DE102020117106A1

DE102020117106A1 - Läufer für eine rotierende elektrische Maschine

Info

Publication number: DE102020117106A1
Application number: DE102020117106.4A
Authority: DE
Inventors: György Farkas
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2020-06-30
Filing date: 2020-06-30
Publication date: 2021-12-30
Anticipated expiration: 2040-07-01
Also published as: DE102020117106B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Läufer (14) für eine rotierende elektrische Maschine (10), wobei der Läufer (14) permanenterregt ausgebildet ist und eine magnetische Einheit (16) aufweist, in der wenigstens eine sich axial zu einer Drehachse (18) des Läufers (14) erstreckende Öffnung (20) ausgebildet ist, wobei in der Öffnung (20) ein Flussführungselement (30, 48, 66, 72) zum Beeinflussen des Führens eines magnetischen Flusses um eine zur Drehachse (18) parallele Elementachse (76) drehbar angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist das Flussführungselement (30, 48, 66, 72) permanentmagnetlos ausgebildet und weist zumindest teilweise einen magnetisierbaren Werkstoff auf.

Description

Die Erfindung betrifft einen Läufer für eine rotierende elektrische Maschine, wobei der Läufer permanenterregt ausgebildet ist und eine magnetische Einheit aufweist, in der wenigstens eine sich axial zur Drehachse des Läufers erstreckende Öffnung ausgebildet ist, wobei in der Öffnung ein Flussführungselement zum Beeinflussen des Führens eines magnetischen Flusses um eine zur Drehachse parallele Elementachse drehbar angeordnet ist. Die Erfindung betrifft ferner eine rotierende elektrische Maschine mit einem Ständer und einen gegenüber dem Ständer drehbar angeordneten Läufer. Schließlich betrifft die Erfindung auch ein Kraftfahrzeug mit einer rotierenden elektrischen Maschine.
Permanenterregte Läufer, magnetische Einheiten von Läufern, rotierende elektrische Maschinen und Kraftfahrzeuge sind im Stand der Technik umfänglich bekannt, sodass es dem Grunde nach eines gesonderten druckschriftlichen Nachweises hierfür nicht bedarf. Gattungsgemäße rotierende elektrische Maschinen werden nicht nur, aber mittlerweile häufig, bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen, wie beispielsweise Hybridfahrzeugen, Elektrofahrzeugen oder dergleichen, im Bereich einer jeweiligen Antriebseinrichtung eingesetzt. Sie können darüber hinaus jedoch nicht nur bei der Antriebseinrichtung des Kraftfahrzeugs, sondern auch bei anderen Antriebsfunktionen zum Einsatz kommen, beispielsweise bei einem Fensterheber, bei einem Anlasser und/oder dergleichen.
Eine rotierende elektrische Maschine ist eine Vorrichtung, die in einem Motorbetrieb elektrische Energie in mechanische Energie, insbesondere in Bewegungsenergie in Form einer Rotation und/oder in einem Generatorbetrieb mechanische Energie in eine elektrische Energie umformt. Bei der Bewegung handelt es sich in der Regel um eine Drehbewegung, die vom Läufer gegenüber dem Ständer ausgeführt wird. Der Ständer ist im Unterschied zum Läufer in der Regel drehfest angeordnet, das heißt, bei der Drehbewegung handelt es sich um eine Drehbewegung des Läufers gegenüber dem Ständer.
Der Ständer und der Läufer sind mittels eines magnetischen Flusses verkettet, wodurch im Motorbetrieb die Kraftwirkung, nämlich das Drehmoment, erzeugt wird, die den Läufer gegenüber dem Ständer drehend antreibt. Im Generatorbetrieb kann dagegen dem Läufer zugeführte mechanische Energie in Form eines Drehmoments in elektrische Energie umgewandelt werden. Zu diesem Zweck weist zumindest der Ständer und gegebenenfalls auch der Läufer in der Regel eine magnetische Einheit auf, die ihrerseits eine von einem elektrischen Strom durchflossene Wicklung umfasst. Im Ständer oder im Läufer kann die Wicklung auch zumindest teilweise Permanentmagneten aufweisen oder zumindest durch Permanentmagneten ergänzt sein. Rotierende elektrische Maschinen der gattungsgemäßen Art sind insbesondere zum Beispiel Drehfeldmaschinen, die an ein mehrphasiges, insbesondere dreiphasiges, elektrisches Energieversorgungsnetz anschließbar sind, und zwar besonders Synchronmaschinen, vorzugsweise fremderregte Synchronmaschinen, Synchronmaschinen mit Dämpferkäfig, Asynchronmaschinen und/oder dergleichen. Dem Grunde nach kann die rotierende elektrische Maschine jedoch auch eine Gleichspannungs- beziehungsweise Gleichstrommaschine sein. Hierbei kann es sich zum Beispiel um eine Nebenschlussmaschine oder auch eine Reihenschlussmaschine handeln.
Die rotierende elektrische Maschine kann sowohl als Innenläufer als auch als Außenläufer ausgebildet sein. Bei einem elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeug dient die rotierende elektrische Maschine häufig zum Antrieb des Kraftfahrzeugs während eines bestimmungsgemäßen Fahrbetriebs des Kraftfahrzeugs. Daneben kann sie jedoch auch für andere Antriebsfunktionen vorgesehen sein, beispielsweise bei einem Fensterheber, bei einer Öl- und/oder Wasserpumpe und/oder dergleichen.
Magnetische Einheiten von permanenterregten Läufern weisen in der Regel Permanentmagnete auf, die fest am Läufer beziehungsweise an der magnetischen Einheit angeordnet sind. Es besteht jedoch zumindest bei bestimmten Betriebszuständen der Wunsch, eine Feldschwächung bei der rotierenden elektrischen Maschine realisieren zu können. Zu diesem Zweck kann insbesondere bei einer mehrphasigen Wechselspannungsmaschine als rotierender elektrischer Maschine vorgesehen sein, dass diese über einen Wechselrichter basierend auf einer Vektor-Steuerung gesteuert wird und im Rahmen der Vektor-Steuerung durch Bewirken eines geeigneten Stromflusses in einer Ständerwicklung des Ständers eine Feldschwächung erreicht werden kann. Bei einem permanenterregten Läufer wird hierzu ein Stromanteil erzeugt, der dem magnetischen Fluss der Permanentmagneten entgegenwirkt. Ein solcher Strom bildet kein Drehmoment aus, kann jedoch den Wirkungsgrad ungünstig beeinflussen.
Im Stand der Technik wurde diesbezüglich bereits vorgeschlagen, rotierbare Permanentmagneten im Läufer, insbesondere der magnetischen Einheit, vorzusehen. So offenbart zum Beispiel die DE 10 2018 133 578 A1 eine elektrische Maschine mit einem Permanentmagneten und variabler Magnetausrichtung. Darüber hinaus offenbart die DE 10 2018 112 553 A1 einen permanentmagneterregten Motor mit verdrehbaren Magnetstäben. Weiterhin offenbart eine Dissertation von Henning Wöhl-Bruhn eine Synchronmaschine mit eingebetteten Magneten und neuartiger variabler Erregung für Hybridantriebe, veröffentlicht im Cuvillier-Verlag, Göttingen, 2010.
Der vorgenannte Stand der Technik hat jedoch den Nachteil, dass die Feldschwächung durch Beeinflussung der Permanentmagnete erreicht werden können soll. Permanentmagnete, insbesondere wenn sie bei permanenterregten Läufern zum Einsatz kommen sollen, sind aus verschiedenen Gründen schwer handzuhaben. In der Regel ist der Werkstoff der Permanentmagnete sehr spröde und nur mit großem Aufwand mechanisch bearbeitbar. Darüber hinaus erweisen sich die Lehren des Stands der Technik, insbesondere bei größeren Drehzahlen des Läufers, als nachteilig, weil für das Verschwenken der Permanentmagnete zum Teil ein großer mechanischer Aufwand betrieben werden muss.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, an einem permanenterregten Läufer eine Feldschwächung einstellen zu können, ohne die Ausrichtung der Permanentmagnete mechanisch beeinflussen zu brauchen.
Als Lösung werden mit der Erfindung ein Läufer, eine rotierende elektrische Maschine sowie ein Kraftfahrzeug gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgeschlagen.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich durch Merkmale der abhängigen Ansprüche.
In Bezug auf einen gattungsgemäßen Läufer wird mit der Erfindung insbesondere vorgeschlagen, dass das Flussführungselement permanentmagnetlos ausgebildet ist und zumindest teilweise einen magnetisierbaren Werkstoff aufweist.
Bezüglich einer gattungsgemäßen rotierenden elektrischen Maschine wird insbesondere vorgeschlagen, dass der Läufer gemäß der Erfindung ausgebildet ist.
Bezüglich eines gattungsgemäßen Kraftfahrzeugs wird mit der Erfindung insbesondere vorgeschlagen, dass die rotierende elektrische Maschine gemäß der Erfindung ausgebildet ist.
Die Erfindung basiert unter anderem auf dem Gedanken, dass eine Feldschwächung eingestellt werden kann, wenn die Führung des magnetischen Flusses in der magnetischen Einheit des Läufers in geeigneter Weise beeinflusst werden kann. Zu diesem Zweck sieht die Erfindung vor, dass die magnetische Einheit des Läufers wenigstens eine sich axial zu einer Drehachse des Läufers erstreckende Öffnung aufweist, in der ein Flussführungselement zum Beeinflussen des Führens des magnetischen Flusses angeordnet ist.
Das Flussführungselement ist um eine zur Drehachse parallele Elementachse drehbar in der Öffnung angeordnet. Das Flussführungselement weist ferner von einer Drehstellung in der Öffnung abhängige Flussführungseigenschaften für den magnetischen Fluss auf. Zu diesem Zweck ist das Flussführungselement zumindest teilweise aus einem magnetisierbaren Werkstoff ausgebildet. Dies wird durch eine geeignete Ausbildung des Flussführungselements erreicht, die zumindest teilweise einen magnetisierbaren Werkstoff nutzt. Vorzugsweise kann der magnetisierbare Werkstoff ein ferromagnetischer Werkstoff, ein paramagnetischer Werkstoff und/oder ein ferrimagnetischer Werkstoff sein. Das Führungselement kann über eine Längserstreckung in der Öffnung im Wesentlichen eine konstante Querschnittsfläche aufweisen. Darüber hinaus kann natürlich vorgesehen sein, dass das Führungselement eine sich über die Längserstreckung ändernde Querschnittsfläche aufweist. Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass das Führungselement vollständig in der Öffnung angeordnet ist und diese im Wesentlichen vollständig ausfüllt. Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass das Flussführungselement die Öffnung nur teilweise in Längserstreckung beziehungsweise axialer Richtung ausfüllt. Das Flussführungselement kann ein- oder mehrteilig ausgebildet sein. Bei einer mehrteiligen Konstruktion des Flussführungselements kann vorgesehen sein, dass das Flussführungselement beispielsweise axial beabstandete Segmente aufweist, die mechanisch miteinander verbunden sind. Auch Kombinationen hiervon können vorgesehen sein.
Das Flussführungselement kann in einer Umfangsrichtung zur Elementachse zumindest teilweise rund, insbesondere kreisförmig oder zumindest teilkreisförmig ausgebildet sein. Darüber hinaus kann das Flussführungselement zumindest teilweise auch eckig ausgebildet sein. Dem Grunde nach kann dies auch für die Öffnung in axialer Richtung vorgesehen sein. Vorzugsweise ist vorgesehen, dass das Flussführungselement, wenn es in der Öffnung angeordnet ist, zumindest über einen vorgegebenen Winkel verdreht werden kann, um eine gewünschte Einstellung einer Feldschwächung realisieren zu können. Dabei kann vorgesehen sein, dass, insbesondere bei eckigen Querschnittsflächen, Anschläge ausgebildet sind, durch die die Drehbewegung des Flussführungselements in der Öffnung begrenzt sein kann. Darüber hinaus kann natürlich auch vorgesehen sein, dass die Öffnung und das Flussführungselement so ausgebildet sind, dass das Flussführungselement in der Öffnung vollständig rotieren kann.
Dadurch, dass das Flussführungselement zumindest quer zur Elementachse anisotrope magnetische Eigenschaften, insbesondere Flussführungseigenschaften, aufweist, kann durch das Flussführungselement das Führen des magnetischen Flusses abhängig von einer Drehstellung des Flussführungselements in der Öffnung beeinflusst werden. Insbesondere kann dadurch eine Feldschwächung realisiert werden, und zwar ohne dass Permanentmagnete des Läufers beziehungsweise der magnetischen Einheit mechanisch bewegt zu werden brauchen. Dadurch können die im Stand der Technik auftretenden Nachteile reduziert, wenn nicht sogar vollständig vermieden werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass das Flussführungselement ausgebildet ist, die Öffnung in radialer Richtung zur Drehachse nur teilweise auszufüllen. Dadurch kann mittels des Flussführungselements in der Öffnung ein einstellbarer Luftspalt realisiert werden, der abhängig von der Drehstellung des Flussführungselements in der Öffnung auf den magnetischen Fluss, insbesondere den der Permanentmagneten, einwirken kann. Dies erlaubt es, den magnetischen Fluss abhängig von der Drehstellung zu reduzieren und so eine Feldschwächung auf einfache Weise bewirken zu können. Das Flussführungselement kann zu diesem Zweck zum Beispiel einen prismatischen Querschnitt aufweisen, insbesondere einen eckigen Querschnitt, beispielsweise einen dreieckförmigen Querschnitt, einen rechteckförmigen Querschnitt, aber auch einen runden Querschnitt, insbesondere einen ovalen Querschnitt, und/oder dergleichen.
Vorzugsweise weist das Flussführungselement eine kreissegmentförmige Querschnittsfläche auf. Dadurch kann das Flussführungselement insbesondere bei einer entsprechend ausgebildeten kreisförmigen Öffnung auf einfache Weise mit wenig Kraftaufwand gedreht und geführt werden. Je nach Drehstellung des Flussführungselements in der Öffnung kann somit eine Verstärkung oder eine Schwächung des magnetischen Flusses realisiert werden.
Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn die Querschnittsfläche die Elementachse einschließt. Dadurch brauchen zusätzliche Führungselemente für das Flussführungselement zum radialen Fixieren des Flussführungselements in der Öffnung nicht mehr vorgesehen zu sein. Diese Ausgestaltung eignet sich daher besonders für den Fall, wenn der Läufer hohen Beanspruchungen ausgesetzt ist. Bei einer kreisförmigen Öffnung ist daher die Querschnittsfläche des Flussführungselements größer als ein Halbkreis.
Vorzugsweise weist das Flussführungselement einen weichmagnetischen Werkstoff auf. Dadurch kann das Flussführungselement auf einfache Weise mit bekannten Werkstoffen hergestellt werden, die darüber hinaus der mechanischen Bearbeitung gut zugänglich sind. Das Flussführungselement kann zum Beispiel zumindest teilweise auch aus in axialer Richtung segmentierten Blechen gebildet sein. Darüber hinaus kann das Flussführungselement zumindest teilweise auch aus einem ferritischen Material gebildet sein, beispielsweise basierend auf Fe₂O₃ oder dergleichen.
Gemäß einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass das Führungselement einen kornorientierten magnetisierbaren Werkstoff aufweist. Der kornorientierte magnetisierbare Werkstoff, der beispielsweise als Blech zur Verfügung gestellt sein kann, kann durch mehrere, aufeinanderfolgende Walz- und Glühbehandlungen hergestellt werden. Dadurch kann eine Kornorientierung beziehungsweise Textur erreicht werden. Die hierdurch erreichte Anisotropie im Werkstoff erlaubt es, abhängig von einer Magnetisierungsrichtung Ummagnetisierungsverluste und die relative magnetische Permeabilität zu ändern. Benutzt werden kornorientierte magnetisierbare Werkstoffe zum Beispiel auch zum Herstellen von Transformatoren. Bei Nutzung eines kornorientierten magnetisierbaren Werkstoffs für das Flussführungselement ist die Kornorientierung beziehungsweise Textur vorzugsweise in einer Ebene quer zur Elementachse beziehungsweise Längserstreckung des Flussführungselements ausgebildet. Dadurch besteht die Möglichkeit, abhängig von der Drehstellung des Flussführungselements die Führung des magnetischen Flusses zu beeinflussen, weil sich die magnetischen Eigenschaften des Flussführungselements und der von der Drehstellung abhängigen Textur ebenfalls entsprechend verändern. Auf diese Weise lässt sich besonders einfach das Führen des magnetischen Flusses beeinflussen und insbesondere eine Feldschwächung erreichen. Besonders vorteilhaft erweist sich diese Ausgestaltung unter anderem für den Einsatz bei Läufern, die für große Drehzahlen vorgesehen sind, beispielsweise größer als 5000 Umdrehungen pro Minute oder dergleichen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die magnetische Einheit Permanentmagnete aufweist, die wenigstens eine V-Form bildend angeordnet sind, wobei die wenigstens eine Öffnung zumindest teilweise innerhalb eines durch Schenkel der wenigstens einen V-Form begrenzten Bereichs angeordnet sind. Diese Ausgestaltung ermöglicht es, abhängig von der Drehstellung den magnetischen Fluss, der durch die V-Form bildenden Permanentmagnete bereitgestellt wird, zumindest teilweise kurzzuschließen und so eine Feldschwächung zu erreichen. Abhängig von der Drehstellung kann mit dem Flussführungselement jedoch auch zumindest teilweise eine magnetische Barriere realisiert sein, sodass der magnetische Fluss verstärkt werden kann.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die magnetische Einheit Permanentmagnete aufweist, die wenigstens eine V-Form bildend angeordnet sind, wobei die wenigstens eine Öffnung zumindest teilweise in einem Bereich eines durch Schenkel der wenigstens einen V-Form gebildeten Scheitels angeordnet ist. Diese Ausgestaltung ermöglicht es, im Bereich des Scheitels die magnetische Kopplung der die V-Form bildenden Permanentmagnete zu beeinflussen und somit den gesamten Fluss zu beeinflussen. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass bei einer ersten Drehstellung eine hohe magnetische Leitfähigkeit bereitgestellt wird, sodass der durch die Permanentmagneten bereitgestellte Fluss verstärkt wird. Darüber hinaus besteht natürlich die Möglichkeit, bei einer anderen Drehstellung eine Reduzierung der Flussführung zu realisieren, beispielsweise nach Art einer Flussbarriere oder dergleichen, um die magnetische Kopplung der Permanentmagnete zu reduzieren und damit insgesamt den Fluss zu reduzieren. Dies kann genutzt werden, um eine Feldschwächung zu realisieren.
Die vorgenannten Möglichkeiten können natürlich auch in nahezu beliebiger Weise kombiniert werden, um die Funktion der Erfindung weiter zu verbessern oder an spezifische Konstruktionen und Beanspruchungen anpassen zu können.
Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen eines erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Läufers beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:

1 in einer schematischen Seitenansicht ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Antriebseinrichtung, die eine Synchronmaschine umfasst;
2 in einer schematischen Schnittansicht einen Sektor einer permanenterregten Synchronmaschine mit einem einstellbaren Flussführungselement in einer ersten Einstellung gemäß einer ersten Ausgestaltung;
3 eine schematische Schnittansicht wie 2 in einer zweiten Einstellung des Flussführungselements;
4 eine schematische Diagrammdarstellung eines von einer Drehzahl abhängigen Drehmoments der Synchronmaschine gemäß 2;
5 in einer schematischen Ansicht einen Feldverlauf eines magnetischen Flusses im Bereich des Flussführungselements bei der ersten Einstellung gemäß 2;
6 eine schematische Ansicht wie 5 bei der zweiten Einstellung des Flussführungselements gemäß 3;
7 in einer schematischen Schnittansicht wie 2 einen Sektor einer permanenterregten Synchronmaschine mit einem einstellbaren Flussführungselement in einer ersten Einstellung gemäß einer zweiten Ausgestaltung;
8 eine schematische Schnittansicht wie 7 in einer zweiten Einstellung des Flussführungselements;
9 in einer schematischen Ansicht einen Ausschnitt einer Oberfläche eines kornorientierten magnetisierbaren Blechs;
10 eine schematische Ansicht eines Herstellvorgangs des Blechs gemäß 9;
11 eine schematische Schnittansicht wie 7 in einer ersten Einstellung des Flussführungselements, wobei das Flussführungselement gemäß einer dritten Ausgestaltung aus dem Blech gemäß 9 gebildet ist;
12 eine schematische Schnittansicht wie 11 in einer zweiten Einstellung des Flussführungselements;
13 eine schematische Schnittansicht wie 7 einer vierten Ausgestaltung, bei der das Flussführungselement zwischen zwei V-förmig angeordneten Paaren von Permanentmagneten anordnet ist;
14 eine schematische Schnittansicht wie 11 einer fünften Ausgestaltung, bei der das Flussführungselement in einer ersten Einstellung im Bereich eines durch Schenkel von V-förmig angeordneten Permanentmagneten ausgebildeten Scheitels angeordnet ist; und
15 eine schematische Schnittansicht wie 14 in einer zweiten Einstellung des Flussführungselements.

Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
1 zeigt in einer schematischen Seitenansicht ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug, welches hier als Elektrofahrzeug 50 ausgebildet ist. Das Elektrofahrzeug 50 weist eine elektrische Antriebseinrichtung 52 auf, die als rotierende elektrische Maschine eine permanenterregte Synchronmaschine 10 zum Antreiben des Elektrofahrzeugs 50 in einem bestimmungsgemäßen Fahrbetrieb umfasst. Die elektrische Antriebseinrichtung 52 ist ferner über einen Wechselrichter 56 als Energiewandler an eine Hochvoltbatterie 54 angeschlossen, die der elektrischen Energieversorgung der Antriebseinrichtung 52 dient.
2 zeigt in einer schematischen Schnittansicht die Synchronmaschine 10 gemäß 1, wobei 2 einen Sektor der Schnittansicht zeigt. Die Synchronmaschine 10 weist einen Ständer 12 auf, der eine nicht bezeichnete, vorliegend im Wesentlichen kreisrunde Durchgangsöffnung aufweist, in der ein Läufer 14 drehbar angeordnet ist. Die Synchronmaschine 10 ist vorliegend für einen dreiphasigen Wechselspannungsbetrieb ausgebildet und weist hierfür eine entsprechend angepasste Ständerwicklung 40 auf. Die Ständerwicklung 40 ist in nicht bezeichneten Nuten eines Ständerblechpakets 42 des Ständers 12 angeordnet.
In der Durchgangsöffnung des Ständers 12 ist der Läufer 14 drehbar um eine Drehachse 18 gelagert angeordnet. Eine äußere Umfangsfläche des Läufers 14 ist von einer inneren Umfangsfläche der Durchgangsöffnung des Ständers 12 über einen Luftspalt 28 beabstandet. Der Ständer 12 hat vorliegend einen konventionellen Aufbau, der dem Fachmann bekannt ist, weshalb von weiteren detaillierten Erläuterungen bezüglich des Ständers 12 vorliegend abgesehen wird.
Der Läufer 14 weist eine magnetische Einheit 16 auf, die in nicht dargestellter Weise ein Läuferblechpaket umfasst, in welchem Permanentmagneten 22, 24, 26 fest angeordnet sind. Auf diese Weise wird ein permanenterregter Läufer 14 gebildet.
In dem in 2 dargestellten Sektor sind die Permanentmagneten 22, 24 eine V-Form bildend angeordnet. Die Permanentmagnete 22, 24 bilden dadurch Schenkel 32, 34 der V-Form. In einem durch die Schenkel 32, 34 gebildeten Scheitel 38 ist eine vorliegend kreisförmig ausgebildete Durchgangsöffnung 20 in der magnetischen Einheit 16 ausgebildet, die sich in axialer Richtung des Läufers 14 im Wesentlichen parallel zur Drehachse 18 erstreckt.
In der Öffnung 20 ist ein Flussführungselement 30 angeordnet, welches um eine zur Drehachse 18 des Läufers 14 parallele Elementachse 76 drehbar ist (vergleiche 5, 6). Das Flussführungselement 30 ist vorliegend permanentmagnetlos ausgebildet und weist einen magnetisierbaren Werkstoff, vorliegend aus einem ferromagnetischen Material, auf.
Das Flussführungselement 30 ist ausgebildet, die Öffnung 20 in radialer Richtung zur Drehachse 18 beziehungsweise zur Elementachse 74 nur teilweise auszufüllen. Zu diesem Zweck weist das Flussführungselement 30 eine im Wesentlichen kreissegmentförmige Querschnittsfläche auf, die vorliegend auch die Elementachse 76 einschließt. Dadurch ist in der Öffnung 20 ein Hohlraum 74 ausgebildet, der vorliegend mit Luft gefüllt ist. Mittels eines nicht dargestellten Antriebs kann das Flussführungselement 30 in der Öffnung 20 in einer vorgebbaren Drehstellung eingestellt werden.
2 zeigt das Flussführungselement 30 in einer ersten Einstellung. 5 zeigt in einer vergrößerten Darstellung im Bereich des Flussführungselements 30 einen schematischen Feldlinienverlauf gemäß der Einstellung des Flussführungselements 30 in 2. Bei der gewählten ersten Einstellung gemäß 2 wird durch den Hohlraum 74 bewirkt, der magnetische Fluss im Wesentlichen nicht reduziert wird. Dadurch kann ein Betrieb der Synchronmaschine 10 in einem Grunddrehzahlbereich erreicht werden.
3 zeigt in einer schematischen Schnittansicht die 2 eine zweite Einstellung des Flussführungselements 30. Die weiteren Elemente entsprechen dem, wie es bereits zur 2 erläutert wurde, weshalb diesbezüglich auf 2 verwiesen wird.
Zu erkennen ist, dass das Flussführungselement 30 in 3 eine zweite Einstellung aufweist, die sich dadurch auszeichnet, dass das Flussführungselement 30 um einen Winkel von etwa 240° gegenüber der ersten Einstellung gemäß 2 verdreht ist. Die entsprechenden Auswirkungen auf den magnetischen Fluss sind anhand von 6 dargestellt, welches eine schematische Ansicht wie 5 für die zweite Einstellung des Führungselements gemäß 3 zeigt. Hieraus ist ersichtlich, dass eine reduzierte Flussführung erreicht werden kann, weshalb bei dieser Einstellung eine Feldschwächungfür die Funktionalität des Synchronmaschine 10 zur Verfügung steht. Daher ist ersichtlich, dass mit der Einstellung gemäß 3, das heißt, der zweiten Einstellung, eine Feldschwächung erreicht werden kann. In den 5 und 6 sind die Feldlinien mit dem Bezugszeichen 46 bezeichnet.
4 zeigt eine schematische Diagrammdarstellung eines von einer Drehzahl des Läufers 14 abhängigen Drehmoments der Synchronmaschine 10 gemäß 2. Die Abszisse ist einer Drehzahl n zugeordnet, wohingegen die Ordinate einem Drehmoment M zugeordnet ist. Mit einer zur Ordinate parallel ausgerichteten gestrichelten Linie 78, die eine Nenndrehzahl n_N kennzeichnet, ist der Bereich des Diagramms in einem Grunddrehzahlbereich eingeteilt, der sich von der Drehzahl null bis zur Drehzahl n_N erstreckt. In diesem Drehzahlbereich kann ein im Wesentlichen konstantes Nennmoment M_N erreicht werden. Darüber hinaus ist für eine Drehzahl größer als die Drehzahl n_N ein Feldschwächbereich ausgebildet. Dieser erstreckt sich von der Drehzahl n_N bis zur Drehzahl nmax. Mit einem Graphen 44 in dem Diagramm ist der Drehmomentverlauf abhängig von der Drehzahl dargestellt.
Zu erkennen ist, dass im Grunddrehzahlbereich das Drehmoment M_N im Wesentlichen konstant sein kann. Im Feldschwächbereich, das heißt, oberhalb der Drehzahl n_N sinkt das Drehmoment gemäß dem Graphen 44 mit zunehmender Drehzahl n ab. In diesem Bereich kann nun durch eine entsprechende Einstellung des Flussführungselements 30 eine entsprechende Verbesserung bewirkt werden.
7 zeigt in einer schematischen Schnittansicht wie 2 einen Sektor der permanenterregten Synchronmaschine 10 mit einem einstellbaren Flussführungselement 48 in einer ersten Einstellung gemäß einer zweiten Ausgestaltung. Bei dieser zweiten Ausgestaltung ist die Öffnung 20 teilweise innerhalb eines durch die Schenkel 32, 34 der V-Form begrenzten Bereichs 36 angeordnet. Das Flussführungselement 48 ist in dieser Ausgestaltung ausgebildet, die Öffnung 20 im Wesentlichen vollständig auszufüllen. Zugleich ist es um die Elementachse 76 drehbar angeordnet.
Das Flussführungselement 48 weist vorliegend einen weichmagnetischen Werkstoff auf, in dem in axialer Richtung eine schlitzförmige Durchgangsöffnung 82 als Flussbarriere ausgebildet ist. Die Durchgangsöffnung 82 umfasst die Elementachse 76. In alternativen Ausgestaltungen kann die Durchgangsöffnung 82 natürlich auch außerhalb der Elementachse 76 angeordnet sein. Darüber hinaus können auch mehrere Durchgangsöffnungen 82 im Flussführungselement 48 ausgebildet sein. In der in 7 gezeigten Darstellung kann die Synchronmaschine 10 im Grunddrehzahlbereich betrieben werden.
8 zeigt in einer schematischen Schnittansicht wie 7 eine zweite Einstellung des Flussführungselements 48, bei dem die schlitzförmige Durchgangsöffnung 82 nunmehr nicht - wie in 7 - im Wesentlichen in Umfangsrichtung ausgerichtet ist, sondern stattdessen nunmehr in einer radialen Richtung in Bezug auf die Drehachse 18 des Läufers 14. In dieser Einstellung kann eine Reduzierung des magnetischen Flusses erreicht werden, weil das Flussführungselement 48 als Barriere wirkt. Hierdurch kann eine Feldschwächung erreicht werden.
9 zeigt in einer schematischen Ansicht einen Ausschnitt aus einer Oberfläche eines kornorientierten magnetisierbaren Blechs 52. Zu erkennen ist eine Kornorientierung, die mittels Pfeilen 60 verdeutlicht ist. In einem rechten unteren Bereich ist ein Diagramm dargestellt, in welchem eine Walzrichtung (RD) und eine Normalrichtung (ND) hierzu dargestellt sind. Auf die kristallogischen Prozesse und die Bildung des kornorientierten Blechs wird im Rahmen der vorliegenden Anmeldung nicht weiter eingegangen und auf das entsprechende Fachwissen verwiesen.
10 zeigt eine schematische Ansicht eines Herstellvorgangs des Blechs 52 gemäß 9 in einer stark vereinfachten Version. In einem oberen Bereich sind ein Blechabschnitt 56, bei dem keine Kornorientierung vorliegt, und der Blechabschnitt 52 gegenübergestellt. Mit einem Pfeil 62 wird schematisch ein struktureller Aufbau des Blechs 56 in einem linken Abschnitt dargestellt, wobei schematisch einige Körner 58 dargestellt sind. Wie aus 10 ersichtlich ist, sind diese nahezu willkürlich in eine Walzrichtung 80 orientiert angeordnet.
Dagegen zeigt der rechte Abschnitt im oberen Bereich der 10 das Blech 52, bei dem die Kornorientierung ausgebildet ist. Mit einem Pfeil 64 wird auf den entsprechenden Blechabschnitt 52 gezeigt, in dem schematisch einige Körner 58 dargestellt sind. Wie aus dieser Ansicht ersichtlich sind, sind die Körner 58 im Wesentlichen im Blech 52 in dergleichen Richtung ausgerichtet.
Das kornorientierte Blech 52 weist aufgrund der Kornorientierung eine Anisotropie in Bezug auf die Magnetisierung auf. Insbesondere ist die relative magnetische Permeabilität richtungsabhängig. Dieser Effekt wird unter anderem auch bei Transformatorblechen zum Bau von Transformatoren genutzt. Bei den folgenden Ausführungsbeispielen wird dieser Effekt für ein Flussführungselement 66 genutzt.
11 zeigt in einer schematischen Schnittansicht wie 7 eine erste Einstellung des Flussführungselements 66 gemäß einer dritten Ausgestaltung, welches vorliegend aus dem Blech 52 gemäß 9 gebildet ist. Zu diesem Zweck ist das Flussführungselement 66 in axialer Richtung geblecht ausgebildet, wobei die einzelnen Bleche 52 gegeneinander elektrisch isoliert sind. Das Flussführungselement 66 ist derart ausgebildet, dass es die Öffnung 20 in Umfangsrichtung im Wesentlichen vollständig ausfüllt. Vorliegend ist das Flussführungselement 66 im Wesentlichen kreisrund quer zur axialen Erstreckung ausgebildet. Aus 11 ist ersichtlich, dass mit den Pfeilen 60 wieder die Kornorientierung angezeigt wird. In der in 11 dargestellten Stellung des Flussführungselements 66 kann die Synchronmaschine 10 im Grunddrehzahlbereich betrieben werden.
12 zeigt in einer schematischen Schnittansicht wie 11 eine zweite Einstellung des Flussführungselements 66. Bei dieser Einstellung wird eine Schwächung des magnetischen Flusses und damit eine Feldschwächung erreicht. Die Synchronmaschine 10 kann hier im Feldschwächbereich betrieben werden. Bezüglich der weiteren Elemente in 12 wird auf die entsprechenden Ausführungen zur 11 verwiesen.
13 zeigt in einer schematischen Schnittansicht wie 7 eine vierte Ausgestaltung, bei der das Flussführungselement 66 zwischen zwei V-förmig angeordneten Paaren von Permanentmagneten 22, 24, 68, 70 angeordnet ist. Auch hier ist ein Bereich 36 durch Schenkel 32, 34 gebildet, der durch die V-förmig angeordneten Permanentmagneten 22, 24 gebildet ist. Das Flussführungselement 66 ist wie zu den 11 und 12 beschrieben ausgebildet. Entsprechend kann - wie bei der dritten Ausgestaltung - durch eine vorgegebene Drehstellung des Flussführungselements 66 eine Feldschwächung erreicht werden.
14 zeigt eine fünfte Ausgestaltung, die auf der Ausgestaltung gemäß 11 basiert, weshalb ergänzend auf die diesbezüglichen Ausführungen verwiesen wird. Im Unterschied zur Ausgestaltung gemäß 11 ist das Flussführungselement vorliegend als Flussführungselement 72 ausgebildet, welches ebenso wie das Flussführungselement 66 gemäß 11 aus einem kornorientierten Werkstoff gebildet ist. Im Unterschied zur Ausgestaltung gemäß 11 ist die Öffnung 20 ferner im Bereich eines Scheitels der durch die Schenkel 32, 34 gebildeten V-Form angeordnet, vergleichbar der Ausgestaltung gemäß der 2 und 3.
Das Flussführungselement 72 ist jedoch im Unterschied zum Flussführungselement 66 vorliegend ausgebildet, die Öffnung 20 in radialer Richtung zur Drehachse 18 nur teilweise auszufüllen. Zu diesem Zweck weist das Flussführungselement 72 eine kreissegmentförmige Querschnittsfläche auf, die die Elementachse 76 (in 14 nicht dargestellt) einschließt. Bezüglich der Funktion des Flussführungselements 76 wird auf die vorherigen Ausführungen entsprechend verwiesen. In der in 14 dargestellten ersten Einstellung des Flussführungselements 72 kann die Synchronmaschine 10 im Grunddrehzahlbereich betrieben werden. 15 zeigt in einer schematischen Schnittansicht wie 14 eine zweite Einstellung des Flussführungselements 72, die gegenüber der ersten Einstellung etwa um 240° verdreht ist. In dieser Einstellung des Flussführungselements 72 kann eine Feldschwächung erreicht werden, sodass die Synchronmaschine 14 im Feldschwächbereich betrieben werden kann.
Insgesamt zeigen die Beispiele, wie eine rotierbare Flussbarriere in permanenterregten Synchronmaschinen bereitgestellt werden kann.
Die Ausführungsbeispiele dienen ausschließlich der Erläuterung der Erfindung und sollen diese nicht beschränken.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102018133578 A1 [0007]
DE 102018112553 A1 [0007]

Claims

Läufer (14) für eine rotierende elektrische Maschine (10), wobei der Läufer (14) permanenterregt ausgebildet ist und eine magnetische Einheit (16) aufweist, in der wenigstens eine sich axial zu einer Drehachse (18) des Läufers (14) erstreckende Öffnung (20) ausgebildet ist, wobei in der Öffnung (20) ein Flussführungselement (30, 48, 66, 72) zum Beeinflussen des Führens eines magnetischen Flusses um eine zur Drehachse (18) parallele Elementachse (76) drehbar angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Flussführungselement (30, 48, 66, 72) permanentmagnetlos ausgebildet ist und zumindest teilweise einen magnetisierbaren Werkstoff aufweist.
Läufer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Flussführungselement (30, 48, 72) ausgebildet ist, die Öffnung (20) in radialer Richtung zur Drehachse (18) nur teilweise auszufüllen.
Läufer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Flussführungselement (30, 72) eine kreissegmentförmige Querschnittsfläche aufweist.
Läufer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche die Elementachse (76) einschließt.
Läufer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Flussführungselement (30, 48, 66, 72) einen weichmagnetischen Werkstoff aufweist.
Läufer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Flussführungselement (30, 48, 66, 72) einen kornorientierten magnetisierbaren Werkstoff aufweist.
Läufer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Einheit (16) Permanentmagnete (22, 24) aufweist, die wenigstens eine V-Form bildend angeordnet sind, wobei die wenigstens eine Öffnung (20) zumindest teilweise innerhalb eines durch Schenkel (32, 34) der wenigstens einen V-Form begrenzten Bereichs (36) angeordnet ist.
Läufer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetische Einheit (16) Permanentmagnete (22, 24) aufweist, die wenigstens eine V-Form bildend angeordnet sind, wobei die wenigstens eine Öffnung (20) zumindest teilweise in einem Bereich eines durch Schenkel (32, 34) der wenigstens einen V-Form gebildeten Scheitels (38) angeordnet ist.
Rotierende elektrische Maschine (10) mit einem Ständer (12) und einem gegenüber dem Ständer (12) drehbar angeordneten Läufer (14), dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer (14) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
Kraftfahrzeug (50) mit einer rotierenden elektrischen Maschine (10), dadurch gekennzeichnet, dass die rotierende elektrische Maschine (10) nach Anspruch 9 ausgebildet ist.