DE102021210045A1

DE102021210045A1 - Magnetkern und elektrische Maschine mit demselben

Info

Publication number: DE102021210045A1
Application number: DE102021210045.7A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Grelle; Peter Kozlowski; Florian Osdoba; Penyo Topalov; Philipp Zimmerschied
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2021-09-10
Filing date: 2021-09-10
Publication date: 2023-03-16
Also published as: WO2023036608A1; CN117918034A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Magnetkern (1) für eine elektrische Maschine (2), mit einem eine Mittenachse (3) definierenden und aus einem magnetischen Kernmaterial gebildeten Kernring (4) dessen kumulierte axiale Kernmaterialbreite (5) radial von innen nach außen abnimmt. Die Erfindung betrifft außerdem eine elektrische Maschine (2) mit mindestens einem solchen Magnetkern (1).

Description

Die Erfindung betrifft einen Magnetkern nach dem Gegenstand des Anspruchs 1 sowie eine elektrische Maschine mit mindestens einem solchen Magnetkern.
Magnetkerne sind beispielsweise aus der EP 2 869 316 B1 bekannt. Sie werden in elektrischen Maschinen eingesetzt, um ein Magnetfeld zu bündeln. Problematisch ist, dass sie relativ großbauend sind, so dass mit einem solchen Magnetkern ausgerüstete elektrische Maschinen relativ viel Bauraum beanspruchen, was beispielsweise mit Blick auf die im Automobilbau geforderten Packagegrößen problematisch ist.
Die Aufgabe der Erfindung liegt daher darin, einen verbesserten oder zumindest eine andere Ausführungsform für einen Magnetkern bereitzustellen. Ferner soll auch eine elektrische Maschine mit mindestens einem solchen Magnetkern angegeben werden.
Bei der vorliegenden Erfindung werden diese Aufgaben insb. durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und der Beschreibung.
Der Grundgedanke der Erfindung liegt darin, einen Magnetkern durch eine innovative Formgebung kompakter und leichtgewichtiger zu machen.
Hierzu schlägt die Erfindung einen Magnetkern für eine elektrische Maschine vor, der einen eine Mittenachse definierenden und aus einem magnetischen Kernmaterial, insbesondere ein Ferrit, gebildeten Kernring aufweist. Wesentlich ist, dass der Kernring eine kumulierte axiale Kernmaterialbreite hat, die radial von innen nach außen abnimmt. Zweckmäßig kann dies durch eine Abschrägung und/oder Stufung des Kernrings des Magnetkerns erreicht werden. Mit anderen Worten ist eine bezüglich der Mittenachse zu betrachtende kumulierte axiale Kernmaterialbreite des Kernrings an einer ebenfalls bezüglich der Mittenachse zu betrachtenden radial innenliegenden Position des Kernrings stets größer als eine kumulierte axiale Kernmaterialbreite des Kernrings an einer bezüglich einer innenliegenden Position des Kernrings radial außenliegenden Position des Kernrings. D.h. mit zunehmendem Abstand zur Mittenachse nimmt die Kernmaterialbreite des Kernrings ab. Das hat den Effekt, dass der erfindungsgemäße Kernring im Vergleich zu konventionellen Kernringen, deren axiale Kernmaterialbreite radial von innen nach au-ßen konstant ist, radial außen weniger Kernmaterial aufweist, als radial innen. Dadurch kann Kernmaterial eingespart werden, wodurch der erfindungsgemäße Magnetkern vorteilhafterweise relativ kompakt und leichtgewichtig bauen kann. Zudem ist dessen Herstellung durch die Einsparung von Kernmaterial verhältnismäßig kostengünstig. Das hat weiterhin den Effekt, dass auch axiale Kernring-Ringquerschnittsflächen des Kernrings von (bezüglich der Mittenachse) radial innen nach radial außen flächenmäßig stets gleich groß oder im Wesentlichen gleich groß sind.
Zweckmäßig ist oder nach einem weiteren Grundgedanken der Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Kernring so gestaltet ist, dass dessen (bezüglich der Mittenachse betrachtet) axialen Kernring-Ringquerschnittsflächen, betrachtet über die radiale Breite des Kernrings von (bezüglich der Mittenachse) radial innen nach radial außen flächenmäßig gleich groß oder im Wesentlichen gleich groß sind. Zweckmäßigerweise sind die axialen Kernring-Ringquerschnittsflächen dabei zumindest in einem Radialabschnitt des Kernrings flächenmäßig gleich groß oder im Wesentlichen gleich groß. Dadurch weist eine beispielsweise radial innenliegende, erste axiale Kernring-Ringquerschnittsfläche mit einer in Richtung der Mittenachse zu ermittelnden axialen Breite B1 und einer in Umfangsrichtung um die Mittenachse herum zu ermittelnden Umfangslänge L1 eine Fläche von B1xL1 auf, die flächenmäßig gleich groß ist, wie eine Fläche B2xL2 einer bezüglich der ersten axialen Kernring-Ringquerschnittsfläche betrachtet radial weiter außenliegenden, zweiten axialen Kernring-Ringquerschnittsfläche mit einer in Richtung der Mittenachse zu ermittelnden axialen Breite B2 und einer in Umfangsrichtung um die Mittenachse herum zu ermittelnden Umfangslänge L2. Das hat den vorteilhaften Effekt, dass, wenn der Kernring des Magnetkerns von einem Magnetfeld durchflutet ist, in radialer Richtung bezüglich der Mittenachse betrachtet, alle axialen Kernring-Ringquerschnittsflächen des Kernrings dieselben magnetischen Flussdichten aufweisen. Mit anderen Worten laufen durch alle Kernring-Ringquerschnittsflächen des Kernrings gleich viele Magnetfeldlinien. Dadurch können insbesondere vorgegebene Mindest-Kernring-Ringquerschnittsflächen realisiert werden, um beispielsweise eine magnetische Sättigung des Kernrings des Magnetkerns zu verhindern. Zweckmäßig können entsprechende Kernring-Ringquerschnittsflächen durch eine Abschrägung und/oder Abstufung des Kernrings des Magnetkerns realisiert werden. Mit einer solchen Abschrägung und/oder Abstufung geht auch eine Materialeinsparung einher, so dass der Kernring des Magnetkerns mit weniger Kernmaterial hergestellt werden kann, als herkömmliche Kernringe.
Zweckmäßigerweise ist der besagte Magnetkern durch einen Ferritkern realisiert.
Weiter zweckmäßigerweise ist die besagte elektrische Maschine durch eine fremderregte Synchronmaschine realisiert. Weiterhin kann die besagte elektrische Maschine durch eine Asynchronmaschine oder einen Schleifringläufer realisiert sein.
Zweckmäßigerweise kann die elektrische Maschine, diese insbesondere realisiert durch eine fremderregte Synchronmaschine oder eine Asynchronmaschine, einen mit mindestens einem Magnetkern ausgerüsteten induktiven Enerigeübertrager, insbesondere einen induktiven Drehenergieübertrager, aufweisen. D.h. der Magnetkern oder ein durch einen Ferritkern realisierter Magnetkern kann in einem induktiven Enerigeübertrager innerhalb einer fremderregten Synchronmaschine oder einer Asynchronmaschine eingesetzt oder für eine solche geeignet oder in derselben eingebaut sein.
Der besagte induktive Enerigeübertrager (oder induktive Drehenergieübertrager) dient zweckmäßigerweise dazu, elektrische Energie kontaktlos und damit praktisch verschleißfrei von einem Stator der elektrischen Maschine an einen Rotor der elektrischen Maschine zu übertragen, so dass Rotorwicklungen des Rotors bestrombar sind. Der induktive Enerigeübertrager weist zweckmäßigerweise eine in oder an einem Stator angeordnete Primärspule, eine in oder an einem Rotor angeordnete Sekundärspule und einen Magnetkern, welcher von Primär- und Sekundärspule etablierte Magnetfelder führt und bündelt, auf.
Der induktive Enerigeübertrager ist zweckmäßig durch einen induktiven Drehenergieübertrager realisiert. Der induktive Enerigeübertrager kann einen Transformator realisieren, daher ist es denkbar, dass der erfindungsgemäße Magnetkern auch in Transformatoren außerhalb von elektrischen Drehmaschinen eingesetzt wird.
Die besagte kumulierte axiale Kernmaterialbreite ist im Sinne der Erfindung zweckmäßigerweise als diejenige axiale Breite des Kernrings zu verstehen, die sich rechnerisch durch Kumulation aller axialen Einzelbreiten von aus Kernmaterial gebildeten Abschnitten des Kernrings an einer vorgegebenen radialen Position des Kernrings ergibt. Mit anderen Worten kann die kumulierte axiale Kernmaterialbreite auch als axiale Stoffbreite des Kernrings bezeichnet werden. Zweckmäßigerweise tragen nicht von Kernmaterial gebildete Abschnitte des Kernrings oder des Magnetkerns nicht zur kumulierten axialen Kernmaterialbreite des Kernrings bzw. zur Stoffbreite des Kernrings bei.
Zweckmäßig ist dabei, wenn der Kernring zwei zueinander axial entgegengesetzt orientierte Ringflanken aufweist, zwischen denen eine Ebene angeordnet ist, die bezüglich der Mittenachse orthogonal ist. Um Kernmaterial einzusparen kann hierbei vorgesehen sein, dass die eine, erste Ringflanke und/oder die andere, zweite Ringflanke dieser besagten Ringflanken wenigstens einen sich radial von innen nach außen axial erweiternden Rücksprung oder eine Ausnehmung aufweist. Vorstellbar ist auch, dass ein besagter Rücksprung zumindest abschnittsweise oder vollständig in einer Umfangsrichtung um die Mittenachse umläuft. Alternativ kann sich ein solcher Rücksprung auch quer bezüglich der Mittenachse erstrecken. Alternativ oder zusätzlich kann auch vorgesehen sein, dass die eine, erste Ringflanke und/oder die andere, zweite Ringflanke dieser besagten Ringflanken bezüglich der Ebene winkelig verkippt ausgeführt ist. Dadurch kann der Kernring an seinen Ringflanken so gestaltet werden, dass er radial außen dünner ist als radial innen. Die Ringflanken bzw. die Rücksprünge müssen dabei nicht zwingend symmetrisch bezüglich der Mittenachse ausgeführt sein.
Weiter zweckmäßig ist, wenn die eine, erste Ringflanke dieser Ringflanken eine Ringfläche aufweist, die zumindest abschnittsweise bezüglich der Ebene winkelig verkippt ist und einen axialen Abstand zwischen sich und der Ebene beschreibt, der radial von innen nach außen abnimmt. Dadurch beschreibt die Ringfläche eine um die Mittenachse rotierende Außentrichterfläche. Es kann vorgesehen sein, dass die erste Ringflanke bzw. die Ringfläche der ersten Ringflanke bezüglich einer Erregerspule eines Rotors einer mit dem Magnetkern ausgerüsteten elektrischen Maschine zugewandt ist.
In diesem Zusammenhang kann es auch zweckmäßig sein, wenn die andere, zweite Ringflanke dieser Ringflanken eine Gegen-Ringfläche aufweist, die zumindest abschnittsweise bezüglich der Ebene winkelig verkippt ausgeführt ist. Dabei beschreibt die Gegen-Ringfläche zwischen sich und der Ebene einen axialen Gegen-Abstand, der radial von innen nach außen abnimmt, in der Art, dass die Gegen-Ringfläche eine um die Mittenachse rotierende Außentrichterfläche bildet. Es kann vorgesehen sein, dass die zweite Ringflanke bzw. die Ringfläche der zweiten Ringflanke bezüglich einer Erregerspule eines Rotors einer mit dem Magnetkern ausgerüsteten elektrischen Maschine abgewandt ist. Durch die winkelige Verkippung kann in relativ einfacher Weise eine Gestalt des Magnetkerns erreicht werden, bei der die kumulierte axiale Kernmaterialbreite des Kernrings von radial innen nach außen abnimmt. Dadurch kann insb. im Bereich der einen und/oder anderen Ringflanke Kernmaterial eingespart werden, so dass der Magnetkern relativ kompakt und leichtgewichtig ist. Im Ergebnis ist hierdurch eine bevorzugte, insb. kostengünstig herstellbare Ausführungsform für einen Magnetkern angegeben.
Zweckmäßig ist, wenn an der Ringfläche und/oder der Gegen-Ringfläche Befestigungsmittel für Komponenten des Magnetkerns und/oder Komponenten einer elektrischen Maschine angeordnet sind. Dadurch ist der Magnetkern relativ flexibel einsetzbar, insb. kann dadurch der innerhalb einer mit dem Magnetkern ausgerüsteten elektrischen Maschine zur Verfügung stehende Bauraum optimal ausgenutzt werden.
Weiter zweckmäßig ist, wenn der Kernring in einer um die Mittenachse rotierenden Umfangsrichtung einen flächenmäßig konstanten Querschnitt aufweist. Dieser kann eine rechteckförmige Außenkontur oder eine trapezförmige Außenkontur aufweisen oder in der Art nach einem symmetrischen Trapez oder einem rechtwinkligen Trapez gebildet sein. Hierdurch sind bevorzugte Querschnitte für den Kernring des Magnetkerns angegeben.
Zweckmäßigerweise ist, wenn der Kernring an einem radial nach innen hin zur Mittenachse orientierten Innenumfang eine radial nach innen hin offene Kernringausnehmung aufweist, welcher zumindest eine aus einem elektrischen Leiter gebildete Spule zugeordnet ist. Dadurch ist der Magnetkern mit zumindest einer Primärspule ausrüstbar, so dass diese bspw. mit einer Sekundärspule einer mit dem Magnetkern ausgerüsteten elektrischen Maschine induktiv zusammenwirken kann, um elektrische Energie zu übertragen.
Weiter zweckmäßigerweise kann die Kernringausnehmung axial von zwei axial zueinander gegenüberliegenden Innenringflanken des Kernrings begrenzt sein. Zwischen diesen ist zweckmäßigerweise eine weitere Ebene angeordnet, zu der die Mittenachse orthogonal ausgerichtet ist. Hierbei kann die Primärspule an der einen, ersten Innenringflanke dieser beiden Innenringflanken oder an der anderen, zweiten Innenringflanke dieser beiden Innenringflanken angeordnet sein. Dadurch ist die Primärspule vollständig innerhalb des Kernrings eingehaust, wodurch im Ergebnis eine verbesserte Magnetfeldbündelung und somit eine effizientere induktive Kopplung der Primärspule mit einer an einem Rotor der mit einem Magnetkern ausgerüsteten elektrischen Maschine angeordneten Sekundärspule erzielbar ist. Dadurch erhöht sich die Effizienz der elektrischen Energieübertragung von der Primärspule auf die Sekundärspule.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die erste Innenringflanke eine Innenringfläche aufweist, die zumindest abschnittsweise bezüglich der weiteren Ebene winkelig verkippt ist und einen axialen Abstand zwischen sich und der weiteren Ebene beschreibt, der radial von innen nach außen zunimmt. Dadurch beschreibt diese Innenringfläche eine um die Mittenachse rotierende Innentrichterfläche. Dabei kann vorgesehen sein, dass die erste Innenringflanke bzw. die Innenringfläche der ersten Innenringflanke bezüglich einer Erregerspule eines Rotors einer mit dem Magnetkern ausgerüsteten elektrischen Maschine zugewandt ist.
Es kann auch zweckmäßig sein, wenn die zweite Innenringflanke eine Gegen-Innenringfläche aufweist, die zumindest abschnittsweise bezüglich der weiteren Ebene winkelig verkippt ausgeführt ist. Dabei kann sie einen axialen Gegen-Abstand zwischen sich und der weiteren Ebene beschreiben, der radial von innen nach außen zunimmt, so dass diese Gegen-Innenringfläche eine um die Mittenachse rotierende Innentrichterfläche bildet. Zweckmäßigerweise ist vorgesehen, dass die zweite Innenringflanke bzw. die Gegen-Innenringfläche der zweiten Innenringflanke bezüglich einer Erregerspule eines Rotors einer mit dem Magnetkern ausgerüsteten elektrischen Maschine abgewandt ist. Durch die winkelige Verkippung kann in relativ einfacher Weise eine Gestalt des Magnetkerns erreicht werden, bei der die kumulierte axiale Kernmaterialbreite des Kernrings von radial innen nach außen abnimmt. Dadurch kann insb. im Bereich der einen und/oder anderen Innenringflanke Kernmaterial eingespart werden, so dass der Magnetkern relativ kompakt und leichtgewichtig ist. Im Ergebnis ist hierdurch eine bevorzugte, insb. kostengünstig herstellbare Ausführungsform für einen Magnetkern angegeben.
Zweckmäßigerweise weist die Kernringausnehmung eine Schrägung oder Abstufung auf oder bildet dieselbe. Hierdurch wird die Kernringausnehmung vergrößert, so dass Raum für zusätzliche Spulenwicklungen, beispielsweise solche für die Primärspule, geschaffen ist. Zum anderen kann durch eine entsprechende Schrägung oder Abstufung der Kernringausnehmung auch eine radiale Ausdehnung der Primärspule verringert werden, beispielsweise indem eine Schrägung oder Abstufung in axialer Richtung ausgeführt wird, so dass zumindest zwei Wicklungen der Primärspule axial nebeneinander platziert werden können.
Weiterhin kann die Kernringausnehmung in einer um die Mittenachse rotierenden Umfangsrichtung einen flächenmäßig konstanten Öffnungsquerschnitt aufweisen.
Hierbei ist es zweckmäßig, wenn Öffnungsquerschnitt eine rechteckförmige Öffnungskontur oder eine trapezförmige Öffnungskontur aufweist und/oder in der Art nach einem symmetrischen Trapez oder einem rechtwinkligen Trapez gebildet ist. Hierdurch ist eine bevorzugte Gestalt für eine Kernringausnehmung angegeben, durch die insb. die Anordnung einer Primärspule am Magnetkern begünstigt sowie eine verbesserte Magnetfeldbündelung realisiert ist.
Weiterhin kann vorgesehen sein, dass an der ersten Innenringflanke und/oder der zweiten Innenringflanke Befestigungsmittel für Komponenten des Magnetkerns, insb. solche für die Primärspule angeordnet sind. Hierdurch ist eine bevorzugte Gestalt für eine Kernringausnehmung angegeben, durch die insb. die Anordnung einer Primärspule am Magnetkern begünstigt sowie eine verbesserte Magnetfeldbündelung realisiert ist.
Zweckmäßig ist, wenn das Kernmaterial ein magnetisches Material ist, insb. ein weichmagnetisches Material, weiter insb. Ferrit. Hierdurch ist ein bevorzugtes Kernmaterial für den Kernring angegeben.
Zweckmäßig ist weiterhin, wenn der Magnetkern einstückig ausgeführt ist, d.h. aus einem einzigen Teil gebildet ist. Alternativ kann der Magnetkern mehrstückig ausgeführt sein, die zweckmäßigerweise zu einem einzigen Magnetkern zusammengesetzt sind.
Die Erfindung schlägt zweckmäßigerweise eine elektrische Maschine mit mindestens einem Magnetkern gemäß der vorstehenden Beschreibung vor.
Zusammenfassend bleibt festzuhalten: Die vorliegende Erfindung betrifft vorzugsweise einen Magnetkern für eine elektrische Maschine, mit einem eine Mittenachse definierenden und aus einem magnetischen Kernmaterial gebildeten Kernring dessen kumulierte axiale Kernmaterialbreite radial von innen nach außen abnimmt, wodurch zweckmäßigerweise ein Querschnitt des Kernrings, welcher Magnetfeldlinien umschließt, an jeder Stelle des Kernrings konstant ist. Die Erfindung betrifft außerdem eine elektrische Maschine mit mindestens einem solchen Magnetkern.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch

1 einen erfindungsgemäßen Magnetkern gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel in einer Querschnittsansicht, wobei lediglich dessen oberhalb einer Mittenachse befindliche Hälfte illustriert ist,
2 einen erfindungsgemäßen Magnetkern gemäß einem bevorzugten, weiteren Ausführungsbeispiel in einer Querschnittsansicht, wobei lediglich dessen oberhalb einer Mittenachse befindliche Hälfte illustriert ist,
3 einen erfindungsgemäßen Magnetkern gemäß einem bevorzugten, weiteren Ausführungsbeispiel in einer Querschnittsansicht, wobei lediglich dessen oberhalb einer Mittenachse befindliche Hälfte illustriert ist und zuletzt
4 einen erfindungsgemäßen Magnetkern gemäß einem bevorzugten, weiteren Ausführungsbeispiel in einer Querschnittsansicht, wobei lediglich dessen oberhalb einer Mittenachse befindliche Hälfte illustriert ist.

Die 1 bis 4 zeigen vier bevorzugte Ausführungsbeispiele eines im Gesamten mit der Bezugsziffer 1 bezeichneten Magnetkerns, der in einer nicht illustrierten elektrischen Maschine 2 montiert und dort zur Bündelung von Magnetfeldern verwendbar ist.
Der Magnetkern 1 nach den 1 bis 4 zeichnet sich dadurch aus, dass dessen Kernring 4, der eine durch eine strichpunktierte Linie angedeutete Mittenachse 3 definiert und aus einem weichmagnetischen Kernmaterial wie Ferrit gebildet ist, eine bezüglich der Mittenachse 3 von radial innen nach außen abnehmende kumulierte axiale Kernmaterialbreite 5 hat.
Die kumulierte axiale Kernmaterialbreite 5 ist exemplarisch diejenige axiale Breite des Kernrings 4, die sich durch Kumulation aller axialen Einzelbreiten 5', 5''; 5''' von aus Kernmaterial gebildeten Abschnitten des Kernrings 4 an einer vorgegebenen radialen Position des Kernrings 4 ergibt. Dabei werden nicht von Kernmaterial gebildete Abschnitte des Kernrings 4 oder des Magnetkerns 1 nicht beachtet, z.B.
Luftspalte oder dergleichen. In 1 ist exemplarisch eine kumulierte axiale Kernmaterialbreite 5a des Kernrings 4 an einer radial innenliegenden Position des Kernrings 4 eingezeichnet, die sich aus einer ersten Einzelbreite 5' eines aus Kernmaterial gebildeten ersten Abschnitts des Kernrings 4 und einer zweiten Einzelbreite 5" eines ebenfalls aus Kernmaterial gebildeten zweiten Abschnitts des Kernrings 4 zusammensetzt. Weiterhin ist in 1 eine kumulierte axiale Kernmaterialbreite 5b des Kernrings 4 an einer radial weiter außenliegenden Position des Kernrings 4 eingezeichnet, die sich aus einer ersten Einzelbreite 5''' eines aus Kernmaterial gebildeten dritten Abschnitts des Kernrings 4 zusammensetzt. Ein Vergleich der kumulierten axialen Kernmaterialbreite 5a mit der kumulierten axialen Kernmaterialbreite 5b zeigt, dass mit zunehmendem Abstand zur Mittenachse 3 die Kernmaterialbreite 5 des Kernrings 4 abnimmt. Das hat den Effekt, dass der erfindungsgemäße Kernring 4 im Vergleich zu konventionellen Kernringen, deren axiale Kernmaterialbreite radial von innen nach außen konstant ist, radial außen weniger Kernmaterial aufweist, als radial innen. Dadurch kann Kernmaterial eingespart werden, so dass der Magnetkern 1 relativ kompakt und leichtgewichtig baut.
Wieder mit Bezug auf die 1 bis 4 kann man erkennen, dass der Kernring 4 gemäß allen Ausführungsformen zwei zueinander axial entgegengesetzt orientierte Ringflanken 7, 11 aufweist, zwischen denen eine Ebene 6 angeordnet ist, zu der die Mittenachse 3 orthogonal verläuft. Die Ebene 6 ist durch eine gestrichelte Linie angedeutet. Die Ausführungsformen gemäß der 1 bis 4 unterscheiden sich nun insbesondere hinsichtlich der Ausgestaltung der Ringflanken 7, 11.
In 1 sind weiterhin exemplarisch zwei axiale Kernring-Ringquerschnittsflächen 41, 42 des Kernrings 4 eingezeichnet, wobei die eine, erste axiale Kernring-Ringquerschnittsfläche 41 bezüglich der Mittenachse 3 radial innen und die andere, zweite axiale Kernring-Ringquerschnittsfläche 42 radial außen liegt. Aufgrund der insbesondere durch eine Verkippung oder Schrägstellung der ersten Ringflanke 7 und/oder der zweite Ringflanke 11 des Kernrings 4 realisierten Gestaltung des Kernrings 4 ist die erste axiale Kernring-Ringquerschnittsfläche 41 flächenmäßig betrachtet gleich groß wie die zweite axiale Kernring-Ringquerschnittsfläche 42.
Die erste Ringflanke 7 und die zweite Ringflanke 11 des Kernrings 4 gemäß 1 besitzen oder bilden eine Ringfläche 8 bzw. eine Ringfläche 12, die jeweils bezüglich der Ebene 6 winkelig verkippt ausgeführt sind. Die Ringfläche 8 der ersten Ringflanke 7 beschreibt dadurch einen axialen Abstand 9 zwischen sich und der Ebene 6, der radial von innen nach außen abnimmt, so dass die Ringfläche 8 eine um die Mittenachse 3 rotierende Außentrichterfläche bildet. Zweckmäßigerweise ist die Ringfläche 8 bzw. die Ringflanke 7 einer vorliegend nicht illustrierten Erregerspule eines Rotors einer mit dem Magnetkern 1 ausgerüsteten elektrischen Maschine 2 zugewandt. Die Ringfläche 12 der zweite Ringflanke 11 ist analog zur Ringfläche 8 der Ringflanke 7 ausgeführt, so dass sie einen axialen Gegen-Abstand 13 zwischen sich und der Ebene 6 definiert. Der Gegen-Abstand 13 nimmt dabei radial von innen nach außen ab, so dass die Gegen-Ringfläche 12 eine um die Mittenachse 3 rotierende Außentrichterfläche bildet. Durch diese konstruktiven Maßnahmen hat der Kernring 4 exemplarisch in einer um die Mittenachse 3 rotierenden Umfangsrichtung 15 einen flächenmäßig konstanten Querschnitt 16 mit einer trapezförmigen, insb. symmetrisch trapezförmigen, Außenkontur 18, 19.
Der Kernring 4 gemäß 2 unterscheidet sich von dem in 1 illustrierten Kernring 4 lediglich dadurch, dass die erste Ringflanke 7 bzw. dessen Ringfläche 8 nicht winkelig verkippt ist, sondern bezüglich der Ebene 6 parallel ausgerichtet ist. Dadurch hat der Kernring 4 in einer um die Mittenachse 3 rotierenden Umfangsrichtung 15 einen flächenmäßig konstanten Querschnitt 16 mit rechtwinkelig trapezförmiger Außenkontur 18, 20.
Der Kernring 4 gemäß 3 unterscheidet sich von den in 1 und 2 illustrierten Kernringen 4 dadurch, dass die erste Ringflanke 7 und die zweite Ringflanke 11 nicht winkelig verkippt, sondern jeweils bezüglich der Ebene 6 parallel ausgerichtet sind. Um dennoch eine Materialeinsparung zu erreichen ist hier eine nachfolgend diskutierte Verkippung zumindest einer Innenringflanke 25 zweier Innenringflanken 25, 29 vorgesehen. Hierdurch ist der Kernring 4 in einer um die Mittenachse 3 rotierenden Umfangsrichtung 15 mit einem flächenmäßig konstanten Querschnitt 16 ausgestattet, der eine rechteckige Außenkontur 17 beschreibt.
Der Kernring 4 gemäß 4 unterscheidet sich von dem in 1 illustrierten Kernring 4 zunächst dadurch, dass die erste Ringflanke 7 bzw. dessen Ringfläche 8 nicht winkelig verkippt ist, sondern bezüglich der Ebene 6 parallel ausgerichtet ist, so wie bei dem Kernring 4 gemäß 2. Ferner ist hier vorgesehen, dass zumindest eine Innenringflanke 25 zweier Innenringflanken 25, 29 verkippt ist, so wie bei dem Kernring 4 gemäß 3. Zudem sind am Kernring 4 Befestigungsmittel 37 oder eine Fluidkühlung für Komponenten des Magnetkerns 1 und/oder Komponenten der elektrischen Maschine 2 angeordnet, die einfachheitshalber durch schraffierte Bereiche angedeutet sind. Dadurch hat der Kernring 4 in einer um die Mittenachse 3 rotierenden Umfangsrichtung 15 einen flächenmäßig konstanten Querschnitt 16 mit einer rechtwinkelig trapezförmiger Außenkontur 18, 20.
In den 1 bis 4 ist weiterhin zu erkennen, dass der Kernring 4 an einem radial nach innen hin zur Mittenachse 3 orientierten Innenumfang 21 eine radial nach innen hin offene Kernringausnehmung 22 aufweist. Der Kernringausnehmung 22 ist eine aus einem elektrischen Leiter gebildete Primärspule 23 zugeordnet. Zudem greift in die Kernringausnehmung 22 ein rotierbares oder rotierendes und einen Rotor bildendes Halteteil 38 einer elektrischen Maschine 2 ein, auf dem eine, ebenfalls aus einem elektrischen Leiter gebildete Sekundärspule 39 angeordnet ist. Es ist vorgesehen, dass der Magnetkern 1 mit Primärspule 23 bezüglich dem Halteteil 38 still steht, wodurch es sozusagen einen Stator bildet. Primärspule 23 und Sekundärspule 39 können miteinander induktiv gekoppelt oder koppelbar sein, um elektrische Energie zu übertragen. Weiterhin weist der Kernring 4 im Bereich der Kernringausnehmung 22 (vgl. 2 und 4) eine axial bezüglich der Mittenachse 3 geführte Abstufung 40 bzw. Schrägung 40 auf, die durch eine umlaufende Ringausnehmung realisiert ist, um sozusagen die Kernringausnehmung 22 durch zusätzlichen Raum für die Anordnung der besagten Primärspule 23 zu erweitern.
Die Kernringausnehmung 22 ist exemplarisch axial von den zuvor bereits erwähnten zwei axial zueinander gegenüberliegenden Innenringflanken 25, 29 des Kernrings 4 begrenzt oder gebildet. Zwischen den Innenringflanken 25, 29 ist eine weitere Ebene 24 angeordnet, die bezüglich der die Mittenachse 3 orthogonal und mit der oben beschriebenen Ebene 6 deckungsgleich ist. Die Ausführungsformen gemäß 1 bis 4 unterscheiden sich nun hinsichtlich der Ausgestaltung der Innenringflanken 25, 29.
Die Kernringe 4 gemäß 1 und 2 sind so gestaltet, dass ihre Innenringflanken 25, 29 bezüglich der weiteren Ebene 24 parallel sind. Dadurch hat die Kernringausnehmung 22 in der um die Mittenachse 3 rotierenden Umfangsrichtung 15 betrachtet einen flächenmäßig konstanten Öffnungsquerschnitt 32, der rein exemplarisch eine rechteckförmige Öffnungskontur 33 beschreibt.
Die Kernringe 4 gemäß 3 und 4 sind im Unterschied dazu so gestaltet, dass eine erste Innenringflanke 25 der Innenringflanken 25, 29 eine Innenringfläche 26 aufweist, die bezüglich der weiteren Ebene 24 winkelig verkippt ist. Dadurch hat sie einen axialen Abstand 27 zwischen sich und der weiteren Ebene 24, der radial von innen nach außen zunimmt. Dadurch definiert die erste Innenringflanke 25 bzw. die Innenringfläche 26 eine um die Mittenachse 3 rotierende Innentrichterfläche. Zweckmäßigerweise kann diese Innentrichterfläche einer Erregerspule eines Rotors einer mit dem Magnetkern 1 ausgerüsteten elektrischen Maschine 2 zugewandt sein. Grundsätzlich ist es auch denkbar, dass zusätzlich oder alternativ die zweite Innenringflanke 29 mit ihrer Gegen-Innenringfläche 30 bezüglich der weiteren Ebene 24 winkelig verkippt ist und dass ein axialer Gegen-Abstand 31 zwischen dieser Gegen-Innenringfläche 30 und der weiteren Ebene 24 gebildet ist, der radial von innen nach außen zunimmt. Dies ist vorliegend jedoch nicht illustriert. Dadurch hat die Kernringausnehmung 22 in der um die Mittenachse 3 rotierenden Umfangsrichtung 15 betrachtet einen flächenmäßig konstanten Öffnungsquerschnitt 32, der rein exemplarisch eine trapezförmige, insb. rechtwinklige trapezförmige, Öffnungskontur 34, 36 beschreibt. Zu erwähnen ist noch, dass an der ersten Innenringflanke 25 und/oder der zweiten Innenringflanke 29 Befestigungsmittel 37 für Komponenten des Magnetkerns 1, insb. solche für die Primärspule 23 angeordnet sein können, in 4 ist dies durch einen schraffierten Bereich illustriert. Ferner kann an der ersten Innenringflanke 25 und/oder der zweiten Innenringflanke 29 zusätzlich oder alternativ zu den Befestigungsmitteln 37 eine Fluidkühlung vorgesehen sein.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2869316 B1 [0002]

Claims

Magnetkern (1) für eine elektrische Maschine (2), mit einem eine Mittenachse (3) definierenden und aus einem magnetischen Kernmaterial gebildeten Kernring (4) dessen kumulierte axiale Kernmaterialbreite (5) radial von innen nach außen abnimmt, insbesondere um bei gleicher Fläche weniger Magnetkernmaterial einzusetzen.
Magnetkern (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - der Kernring (4) zwei zueinander axial entgegengesetzt orientierte Ringflanken (7, 11) aufweist, zwischen denen eine Ebene (6) angeordnet ist, zu der die Mittenachse (3) orthogonal ist, - wobei die eine, erste Ringflanke (7) und/oder die andere, zweite Ringflanke (11) dieser Ringflanken (7, 11) wenigstens einen sich radial von innen nach außen axial erweiternden Rücksprung oder Ausnehmung aufweist, und/oder - wobei die eine, erste Ringflanke (7) und/oder die andere, zweite Ringflanke (11) dieser Ringflanken (7, 11) bezüglich der Ebene (6) winkelig verkippt ausgeführt ist.
Magnetkern (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die eine, erste Ringflanke (7) dieser Ringflanken (7, 11) eine Ringfläche (8) aufweist, die zumindest abschnittsweise bezüglich der Ebene (6) winkelig verkippt ist und einen axialen Abstand (9) zwischen sich und der Ebene (6) beschreibt, der radial von innen nach außen abnimmt, in der Art, dass die Ringfläche (8) eine um die Mittenachse (3) rotierende Außentrichterfläche beschreibt.
Magnetkern (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die andere, zweite Ringflanke (11) dieser Ringflanken (7, 11) eine Gegen-Ringfläche (12) aufweist, die zumindest abschnittsweise bezüglich der Ebene (6) winkelig verkippt ist und einen axialen Gegen-Abstand (13) zwischen sich und der Ebene (6) beschreibt, der radial von innen nach außen abnimmt, in der Art, dass die Gegen-Ringfläche (12) eine um die Mittenachse (3) rotierende Außentrichterfläche beschreibt.
Magnetkern (1) nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass an der Ringfläche (8) und/oder der Gegen-Ringfläche (12) Befestigungsmittel für Komponenten des Magnetkerns (1) und/oder eine Fluidkühlung für Komponenten des Magnetkerns (1) und/oder Komponenten einer elektrischen Maschine (2) angeordnet sind.
Magnetkern (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der Kernring (4) in einer um die Mittenachse (3) rotierenden Umfangsrichtung (15) einen flächenmäßig konstanten Querschnitt (16) aufweist, und/oder - wobei der Querschnitt (16) eine rechteckförmige Außenkontur (17) aufweist, oder - wobei der Querschnitt (16) eine trapezförmige Außenkontur (18) aufweist, und/oder - wobei der Querschnitt (16) eine Außenkontur (19) aufweist, die in der Art nach einem symmetrischen Trapez gebildet ist, oder - wobei der Querschnitt (16) eine Außenkontur (20) aufweist, die in der Art nach einem rechtwinkligen Trapez gebildet ist.
Magnetkern (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kernring (4) an einem radial nach innen hin zur Mittenachse (3) orientierten Innenumfang (21) eine radial nach innen hin offene Kernringausnehmung (22) aufweist, welcher zumindest eine aus einem elektrischen Leiter gebildete Primärspule (23) zugeordnet ist.
Magnetkern (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kernringausnehmung (22) axial von zwei axial zueinander gegenüberliegenden Innenringflanken (25, 29) des Kernrings (4) begrenzt ist, die zwischen denen eine weitere Ebene (24) angeordnet ist, zu der die Mittenachse (3) orthogonal ist, wobei die Primärspule (23) an der einen, ersten Innenringflanke (25) dieser beiden Innenringflanken (25, 29) oder an der anderen, zweiten Innenringflanke (29) dieser beiden Innenringflanken (25, 29) angeordnet ist.
Magnetkern (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Innenringflanke (25) eine Innenringfläche (26) aufweist, die zumindest abschnittsweise bezüglich der weiteren Ebene (24) winkelig verkippt ist und einen axialen Abstand (27) zwischen sich und der weiteren Ebene (24) beschreibt, der radial von innen nach außen zunimmt, in der Art, dass diese Innenringfläche (26) eine um die Mittenachse (3) rotierende Innentrichterfläche beschreibt.
Magnetkern (1) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Innenringflanke (29) eine Gegen-Innenringfläche (30) aufweist, die zumindest abschnittsweise bezüglich der weiteren Ebene (24) winkelig verkippt ist und einen axialen Gegen-Abstand (31) zwischen sich und der weiteren Ebene (24) beschreibt, der radial von innen nach außen zunimmt, in der Art, dass diese Gegen-Innenringfläche (30) eine um die Mittenachse (3) rotierende Innentrichterfläche beschreibt.
Magnetkern (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass - der Kernringausnehmung (22) in einer um die Mittenachse (3) rotierenden Umfangsrichtung (15) einen flächenmäßig konstanten Öffnungsquerschnitt (32) aufweist, und/oder - wobei der Öffnungsquerschnitt (32) eine rechteckförmige Öffnungskontur (33) aufweist, oder - wobei der Öffnungsquerschnitt (32) eine trapezförmige Öffnungskontur (34) aufweist, und/oder - wobei der Öffnungsquerschnitt (32) eine Öffnungskontur aufweist, die in der Art nach einem symmetrischen Trapez gebildet ist, oder - wobei der Öffnungsquerschnitt (32) eine Öffnungskontur (36) aufweist, die in der Art nach einem rechtwinkligen Trapez gebildet ist.
Magnetkern (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass an der ersten Innenringflanke (25) und/oder der zweiten Innenringflanke (29) Befestigungsmittel für Komponenten des Magnetkerns (1), insb. solche für die Primärspule (23) angeordnet sind.
Magnetkern (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kernmaterial ein magnetisches Material ist, insb. ein weichmagnetisches Material, weiter insb. Ferrit.
Magnetkern (1) für eine elektrische Maschine (2), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch - einen eine Mittenachse (3) definierenden und aus einem magnetischen Kernmaterial, insbesondere Ferrit, gebildeten Kernring (4), - dessen axialen Kernring-Ringquerschnittsflächen (41, 42) über die radiale Breite des Kernrings (4) betrachtet gleich groß oder zumindest im Wesentlichen gleich groß sind.
Elektrische Maschine (2) mit mindestens einem, insbesondere einteilig ausgeführten oder aus mehreren Einzelteilen zusammengebauten, Magnetkern (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14.
Induktiver Enerigeübertrager, insbesondere ein induktiver Drehenergieübertrager, für eine elektrische Maschine, insbesondere eine fremderregte Synchronmaschine oder eine Asynchronmaschine, mit mindestens einem Magnetkern nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 14.