Drehrichtung führenden oder vorne liegenden Endbereich also wenigstens ein lokaler Magnetisierungsvektor von der d-Achse weggeneigt. Auch hier kann diese Neigung der lokalen Magnetisierungsvektoren entlang der Längserstreckung des wenigstens einen Permanentmagneten entgegen der Drehrichtung zumindest bis zu der Mittelquerachse hin kontinuierlich abnehmen. Weiter kann für diesen zweiten Betriebsmodus zusätzlich oder alternativ in einem von der Mittelquerachse aus betrachtet entgegen der bestimmungsgemäßen Drehrichtung liegenden Bereich des wenigstens einen Permanentmagneten wenigstens ein dortiger lokaler Magnetisierungsvektor zu der Mittelquerachse beziehungsweise zu der d-Achse hin, also in der bestimmungsgemäßen Drehrichtung geneigt sein. Insbesondere kann die Neigung dieses lokalen Magnetisierungsvektors oder dieser lokalen Magnetisierungsvektoren stärker ausgeprägt sein als die Neigung des oder der lokalen Magnetisierungsvektoren in dem in der bestimmungsgemäßen Drehrichtung führenden Bereich des Permanentmagneten. Dabei kann ein am stärksten oder am weitesten zu der Mittelquerachse beziehungsweise zu der d-Achse hin geneigter lokaler Magnetisierungsvektor in dem in Drehrichtung folgenden oder hinten liegenden Bereich des wenigstens einen Permanentmagneten in einem in Längserstreckungsrichtung mittigen Abschnitt dieser Hälfte des wenigstens einen Permanentmagneten verortet sein. Weiter entlang der Längserstreckungsrichtung entgegen der bestimmungsgemäßen Drehrichtung von der Mittelquerachse entfernt in oder an dem in Drehrichtung folgenden oder hinten liegenden Endbereich des wenigstens einen Permanentmagneten verortete lokale Magnetisierungsvektoren können also weniger stark geneigt sein. Es hat sich gezeigt, dass durch die hier beschriebene Ausgestaltung der Magnetisierung beziehungsweise deren Asymmetrie für den genannten zweiten Betriebsmodus die beschriebenen Vorteile besonders effektiv oder effizient realisiert werden können.
Sofern wie beschrieben in dem Polbereich mehrere Permanentmagnete angeordnet sind, kann die hier beschriebene asymmetrische Ausgestaltung der Magnetisierung insbesondere für den weiter von dem Luftspalt entfernt angeordneten und/oder in Längserstreckungsrichtung größeren oder längeren der Permanentmagnete gelten. Der jeweils andere oder weitere Permanentmagnet kann dabei eine davon abweichende Magnetisierung beziehungsweise Asymmetrie aufweisen. Insbesondere können sämtliche lokalen Magnetisierungsvektoren des näher an dem Luftspalt angeordneten Permanentmagneten in der bestimmungsgemäßen Drehrichtung geneigt sein. Damit kann ein durch entsprechende Überlagerung erzeugtes Gesamtmagnetfeld einen besonders effizienten Betrieb des Rotors beziehungsweise der diesen umfassenden elektrischen Maschine ermöglichen.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist zumindest der wenigstens eine Permanentmagnet als monolithischer Einzelmagnet ausgebildet. Der Permanentmagnet kann mit anderen Worten also einteilig oder einstückig, beispielswiese als pulvergepresster oder gesinterter Permanentmagnet ausgebildet sein. Dies kann vorteilhaft einen besonders gleichmäßigen oder kontinuierlichen Verlauf der Magnetisierung ermöglichen, da es auf diese Weise innerhalb des jeweiligen Permanentmagneten keine Grenzen oder Unterbrechungen, beispielsweise zwischen separaten Bauteilen oder Komponenten gibt. Ebenso können derartige monolithische Permanentmagnete 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 wenigstens eine Permanentmagnet aus mehreren Einzel- oder Teilmagneten zusammengesetzt oder aufgebaut. Die Teilmagnete sind voneinander abgegrenzte Einzelteile, die miteinander zu dem jeweiligen Permanentmagneten verbunden sind, der daher auch als Gesamtmagnet bezeichnet wird. Die Teilmagnete können 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 jeweiligen Gesamtmagneten, also des wenigstens einen Permanentmagneten insgesamt. Durch die hier vorgeschlagene Ausgestaltung können vorteilhaft Wirbelströme und entsprechende Verluste innerhalb des Permanentmagneten vermieden oder im Vergleich zur Verwendung eines monolithischen Permanentmagneten reduziert werden. Zudem können durch entsprechendes Zusammensetzen oder Anordnen der Teilmagnete besonders einfach und kostengünstig auch komplexe Formen oder Geometrien des wenigstens einen Permanentmagneten und damit entsprechend komplex geformte Magnetfelder realisiert werden. Somit kann die Magnetisierung des jeweiligen Gesamtmagneten auf besonders einfache Weise und/oder besonders flexibel angepasst oder eingestellt werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Magnetisierung des wenigstens einen Permanentmagneten 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 jeweiligen Permanentmagneten 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 durch den Mittelpunkt des Rotors verläuft. Beispielsweise können jeweilige lokale Magnetisierungsvektoren an einer oder beiden Stirnseiten des jeweiligen Permanentmagneten 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 wenigstens einen Permanentmagneten entlanggeführten elektrischen Leiters auf. Die Magnetisierungswicklung beziehungsweise der elektrische Leiter ist dabei derart angeordnet, dass ein durch Bestromung der Magnetisierungswicklung erzeugtes Magnetfeld auf den Permanentmagneten zu dessen Ummagnetisierung einwirkt. Damit kann also durch Bestromung der Magnetisierungswicklung durch einen entsprechenden Strompuls oder ein entsprechendes Stromprofil die Magnetisierung des Permanentmagneten eingestellt oder angepasst werden. Dadurch kann der Rotor beispielsweise für verschiedene Arbeitspunkte oder Betriebsmodi nach Bedarf, insbesondere reversibel, magnetisiert werden, ohne dass dafür ein Ausbau des jeweiligen Permanentmagneten oder eine Anwendung einer externen Aufmagnetisierungsvorrichtung notwendig wäre. Wird der Rotor beispielsweise als Teil einer elektrischen Maschine eines Kraftfahrzeugs verwendet, so kann der wenigstens eine Permanentmagnet also beispielsweise 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 wenigstens einen Permanentmagneten entlanggeführt sein oder zumindest in einem Abschnitt des wenigstens einen Permanentmagneten um diesen herumgewickelt sein. Dabei kann die Magnetisierungswicklung beispielsweise asymmetrisch ausgebildet oder angeordnet sein, etwa indem in einem Bereich des Permanentmagneten eine engere Wicklung oder höhere Wicklungsdichte und/oder ein geringerer Abstand der Magnetisierungswicklung von dem Permanentmagneten vorgesehen wird als in einem anderen Bereich des Permanentmagneten und/oder ein Teilbereich des Permanentmagneten von der Magnetisierungswicklung freigelassen wird. Auf diese Weise kann bei dem Ummagnetisieren die asymmetrische Magnetisierung des jeweiligen Permanentmagneten besonders einfach erzeugt werden.
Sofern in dem Polbereich oder in dem Rotor mehrere Permanentmagnete angeordnet sind, kann je nach Ausgestaltung oder Anforderung eine gemeinsame Magnetisierungswicklung entlang mehrerer oder aller dieser Permanentmagnete geführt sein. Ebenso kann für mehrere oder alle der Permanentmagnete eine jeweilige separate Magnetisierungswicklung vorgesehen sein.
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. Die erfindungsgemäße elektrische Maschine kann insbesondere als sogenannte Hybridmaschine ausgebildet sein, bei der sowohl ein durch den wenigstens einen Permanentmagneten bedingtes Drehmoment als auch ein Reluktanzmoment jeweils signifikante Beiträge zum Gesamtdrehmoment der elektrischen Maschine liefern, beispielsweise jeweils mehr als 10 % oder jeweils mehr als 20 %.
In vorteilhafter Ausgestaltung der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine ist diese dazu eingerichtet, durch Bestromung einer Statorwicklung ein Ummagnetisierungsfeld zum zumindest teilweisen Ummagnetisieren zumindest des wenigstens einen Permanentmagneten zu bewirken. Um ein derartiges Ummagnetisieren des Permanentmagneten 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 Permanentmagneten 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 wenigstens einen Permanentmagneten kann beispielsweise eine separate dedizierte Magnetisierungswicklung eingespart und dadurch die elektrische Maschine besonders kompakt, leicht und kostengünstig gefertigt werden.
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 zweier Permanentmagnete eines Rotors der elektrischen Maschine für einen ersten Betriebsmodus; und
3 eine schematische Detaildarstellung zweier Permanentmagnete 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.
Eine bestimmungsgemäße Rotations- oder Drehrichtung R des Rotors 14 ist hier ebenso wie in den weiteren Figuren jeweils durch einen Pfeil schematisch angedeutet.
Konkret ist hier lediglich ein Sektor der elektrischen Maschine 10 in einer der Zeichenebene entsprechenden Querschnittsebene dargestellt. Dieser Sektor erstreckt sich hier in radialer Richtung von der Drehachse 18 über den Rotor 14, den Luftspalt 16 und den Stator 12 und umfasst in Umfangsrichtung, also in der Drehrichtung R einen Polbereich 20 des Rotors 14. In dem Polbereich 20 sind hier mehrere Ausnehmungen oder Kavitäten 22 sowie zwei in den Rotor 14 integrierte Permanentmagnete 24, nämlich ein innerer Permanentmagnet 26 und ein äußerer Permanentmagnet 28 angeordnet.
Die Drehachse 18 steht hier senkrecht auf der Zeichen- beziehungsweise Querschnittsebene. In dieser Querschnittsebene und senkrecht zu der Drehachse 18 verläuft hier von dieser radial nach außen, also in Richtung des Stators 12, eine Radiallinie 30 durch die beiden Permanentmagnete 24 hindurch. Die Radiallinie 30 verläuft hier insbesondere bezogen auf die Umfangs- oder Drehrichtung R zumindest im Wesentlichen mittig durch den Polbereich 20. Die Radiallinie 30 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.
Die Permanentmagnete 24 weisen hier - zumindest in der dargestellten Querschnittsebene - eine rechteckige Form, also einen rechteckigen Querschnitt auf. Die Permanentmagnete 22 sind hier in tangentialer Ausrichtung angeordnet, sodass ihre in der Querschnittsebene verlaufenden Längserstreckungsrichtungen 32 senkrecht auf der Radiallinie 30 stehen. In dem hier dargestellten Beispiel verläuft die Radiallinie 30 jeweils mittig durch die beiden Permanentmagnete 24 und fällt somit mit deren jeweiliger Mittelquerachse 36 (siehe 2, 3) zusammen. In anderen möglichen Ausgestaltungen können aber ebenso einer oder beide der Permanentmagnete 24 entlang ihrer jeweiligen Längserstreckungsrichtung 32 verschoben sein, sodass dann die Radiallinie 30 die Längserstreckungsrichtung 32 des derart verschobenen Permanentmagneten 24 dann außerhalb dessen Mittelpunkts schneidet.
Durch die hier dargestellte Anordnung der beiden Permanentmagnete 24 in radialer Richtung übereinander sowie durch die Kavitäten 22 resultiert im Betrieb der elektrischen Maschine 10 sowohl ein permanentmagnetisches Drehmoment als auch ein Reluktanzmoment. Die elektrische Maschine 10 wird daher auch als Hybridmaschine bezeichnet.
Für die elektrische Maschine 10 kann eine Ausbeute der magnetischen Durchflutung in dem Luftspalt 16 im Vergleich zu herkömmlichen elektrischen Maschinen verbessert werden. Dazu weisen die Permanentmagnete 24 eine inhomogene, insbesondere bezüglich ihrer jeweiligen Mittelquerachse 36 asymmetrische Magnetisierung auf. Dies ist in 2 in einer schematischen Detaildarstellung der Permanentmagnete 24 für einen ersten Betriebsmodus veranschaulicht. In dem ersten Betriebsmodus ist eine zumindest im Wesentlichen reine I_q-Bestromung der elektrischen Maschine 10 vorgesehen. Die Permanentmagnete 24 sind hier zudem nicht als jeweils monolithische Einzelmagnete ausgebildet, sondern jeweils aus einer Vielzahl von Teilmagneten 38 zusammengesetzt.
Zur Veranschaulichung der Magnetisierungen der Permanentmagnete 24 sind hier für die Teilmagnete 38 schematisch jeweilige Magnetisierungsvektoren 40 dargestellt. Der Übersichtlichkeit halber sind hier jeweils nur einige der Teilmagnete 38 und der Magnetisierungsvektoren 40 explizit gekennzeichnet. Jeweils einer der Magnetisierungsvektoren 40 kann hier eine Richtung oder Orientierung eines Magnetfeldes des jeweiligen Teilmagneten 38, von dem der jeweilige Magnetisierungsvektor 40 ausgeht, repräsentieren. Durch Überlagerung der Magnetisierungen der Teilmagnete 38 entsteht dann eine Gesamtmagnetisierung beziehungsweise ein Gesamtmagnetfeld des jeweiligen Permanentmagneten 24. Durch Überlagerung der so entstehenden Magnetfelder der Permanentmagnete 24 entsteht wiederum insgesamt ein Rotormagnetfeld des Rotors 14.
Es ist hier zu erkennen, dass zumindest einige der Magnetisierungsvektoren 40 relativ zu der Mittelquerachse in der Drehrichtung R oder entgegen der Drehrichtung R geneigt sind, sodass sie nicht senkrecht zu der jeweiligen Längserstreckungsrichtung 32 stehen.
Konkret sind hier in einem in der Drehrichtung R führenden oder vorne liegenden Endbereich des inneren Permanentmagneten 24 verortete Magnetisierungsvektoren 40 - hier beispielhaft repräsentiert durch einen ersten Magnetisierungsvektor 42 - entgegen der Drehrichtung R zu der Mittelquerachse 36 beziehungsweise zur d-Achse hin geneigt. Insbesondere ist zumindest der erste Magnetisierungsvektor 42 dabei stärker zu der d-Achse hin geneigt als ein entlang der Längserstreckungsrichtung 32 entgegen der Drehrichtung R weiter von dem Endbereich entfernter weiterer Magnetisierungsvektor, hier beispielhaft repräsentiert durch einen zweiten Magnetisierungsvektor 44. Auch wenn dies hier gegebenenfalls nicht erkennbar ist, können mehrere oder alle der Magnetisierungsvektoren 40 in unterschiedlichem Maße relativ zu der Mittelquerachse 36, also aus ihrer jeweiligen Parallelstellung bezüglich der Mittelquerachse 36 heraus geneigt sein.
Im vorliegend dargestellten Beispiel sind zudem auch Magnetisierungsvektoren 40 in einem in der Drehrichtung R führenden Endbereich des äußeren Permanentmagneten 28 - hier beispielhaft repräsentiert durch einen dritten Magnetisierungsvektor 46 - entgegen der Drehrichtung R zu der d-Achse hin geneigt. Insbesondere kann hier der dritte Magnetisierungsvektor 46 beziehungsweise die durch diesen repräsentierten Magnetisierungsvektoren 40 im in Drehrichtung R führenden Endbereich des äußeren Permanentmagneten 28 stärker in Richtung der d-Achse geneigt sein als weitere Magnetisierungsvektoren 40 des äußeren Permanentmagneten 28, beispielsweise als ein hier beispielhaft gekennzeichneter vierter Magnetisierungsvektor 48, der näher an der d-Achse verortet ist.
Ebenso kann es aber weitere Magnetisierungsvektoren 40 - hier beispielhaft repräsentiert durch fünfte Magnetisierungsvektoren 50 - geben, die wenigstens ebenso stark wie der dritte Magnetisierungsvektor 46 entgegen der Drehrichtung R geneigt sind. Vorliegend ist dies zumindest für die fünften Magnetisierungsvektoren 50 der Fall, die sich in einem in der Drehrichtung R folgenden oder hinten liegenden Endbereich des äußeren Permanentmagneten 28 befinden. Dementsprechend sind die fünften Magnetisierungsvektoren 50 hier also zwar in die gleiche Richtung wie der dritte Magnetisierungsvektor 46, jedoch von der d-Achse weggeneigt.
Obwohl hier - wie auch in 3 - die jeweilige Asymmetrie der Magnetisierungen durch die Neigung eines oder mehrerer der jeweiligen Magnetisierungsvektoren 40 veranschaulicht ist, kann die jeweilige Asymmetrie der Magnetisierung zusätzlich oder alternativ durch eine entsprechende Variation der Beträge der jeweiligen lokalen Magnetisierungsvektoren 40, also der Magnetisierungsstärke entlang der jeweiligen Längserstreckungsrichtung 32 realisiert werden.
In 3 ist in einer analogen Detailansicht der Permanentmagnete 22 eine alternative Magnetisierung veranschaulicht. Diese alternative Magnetisierung kann vorteilhaft für einen zweiten Betriebsmodus der elektrischen Maschine 10 vorgesehen werden. Dieser zweite Betriebsmodus zeichnet sich durch eine kombinierte I_d- und I_q-Bestromung der elektrischen Maschine 10 aus. Hier sind in dem jeweiligen in Drehrichtung R führenden Endbereich der Permanentmagnete 22 dortige Magnetisierungsvektoren 40 - hier beispielhaft repräsentiert durch den ersten Magnetisierungsvektor 42 für den inneren Permanentmagneten 26 und den fünften Magnetisierungsvektor 50 für den äußeren Permanentmagneten 28 - in der Drehrichtung R, also von der d-Achse weggeneigt. Diese Neigung kann insbesondre stärker sein als eine Neigung von jeweiligen näher an der Mittelquerachse 36 verorteten weiteren Magnetisierungsvektoren 40, hier beispielhaft durch den zweiten Magnetisierungsvektor 44 für den inneren Permanentmagneten 26 und sechste Magnetisierungsvektoren 52 für den äußeren Permanentmagneten 28.
Anders als in 2 für den ersten Betriebsmodus dargestellt, ist in 3 für den zweiten Betriebsmodus in einer von der Mittelquerachse 36 aus betrachtet entgegen der Drehrichtung R liegenden Hälfte des inneren Permanentmagneten 26 eine stärkere Neigung zumindest einer der dortigen Magnetisierungsvektoren 40 vorgesehen. Dabei liegt insbesondere die stärkste Neigung in einem mittleren Abschnitt dieser Hälfte des inneren Permanentmagneten 26 vor. So ist ein hier beispielhaft gekennzeichneter dritter Magnetisierungsvektor 46 in diesem mittleren Abschnitt stärker geneigt als zu beiden Seiten dieses mittleren Abschnitts entlang der Längserstreckungsrichtung 32 verortete weitere Magnetisierungsvektoren 40, beispielsweise ein in dem hinten liegenden Endbereich verorteter vierter Magnetisierungsvektor 48.
Die hier dargestellten asymmetrischen Magnetisierungen der Permanentmagnete 42 mögen zunächst unintuitiv erscheinen, haben aber zumindest in entsprechenden Simulationen zu einem insgesamt verbesserten Betrieb der elektrischen Maschine 10 geführt, beispielsweise zu einer signifikant erhöhten Drehmomentausbeute im Vergleich zu einer homogenen Parallelausrichtung aller Magnetisierungsvektoren 40 bezüglich der Mittelquerachse 36.
Die hier in den Figuren veranschaulichten asymmetrischen Magnetisierungen stellen lediglich für eine konkrete Rotortopologie, eine vorgegebene Geometrie, eine vorgegebene Drehrichtung, einen bestimmten Betriebsmodus und/oder Arbeitspunkt und/oder dergleichen mehr angepasste oder optimierte Beispiele 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 40 und/oder deren Beträge, also eine jeweilige lokale Magnetisierungsstärke, beispielsweise für unterschiedliche Bereiche der Permanentmagnete 24 beziehungsweise für die verschiedenen Teilmagnete 38 frei, also in einem gesamten oder vollständigen Parameter- oder Wertebereich variieren. Grundsätzlich könnte die Orientierung der Magnetisierungsvektoren 40 also zumindest in der Querschnittsebene zwischen 0 und 360° sowie alternativ oder zusätzlich senkrecht dazu variiert werden. Ebenso könnten die Beträge der Magnetisierungsvektoren 40, 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 und/oder es können dadurch praktische Beschränkungen oder Anforderungen berücksichtigt werden. Weiter kann als mögliche Option zudem vorgegeben sein, dass ein Teilbereich zumindest eines der Permanentmagneten 24 durch ein nicht-magnetisches Material gebildet oder gefüllt werden kann. Mit anderen Worten kann also der jeweilige Permanentmagnet 24 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. Dabei können die beiden Permanentmagnete 26, 28 gleich oder unterschiedlich gestaltet werden. Letztlich kann auf diese Weise eine geometrische Asymmetrie in dem Polbereich 20 erzeugt werden.
Insgesamt beschreiben die erläuterten Beispiele mögliche Ausgestaltungen einer elektrischen Hybridmaschine mit in verschiedenen Ebenen angeordneten permanenterregten Polen ungleicher, insbesondere asymmetrischer Magnetisierung, durch die ein verbesserter Betrieb erreicht werden kann. Dabei können also einzelne Bereiche in den 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: Kavitäten
24: Permanentmagnete
26: innerer Permanentmagnet
28: äußerer Permanentmagnet
30: Radiallinie
32: Längserstreckungsrichtungen
36: Mittelquerachse
38: Teilmagnete
40: Magnetisierungsvektoren
42: erster Magnetisierungsvektor
44: zweiter Magnetisierungsvektor
46: dritter Magnetisierungsvektor
48: vierter Magnetisierungsvektor
50: fünfte Magnetisierungsvektoren
52: sechste Magnetisierungsvektoren
d: d-Achse
q: q-Achse
R: Drehrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014105171 A1 [0002]

Claims

Rotor (14) für eine elektrische Maschine (10), aufweisend mehrere Polbereiche (20), wobei - in wenigstens einem Polbereich (20) wenigstens ein Permanentmagnet (24, 26) angeordnet ist, dessen Längserstreckungsrichtung (32) in einer zumindest im Wesentlichen senkrecht zu einer zentralen Drehachse (18) des Rotors (14) stehenden Querschnittsebene zumindest im Wesentlichen senkrecht zu einer in radialer Richtung durch die zentrale Drehachse (18) und den wenigstens einen Permanentmagneten (24, 26) verlaufenden Linie (30) angeordnet ist, und - eine Magnetisierung des wenigstens einen Permanentmagneten (24, 26) entlang von dessen Längserstreckung zum Erhöhen einer magnetischen Durchflutung in einem an den Rotor (14) anschließenden Luftspalt (16) variiert ist, sodass Orientierungen lokaler Magnetisierungsvektoren (40) und/oder deren Beträge für den wenigstens einen Permanentmagneten (24, 26) asymmetrisch sind bezogen auf eine zumindest im Wesentlichen senkrecht zu der Drehachse (18) stehende und in der Querschnittsebene verlaufende Mittelquerachse (36) des wenigstens einen Permanentmagneten (24, 26).
Rotor (14) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem wenigstens einen Polbereich (20) wenigstens ein weiterer Permanentmagnet (24, 28) mit bezogen auf seine Mittelquerachse (36) asymmetrischer Magnetisierung angeordnet, wobei der wenigstens eine Permanentmagnet (24, 26) und der wenigstens eine weitere Permanentmagnet (24, 28) mit zumindest im Wesentlichen parallel zueinander in der Querschnittsebene verlaufenden und in Radialrichtung des Rotors (14) voneinander beabstandeten Längserstreckungsrichtungen (32) angeordnet sind.
Rotor (14) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Permanentmagnet (24, 26) und der wenigstens eine weitere Permanentmagnet (24, 28) unterschiedlich große Längserstreckungen aufweisen, wobei einer dieser Permanentmagnete (24, 28) mit kleinerer Längserstreckung auf einer dem Luftspalt (16) zugewandten Seite eines anderen dieser Permanentmagneten (24, 26) mit größerer Längserstreckung angeordnet ist.
Rotor (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für einen Betriebsmodus mit zumindest nahezu reiner I_q-Bestromung in einem von der Mittelquerachse (36) aus betrachtet in bestimmungsgemäßer Drehrichtung (R) des Rotors (14) liegenden Endbereich des wenigstens einen Permanentmagneten (24, 26) ein lokaler Magnetisierungsvektor (40, 42) stärker zu der Mittelquerachse (36) des wenigstens eine Permanentmagneten (24, 26) hin geneigt ist als ein näher an dieser Mittelquerachse (36) und/oder auf einer gegenüberliegenden Seite der Mittelquerachse (36) liegender weiterer lokaler Magnetisierungsvektor (40, 44) des wenigstens einen Permanentmagneten (24, 26).
Rotor (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für einen Betriebsmodus mit kombinierter I_d- und I_q-Bestromung ein lokaler Magnetisierungsvektor (40,42) in einem von der Mittelquerachse (36) des wenigstens einen Permanentmagneten (24,26) aus betrachtet in bestimmungsgemäßer Drehrichtung (R) des Rotors (14) liegenden Endbereich des wenigstens einen Permanentmagneten (24, 26) in der bestimmungsgemäßen Drehrichtung (R) von der Mittelquerachse (36) weg geneigt ist.
Rotor (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Permanentmagnet (24, 26, 28) aus mehreren Teilmagneten (38) zusammengesetzt.
Rotor (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetisierung des wenigstens einen Permanentmagneten (24, 26, 28) in axialer Richtung der Drehachse (18) variiert ist.
Rotor (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (14) wenigstens eine Magnetisierungswicklung (34) in Form eines zumindest bereichsweise an dem wenigstens einen Permanentmagneten (24) entlanggeführten elektrischen Leiters aufweist, sodass ein durch Bestromung der Magnetisierungswicklung (34) erzeugtes Magnetfeld auf diesen Permanentmagneten (24) zu dessen Ummagnetisierung einwirkt.
Elektrische Maschine (10), aufweisend einen Stator (12) und von diesem durch einen Luftspalt (16) beabstandeten Rotor (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Kraftfahrzeug, aufweisend eine elektrische Maschine (10) nach Anspruche 9.