DE102020112423A1

DE102020112423A1 - Rotor für einen axialfluss-elektromotor, axialfluss-elektromotor mit einem solchen rotor, und verfahren zum herstellen eines rotors für eine rotierende elektrische maschine

Info

Publication number: DE102020112423A1
Application number: DE102020112423.6A
Authority: DE
Inventors: Florian Bockstaller; Romano Pohl
Original assignee: Pohlbock & Co Kg GmbH
Current assignee: POHLBOCK GMBH, DE
Priority date: 2020-05-07
Filing date: 2020-05-07
Publication date: 2021-11-11

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor (100) für einen Axialfluss-Elel<tromotor, wobei der Rotor (100) Folgendes aufweist: eine Rotorscheibe (110) aus einem nicht magnetisierbaren Material; eine Vielzahl von Permanentmagneten (120), die beabstandet kreisförmig verteilt an der Rotorscheibe (110) angeordnet sind; und eine Vielzahl von Reluktanzstegen (130), die ebenfalls beabstandet kreisförmig verteilt an der Rotorscheibe (110) angeordnet sind, wobei die Reluktanzstege (130) stabförmig ausgebildet und derart angeordnet sind, dass ein zusätzlicher Antrieb des Rotors (100) mittels Reluktanzkraft ermöglicht wird. Ferner betrifft die Erfindung einen Axialfluss-Elektromotor mit einem solchen Rotor (100) und einem Stator (200). Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors (100) für eine rotierende elektrische Maschine.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor für einen Axialfluss-Elektromotor. Ferner betrifft die Erfindung einen Axialfluss-Elektromotor mit einem solchen Rotor und einem Stator. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors für eine rotierende elektrische Maschine, vorzugsweise einen Axialfluss-Elektromotor.
Rotierende elektrische Maschinen weisen prinzipiell einen Induktionsteil und einen Erregerteil auf, wobei einer der beiden Teile typischerweise als Rotor an einer Welle befestigt ist, während der andere Teil als Stator statisch angeordnet ist. Zwischen den beiden Teilen ist eine Relativbewegung möglich, wobei hierdurch eine Umwandlung von elektrischer Leistung in mechanische Leistung (Elektromotor) oder umgekehrt (Generator) stattfinden kann. Ein Elektromotor kann somit auch als elektromechanischer Wandler begriffen werden.
Elektromotoren werden im Stand der Technik für unterschiedlichste Anwendungen verwendet. Daher existiert bei Elektromotoren eine breite Spanne verschiedener Bauarten mit entsprechend unterschiedlichen Eigenschaften. Die Elektromotoren können nach verschiedenen Kriterien mit zugehörigen Eigenschaften unterschieden werden.
Beispielsweise ist es möglich, Elektromotoren nach ihrer Stromversorgung zu unterscheiden. So gibt es Elektromotoren, die mit Gleichstrom betrieben werden, andere werden mit Wechselstrom oder Drehstrom betrieben. Die mit Wechselstrom betriebenen Elektromotoren können mit einer festen Frequenz oder mit einer variablen Frequenz angesteuert werden. Außerdem kann die Schwingungen des Wechsel- oder Drehstroms genau synchron zu der Bewegung der Motorenachse oder asynchron mit einem leichter Schlupf ausgebildet sein.
Ferner ist es möglich, Elektromotoren danach zu unterscheiden, wie das erforderliche Magnetfeld erzeugt wird. So gibt es Elektromotoren, die Permanentmagnete und Elektromagnete verwenden, andere Elektromotoren verwenden nur Elektromagnete. Die Verwendung von Elektromagneten ist nachteilig, da die elektrische Erregung zusätzliche Energie benötigt und eher schwächere Magnetfelder liefert. Andererseits sind Permanentmagnete aus Seltenen-Erden-Materialien und daher entsprechend teuer.
Weiterhin ist es möglich, Elektromotoren nach ihrer Bauform zu unterscheiden. Bei einer Radialmaschine ist der bewegliche Teil an der Welle befestigt und der stationäre Teil umgibt den beweglichen Teil entlang der Umfangsfläche. Bei einer Axialmaschine sind der Rotor und der Stator axial voneinander beabstandet. Einer der beiden Teile ist an der Welle befestigt, während der andere stationäre Teil an einem axialen Ende des ersten Teils angeordnet ist. Der Magnetfluss zwischen Rotor und Stator erfolgt hier also parallel zur Drehachse des Rotors.
Außerdem ist es ferner möglich, Elektromotoren danach zu unterscheiden, mittels welcher Kraft das Drehmoment des Rotors erzeugt wird. So kann die Erzeugung des Drehmoments mittels Lorentzkraft oder mittels Reluktanzkraft erfolgen. Bei der Lorentzkraft beruht die Drehbewegung des Elektromotors auf den Anziehungs- und Abstoßungskräften, die mehrere Magnetfelder aufeinander ausüben. Bei der Reluktanzkraft hingegen kommt die Bewegung dadurch zustande, dass das System nach einem minimalen magnetischen Widerstand (Reluktanz) strebt. Bei Reluktanzmaschinen ist der Rotor typischerweise als Blechpaket aufgebaut, das Flusssperren (üblicherweise Schlitze) aufweist. Durch diese Flusssperren ist die magnetische Leitfähigkeit in verschiedenen Richtungen unterschiedlich stark ausgeprägt ist, so dass sich der Rotor an einem statorseitig eingeprägten Magnetfeld ausrichtet. Durch eine Rotation des eingeprägten Statormagnetfelds kann somit eine Rotation des Rotors bewirkt werden.
Die Vielzahl unterschiedlicher Bauarten führt zu einer Vielzahl unterschiedlicher Eigenschaften mit zugehörigen Vor- und Nachteilen. Es wäre wünschenswert, einen Elektromotor mit Elementen zur Verfügung zu stellen, die mehrere vorteilhafte Eigenschaften unterschiedlicher Bauarten miteinander verbinden können.
Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Rotor für einen Axialfluss-Elektromotor anzugeben, der einfach aufgebaut ist und es ermöglicht, die Vorteile mehrere Bauarten miteinander zu verbinden.
Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Axialfluss-Elektromotor anzugeben, der möglichst effizient ist, über den vollen Drehzahlbereich betrieben werden kann und eine verhältnismäßig hohe Drehmomentdichte aufweist.
Außerdem ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors anzugeben, das ebenfalls die oben genannten Vorteile ermöglicht.
Diese Aufgaben werden durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Weitere mögliche Ausgestaltungen der Erfindung sind insbesondere in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Lösung besteht darin, einen Rotor für einen Axialfluss-Elektromotor anzugeben, wobei der Rotor Folgendes aufweist: eine Rotorscheibe aus einem nicht magnetisierbaren Material; eine Vielzahl von Permanentmagneten, die beabstandet kreisförmig verteilt an der Rotorscheibe angeordnet sind; und eine Vielzahl von Reluktanzstegen, die ebenfalls beabstandet kreisförmig verteilt an der Rotorscheibe angeordnet sind, wobei die Reluktanzstege stabförmig ausgebildet und derart angeordnet sind, dass ein zusätzlicher Antrieb des Rotors mittels Reluktanzkraft ermöglicht wird.
Der Elektromotor ist vorzugsweise als Synchronmaschine ausgebildet. Bei dem Axialfluss-Elektromotor sind der Rotor und der Stator axial voneinander beabstandet. Der Magnetfluss zwischen dem Rotor und dem Stator erfolgt hierbei parallel zu der Rotationsachse des Rotors. Durch diese Bauform ist ein äußerst schmales Gehäuse möglich. Der verbaute Motor nimmt so nur ein geringes Bauvolumen in Anspruch. Dies führt auch zu einer hohen Leistungsdichte. Außerdem ergeben sich Vorteile dahingehen, dass die nötigen Spulen beim Axialfluss-Elektromotor aufgrund ihrer axialen Anordnung einfacher zu kühlen sind als beim Radialfluss-Elektromotor.
Da die Rotorscheibe aus nicht magnetisierbaren Material ausgebildet ist, befindet sich weniger Eisen bzw. magnetisierbares Material im Magnetfeld. Eisen bzw. magnetisierbares Material heizt sich durch Wirbelstromverluste und Hystereseverluste im Betrieb auf. Mittels der Reduzierung des magnetisierbaren Materials im Magnetfeld kann eine geringere Wärmeentwicklung erreicht werden. Hierdurch sind höhere Umdrehungen möglich, ohne dass der Rotor hierbei zu heiß wird. Außerdem kann das Gewicht des Rotors reduziert werden.
Da der vorliegende Rotor Permanentmagnete und Reluktanzstege aufweist, ist die parallele Nutzung von Reluktanzkraft und Lorenzkraft möglich. Hierdurch wird eine höhere Leistung erreicht. Zudem kann die Leistung konstant über ein großes Drehzahlband bereitgestellt werden. Außerdem kann durch den vorliegenden Rotor ein Motor mit einer vergleichsweise hohen Drehmomentdichte erreicht werden.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind die Permanentmagnete und die Reluktanzstege alternierend angeordnet.
Entlang des Umfangs des Rotors sind somit abwechselnd Reluktanzstege und Permanentmagnete angeordnet. Dabei sind zwei benachbarte Permanentmagnete vorzugsweise gegenpolig zueinander ausgerichtet. Das bedeutet, dass der Nordpol eines Permanentmagnets in Richtung der Rotationsachse von der Oberfläche der Rotorscheibe weg zeigt, wohingegen die Nordpole der beiden Permanentmagneten, die benachbart zu dem einen Permanentmagnet angeordnet sind, in die entgegengesetzte Richtung, also zu der Oberfläche der Rotorscheibe hin, zeigen.
Ein besonderer Vorteil dieser Ausgestaltung liegt in dem symmetrischen Aufbau des Rotors. Durch den symmetrischen Aufbau entwickeln die Permanentmagnete und Reluktanzstege im Zusammenspiel ein äußerst gleichmäßiges Drehmoment. Es können somit Ungleichmäßigkeiten bei der Drehung des Rotors verringert werden.
Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass eine Längsrichtung der Vielzahl von Reluktanzstegen durch die Rotationsachse verläuft.
Mit anderen Worten treffen sich Verlängerungen der Reluktanzstege in der Rotationsachse des Rotors. Die Reluktanzstege sind also strahlenförmig ausgerichtet, wobei die Rotationsachse das Zentrum der Strahlen darstellt. Hierdurch wird der symmetrische Aufbau des Rotors weiter verstärkt, so dass Ungleichmäßigkeiten in der Drehung des Rotors weiter verringert werden können.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Länge der Permanentmagnete und die Länge der Reluktanzstege in Radialrichtung des Rotors zumindest im Wesentlichen gleich.
Die Permanentmagnete und die Reluktanzstege sind somit gleich lang ausgebildet. Insbesondere sind die Permanentmagnete und die Reluktanzstege ferner radial auf derselben Höhe ausgebildet. Sie sind also gleich weit von der Rotationsachse entfernt ausgebildet. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung ergibt sich, wenn die Länge der Permanentmagnete bzw. der Reluktanzstege 1/4 bis 1/3 des Radius des Rotors beträgt. So wird ein gutes Ergebnis zwischen einem stabilen Aufbau des Rotors und einem guten Wirkungsgrad erreicht.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass jeder Reluktanzsteg der Vielzahl von Reluktanzstegen aus einem Blechpaket ausgebildet ist.
Die Reluktanzstege sind also jeweils nicht aus Vollmaterial, sondern aus einem Blechpaket ausgebildet. Jedes Einzelblech des Blechpakets weist eine eigene Isolierung auf. Durch die Blechpakete können Wirbelverluste vermindert werden. Die Isolierung kann gleichzeitig als Korrosionsschutz dienen.
Bei einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist jedes Blechpaket 10 bis 18 Einzelbleche mit einer Höhe von zumindest im Wesentlichen 0,2 mm auf.
Hierbei wird ein Optimum zwischen der Stabilität des Rotors und der erzielbaren magnetischen Wirkung erreicht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausbildung der vorliegenden Erfindung ist die Rotorscheibe vollständig aus Kunststoff ausgebildet.
Dies hat einerseits den Vorteil, dass die Rotorscheibe besonders einfach hergestellt werden kann (beispielsweise durch Spritzgießen). Andererseits ist Kunststoff und die Herstellung der Rotorscheibe aus Kunststoff äußerst preiswert. Es lassen sich somit sowohl beim Rohstoff als auch bei der Verarbeitung des Rohstoffs Kosten sparen. Ferner hat der aus Kunststoff hergestellte Rotor ein geringes Eigengewicht, so dass das Gesamtgewicht des Elektromotors reduziert werden kann und hohe Umdrehungszahlen realisiert werden können. Außerdem ist keine zusätzliche Isolierung zwischen Permanentmagneten und Reluktanzstegen mehr nötig, da die beiden Teile durch die Rotorscheibe magnetisch voneinander isoliert ausgebildet sind. Vorzugsweise ist die Rotorscheibe aus PPE ausgebildet. Besonders bevorzugt ist die Rotorscheibe aus GFK.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sind die Reluktanzstege und die Permanentmagnete auf einer Oberfläche der Rotorscheibe angebracht.
Das bedeutet, dass die Permanentmagnete und Reluktanzstege nicht in die Rotorscheibe eingebettet werden, also nicht von dem Material der Rotorscheibe vollständig umgeben sind. Vielmehr sind diese in entsprechenden Ausnehmungen an der Rotorscheibe angeordnet. Der Rotor ist hierdurch einfacher herstellbar.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Reluktanzstege axial höher ausgebildet als die Permanentmagnete.
Als axiale Höhe wird hierbei die Erstreckung der Elemente in Richtung der Rotationsachse bezeichnet. Dass die Reluktanzstege höher ausgebildet sind als die Permanentmagnete bedeutet, dass die Reluktanzstege sich in Richtung der Rotationsachse weiter erstrecken als die Permanentmagnete. Da der Stator axial von dem Rotor beabstandet ist, kann so der Abstand zwischen Reluktanzstegen und Stator verringert werden. Hierdurch kann das obere Ende der Reluktanzstege besonders nah an dem Stator ausgebildet werden, so dass die Nutzung der Reluktanzkraft verbessert werden kann. Insbesondere ist es möglich, einen Zustand mit einem niedrigeren magnetischen Widerstand zu erreichen, wenn der Abstand zwischen den Reluktanzstegen und dem Stator gering ist.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass zwischen 8 und 32, vorzugsweise zwischen 16 und 24, und besonders bevorzugt 20 Permanentmagnete angeordnet sind.
Hierbei kann ein Optimum zwischen den hohen Kosten der Permanentmagnete und einer guten Krafterzeugung erreicht werden. Vorzugsweise liegen auch die Reluktanzstege in gleicher Anzahl vor.
Die erfindungsgemäße Lösung besteht ferner darin, einen Axialfluss-Elektromotor mit einem der vorgenannten Rotoren und einem Stator anzugeben.
Hierbei gelten sämtliche Aspekte, die bereits in Bezug auf die Rotoren diskutiert worden sind. Insbesondere ist die Rotorscheibe aus nicht magnetisierbaren Material ausgebildet ist, so dass sich weniger magnetisierbares Material im Magnetfeld befindet. Dies ermöglicht höhere Umdrehungen, ohne dass der Rotor zu heiß wird. Ferner ist die parallele Nutzung von Reluktanzkraft und Lorenzkraft möglich. Hierdurch wird insgesamt eine höhere Leistung erreicht, die konstant über ein großes Drehzahlband bereitgestellt werden kann. Mit dem erfindungsgemäßen Axialfluss-Elektromotor wird die Aufgabe folglich in zufriedenstellender Weise gelöst.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterentwicklung dieser Ausführungsform weist der Stator 24 Pole auf, wobei für jede elektrische Phase vier Polpaare mit je zwei entgegengesetzten Polen ausgebildet sind.
Hierbei sind zusammengehörende Pole der Polpaare vorzugsweise nebeneinander angeordnet. Die Anzahl der Pole ermöglicht eine optimale Krafterzeugung, die auf den Rotor abgestimmt ist. Außerdem sind geringe Gesamtverluste durch die Verteilung des Stroms auf alle drei Phasen möglich.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass der Axialfluss-Elektromotor eine Steuerung aufweist, mittels der ein optimaler Stromschwenkwinkel α_opt. vorgegeben werden kann, um den der Ständerstrom I_s in einem rotorfesten Koordinatensystem gedreht werden muss, um ein maximales Drehmoment im aktuellen Betriebspunkt zu erzielen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterentwicklung dieser Ausführungsform wird der optimale Schwenkwinkel α_opt, mit folgender Formel berechnet: ${sin}^{2} α_{opt .} + \frac{U_{p (1)}}{2 \times I_{s} (X_{q} - X_{d})} \times sin α_{opt .} - \frac{1}{2} = 0$
wobei α_opt, den optimalen Schwenkwinkel, I_s den Ständerstrom, U_p(1) die Polradspannung, X_q die synchrone Reaktanz der Querachse und X_d die synchrone Reaktanz der Längsachse ausdrückt.
Hierdurch kann der Axialfluss-Elektromotor derart angesteuert werden, dass der Ständerstrom I_s immer um den optimalen Schwenkwinkels α_opt. gedreht wird, so dass ein maximales Drehmoment im aktuellen Betriebspunkt erzielt werden kann. Dies wird insbesondere durch Einprägen eines negativen Stroms I_D in den Stator ermöglicht.
Die erfindungsgemäße Lösung besteht ferner darin, ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors für eine rotierende elektrische Maschine, vorzugsweise einen Axialfluss-Elektromotor, anzugeben, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: Bereitstellen einer Rotorscheibe aus einem nicht magnetisierbaren Material; Anordnen einer Vielzahl von Permanentmagneten beabstandet kreisförmig verteilt an der Rotorscheibe; und Anordnen einer Vielzahl von stabförmigen Reluktanzstegen beabstandet kreisförmig verteilt an der Rotorscheibe, wobei die Permanentmagnete und die Reluktanzstege alternierend angeordnet sind.
Bei dem Rotor kann es sich insbesondere um einen der bereits beschriebenen Rotoren handeln. So gelten sämtliche der bezüglich der Rotoren genannten Aspekte auch für das Produkt des erfindungsgemäßen Verfahrens. Der Rotor ist mittels des obigen Verfahrens äußerst einfach und kostengünstig herzustellen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben.
Die Zeichnungen zeigen:

1a eine Draufsicht auf einen Rotor gemäß der vorliegenden Erfindung;
1b eine Schnittansicht des Rotors aus 1a;
2a eine Draufsicht auf einen Stator für den Rotor gemäß der vorliegenden Erfindung;
2b eine Schnittansicht des Stators aus 2a;
3a ein Zeigerdiagramm eines Motors ohne Feldschwächung und ohne Nutzung der Reluktanzkraft im rotorfesten Koordinatensystem d, q;
3b ein Zeigerdiagramm eines Motors mit Feldschwächung und mit Nutzung der Reluktanzkraft im rotorfesten Koordinatensystem d, q; und
4 eine Darstellung der Drehmomentzusammensetzung des Motors und des optimalen Schwenkwinkels α_opt.

1a zeigt eine Draufsicht auf einen Rotor 100 gemäß der vorliegenden Erfindung. Der Rotor 100 weist eine Rotorscheibe 110 auf. Die Rotorscheibe 110 ist kreisförmig ausgebildet und weist in einem zentralen Bereich einen Flanschbereich 112 auf. Der Flanschbereich 112 ist in 1a exemplarisch mittels einer Vielzahl von Befestigungseinrichtungen (Bohrungen) dargestellt. Mittels des Flanschbereichs 112 ist der Rotor 100 an einer Welle befestigbar. Insbesondere ist der Rotor 100 hierbei zerstörungsfrei lösbar an der Welle befestigbar.
An der Rotorscheibe 110 ist eine Vielzahl von Permanentmagneten 120 angeordnet. In 1a sind insbesondere 20 Permanentmagnete 120 dargestellt. Die Anzahl der verwendeten Permanentmagnete 120 kann jedoch hiervon abweichen. Die Permanentmagnete 120 haben und behalten ein gleichbleibendes Magnetfeld und weisen an einer ersten Oberfläche einen Nordpol und an einer gegenüberliegenden zweiten Oberfläche einen Südpol auf. Insbesondere weisen die Permanentmagneten 120 eine zumindest im Wesentlichen flächige Form mit zwei großflächigen Oberflächen auf, die als Nordpol und Südpol ausgebildet sind.
In 1a sind die Oberflächen der Permanentmagnete 120, an denen Nordpole ausgebildet sind, mit einer gestrichelten Schraffur dargestellt, und die Oberflächen der Permanentmagnete 120, an denen Südpole ausgebildet sind, mit einer gekreuzten Schraffur gekennzeichnet. Hierbei fällt auf, dass zwei benachbarte Permanentmagnete 120 immer gegenpolig zueinander ausgerichtet sind. Nord- und Südpole wechseln sich somit entlang der Umfangsrichtung bzw. der Rotationsrichtung des Rotors 100 ab. Der Rotor 100 rotiert um die ebenfalls dargestellte Rotationsachse R.
Jeder Permanentmagnet 120 weist eine Höhe (in Axialrichtung), eine Breite (in Rotationsrichtung) und eine Länge (in Radialrichtung) auf. Die Breite der Permanentmagneten 120 nimmt in Radialrichtung zu. Somit sind die Permanentmagnete 120 in Richtung des Außenumfangs des Rotors 100 breiter ausgebildet als in Richtung des Zentrums des Rotors 100. Die Permanentmagnete 120 sind in Befestigungsaussparungen 113 auf der Oberfläche der Rotorscheibe 110 angeordnet und befestigt.
Zwischen zwei benachbarten Permanentmagneten 120 ist jeweils ein Reluktanzsteg 130 angeordnet. Entsprechend sind in der in 1a gezeigten Ausführungsform passend zu der Anzahl der Permanentmagneten 120 20 Reluktanzstege 130 dargestellt. Die Permanentmagnete 120 und die Reluktanzstege 130 sind gleichmäßig entlang der Rotationsrichtung des Rotors 100 angeordnet.
Auch jeder Reluktanzsteg 130 weist eine Höhe (in Axialrichtung), eine Breite (in Rotationsrichtung) und eine Länge (in Radialrichtung) auf. Allerdings sind die Reluktanzstege 130 weniger breit als die Permanentmagnete 120 ausgebildet sind (maximal 1/3 so breit wie die Permanentmagnete 120). Außerdem verändert sich im Gegensatz zu den Permanentmagneten 120 die Breite der Reluktanzstege 130 nicht entlang der Radialrichtung. Vielmehr ist die Breite der Reluktanzstege 130 in Radialrichtung zumindest im Wesentlichen konstant.
Die Reluktanzstege 130 sind strahlenförmig bzw. speichenförmig angeordnet. Das bedeutet, dass sich Verlängerungen der Reluktanzstege 130 in Radialrichtung in der Rotationsachse R treffen. Der Rotor 100 ist somit insgesamt sehr symmetrisch aufgebaut.
Die Reluktanzstege 130 sind zumindest im Wesentlichen gleich lang wie die Permanentmagnete 120 ausgebildet. Ferner sind die Permanentmagnete 120 und die Reluktanzstege 130 auf der gleichen radialen Höhe angeordnet. Das bedeutet, dass die Permanentmagnete 120 und die Reluktanzstege 130 in einem gemeinsamen Ringbereich der Rotorscheibe 110 angeordnet sind. Die Permanentmagnete 120 und die Reluktanzstege 130 sind also innerhalb einer gemeinsamen Fläche zwischen zwei konzentrischen Kreisen angeordnet. Bei diesem gemeinsamen Ringbereich handelt es sich insbesondere um den Bereich, der im verbauten Zustand des Rotors 100 den Statorzähnen 210 gegenüberliegt. Der gemeinsame Ringbereich nimmt einen Anteil der Kreisfläche der Rotorscheibe 110 von etwa 1/4 bis 1/2 ein. Die Reluktanzstege 130 sind, ähnlich wie die Permanentmagnete 120, in entsprechenden Befestigungsnuten 111 angeordnet.
In 1a kommt deutlich hervor, dass der Rotor 100 mit den alternierend angeordneten Permanentmagneten 120 und Reluktanzstegen 130 sehr symmetrisch aufgebaut ist. Durch diese Symmetrie ergibt sich ein äußerst gleichmäßiges Drehmoment, so dass Ungleichmäßigkeiten bei der Drehung des Rotors 100 verringert werden.
1b ist eine Schnittansicht des Rotors 100 aus 1a. Hierbei ist insbesondere gut zu erkennen, dass die Permanentmagnete 120 in den Befestigungsaussparungen 113 angeordnet sind und so an der Rotorscheibe 110 angebracht sind.
In der Schnittansicht des Rotors 100 ist insbesondere auch zu erkennen, dass die Höhe der Reluktanzstege 130 höher ist als die Höhe der Permanentmagneten 120. Mit anderen Worten erstrecken sich die Reluktanzstege 130 weiter in Richtung der Rotationsachse R als die Permanentmagnete 120. In 1b sind die Reluktanzstege 130 hierbei derart dargestellt, dass diese sich weiter in die Rotorscheibe 110 hinein erstrecken als die Permanentmagnete 120. Alternativ hierzu oder vorzugsweise zusätzlich hierzu können sich die Reluktanzstege 130 jedoch auch weiter in die entgegengesetzte Richtung erstrecken. Das bedeutet, dass die Reluktanzstege 130 sich weiter von der Oberfläche der Rotorscheibe 110 weg erstrecken als die Permanentmagnete 120. Somit ist ein oberes Ende der Reluktanzstege 130 weiter entfernt von der Rotorscheibe 110 als ein oberes Ende der Permanentmagnete 120.
Der in 2a und 2b dargestellte Stator 200 ist axial von dem Rotor 100 beabstandet angeordnet. In 1 wäre dieser über dem Rotor 100 angeordnet. Wenn höhere Reluktanzstege 130 verwendet werden, kann der Abstand zwischen Reluktanzstegen 130 und dem Stator 200 reduziert werden. Durch höhere Reluktanzstege 130 kann so die Reluktanz, also der magnetische Widerstand, weiter verringert werden. Damit ist es also möglich, den Rotor 100 in eine Position zu dem Stator 200 zu drehen, in der der magnetische Widerstand aufgrund der hohen Ausbildung der Reluktanzstege 130 besonders gering ist. Da die Reluktanzkraft immer so wirkt, dass der magnetische Widerstand möglichst klein wird, entsteht ein besonders hoher Bewegungsdrang des Rotors 100 zu dieser Position hin.
2a zeigt eine Draufsicht auf den Stator 200, der gemeinsam mit dem Rotor 100 verwendet werden kann. 2b zeigt die zugehörige Schnittansicht des Stators 200. Der Stator 200 ist in seiner in 2a gezeigten Draufsicht zumindest im Wesentlichen ringförmig ausgebildet. Dabei entspricht die Länge des Rings in Radialrichtung zumindest im Wesentlichen der Länge des gemeinsamen Ringbereichs des Rotors 100, in dem die Permanentmagnete 120 und die Reluktanzstege 130 angeordnet sind.
Der Stator 200 weist einen Befestigungsbereich 220 auf, der mittels einer Vielzahl von Bohrungen dargestellt ist. Mittels dieser Bohrungen ist der Stator 200 beispielsweise an einer Gehäusewand fixierbar.
Der Stator 200 weist ferner eine Vielzahl von Statorzähnen 210 auf, die in ihrer Draufsicht (also in Richtung der Rotationsachse R gesehen) passend zu den Permanentmagneten 120 ausgebildet sind. Das bedeutet, dass ihre Formen in Draufsicht gesehen ähnlich sind. Die Statorzähne 210 werden somit radial nach außen hin ebenfalls breiter. Insgesamt sind in 2a 24 Statorzähne 210 dargestellt. Die Anzahl der Statorzähne 210 hängt hierbei aber insbesondere von der Anzahl der Permanentmagnete 120 des Rotors 100 ab.
In 2b sind die Statorzähne 210 deutlicher dargestellt. Insbesondere ist hierbei zu erkennen, dass zwischen benachbarten Statorzähnen 210 eine Nut angeordnet ist. In diesen Nuten werden Wicklungen um den jeweiligen Statorzahn 210 herum gewickelt, so dass mit Wicklungen ausgebildete Statorpole entstehen.
Anhand von 3a und 3b und 4 wird die Ansteuerung des Elektromotors genauer erklärt. Für einen optimalen Betrieb des Elektromotors ist der Statorstrom, also in den Figuren der Ständerstrom I_s, derart einzustellen, dass das maximale Drehmoment aus der Lorentzkraft und der Reluktanzkraft erzielt werden kann. Für den Elektromotor bedeutet dies, dass das maximale Drehmoment nicht durch eine q-Stromkomponente (3a) allein, sondern in Kombination mit einer d-Stromkomponente (3b) erreicht wird. Diese d-Stromkomponente wirkt gleichzeitig feldschwächend.
In der 3a ist beispielhaft ein Zeigerdiagramm eines Motors ohne Feldschwächung und ohne Nutzung der Reluktanzkraft im rotorfesten Koordinatensystem d, q veranschaulicht. Das Zeigerdiagramm zeigt hierbei den Zeiger der Ständerspannung U_s und den Zeiger des Ständerstroms I_s. Außerdem sind die Polradspannung U_p, der Polradwinkel υ, der Phasenwinkel φ und der Flusswinkel γ dargestellt.
Das Drehmoment wird in 3a ausschließlich durch die q-Stromkomponente erzeugt, die hier dem Gesamtstrom bzw. Ständerstrom I_s. entspricht. Dieses Drehmoment fällt nach Erreichen der maximalen Leistung mit steigender Drehzahl stark ab. In diesem Fall kann die Motordrehzahl so lange gesteigert werden, bis die Ständerspannung U_s der als Raumzeiger modulierten AC Spannung aus der Batteriespannung entspricht. Bei dieser maximalen Drehzahl nimmt dann das Motormoment den Wert 0 an. Das bedeutet, dass die Leistung nach dem Erreichen ihres Höhepunktes schnell und stark abfällt.
Im Gegensatz hierzu ist in 3b das Zeigerdiagramm eines Motors dargestellt, der mit Feldschwächung und der Nutzung von Reluktanzkraft arbeitet. Insbesondere ist im Vergleich zu 3a zu erkennen, dass der Zeiger des Ständerstroms I_s sich aus zwei orthogonalen Stromkomponenten I_d und I_d zusammensetzt. Hier wird also ab dem Erreichen der maximalen Leistung eine negative d-Stromkomponente I_d in den Stator eingeprägt. Diese negative d-Stromkomponente I_d schwächt das Magnetfeld des Permanentmagnets und lässt so die weitere Steigerung der Drehzahl bei flacher abfallendem Drehmoment zu.
Da die d-Stromkomponente I_d vektoriell von der q-Stromkomponente I_d abgezogen werden muss, ist hier die maximale Leistung zwar ein wenig geringer als in 3a, jedoch nach Erreichen des Maximums konstant.
In 3b ist hierbei auch der Stromschwenkwinkel α erkennbar, um den der Ständerstrom I_s gedreht wird. Der optimale Stromschwenkwinkel α_opt, kann mittels folgender Formel berechnet werden: ${sin}^{2} α_{opt .} + \frac{U_{p (1)}}{2 \times I_{s} (X_{q} - X_{d})} \times sin α_{opt .} - \frac{1}{2} = 0$
wobei α_opt, den optimalen Schwenkwinkel, I_s den Ständerstrom, U_p(1) die Polradspannung, X_q die synchrone Reaktanz der Querachse und X_d die synchrone Reaktanz der Längsachse ausdrückt.
Mittels der obigen Formel kann der Axialfluss-Elektromotor derart angesteuert werden, dass der Ständerstrom I_s immer um den optimalen Schwenkwinkels α_opt. gedreht wird, so dass ein maximales Drehmoment im aktuellen Betriebspunkt erzielt werden kann. Insbesondere ist die Steuerung dazu ausgebildet, aufgrund des herrschenden Reluktanzunterschiedes zu jeder Zeit den drehmoment-optimalen Stromschwenkwinkel α_opt, zu berechnen.
Abschließend zeigt 4 wie sich das Gesamtdrehmoment Mges aus der der Lorentzkraft M_mag und der Reluktanz M_reluktanz entlang des Rotorwinkels □ zusammensetzt. Hierbei ist insbesondere abzulesen, mit welchem optimalen Schwenkwinkel α_opt, der Elektromotor im Betrieb anzusteuern ist, um ein maximales Gesamtdrehmoment Mges aus der Lorentzkraft M_mag und der Reluktanz M_reluktanz zu erzielen.
Insgesamt wird so mit der Erfindung eine Möglichkeit geschaffen, die Reluktanzkraft im Rotor bei permanentmagnet-erregten Axialfluss-Elektromotoren zu nutzen.
Der Schutzbereich der vorliegenden Erfindung ist durch die Ansprüche gegeben und wird durch die in der Beschreibung erläuterten oder den Figuren gezeigten Merkmale nicht beschränkt.
Bezugszeichenliste

100: Rotor
110: Rotorscheibe
111: Befestigungsnut (für Reluktanzsteg)
112: Flanschbereich
113: Befestigungsaussparungen (für Permanentmagnet)
120: Permanentmagnet
130: Reluktanzsteg
200: Stator
210: Statorzähne
220: Befestigungsbereich
R: Rotationsachse

Claims

Rotor (100) für einen Axialfluss-Elektromotor, wobei der Rotor (100) Folgendes aufweist: eine Rotorscheibe (110) aus einem nicht magnetisierbaren Material; eine Vielzahl von Permanentmagneten (120), die beabstandet kreisförmig verteilt an der Rotorscheibe (110) angeordnet sind; und eine Vielzahl von Reluktanzstegen (130), die ebenfalls beabstandet kreisförmig verteilt an der Rotorscheibe (110) angeordnet sind, wobei die Reluktanzstege (130) stabförmig ausgebildet und derart angeordnet sind, dass ein zusätzlicher Antrieb des Rotors (100) mittels Reluktanzkraft ermöglicht wird.
Rotor (100) für einen Axialfluss-Elektromotor gemäß Anspruch 1, wobei die Permanentmagnete (120) und die Reluktanzstege (130) alternierend angeordnet sind.
Rotor (100) für einen Axialfluss-Elektromotor gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei eine Längsrichtung der Vielzahl von Reluktanzstegen (130) durch die Rotationsachse (R) verläuft.
Rotor (100) für einen Axialfluss-Elektromotor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Länge der Permanentmagnete (120) und die Länge der Reluktanzstege (130) in Radialrichtung des Rotors (100) zumindest im Wesentlichen gleich sind.
Rotor (100) für einen Axialfluss-Elektromotor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei jeder Reluktanzsteg (130) der Vielzahl von Reluktanzstegen (130) aus einem Blechpaket ausgebildet ist.
Rotor (100) für einen Axialfluss-Elektromotor gemäß Anspruch 5, wobei jedes Blechpaket 10 bis 18 Einzelbleche mit einer Höhe von zumindest im Wesentlichen 0,2 mm aufweist.
Rotor (100) für einen Axialfluss-Elektromotor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Rotorscheibe (110) vollständig aus Kunststoff ausgebildet ist.
Rotor (100) für einen Axialfluss-Elektromotor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Reluktanzstege (130) und die Permanentmagnete (120) auf einer Oberfläche der Rotorscheibe (110) angebracht sind.
Rotor (100) für einen Axialfluss-Elektromotor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Reluktanzstege (130) axial höher ausgebildet sind als die Permanentmagnete (120).
Rotor (100) für einen Axialfluss-Elektromotor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen 8 und 32, vorzugsweise zwischen 16 und 24, und besonders bevorzugt 20 Permanentmagnete angeordnet sind.
Axialfluss-Elektromotor mit einem Rotor (100) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche und einem Stator (200).
Axialfluss-Elektromotor gemäß Anspruch 11, wobei der Stator (200) 24 Pole aufweist und wobei für jede elektrische Phase vier Polpaare mit je zwei entgegengesetzten Polen ausgebildet sind.
Axialfluss-Elektromotor gemäß Anspruch 11 oder 12, wobei der Axialfluss-Elektromotor eine Steuerung aufweist, mittels der ein optimaler Stromschwenkwinkel α_opt. vorgegeben werden kann, um den der Ständerstrom I_s in einem rotorfesten Koordinatensystem gedreht werden muss, um ein maximales Drehmoment im aktuellen Betriebspunkt zu erzielen.
Axialfluss-Elektromotor gemäß Anspruch 13, wobei der optimale Schwenkwinkel α_opt, mit folgender Formel berechnet wird: ${sin}^{2} α_{opt .} + \frac{U_{p (1)}}{2 \times I_{s} (X_{q} - X_{d})} \times sin α_{opt .} - \frac{1}{2} = 0$
wobei α_opt, den optimalen Schwenkwinkel, I_s den Ständerstrom, U_p(1) die Polradspannung, X_q die synchrone Reaktanz der Querachse und X_d die synchrone Reaktanz der Längsachse ausdrückt.
Verfahren zum Herstellen eines Rotors (100) für eine rotierende elektrische Maschine, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: - Bereitstellen einer Rotorscheibe (110) aus einem nicht magnetisierbaren Material; - Anordnen einer Vielzahl von Permanentmagneten (120) beabstandet kreisförmig verteilt an der Rotorscheibe (110); und - Anordnen einer Vielzahl von stabförmigen Reluktanzstegen (130) beabstandet kreisförmig verteilt an der Rotorscheibe (110), wobei die Permanentmagnete (120) und die Reluktanzstege (130) alternierend angeordnet sind.