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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor für eine Elektromaschine zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs. Ferner betrifft die Erfindung eine Elektromaschine zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs sowie ein Kraftfahrzeug mit einer anwendungsspezifischen Elektromaschine.
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Im Bereich der Elektromobilität kommen zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs vorwiegend als permanenterregte Synchronmaschinen mit vergrabenen Permanentmagneten ausgebildete Elektromaschinen zum Einsatz. Derartige Elektromaschinen werden auch als „VPMSM“ bezeichnet. VPMSM weisen einen Stator mit einer mehrsträngigen Statorwicklung zur Erzeugung eines magnetischen Drehfelds sowie einen die Permanentmagnete aufweisenden, drehbar am Stator gelagerten Rotor auf. VPMSM haben den Vorteil, dass sie eine verhältnismäßig hohe Drehmomentdichte sowie verglichen mit beispielsweise einer Asynchronmaschine einen höheren Wirkungsgrad aufweisen. Im Rahmen der Erfindung wird unter einer Elektromaschine beispielsweise eine elektrische Maschine bzw. ein Elektromotor verstanden.
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Ein Nachteil von VPMSM sind Oberwellen, welche beim Betrieb der Elektromaschine im Luftspalt entstehen und zu unerwünschten parasitären Effekten führen können. Hierzu zählen beispielsweise Kraftanregungen, welche Geräuschabstrahlungen an einer Gehäuseoberfläche der Elektromaschine bewirken können. Ursächlich für derartige Kraftanregungen ist insbesondere das als „Rotorfeld“ bezeichnete, rotierende Magnetfeld der Permanentmagnete des Rotors. An der Drehmomentbildung der Elektromaschine ist lediglich ein Hauptfeld des Rotors beteiligt, Oberwellen des Rotors leisten hierzu keinen Beitrag und sind daher nach Möglichkeit zu reduzieren, um solche parasitären Effekte zu vermeiden.
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Zur Reduzierung derartiger parasitärer Effekte, wie beispielsweise Oberwellen, sind diverse Maßnahmen bekannt, welche sich unterschiedlich auf die Betriebseigenschaften der Elektromaschinen auswirken und teilweise zu einem enormen Anstieg der Herstellungskosten der Elektromaschine führen können.
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Beim Schrägen werden der Stator und/oder der Rotor entlang der Rotorlängsachse verdreht. Dies kann beispielsweise kontinuierlich und/oder segmentweise durch relatives Verdrehen entlang der Rotorlängsachse benachbarter Segmente des Stators und/oder des Rotors erfolgen. Somit wird die Flussverkettung zwischen Stator- und Rotorfeld reduziert. Der Einfluss auf die Feldwellenanteile ist unterschiedlich. Durch das Schrägen sind die parasitären Effekte der Oberfelder reduzierbar, wobei typischerweise um eine Nutteilung geschrägt wird. Nachteilig beim Schrägen ist insbesondere, dass hierdurch der resultierende Wicklungsfaktor der Hauptfeldwelle und somit das resultierende Drehmoment im Gegensatz zu einer ungeschrägten Elektromaschine verringert wird. Zudem ist das Schrägen eine besonders kostenintensive sowie zeitaufwendige Maßnahme, da hierfür ein zusätzlicher Produktionsprozess erforderlich ist.
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Bei einer alternativen Lösung zur Reduzierung der parasitären Effekte werden im Rotor, insbesondere zwischen eine Rotoraußenfläche und den Taschen für die Permanentmagnete des Rotors, gezielt Flusssperren eingebracht. Ein Rotor mit derartigen Flusssperren ist beispielsweise aus der
US 2015/0042200 A1 bekannt. Die Flusssperren können beispielsweise durch Ausstanzen aus Rotorblechen bzw. Rotorblechscheiben des Rotors realisiert werden. Mittels Flusssperren lassen sich die Oberwellen zumindest leicht reduzieren. Die Gestaltungsfreiheit der Flusssperren ist durch die Abnahme der Stabilität des Rotors begrenzt. Ferner ist eine genaue Auslegung der Flusssperren erforderlich, da sich Flusssperren in Abhängigkeit ihrer Lage und Ausbildung im Rotor positiv oder negativ auf das Drehmomentverhalten der Elektromaschine auswirken können.
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Gemäß einer weiteren Verbesserung von Elektromaschinen wird ein Sinusfeldpol am Rotoraußendurchmesser erzeugt. Hierfür wird der Luftspalt von der Polmitte bis hin zur Pollücke aufgeweitet. Auf diese Weise wird der magnetische Widerstand des Luftspalts in Abhängigkeit der Entfernung zur Polmitte erhöht. Dies führt zu einer Bündelung der magnetischen Feldlinien im Bereich der Polmitte und somit zu einer Reduzierung der Feldliniendichte in einem weiter von der Polmitte entfernten Bereich. Somit lassen sich Amplituden verschiedener Oberwellen reduzieren und bei vorteilhafter Ausgestaltung die Hauptfeldwellenamplitude des Rotors vergrößern. Die
US 7,550,891 B2 und
EP 1 492 213 A1 offenbaren Elektromaschinen mit einem solchen Sinusfeldpol. Eine derartige Ausbildung des Luftspalts kann sich nachteilig auf ein im Luftspalt angeordnetes Kühlfluid, insbesondere Öl, auswirken und Verwirbelungen des Kühlfluids bewirken, an denen dynamische Druckunterschiede resultieren können. Hieraus kann ein Sog entstehen, durch welchen das Kühlfluid in den Luftspalt gezogen wird und somit den Rotor bremst. Folglich werden hierdurch das maximale Drehmoment und der Wirkungsgrad der Elektromaschine herabgesetzt.
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Eine weitere Möglichkeit der vorteilhaften Reduzierung der Oberwellen ist die Rotorpolweitenmodulation. Bei der Rotorpolweitenmodulation wird die Rotorpolweite von Pol zu Pol variiert. Hierbei kann beispielsweise bei einem Rotor mit v-förmig vergrabenen Magneten der Öffnungswinkel zwischen den Magnetpaaren von Pol zu Pol unterschiedlich ausgebildet sein. Aufgrund der Kombination verschiedener Magnet-Öffnungswinkel ist das Oberwellenspektrum der Elektromaschine und somit das Maschinenverhalten gezielt beeinflussbar. Nachteilig hierbei ist, dass die Symmetrie des Rotors von Pol zu Pol gebrochen ist. Hieraus resultieren nicht nur ungeradzahlige Oberwellen im Rotor, sondern auch geradzahlige harmonische Oberwellen, welche zusammen mit den Feldwellen des Stators unerwünschte Kraftanregungen ausprägen. Dies kann zu einer erhöhten Geräuschemission der Elektromaschine im Betrieb führen.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die voranstehend beschriebenen Nachteile bei einem Rotor für eine Elektromaschine zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs zu beheben oder zumindest teilweise zu beheben. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Rotor für eine Elektromaschine, eine Elektromaschine und ein Kraftfahrzeug zu schaffen, die auf eine einfache und kostengünstige Art und Weise reduzierte Oberwellen und/oder verminderte Betriebsgeräusche aufweisen.
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Voranstehende Aufgabe wird durch die Patentansprüche gelöst. Demnach wird die Aufgabe durch einen Rotor für eine Elektromaschine zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs, aufweisend einen sich entlang einer Rotorlängsachse erstreckenden Rotorgrundkörper mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1, durch eine Elektromaschine zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs 8 sowie durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des nebengeordneten Anspruchs 10 gelöst. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Rotor beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Elektromaschine sowie dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug und jeweils umgekehrt, sodass bezüglich der Offenbarung zu den einzelnen Erfindungsaspekten stets wechselseitig Bezug genommen wird, beziehungsweise werden kann.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch einen Rotor für eine Elektromaschine zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs gelöst. Der Rotor weist einen sich entlang einer Rotorlängsachse erstreckenden Rotorgrundkörper mit einer Rotoraußenfläche und einer Mehrzahl von im Rotorgrundkörper ausgebildeten Magnettaschen auf, wobei in jeder Magnettasche ein Permanentmagnet angeordnet ist. Zudem sind zwischen den Magnettaschen und der Rotoraußenfläche mehrere sich in Umfangsrichtung sowie parallel zur Rotorlängsachse erstreckende Kavitäten ausgebildet. Erfindungsgemäß weisen die Kavitäten in Umfangsrichtung ein erstes Kavitätsende mit einer in radialer Richtung ausgebildeten ersten Kavitätsbreite und ein zweites Kavitätsende mit einer in radialer Richtung ausgebildeten zweiten Kavitätsbreite auf, wobei die erste Kavitätsbreite größer als die zweite Kavitätsbreite ist.
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Der Rotor ist vorzugsweise als Läufer für eine Synchronmaschine ausgebildet und weist vorzugsweise einen Aktivlängsachsenabschnitt, in welchem die Magnettaschen mit den Magneten angeordnet sind, und einen Lagerlängsachsenabschnitt auf, in welchem der Rotor drehbar an einem Stator lagerbar ist. Überdies weist der Rotor vorzugsweise einen mechanischen Koppelabschnitt zum mechanischen Koppeln mit einem Abtrieb des Kraftfahrzeugs, wie beispielsweise einem Getriebe oder dergleichen, auf. Vorzugsweise ist die Rotoraußenfläche rotationssymmetrisch um die Rotorlängsachse ausgebildet. Demnach kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass der Rotor entlang der Rotorlängsachse unterschiedliche Durchmesser aufweist. Der Rotor weist vorzugsweise einen kreisrunden Querschnitt auf. Der Rotorgrundkörper ist vorzugsweise als Rotorblechpaket ausgebildet.
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Die Magnettaschen mit den Permanentmagneten sind vorzugsweise derart im Rotorgrundkörper angeordnet, dass die Permanentmagnete mehrere Pole des Rotors bilden, wobei jeder Pol vorzugsweise von mindestens einem Permanentmagnetpaar gebildet wird. Die Pole sind vorzugsweise in Umfangsrichtung mit abwechselnder Orientierung am Rotorgrundkörper ausgebildet. Somit ist ein magnetischer Nordpol in Umfangsrichtung vorzugsweise zwischen zwei magnetischen Südpolen angeordnet und umgekehrt.
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Zusätzlich zu den Magnettaschen sind im Rotorgrundkörper die Kavitäten ausgebildet. Unter einer Kavität wird im Rahmen der Erfindung auch eine Gruppe von Unterkavitäten verstanden, die eine gemeinsame Kavität bilden, wobei die Unterkavitäten voneinander getrennt ausgebildet sein können, beispielsweise durch Trennstege, Trennwände oder dergleichen. Jedem Pol des Rotors sind vorzugsweise mindestens zwei Kavitäten zugeordnet, wobei diese mindestens zwei Kavitäten vorzugsweise spiegelsymmetrisch einander zugeordnet sind. Die Kavitäten weisen eine Erstreckung in Umfangsrichtung auf. Das bedeutet, dass in Bezug auf die Rotorlängsachse zwischen dem ersten Kavitätsende und dem zweiten Kavitätsende einer Kavität ein Winkel eingeschlossen ist. Dieser Winkel beträgt vorzugsweise zwischen 10° und 20°. Die Kavitäten erstrecken sich vorzugsweise parallel zur Rotorlängsachse, vorzugsweise mit, zumindest abschnittsweise, konstantem Querschnitt. Zudem weisen die Kavitäten in radialer Richtung die Kavitätsbreite auf. Die Kavitäten weisen jeweils am ersten Kavitätsende die erste Kavitätsbreite und am zweiten Kavitätsende die zweite Kavitätsbreite auf. In den Kavitäten ist vorzugsweise Luft angeordnet. Vorzugsweise ist ein Abstand der Kavitäten zur Rotoraußenfläche konstant. Demnach weist ein zwischen den Kavitäten und der Rotoraußenfläche im Rotorgrundkörper ausgebildeter Steg in radialer Richtung vorzugsweise eine konstante Breite auf. Demnach ist es bevorzugt, wenn, eine der Rotoraußenfläche direkt benachbart ausgebildete erste Kavitätswandung der Kavität eine Krümmung um die Rotorlängsachse mit konstantem Radius aufweist.
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Erfindungsgemäß ist die erste Kavitätsbreite größer ausgebildet als die zweite Kavitätsbreite. Das bedeutet, dass die Kavitäten am ersten Kavitätsende eine größere radiale Erstreckung in Bezug auf die Rotorlängsachse aufweisen als am zweiten Kavitätsende. Hierbei ist es bevorzugt, dass eine der Rotoraußenfläche weiter beabstandete zweite Kavitätswandung der Kavitäten am ersten Kavitätsende einen größeren Abstand zur Rotoraußenfläche als am zweiten Kavitätsende aufweist. Die zweite Kavitätswandung kann beispielsweise gerade ausgebildet sein.
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Ein erfindungsgemäßer Rotor hat gegenüber herkömmlichen Rotoren den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise die Oberwellenamplituden des Rotorfelds reduziert sind. Somit sind Drehmomentpendelungen sowie parasitäre Kraftanregungen bei einer Elektromaschine erheblich reduzierbar. Durch die Integration der Kavitäten in das Innere des Rotorgrundkörpers sind parasitäre Effekte von Elektromaschinen mit im Luftspalt ausgebildetem Sinuspol, wie beispielsweise Kühlfluidverwirbelungen, vermeidbar. Darüber hinaus hat der erfindungsgemäße Rotor den Vorteil, dass auf eine zusätzliche Schrägung bzw. Staffelung verzichtet werden kann, sodass Zeitaufwand und Kosten für die Herstellung des erfindungsgemäßen Rotors deutlich reduziert sind.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterentwicklung der Erfindung kann bei einem Rotor vorgesehen sein, dass die Kavitäten eine der benachbarten Rotoraußenfläche zugewandte erste Kavitätswandung mit einer ersten Kavitätskrümmung und eine von der Rotoraußenfläche abgewandte zweite Kavitätswandung mit einer zweiten Kavitätskrümmung aufweisen, wobei die zweite Kavitätskrümmung derart größer als die erste Kavitätskrümmung ausgebildet ist, dass die erste Kavitätswandung und die zweite Kavitätswandung am ersten Kavitätsende einen größeren Abstand voneinander aufweisen als am zweiten Kavitätsende. Die erste Kavitätskrümmung weist vorzugsweise einen ersten Krümmungsradius um die Rotorlängsachse auf. Die zweite Kavitätskrümmung weist vorzugsweise einen zweiten Krümmungsradius um einen Krümmungspunkt neben der Rotorlängsachse auf. Der zweite Krümmungsradius ist vorzugsweise kleiner als der erste Krümmungsradius. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise ein besonders vorteilhafter Sinuspol bereitgestellt ist und die Oberwellenamplituden des Rotorfelds reduziert sind. Somit sind Drehmomentpendelungen sowie parasitäre Kraftanregungen bei einer Elektromaschine weiter reduzierbar.
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Es ist erfindungsgemäß bevorzugt, dass die erste Kavitätskrümmung dieselbe Krümmungsrichtung wie die zweite Kavitätskrümmung und/oder die Rotoraußenfläche aufweist. Unter einer Krümmungsrichtung wird im Rahmen der Erfindung je nach Betrachtungsweise in Umfangsrichtung des Rotors eine Linkskrümmung oder eine Rechtskrümmung verstanden. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise Drehmomentpendelungen sowie parasitäre Kraftanregungen bei einer Elektromaschine weiter reduzierbar sind.
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Weiter bevorzugt ist der Rotorgrundkörper aus mehreren entlang der Rotorlängsachse angeordneten Rotorblechscheiben zusammengesetzt. Die Rotorblechscheiben sind vorzugsweise als Stanzteile mit ausgestanzten Magnettaschen und/oder Kavitäten ausgebildet. Alternativ können die Rotorblechscheiben mittels eines additiven Fertigungsverfahrens, wie beispielsweise Lasersintern, hergestellt sein. Vorzugsweise sind die Rotorblechscheiben voneinander elektrisch isoliert, beispielsweise mittels einer Beschichtung, wie beispielsweise Backlack, einer zwischen zwei Rotorblechscheiben angeordneten elektrisch isolierenden Zwischenschicht oder dergleichen. Auf diese Weise sind durch den Rotor fließende, induzierte Ströme vermeidbar. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine Herstellung des Rotors verbessert ist.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist mindestens eine der Kavitäten durch einen oder mehrere Stege des Rotorgrundkörpers in mehrere Unterkavitäten aufgeteilt. Die Unterkavitäten können auch als Kavitätssegmente bezeichnet werden. Vorzugsweise sind die Unterkavitäten durch Unterkavitätswände voneinander getrennt ausgebildet. Unter einer Unterkavitätswand wird im Rahmen der Erfindung insbesondere ein Steg verstanden, der sich über die gesamte axiale Länge der Kavität bzw. Unterkavität entlang der Rotorlängsachse erstreckt. Die Unterkavitäten weisen im Umfangsrichtung des Rotorgrundkörpers vorzugsweise dieselbe Länge auf. Vorzugsweise weist eine Kavität zwischen 3 und 9, besonders bevorzugt 6, Unterkavitäten auf. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise eine Stabilität des Rotors verbessert ist.
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Vorzugsweise weist der Rotorgrundkörper in einem Rotorlängsachsenbereich, in welchem die Permanentmagnete angeordnet sind, umfänglich einen konstanten Radius auf. Mit anderen Worten weist der Rotorgrundkörper in diesem Bereich vorzugsweise einen kreisrunden Querschnitt mit einem auf der Rotorlängsachse angeordneten Mittelpunkt auf. Vorzugsweise ist der Radius des Rotorgrundkörpers über den gesamten Rotorlängsachsenbereich konstant ausgebildet. Mit anderen Worten ist der Rotorgrundkörper zumindest über den Rotorlängsachsenbereich zylindrisch ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise ein Luftspalt zwischen Rotor und Stator mit konstanter Spaltbreite, also mit vollumfänglich konstantem Abstand zwischen Rotor und Stator bereitstellbar ist. Unter einer Luftspaltbreite wird eine Ausbildung des Luftspalts in radialer Richtung in Bezug auf die Rotorlängsachse verstanden. Ungewünschte parasitäre Verwirbelungen eines im Luftspalt angeordneten Kühlfluids sind somit auf vorteilhafte Weise vermeidbar.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die Magnettaschen eine Taschenkrümmung auf, wobei eine Krümmungsrichtung der Taschenkrümmung einer Krümmungsrichtung einer Kavitätskrümmung der Kavitäten entgegengesetzt ist. Demnach weisen die Magnettaschen bei Kavitäten mit einer Linkskrümmung eine Rechtskrümmung auf. Ein Krümmungsmittelpunkt, um welchen die Magnettaschen gekrümmt sind, ist vorzugsweise außerhalb des Rotorgrundkörpers angeordnet. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise Drehmomentpendelungen sowie parasitäre Kraftanregungen bei einer Elektromaschine weiter reduzierbar sind.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch eine Elektromaschine zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs gelöst. Die Elektromaschine weist einen sich um eine Maschinenlängsachse erstreckenden Stator mit einer mehrsträngigen Statorwicklung zum Erzeugen eines magnetischen Drehfelds auf. Erfindungsgemäß weist die Elektromaschine einen erfindungsgemäßen Rotor auf.
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Die Maschinenlängsachse fällt vorzugsweise mit der Rotorlängsachse des Rotors zusammen. Der Stator umgibt vorzugsweise einen Abschnitt des Rotors teilumfänglich oder vollumfänglich. Vorzugsweise weist der Stator Statorzähne auf, zwischen welchen Statornuten ausgebildet sind. Vorzugsweise sind in den Statornuten Statorwicklungen, insbesondere eine mehrsträngige Statorwicklung, zur Erzeugung eines Magnetfelds angeordnet. Weiter bevorzugt weist die Elektromaschine eine Leistungselektronik zum gezielten Bestromen der Statorwicklungen oder einen elektrischen Anschluss zum elektrischen Koppeln mit einer anwendungsspezifischen Leistungselektronik auf.
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Bei der erfindungsgemäßen Elektromaschine ergeben sich sämtliche Vorteile, die bereits zu einem Rotor für eine Elektromaschine zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind. Demnach hat die erfindungsgemäße Elektromaschine gegenüber herkömmlichen Elektromaschinen den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise die Oberwellenamplituden des Rotorfelds reduziert sind. Somit sind Drehmomentpendelungen sowie parasitäre Kraftanregungen gegenüber herkömmlichen Elektromaschinen erheblich reduziert. Durch die Integration der Kavitäten in das Innere des Rotorgrundkörpers sind parasitäre Effekte von Elektromaschinen mit im Luftspalt ausgebildetem Sinuspol, wie beispielsweise Kühlfluidverwirbelungen, vermeidbar. Darüber hinaus hat die erfindungsgemäße Elektromaschine den Vorteil, dass auf eine zusätzliche Schrägung bzw. Staffelung des Rotors verzichtet werden kann, sodass Zeitaufwand und Kosten für die Herstellung der erfindungsgemäßen Elektromaschine deutlich reduziert sind.
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Besonders bevorzugt ist in einem Maschinenlängsachsenbereich, in welchem der Rotor Permanentmagnete aufweist, zwischen dem Stator und dem Rotor ein Luftspalt mit einer konstanten Luftspaltbreite ausgebildet. Unter einer Luftspaltbreite wird eine Ausbildung des Luftspalts in radialer Richtung in Bezug auf die Rotorlängsachse bzw. Maschinenlängsachse verstanden. Dies hat den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise ungewünschte parasitäre Verwirbelungen eines im Luftspalt angeordneten Kühlfluids vermeidbar sind.
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Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird die Aufgabe durch ein Kraftfahrzeug mit einem Antriebssystem zum Antreiben des Kraftfahrzeugs gelöst. Erfindungsgemäß weist das Antriebssystem eine erfindungsgemäße Elektromaschine auf.
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Bei dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug ergeben sich sämtliche Vorteile, die bereits zu einem Rotor für eine Elektromaschine zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung sowie zu einer Elektromaschine zum Antreiben eines Kraftfahrzeugs gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung beschrieben worden sind. Demnach hat das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug gegenüber herkömmlichen Kraftfahrzeugen den Vorteil, dass mit einfachen Mitteln sowie auf eine kostengünstige Art und Weise die Oberwellenamplituden des Rotorfelds reduziert sind. Somit sind Drehmomentpendelungen sowie parasitäre Kraftanregungen gegenüber Kraftfahrzeugen mit herkömmlichen Elektromaschinen erheblich reduziert. Durch die Integration der Kavitäten in das Innere des Rotorgrundkörpers sind parasitäre Effekte von Elektromaschinen mit im Luftspalt ausgebildetem Sinuspol, wie beispielsweise Kühlfluidverwirbelungen, vermeidbar. Darüber hinaus hat das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug den Vorteil, dass auf eine zusätzliche Schrägung bzw. Staffelung des Rotors der Elektromaschine verzichtet werden kann, sodass Zeitaufwand und Kosten für die Herstellung der Elektromaschine deutlich reduziert sind.
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Ein erfindungsgemäßer Rotor, eine erfindungsgemäße Elektromaschine sowie ein erfindungsgemäßes Kraftfahrzeug werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen jeweils schematisch:
- 1 in einer Schnittdarstellung eine Elektromaschine gemäß einer bevorzugten ersten Ausführungsform,
- 2 in einer Schnittdarstellung einen vergrößerten Ausschnitt der Elektromaschine aus 1,
- 3 in einer Schnittdarstellung einen vergrößerten Ausschnitt einer Elektromaschine gemäß einer bevorzugten zweiten Ausführungsform,
- 4 in einer Seitenansicht eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektromaschine, und
- 5 in einer Seitenansicht eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs.
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Elemente mit gleicher Funktion und Wirkungsweise sind in den 1 bis 5 jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist eine Elektromaschine 2 gemäß einer bevorzugten ersten Ausführungsform schematisch in einer Schnittdarstellung abgebildet. Von der Elektromaschine 2 ist der besseren Übersicht halber lediglich ein Viertelsegment dargestellt. Die Elektromaschine 2 weist einen Rotor 1 mit einem vorzugsweise als Rotorblechpaket ausgebildeten Rotorgrundkörper 5 sowie einer Rotorlängsachse 4, einen Stator 17 und eine koaxial zur Rotorlängsachse 4 angeordnete Maschinenlängsachse 16 auf. Der Stator 17 umgibt den Rotor 1 vollumfänglich unter Ausbildung eines Luftspalts 19 zwischen einer Rotoraußenfläche 6 des Rotors 1 und dem Stator 17.
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In dem Rotorgrundkörper 5 sind mehrere Magnettaschen 7 jeweils paarweise mit einer in Umfangsrichtung U ausgebildeten Taschenkrümmung angeordnet, wobei die Taschenkrümmung einer Krümmungsrichtung der Rotoraußenfläche 6 entgegengesetzt ist. In den Magnettaschen 7 ist jeweils ein Permanentmagnet 8 angeordnet, sodass jedes Paar Magnettaschen 7 einen magnetischen Pol des Rotors 1 bildet.
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In einem Bereich zwischen den Magnettaschen 7 und der direkt benachbarten Rotoraußenfläche 6 weist der Rotorgrundkörper 5 mehrere Kavitäten 9 auf, die in 2 besser erkennbar sind. Jedem Paar Magnettaschen 7 sind zwei Kavitäten 9 zugeordnet. Die Kavitäten 9 weisen in Umfangsrichtung U jeweils ein erstes Kavitätsende 10 und ein zweites Kavitätsende 11 auf. Das erste Kavitätsende 10 weist in radialer Richtung R, also in Richtung von der Rotoraußenfläche 6 radial zur Rotorlängsachse 4 hin, eine erste Kavitätsbreite B1 auf. Das zweite Kavitätsende 11 weist in radialer Richtung R eine zweite Kavitätsbreite B2 auf. Wie aus 2 deutlich hervorgeht, ist die erste Kavitätsbreite B1 größer als die zweite Kavitätsbreite B2.
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Die Kavitäten 9 weisen eine dem Stator 17 zugewandte erste Kavitätswandung 12 und eine der ersten Kavitätswandung 12 entgegengesetzte zweite Kavitätswandung 13 auf. Die erste Kavitätswandung 12 verläuft mit konstantem Abstand zur Rotoraußenfläche 6, während ein Abstand von der zweiten Kavitätswandung 13 zur Rotoraußenfläche 6 vom ersten Kavitätsende 10 zum zweiten Kavitätsende 11 hin stetig abnimmt. Eine Krümmungsrichtung der ersten Kavitätswandung 12 und der zweiten Kavitätswandung 13 entspricht einer Krümmungsrichtung der Rotoraußenfläche 6. In Umfangsrichtung U weisen die Kavitäten 9 eine geringere Erstreckung als die Magnettaschen 7 auf. Der Stator 17 weist mehrere Statornuten auf, in welchen eine Statorwicklung 18 angeordnet ist. Die Statornuten sind durch Statorzähne 21 des Stators 17 in Umfangsrichtung U begrenzt.
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In 3 ist ein vergrößerter Ausschnitt einer bevorzugten zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektromaschine 2 schematisch in einer Schnittdarstellung abgebildet. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform in der Ausbildung der Kavitäten 9. Wie aus 3 ersichtlich, sind die Kavitäten 9 durch mehrere Stege 14 in jeweils sechs Unterkavitäten 15 unterteilt, welche in Umfangsrichtung U nebeneinander angeordnet sind und in Umfangsrichtung U jeweils dieselbe Erstreckungslänge aufweisen. Aufgrund der unterschiedlichen Krümmungen der ersten Kavitätswandung 12 und der zweiten Kavitätswandung 13 weist die am ersten Kavitätsende 10 angeordnete Unterkavität 15 einen wesentlich größeren Querschnitt als die am zweiten Kavitätsende 11 angeordnete Unterkavität 15 auf.
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4 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Elektromaschine 2 schematisch in einer Seitenansicht. Die Elektromaschine 2 weist einen erfindungsgemäßen Rotor 1 sowie einen den Rotor 1 umfänglich umgebenden Stator 17 auf. Der Rotor 1 ist mit einem Getriebe 23 mechanisch gekoppelt. Zum Bestromen des Stators 17 weist die Elektromaschine 2 mehrere elektrische Anschlüsse 22 auf.
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In 5 ist eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs 3 schematisch in einer Seitenansicht abgebildet. Das Kraftfahrzeug 3 weist ein Antriebssystem 20 mit einer erfindungsgemäßen Elektromaschine 2 und einem mit der Elektromaschine 2 mechanisch gekoppelten Getriebe 23 auf.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rotor
- 2
- Elektromaschine
- 3
- Kraftfahrzeug
- 4
- Rotorlängsachse
- 5
- Rotorgrundkörper
- 6
- Rotoraußenfläche
- 7
- Magnettasche
- 8
- Permanentmagnet
- 9
- Kavität
- 10
- erstes Kavitätsende
- 11
- zweites Kavitätsende
- 12
- erste Kavitätswandung
- 13
- zweite Kavitätswandung
- 14
- Steg
- 15
- Unterkavität
- 16
- Maschinenlängsachse
- 17
- Stator
- 18
- Statorwicklung
- 19
- Luftspalt
- 20
- Antriebssystem
- 21
- Statorzahn
- 22
- elektrische Anschlüsse
- 23
- Getriebe
- B1
- erste Kavitätsbreite
- B2
- zweite Kavitätsbreite
- R
- radiale Richtung
- U
- Umfangsrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2015/0042200 A1 [0006]
- US 7550891 B2 [0007]
- EP 1492213 A1 [0007]
