DE102020212636A1

DE102020212636A1 - Rotor for an electric machine, electric machine and automobile

Info

Publication number: DE102020212636A1
Application number: DE102020212636.4A
Authority: DE
Inventors: Dominik Grauvogl
Original assignee: Vitesco Technologies GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2020-02-19
Filing date: 2020-10-07
Publication date: 2021-08-19
Also published as: WO2021164926A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rotor (10) für eine elektrische Maschine (14) mit wenigstens einer Blechlamelle (16), die ein ringförmig ausgebildetes Joch (18) aufweist, das Joch (18) auf einer in radialer Richtung nach außen gerichteten Außenseite (22) wenigstens einen Schenkelpol (24) umfasst, der einen Polhals (26) und einen Polschuh (28) aufweist, wobei der Polhals (26) zwischen der Außenseite (22) des Jochs (18) und dem Polschuh (28) angeordnet ist, mittig durch den Schenkelpol (24), in radialer Richtung des Jochs (18), eine Schenkelpolachse (46) verläuft, die den Schenkelpol (24) in eine erste Seite und in eine von der ersten Seite (42) verschiedene zweite Seite (44) unterteilt, der Rotor (10) drehbar um eine Rotorachse in eine Drehrichtung (54) gelagert ist, wobei die zweite Seite (44) des Schenkelpols (24) in Drehrichtung (54) des Rotors (10) angeordnet ist, und der Schenkelpol (24) ausschließlich auf der zweiten Seite (44) eine in axialer Richtung der Blechlamelle (16) durchgehende, randgeschlossene Öffnung (52) als Flusssperre aufweist.The invention relates to a rotor (10) for an electrical machine (14) with at least one sheet metal lamella (16) which has a ring-shaped yoke (18), the yoke (18) on an outer side (22) directed outward in the radial direction. comprises at least one salient pole (24) having a pole neck (26) and a pole piece (28), the pole neck (26) being arranged between the outside (22) of the yoke (18) and the pole piece (28) through the middle the salient pole (24), a salient pole axis (46) runs in the radial direction of the yoke (18), which divides the salient pole (24) into a first side and into a second side (44) different from the first side (42), the rotor (10) is mounted rotatably about a rotor axis in a direction of rotation (54), the second side (44) of the salient pole (24) being arranged in the direction of rotation (54) of the rotor (10), and the salient pole (24) exclusively on the second side (44) one pass through in the axial direction of the sheet metal lamella (16) nde, edge-closed opening (52) has as a flow barrier.

Description

Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine, insbesondere für eine fremderregte Synchronmaschine, wobei der Rotor Schenkelpole umfasst, eine erhöhte Leistungsdichte aufweisen kann und preiswert herstellbar ist. Zudem betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine mit dem erfindungsgemäßen Rotor, sowie ein Kraftfahrzeug mit der elektrischen Maschine.The invention relates to a rotor for an electrical machine, in particular for a separately excited synchronous machine, the rotor comprising salient poles, being able to have an increased power density and being inexpensive to manufacture. The invention also relates to an electrical machine with the rotor according to the invention and a motor vehicle with the electrical machine.

Rotoren für fremderregte Synchronmaschinen sind grundsätzlich bekannt. Derartige bekannte Rotoren können Schenkelpole aufweisen. Dies bedeutet, dass auf einer in radialer Richtung nach außen gerichteten Außenseite eines kreisförmigen Jochs einer Blechlamelle des Rotors in Umfangsrichtung des Jochs zueinander beabstandet angeordnete Schenkelpole angeordnet und/oder ausgebildet sind. Derartige bekannte Rotoren sind für gewöhnlich in einem zylinderförmig ausgebildeten Stator um eine Rotorachse des Rotors drehbar gelagert angeordnet. Eine in dem Stator angeordnete Wicklung ist fremderregt. Durch eine invertergesteuerte, feldorientierte Ansteuerung der Wicklung kann der Rotor in eine Drehbewegung um dessen Rotorachse überführt werden, wodurch hohe Rotordrehzahlen, vorzugsweise über 15.000 U/min, erzeugt werden können. Damit verbunden können jedoch Drehmomenteinbußen im Feldschwächenbereich, eben jenem Bereich, in dem eine Längsinduktivität größer einer Querinduktivität der elektrischen Maschine ist, sein. Dieser Drehmomentenverlust kann vorzugsweise durch eine Verlängerung des Rotors kompensiert werden, wodurch jedoch die Abmessungen des Rotors größer und zudem die Kosten der elektrischen Maschine erhöht werden. Ebenso ist denkbar, dass der Inverter mehr Strom zur Verfügung stellt, was ebenso die Kosten der elektrischen Maschine, nicht zu Letzt im Betrieb, erhöht.Rotors for separately excited synchronous machines are known in principle. Such known rotors can have salient poles. This means that salient poles arranged at a distance from one another in the circumferential direction of the yoke are arranged and / or formed on an outer side of a circular yoke of a sheet-metal lamella of the rotor that is directed outward in the radial direction. Known rotors of this type are usually arranged in a cylindrical stator so as to be rotatable about a rotor axis of the rotor. A winding arranged in the stator is externally excited. By means of an inverter-controlled, field-oriented control of the winding, the rotor can be converted into a rotary movement around its rotor axis, whereby high rotor speeds, preferably over 15,000 rpm, can be generated. Associated with this, however, are torque losses in the field weakening area, precisely that area in which a longitudinal inductance is greater than a transverse inductance of the electrical machine. This loss of torque can preferably be compensated for by lengthening the rotor, which, however, increases the dimensions of the rotor and also increases the costs of the electrical machine. It is also conceivable that the inverter makes more current available, which also increases the costs of the electrical machine, not least during operation.

Eine Aufgabe der Erfindung liegt darin, einen Rotor für eine elektrische Maschine bereitzustellen, mit dem die Leistungsdichte der elektrischen Maschine erhöht, sowie der Bauraum und die Kosten der elektrischen Maschine reduziert werden können.One object of the invention is to provide a rotor for an electrical machine with which the power density of the electrical machine can be increased and the installation space and costs of the electrical machine can be reduced.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der nachstehenden Beschreibung und den Figuren, wobei jedes Merkmal sowohl einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen kann.This object is achieved by the subject matter of claim 1. Preferred developments of the invention emerge from the subclaims, the following description and the figures, each feature being able to represent an aspect of the invention both individually and in combination.

Erfindungsgemäß ist ein Rotor für eine elektrische Maschine, insbesondere eine fremderregte Synchronmaschine, vorgesehen, mit wenigstens einer Blechlamelle, die ein ringförmig ausgebildetes Joch aufweist, das Joch auf einer in radialer Richtung nach außen gerichteten Außenseite wenigstens einen Schenkelpol umfasst, der einen Polhals und einen Polschuh aufweist, wobei der Polhals zwischen der Außenseite des Jochs und dem Polschuh angeordnet ist, mittig durch den Schenkelpol, in radialer Richtung des Jochs, eine Schenkelpolachse verläuft, die den Schenkelpol in eine erste Seite und in eine von der ersten Seite verschiedene zweite Seite unterteilt, der Rotor drehbar um eine Rotorachse in eine Drehrichtung gelagert ist, wobei die zweite Seite des Schenkelpols in die Drehrichtung des Rotors ausgerichtet ist, und der Schenkelpol ausschließlich auf der zweiten Seite eine in axialer Richtung der Blechlamelle durchgehende, randgeschlossene Öffnung als Flusssperre aufweist.According to the invention, a rotor for an electrical machine, in particular a separately excited synchronous machine, is provided with at least one sheet metal lamella which has an annular yoke, the yoke on an outer side directed outward in the radial direction at least one salient pole, which has a pole neck and a pole shoe has, wherein the pole neck is arranged between the outside of the yoke and the pole piece, runs centrally through the salient pole, in the radial direction of the yoke, a salient pole axis which divides the salient pole into a first side and a second side different from the first side, the rotor is mounted rotatably around a rotor axis in one direction of rotation, the second side of the salient pole being aligned in the direction of rotation of the rotor, and the salient pole having a closed-edge opening as a flow barrier only on the second side in the axial direction of the sheet metal lamella.

Es ist demnach ein Aspekt der vorliegenden Erfindung, dass ein Rotor für eine elektrische Maschine bereitgestellt wird. Die elektrische Maschine kann beispielsweise eine fremderregte Synchronmaschine für ein Kraftfahrzeug sein. Das Kraftfahrzeug ist vorzugsweise ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug.It is accordingly an aspect of the present invention that a rotor for an electrical machine is provided. The electrical machine can, for example, be a separately excited synchronous machine for a motor vehicle. The motor vehicle is preferably an at least partially electrically driven motor vehicle.

Der Rotor weist wenigstens eine Blechlamelle auf. Die Blechlamelle umfasst ein ringförmig ausgebildetes Joch. Das Joch weist auf einer in radialer Richtung nach außen gerichteten Außenseite wenigstens einen Schenkelpol auf. Für gewöhnlich sind auf der Außenseite in Umfangsrichtung des Jochs eine Mehrzahl zueinander beabstandet angeordnete Schenkelpole angeordnet und/oder ausgebildet. Ein Schenkelpol kann grundsätzlich auch als Polschenkel bezeichnet und als solcher verstanden werden. Die Mehrzahl der Schenkelpole sind vorzugsweise identisch ausgebildet. Der Schenkelpol umfasst einen Polhals und einen Polschuh, wobei der Polhals zwischen der Außenseite des Jochs und dem Polschuh angeordnet ist. Der Polhals kann grundsätzlich auch als Polschaft bezeichnet werden. Vorzugsweise ist eine Breite des Polhalses in tangentialer Richtung des Jochs kleiner als eine Breite des Polschuhs in tangentialer Richtung des Jochs, wobei dies bezogen auf die Breite des Polschuhs gilt, die unmittelbar an den Polhals angrenzt. Der Polhals weist vorzugsweise über dessen gesamte Länge zwischen dem Joch und dem Polschuh eine gleiche Breite auf.The rotor has at least one sheet metal lamella. The sheet metal lamella comprises an annular yoke. The yoke has at least one salient pole on an outer side directed outward in the radial direction. Usually, a plurality of salient poles arranged at a distance from one another are arranged and / or formed on the outside in the circumferential direction of the yoke. A salient pole can in principle also be referred to as pole arm and understood as such. The majority of salient poles are preferably of identical design. The salient pole comprises a pole neck and a pole piece, the pole neck being arranged between the outside of the yoke and the pole piece. The pole neck can in principle also be referred to as the pole shaft. A width of the pole neck in the tangential direction of the yoke is preferably smaller than a width of the pole piece in the tangential direction of the yoke, this being based on the width of the pole piece which is directly adjacent to the pole neck. The pole neck preferably has the same width over its entire length between the yoke and the pole piece.

Mittig durch den Schenkelpol, in radialer Richtung des Jochs, verläuft eine Schenkelpolachse, die den Schenkelpol in eine erste Seite und in eine von der ersten Seite verschiedenen zweite Seite unterteilt. Der Rotor ist drehbar um eine Drehachse des Rotors, die Rotorachse, gelagert. Die Rotorachse bzw. Drehachse verläuft in Längsrichtung des Rotors. Der Rotor ist dabei in eine Drehrichtung rotierbar. Diese Drehrichtung ist die bevorzugte Drehrichtung bzw. Hauptdrehrichtung des Rotors. Die zweite Seite des Schenkelpols zeigt in die Drehrichtung des Rotors. Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass die erste Seite der Drehrichtung des Rotors abgewandt ist. Der Schenkelpol weist ausschließlich auf der zweiten Seite eine in axialer Richtung der Blechlamelle durchgehende, randgeschlossene Öffnung als Flusssperre auf. Die Öffnung kann ungefüllt bzw. ausschließlich mit Luft gefüllt sein. Ebenso ist denkbar, dass die Öffnung zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, ausgefüllt ist. Die Füllung der Öffnung kann einen Ferrit enthalten bzw. aufweisen und/oder eine Legierung aus Neodym, Eisen Bor (NdFeB) umfassen. Vorstellbar ist auch, dass die Füllung eine Legierung aus Samarium (Sm) mit dem Metall Cobalt (Co) enthält. Es ist ausdrücklich nicht vorgesehen, dass sich die Öffnung bzw. Flusssperre von der ersten Seite zur zweiten Seite innerhalb des Schenkelpols erstreckt. Die Flusssperre ist ausschließlich auf der zweiten Seite ausgebildet, wobei denkbar, aber nicht bevorzugt, ein Rand der Öffnung und/oder Flusssperre auf der Schenkelpolachse liegen kann. Durch die Flusssperre kann die magnetische Schenkligkeit des Schenkelpols zur erhöhten Ausnutzung des Reluktanzmoments optimiert werden, so dass die Leistungsdichte der elektrischen Maschine erhöhte werden kann. Im Vergleich zum bekannten Stand der Technik und etwaiger alternativer Konzepte zur Erhöhung der Leistungsdichte können bei dem erfindungsgemäßen Rotor die Kosten und der Bauraum des Rotors und/oder der elektrischen Maschine reduziert sein.A salient pole axis runs centrally through the salient pole, in the radial direction of the yoke, which divides the salient pole into a first side and a second side different from the first side. The rotor is rotatably mounted about an axis of rotation of the rotor, the rotor axis. The rotor axis or axis of rotation runs in the longitudinal direction of the rotor. The rotor can be rotated in one direction of rotation. This direction of rotation is the preferred direction of rotation or main direction of rotation of the rotor. The second side of the salient pole points in the direction of rotation of the rotor. Conversely, this means that the first side facing away from the direction of rotation of the rotor. The salient pole has, exclusively on the second side, an opening which is closed at the edge and which is continuous in the axial direction of the sheet metal lamella as a flow barrier. The opening can be unfilled or filled exclusively with air. It is also conceivable that the opening is at least partially, preferably completely, filled. The filling of the opening can contain or have a ferrite and / or an alloy of neodymium, iron boron (NdFeB). It is also conceivable that the filling contains an alloy of samarium (Sm) with the metal cobalt (Co). It is expressly not provided that the opening or flow barrier extends from the first side to the second side within the salient pole. The flow barrier is formed exclusively on the second side, it being conceivable, but not preferred, that an edge of the opening and / or flow barrier can lie on the salient pole axis. Due to the flux block, the magnetic limbness of the salient pole can be optimized for increased utilization of the reluctance torque, so that the power density of the electrical machine can be increased. In comparison to the known prior art and any alternative concepts for increasing the power density, the rotor according to the invention can reduce the costs and the installation space of the rotor and / or the electrical machine.

Grundsätzlich ist denkbar, dass die Öffnung der Flusssperre eine geometrisch komplexe Struktur aufweist. Denkbar sind demnach verschiedenste Ausführungen von randgeschlossenen Öffnungen, die beispielsweise Rundungen und/oder Ecken aufweisen. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung liegt darin, dass die Öffnung und/oder Flusssperre eine kreisförmige oder elliptische Öffnung ist. Eine derartige Öffnung reduziert den mechanischen Stress in der Blechlamelle und kann somit die Langlebigkeit des Rotors erhöhen. Zudem sind kreisförmige oder elliptische Öffnungen im Schenkelpol einfach und preiswert herstellbar, so dass die Herstellungskosten des Rotors reduziert werden können.In principle, it is conceivable that the opening of the flow barrier has a geometrically complex structure. Accordingly, a wide variety of designs of closed-edge openings, which for example have curves and / or corners, are conceivable. An advantageous development of the invention is that the opening and / or flow barrier is a circular or elliptical opening. Such an opening reduces the mechanical stress in the sheet metal lamella and can thus increase the longevity of the rotor. In addition, circular or elliptical openings in the salient pole can be produced easily and inexpensively, so that the production costs of the rotor can be reduced.

Denkbar ist, dass die Öffnung und/oder Flusssperre im Polhals und/oder im Polschuh auf der zweiten Seite ausgebildet ist. Dies bedeutet, dass die Öffnung im Polhals ausgebildet sein kann. Ebenso ist es möglich, dass die Öffnung im Polschuh ausgebildet ist. Es kann aber auch sein, dass die Öffnung sowohl im Polschuh als auch im Polhals angeordnet ist. Sie kann sich somit zwischen dem Polschuh und dem Polhals erstrecken.It is conceivable that the opening and / or flow barrier is formed in the pole neck and / or in the pole shoe on the second side. This means that the opening can be formed in the pole neck. It is also possible for the opening to be formed in the pole piece. However, it can also be the case that the opening is arranged both in the pole piece and in the pole neck. It can thus extend between the pole piece and the pole neck.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung liegt darin, dass die Flusssperre ausschließlich im Polschuh der zweiten Seite des Schenkelpols ausgebildet ist. Im Gegensatz zu einem symmetrischen Flusssperren-Design kann hierbei durch eine optimierte Flussführung ein höheres Drehmoment erzielt werden. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass trotz des höheren Drehmoment zugleich der Drehmomentripple minimiert werden kann.An advantageous development of the invention is that the flux barrier is formed exclusively in the pole piece on the second side of the salient pole. In contrast to a symmetrical flux barrier design, a higher torque can be achieved here through optimized flux guidance. Another advantage is that, despite the higher torque, the torque tripple can be minimized at the same time.

Grundsätzlich kann es ausreichen, dass lediglich eine Öffnung als Flusssperre im Schenkelpol auf der zweiten Seite ausgebildet ist. Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung liegt darin, dass eine Mehrzahl von Öffnungen und/oder Flusssperren auf der zweiten Seite des Schenkelpols ausgebildet sind. Durch eine Mehrzahl der Öffnungen und/oder Flusssperren auf der zweiten Seite kann eine optimierte magnetische Flussführung erzielt und somit die Leistung der elektrischen Maschine erhöht werden.In principle, it can be sufficient that only one opening is designed as a flow barrier in the salient pole on the second side. An advantageous development of the invention is that a plurality of openings and / or flow barriers are formed on the second side of the salient pole. Optimized magnetic flux guidance can be achieved through a plurality of openings and / or flow barriers on the second side and thus the output of the electrical machine can be increased.

Grundsätzlich kann vorgesehen sind, dass der Rotor eine Mehrzahl von Blechlamellen aufweist, die in axialer Richtung des Rotors hintereinander angeordnet und im Umfangsrichtung zueinander versetzt angeordnet sind. Eine derartige Anordnung der Blechlamellen wird auch als Schrägung bezeichnet. Über die geschrägte und/oder verschränkte Anordnung der Blechlamellen kann vorzugsweise die Drehmomentenwelligkeit, auch bekannt unter dem Begriff „torque ripple“ oder „Drehmomentripple“ reduziert werden.In principle, it can be provided that the rotor has a plurality of sheet-metal lamellae which are arranged one behind the other in the axial direction of the rotor and are arranged offset from one another in the circumferential direction. Such an arrangement of the sheet metal lamellas is also referred to as a bevel. The torque ripple, also known under the term “torque ripple” or “torque ripple”, can preferably be reduced via the inclined and / or crossed arrangement of the sheet metal lamellas.

In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Rotor eine Mehrzahl von Blechlamellen aufweist, die in axialer Richtung des Rotor schrägungsfrei angeordnet sind. Durch die schrägungsfreie Anordnung der in axialer Richtung hintereinander angeordneten Blechlamellen kann die Verlustleitung der elektrischen Maschine reduziert und die Leistungsdichte bzw. die Performance der elektrischen Maschine erhöht werden.In a preferred development of the invention, it is provided that the rotor has a plurality of sheet metal lamellas, which are arranged without being skewed in the axial direction of the rotor. The skew-free arrangement of the sheet-metal lamellae arranged one behind the other in the axial direction can reduce the conduction loss of the electrical machine and increase the power density or the performance of the electrical machine.

Die Erfindung betrifft zudem eine elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug, mit einem hohlzylinderförmig ausgebildeten Stator, und einem innerhalb des Stators um eine Rotorachse drehbar ausgebildeten erfindungsgemäßen Rotor, wobei der Rotor über einen in Umfangsrichtung ausgebildeten Luftspalt zu einer in radialer Richtung des Stators nach innen gerichteten inneren Mantelfläche beabstandet angeordnet ist.The invention also relates to an electrical machine for a motor vehicle, in particular for an at least partially electrically driven motor vehicle, with a hollow-cylindrical stator, and a rotor according to the invention that is rotatable about a rotor axis within the stator, the rotor being formed via an air gap formed in the circumferential direction is arranged spaced apart in the radial direction of the stator inwardly directed inner lateral surface.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass der Polschuh auf einer der inneren Mantelfläche des Stators zugewandten Seite eine Polschuhaußenseite aufweist, die derart ausgebildet und/oder gekrümmt ist, dass ausgehend von der Schenkelpolachse in Umfangsrichtung des Rotors eine Luftspaltbereite des Luftspalts zwischen der Polschuhaußenseite und der inneren Mantelfläche zunehmend ist. Mit anderen Worten vergrößert sich der Luftspalt zwischen der Polschuhaußenseite und der inneren Mantelfläche ausgehend von der Schenkelpolachse in Umfangsrichtung des Rotors. Durch eine derartige Ausbildung des Luftspalts kann der Drehmomentripple der elektrischen Maschine reduziert werden.An advantageous embodiment of the invention is that the pole shoe on a side facing the inner lateral surface of the stator has a pole shoe outer side which is designed and / or curved in such a way that, starting from the salient pole axis in the circumferential direction of the rotor, an air gap width of the air gap between the pole shoe outer side and the inner surface area is increasing. In other words, the air gap between the outer side of the pole shoe and the inner lateral surface increases starting from the Salient pole axis in the circumferential direction of the rotor. By designing the air gap in this way, the torque ripple of the electrical machine can be reduced.

In diesem Zusammenhang liegt eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung darin, dass die Krümmung der Polschuhaußenseite der ersten Seite verschieden ist von der Krümmung der Polschuhaußenseite der zweiten Seite. Die asymmetrische Ausbildung der Polschuhaußenseite kann sich positiv auf das Drehmomentripple der elektrischen Maschine auswirken.In this context, a preferred development of the invention lies in the fact that the curvature of the pole shoe outer side of the first side is different from the curvature of the pole shoe outer side of the second side. The asymmetrical design of the outside of the pole shoe can have a positive effect on the torque tripple of the electrical machine.

Zudem betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine.The invention also relates to a motor vehicle with the electrical machine according to the invention.

Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie den nachstehenden Ausführungsbeispielen. Die Ausführungsbeispiele sind nicht einschränkend, sondern vielmehr als beispielhaft zu verstehen. Sie sollen den Fachmann in die Lage versetzen, die Erfindung auszuführen. Die Anmelderin behält sich vor, einzelne und/oder mehrere der in den Ausführungsbeispielen offenbarten Merkmale zum Gegenstand von Patentansprüchen zu machen oder solche Merkmale in bestehende Ansprüche aufzunehmen. Die Ausführungsbeispiele werden anhand von Zeichnungen näher erläutert.Further features and advantages of the present invention emerge from the subclaims and the following exemplary embodiments. The exemplary embodiments are not to be understood as restrictive, but rather as examples. They are intended to enable those skilled in the art to carry out the invention. The applicant reserves the right to make individual and / or several of the features disclosed in the exemplary embodiments the subject of patent claims or to include such features in existing claims. The exemplary embodiments are explained in more detail with reference to drawings.

In diesen zeigen:

1 einen Querschnitt durch einen Rotor und einen Stator einer elektrischen Maschine, gemäß dem bekannten Stand der Technik,
2 eine Übersicht über den Verlauf einer Längsinduktivität und einer Querinduktivität in Abhängigkeit der Drehzahl für das in 1 gezeigte Rotordesign,
3 einen Querschnitt durch einen Rotor und einen Stator einer elektrischen Maschine gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
4 eine Übersicht über den Verlauf der Längsinduktivität und der Querinduktivität in Abhängigkeit der Drehzahl für das in 3 gezeigte Rotordesign,
5 eine Detailansicht eines Schenkelpols des Rotors der elektrischen Maschine, gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

In these show:

1 a cross section through a rotor and a stator of an electrical machine, according to the known prior art,
2 an overview of the course of a series inductance and a transverse inductance depending on the speed for the in 1 shown rotor design,
3 a cross section through a rotor and a stator of an electrical machine according to a preferred embodiment of the invention,
4th an overview of the course of the longitudinal inductance and the transverse inductance as a function of the speed for the in 3 shown rotor design,
5 a detailed view of a salient pole of the rotor of the electrical machine, according to a preferred embodiment of the invention.

In 1 sind ein Querschnitt durch einen Rotor 10 und einen Stator 12 einer elektrischen Maschine 14 gezeigt, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind. Der Rotor 10 weist wenigstens eine Blechlamelle 16 auf. Die Blechlamelle 16 umfasst ein ringförmig ausgebildetes Joch 18, das auf einer Rotorwelle 20 drehfest angeordnet ist. Das Joch 18 weist auf einer in radialer Richtung nach außen gerichteten Außenseite 22 eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung zueinander beabstandete Schenkelpole 24 auf. Jeder Schenkelpol 24 umfasst einen Polhals 26 und einen Polschuh 28, wobei der Polhals 26 zwischen der Außenseite 22 des Jochs 18 und dem Polschuh 28 angeordnet ist. Bei dem bekannten Rotor 10 ist vorgesehen, dass eine Mehrzahl von Blechlamellen 16 in axialer Richtung des Rotors 10 hintereinander angeordnet ist, wobei die jeweiligen Blechlamellen 16 in Umfangsrichtung zueinander versetzt, also verschränkt, angeordnet sind.In 1 are a cross section through a rotor 10 and a stator 12th an electric machine 14th shown as they are known from the prior art. The rotor 10 has at least one sheet metal lamella 16 on. The sheet metal lamella 16 comprises an annular yoke 18th that is on a rotor shaft 20th Is rotatably arranged. The yoke 18th has an outer side directed outward in the radial direction 22nd a plurality of salient poles spaced from one another in the circumferential direction 24 on. Each salient pole 24 includes a pole neck 26th and a pole piece 28 , with the pole neck 26th between the outside 22nd of the yoke 18th and the pole piece 28 is arranged. With the well-known rotor 10 it is provided that a plurality of sheet metal lamellas 16 in the axial direction of the rotor 10 is arranged one behind the other, the respective sheet metal lamellas 16 offset from one another in the circumferential direction, that is to say crossed, are arranged.

Eine Breite des Polhalses 26 in tangentialer Richtung des Jochs 18 ist kleiner als eine Breite des Polschuhs 28 in tangentialer Richtung des Jochs 18, wobei die Breite des Polschuhs 28 an einer Stelle gemessen wird, die an den Polhals 26 angrenzt. Der Polhals 26 weist eine erste Polhalsseite 30 und eine in tangentialer Richtung des Jochs 18 zur ersten Polhalsseite 30 beabstandet ausgebildete zweite Polhalsseite 32 auf. Auf dem Polhals 26 ist zumindest abschnittsweise eine Wicklung 34 angeordnet.One width of the pole neck 26th in the tangential direction of the yoke 18th is smaller than a width of the pole piece 28 in the tangential direction of the yoke 18th , where the width of the pole piece 28 is measured at a point on the pole neck 26th adjoins. The pole neck 26th has a first pole neck side 30th and one in the tangential direction of the yoke 18th to the first side of the pole neck 30th spaced apart second pole neck side 32 on. On the pole neck 26th is at least partially a winding 34 arranged.

Der Rotor 10 ist um dessen Rotorachse 36 innerhalb des hohlzylinderförmig ausgebildeten Stators 12 drehbar gelagert angeordnet. Der Stator 12 weist auf einer dem Rotor 10 zugewandten inneren Mantelfläche 38 eine Mehrzahl von in Umfangsrichtung des Stators 12 zueinander beabstandete Statornuten 40 auf, in denen elektrische Leiter (nicht dargestellt) zur Ausbildung einer Wicklung angeordnet sind. Durch eine wechselrichter- und/oder invertergesteuerte, feldorientierte Ansteuerung der Wicklung innerhalb der Stators 12 kann der Rotor 10 in eine Drehbewegung um dessen Rotorachse 36 überführt werden.The rotor 10 is around its rotor axis 36 inside the hollow-cylindrical stator 12th arranged rotatably. The stator 12th points to one of the rotor 10 facing inner lateral surface 38 a plurality of in the circumferential direction of the stator 12th spaced apart stator slots 40 on, in which electrical conductors (not shown) are arranged to form a winding. By means of an inverter and / or inverter-controlled, field-oriented control of the winding within the stator 12th can the rotor 10 into a rotary movement around its rotor axis 36 be convicted.

In 2 ist eine Übersicht über den Verlauf einer Längsinduktivität L_d und der Querinduktivität L_q in Abhängigkeit einer Rotordrehzahl n des Rotors 10 dargestellt. Die Rotordrehzahl n ist auf der x-Achse des Diagramms von 0 bis 16.000 U/min aufgetragen. Die jeweilige Induktivität ist auf y-Achse in der Einheit L/H angegeben. Die Querinduktivität L_q verläuft im Schenkelpol 24 in tangentialer Richtung des Jochs 18. Die Längsinduktivität L_q verläuft in axialer Richtung des Rotors 10 durch den Schenkelpol 24.In 2 is an overview of the course of a series inductance L _d and the shunt inductance L _q as a function of a rotor speed n of the rotor 10 shown. The rotor speed n is plotted on the x-axis of the diagram from 0 to 16,000 rpm. The respective inductance is indicated on the y-axis in the unit L / H. The shunt inductance L _q runs in the salient pole 24 in the tangential direction of the yoke 18th . The series inductance L _q runs in the axial direction of the rotor 10 through the salient pole 24 .

Bis zu einer Rotordrehzahl n = 5.600 U/min ist die Querinduktivität L_q größer als die Längsinduktivität L_d . Dies bedeutet, dass bis zu 5.600 U/min ein positives Reluktanzmoment wirkt bzw. ausgenutzt wird. Ab einer Rotordrehzahl n von 5.600 U/min ist das Reluktanzmoment negativ, da die Längsinduktivität L_d größer als die Querinduktivität L_q ist. In diesem Feldschwächenbereich ist das Drehmoment der elektrischen Maschine reduziert. Bei einer Rotordrehzahl n von 16.000 U/min beträgt die Differenz bzw. das Delta zwischen der Längsinduktivität und der Querinduktivität 0,85 mH (MilliHenry).The transverse inductance is up to a rotor speed of n = 5,600 rpm L _q greater than the series inductance L _d . This means that a positive reluctance torque acts or is used up to 5,600 rpm. From a rotor speed n of 5,600 rpm, the reluctance torque is negative because the longitudinal inductance L _d greater than the shunt inductance L _q is. The torque of the electrical machine is reduced in this field weakening area. At a rotor speed n of 16,000 rpm, the difference or the delta between the longitudinal inductance and the transverse inductance is 0.85 mH (MilliHenry).

3 zeigt einen Querschnitt durch den Rotor 10 und den Stator 12 der elektrischen Maschine 14, gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Rotor 10 weist wenigstens eine Blechlamelle 16 auf. Die Blechlamelle 16 umfasst das kreisringförmige Joch 18, auf dessen in radialer Richtung nach außen gerichteten Außenseite 22 die in Umfangsrichtung zueinander beabstandet angeordneten Schenkelpole 24 angeordnet sind. Jeder Schenkelpol 24 umfasst den Polhals 26 und den Polschuh 28, wobei der Polhals 26 zwischen der Außenseite 22 des Jochs 18 und dem Polschuh 28 angeordnet ist. 3 shows a cross section through the rotor 10 and the stator 12th of the electric machine 14th , according to a preferred embodiment of the invention. The rotor 10 has at least one sheet metal lamella 16 on. The sheet metal lamella 16 includes the circular yoke 18th , on its outer side facing outward in the radial direction 22nd the salient poles arranged at a distance from one another in the circumferential direction 24 are arranged. Each salient pole 24 includes the pole neck 26th and the pole piece 28 , with the pole neck 26th between the outside 22nd of the yoke 18th and the pole piece 28 is arranged.

Die Breite des Polhalses 26 in tangentialer Richtung des Jochs 18 ist kleiner als die Breite des Polschuhs 28 in tangentialer Richtung des Jochs 18. Die Breite des Polschuhs 28 bezieht sich dabei auf die Breite des Polschuhs 28, die an einer Stelle gemessen wird, die an den Polhals 26 angrenzt. Die Breite des Polhalses 26 ist über dessen Länge zwischen dem Joch 18 und dem Polschuh 28 konstant.The width of the pole neck 26th in the tangential direction of the yoke 18th is smaller than the width of the pole piece 28 in the tangential direction of the yoke 18th . The width of the pole piece 28 refers to the width of the pole piece 28 that is measured at a point that is close to the pole neck 26th adjoins. The width of the pole neck 26th is along its length between the yoke 18th and the pole piece 28 constant.

Der Polhals 26 weist die erste Polhalsseite 30 und die in tangentialer Richtung des Jochs 18 zur ersten Polhalsseite 30 beabstandet ausgebildete zweite Polhalsseite 32 auf. Auf dem Polhals 26 ist zumindest abschnittsweise die Wicklung 34 angeordnet.The pole neck 26th shows the first pole neck side 30th and those in the tangential direction of the yoke 18th to the first side of the pole neck 30th spaced apart second pole neck side 32 on. On the pole neck 26th is the winding, at least in sections 34 arranged.

Mittig durch den Schenkelpol 24, in radialer Richtung des Jochs 18, verläuft eine Schenkelpolachse 46, wobei die Schenkelpolachse 46 den Schenkelpol 24 in eine erste Seite 42 und in eine von der ersten Seite 42 verschiedenen zweite Seite 44 unterteilt. Die zweite Seite 44 zeigt in Drehrichtung 54 des Rotors 10. Der Schenkelpol 24 weist ausschließlich auf der zweiten Seite 44 wenigstens eine in axialer Richtung der Blechlamelle 16 durchgehende, randgeschlossene Öffnung 52 als Flusssperre auf. Die Öffnung 52 kann ungefüllt bzw. ausschließlich mit Luft gefüllt sein. Ebenso ist denkbar, dass die Öffnung 52 zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, ausgefüllt ist. Die Füllung der Öffnung 52 kann einen Ferrit enthalten bzw. aufweisen und/oder eine Legierung aus Neodym, Eisen Bor (NdFeB) umfassen. Vorstellbar ist auch, dass die Füllung eine Legierung aus Samarium (Sm) mit dem Metall Cobalt (Co) enthält.Centered through the salient pole 24 , in the radial direction of the yoke 18th , runs a salient pole axis 46 , where the salient pole axis 46 the salient pole 24 in a first page 42 and in one of the first page 42 different second side 44 divided. The second side 44 points in the direction of rotation 54 of the rotor 10 . The salient pole 24 points exclusively to the second page 44 at least one in the axial direction of the sheet metal lamella 16 continuous, closed-edge opening 52 as a river lock. The opening 52 can be unfilled or filled with air only. It is also conceivable that the opening 52 is at least partially, preferably completely, filled out. The filling of the opening 52 can contain or have a ferrite and / or comprise an alloy of neodymium, iron boron (NdFeB). It is also conceivable that the filling contains an alloy of samarium (Sm) with the metal cobalt (Co).

Durch eine wechselrichter- und/oder invertergesteuerte, feldorientierte Ansteuerung der innerhalb der Statornuten 40 angeordneten Wicklung (nicht dargestellt) erfolgt ein Stromfluss in eine erste Richtung, die, bezogen auf den vorliegenden Schnitt, der Drehrichtung 54 im Uhrzeigersinn entspricht. Der Rotor 10 dreht ebenfalls in die Drehrichtung 54 im Uhrzeigersinn, wie dies durch den Richtungspfeil 54 gezeigt ist.By means of an inverter and / or inverter-controlled, field-oriented control of the inside the stator slots 40 arranged winding (not shown) there is a current flow in a first direction, which, based on the present section, the direction of rotation 54 clockwise corresponds. The rotor 10 also rotates in the same direction of rotation 54 clockwise as indicated by the directional arrow 54 is shown.

Durch die Öffnung 52 bzw. die Flusssperre kann die magnetische Schenkligkeit des Schenkelpols 24 zur erhöhten Ausnutzung des Reluktanzmoments optimiert werden, so dass die Leistungsdichte der elektrischen Maschine 14 erhöht werden kann. Im Vergleich zum bekannten Stand der Technik und etwaiger alternativer Konzepte zur Erhöhung der Leistungsdichte können bei dem erfindungsgemäßen Rotor 10 sowohl die Kosten als auch der Bauraum des Rotors 10 und/oder der elektrischen Maschine 14 reduziert sein.Through the opening 52 or the flux lock can be the magnetic salience of the salient pole 24 to be optimized for increased utilization of the reluctance torque, so that the power density of the electrical machine 14th can be increased. In comparison to the known prior art and any alternative concepts for increasing the power density, the rotor according to the invention 10 both the cost and the installation space of the rotor 10 and / or the electrical machine 14th be reduced.

In dem Ausführungsbeispiel ist weiter vorgesehen, dass der Rotor 10 eine Mehrzahl identischer Blechlamellen 16 aufweist, die in axialer Richtung des Rotors 10 schrägungsfrei hintereinander angeordnet sind.In the embodiment it is further provided that the rotor 10 a plurality of identical sheet metal lamellas 16 having in the axial direction of the rotor 10 Are arranged one behind the other without inclination.

Ferner ist vorgesehen, dass der Polschuh 28 auf einer der inneren Mantelfläche 38 des Stators 12 zugewandten Seite eine Polschuhaußenseite 56 aufweist, die derart ausgebildet und/oder gekrümmt ist, dass ausgehend von der Schenkelpolachse 46 in Umfangsrichtung des Rotors 10 eine Luftspaltbereite 58 eines zwischen der Polschuhaußenseite 56 und der inneren Mantelfläche 38 ausgebildeten Luftspalts 60 zunehmend ist. Mit anderen Worten vergrößert sich der Luftspalt 60 zwischen der Polschuhaußenseite 56 und der inneren Mantelfläche 38 ausgehend von der Schenkelpolachse 46 in Umfangsrichtung des Rotors 10. Durch eine derartige Ausbildung des Luftspalts 60 bzw. der Polschuhaußenseite 56 kann der Drehmomentripple der elektrischen Maschine 14 reduziert werden.It is also provided that the pole piece 28 on one of the inner circumferential surface 38 of the stator 12th facing side a pole shoe outside 56 which is designed and / or curved in such a way that starting from the salient pole axis 46 in the circumferential direction of the rotor 10 an air gap width 58 one between the outside of the pole piece 56 and the inner jacket surface 38 formed air gap 60 is increasing. In other words, the air gap increases 60 between the outside of the pole piece 56 and the inner jacket surface 38 starting from the salient pole axis 46 in the circumferential direction of the rotor 10 . By designing the air gap in this way 60 or the outside of the pole shoe 56 can be the torque tripple of the electrical machine 14th be reduced.

In 4 ist eine Übersicht über den Verlauf einer Längsinduktivität L_d und der Querinduktivität L_q in Abhängigkeit einer Rotordrehzahl n des in 3 gezeigten Rotors 10 dargestellt. Die Rotordrehzahl n ist auf der x-Achse des Diagramms von 0 bis 16.000 U/min aufgetragen. Die jeweilige Induktivität ist auf y-Achse in der Einheit L/H angegeben. Die Querinduktivität L_q verläuft im Schenkelpol 24 in tangentialer Richtung des Jochs 18. Die Längsinduktivität L_q verläuft in axialer Richtung des Rotors 10 durch den Schenkelpol 24.In 4th is an overview of the course of a series inductance L _d and the shunt inductance L _q as a function of a rotor speed n des in 3 shown rotor 10 shown. The rotor speed n is plotted on the x-axis of the diagram from 0 to 16,000 rpm. The respective inductance is indicated on the y-axis in the unit L / H. The shunt inductance L _q runs in the salient pole 24 in the tangential direction of the yoke 18th . The series inductance L _q runs in the axial direction of the rotor 10 through the salient pole 24 .

Durch die Ausbildung der Flusssperre bzw. Öffnung 52 auf der zweiten Seite des Schenkelpols 24 bzw. in der Schenkelpole 24 kann erzielt werden, dass bis zu einer Rotordrehzahl n = 8.700 U/min die Querinduktivität L_q größer als die Längsinduktivität L_d . Dies bedeutet, dass bis zu einer Rotordrehzahl n von 8.700 U/min ein positives Reluktanzmoment wirkt bzw. ausgenutzt wird. Ab 8.700 U/min ist das Reluktanzmoment negativ, da die Längsinduktivität L_d größer als die Querinduktivität L_q ist. In diesem Feldschwächenbereich ist das Drehmoment der elektrischen Maschine 14 reduziert. Bei einer Rotordrehzahl n von 16.000 U/min beträgt die Differenz bzw. das Delta zwischen der Längsinduktivität und der Querinduktivität 0,30 mH (MilliHenry).Through the formation of the flow barrier or opening 52 on the second side of the salient pole 24 or in the salient pole 24 it can be achieved that up to a rotor speed of n = 8,700 rpm the transverse inductance L _q greater than the series inductance L _d . This means that a positive reluctance torque acts or is used up to a rotor speed n of 8,700 rpm. From 8,700 rpm the reluctance torque is negative because the longitudinal inductance L _d greater than the shunt inductance L _q is. The torque of the electrical machine is in this field weakening range 14th reduced. At a rotor speed n of 16,000 rpm, the difference or the delta between the longitudinal inductance and the transverse inductance is 0.30 mH (MilliHenry).

Dies bedeutet, dass gegenüber dem Stand der Technik durch eine Optimierung der magnetischen Schenkligkeit des Schenkelpols 24 ein positives Reluktanzmoment auch für höhere Drehzahlen, bis zu n = 8.700 U/min ausgenutzt werden kann. Zudem ist der Verlustleistung bei noch höheren Drehzahlen gegenüber dem bekannten Stand der Technik geringer, da das negative Reluktanzmoment kleiner ist.This means that, compared with the prior art, by optimizing the magnetic salience of the salient pole 24 a positive reluctance torque can also be used for higher speeds, up to n = 8,700 rpm. In addition, the power loss is lower at even higher speeds compared to the known prior art, since the negative reluctance torque is smaller.

In 5 ist eine Detailansicht eines Schenkelpols 24 gezeigt. Der Schenkelpol 24 weist auf der zweiten Seite 44 im Bereich des Polhalses 28 die Öffnung 52 auf. Die Drehrichtung 54 des Rotors 10 ist in 5 entgegen dem Uhrzeigersinn gerichtet. Weiterhin ist ersichtlich, dass eine Krümmung der Polschuhaußenseite 56 der ersten Seite 42 verschieden ist von einer Krümmung der Polschuhaußenseite 56 der zweiten Seite 44. Vorliegend weist die Polschuhaußenseite 56 der ersten Seite 42 eine größere Krümmung und/oder einen kleineren Krümmungsradius als die zweite Seite 44 auf.In 5 Figure 3 is a detailed view of a salient pole 24 shown. The salient pole 24 points on the second page 44 in the area of the pole neck 28 the opening 52 on. The direction of rotation 54 of the rotor 10 is in 5 directed counterclockwise. It can also be seen that there is a curvature on the outside of the pole shoe 56 the first page 42 is different from a curvature of the pole shoe outside 56 the second page 44 . In the present case, the pole shoe faces outside 56 the first page 42 a greater curvature and / or a smaller radius of curvature than the second side 44 on.

Claims

Rotor (10) for an electrical machine (14) with at least one sheet metal lamella (16) which has an annular yoke (18), the yoke (18) comprises at least one salient pole (24) on an outer side (22) directed outward in the radial direction which has a pole neck (26) and a pole shoe (28), the pole neck (26) between the outer side (22 ) of the yoke (18) and the pole piece (28) is arranged, A salient pole axis (46) runs centrally through the salient pole (24), in the radial direction of the yoke (18), which divides the salient pole (24) into a first side and into a second side (44) different from the first side (42) divided, the rotor (10) is mounted rotatably about a rotor axis in a direction of rotation (54), the second side (44) of the salient pole (24) being arranged in the direction of rotation (54) of the rotor (10), and the salient pole (24) has, exclusively on the second side (44), an opening (52) which is closed at the edge and which is continuous in the axial direction of the sheet metal lamella (16) as a flow barrier.

Rotor after Claim 1 , characterized in that the opening (52) and / or flow barrier is a circular or elliptical opening.

Rotor according to one of the preceding claims, characterized in that the opening (52) and / or flow barrier is formed exclusively in the pole piece (28) on the second side (44) of the salient pole (24).

Rotor according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of openings (52) and / or flow barriers are formed on the second side (44).

Rotor according to one of the preceding claims, characterized in that the rotor (10) has a plurality of sheet-metal lamellae (16) which are arranged without being skewed in the axial direction of the rotor (10).

Electric machine (14) for a motor vehicle, with a cylindrical stator (12), and a rotor (10) according to one of the preceding claims, which is designed to be rotatable about a rotor axis (36) within the stator (12), wherein the rotor (10) is arranged at a distance from an inner lateral surface (38) directed inward in the radial direction of the stator (12) via an air gap (60) formed in the circumferential direction.

Electric machine after Claim 6 , characterized in that the pole shoe (28) has a pole shoe outer side (56) on a side facing the inner lateral surface (38) of the stator (12) which is designed and / or curved in such a way that starting from the salient pole axis (46) in In the circumferential direction of the rotor (10) an air gap width (58) of an air gap (60) between the pole shoe outer side (56) and the inner lateral surface (38) is increasingly formed.

Electric machine after Claim 7 , characterized in that the curvature of the pole shoe outer side (56) of the first side (42) is different from the curvature of the pole shoe outer side (56) of the second side (44).

Motor vehicle with an electric machine according to Claim 8 .