DE102020117150A1

DE102020117150A1 - Electromechanical energy converter with an embedded permanent magnet and a magnetization and sensor coil and process for their production and operation

Info

Publication number: DE102020117150A1
Application number: DE102020117150.1A
Authority: DE
Inventors: Norman Borchardt
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2020-06-30
Filing date: 2020-06-30
Publication date: 2021-12-30

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem von diesem durch einen Luftspalt beabstandeten Rotor mit wenigstens einer in dessen Aktivmaterial ausgebildeten Aufnahme. In dieser Aufnahme ist sind wenigstens ein Permanentmagnet und wenigstens eine Magnetisierungsspule zum Ändern einer Magnetisierung des Permanentmagneten angeordnet. Die elektrische Maschine weist weiter einen die Magnetisierungsspule umfassenden Sensor zum Bestimmen einer Stellung des Rotors relativ zu dem Stator basierend auf einem mittels der Magnetisierungsspule erfassten Signal auf. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen elektrischen Maschine sowie ein Verfahren zum Herstellen des Rotors für die elektrische Maschine.

The invention relates to an electrical machine with a stator and a rotor, spaced apart therefrom by an air gap, with at least one receptacle formed in its active material. At least one permanent magnet and at least one magnetization coil for changing a magnetization of the permanent magnet are arranged in this receptacle. The electrical machine also has a sensor comprising the magnetization coil for determining a position of the rotor relative to the stator based on a signal detected by means of the magnetization coil. The invention further relates to a method for operating such an electrical machine and a method for manufacturing the rotor for the electrical machine.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, insbesondere eine permanenterregte Synchronmaschine, ein Verfahren zum Betreiben einer solchen elektrischen Maschine und ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors für eine derartige elektrische Maschine.The present invention relates to an electrical machine, in particular a permanently excited synchronous machine, a method for operating such an electrical machine and a method for producing a rotor for such an electrical machine.

Elektrische Maschinen sind grundsätzlich seit langer Zeit bekannt, finden aber heutzutage nach wie vor verbreitete Anwendung in vielfältigen verschiedenen technischen Gebieten. Nicht zuletzt im Bereich der Fahrzeugtechnik werden elektrische Maschinen heutzutage sogar vermehrt eingesetzt. Dementsprechend besteht weiterhin ein Bedarf für Verbesserungen und Weiterentwicklungen auf dem Gebiet der elektrischen Maschinen. Dies gilt sowohl für deren Betrieb als für deren Fertigung.In principle, electrical machines have been known for a long time, but are still widely used today in a wide variety of technical fields. Not least in the field of vehicle technology, electrical machines are even used more and more nowadays. Accordingly, there continues to be a need for improvements and further developments in the field of electrical machines. This applies to both their operation and their manufacture.

So ist beispielsweise aus der DE 10 2014 010 644 A1 ein Verfahren zum Überprüfen eines Rotors einer permanenterregten elektrischen Maschine mit vergrabenen Magneten auf eine vollständige Magnetisierung bekannt. Dabei wird nach einer erfolgten Magnetisierung über einen ersten Magnetfeldimpuls eine Summenflussmessung des gesamten Rotors vorgenommen. Nach der Magnetisierung der Magneten über den ersten Magnetfeldimpuls und vor der Summenflussmessung wird ein zweiter Magnetfeldimpuls zur Erzeugung eines Entmagnetisierungsfeldes aufgebracht. Der zweite Magnetfeldimpuls soll nur bei teilweise unmagnetisierten Magneten eine Entmagnetisierung bewirken. Insgesamt sollen so durch die anschließende Summenflussmessung in der Produktion der elektrischen Maschine aufgetretene Probleme bei der Magnetisierung in verbesserter Weise erkannt werden, sodass Ausschuss im späteren Verlauf der Produktion der elektrischen Maschine oder ein Versagen nach Auslieferung an einen Endkunden vermieden werden können. Die Magnetisierungspulse können dabei durch eine separate Magnetisierungsvorrichtung, die in die Nähe des Rotors gebracht wird, erzeugt werden. For example, from the DE 10 2014 010 644 A1 a method for checking a rotor of a permanent-magnet electrical machine with buried magnets is known for complete magnetization. After magnetization has taken place, a first magnetic field pulse is used to measure the total flux of the entire rotor. After the magnets have been magnetized using the first magnetic field pulse and before the total flux measurement, a second magnetic field pulse is applied to generate a demagnetizing field. The second magnetic field pulse is intended to cause demagnetization only in the case of partially unmagnetized magnets. Overall, the subsequent cumulative flow measurement in the production of the electrical machine is intended to identify problems with the magnetization in an improved manner, so that rejects in the later course of the production of the electrical machine or a failure after delivery to an end customer can be avoided. The magnetization pulses can be generated by a separate magnetization device that is brought into the vicinity of the rotor.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine besonders einfache Fertigung und einen besonders flexiblen Betrieb einer permanenterregten elektrischen Maschine zu ermöglichen.The object of the present invention is to enable particularly simple manufacture and particularly flexible operation of a permanently excited electrical machine.

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 der Zeichnung angegeben.According to the invention, this object is achieved by the subjects of the independent claims. Advantageous refinements and developments of the present invention are specified in the dependent claims, in the description and in the drawing.

Eine erfindungsgemäße elektrische Maschine kann insbesondere als permanenterregte Synchronmaschine (PSM) ausgebildet sein. Die erfindungsgemäße elektrische Maschine weist einen Stator und einen von diesem durch einen Luftspalt beabstandeten Rotor auf. In einem Aktivmaterial, also beispielsweise in einem Eisenmaterial, das den Hauptteil des Rotors bildet, ist dabei wenigstens eine Aufnahme oder Tasche ausgebildet, in der wenigstens ein Permanentmagnet und wenigstens eine Magnetisierungsspule zum Erzeugen und/oder Ändern einer Magnetisierung des Permanentmagneten angeordnet sind. Die Magnetisierungsspule ist dabei derart relativ zu dem Permanentmagneten angeordnet, dass ein bei einer elektrischen Bestromung der Magnetisierungsspule erzeugtes Magnetfeld bzw. eine entsprechende magnetische Flussdichte den Permanentmagneten durchflutet. Durch eine solche Bestromung der Magnetisierungsspule kann also ein Magnetfeld erzeugt werden, das zumindest teilweise dem Permanentmagneten aufgeprägt wird.An electrical machine according to the invention can in particular be designed as a permanent-magnet synchronous machine (PSM). The electrical machine according to the invention has a stator and a rotor which is spaced apart therefrom by an air gap. In an active material, for example in an iron material, which forms the main part of the rotor, at least one receptacle or pocket is formed in which at least one permanent magnet and at least one magnetization coil for generating and / or changing a magnetization of the permanent magnet are arranged. The magnetizing coil is arranged relative to the permanent magnet in such a way that a magnetic field generated when an electrical current is supplied to the magnetizing coil or a corresponding magnetic flux density flows through the permanent magnet. By energizing the magnetizing coil in this way, a magnetic field can be generated which is at least partially impressed on the permanent magnet.

Der Permanentmagnet ist dabei - beispielsweise durch eine entsprechende Materialwahl - dazu ausgebildet, auch nach einem Abschalten der Bestromung der Magnetisierungsspule, also auch nach Verschwinden des durch die Magnetisierungsspule erzeugten Magnet- oder Magnetisierungsfeldes, gegebenenfalls eine remanente Magnetisierung, also ein eigenes Permanentmagnetfeld beizubehalten. Die Stärke und/oder Orientierung dieses Permanentmagnetfeldes kann dabei insbesondere zumindest teilweise durch das von der Magnetisierungsspule erzeugte Magnetisierungsfeld bzw. dessen Stärke oder Applikationsdauer bestimmt sein. Durch Bestromung oder Aktivierung der Magnetisierungsspule kann das Permanentmagnetfeld des Permanentmagneten initial erzeugt aber ebenso nachträglich verändert werden. Beispielsweise kann durch entsprechende Bestromung der Magnetisierungsspule das Permanentmagnetfeld verstärkt, abgeschwächt, zumindest im Wesentlichen zum Verschwinden gebracht und/oder in seiner Orientierung oder Polarität verändert, insbesondere umgekehrt werden. Dazu kann die elektrische Maschine insbesondere eine Schaltung, eine Einrichtung oder ein Steuergerät zum entsprechenden zumindest zeitweisen Bestromen der Magnetisierungsspule aufweisen.The permanent magnet is designed - for example through a suitable choice of material - to maintain a remanent magnetization, i.e. its own permanent magnetic field, even after the current supply to the magnetizing coil has been switched off, i.e. also after the magnetic or magnetizing field generated by the magnetizing coil has disappeared. The strength and / or orientation of this permanent magnetic field can in particular be determined at least partially by the magnetization field generated by the magnetization coil or its strength or duration of application. By energizing or activating the magnetizing coil, the permanent magnetic field of the permanent magnet can be generated initially but can also be changed subsequently. For example, the permanent magnetic field can be strengthened, weakened, at least essentially made to disappear and / or its orientation or polarity can be changed, in particular reversed, by correspondingly energizing the magnetizing coil. For this purpose, the electrical machine can in particular have a circuit, a device or a control device for correspondingly at least temporarily energizing the magnetizing coil.

Erfindungsgemäß weist die elektrische Maschine weiter einen die Magnetisierungsspule umfassenden Sensor zum Bestimmen oder Detektieren einer Stellung des Rotors relativ zu dem Stator basierend auf einem mit mittels der Magnetisierungsspule erfassten Signal auf. Die Magnetisierungsspule bzw. der Sensor sind also zum Erkennen der Stellung des Rotors eingerichtet. Der Sensor kann dabei außer der Magnetisierungsspule beispielsweise eine Schaltung oder Signalverarbeitungseinrichtung umfassen, die dazu eingerichtet ist, anhand des erfassten Signals die relative Rotorstellung zu bestimmen. Das Erkennen der Stellung des Rotors kann im vorliegenden Sinne das Erkennen oder Detektieren einer aktuellen, also beispielsweise statischen, Stellung oder Position, einer Bewegung oder einer Beschleunigung des Rotors relativ zu dem Stator bedeuten oder umfassen.According to the invention, the electrical machine also has a sensor comprising the magnetization coil for determining or detecting a position of the rotor relative to the stator based on a signal detected by means of the magnetization coil. The magnetizing coil or the sensor are therefore set up to detect the position of the rotor. In addition to the magnetization coil, the sensor can include, for example, a circuit or signal processing device which is set up to determine the relative rotor position on the basis of the detected signal. The recognition of the position of the rotor can be done in In the present sense, the recognition or detection of a current, that is to say for example static, position or position, a movement or an acceleration of the rotor relative to the stator mean or include.

In der vorliegenden Erfindung weist die in den Rotor integrierte Magnetisierungsspule also eine Doppelfunktionalität einerseits zum Magnetisieren oder Ummagnetisieren des Permanentmagneten und andererseits zur Positions-, Geschwindigkeits- und Beschleunigungserkennung des Rotors, also als Magnetisierungs- und Ummagnetisierungsspule einerseits und als Sensorspule andererseits auf. Das zum Erkennen der Stellung des Rotors erfasste Signal kann beispielsweise eine in der Magnetisierungsspule drehzahlabhängig induzierte Spannung oder eine rotorwinkelabhängige Induktivität der Magnetisierungsspule sein oder charakterisieren, was weiter unten noch näher erläutert wird.In the present invention, the magnetizing coil integrated in the rotor has a double functionality on the one hand for magnetizing or remagnetizing the permanent magnet and on the other hand for detecting the position, speed and acceleration of the rotor, i.e. as a magnetization and remagnetization coil on the one hand and as a sensor coil on the other. The signal detected to detect the position of the rotor can be or characterize, for example, a voltage induced in the magnetizing coil as a function of the speed or an inductance of the magnetizing coil that is dependent on the rotor angle, which will be explained in more detail below.

Bei bisherigen elektrischen Maschinen bzw. deren Fertigung werden oftmals vormagnetisierte Dauermagnete eingesetzt. Diese sind jedoch während der Montage äußerst schwierig zu handhaben, da die insbesondere bei relativ kleinen Abständen zu dem Aktivmaterial des Rotors relativ großen magnetischen Kräfte eine präzise Positionierung der Dauermagnete erschweren. Zudem legt die Art oder Ausprägung der Vormagnetisierung der Dauermagnete letztlich auch einen Verlauf magnetischer Kreise innerhalb unbestromter Aktivteile des Rotors bzw. der elektrischen Maschine fest. Dabei wird die Vormagnetisierung der Dauermagnete, also deren vor ihrem Einbau in den Rotor erzeugte Magnetisierung, unabhängig von individuellen Eigenschaften, Toleranzausnutzungen und Fertigungsungenauigkeiten der Aktivteile sowie der letztendlichen relativen Anordnung oder Positionierung der Dauermagnete bezüglich der Aktivteile erzeugt. Dies kann zu einer suboptimalen Ausbildung der magnetischen Kreise innerhalb der elektrischen Maschine führen. Durch die herkömmlich starre, also nach Abschluss der Fertigung der elektrischen Maschine unveränderliche Magnetisierung der Dauermagnete sind zudem die Betriebseigenschaften der elektrischen Maschine dauerhaft festgelegt, sodass es also keine nennenswerte Flexibilität für eine Anpassung des Betriebs oder eines Verhaltens der elektrischen Maschine gibt. Weiter ist bei herkömmlichen elektrischen Maschinen oftmals eine separate Sensorik zur Bestimmung der Rotorposition vorgesehen. Eine solche separate Sensorik kann beispielsweise an einer Rotorwelle angeordnet sein und erfordert dort entsprechend zusätzlichen Bauraum und ist gegebenenfalls anfälliger für Verschleiß oder Beschädigungen als die vorliegend geschützt und sicher in der Ausnehmung des Rotors angeordnete als Stellungssensor fungierende Magnetisierungsspule.In previous electrical machines and their manufacture, premagnetized permanent magnets are often used. However, these are extremely difficult to handle during assembly, since the relatively large magnetic forces, particularly at relatively small distances from the active material of the rotor, make precise positioning of the permanent magnets difficult. In addition, the type or characteristic of the premagnetization of the permanent magnets ultimately also defines the course of magnetic circuits within the active parts of the rotor or the electrical machine that are not energized. The pre-magnetization of the permanent magnets, i.e. their magnetization generated before their installation in the rotor, is generated independently of individual properties, tolerance utilization and manufacturing inaccuracies of the active parts as well as the ultimate relative arrangement or positioning of the permanent magnets with respect to the active parts. This can lead to a suboptimal formation of the magnetic circuits within the electrical machine. Due to the conventionally rigid magnetization of the permanent magnets, i.e. unchangeable after the completion of the manufacture of the electrical machine, the operating properties of the electrical machine are also permanently fixed, so that there is no appreciable flexibility for adapting the operation or behavior of the electrical machine. In addition, a separate sensor system for determining the rotor position is often provided in conventional electrical machines. Such a separate sensor system can be arranged, for example, on a rotor shaft and accordingly requires additional installation space and is possibly more susceptible to wear or damage than the magnetizing coil which is presently protected and safely arranged in the recess of the rotor and functioning as a position sensor.

Die vorstehend genannten Probleme und Nachteile herkömmlicher elektrischer Maschinen werden durch die vorliegende Erfindung behoben bzw. gelöst. So können die Permanentmagnete bei der Fertigung des Rotors der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine zunächst als unmagnetische oder unmagnetisierte, also nicht magnetische Permanentmagnetrohlinge auf besonders einfache Weise, insbesondere zumindest im Wesentlichen unbeeinflusst durch Magnetkräfte, in oder an dem Rotor angeordnet und entsprechend präzise positioniert oder ausgerichtet werden. Die Magnetisierung, also die Erzeugung des Permanentmagnetfeldes der Permanentmagnete kann dann nach deren Einbau in den Rotor mittels der Magnetisierungsspule erfolgen, insbesondere ohne dass sich dabei die Permanentmagnete bewegen oder verschieben. Da sich bei diesem Vorgang die Permanentmagnete bereits in ihrer endgültigen relativen Lage oder Position bezüglich der Aktivteile des Rotors bzw. der elektrischen Maschine befinden, können individuelle Eigenschaften sowie Fertigungs- oder Positionierungstoleranzen beim Aufbau der magnetischen Kreise in der elektrischen Maschine automatisch berücksichtigt werden. Beispielsweise werden automatisch variierende magnetische Widerstände berücksichtigt, sodass sich letztendlich beispielsweise eine verbesserte Adaptivität der remanenten Magnetisierungsvektoren in dem Permanentmagneten ergeben kann.The above-mentioned problems and disadvantages of conventional electrical machines are eliminated or solved by the present invention. During the manufacture of the rotor of the electrical machine according to the invention, the permanent magnets can initially be arranged in or on the rotor as non-magnetic or non-magnetized, i.e. non-magnetic permanent magnet blanks, in or on the rotor and correspondingly precisely positioned or aligned. The magnetization, that is to say the generation of the permanent magnetic field of the permanent magnets, can then take place after their installation in the rotor by means of the magnetization coil, in particular without the permanent magnets moving or shifting. Since the permanent magnets are already in their final relative position with respect to the active parts of the rotor or the electrical machine during this process, individual properties as well as manufacturing or positioning tolerances can be automatically taken into account when building the magnetic circuits in the electrical machine. For example, automatically varying magnetic resistances are taken into account, so that ultimately, for example, improved adaptivity of the remanent magnetization vectors in the permanent magnet can result.

Durch die Magnetisierungsspule ergibt sich zudem auch nach der abschließenden Fertigung der elektrischen Maschine, also während eines Betriebs oder Einsatzes der elektrischen Maschine, eine verbesserte Flexibilität hinsichtlich des Betriebsverhaltens der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine, da durch entsprechend gesteuerte Bestromung der Magnetisierungsspule das Permanentmagnetfeld, also die Magnetisierung des wenigstens einen Permanentmagneten, modifiziert werden kann. Beispielsweise kann somit unter sonst gleichen Bedingungen eine magnetische Durchflutung des Luftspalts und somit ein von der elektrischen Maschine bereitgestelltes oder gewandeltes Drehmoment modifiziert werden.The magnetizing coil also results in improved flexibility with regard to the operating behavior of the electrical machine according to the invention even after the final production of the electrical machine, i.e. during operation or use of the electrical machine, since the permanent magnetic field, i.e. the magnetization of the at least one permanent magnet, can be modified. For example, under otherwise identical conditions, a magnetic flow through the air gap and thus a torque provided or converted by the electrical machine can be modified.

Zudem kann durch die Verwendung der Magnetisierungsspule als Teil des Stellungssensors gegebenenfalls ein Aufwand für eine außerhalb des Rotors angeordnete Sensorik zum Detektieren der Stellung oder Bewegung des Rotors reduziert werden. Dadurch wird gegebenenfalls ein kompakterer und/oder günstigerer Aufbau der elektrischen Maschine ermöglicht und/oder deren Zuverlässigkeit und Robustheit verbessert. So kann beispielsweise für Anwendungen mit relativ geringen Sicherheitsanforderungen auf eine separate Stellungssensorik verzichtet oder eine einfacher oder günstiger aufgebaute Stellungssensorik verwendet werden. Sofern die elektrische Maschine zusätzlich zu der Magnetisierungsspule eine separate Stellungssensorik aufweist, können entsprechende, die Stellung oder Bewegung des Rotors charakterisierende Signale aus beiden Quellen - also von der Magnetisierungsspule und der separaten Stellungssensorik - miteinander fusioniert werden. Dadurch kann gegebenenfalls - insbesondere bei Verwendung einer relativ ungenauen Stellungssensorik - eine verbesserte Genauigkeit oder Zuverlässigkeit bezüglich der bestimmten Stellung oder Bewegung des Rotors erreicht werden. Gegebenenfalls kann also eine Genauigkeit bei der Erkennung der Stellung oder Bewegung des Rotors durch Fusion des Signals der separaten Stellungssensorik mit dem mittels der Magnetisierungsspule erfassten Signal vergrößert werden.In addition, the use of the magnetizing coil as part of the position sensor can reduce the cost of a sensor system arranged outside the rotor for detecting the position or movement of the rotor. This enables a more compact and / or cheaper construction of the electrical machine and / or improves its reliability and robustness. For example, for applications with relatively low safety requirements, a separate position sensor system can be dispensed with or a more simply or more cheaply constructed position sensor system can be used. If the electric machine in addition to the Magnetizing coil has a separate position sensor system, corresponding signals characterizing the position or movement of the rotor from both sources - that is, from the magnetizing coil and the separate position sensor system - can be fused with one another. As a result, improved accuracy or reliability with regard to the determined position or movement of the rotor can possibly be achieved, especially when using a relatively imprecise position sensor system. If necessary, accuracy in the detection of the position or movement of the rotor can be increased by fusing the signal from the separate position sensor system with the signal detected by means of the magnetizing coil.

Die erfindungsgemäße elektrische Maschine kann beispielsweise als Antriebs- oder Traktionsmaschine eines Kraftfahrzeugs ausgebildet sein, also eingesetzt werden. Ein entsprechendes Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine kann dementsprechend seinerseits ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung sein.The electrical machine according to the invention can be designed, for example, as a drive or traction machine of a motor vehicle, that is to say used. A corresponding motor vehicle with an electrical machine according to the invention can accordingly be a further aspect of the present invention.

Die bisher und im Folgenden für eine Magnetisierungsspule bzw. einen Permanentmagneten beschriebenen Merkmale und Ausgestaltungen können jeweils individuell für mehrere oder alle Magnetisierungsspulen bzw. Permanentmagneten der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine gelten, wenn diese mehrere Magnetisierungsspulen und/oder mehrere Permanentmagneten aufweist.The features and configurations described so far and below for a magnetizing coil or a permanent magnet can apply individually to several or all magnetizing coils or permanent magnets of the electrical machine according to the invention if it has several magnetizing coils and / or several permanent magnets.

In vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Magnetisierungsspule derart um den Permanentmagneten gewickelt, dass in einer senkrecht zu einer zentralen Drehachse der elektrischen Maschine stehenden und durch den Permanentmagneten verlaufenden Querschnittsebene eine Wicklung oder Ader der Magnetisierungsspule zumindest im Wesentlichen parallel zu einer Längserstreckungsrichtung des Permanentmagneten in dieser Querschnittsebene verläuft. Dies gilt dabei zumindest in einer oder für eine Projektion der Magnetisierungsspule bzw. der Wicklung entlang der Errichtung der zentralen Drehachse in diese Querschnittsebene, also beispielsweise zumindest bis auf eine Biegung oder Wölbung der Magnetisierungsspule bzw. der Wicklung in der Richtung der Drehachse, also senkrecht zu der Querschnittsebene. Der Permanentmagnet kann dabei eine zumindest im Wesentlichen quaderförmige, insbesondere abgeflachte, Form oder Gestalt aufweisen. Eine Form oder ein Querschnitt des Permanentmagneten in der Querschnittsebene kann also zumindest im Wesentlichen rechteckig sein, wobei zwei parallele Stirnseiten dieses Rechtecks bzw. des Permanentmagneten kürzer als senkrecht dazu stehende zueinander parallele Ober- und Unterseiten des Rechtecks bzw. des Permanentmagneten sein können. Die Magnetisierungsspule kann dann insbesondere um diese Stirn- oder Schmalseiten des Permanentmagneten gewickelt sein. Dies kann insbesondere dann vorgesehen sein, wenn eine in der Querschnittsebene senkrecht zu der Ober- und Unterseite, also zumindest im Wesentlichen parallel zu den Stirn- oder Schmalseiten des Permanentmagneten verlaufende Mittelquerachse in einer nicht-tangentialen Richtung verläuft. Letzteres bedeutet, dass die Mittelquerachse des Permanentmagneten in der Querschnittsebene mit einer durch den Mittelpunkt des Permanentmagneten in der Querschnittsebene in radialer Richtung des Rotors verlaufenden Radiallinie einen von 90° und 270° verschiedenen Winkel bildet oder einschließt. Durch die hier vorgeschlagene Anordnung der Magnetisierungsspule kann besonders effektiv und effizient eine vorteilhafte Orientierung des Magnetisierungsfeldes und damit letztlich auch des Permanentmagnetfeldes erreicht werden.In an advantageous embodiment of the present invention, the magnetizing coil is wound around the permanent magnet in such a way that, in a cross-sectional plane perpendicular to a central axis of rotation of the electrical machine and running through the permanent magnet, a winding or wire of the magnetizing coil is at least substantially parallel to a longitudinal direction of the permanent magnet therein Cross-sectional plane runs. This applies at least in one or for a projection of the magnetizing coil or the winding along the establishment of the central axis of rotation in this cross-sectional plane, so for example at least up to a bend or curvature of the magnetizing coil or the winding in the direction of the axis of rotation, i.e. perpendicular to the cross-sectional plane. The permanent magnet can have an at least substantially cuboid, in particular flattened, shape or shape. A shape or a cross-section of the permanent magnet in the cross-sectional plane can therefore be at least substantially rectangular, with two parallel end faces of this rectangle or of the permanent magnet being shorter than mutually parallel upper and lower sides of the rectangle or of the permanent magnet that are perpendicular to them. The magnetizing coil can then in particular be wound around these end or narrow sides of the permanent magnet. This can be provided in particular if a central transverse axis running in the cross-sectional plane perpendicular to the top and bottom, that is at least substantially parallel to the end or narrow sides of the permanent magnet, runs in a non-tangential direction. The latter means that the central transverse axis of the permanent magnet in the cross-sectional plane forms or includes an angle different from 90 ° and 270 ° with a radial line running through the center point of the permanent magnet in the cross-sectional plane in the radial direction of the rotor. The arrangement of the magnetization coil proposed here enables an advantageous orientation of the magnetization field and thus ultimately also of the permanent magnetic field to be achieved particularly effectively and efficiently.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist die elektrische Maschine eine Ummagnetisierungsschaltung zum gesteuerten Bestromen der Magnetisierungsspule mit zwei unterschiedlichen, insbesondere entgegengesetzten, Polaritäten, also in zwei unterschiedlichen bzw. entgegengesetzten Richtungen oder Bestromungsrichtungen, zum Erzeugen von Magnetisierungen des Permanentmagneten mit entsprechend unterschiedlichen bzw. entgegengesetzten Orientierungen auf. Mit anderen Worten ist die Ummagnetisierungsschaltung bzw. die elektrische Maschine also dazu eingerichtet, Magnetisierungsfelder mit unterschiedlichen, insbesondere entgegengesetzten, Orientierungen zu erzeugen. Durch entsprechende Bestromung oder Ansteuerung der Magnetisierungsspule können also wahlweise unterschiedlich orientierte Magnetisierungen des Permanentmagneten erzeugt werden. Dadurch wird eine weiter verbesserte Flexibilität im Betrieb der elektrischen Maschine erreicht, da deren Betriebsverhalten oder Eigenschaften über einen besonders großen oder weiten Bereich eingestellt werden können. Die Ummagnetisierungsschaltung kann dazu beispielsweise einen oder mehrere Schalter sowie eine entsprechende Bestätigungsschaltung oder Ansteuerung umfassen, um die Errichtung oder Polarität der Bestromung der Magnetisierungsspule einzustellen bzw. zu wechseln. Die Magnetisierungsspule bzw. die Ummagnetisierungsschaltung kann an einen Versorgungsanschluss der elektrischen Maschine, über den diese mit Strom bzw. elektrischer Energie versorgt wird bzw. versorgbar ist, angeschlossen sein.In a further advantageous embodiment of the present invention, the electrical machine has a remagnetization circuit for the controlled energization of the magnetization coil with two different, in particular opposite, polarities, i.e. in two different or opposite directions or energization directions, for generating magnetizations of the permanent magnet with correspondingly different or opposite polarities Orientations on. In other words, the magnetization reversal circuit or the electrical machine is set up to generate magnetization fields with different, in particular opposite, orientations. By correspondingly energizing or controlling the magnetizing coil, differently oriented magnetizations of the permanent magnet can optionally be generated. This further improves flexibility in the operation of the electrical machine, since its operating behavior or properties can be set over a particularly large or wide range. For this purpose, the magnetization reversal circuit can include, for example, one or more switches and a corresponding confirmation circuit or control in order to set or change the establishment or polarity of the energization of the magnetization coil. The magnetizing coil or the remagnetization circuit can be connected to a supply connection of the electrical machine, via which the latter is supplied or can be supplied with current or electrical energy.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist der Rotor mehrere voneinander und in radialer Richtung von dem Luftspalt beabstandete Aufnahmen auf, in denen jeweils wenigstens ein Permanentmagnet und eine zum Ändern von dessen Magnetisierung eingerichtete Magnetisierungsspule angeordnet sind. Die Permanentmagnete sind hier also als sogenannte vergrabene oder eingebettete Magnete ausgebildet oder angeordnet. Durch die vergrabene oder eingebettete Anordnung der Permanentmagnete sind diese vorteilhaft besonders gut vor Beschädigungen geschützt. Zudem kann eine vorteilhafte Ausbildung der magnetischen Kreise innerhalb des Aktivmaterials der elektrischen Maschine bzw. des magnetischen Flusses in dem Luftspalt erreicht werden, beispielsweise durch entsprechende Formung des die Permanentmagnete umgebenden Aktivmaterials des Rotors. Dies ist der Fall, da das Aktivmaterial des Rotors eine deutlich höhere magnetische Permeabilität als die Luft innerhalb des Luftspaltes aufweisen und daher das Permanentmagnetfeld bzw. einen entsprechenden magnetischen Fluss entlang seiner Struktur bevorzugt führen kann. Dadurch, dass der Rotor mehrere Permanentmagnete aufweist und deren Magnetisierung durch ihre jeweilige individuelle Magnetisierungsspule, insbesondere unabhängig voneinander, verändert oder eingestellt werden kann, kann vorteilhaft eine besonders genaue oder detaillierte, also besonders flexible oder bedarfsgerecht angepasste Ausbildung der magnetischen Kreise in den Aktivteilen der elektrischen Maschine erreicht werden. Somit kann letztlich das Betriebsverhalten oder die Effektivität oder Effizienz der elektrischen Maschine weiter verbessert werden.In a further advantageous embodiment of the present invention, the rotor has a plurality of receptacles spaced apart from one another and in the radial direction from the air gap, in each of which at least one permanent magnet and one set up for changing its magnetization Magnetizing coil are arranged. The permanent magnets are here designed or arranged as so-called buried or embedded magnets. The buried or embedded arrangement of the permanent magnets advantageously protects them particularly well against damage. In addition, an advantageous design of the magnetic circuits within the active material of the electrical machine or the magnetic flux in the air gap can be achieved, for example by appropriate shaping of the active material of the rotor surrounding the permanent magnets. This is the case because the active material of the rotor has a significantly higher magnetic permeability than the air within the air gap and can therefore preferably guide the permanent magnetic field or a corresponding magnetic flux along its structure. Because the rotor has several permanent magnets and their magnetization can be changed or adjusted by their respective individual magnetization coil, in particular independently of one another, a particularly precise or detailed, i.e. particularly flexible or needs-based design of the magnetic circuits in the active parts of the electrical Machine can be achieved. Ultimately, the operating behavior or the effectiveness or efficiency of the electrical machine can thus be further improved.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst der Rotor mehrere Magnetisierungsspulen, die elektrisch in Reihe geschaltet sind. Diese mehrere Magnetisierungsspulen können insbesondere zum Ändern der Magnetisierung unterschiedlicher Permanentmagnete des Rotors eingerichtet bzw. angeordnet sein. Durch die Reihenschaltung der Magnetisierungsspulen können also durch einen einzigen Magnetisierungsstrompuls entsprechende Magnetisierungsfelder erzeugt werden. Diese können dabei durch die Reihenschaltung vorteilhaft mit besonders geringem Aufwand zumindest im Wesentlichen gleichzeitig erzeugt werden. Da aufgrund der Reihenschaltung zudem sichergestellt ist, dass durch die Magnetisierungsspulen zumindest im Wesentlichen der gleiche Strom fließt, kann zudem eine besonders gleichmäßige Magnetisierung oder Änderung der Magnetisierung der Permanentmagnete erreicht werden.In a further advantageous embodiment of the present invention, the rotor comprises a plurality of magnetizing coils which are electrically connected in series. These multiple magnetization coils can be set up or arranged in particular to change the magnetization of different permanent magnets of the rotor. By connecting the magnetizing coils in series, corresponding magnetizing fields can be generated by a single magnetizing current pulse. These can thereby advantageously be generated at least essentially simultaneously with particularly little effort by being connected in series. Since the series connection also ensures that at least essentially the same current flows through the magnetization coils, a particularly uniform magnetization or change in the magnetization of the permanent magnets can also be achieved.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine. Bei diesem Verfahren wird die Magnetisierung des Permanentmagneten durch einen in die Magnetisierungsspule geleiteten Strompuls, also einen Magnetisierungsstrompuls, eingestellt. Weiter wird bei dem Verfahren in einem anschließenden oder späteren Betrieb der elektrischen Maschine die Stellung des Rotors mittels der Magnetisierungsspule bzw. des diese umfassenden Sensors bestimmt bzw. überwacht. Dieses Bestimmen der Stellung des Rotors, also das Verwenden oder Betreiben der Magnetisierungsspule als entsprechender Stellungssensor, kann dabei insbesondere nach Ende des zum Einstellen der Magnetisierung des Permanentmagneten in die Magnetisierungsspule eingeleiteten Strompulses erfolgen bzw. gestartet werden. Dadurch kann vorteilhaft eine zeitliche Trennung der beiden Funktionen oder Funktionalitäten der Magnetisierungsspule erreicht werden. Der Magnetisierungsstrompuls führt dann vorteilhaft also nicht zu einer Verfälschung der bestimmten Stellung des Rotors. Um Letzteres zu vermeiden kann das Ändern der Magnetisierung des Permanentmagneten mittels der Magnetisierungsspule beispielsweise stets nur dann erfolgen, wenn der Rotor relativ zu dem Stator stillsteht, sich also in Ruhe befindet. Mit anderen Worten kann also die elektrische Maschine dazu eingerichtet sein, einen Magnetisierungsstrompuls zum Ändern der Magnetisierung des Permanentmagneten nur in einem Ruhezustand oder während einer Betriebspause, in der sich der Rotor relativ zu dem Stator in Ruhe befindet, zu aktivieren bzw. in die Magnetisierungsspule zu leiten. Für eine noch weiter verbesserte Flexibilität im Betrieb der elektrischen Maschine kann das Ändern oder Einstellen der Magnetisierung des Permanentmagneten prinzipiell aber ebenso während des Betriebs der elektrischen Maschine erfolgen oder durchgeführt werden.Another aspect of the present invention is a method for operating an electrical machine according to the invention. In this method, the magnetization of the permanent magnet is set by a current pulse, that is, a magnetization current pulse, conducted into the magnetization coil. Furthermore, in the method, in a subsequent or later operation of the electrical machine, the position of the rotor is determined or monitored by means of the magnetization coil or the sensor comprising it. This determination of the position of the rotor, i.e. the use or operation of the magnetization coil as a corresponding position sensor, can take place or be started in particular after the end of the current pulse introduced into the magnetization coil to set the magnetization of the permanent magnet. In this way, a temporal separation of the two functions or functionalities of the magnetizing coil can advantageously be achieved. The magnetizing current pulse then advantageously does not lead to a falsification of the specific position of the rotor. In order to avoid the latter, the magnetization of the permanent magnet can only be changed by means of the magnetization coil, for example, when the rotor is stationary relative to the stator, that is to say is at rest. In other words, the electrical machine can be set up to activate a magnetizing current pulse for changing the magnetization of the permanent magnet only in an idle state or during an operating break in which the rotor is at rest relative to the stator, or to activate it in the magnetizing coil conduct. For even further improved flexibility in the operation of the electrical machine, the changing or setting of the magnetization of the permanent magnet can in principle also take place or be carried out during the operation of the electrical machine.

In vorteilhafter Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird die Stellung des Rotors anhand einer, insbesondere im Betrieb der elektrischen Maschine, drehzahlabhängigen in der Magnetisierungsspule induzierten Spannung und/oder anhand einer winkelabhängigen, also durch einen Winkel des Rotors relativ zu dem Stator abhängigen, Induktivität der Magnetisierungsspule bestimmt. Es kann also im Betrieb der elektrischen Maschine ein zeitlicher Verlauf der in die Magnetisierungsspule induzierten Spannung und/oder der Induktivität der Magnetisierungsspule als das genannte Signal erfasst werden. Hier wird die Erkenntnis ausgenutzt, dass im Betrieb der elektrischen Maschine die induzierte Spannung und die Induktivität der Magnetisierungsspule eine zu der Drehung oder Rotation des Rotors korrespondierende Periodizität aufweisen. Die Stellung des Rotors kann also auf rein elektromagnetischer Basis bestimmt werden. Damit ist für nicht sicherheitskritische Anwendungen vorteilhaft gegebenenfalls beispielsweise kein mechanischer Abgreifer und keine optische Sensorik notwendig. Dadurch kann vorteilhaft die Komplexität der elektrischen Maschine reduziert und die Bestimmung oder Erkennung der Stellung des Rotors relativ zu dem Stator verbessert werden, insbesondere mit größerer Zuverlässigkeit erfolgen.In an advantageous further development of the present invention, the position of the rotor is determined on the basis of a speed-dependent voltage induced in the magnetizing coil, in particular during operation of the electrical machine, and / or on the basis of an angle-dependent inductance of the magnetizing coil, i.e. dependent on the angle of the rotor relative to the stator . Thus, during operation of the electrical machine, a time profile of the voltage induced in the magnetizing coil and / or the inductance of the magnetizing coil can be recorded as the said signal. Use is made here of the knowledge that, during operation of the electrical machine, the induced voltage and the inductance of the magnetizing coil have a periodicity that corresponds to the rotation or rotation of the rotor. The position of the rotor can therefore be determined on a purely electromagnetic basis. This means that for applications that are not safety-critical, for example, no mechanical pick-up and no optical sensors are advantageously necessary. As a result, the complexity of the electrical machine can advantageously be reduced and the determination or detection of the position of the rotor relative to the stator can be improved, in particular with greater reliability.

In vorteilhafter Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird während eines Betriebs, also während einer Betriebszeit der elektrischen Maschine diese vorübergehend in einen Verstärkungsbetrieb versetzt, also in einem Verstärkungsbetriebsmodus betrieben, in dem die Magnetisierungsspule zeitlich begrenzt zum Erhöhen eines von der elektrischen Maschine bereitgestellten oder gewandelten Drehmoments bestimmt wird. Ein solcher Verstärkungsbetrieb kann auch als Boostbetrieb bezeichnet werden. Für diesen Verstärkungsbetrieb, also die Erhöhung oder Verstärkung des Drehmoments, erfolgt die Bestromung der Magnetisierungsspule bei gegebener Magnetisierung oder Magnetisierungsrichtung, also gegebener Orientierung der Magnetisierung des Permanentmagneten in einer entsprechenden, also zu dieser Magnetisierungsrichtung oder Orientierung führenden Bestromungsrichtung oder Polarität. Mit anderen Worten wird die Magnetisierungsspule also derart bestromt, dass innerhalb des Permanentmagneten das durch die Magnetisierungsspule erzeugte Magnetisierungsfeld und das unabhängig davon bestehende Permanentmagnetfeld des Permanentmagneten zumindest im Wesentlichen die gleiche Richtung oder Orientierung aufweisen. Dadurch kommt es zu einer positiven oder konstruktiven Überlagerung, also einer Verstärkung der Magnetfelder und somit des resultierenden magnetischen Flusses auch in dem Luftspalt.In an advantageous development of the present invention, during operation, that is to say during an operating time, the electrical Machine this temporarily placed in a boost mode, that is operated in a boost mode in which the magnetizing coil is determined to increase a torque provided or converted by the electrical machine for a limited period of time. Such a boost operation can also be referred to as a boost operation. For this amplification operation, i.e. the increase or amplification of the torque, the magnetization coil is energized with a given magnetization or magnetization direction, that is, with a given orientation of the magnetization of the permanent magnet in a corresponding energization direction or polarity leading to this magnetization direction or orientation. In other words, the magnetizing coil is energized in such a way that the magnetizing field generated by the magnetizing coil and the permanent magnetic field of the permanent magnet existing independently thereof have at least essentially the same direction or orientation within the permanent magnet. This leads to a positive or constructive superimposition, that is to say a strengthening of the magnetic fields and thus of the resulting magnetic flux also in the air gap.

Ein derartiger Verstärkungsbetrieb kann eine Drehmomentspitze oder Drehmomenterhöhung bereitstellen, beispielsweise bei einer Last- oder Belastungsspitze der elektrischen Maschine. Wird die elektrische Maschine beispielsweise als Antriebs- oder Traktionsmaschine eines Kraftfahrzeugs eingesetzt, kann der Verstärkungsbetrieb beispielsweise für eine Beschleunigung des Kraftfahrzeugs oder zum Bewältigen einer Steigung durch das Kraftfahrzeug aktiviert werden. Nach der jeweiligen Lastspitze, wenn also die Last der elektrischen Maschine wieder auf einen geringeren Wert abgesunken ist, kann der Verstärkungsbetrieb gestoppt, also die entsprechende Bestromung der Magnetisierungsspule unterbrochen werden. Dadurch kann eine Überlastung oder Überhitzung der Magnetisierungsspule oder der elektrischen Maschine verhindert werden. Auf diese Weise kann also durch die Magnetisierungsspule bzw. deren Bestromen eine zeitweise Drehmomentunterstützung oder Drehmomenterhöhung bereitgestellt werden, ohne dass dafür ein zusätzlicher Kühlaufwand oder ein separates Kühlsystem oder dergleichen vorgesehen werden müsste. Somit kann also ein verbesserter Betrieb der elektrischen Maschine zumindest im Wesentlichen ohne Erhöhung von deren Komplexität oder Fertigungsaufwand ermöglicht werden.Such a boosting operation can provide a torque peak or a torque increase, for example in the event of a load peak or load peak on the electrical machine. If the electrical machine is used, for example, as a drive or traction machine of a motor vehicle, the boost mode can be activated by the motor vehicle, for example, to accelerate the motor vehicle or to cope with an incline. After the respective load peak, that is to say when the load on the electrical machine has dropped again to a lower value, the boosting operation can be stopped, that is to say the corresponding energization of the magnetizing coil can be interrupted. This can prevent overloading or overheating of the magnetizing coil or the electrical machine. In this way, a temporary torque support or torque increase can be provided by the magnetizing coil or its energization, without additional cooling effort or a separate cooling system or the like having to be provided. Thus, an improved operation of the electrical machine can be made possible at least essentially without increasing its complexity or manufacturing expenditure.

In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird während eines Betriebs der elektrischen Maschine diese vorübergehend in einen Feldschwächebetrieb versetzt, in dem durch zeitlich begrenzte Bestromung der Magnetisierungsspule in einer von einer aktuellen Orientierung der Magnetisierung des Permanentmagneten abhängigen Richtung ein von dem Permanentmagneten erzeugtes Magnetfeld geschwächt wird. Für den Feldschwächebetrieb kann die Magnetisierungsspule also derart bestromt werden, dass in dem Permanentmagneten das durch die Magnetisierungsspule erzeugte Magnetisierungsfeld dem Permanentmagnetfeld des Permanentmagneten zumindest im Wesentlichen entgegengesetzt ist oder verläuft. Dadurch kann letztlich auch das Magnetfeld bzw. die magnetische Durchflutung in dem Luftspalt reduziert oder geschwächt werden. Dies kann beispielsweise zur Steuerung oder Regelung einer Drehzahl der elektrischen Maschine angewendet werden.In a further advantageous embodiment of the present invention, during operation of the electrical machine, it is temporarily put into a field weakening mode in which a magnetic field generated by the permanent magnet is weakened by temporarily supplying current to the magnetizing coil in a direction dependent on a current orientation of the magnetization of the permanent magnet. For the field weakening operation, the magnetizing coil can therefore be energized in such a way that the magnetizing field generated by the magnetizing coil in the permanent magnet is at least substantially opposite to the permanent magnetic field of the permanent magnet or runs. As a result, the magnetic field or the magnetic flow in the air gap can ultimately also be reduced or weakened. This can be used, for example, to control or regulate a speed of the electrical machine.

Für den genannten Verstärkungsbetrieb und/oder für den genannten Feldschwächebetrieb kann vorteilhaft für eine Bestromung der Magnetisierungsspule während des jeweiligen, insbesondere aktiven, also drehmomenterzeugenden oder Drehmoment wandelnden, Betriebs der elektrischen Maschine wenigstens ein Schwellenwert vorgegeben sein. Durch einen solchen Schwellenwert kann beispielsweise eine Dauer einer jeweiligen ununterbrochenen Bestromung der Magnetisierungsspule vorgegeben oder begrenzt sein. Ebenso kann durch den Schwellenwert beispielsweise eine Leistung, eine Leistung oder Energiemenge innerhalb einer bestimmten Zeitspanne, eine Verlustleistung oder Verlustwärmemenge, also ein Wärmeeintrag oder eine Temperaturerhöhung, für die Magnetisierungsspule und/oder für den Rotor bzw. dessen Aktivmaterial vorgegeben oder begrenzt sein. Auf diese Weise kann besonders einfach eine Überlastung oder Überhitzung der Magnetisierungsspule oder der elektrischen Maschine vermieden werden. Durch den Schwellenwert kann also verhindert werden, dass die Magnetisierungsspule während des Betriebs bzw. während des aktiven Betriebs der elektrischen Maschine dauerhaft bestromt wird zumindest mit einer Leistung oder einem kumulativen Wärmeeintrag, der zu einer Überlastung oder Beschädigung der Magnetisierungsspule oder der elektrischen Maschine führen könnte.For the mentioned boosting operation and / or for the mentioned field weakening operation, at least one threshold value can advantageously be specified for energizing the magnetizing coil during the respective, in particular active, i.e. torque-generating or torque-converting operation of the electrical machine. Such a threshold value can, for example, predetermine or limit the duration of a respective uninterrupted energization of the magnetizing coil. Likewise, a power, a power or an amount of energy within a certain period of time, a power loss or heat loss, i.e. a heat input or a temperature increase, for the magnetizing coil and / or for the rotor or its active material can be specified or limited by the threshold value. In this way, overloading or overheating of the magnetizing coil or the electrical machine can be avoided in a particularly simple manner. The threshold value can therefore prevent the magnetizing coil from being continuously energized during operation or during active operation of the electrical machine, at least with power or a cumulative heat input that could lead to overloading or damage to the magnetizing coil or the electrical machine.

Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors für die oder eine erfindungsgemäße elektrische Maschine. Bei diesem Verfahren wird ein Aktivmaterial des Rotors mit wenigstens einer Ausnehmung geformt. Darin werden dann wenigstens ein Permanentmagnetrohling in einem unmagnetisierten, also nicht-magnetischen oder unmagnetischen Zustand und wenigstens eine Magnetisierungsspule eingebracht. Der Permanentmagnetrohling und die Magnetisierungsspule können dann in der Ausnehmung fixiert werden. Dies kann beispielsweise durch Verkleben, Verbinden oder Eingießen oder dergleichen erfolgen. Nach dem Einbringen des Permanentmagnetrohlings und der Magnetisierungsspule wird der Permanentmagnetrohling durch Bestromung der Magnetisierungsspule aufmagnetisiert, sodass er auch nach Ende der Bestromung der Magnetisierungsspule eine permanente remanente Magnetisierung aufweist.Another aspect of the present invention is a method for producing a rotor for the or an electrical machine according to the invention. In this method, an active material of the rotor is formed with at least one recess. At least one permanent magnet blank in a non-magnetized, that is to say non-magnetic or non-magnetic state, and at least one magnetizing coil are then introduced therein. The permanent magnet blank and the magnetizing coil can then be fixed in the recess. This can be done, for example, by gluing, connecting or pouring or the like. After the permanent magnet blank and the magnetizing coil have been introduced, the permanent magnet blank is energized by the Magnetizing coil magnetized so that it has a permanent remanent magnetization even after the current has been supplied to the magnetizing coil.

Permanent bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Magnetisierung des Permanentmagneten ohne äußeres Feld, insbesondere ohne Bestromung der Magnetisierungsspule, bestehen bleibt. Dies schließt jedoch nicht aus, dass die Magnetisierung des Permanentmagneten zu einem späteren Zeitpunkt verändert oder vollständig aufgehoben werden kann, beispielsweise durch eine erneute Bestromung der Magnetisierungsspule und/oder durch eine Erwärmung des Permanentmagneten, also des magnetisierten Permanentmagnetrohlings.In this context, permanent means that the magnetization of the permanent magnet remains in place without an external field, in particular without current being supplied to the magnetization coil. However, this does not rule out that the magnetization of the permanent magnet can be changed or completely canceled at a later point in time, for example by renewed energization of the magnetizing coil and / or by heating the permanent magnet, i.e. the magnetized permanent magnet blank.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Magnetisierung des Permanentmagnetrohlings zum Erzeugen des Permanentmagneten des Rotors insbesondere ohne externe, also von dem Rotor bzw. der elektrischen Maschine verschiedene Aufmagnetisierungsvorrichtung. Dadurch kann vorteilhaft ein Fertigungsaufwand für den Rotor reduziert werden. Dadurch, dass die initiale Erzeugung der Magnetisierung des Permanentmagnetrohling erst erfolgt, während sich der Permanentmagnetrohling bereits in seiner endgültigen Einbau- oder Betriebsposition in oder an dem Rotors befindet, kann sich die Magnetisierung besonders gut oder besonders genau an die jeweiligen individuellen Eigenschaften, beispielsweise die magnetischen Widerstände, des jeweiligen Rotors bzw. der jeweiligen elektrischen Maschine anpassen.In the method according to the invention, the magnetization of the permanent magnet blank for generating the permanent magnet of the rotor takes place in particular without an external magnetization device, that is to say different from the rotor or the electrical machine. This can advantageously reduce the manufacturing outlay for the rotor. Because the initial generation of the magnetization of the permanent magnet blank only takes place while the permanent magnet blank is already in its final installation or operating position in or on the rotor, the magnetization can be particularly well or particularly precisely adapted to the respective individual properties, for example the magnetic ones Adapt the resistances of the respective rotor or the respective electrical machine.

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.Further features of the invention can emerge from the claims, the figures and the description of the figures. The features and feature combinations mentioned above in the description as well as the features and feature combinations shown below in the description of the figures and / or in the figures alone can be used not only in the respectively specified combination, but also in other combinations or alone, without the scope of the invention to leave.

Die Zeichnung zeigt in der einzigen Figur eine ausschnittweise schematische Querschnittansicht einer elektrischen Maschine.In the single figure, the drawing shows a partial schematic cross-sectional view of an electrical machine.

Eine vereinfachte Fertigung und ein flexibler Betrieb von elektrischen Einrichtungen, beispielsweise elektromechanischen Energiewandlern, ist auch heutzutage noch ein erstrebenswertes Ziel. Die einzige Figur zeigt dazu eine ausschnittweise schematische Querschnittansicht einer entsprechenden elektrischen Maschine 10 mit einem Stator 12 und einem Rotor 14, die durch einen Luftspalt 16 voneinander beabstandet sind. Beispielhaft ist der Rotor 14 hier als Innenläufer ausgebildet, er könnte in einer anderen Realisierung aber ebenso als Außenläufer ausgebildet sein. Jedenfalls kann der Rotor 14 um eine hier schematische angedeutete zentrale Drehachse 18 rotieren bzw. darum rotierbar gelagert sein.Simplified production and flexible operation of electrical devices, for example electromechanical energy converters, is still a desirable goal today. The single figure shows a partial schematic cross-sectional view of a corresponding electrical machine 10 with a stator 12th and a rotor 14th going through an air gap 16 are spaced from each other. The rotor is an example 14th designed here as an internal rotor, but in another implementation it could also be designed as an external rotor. In any case, the rotor can 14th around a central axis of rotation indicated here schematically 18th rotate or therefore be rotatably mounted.

Die elektrische Maschine 10 ist hier als permanenterregte Synchronmaschine ausgebildet. Dazu weist der Stator 12 Statorwicklungen 20 auf, von denen hier der Übersichtlichkeit halber nur einige gekennzeichnet sind.The electric machine 10 is designed here as a permanent magnet synchronous machine. This is what the stator 12th Stator windings 20th , of which only a few are marked here for the sake of clarity.

Der Rotor 14 weist vorliegend beispielhaft zwei in seinem Aktivmaterial ausgebildete Taschen oder Ausnehmungen auf. Diese Ausnehmungen sind hier beispielhaft in einer V-Formation angeordnet. Ebenso sind jedoch weitere und/oder andere Formen, Anordnungen und/oder Anzahlen von solchen Taschen oder Ausnehmungen in oder an dem Rotor 14 möglich.The rotor 14th In the present case, for example, has two pockets or recesses formed in its active material. These recesses are arranged here in a V formation, for example. However, there are also further and / or different shapes, arrangements and / or numbers of such pockets or recesses in or on the rotor 14th possible.

Vorliegend sind in jeder der Taschen oder Ausnehmungen ein Permanentmagnet 22 und eine Magnetisierungsspule 24 angeordnet. Die Permanentmagnete 22 können bei der Fertigung des Rotors 14 als Permanentmagnetrohlinge in einem unmagnetisierten Zustand in die Ausnehmungen oder Taschen eingebracht werden. Anschließend kann ein Strompuls auf die Magnetisierungsspulen 24 gegeben werden, wodurch ein Magnetisierungsfeld aufgebaut wird, durch welches wiederum die Permanentmagnetrohlinge magnetisiert werden, um die Permanentmagnete 22 mit eigener remanenter Magnetisierung zu bilden.In the present case there is a permanent magnet in each of the pockets or recesses 22nd and a magnetizing coil 24 arranged. The permanent magnets 22nd can be used in the manufacture of the rotor 14th be introduced as permanent magnet blanks in a non-magnetized state in the recesses or pockets. A current pulse can then be applied to the magnetizing coils 24 are given, whereby a magnetization field is built up, through which in turn the permanent magnet blanks are magnetized to the permanent magnets 22nd with its own remanent magnetization.

Vorliegend sind die Magnetisierungsspulen 24 um jeweilige Stirn- oder Schmalseiten der zumindest im Wesentlichen quaderförmigen Permanentmagnete 22 gewickelt. Ein Verlauf von Wicklungen oder Adern der Magnetisierungsspule 24 senkrecht zu der dargestellten Zeichen- bzw. Querschnittsebene schematisch durch entsprechende Symbole angedeutet. Ebenso könnten grundsätzlich für jeden der Permanentmagnete 22 jeweils mehrere Magnetisierungsspulen 22 vorgesehen sein.Here are the magnetizing coils 24 around respective end or narrow sides of the at least substantially cuboid permanent magnets 22nd wrapped. A course of windings or wires of the magnetizing coil 24 indicated schematically by corresponding symbols perpendicular to the drawing or cross-sectional plane shown. Likewise, could in principle for each of the permanent magnets 22nd several magnetizing coils each 22nd be provided.

Um die Fertigung des Rotors 14 zu erleichtern und dessen letztendliche magnetische Eigenschaften oder Betriebseigenschaften festzulegen, sind die Taschen oder Ausnehmungen hier größer ausgebildet, als zum Aufnehmen der Permanentmagnete 22 und der Magnetisierungsspulen 24 notwendig wäre. Verbleibende Bereiche der Taschen oder Ausnehmungen bilden also hier Kavitäten 26 des fertigen Rotors 14, die beispielsweise luftgefüllt sein oder bleiben können.About the manufacture of the rotor 14th To facilitate and determine its ultimate magnetic properties or operating properties, the pockets or recesses are made larger here than to accommodate the permanent magnets 22nd and the magnetizing coils 24 would be necessary. Remaining areas of the pockets or recesses thus form cavities here 26th of the finished rotor 14th which, for example, can be or remain filled with air.

Mit den in die Magnettaschen, also in die ursprünglichen in dem Aktivmaterial des Rotors 14 geformten Ausnehmungen oder Kavitäten 26, neben oder um die Permanentmagnete 22 integrierten Magnetisierungsspulen 24 können zwei positive Effekte in elektromechanischen Wanderern, wie beispielsweise der hier dargestellten elektrischen Maschine 10, erzielt werden. Zum einen können die Permanentmagnete 22 bzw. die entsprechenden Permanentmagnetrohlinge ohne Magnetisierung montiert und dann im eingebauten Zustand durch einen kurzzeitigen elektrischen Strompuls durch die Magnetisierungsspulen 24 aufmagnetisiert werden. Somit passt sich ein Verlauf der remanenten Magnetisierung der Permanentmagnete 22 nach dem Strompuls besonders gut jeweiligen magnetischen Widerständen in Aktivteilen oder Aktivmaterialien der elektrischen Maschine 10 an. Außerdem kann die Magnetisierung der Permanentmagnete 22 mittels der Magnetisierungsspulen 24 vor, während und/oder nach einem jeweiligen Betrieb der elektrischen Maschine 10 verändert werden. Zum zweiten kann mittels der integrierten Magnetisierungsspulen 24 ein Signal erfasst werden, also beispielsweise eine darin induzierte Spannung oder deren Induktivität gemessen werden. Dies kann zur Positions-, Drehzahl- oder Beschleunigungsbestimmung des Rotors 14 relativ zu dem Stator 12 genutzt werden. Zeitliche Verläufe sowohl der induzierten Spannung als auch der Induktivität der Magnetisierungsspulen 24 wiederholen sich bei einer Drehung des Rotors 14 innerhalb des Stators 12 periodisch und lassen daher einen Rückschluss auf die aktuelle Rotorposition oder Rotorstellung, also einen jeweils aktuellen Rotorwinkel zu. With the in the magnetic pockets, i.e. in the original in the active material of the rotor 14th shaped recesses or cavities 26th , Next or around the permanent magnets 22nd integrated magnetizing coils 24 can have two positive effects in electromechanical hikers, such as the electrical machine shown here 10 , be achieved. On the one hand, the permanent magnets 22nd or the corresponding permanent magnet blanks mounted without magnetization and then in the installed state by a brief electrical current pulse through the magnetization coils 24 be magnetized. Thus, a course of the remanent magnetization of the permanent magnets adapts 22nd After the current pulse, the respective magnetic resistances in active parts or active materials of the electrical machine are particularly good 10 on. In addition, the magnetization of the permanent magnets 22nd by means of the magnetizing coils 24 before, during and / or after a respective operation of the electrical machine 10 to be changed. Second, using the integrated magnetizing coils 24 a signal can be detected, for example a voltage induced therein or its inductance can be measured. This can be used to determine the position, speed or acceleration of the rotor 14th relative to the stator 12th be used. Temporal progressions of both the induced voltage and the inductance of the magnetizing coils 24 repeat when the rotor rotates 14th inside the stator 12th periodically and therefore allow a conclusion to be drawn about the current rotor position or rotor position, that is to say a current rotor angle in each case.

Insgesamt zeigen die beschriebenen Beispiele wie eine Magnetisierungs- und Sensorspule für elektromagnetische Energiewandler mit eingebetteten Dauermagneten vorteilhaft realisiert und angewendet werden kann.Overall, the examples described show how a magnetization and sensor coil for electromagnetic energy converters with embedded permanent magnets can be advantageously implemented and used.

BezugszeichenlisteList of reference symbols

1010: elektrische Maschineelectric machine
1212th: Statorstator
1414th: Rotorrotor
1616: LuftspaltAir gap
1818th: DrehachseAxis of rotation
2020th: StatorwicklungStator winding
2222nd: PermanentmagnetePermanent magnets
2424: MagnetisierungsspulenMagnetizing coils
2626th: KavitätenCavities

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

DE 102014010644 A1 [0003]

Claims

Electrical machine (10), having a stator (12), a rotor (14) spaced apart therefrom by an air gap (16) with at least one receptacle (26) formed in an active material of the rotor (14) in which at least one permanent magnet ( 22) and at least one magnetization coil for changing a magnetization of the permanent magnet (22) are arranged, and a sensor comprising the magnetization coil (24) for determining a position of the rotor (14) relative to the stator (12) based on a means of the magnetization coil ( 24) detected signal.

Electric machine (10) according to Claim 1 , characterized in that the magnetizing coil (24) is wound around the permanent magnet (22) in such a way that the magnetizing coil (24) is wound in a cross-sectional plane perpendicular to a central axis of rotation of the electrical machine (10) and running through the permanent magnet (22) ) runs at least substantially parallel to a direction of longitudinal extent of the permanent magnet (22) in this cross-sectional plane.

Electrical machine (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the electrical machine (10) has a magnetization reversal circuit for energizing the magnetization coil (24) with two different polarities to generate magnetizations of the permanent magnet (22) with correspondingly different orientations.

Electrical machine (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the rotor (14) has a plurality of receptacles (26) spaced from one another and in the radial direction from the air gap (16), in each of which at least one permanent magnet (22) and one for changing its magnetization arranged magnetizing coils (24) are arranged.

Electrical machine (10) according to one of the preceding claims, characterized in that the rotor (14) comprises several magnetization coils (24), in particular for changing the magnetization of different permanent magnets (22) of the rotor (14), which are electrically connected in series .

Method for operating an electrical machine (10) according to one of the preceding claims, in which the magnetization of the permanent magnet (22) is set by an electrical current pulse conducted into the magnetization coil (24) and the position of the in a later operation of the electrical machine (10) Rotor (14) is determined by means of the magnetizing coil (24).

Procedure according to Claim 6 , characterized in that the position of the rotor (14) is determined on the basis of a voltage induced in the magnetization coil (24) and / or on the basis of an inductance of the magnetization coil (24).

Procedure according to Claim 6 or 7th , characterized in that while the electrical machine (10) is in operation, it is temporarily put into boost mode in which the magnetizing coil (24) is temporarily energized to increase a torque provided by the electrical machine (10).

Method according to one of the Claims 6 until 8th , characterized in that during operation of the electrical machine (10) it is temporarily put into a field weakening mode, in which by temporarily energizing the magnetizing coil (24) in a direction dependent on a current orientation of the magnetization of the permanent magnet (22) a direction of the permanent magnet (22) generated magnetic field is weakened.

Method for producing a rotor (14) for an electrical machine (10) according to one of the Claims 1 until 5 , in which an active material of the rotor (14) is formed with at least one recess, in which at least one permanent magnet blank (22) in a non-magnetic state and at least one magnetizing coil (24) are introduced, and then the permanent magnet blank (22) by energizing the magnetizing coil ( 24) is magnetized so that it has a permanent remanent magnetization even after the current has been supplied to the magnetizing coil (24).