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Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine fremderregte elektrische Maschine eines Kraftfahrzeugs, wobei der Rotor ausgeprägte Pole aufweist, die eine asymmetrisch ausgebildete Flusssperre aufweisen und zudem auf dessen in radialer Richtung des Rotors nach außen gerichteten Außenseite wenigstens eine in axialer Richtung des Rotors verlaufende Nut umfassen. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine für ein Kraftfahrzeug mit dem erfindungsgemäßen Rotor. Zudem betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine.
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Rotoren für elektrische Maschinen von Kraftfahrzeugen, insbesondere von Achsantrieben, sind grundsätzlich bekannt. Die Rotoren können entweder permanenterregt sein, oder über eine Wicklung fremderregt werden. Durch die begrenzte Verfügbarkeit von seltenen Erden für die Magnete der permanenterregten Rotoren und dem erhöhten Absatz von zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, gewinnen die fremderregten elektrischen Maschinen zunehmend an Bedeutung. Nachteilig bei den bekannten fremderregten elektrischen Maschinen können unter anderem etwaige Oberschwingungen während des Betriebs der elektrischen Maschine sein. Die Oberschwingungen sind unerwünschte höhere Frequenzen, die die im Wesentlichen sinusförmige Grundwelle überlagern und zu Drehmomentverlusten führen können.
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Eine Aufgabe der Erfindung liegt darin, einen Rotor für eine elektrische Maschine eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen, mit dem Drehmomentverluste reduziert werden können.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des Patentanspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche, der nachstehenden Beschreibung sowie den Zeichnungen. Dabei kann jedes beschriebene und/oder gezeigte Merkmal sowohl einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen, sofern sich nicht explizit etwas Gegenteiliges aus der Beschreibung ergibt.
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Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung ist ein Rotor für eine fremderregte elektrische Maschine vorgesehen, aufweisend ein ringförmig ausgebildetes Joch mit einer in radialer Richtung des Jochs nach außen gerichteten Jochaußenseite, wenigstens einem auf der Jochaußenseite ausgebildeten Polzahn, wobei der Polzahn wenigstens einen Polschaft und einen Polschuh aufweisen, und der Polschaft zwischen der Jochaußenseite und dem Polschuh angeordnet ist, mittig durch den Polzahn in radialer Richtung des Jochs eine Polzahnachse verläuft, die den Polzahn in eine erste Seite und in eine zweite Seite unterteilt, im Polzahn wenigstens eine Flusssperre ausgebildet ist, und eine Anzahl der Flusssperren auf der ersten Seite größer ist als eine Anzahl von Flusssperren auf der zweiten Seite, und der Polschuh eine in radialer Richtung nach außen gerichtete Polschuhaußenseite aufweist, auf der wenigstens eine in axialer Richtung des Rotors verlaufende Nut ausgebildet ist.
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Mit anderen Worten ist gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung vorgesehen, dass ein Rotor für eine fremderregte elektrische Maschine vorgesehen ist. Die elektrische Maschine findet vorzugsweise Anwendung in einem Kraftfahrzeug eines zumindest teilweise elektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugs. Denkbar ist, dass die elektrische Maschine Bestandteil eines Traktionsantriebs des Kraftfahrzeugs ist.
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Der Rotor weist ein ringförmig ausgebildetes Joch auf, das sich in Längsrichtung des Rotors erstreckt. Auf einer in radialer Richtung des Rotors bzw. des Jochs nach außen gerichteten Jochaußenseite ist wenigstens ein Polzahn ausgebildet. Für gewöhnlich weist der Rotor eine Mehrzahl von Polzähnen auf, die in Umfangsrichtung des Jochs zueinander beabstandet auf der Jochaußenseite angeordnet sind. Denkbar ist, dass der wenigstens eine Polzahn formschlüssig, stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig mit dem Joch verbunden ist. Vorteilhaft ist vorgesehen, wenn das Joch und der wenigstens eine Polzahn einstückig miteinander ausgebildet sind. Dies kann sich vorteilhaft auf das Geräuschverhalten, insbesondere das Noise Vibration Harshness Verhalten, der elektrischen Maschine auswirken.
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Der Polzahn weist wenigstens einen Polschaft und einen Polschuh auf, wobei der Polschaft zwischen der Jochaußenseite und dem Polschuh angeordnet ist. Für gewöhnlich ist auf dem Polschaft eine bestrombare Wicklung aufgewickelt und/oder angeordnet, die sich während des Betriebes der elektrischen Maschine aufgrund des Fliehkrafteinflusses zumindest teilweise gegen den Polschuh abstützen kann.
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In radialer Richtung des Jochs verläuft mittig durch den Polzahn eine Polzahnachse, die auch als d-Achse bezeichnet werden kann. Die Polzahnachse unterteilt den Polzahn in eine erste Seite und in eine zweite Seite. Im Polzahn ist zudem wenigstens eine Flusssperre ausgebildet. Die Flusssperre ist eine randgeschlossene, in axialer Richtung des Rotor durch den Polzahn verlaufende Durchtrittsöffnung. Die Durchtrittsöffnung kann ungefüllt bzw. ausschließlich mit Luft gefüllt sein. Ebenso ist denkbar, dass die Durchtrittsöffnung zumindest teilweise, vorzugsweise vollständig, ausgefüllt ist. Die Füllung der Durchtrittsöffnung 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.
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Die wenigstens eine Flusssperre ist asymmetrisch im Polzahn angeordnet und/oder ausgebildet. Hierzu ist vorgesehen, dass eine Anzahl der Flusssperren auf der ersten Seite größer ist als eine Anzahl von Flusssperren auf der zweiten Seite. Denkbar ist somit, dass die erste Seite eine Flusssperre aufweist und in der zweiten Seite keine Flusssperre ausgebildet ist. Mit anderen Worten ist die zweite Seite flusssperrenfrei ausgebildet. Es ist ausdrücklich nicht vorgesehen, dass sich die wenigstens eine Flusssperre von der ersten Seite zur zweiten Seite innerhalb des Polzahns erstreckt. Denkbar, aber nicht bevorzugt, kann ein Rand der Flusssperre auf der Polzahnachse liegen. Über die im Polzahn asymmetrisch angeordnete Flusssperre können die verschiedenen Oberwellen, beispielsweise die 2. Harmonische und/oder die 3. Harmonische teilweise reduziert werden.
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Des Weiteren ist vorgesehen, dass der Polschuh eine in radialer Richtung nach außen gerichtete Polschuhaußenseite aufweist, auf der wenigstens eine in axialer Richtung des Rotors verlaufende Nut ausgebildet ist. Über die Nut kann gezielt der Anteil der 3. Harmonischen reduziert werden, um die Leistungsverluste der elektrischen Maschine zu reduzieren. Durch die Kombination eines Polzahns mit der asymmetrisch ausgebildeten Flusssperre und der wenigstens einen Nut auf der Polschuhaußenseite kann ein fremderregter Rotor bereitgestellt werden, bei dem die Performance der elektrischen Maschine erhöht werden kann.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung liegt darin, dass die einer Drehrichtung des Rotors abgewandte Seite des Polzahns flusssperrenfrei ausgebildet ist. Denkbar ist somit, dass wenn die zweite Seite des Polzahns in die Drehrichtung zeigt, die erste Seite des Polzahns flusssperrenfrei, also ohne eine Flusssperre, ausgebildet ist. Die zweite Seite des Polzahns weist dann wenigstens eine Flusssperre auf. Sie kann somit eine, zwei, drei, vier oder sogar mehr als vier voneinander getrennt ausgebildete Flusssperren aufweisen. Durch die Anordnung der Flusssperre im Polzahn in Drehrichtung des Rotors kann ein die Oberwelle bzw. die Oberwellen reduzierender Fluss in Richtung Polzahnachse verschoben werden, wodurch eine gleichmäßige Reduzierung der Oberwellen erzielt werden kann.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die wenigstens eine Flusssperre des Polschuhs eine kreisrunde und/oder eine elliptische Durchtrittsöffnung ist. Durch die kreisrunde und/oder elliptische Ausgestaltung können Kerbspannungen im Polzahn reduziert werden.
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Denkbar ist, dass die wenigstens eine Flusssperre im Polschaft und/oder im Polschuh auf einer Seite des Polzahns ausgebildet ist. Dies bedeutet, dass die Flusssperre im Polschaft ausgebildet sein kann. Ebenso ist es möglich, dass die Flusssperre im Polschuh ausgebildet ist. Es kann aber auch sein, dass die Flusssperre sowohl im Polschuh als auch im Polschaft angeordnet ist. Sie kann sich somit beispielsweise zwischen dem Polschuh und dem Polschaft erstrecken. Bei einer Mehrzahl von Flusssperren kann wenigstens eine Flusssperre im Polschuh und wenigstens eine Flusssperre im Polschaft angeordnet und/oder ausgebildet sein.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung liegt darin, dass die wenigstens eine Flusssperre ausschließlich im Polschuh angeordnet und/oder 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 Drehmoments zugleich der Drehmomentripple der elektrischen Maschine minimiert werden kann.
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In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass auf der ersten Seite und/oder der zweiten Seite eine Mehrzahl von Flusssperren ausgebildet ist. Denkbar ist somit beispielsweise, dass auf der ersten Seite eine Flusssperre angeordnet ist und auf der zweiten Seite zwei Flusssperren. Möglich ist auch, dass auf der ersten Seite zwei Flusssperren angeordnet sind, wobei auf der zweiten Seite mehr als zwei Flusssperren, also drei oder vier Flusssperren vorgesehen sind.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt darin, dass auf der Polschuhaußenseite eine Mehrzahl von Nuten ausgebildet ist. Durch die Mehrzahl der Nuten kann vorzugsweise gezielt Einfluss auf die 3. Harmonische genommen werden.
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Denkbar ist, dass die Nuten eine gleiche Breite aufweisen. Vorteilhaft ist vorgesehen, dass bei einer Mehrzahl von Nuten wenigstens zwei Nuten eine voneinander verschiedene Nutbreite aufweisen. Die Breite der Nut bzw. die Nutbreite bezieht sich auf eine Richtung in Umfangsrichtung des Jochs bzw. des Rotors.
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Möglich ist, dass die Nuten in regelmäßigen Abständen in Umfangsrichtung des Rotors bzw. Rotors zueinander beabstandet angeordnet sind. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Nuten in unregelmäßigen Abständen in Umfangsrichtung des Rotors bzw. Rotors zueinander beabstandet angeordnet sind.
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Vorstellbar ist, dass die Nuttiefe der Nuten in radialer Richtung des Jochs für alle Nuten gleich ist. Vorteilhaft kann vorgesehen sein, dass eine in radialer Richtung des Jochs gerichtete Nuttiefe der Nuten voneinander verschieden ist.
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Die Nuttiefe sollte nicht zu tief ausgebildet sein, da anderenfalls das Drehmoment der elektrischen Maschine negativ beeinflusst werden kann. Vorteilhaft ist daher vorgesehen, dass die Nuttiefe kleiner als die Nutbreite oder maximal gleich der Nutbreite ist. Die Nutbreite bezieht sich dabei auf die Bereite der Nut in Umfangsrichtung des Jochs bzw. Rotors.
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Gemäß einem zweiten Aspekt betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem innerhalb des Stators um eine Drehachse rotierbar gelagerten erfindungsgemäßen Rotor, wobei zwischen einer zylinderförmig ausgebildeten inneren Mantelfläche des Stators und der Polschuhaußenseite ein Luftspalt ausgebildet ist.
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Vorteilhaft ist vorgesehen, dass eine Luftspaltbreite zwischen der Polschuhaußenseite und der inneren Mantelfläche über die Breite des Polzahns in Umfangsrichtung des Rotors gleich und/oder konstant ausgebildet ist.
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In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Polschuhaußenseite derart ausgebildet und/oder gekrümmt ist, dass ausgehend von der Polzahnachse in Umfangsrichtung des Rotors eine Luftspaltbereite des Luftspalts zunehmend ausgebildet ist. Somit ist vorgesehen, dass ausgehend von der Polzahnachse in beide Richtung in Umfangsrichtung des Jochs der Luftspalt zunehmend ausgebildet ist. Durch die über die Polzahnbreite asymmetrische Ausbildung des Luftspalts zwischen der Polschuhaußenseite und der inneren Mantelfläche des Stators können etwaige Drehmomentverluste, die vielleicht aus den Nuten resultieren, die auf der Polzahnausseite ausgebildet sind, kompensiert werden. Somit kann die Leistungsfähigkeit der elektrischen Maschine erhöht werden.
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Vorteilhaft kann weiter vorgesehen sein, dass eine Krümmung der Polschuhaußenseite der ersten Seite verschieden ist von der Krümmung der Polschuhaußenseite der zweiten Seite.
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In einem dritten Aspekt betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine.
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Das Kraftfahrzeug ist vorzugsweise ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug, das einen Traktionsantrieb, insbesondere einen Achsantrieb, aufweist. Die elektrische Maschine ist vorzugsweise ein Bestandteil des Traktionsantriebs.
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Es sei bemerkt, dass sämtliche Merkmale, welche voranstehend und nachfolgend in Bezug auf einen Aspekt der vorliegenden Erfindung beschrieben sind, gleichermaßen für jeden anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung gelten. Im Speziellen können sämtliche Merkmale des Rotors auch Merkmale der elektrischen Maschine und/oder auch Merkmale des Kraftfahrzeugs sein. Dies gilt auch umgekehrt.
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Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie den nachfolgenden 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 Patentansprüche aufzunehmen. Die Ausführungsbeispiele werden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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In diesen zeigen:
- 1 einen Detailausschnitt einer elektrischen Maschine mit einem Rotor und einem Stator,
- 2 ein Kraftfahrzeug mit der elektrischen Maschine.
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In 1 ist ein Detailausschnitt einer elektrische Maschine EM für ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug KFZ gezeigt. Das gezeigte Detail der elektrischen Maschine EM konzentriert sich auf ein Segment eines Rotors RO und einen Ausschnitt eines den Rotor RO umgebenden Stators ST.
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Der Rotor RO weist ein ringförmig ausgebildetes Joch JO auf, das sich in Längsrichtung des Rotors RO erstreckt. Im Betrieb der elektrischen Maschine EM dreht der Rotor RO um dessen Längsachse bzw. Drehachse DA. Auf einer in radialer Richtung des Rotors RO bzw. des Jochs JO nach außen gerichteten Jochaußenseite JAS ist wenigstens ein Polzahn PZ ausgebildet. Das Joch JO und der wenigstens eine Polzahn PZ sind einstückig miteinander ausgebildet. Vorzugsweise werden das Joch JO und der Polzahn PZ durch einen Stanzvorgang ausgebildet. In der Regel werden mehrere Bleche ausgestanzt und in axialer Richtung des Rotors RO hintereinander gestapelt und mit einander verbunden. Über die einstückige Ausbildung von Joch JO und Polzahn PZ kann die Steifigkeit des Rotors RO erhöht werden, was sich positiv auf die Geräuschentwicklung, das sogenannte Noise Vibration Harshness Verhalten, der elektrischen Maschine EM auswirken kann.
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Der Polzahn PZ weist wenigstens einen Polschaft PST und einen Polschuh PSH auf, wobei der Polschaft PST zwischen der Jochaußenseite JAS und dem Polschuh PSH angeordnet ist. Auf dem Polschaft PST ist eine bestrombare Wicklung WI aufgewickelt und/oder angeordnet, die sich während des Betriebes der elektrischen Maschine EM - bedingt durch den Fliehkrafteinfluss - zumindest teilweise gegen den Polschuh PSH abstützen kann.
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In radialer Richtung des Jochs JO verläuft mittig durch den Polzahn PZ eine Polzahnachse PZA, die auch als d-Achse bezeichnet werden kann. Die Polzahnachse PZA unterteilt den Polzahn PZ in eine erste Seite ES und in eine zweite Seite ZS. Im Polzahn PZ, insbesondere im Polschuh PSH der zweiten Seite ZS, ist wenigstens eine Flusssperre FS ausgebildet. Die Flusssperre FS ist eine randgeschlossene, in axialer Richtung des Rotor RO durch den Polzahn PZ verlaufende Durchtrittsöffnung. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Flusssperre FS ungefüllt bzw. ausschließlich mit Luft gefüllt. Die erste Seite ES des Polzahns PZ weist keine Flusssperre FS auf. Mit anderen Worten ist die erste Seite ES des Polzahns PZ flusssperrenfrei ausgebildet. Über die im Polzahn PZ asymmetrisch angeordnete und/oder ausgebildete Flusssperre FS können die verschiedenen Oberwellen, beispielsweise die 2. Harmonische und/oder die 3. Harmonische, teilweise reduziert werden, wodurch Drehmomentverluste minimiert werden können.
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Weiterhin weist der Polschuh PSH eine in radialer Richtung nach außen gerichtete Polschuhaußenseite PAS auf, auf der wenigstens eine in axialer Richtung des Rotors RO verlaufende Nut NU ausgebildet ist. Vorliegend sind auf der Pohlschuhaußenseite eine Mehrzahl von Nuten NU mit unterschiedlichen Nutbreiten, bezogen auf eine Umfangsrichtung des Jochs JO, angeordnet. Auch der Abstand der Nuten zueinander ist vorliegend verschieden. Eine Nuttiefe der verschiedenen Nuten ist für alle Nuten gleich. Über die Nuten kann gezielt der Anteil der 3. Harmonischen reduziert werden, um die Leistungsverluste der elektrischen Maschine EM zu reduzieren. Durch die Kombination eines Polzahns PZ mit der asymmetrisch ausgebildeten Flusssperre FS und der wenigstens einen Nut NU auf der Polschuhaußenseite PAS kann ein fremderregter Rotor RO bereitgestellt werden, bei dem die Performance der elektrischen Maschine EM erhöht werden kann.
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Der Rotor RO ist beabstandet zum Stator ST angeordnet. Anders ausgedrückt, kann der Rotor RO auch als Innenläufer bezeichnet werden. Zwischen der Pohlschuhaußenseite PAS und einer inneren Mantelfläche IMF des Stators ST ist ein Luftspalt LS ausgebildet. Es ist vorgesehen, dass die Polschuhaußenseite PAS derart gekrümmt ist, dass ausgehend von der Polzahnachse PZA in Umfangsrichtung des Rotors RO eine Luftspaltbereite des Luftspalts LS zunehmend ausgebildet ist. Die Luftspaltbreite bezieht sich auf die radiale Richtung des Rotors RO. Ausgehend von der Polzahnachse PZA ist der Luftspalt LS somit in beide Richtungen in Umfangsrichtung des Jochs JO zunehmend ausgebildet. Durch die über die Polzahnbreite asymmetrische Ausbildung des Luftspalts LS zwischen der Polschuhaußenseite PAS und der inneren Mantelfläche IMF des Stators ST kann die Grundwelle der Luftspaltinduktion erhöht werden, wodurch Drehmomentverluste ausgeglichen werden können.
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In 2 ist ein zumindest teilweise elektrisch angetriebenes Kraftfahrzeug KFZ gezeigt. das Kraftfahrzeug KFZ weist einen Traktionsantrieb TA, insbesondere einen Achsantrieb auf, wobei die elektrische Maschine EM ein Bestandteil des Achsantriebs ist.
