DE102021104785A1

DE102021104785A1 - Läufer für eine Synchronmaschine

Info

Publication number: DE102021104785A1
Application number: DE102021104785.4A
Authority: DE
Inventors: György Farkas
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2021-03-01
Filing date: 2021-03-01
Publication date: 2022-09-01

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Läufer (10) für eine Synchronmaschine (12), mit einem Grundkörper (14), der luftspaltseitig in Umfangsrichtung in Bezug auf eine Drehachse (18) des Läufers (10) nebeneinander angeordnete Nuten (20, 22, 24) zur Aufnahme jeweiliger Wicklungsabschnitte (26) einer Erregerwicklung des Läufers (10) aufweist, wobei jeweils zwei in Umfangsrichtung unmittelbar benachbarte Nuten (20, 22, 24) einen jeweiligen Zahn (30, 32, 34) bilden, wobei der jeweilige Zahn (30, 32, 34) quer zur Drehachse (18) zumindest teilweise eine bogenförmige Kontur (28) aufweist, sodass eine Breite des Zahns (30, 32, 34), die dem Abstand zwischen in Umfangsrichtung unmittelbar benachbarten Nuten (20, 22, 24) entspricht, im Bereich der bogenförmigen Kontur (28) in einem ersten radialen Abstand (36) zum Luftspalt (40) größer als in einem zweiten radialen Abstand (38) zum Luftspalt (40) ist, der größer als der erste radiale Abstand (36) ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Läufer für eine Synchronmaschine, mit einem Grundkörper, der luftspaltseitig in Umfangsrichtung in Bezug auf eine Drehachse des Läufers nebeneinander angeordnete und luftspaltseitig offene Nuten zur Aufnahme jeweiliger Wicklungsabschnitte einer Erregerwicklung des Läufers aufweist, wobei jeweils zwei in Umfangsrichtung unmittelbar benachbarte Nuten einen jeweiligen Zahn bilden. Ferner betrifft die Erfindung eine Synchronmaschine, mit einem Ständer und einem gegenüber dem Ständer drehbar angeordneten Läufer. Schließlich betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer Synchronmaschine.
Läufer für Synchronmaschinen, Synchronmaschinen, insbesondere fremderregte Synchronmaschinen, und Kraftfahrzeuge sind im Stand der Technik umfänglich bekannt, sodass es dem Grunde nach eines gesonderten druckschriftlichen Nachweises diesbezüglich nicht bedarf. Gattungsgemäße Synchronmaschinen werden nicht nur, aber mittlerweile häufig bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen wie beispielsweise Hybridfahrzeugen, Elektrofahrzeugen oder dergleichen im Bereich einer jeweiligen Antriebseinrichtung eingesetzt. Sie können darüber hinaus jedoch nicht nur bei der Antriebseinrichtung des Kraftfahrzeugs sondern auch bei anderen Antriebsfunktionen zum Einsatz kommen, beispielsweise bei einem Fensterheber, einem Anlasser und/oder dergleichen.
Die Synchronmaschine ist eine rotierende elektrische Maschine, die in einem Motorbetrieb elektrische Energie in mechanische Energie, insbesondere Bewegungsenergie in Form einer Rotation und/oder in einem Generatorbetrieb mechanische Energie in elektrische Energie umformt. Bei der Bewegung handelt es sich in der Regel um eine Drehbewegung, die vom Läufer gegenüber dem Ständer ausgeführt wird. Der Ständer ist im Unterschied zum Läufer in der Regel drehfest angeordnet, das heißt, bei einer Drehbewegung handelt es sich um eine Drehbewegung des Läufers gegenüber dem Ständer.
Der Ständer und der Läufer sind mittels eines magnetischen Flusses verkettet, wodurch im Motorbetrieb die Kraftwirkung, nämlich das Drehmoment, erzeugt wird, die den Läufer gegenüber dem Ständer drehend antreibt. Im Generatorbetrieb kann dagegen dem Läufer zugeführte mechanische Energie in Form eines Drehmoments in elektrische Energie umgewandelt werden. Zu diesem Zweck weist der Ständer und auch der Läufer in der Regel eine magnetische Einheit auf, die ihrerseits eine von einem elektrischen Strom durchflossene Wicklung umfasst. Synchronmaschinen der gattungsgemäßen Art sind insbesondere zum Beispiel Drehfeldmaschinen, die an ein mehrphasiges, insbesondere dreiphasiges, elektrisches Energieversorgungsnetz anschließbar sind, und zwar besonders fremderregte Synchronmaschinen, Synchron-Reluktanzmaschinen, Synchronmaschinen mit Dämpferkäfig oder dergleichen. Die Synchronmaschine kann sowohl als Innenläufer als auch als Außenläufer ausgebildet sein.
Bei einem elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeug dient die Synchronmaschine häufig zum Antrieb des Kraftfahrzeugs während eines bestimmungsgemäßen Fahrbetriebs des Kraftfahrzeugs. Daneben kann sie auch für andere Antriebsfunktionen vorgesehen sein, beispielsweise bei einem Fensterheber, bei einer Öl- und/oder Wasserpumpe und/oder dergleichen.
Magnetische Einheiten, die sowohl im Ständer als auch insbesondere im Läufer angeordnet sind, dienen unter anderem dazu, insbesondere während des bestimmungsgemäßen Betriebs der rotierenden elektrischen Maschine, den dabei auftretenden magnetischen Fluss in vorgebbarer Weise bereitzustellen und/oder zu führen, um die gewünschte Kraftwirkung beziehungsweise das gewünschte Drehmoment realisieren zu können. Die magnetische Einheit des Läufers weist dabei in der Regel einen Grundkörper aus einem zumindest teilweise magnetisierbaren Werkstoff auf. Es ist zu bedenken, dass eine magnetische Flussdichte sowie auch die Richtung der magnetischen Flussdichte beziehungsweise eines magnetischen Flusses in der magnetischen Einheit sehr unterschiedlich sein kann. Im Stand der Technik wird für den Grundkörper häufig ein Blechpaket aus in axialer Richtung in Bezug auf die Drehachse des Läufers aufeinanderfolgend angeordneten und elektrisch gegenüber einander isolierten einzelnen Blechen oder auch ein Körperelement aus einem magnetisierbaren Werkstoff eingesetzt, der elektrisch schlecht leitfähig ist. Eine solcher Grundkörper weist in der Regel nahezu isotrope Flussführungseigenschaften für den magnetischen Fluss auf.
Insbesondere bei Synchronmaschinen ist es bekannt, eine läuferseitig eine in der Regel gleichstrombeaufschlagte Erregerwicklung vorzusehen, um läuferseitige magnetische Pole in eine Umfangsrichtung quer zu einer Drehachse des Läufer bereitzustellen. Hierfür ist jedoch ein Aufwand zur Energieversorgung erforderlich, der den Wirkungsgrad der Synchronmaschine in nicht unerheblicher Weise beeinträchtigen kann. Für die Nutzung als Antrieb bei einem elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeug ist es jedoch wünschenswert, einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erreichen, weil dieser sich unter anderem auf eine Reichweite des Kraftfahrzeugs auswirken kann.
In diesem Zusammenhang offenbart zum Beispiel die WO 2012/107109 A1 einen Läufer für eine fremderregte Synchronmaschine, der vorspringende Pole aufweist, die eine luftspaltseitige Oberfläche mit einem elliptischen Profil aufweisen. Auch wenn sich diese Lehre bewährt hat verbleibt weiterer Verbesserungsbedarf. Eine Verbesserung des Wirkungsgrads kann hier in der Regel nur sehr begrenzt erreicht werden. Insbesondere bezüglich der Frage der Erregung kann mit dieser Lehre keine signifikante Verbesserung erreicht werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Läufer dahingehend weiterzubilden, dass Energieaufwand für die Erregung reduziert werden kann.
Als Lösung werden mit der Erfindung ein Läufer, eine Synchronmaschine sowie ein Kraftfahrzeug gemäß den unabhängigen Ansprüchen vorgeschlagen.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich durch Merkmale der abhängigen Ansprüche.
Bezüglich eines gattungsgemäßen Läufers wird mit der Erfindung insbesondere vorgeschlagen, dass der jeweilige Zahn quer zur Drehachse zumindest teilweise eine bogenförmige Kontur aufweist, sodass eine Breite des Zahns, die dem Abstand zwischen in Umfangsrichtung unmittelbar benachbarten Nuten entspricht, im Bereich der bogenförmigen Kontur in einem ersten radialen Abstand zum Luftspalt größer als in einem zweiten radialen Abstand zum Luftspalt ist, der größer als der erste radiale Abstand ist.
Bezüglich einer gattungsgemäßen Synchronmaschine wird mit der Erfindung insbesondere vorgeschlagen, dass der Läufer gemäß der Erfindung ausgebildet ist.
Bezüglich eines gattungsgemäßen Kraftfahrzeugs wird mit der Erfindung insbesondere vorgeschlagen, dass die Synchronmaschine gemäß der Erfindung ausgebildet ist.
Die Erfindung basiert unter anderem auf dem Gedanken, bei der fremderregten Synchronmaschine eine Reluktanzwirkung zumindest teilweise ergänzend für Antriebszwecke zu nutzen. Es hat sich gezeigt, dass bei einer fremderregten Synchronmaschine, bei der eine Erregung des Läufers beziehungsweise der Läuferwicklung deaktiviert ist, nur eine vergleichsweise geringe Reluktanzwirkung auftritt. Es wurde nun gefunden, dass diese Reluktanzwirkung durch die Form der Nuten, die unter anderem auch die Erregerwicklung aufnehmen, erheblich verbessert werden kann. Dadurch ist es möglich, Energieaufwand für die Erregung des Läufers deutlich zu reduzieren, wodurch der Wirkungsgrad der Synchronmaschine insgesamt deutlich verbessert werden kann. Alternativ oder ergänzend kann auch ein Drehmoment der Synchronmaschine vergrößert sein. Je nach Konstruktion der Synchronmaschine kann für die Nuten vorgesehen sein, dass diese luftspaltseitig offen sind. Sie können auch zumindest teilweise geschlossen ausgebildet sein. In Bezug auf ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug kann dadurch der Verbrauch an elektrischer Energie, und damit auch dessen Reichweite, verbessert werden.
Um die Reluktanzwirkung zu verbessern, sieht die Erfindung vor, dass die Zähne quer zur Drehachse zumindest teilweise eine bogenförmige, insbesondere eine hyperbelförmige, Kontur aufweisen. Dadurch kann eine Struktur mit einem spezifischen Flussleitabschnitt geschaffen werden, die - wie bei einer Synchron-Reluktanzmaschine - zur spezifischen Führung des magnetischen Flusses im bestimmungsgemäßen Betrieb dienen kann und so eine gute Nutzung des Reluktanzeffekts bewirken kann. Damit kann dem Grunde nach sogar eine Antriebswirkung ohne jegliche Erregung erreicht werden. Darüber hinaus ermöglicht es die Erfindung, die Erregung bedarfsweise ergänzend abhängig von einer gewünschten Antriebsleistung beziehungsweise Antriebsgeschwindigkeit einzustellen. Dadurch ergeben sich weitere Vorteile besonders im Teillastbetrieb, der gerade bei elektrisch antreibbaren Kraftfahrzeugen überwiegend genutzt wird.
Beim Stand der Technik ist die klassische aktuelle Kontur eines Zahns quer zur Drehachse die, dass eine Breite des Zahns, die dem Abstand zwischen den Umfangsrichtung unmittelbar benachbarten Nuten entspricht, in etwa radialer Richtung im Wesentlichen konstant ist. Das heißt, ein Schaftbereich des Zahns weist luftspaltseitig etwa eine Neckbreite auf, die im Wesentlichen auch einer Fußbreite entspricht. Eine Ziel bei dieser Kontur ist es, eine gleichmäßige magnetische Flussdichte im Zahn über eine Necklänge, die sich im Wesentlichen radial erstreckt, zu erreichen.
Die Erfindung weicht von diesem Konzept ab und schlägt eine neue Kontur für die Zähne und die Nuten vor, die durch die Bogenform bestimmt ist. Durch diese spezifische Kontur ist es möglich, nicht nur den bestimmungsgemäßen Betrieb mit Fremderregung zu realisieren, sondern zugleich ergänzend auch eine Reluktanzwirkung nutzbar zu machen. Dem Grunde nach kann die Kontur der Zähne und/oder der Nuten der von Flussleitabschnitten und Flusssperrabschnitten eines Läufers einer Synchron-Reluktanzmaschine angelehnt sein. Das führt dazu, dass bei der Erfindung die Neckbreite in der Regel erheblich kleiner als die Fußbreite ist.
Die Bogenform kann vorzugsweise durch eine Hyperbelform gebildet sein. Darüber hinaus kann sie jedoch auch durch eine Halbkreisform oder eine Halbellipse gebildet sein.
Durch die spezifische Form der Zähne beziehungsweise Nuten des Läufers beziehungsweise des Grundkörpers kann mit der Synchronmaschine im bestimmungsgemäßen Betrieb ein größeres Drehmoment erreicht werden, und zwar bei ansonsten im wesentlichen gleichen Abmessungen der weiteren Teile. Die hierfür ursächliche Wirkung ist die vergrößerte Wirkung in Bezug auf ein Reluktanzdrehmoment.
Der Grundkörper ist vorzugsweise aus einem magnetisierbaren Werkstoff gebildet, welcher zum Beispiel ein Eisenblech oder dergleichen sein kann. Der Grundkörper kann jedoch auch aus einem Ferritwerkstoff gebildet sein, der magnetisierbar ist und der eine möglichst geringe elektrische Leitfähigkeit aufweist. Natürlich können auch Kombinationen hiervon oder weitere Ausgestaltungen hierzu vorgesehen sein. Der Grundkörper kann dem Grunde nach einstückig oder auch mehrteilig ausgebildet sein. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Zähne als separate Elemente mit einem Zentralteil des Grundkörpers verbunden werden, um den Grundkörper insgesamt zu bilden. Dies kann zum Beispiel vorteilhaft sein, um die Erregerwicklung auf den Zähnen anzuordnen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass in Umfangsrichtung jeweils eine der Nuten zwei unmittelbar benachbarte Zähne voneinander beabstandet und die Kontur der Nut durchgängig bogenförmig ausgebildet ist. Vorzugsweise weist die Kontur keinerlei Ecken und/oder Kanten auf. Dadurch kann die erfindungsgemäße Wirkung besonders gut realisiert werden.
Darüber hinaus kann in einer jeweiligen Nut ein radialer Steg ausgebildet sein. Vorzugsweise ist der radiale Steg aus dem gleichen Werkstoff wie der Grundkörper gebildet. Der radiale Steg kann auch einstückig mit dem Grundkörper ausgebildet sein. Dem Grunde nach kann er aber auch als separates Bauteil nach dem Aufbringen der Wicklung auf die Zähne am Grundkörper beziehungsweise am Läufer angeordnet beziehungsweise befestigt werden. Der Steg kann auch dazu genutzt werden, die jeweilige Nut vollständig zu verschließen. Insbesondere kann der radiale Steg dazu genutzt werden, die Erregerwicklung, die ebenfalls in der jeweiligen Nut angeordnet ist, mechanisch zu fixieren. Insofern kann der radiale Steg ergänzend auch zum Fixieren beziehungsweise Stützen der Wicklung, insbesondere beim bestimmungsgemä-ßen Betrieb, ausgebildet sein.
Vorzugsweise weist der Zahn einen Schaftbereich und einen in radialer Richtung an den Schaftbereich anschließenden luftspaltseitigen Kopfbereich auf, wobei der Schaftbereich die bogenförmige Kontur aufweist und der Kopfbereich die den Zahn bildenden Nuten in Umfangsrichtung zumindest teilweise überragt. Dadurch kann die Erregerwicklung, die an den Zähnen angeordnet ist, in radialer Richtung gestützt werden, und zwar insbesondere wenn der Läufer als Innenläufer ausgebildet ist. Der Schaftbereich und der Kopfbereich können einstückig ausgebildet sein. Sie können jedoch auch als separate Bauteile ausgebildet sein, die beim Herstellen des Grundkörpers beziehungsweise des Läufers in geeigneter Weise zusammengefügt und miteinander fest verbunden werden. Der Kopfbereich kann im Querschnitt nach Art eines Pilzkopfes oder dergleichen ausgebildet sein. Der Kopfbereich kann auch derartig ausgebildet sein, dass die Nut im Wesentlichen vollständig verschlossen werden kann. Insbesondere kann der Kopfbereich eines Zahns mit dem Kopfbereich eines unmittelbar benachbarten Zahns mechanisch verbunden sein. Die Kopfbereiche der Zähne können auch durch eine einzige gemeinsame Hülse gebildet sein, die eine Durchgangsöffnung aufweist, in der der Grundkörper mit den Schaftbereichen der Zähne und den Wicklungsabschnitten angeordnet ist. Auch weitere Ausgestaltungen sind denkbar. Der Kopfbereich ist vorzugsweise aus dem gleichen Material wie der Schaftbereich gebildet. Je nach Bedarf kann der Kopfbereich jedoch auch aus einem anderen Werkstoff gebildet sein. Sind der Schaftbereich und der Kopfbereich als separate Teile vorgesehen, kann eine mechanische Verbindung mittels stoffschlüssiger Verbindungsverfahren wie Löten, Schweißen, Kleben oder dergleichen vorgesehen sein. Darüber hinaus kann natürlich auch eine Verbindung unter Nutzung von Nieten, Schrauben und/oder dergleichen vorgesehen sein. Natürlich können auch Kombinationen hierzu vorgesehen sein.
Vorzugsweise weist der Kopfbereich quer zur Drehachse luftspaltseitig eine teilkreisförmige Oberfläche mit einem Kopfradius auf, der einem luftspaltseitigen Radius des Läufers entspricht. Dadurch kann luftspaltseitig mit dem Grundkörper eine im Wesentlichen Kreisform erreicht werden, die besonders strömungsgünstig ist. Dies ist zum Beispiel für Synchronmaschinen besonders geeignet, die für große Drehzahlen ausgebildet sind, beispielsweise eine Drehzahl von größer als 10.000 Umdrehungen pro Minute oder dergleichen.
Gemäß einer Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass der Zahn einen Schaftbereich und einen in radialer Richtung an den Schaftbereich anschließenden luftspaltseitigen Kopfbereich aufweist, wobei der Läufer als Innenläufer ausgebildet ist und der Kopfbereich quer zur Drehachse luftspaltseitig eine Teilkreisförmige Oberfläche mit einem kleineren Kopfradius als der luftspaltseitige Radius des Läufers aufweist. Der kleinere Kopfradius braucht kein konstanter Radius zu sein. Beispielsweise kann auch eine Ellipsenform zugrundeliegen. Dadurch kann eine verbesserte Führung in Bezug auf das Magnetfeld beziehungsweise den magnetischen Fluss erreicht werden.
Darüber hinaus kann auch vorgesehen sein, dass der Läufer als Außenläufer ausgebildet ist und der Kopfbereich quer zur Drehachse luftspaltseitig eine teilkreisförmige Oberfläche mit einem Kopfradius aufweist, der größer als der luftspaltseitige Radius des Läufers ist. Auch hierdurch kann eine verbesserte Führung des magnetischen Flusses erreicht werden, sodass insgesamt durch diese beiden Weiterbildungen auch die Reluktanzwirkung weiter verbessert werden kann.
Es wird ferner vorgeschlagen, dass der Grundkörper im Bereich eines jeweiligen Zahns wenigstens eine axiale Durchgangsöffnung aufweist, um wenigstens einen Flussleitabschnitt und wenigstens einen Flusssperrabschnitt für den magnetischen Fluss im bestimmungsgemäßen Betrieb der Synchronmaschine auszubilden. Durch die Durchgangsöffnung kann die Reluktanzwirkung weiter verbessert werden und zugleich auch eine Masse sowie ein Trägheitsmoment des Grundkörpers beziehungsweise des Läufers reduziert werden. Auch diese Maßnahmen können dazu führen, dass der Wirkungsgrad der Synchronmaschine im bestimmungsgemäßen Betrieb verbessert werden kann. Die Durchgangsöffnung kann beispielsweise in Bezug auf eine radiale Mittellinie des jeweiligen Zahns mittig angeordnet sein, sodass in Umfangsrichtung zwei im Wesentlichen etwa eine gleiche Querschnittsfläche für den magnetischen Fluss aufweisende Flussleitabschnitte realisiert werden können. Besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn die Durchgangsöffnung in radialer Richtung in einen Bereich hineinragt, der vom Luftspalt aus gesehen tiefer im Grundkörper hineinragt als die Nuten. Natürlich können auch mehrere Durchgangsöffnungen vorgesehen sein, die in geeigneter Weise ausgebildet sind.
Besonders vorteilhaft kann darüber hinaus vorgesehen sein, dass eine Öffnungskontur der Durchgangsöffnung zumindest teilweise an eine Querschnittskontur des Zahns angepasst ausgebildet ist. Beispielsweise kann die Kontur der Durchgangsöffnung so gewählt sein, dass in Richtung der Flussführung ein im Wesentlichen konstanter Querschnitt für den magnetischen Fluss im bestimmungsgemäßen Betrieb bereitgestellt werden kann. Hierdurch kann die Reluktanzwirkung weiter optimiert werden. Dem Grunde nach können natürlich auch mehrere Öffnungen vorgesehen sein, die entsprechend an die Querschnittskontur des Zahns angepasst ausgebildet sind. Dies kann von der jeweiligen spezifischen Anwendung abhängig vorgesehen sein.
Die für den Läufer angegebenen Vorteile und Wirkungen gelten natürlich gleichermaßen auch für die mit dem erfindungsgemäßen Läufer ausgerüstete Synchronmaschine beziehungsweise das mit der erfindungsgemäßen Synchronmaschine ausgerüstete Kraftfahrzeug und umgekehrt.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt als Kraftwagen, insbesondere als Personenkraftwagen oder Lastkraftwagen, oder als Personenbus oder Motorrad ausgestaltet.
Die Erfindung umfasst auch die Kombinationen der Merkmale der beschriebenen Ausführungsformen. Die Erfindung umfasst also auch Realisierungen, die jeweils eine Kombination der Merkmale mehrerer der beschriebenen Ausführungsformen aufweisen, sofern die Ausführungsformen nicht als sich gegenseitig ausschließend beschrieben wurden.
Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Hierzu zeigt:

1 in einer schematischen Seitenansicht ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug mit einer elektrischen Antriebseinrichtung, die eine Synchronmaschine umfasst;
2 in einer schematischen Schnittansicht einen Ausschnitt eines Läufers mit einem Grundkörper, der hyperbelförmige Nuten gemäß einer ersten Ausgestaltung aufweist,
3 in einer schematischen Schnittansicht eine zweite Ausgestaltung der Nuten, bei die Nuten halbkreisförmig ausgebildet sind,
4 in einer schematischen Schnittansicht eine dritte Ausgestaltung der Nuten, bei die Nuten halbellipsenförmig ausgebildet sind,
5 in einer schematischen Schnittansicht einen Ausschnitt eines Pols gemäß 2 gegenübergestellt zu einem Pol eines Läufers des Stands der Technik,
6 in einer schematischen Schnittansicht eine Synchronmaschine mit dem Läufer gemäß 2,
7 in einer schematischen Schnittansicht wie 6 eine Synchronmaschine, bei der die Nuten luftspaltseitig verschlossen sind,
8 in einer schematischen Schnittansicht einen Sektor einer Synchronmaschine mit einem Läufer basierend auf 7, wobei im Bereich eines jeweiligen Zahns im Grundkörper eine Durchgangsöffnung gemäß einer vierten Ausgestaltung ausgebildet ist,
9 in einer schematischen Schnittansicht wie 8 einen Sektor einer Synchronmaschine mit einem Läufer basierend auf 7, wobei im Bereich eines jeweiligen Zahns des Grundkörpers zwei Durchgangsöffnungen gemäß einer fünften Ausgestaltung ausgebildet sind, und
10 in einer schematischen Diagrammdarstellung ein Erregerstromdichte-Drehmomentdiagramm, welches eine Gegenüberstellung der Wirkung der Ausgestaltungen gegenüber einer Synchronmaschine mit dem Läufer des Stands der Technik gemäß 5 darstellt.

Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden. Daher soll die Offenbarung auch andere als die dargestellten Kombinationen der Merkmale der Ausführungsformen umfassen. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen jeweils funktionsgleiche Elemente.
1 zeigt in einer schematischen Seitenansicht ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug, welches hier als Elektrofahrzeug 50 ausgebildet ist. Das Elektrofahrzeug 50 weist eine elektrische Antriebseinrichtung 52 auf, die eine Synchronmaschine 12 zum Antreiben des Elektrofahrzeugs 50 in einem bestimmungsgemäßen Fahrbetrieb umfasst. Die Synchronmaschine 12 ist vorliegend als mehrphasige Synchronmaschine 12 ausgebildet. Die elektrische Antriebseinrichtung 52 ist ferner über einen mehrphasigen Wechselrichter 56 als Energiewandler an eine Hochvoltbatterie 54 angeschlossen, die der elektrischen Energieversorgung der Antriebseinrichtung 52 dient.
2 zeigt in einer schematischen Schnittansicht einen Ausschnitt eines Läufers 10, der für die Synchronmaschine 12 gemäß 1 vorgesehen ist. Der Läufer 10 weist einen Grundkörper 14 auf, der vorliegend aus einem Stapel von in axialer Richtung entlang einer Drehachse 18 (5, 6) des Läufers 10 aufeinanderfolgend angeordneter magnetisierbarer Elektrobleche gebildet ist, die voneinander elektrisch isoliert angeordnet sind. Der hierdurch gebildete Grundkörper 14 weist eine nicht bezeichnete zentrale Durchgangsöffnung auf, in der eine Läuferwelle 16 angeordnet ist, die mit dem Grundkörper 14 drehfest verbunden ist. Der Läufer 10 ist um die Drehachse 18 drehbar in einer Durchgangsöffnung eines Ständers 48 (6) der Synchronmaschine 12 gelagert.
Der Grundkörper 14 weist luftspaltseitig in Umfangsrichtung in Bezug auf die Drehachse 18 des Läufers 10 nebeneinander angeordnete Nuten 20 zur Aufnahme von jeweiligen Wicklungsabschnitten 26 einer nicht weiter bezeichneten Erregerwicklung des Läufers 10 auf. Dadurch ist der Läufer 10 ein Läufer für eine fremderregte Synchronmaschine. Im bestimmungsgemäßen Betrieb wird die Erregerwicklung mit einem Gleichstrom beaufschlagt, sodass der Läufer 10 in Umfangsrichtung aufeinander folgend alternierende magnetische Pole bereitstellt, die für den bestimmungsgemäßen Betrieb der Synchronmaschine 12 genutzt werden.
Der Läufer 10 ist vorliegend als Innenläufer ausgebildet, wie sich aus den weiteren Ausführungsbeispielen gemäß der 6 bis 9 ergibt. Dem Grunde nach kann der Läufer 10 in alternativen Ausgestaltungen jedoch auch als Außenläufer ausgebildet sein, ohne dass die erfindungsgemäße Wirkung dadurch nicht erreichbar wäre.
Jeweils zwei in Umfangsrichtung unmittelbar benachbarte Nuten 20 bilden einen jeweiligen Zahn 30, der im bestimmungsgemäßen Betrieb den jeweiligen magnetischen Pol luftspaltseitig bereitstellt. Jeder Zahn 30 stellt im bestimmungsgemäßen Betrieb einen jeweiligen magnetischen Pol bereit. Zu diesem Zweck ist für jeden der Zähne 30 in den Nuten 20 ein jeweiliger Wicklungsabschnitt 26 angeordnet, um einen magnetischen Fluss im bestimmungsgemäßen Betrieb bereitzustellen. In der vorliegenden Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Wicklungsabschnitte 26 Läuferseitig in Reihe geschaltet sind. In alternativen Ausgestaltungen kann dem Grunde nach auch vorgesehen sein, dass Wicklungsabschnitte 26 zumindest teilweise auch parallelgeschaltet sind.
Jeder der Zähne 30 weist quer zur Drehachse 18 einen Schaftbereich 44 und einen in radialer Richtung an den Schaftbereich 44 anschließenden luftspaltseitigen Kopfbereich 46 auf. Im Schaftbereich 44 ist eine bogenförmige Kontur 28 ausgebildet, sodass eine Breite des Zahns 30, die dem Abstand zwischen in Umfangsrichtung unmittelbar benachbarten Nuten 20 entspricht, im Bereich der bogenförmigen Kontur 28 in einem ersten radialen Abstand 36 zum Luftspalt 40 (6) größer als in einem zweiten radialen Abstand 38 zum Luftspalt 40 ist, der größer als der erste radiale Abstand 36 ist. In dieser ersten Ausgestaltung ist die Kontur 28 der jeweiligen Nuten 20 durchgängig bogenförmig ausgebildet. Die bogenförmige Kontur 28 ist vorliegend ferner hyperbelförmig ausgebildet.
Ein mittlerer Bereich jeder der Nuten 20 ist in der vorliegenden Ausgestaltung offen ausgebildet. Je nach Bedarf kann hier jedoch auch ein elektrisch schlecht leitfähiger und vorzugsweise nicht magnetisierbarer Werkstoff eingesetzt sein, beispielsweise ein Kunststoff, ein Keramikteil oder dergleichen. Mit einer Linie 58 ist ein magnetischer Fluss im bestimmungsgemäßen Betrieb dargestellt. Es ist ersichtlich, dass der magnetische Fluss durch die besondere Form der Zähne 30 und der Nuten 20 besonders günstig geführt werden kann. Mit weiteren Linien 80 ist ein großer magnetischer Widerstand für den magnetischen Fluss im bestimmungsgemäßen Betrieb dargestellt. Dadurch ist ersichtlich, dass die Flussführung von benachbarten zueinander alternierenden Polen durch die erfindungsgemäße Form der Zähne 30 und der Nuten 20 gefördert wird.
Aus 2 ist ferner ersichtlich, dass die Kopfbereiche 46 benachbarter Zähne 30 in Umfangsrichtung voneinander beabstandet sind und die Nuten 20 in Umfangsrichtung teilweise überragen. Dadurch kann der jeweilige Wicklungsabschnitt 26 im bestimmungsgemäßen Betrieb gut gehalten werden. Bei dieser Ausgestaltung ist ferner vorgesehen, dass eine Dicke des Kopfbereichs 46 in radialer Richtung im Wesentlichen konstant ist. In alternativen Ausgestaltungen, wie dies beispielsweise anhand von 5 dargestellt ist, kann dies auch abweichend vorgesehen sein.
3 zeigt in einer schematischen Schnittansicht eine zweite Ausgestaltung, die auf Nuten 22 anstelle der Nuten 20 basiert, die halbkreisförmig ausgebildet sind. Für die Zähne 30 ergibt sich eine entsprechend angepasste Kontur. 4 zeigt eine weitere dritte Ausgestaltung, bei der Nuten 24 halbellipsenförmig ausgebildet sind, vorzugsweise entlang einer der Halbachsen einer Ellipse. Auch hier sind die Zähne 30 entsprechend angepasst ausgebildet. Für die zweite und die dritte Ausgestaltung gemäß der 3 und 4 gelten dem Grunde nach die gleichen Überlegungen, wie sie bereits für die Ausgestaltung gemäß 2 erläutert worden sind, weshalb diesbezüglich auf die entsprechenden Ausführungen verwiesen wird.
5 zeigt, dass der Kopfbereich 46 quer zur Drehachse 18 luftspaltseitig eine teilkreisförmige Oberfläche mit einem kleineren Kopfradius als der luftspaltseitige Radius des Läufers aufweisen kann. Dem Grunde nach braucht der Radius für den Kopfbereich in Umfangsrichtung jedoch nicht konstant zu sein, sodass beispielsweise auch eine Ellipsenform oder dergleichen realisiert sein kann.
Aus 5 ist ferner ersichtlich, wie sich die Konstruktion des Grundkörpers 14 gemäß der Erfindung von einem Grundkörper gemäß dem Stand der Technik unterscheidet. In 5 ist nämlich die Kontur 28, wie sie bereits anhand der 2 erläutert wurde, einer entsprechenden Kontur 78 gegenüber gestellt, wie sie im Stand der Technik genutzt wird. Zu erkennen ist, dass im Schaftbereich 44 der Abstand 36 bei der Kontur 78 radial im Wesentlichen konstant ist. Dies ist bei der Kontur 28 anders.
5 zeigt überlagert auch zwei Ausgestaltungen des Kopfbereichs 46, nämlich eine Ausgestaltung, bei der wie in 2 die radiale Dicke des Kopfbereichs 46 im Wesentlichen konstant ist und überlagert dazu eine Ausgestaltung, bei der der Kopfbereich 46 eine teilkreisförmige Oberfläche mit einem kleineren Kopfradius als der luftspaltseitige Radius des Läufers 10 aufweist.
In der vorliegenden Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Zahn 30 mit seinem Kopfbereich 46 und seinem Schaftbereich 44 sowie der Grundkörper 14 insgesamt einstückig ausgebildet sind. In alternativen Ausgestaltungen kann dies natürlich auch anders vorgesehen sein.
6 zeigt die Synchronmaschine 12 mit einem Ständer 48 der eine nicht bezeichnete Durchgangsöffnung aufweist, in der der Läufer 10 gemäß 2 bis 5 angeordnet ist. Der Läufer 10 ist über den Luftspalt 40 vom Ständer 48 beabstandet angeordnet und um die Drehachse 18 drehbar gelagert. Der in 6 dargestellte Läufer 10 entspricht dem Läufer, der bereits anhand von 2 ausführlich erläutert wurde.
Der Ständer 48 ist vorliegend für einen Anschluss an eine dreiphasige Wechselspannung ausgebildet, sodass er in bekannter Weise ein magnetisches Drehfeld bereitzustellen vermag. Wie aus den vorhergehenden Ausführung und Erläuterungen ersichtlich ist, kann die Erfindung deshalb bei einem Läufer einer Synchronmaschine 12 unmittelbar angewendet werden, ohne dass der Ständer 48 angepasst zu werden braucht. Auch steuerungsseitig braucht bezüglich des Ständers 48 nicht eingegriffen zu werden, sodass die Anwendung der Erfindung auf einfache Weise auch nachträglich realisiert werden kann.
7 zeigt eine weitere Ausgestaltung für den Läufer 10, die auf der Ausgestaltung gemäß 2 basiert. Im Folgenden werden daher lediglich die Unterschiede zur Ausgestaltung gemäß 2 erläutert. Wie aus 7 ersichtlich ist, sind Nuten 20 vorgesehen, die sich von den Nuten 20 gemäß 2 dadurch unterscheiden, dass in der jeweiligen Nut 20 ein radialer Steg 42 ausgebildet ist. Vorliegend ist der radiale Steg 42 aus einem magnetisierbaren Werkstoff gebildet. Besonders vorteilhaft ist radiale Steg 42 einstückig mit dem Grundkörper 14 ausgebildet. Die Zähne 30 sind hinsichtlich ihres jeweiligen Schaftbereichs 44 wie die Zähne 30 gemäß 2 ausgebildet. Jedoch sind die Kopfbereiche 46 aller Zähne in Umfangsrichtung miteinander verbunden, sodass die Nuten 22 in radialer Richtung luftspaltseitig vollständig verschlossen sind. Dem Grunde nach kann hierdurch jedoch eine vergleichbare Wirkung wie bei der ersten Ausgestaltung basierend auf den 2 und 6 erreicht werden.
8 zeigt in einer schematischen Schnittansicht einen Sektor der Synchronmaschine 12 mit einem Läufer 10 gemäß einer weiteren Ausgestaltung. Die Ausgestaltung gemäß 8 basiert auf der Ausgestaltung gemäß 7, weshalb im Folgenden lediglich die Unterschiede erläutert werden. Die Ausgestaltung gemäß 8 unterscheidet sich von der Ausgestaltung gemäß 7 in Bezug auf den Läufer 10, insbesondere in Bezug auf die Zähne 30, die bei dieser Ausgestaltung gemäß 8 durch Zähne 32 gebildet sind. Bei dieser Ausgestaltung weist der Grundkörper 14 im Bereich eines jeweiligen Zahns 32 eine axiale Durchgangsöffnung 60 auf, sodass zwei Flussleitabschnitte 64 und ein Flusssperrabschnitt 66 für den magnetischen Fluss im bestimmungsgemäßen Betrieb der Synchronmaschine 12 ausgebildet sind. Die Flussleitabschnitte 64 weisen in Flussrichtung des magnetischen Flusses einen im wesentlichen konstanten Querschnitt für den magnetischen Fluss auf. Der Querschnitt ist für beide Flussleitabschnitte 64 im Wesentlichen gleich. Darüber hinaus entspricht die Summe der beiden Querschnittsflächen der Flussleitabschnitte 64 der Querschnittsfläche, die am Übergang zwischen dem Kopfbereich 46 und dem Schaftbereich 44 des jeweiligen Zahns 32 ausgebildet ist. Ein Abstand in Umfangsrichtung wird hier auch Neckbreite (b_N) genannt.
Durch diese Ausgestaltung kann die Führung des magnetischen Flusses im bestimmungsgemäßen Betrieb weiter verbessert werden. Dies kann sich durch Vorteile im Wirkungsgrad der Synchronmaschine 12 zeigen.
9 zeigt eine weitere Ausgestaltung für die Synchronmaschine 12, insbesondere des Läufers 10, die auf der Ausgestaltung gemäß 8 basiert. Die Ausgestaltung gemäß 9 unterscheidet sich von der Ausgestaltung gemäß 8 dadurch, dass anstelle der Zähne 32 Zähne 34 angeordnet sind. Die weiteren Parameter und Konstruktionsmerkmale entsprechen denen der vorhergehenden Ausführungsbeispiele, weshalb ergänzend auf die diesbezüglichen Ausführungen verwiesen wird. Die Ausgestaltung gemäß 9 unterscheidet sich von der Ausgestaltung gemäß 8 dadurch, dass anstelle der Durchgangsöffnung 60 gemäß 8 nunmehr zwei bogenförmige im Wesentlichen radial ausgerichtete Durchgangsöffnungen 62 vorgesehen sind. Die weiteren Konstruktionsmerkmale und Parameter entsprechen denen, wie sie bereits zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen erläutert wurden. Durch diese Ausgestaltung kann weiter eine spezifische Flussführung erreicht werden, die besonders für bestimmte Betriebszustände vorteilhaft sein kann.
10 zeigt in einer schematischen Diagrammdarstellung ein Erregerstromdichte-Drehmoment-Diagramm, welches eine Gegenüberstellung der Wirkung der Ausgestaltungen gemäß der Erfindung gegenüber einer Synchronmaschine 12 mit einem Läufer des Stands der Technik gemäß 5 darstellt.
Eine Abszisse ist der Erregerstromdichte im Läufer 10 zugeordnet, wohingegen eine Ordinate dem Drehmoment der Synchronmaschine 12 zugeordnet ist. Ein Graph 68 zeigt eine Abhängigkeit des Drehmoments von der Erregerstromdichte für eine Synchronmaschine 12 mit einem Läufer 10 gemäß dem Stand der Technik, wie er anhand von 5 erläutert ist.
Ein Graph 70 zeigt die entsprechenden Verhältnisse für den Läufer 10 gemäß der 2. Zu erkennen ist, dass bei gleicher Erregerstromdichte das erreichbare Drehmoment der Synchronmaschine 12 besonders bei kleinen Erregerstromdichten deutlich erhöht ist. Ein Graph 74 zeigt die Verhältnisse für einen Läufer 10 gemäß der Ausgestaltung gemäß 7. Zu erkennen ist, dass bei kleinen Erregerstromdichten eine Steigerung gegenüber der Ausgestaltung gemäß 2 möglich ist, wobei bei großen Erregerstromdichten die Ausgestaltung gemäß 2 verbessert ist. Die Ausgestaltung gemäß 7 eignet sich daher besonders für Einsatzzwecke bei kleinen Erregerstromdichten beziehungsweise im Teillastbereich. Ein weiterer Graph 76 bezieht sich auf die Ausgestaltung gemäß 8. Zu erkennen ist, dass bei kleinen Erregerstromdichten eine weitere Steigerung des Drehmoments möglich ist. Aber auch hier ist bei großen Erregerstromdichten die Wirksamkeit etwas geringer als die der Ausgestaltung gemäß 2. Mit einem Graphen 72 wird die Wirksamkeit der Ausgestaltung gemäß 9 dargestellt. Zu erkennen ist, dass diese bei kleinen Erregerstromdichten im Wesentlichen der Ausgestaltung gemäß 8 entspricht. Bei sehr großen Erregerstromdichten erweist sich diese Ausgestaltung als geringfügig unwirksamer als die Ausgestaltung gemäß 8.
Insgesamt ist aus 10 ersichtlich, dass mit der Konstruktion gemäß der Erfindung die Wirksamkeit der Synchronmaschine 12 deutlich verbessert werden kann. Dies beruht insbesondere darauf, dass der Reluktanzeffekt bei derartigen Synchronmaschinen stärker genutzt werden kann. Dies erlaubt es, Energieaufwand für den bestimmungsgemäßen Betrieb der Synchronmaschine 12 zu reduzieren, sodass in Bezug auf elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge deren Reichweite erhöht werden kann. Alternativ oder ergänzend kann auch ein größeres Drehmoment erreicht werden.
Die Ausführungsbeispiele dienen ausschließlich der Erläuterung der Erfindung und sollen diese nicht beschränken.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2012/107109 A1 [0008]

Claims

Läufer (10)für eine Synchronmaschine (12), mit einem Grundkörper (14), der luftspaltseitig in Umfangsrichtung in Bezug auf eine Drehachse (18) des Läufers (10) nebeneinander angeordnete Nuten (20, 22, 24) zur Aufnahme jeweiliger Wicklungsabschnitte (26) einer Erregerwicklung des Läufers (10) aufweist, wobei jeweils zwei in Umfangsrichtung unmittelbar benachbarte Nuten (20, 22, 24) einen jeweiligen Zahn (30, 32, 34) bilden, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Zahn (30, 32, 34) quer zur Drehachse (18) zumindest teilweise eine bogenförmige Kontur (28) aufweist, sodass eine Breite des Zahns (30, 32, 34), die dem Abstand zwischen in Umfangsrichtung unmittelbar benachbarten Nuten (20, 22, 24) entspricht, im Bereich der bogenförmigen Kontur (28) in einem ersten radialen Abstand (36) zum Luftspalt (40) größer als in einem zweiten radialen Abstand (38) zum Luftspalt (40) ist, der größer als der erste radiale Abstand (36) ist.
Läufer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Umfangsrichtung jeweils eine der Nuten (20, 22, 24) zwei unmittelbar benachbarte Zähne (30, 32, 34) voneinander beabstandet und die Kontur (28) der Nut (20, 22, 24) durchgängig bogenförmig ausgebildet ist.
Läufer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einer jeweiligen Nut (22, 24) ein radialer Steg (42) ausgebildet ist.
Läufer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Zahn (30, 32, 34) einen Schaftbereich (44) und einen in radialer Richtung an den Schaftbereich (44) anschließenden luftspaltseitigen Kopfbereich (46) aufweist, wobei der Schaftbereich (44) die bogenförmige Kontur (28) aufweist und der Kopfbereich (46) die den Zahn (30, 32, 34) bildenden Nuten (20, 22, 24) in Umfangsrichtung zumindest teilweise überragt.
Läufer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopfbereich (46) quer zur Drehachse (18) luftspaltseitig eine teilkreisförmige Oberfläche mit einem Kopfradius aufweist, der einem luftspaltseitigen Radius des Läufers (10) entspricht.
Läufer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Zahn (30, 32, 34) einen Schaftbereich (44) und einen in radialer Richtung an den Schaftbereich (44) anschließenden luftspaltseitigen Kopfbereich (46) aufweist, wobei der Läufer (10) als Innenläufer ausgebildet ist und der Kopfbereich (46) quer zur Drehachse (18) luftspaltseitig eine teilkreisförmige Oberfläche mit einem kleineren Kopfradius als der luftspaltseitige Radius des Läufers (10) aufweist oder der Läufer (10) als Außenläufer ausgebildet ist und der Kopfbereich (46) quer zur Drehachse (18) luftspaltseitig eine teilkreisförmige Oberfläche mit einem Kopfradius aufweist, der größer als der luftspaltseitige Radius des Läufers (10) ist.
Läufer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (14) im Bereich eines jeweiligen Zahns (30, 32, 34) wenigstens eine axiale Durchgangsöffnung (60, 62) aufweist, um wenigstens einen Flussleitabschnitt (64) und einen wenigstens Flusssperrabschnitt (66) für einen magnetischen Fluss im bestimmungsgemäßen Betrieb der Synchronmaschine (12) auszubilden.
Läufer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Öffnungskontur der Durchgangsöffnung (60, 62) zumindest teilweise an eine Querschnittskontur des Zahns (30, 32, 34) angepasst ausgebildet ist.
Synchronmaschine (58), mit einem Ständer (48) und einem gegenüber dem Ständer (48) drehbar angeordneten Läufer (10), dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer (10) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.
Kraftfahrzeug (50) mit einer Synchronmaschine (58), dadurch gekennzeichnet, dass die Synchronmaschine (58) nach Anspruch 9 ausgebildet ist.