-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor zur Verwendung in einer elektrischen Maschine, eine elektrische Maschine sowie ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine.
-
Hintergrund der Erfindung
-
Elektrische Maschinen weisen einen Rotor und einen Stator auf. Zwischen Rotor und Stator ist dabei in der Regel ein Spalt, auch als Luftspalt bezeichnet, vorgesehen, um eine Drehung bzw. Rotation des Rotors innerhalb des Stators zu erlauben.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Erfindungsgemäß werden ein Rotor, eine elektrische Maschine sowie ein Verfahren zum Betreiben einer elektrischen Maschine mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der nachfolgenden Beschreibung.
-
Die Erfindung beschäftigt sich mit elektrischen Maschinen sowie insbesondere Rotoren hierfür. Eine elektrische Maschine weist einen Stator und Rotor auf, wobei der Rotor innerhalb des Stators um die Rotationsachse rotierbar angeordnet ist, wobei zwischen einer Außenseite des Rotors und einer Innenseite des Stators ein Spalt ausgebildet ist. Dies Spalt wird auch als Luftspalt bezeichnet, auch wenn es sich z.B. um eine nasslaufende elektrische Maschine handelt.
-
Bei einer nasslaufenden elektrischen Maschine ist typischerweise ein Gemisch aus einer gasförmigen und einer flüssigen Phase im Inneren der elektrischen Maschine vorgesehen, das somit in direktem Kontakt mit rotierenden Bauteilen, also insbesondere dem Rotor, steht. Insbesondere im Luftspalt der elektrischen Maschine liegen große Schergefälle vor, d.h. kleine Abstände und große Schergeschwindigkeiten. Kommen im Betrieb z.B. Öltropfen in diesen Luftspalt, so verursachen diese durch ihre im Vergleich zu Luft sehr große Viskosität eine Scherspannung und generieren über die Luftspaltfläche ein sogenanntes Schleppmoment, d.h. ein Drehmoment resultierend aus der inneren Reibung in Flüssigkeiten.
-
Der Luftspalt einer elektrischen Maschine ist in der Regel im Wesentlichen zylinderförmig. Um Effekte wie Drehmomentungleichförmigkeit oder Oberschwingungen in der induzierten Spannung zu beeinflussen, kann eine variable Luftspalthöhe vorgesehen oder eingestellt werden. Beispielsweise kann der Rotor als sog. Sinusfeldpol umgesetzt werden. Ein Sinusfeldpol weist in der d- und q-Achse einen kleinen Luftspalt und zwischen diesen Achsen einen vergrößerten Luftspalt auf.
-
Allgemein weist der Rotor auf der Außenseite also in einem oder - bevorzugt - mehreren Winkelbereichen jeweils eine Oberfläche auf, dies sich jeweils über den Winkelbereich erstreckt. Durch diese Oberflächen kann ein kleiner bzw. minimaler Luftspalt definiert sein. Diese Oberflächen könne z.B. jeweils als Abschnitte einer Zylindermantelfläche ausgebildet sein. Für den einen oder die mehreren Winkelbereiche weist die Außenseite dann jeweils eine in Umfangsrichtung an einem ersten Ende an die Oberfläche angrenzende erste Übergangsoberfläche und eine in Umfangsrichtung an einem zweiten Ende an die Oberfläche angrenzende zweite Übergangsoberfläche auf. Die erste Übergangsoberfläche wiederum weist jeweils einen in die Umfangsrichtung mit einer ersten Neigung abnehmenden Abstand von der Rotationsachse und die zweite Übergangsoberfläche jeweils einen entgegen die Umfangsrichtung (also auf der anderen Seite) mit einer zweiten Neigung abnehmenden Abstand von der Rotationsachse auf. Auf diese Weise ergeben sich zwischen den Oberflächen, d.h. den Bereichen mit kleinem Luftspalt, Bereiche (oder Übergänge) mit größerem Luftspalt.
-
Diese Übergänge zwischen diesen Bereichen mit kleinem Luftspalt können ein wichtiger Aspekt der elektromagnetischen Auslegung sein. Diese Winkelbereiche bzw. deren Oberflächen können z.B. jeweils bei einem einen Pol des Rotors angeordnet sein, und/oder eine q-Achse oder eine d-Achse des Rotors einschließen. Denkbar ist auch, dass zwischen verschiedenen ersten und zweiten Winkelbereichen unterschieden wird, deren Oberflächen etwas unterschiedliche Abstande zur Rotationsachse haben.
-
Damit können an den Polen also die kleineren Luftspalte ausgebildet sein, die in und entgegen die Umfangsrichtung jeweils etwas größer werden und dann auch wieder zum jeweils nächsten Pol hin kleiner werden. Die magnetischen Pole können symmetrisch ausgeführt sein, so dass die elektrische Maschine in beiden Drehrichtungen in gleicher Weise betrieben werden kann. Dies heißt auch, dass die erwähnten ersten und zweiten Neigungen gleich sind, und insbesondere auch die entsprechenden ersten und zweiten Übergangsoberflächen gleich sind.
-
Dieser variable Luftspalt erzeugt bei nasslaufenden elektrischen Maschine z.B. eine Pumpwirkung auf Öltropfen in axialer Richtung, da er sich periodisch verengt und wieder aufweitet. Da diese Hubbewegung durch die Symmetrie im positiven und im negativen Bereich gleich abläuft, wird Fluid gleich stark aus dem Luftspalt ausgestoßen wie eingesaugt. Auch bei trockenbetriebenen bzw. nicht nasslaufenden Maschinen kann auf diese Weise Luft und z. B. etwaiger Staub gleich stark aus dem Luftspalt ausgestoßen wie eingesaugt.
-
Vor diesem Hintergrund wird nun vorgeschlagen, den Übergangsbereich zwischen einem Bereich großen Luftspalts und einem Bereich kleinen Luftspalts anzupassen, und zwar indem jeweils die erste Neigung betragsmäßig und zumindest im Mittel größer als die zweite Neigung ist. Damit ergibt sich ein asymmetrisches Design.
-
Das Design dieses Übergangs wird insbesondere drehrichtungsabhängig ausgeführt, d.h. die elektrische Maschine weist eine Haupt- oder Vorwärtsrotationsrichtung auf, sodass die Übergangsoberflächen mit den ersten Neigungen in Haupt- oder Vorwärtsrotationsrichtung gesehen vorne liegen. Unter der Haupt- oder Vorwärtsrotationsrichtung soll dabei diejenige Dreht- oder Rotationsrichtung der elektrischen Maschine verstanden werden, die im regulären Betrieb überwiegend oder weit überwiegend verwendet wird. Bei einer als Antrieb für ein Fahrzeug verwendeten elektrischen Maschine wäre die Haupt- oder Vorwärtsrotationsrichtung z.B. diejenige, mit der das Fahrzeug vorwärtsfährt.
-
Damit weisen die Übergänge auflaufender Rampen (d.h. in Drehrichtung mit kleiner werdendem Spalt) eine steilere Steigung auf als solche von ablaufenden Rampen. Durch diese steiler auflaufende Rampe entsteht ein größerer positiver Druckgradient vor der steilen Rampe. Der Druck kann dann vorwiegend axial, also seitlich aus dem Luftspalt entweichen.
-
Diese Wirkung kann etwaige Öltropfen oder ggf. Staub axial aus dem Luftspalt treiben. Die nachfolgende ablaufende Rampe ist weniger steil ausgeführt, um eine geringere Saugwirkung zu erzielen, als die vorherige Druckwirkung. Dies ergibt netto eine stärkere Ölförderung aus dem Luftspalt heraus als in den Luftspalt hinein. Statistisch gesehen ist also davon auszugehen, dass Öltropfen schnell wieder aus dem Luftspalt gefördert werden.
-
Besonders zweckmäßig ist der Rotor permanenterregt ausgebildet. Dies erlaubt z.B. auch, dass die Außenseite eine in Umfangsrichtung durchgehende Oberfläche aufweist, die nur geringfügig im Abstand zur Rotationsachse variiert. Hier ist die erzielte Verdrängungswirkung von besonderem Vorteil.
-
Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der beiliegenden Zeichnung.
-
Die Erfindung ist anhand von Ausführungsbeispielen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
- 1 zeigt schematisch eine elektrische Maschine zur Erläuterung der Erfindung.
- 2 zeigt schematisch einen Stator einer elektrischen Maschine in einer bevorzugten Ausführungsform in Schnittansicht.
- 3 zeigt schematisch den Stator aus 2 in perspektivischer Ansicht.
- 4 zeigt schematisch den Stator aus 3 in perspektiver Ansicht mit Erläuterungen.
-
Ausführungsformen der Erfindung
-
In 1 ist schematisch eine elektrische Maschine 100 mit Rotor 110 und Stator 120 gezeigt. Der Rotor 110 weist eine Rotorwelle 112 auf und ist innerhalb des Stators 120 um eine Rotationsachse R rotierbar angeordnet. Die Rotationsachse R soll hier beispielhaft in z-Richtung ausgerichtet sein. Eine Haupt- oder Vorwärtsrotationsrichtung ist hier beispielhaft mit U bezeichnet; es handelt sich hierbei zugleich um eine Umfangsrichtung des Rotors 110. Weiterhin weist die elektrische Maschine 100 einen Inverter 130 auf. Zwischen einer Außenseite 114 des Rotors 110 und einer Innenseite 122 des Stators 120 ist ein Spalt oder Luftspalt L ausgebildet.
-
Bei der elektrischen Maschine 100 kann es sich um eine erfindungsgemäße elektrische Maschine handeln, wobei die Gestaltung der Außenseite 114 des Rotors 110 hier nicht zu sehen ist. Hierzu sei auf die nachfolgenden Figuren verwiesen.
-
In 2 ist schematisch der Rotor 110 der elektrischen Maschine in einer bevorzugten Ausführungsform in Schnittansicht gezeigt. In 3 ist der Rotor 110 in perspektivischer Ansicht gezeigt. Die Ausrichtung der x-, y- und z-Achse entspricht hier derjenigen aus 2. Die 2 und 3 sollen nachfolgend übergreifend beschrieben werden.
-
Hier ist wie in 1 die Haupt- oder Vorwärtsrotationsrichtung U gezeigt; die zugleich um eine Umfangsrichtung des Rotors 110 bildet. In dem Rotor 110 sind beispielhaft mehrere Ausnehmungen 118 gezeigt, in welche Permanentmagnete eingesetzt werden können, um einen permanenterregten Rotor zu bilden. Durch die Permanentmagnete können Pole des Rotors gebildet werden, wodurch wiederum q- und d-Achsen definiert werden. Beispielhaft sind in 2 eine q-Achse q und eine d-Achse d gezeigt (beide verlaufen durch die hier nicht gezeigte Rotationsachse).
-
Am Beispiel des Pols mit der q-Achse soll hier nun eine Form der Außenseite 114 des Rotors 110 erläutert werden. Die Außenseite 114 ist hier eine durchgehende Oberfläche mit variierendem Abstand A zur (hier nicht gezeigten) Rotationsachse Es ist ein Winkelbereich 140 gezeigt, der hier die q-Achse einschließt und damit auch bei einem Pol des Rotors 110 liegt. Die Außenseite 114 des Rotors 110 weist in diesem Winkelbereich 140 eine Oberfläche 142 auf, die sich über diesen Winkelbereich 140 erstreckt. Es sei erwähnt, dass der Winkelbereich 140 über den Umfang U hinweg definiert ist. Der Winkelbereich 140 kann z.B. 10°, 5° oder weniger abdecken. Grundsätzlich denkbar ist auch, dass der Winkelbereich auf 0° entartet ist, sodass die Oberfläche 142 zu einer Geraden entartet wäre.
-
Außerdem bildet die Oberfläche 142 hier beispielhaft einen Abschnitt einer Zylindermantelfläche, die hier mit 116 bezeichnet ist. Auf diese Weise können auch weitere Winkelbereiche 140 mit Oberflächen 142 vorgesehen sein, z.B. an jedem Pol oder jeder q-Achse des Rotors 110. All diese Oberflächen können dann jeweils einen Abschnitt der Zylindermantelfläche 116 bilden. Es sei erwähnt, dass die Oberfläche 142 nicht notwendigerweise einen Abschnitt einer Zylindermantelfläche bilden muss. Die Oberfläche 142 kann z.B. auch etwas abgeflacht oder stärker um die Rotationsachse gekrümmt sein.
-
Weiterhin weist der Rotor 110 auf der Außenseite 114 eine erste Übergangsoberfläche 152 und eine zweite Übergangsoberfläche 156 auf. Die erste Übergangsoberfläche 152 grenzt in Umfangsrichtung U an einem ersten Ende an die Oberfläche 142 an. Die zweite Übergangsoberfläche 156 grenzt in Umfangsrichtung U an einem zweiten Ende (also entgegen der Umfangsrichtung U) an die Oberfläche 142 an.
-
Die erste Übergangsoberfläche 152 weist einen in die Umfangsrichtung (U) mit einer ersten Neigung 162 abnehmenden Abstand von der Rotationsache auf. Die zweite Übergangsoberfläche 156 weist einen entgegen die Umfangsrichtung U mit einer zweiten Neigung 166 abnehmenden Abstand von der Rotationsachse auf. Dabei ist die erste Neigung 152 betragsmäßig größer als die zweite Neigung 166, z.B. doppelt so groß (d.h. 100% größer). In dem gezeigten Beispiel sind die erste Übergangsoberfläche 152 und die zweite Übergangsoberfläche 156 als ebene Flächen ausgebildet. Die Neigung kann daher z.B. jeweils als Winkel definiert werden, den diese Flächen jeweils mit der Zylindermantelfläche 116 oder einer tangentialen Fläche an die Zylindermantelfläche 116 im Schnittpunkt zwischen der Übergangsoberfläche und der Übergangsoberfläche einschließen.
-
Die Übergangsoberflächen 152, 156 müssen jedoch nicht notwendigerweise ebene Flächen sein, sondern können z.B. auch gekrümmte Flächen sein. Beispielsweise kann der Übergang von der Oberfläche 142 zu den Übergangsoberflächen 152, 156 jeweils etwas glatter ausgebildet sein. Dann gibt es keinen festen Wert für die Neigung (oder auch Steigung) der Übergangsoberfläche mehr. Jedoch kann ein Mittelwert (z.B. arithmetischer Mittelwert) gebildet werden. Die erste Neigung sollte dann betragsmäßig und zumindest im Mittel, d.h. mit ihrem Mittelwert, größer als die zweite Neigung sein.
-
Weiterhin ist in diesem Beispiel vorgesehen, dass sich die erste Übergangsoberfläche 152 von der Oberfläche 142 am ersten Ende des Winkelbereichs 140 über einen ersten Übergangswinkelbereich 150 erstreckt. Die Neigung der Oberfläche ändert sich dann wieder, der Abstand steigt wieder an. Dies kann z.B. schon zu einer Übergangsoberfläche eines nächsten Winkelbereichs bzw. Pols (hier an der d-Achse) gehören. Die zweite Übergangsoberfläche 156 erstreckt sich von der Oberfläche 142 am weiten Ende des Winkelbereichs 140 über einen zweiten Übergangswinkelbereich 154. Die Neigung der Oberfläche ändert sich dann wieder, der Abstand steigt wieder an. Der zweite Übergangswinkelbereich 154 ist hier größer, z.B. doppelt so groß, wie der erste Übergangswinkelbereich 150.
-
Dies führt in diesem Beispiel dazu, dass der gesamte Winkelbereich 144, umfassend den Winkelbereich 140, den ersten Übergangswinkelbereich 150 und den zweiten Übergangswinkelbereich 154 symmetrisch zur q-Achse liegt.
-
In 4 ist der Rotor 110 aus 2 erneut gezeigt, wobei mittels zweier Pfeile ein Staudruck p1 angedeutet ist, der sich bei Rotation des Rotors in Umfangsrichtung U ergibt. Durch diesen Staudruck p1 werden etwaige Öltröpfchen z.B. aus dem Luftspalt verdrängt. Am zweiten Ende, d.h. an der zweiten Neigung 156 entsteht ein Unterdruck p2, der in 3 mittels zweier Pfeile angedeutet ist. Durch diesen Unterdruck p2 werden etwaige Öltröpfchen wieder in den Luftspalt hineingezogen.
-
Dadurch, dass die erste Neigung 152 betragsmäßig größer als die zweite Neigung 156 ist, wird bei Rotation des Rotors in Umfangsrichtung U, d.h. derart, dass die erste Neigung 152 vorne im Umlaufrichtung U gelegen ist, erreicht, dass der Staudruck p1 betragsmäßig größer ist als der Unterdruck p2. Folglich werden mehr Öltröpfchen aus dem Luftspalt verdrängt als hineingezogen. Das ergibt netto eine stärkere Ölförderung aus dem Luftspalt heraus als in den Luftspalt hinein. Statisch gesehen ist also davon auszugehen, dass Öltröpfchen schnell wieder aus dem Luftspalt gefördert werden.
-
Wie erwähnt, können auch weitere Winkelbereiche 140 (dann erste Winkelbereiche) mit Oberflächen 142 vorgesehen sein, z.B. an jeder q-Achse des Rotors 110. All diese Oberflächen können dann jeweils einen Abschnitt der Zylindermantelfläche 116 bilden. Es können jedoch auch noch weitere, dann zweite Winkelbereiche vorgesehen sein, die einen (zumindest im Mittel) kleineren Abstand von der Rotationsachse haben. Dies kann z.B. an den d-Achsen der Fall sein. So kann sich z.B. an das Ende des ersten Übergangswinkelbereichs 150 in Umfangsrichtung U gesehen ein Übergangswinkelbereich anschließen, an den dann wiederum ein (zweiter) Winkelbereich grenzt, der die d-Achse einschließt.
