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Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zum Betrieb einer elektrischen Maschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 4.
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Die Temperatur im Rotor einer elektrischen Maschine, besonders im Bereich von im Rotor angeordneten Magneten, ist ein kritischer Aspekt für die Performanz der elektrischen Maschine.
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Bei elektrisch angetriebenen Fahrzeugen werden oftmals permanenterregte Synchronmaschinen (PSM) als elektrische Traktionsmaschinen verwendet, welche im Rotor eingebettete Permanentmagneten aufweisen, um das Rotormagnetfeld zu beschreiben. Die Temperatur dieser Magnete im Betrieb der elektrischen Maschine ist unter anderem relevant für die magnetischen Eigenschaften, was einen Einfluss auf die Leistung der elektrischen Maschine haben kann, und für den Widerstand gegen Entmagnetisierung der Permanentmagnete. Neben der Temperatur im Betrieb können diese Eigenschaften unter anderem auch durch die im Magneten enthaltenen Materialien verändert werden, was dazu führen kann, dass der Anteil an Werkstoffen mit Seltenen Erden erhöht wird, welche oftmals teurer in der Beschaffung und Gegenstand geopolitischer Diskussionen sind. Es kann daher von Vorteil sein, den Rotor aktiv zu kühlen und die Magnettemperaturen zu beschränken.
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Eine Alternative zu den PSM sind sogenannte stromerregte Synchronmaschinen (EESM), welche die Magnete im Rotor durch elektrische Spulen ersetzen, um im Rotor das Magnetfeld zu erzeugen. EESM können im Betrieb geringere Leistungsdichten und Wirkungsgrade aufweisen und benötigen eine zuverlässige Stromzufuhr in den Rotor. Deshalb wird die PSM trotz ihrer oben genannten Nachteile in Fahrzeugen häufig favorisiert. Es kann von Vorteil sein, das Rotormagnetfeld im Betrieb in gewissem Maße beeinflussen und/oder steuern zu können und hierbei eine „hybride“ Rotor-Variante aus PSM und EESM zu schaffen.
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Im Stand der Technik sind hybriderregte Motoren mit Magnet und Spule im Rotor bekannt. Ferner ist eine Rotorkühlung direkt in einer Magnettasche bekannt. Ferner sind Hohlleiter bekannt.
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US 2006/0119206 A1 beschreibt eine rotierende elektrische Maschine mit einem Stator, der einen Rotor umschließt, der Permanenterregermagnete enthält, die magnetische Flüsse erzeugen können, und Erregerspulen, die erregt werden und einen Flussanteil erzeugen können, die den in den Magneten erzeugten Flüssen entgegenwirken können, wobei die Anzahl der Magnete und die Anzahl der Erregerspulen sowie die Anordnung der Spulen und der Magnete relativ zueinander ein elementares Muster erzeugen, wobei die Anzahl von Magneten, von Spulen und von elementaren Mustern abhängig von der gewünschten Grundintensität in der Maschine modifiziert werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen neuartigen Rotor für eine elektrische Maschine sowie ein Verfahren zu deren Betrieb anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Rotor für eine elektrische Maschine gemäß Anspruch 1 und durch ein Verfahren gemäß Anspruch 4.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Es wird ein Rotor für eine elektrische Maschine vorgeschlagen, wobei der Rotor eine Welle aufweist, um die ein Blechpaket angeordnet ist, wobei im Blechpaket mehrere Taschen ausgespart sind, in denen jeweils mindestens ein Permanentmagnet angeordnet ist, wobei die Permanentmagnete beispielsweise in U-Form oder in V-Form oder mit einem oder horizontal angeordnet sind, umfassend mindestens einen ersten Permanentmagneten, der beispielsweise im Blechpaket radial zur Welle magnetisiert sein kann, und optional mindestens je einen zweiten und dritten, jeweils im Blechpaket radial weiter außen als der mindestens eine erste Permanentmagnet angeordneten Permanentmagneten, der beispielsweise tangential zur Welle magnetisiert sein kann .
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Erfindungsgemäß ist um den mindestens einen ersten Permanentmagneten innerhalb der diesem zugeordneten Tasche eine Spule aus einem Hohldraht gewickelt. Optional ist eine Spule aus einem Hohldraht radial außerhalb am mindestens einen zweiten und dritten Permanentmagneten entlang innerhalb der diesen zugeordneten Taschen gewickelt. Die Spule ist bestrombar, wobei der Hohldraht zur Kühlung von einem Fluid durchströmbar ist.
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Die Magnete werden in einer U-Form oder in einer anderen Form im Rotor angeordnet und die Kühlung des Rotors und die zusätzliche Erregung werden durch mindestens eine Spule aus einem Hohlleiter am Ende mindestens einer der Taschen realisiert. Die Hohlleiter erlauben, das Kühlmedium nah an die Permanentmagnete zu bringen und durch die Steuerung des Stroms gleichzeitig das Feld im Rotor zu modulieren.
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Durch die erfindungsgemäße Lösung wird ein steuerbares Feld im Rotor sowie eine Kühlung der Magnete in deren Nähe erreicht. Auf diese Weise werden die Magnete gekühlt und die Performanz der elektrischen Maschine kann verbessert werden.
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Folgende Funktionen werden durch die erfindungsgemäße Lösung verbessert:
- Die magnetnahe Kühlung durch Kühlfluid in Hohlleitern führt zu einer besseren Kühlung der Magnete, höherer Flussdichte im Rotor und mehr Leistung. Die bessere Kühlung der Magnete führt auch zu einer höheren Koerzivität der Magnete, das heißt einer höheren Entmagnetisierungsfestigkeit. Die Koerzivität beschreibt den Widerstand der Magneten gegen Umpolung (gegen ein entgegengerichtetes Magnetfeld), das heißt einen Widerstand gegen Entmagnetisierung. Die magnetische Feldstärke, die nötig ist, um einen Permanentmagneten komplett zu entmagnetisieren, wird Koerzitivfeldstärke genannt. Bei Seltenerd-Magneten der Gruppe Neodym-Eisen-Bor (NdFeB) fällt die Koerzitivfeldstärke (Widerstandsfähigkeit) mit steigender Magnettemperatur.
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Die bestromten Hohlleiter (Spule) um die Magneten erzeugen einen zusätzlichen magnetischen Fluss und somit mehr Flussdichte im Rotor und mehr Leistung. Die zusätzliche Steuerbarkeit des Rotorstroms kann dazu genutzt werden, das Rotormagnetfeld im Feldschwächebereich zu schwächen, was zu einem besseren Wirkungsgrad der elektrischen Maschine im Feldschwächebereich führen kann. Das Rotorfeld der PSM ist fest durch die Magnete vorgegeben. Die Beeinflussung des Magnetfeldes geschieht daher normalerweise über den Strom in der Statorwicklung. Hierfür wird zusätzlich zum drehmomentbildenden Strom (Iq) ein voreilender Magnetisierungsstrom (Id) in die Statorwicklung für den Feldschwächebereich eingeprägt. Bei der Idee der Hohlleiter-Spule an den Magneten kann in den Rotor direkt ein negativer Strom in die Spule eingeprägt werden, der den Rotorfluss minimiert, so dass weniger d-Strom in der Statorwicklung benötigt wird, was wiederum zu geringeren Statorverlusten führt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Ansicht eines Rotors einer elektrischen Maschine mit einer Welle und einem Blechpaket,
- 2 eine schematische Detailansicht des Blechpakets,
- 3 eine schematische Detailansicht des Blechpakets aus 2 mit magnetischen Flüssen,
- 4 eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines Rotors einer elektrischen Maschine mit einer Welle und einem Blechpaket,
- 5 eine schematische Detailansicht des Blechpakets aus 4,
- 6 eine schematische Detailansicht des Blechpakets aus 4 mit magnetischen Flüssen,
- 7 eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines Rotors einer elektrischen Maschinemit einer Welle und einem Blechpaket,
- 8 eine schematische Detailansicht des Blechpakets aus 7, und
- 9 eine schematische Detailansicht des Blechpakets aus 7 mit magnetischen Flüssen.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 ist eine schematische Ansicht eines Rotors 1 einer elektrischen Maschine. Ein nicht dargestellter Stator der elektrischen Maschine kann wie im Stand der Technik für PSM oder EESM bekannt ausgeführt sein.
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Der Rotor 1 weist eine Welle 2 auf, um die ein Blechpaket 3 angeordnet ist. 2 ist eine schematische Detailansicht des Blechpakets 3. Im Blechpaket 3 sind mehrere Taschen 4.1, 4.2, 4.3 ausgespart, in denen jeweils mindestens ein Permanentmagnet 5.1, 5.2, 5.3 angeordnet ist. Beispielsweise können die Permanentmagnete 5.1, 5.2, 5.3 in U-Form oder in einer anderen Form angeordnet sein, um ein Magnetfeld auszubilden. Dabei ist mindestens ein erster Permanentmagnet 5.1 in der Tasche 4.1 angeordnet und beispielsweise radial zur Welle 2 magnetisiert und mindestens je ein zweiter und dritter Permanentmagnet 5.2, 5.3 ist im Blechpaket 3 radial weiter außen als der mindestens eine erste Permanentmagnet 5.1 angeordnet und beispielsweise tangential zur Welle 2 magnetisiert.
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Um den unteren mindestens einen ersten Permanentmagneten 5.1 ist innerhalb der Tasche 4.1 eine Spule 6.1 aus einem Hohldraht 7 gewickelt. Die Spule 6.1 kann bestromt werden, um ein Magnetfeld zu generieren, und der Hohldraht 7 kann zur Kühlung von einem Fluid durchströmt werden.
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3 ist eine schematische Detailansicht des Blechpakets 3 aus 2, wobei durch die Permanentmagnete 5.1, 5.2, 5.3 und die Spule 6.1 verursachte magnetische Flüsse durch Pfeile P1, P2, P3 symbolisiert sind. Die Pfeile P1 symbolisieren jeweils den durch mindestens einen der Permanentmagnete 5.1, 5.2, 5.3 verursachten magnetischen Fluss. Der Pfeil P2 symbolisiert einen zusätzlichen, durch die Spule 6.1 verursachten magnetischen Fluss, der durch Bestromung der Spule 6.1 gezielt im Rotor 1 steuerbar ist. Der Pfeil P3 symbolisiert einen magnetischen Gesamtfluss, der sich aus dem durch den mindestens einen ersten Permanentmagneten 5.1 verursachten magnetischen Fluss und dem durch die Spule 6.1 verursachten magnetischen Fluss zusammensetzt. Wenn die Spule 6.1 nicht bestromt wird, dann entfällt der magnetische Fluss gemäß Pfeil P2 und der magnetische Fluss wird nur durch die Permanentmagnete 5.1, 5.2, 5.3 bestimmt. Durch gezielte Bestromung der Spule 6.1 kann der magnetische Fluss der Magneten (Pfeil P1) auch reduziert werden; d.h. es gäbe den unbestromten Spulenfall, dann erzeugt der Magnet den magnetischen Fluss, es gibt den bestromten Spulenfall, wo der Fluss höher ist als beim Magneten alleine und es gäbe Fall 3, bei dem das Rotormagnetfeld kleiner sein kann als das des Magneten, weil über die Spule ein Gegenfeld eingeprägt wird, welches das Rotormagnetfeld abschwächt. Unabhängig von ihrer Bestromung kann die Spule 6.1 steuerbar gekühlt werden, indem ein Fluid durch den Hohldraht 7 gefördert wird. Dadurch wird auch das Blechpaket 3 mit den Permanentmagneten 5.1, 5.2, 5.3 gekühlt, insbesondere der mindestens eine erste Permanentmagnet 5.1, um den die Spule 6.1 gewickelt ist. Eine gekühlte Spule 6.1 ermöglicht zusätzlich höhere Ströme in der Spule 6.1 als im ungekühlten Zustand und limitiert die Stromhöhe daher weniger.
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4 ist eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines Rotors 1 einer elektrischen Maschine. 5 ist eine schematische Detailansicht des Blechpakets 3 des Rotors 1 aus 4. Hierbei ist anstelle der Spule 6.1 aus den 2 und 3 eine Spule 6.2 aus Hohldraht 7 radial außerhalb am mindestens einen zweiten und dritten Permanentmagneten 5.2, 5.3 innerhalb der Taschen 4.2, 4.3 gewickelt. Die Spule 6.2 kann bestromt werden, um ein Magnetfeld zu generieren, und der Hohldraht 7 kann zur Kühlung von einem Fluid durchströmt werden.
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6 ist eine schematische Detailansicht des Blechpakets 3 aus 5, wobei durch die Permanentmagnete 5.1, 5.2, 5.3 und die Spule 6.2 verursachte magnetische Flüsse durch die Pfeile P1, P2 symbolisiert sind. Die Pfeile P1 symbolisieren jeweils den durch einen der Permanentmagnete 5.1, 5.2, 5.3 verursachten magnetischen Fluss. Der Pfeil P2 symbolisiert einen zusätzlichen, durch die Spule 6.2 verursachten magnetischen Fluss, der durch Bestromung der Spule 6.2 gezielt im Rotor 1 steuerbar ist. Wenn die Spule 6.2 nicht bestromt wird, dann entfällt der magnetische Fluss gemäß Pfeil P2 und der magnetische Fluss wird nur durch die Permanentmagnete 5.1, 5.2, 5.3 bestimmt. Durch gezielte Bestromung der Spule 6.1 kann der magnetische Fluss der Magneten (Pfeil P1) auch reduziert werden; d.h. es gäbe den unbestromten Spulenfall, dann erzeugt der Magnet den magnetischen Fluss, es gibt den bestromten Spulenfall, wo der Fluss höher ist als beim Magneten alleine und es gäbe Fall 3, bei dem das Rotormagnetfeld kleiner sein kann als das des Magneten, weil über die Spule ein Gegenfeld eingeprägt wird, welches das Rotormagnetfeld abschwächt. Unabhängig von ihrer Bestromung kann die Spule 6.2 steuerbar gekühlt werden, indem ein Fluid durch den Hohldraht 7 gefördert wird. Dadurch wird auch das Blechpaket 3 mit den Permanentmagneten 5.1, 5.2, 5.3 gekühlt, insbesondere der mindestens eine zweite und dritte Permanentmagnet 5.2, 5.3, an denen entlang die Spule 6.2 gewickelt ist. Eine gekühlte Spule 6.2 ermöglicht zusätzlich höhere Ströme in der Spule 6.2 als im ungekühlten Zustand und limitiert die Stromhöhe daher weniger.
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7 ist eine schematische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines Rotors 1 einer elektrischen Maschine. 8 ist eine schematische Detailansicht des Blechpakets 3 des Rotors 1 aus 7. Hierbei sind die Varianten gemäß den 1 bis 3 und den 4 bis 6 miteinander kombiniert.
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Um den unteren mindestens einen ersten Permanentmagneten 5.1 ist innerhalb der Tasche 4.1 eine Spule 6.1 aus einem Hohldraht 7 gewickelt. Die Spule 6.1 kann bestromt werden, um ein Magnetfeld zu generieren, und der Hohldraht 7 kann zur Kühlung von einem Fluid durchströmt werden.
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Ferner ist eine Spule 6.2 aus Hohldraht 7 radial außerhalb am mindestens einen zweiten und dritten Permanentmagneten 5.2, 5.3 innerhalb der Taschen 4.2, 4.3 gewickelt. Die Spule 6.2 kann ebenfalls bestromt werden, um ein Magnetfeld zu generieren, und der Hohldraht 7 kann zur Kühlung von einem Fluid durchströmt werden.
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9 ist eine schematische Detailansicht des Blechpakets 3 aus 8, wobei durch die Permanentmagnete 5.1, 5.2, 5.3 und die Spulen 6.1, 6.2 verursachte magnetische Flüsse durch die Pfeile P1, P2, P3 symbolisiert sind. Die Pfeile P1 symbolisieren jeweils den durch mindestens einen der Permanentmagnete 5.1, 5.2, 5.3 verursachten magnetischen Fluss. Der Pfeil P2 symbolisiert einen zusätzlichen, durch die Spule 6.1 verursachten magnetischen Fluss, der durch Bestromung der Spule 6.1 gezielt im Rotor 1 steuerbar ist. Der Pfeil P3 symbolisiert einen zusätzlichen, durch die Spule 6.2 verursachten magnetischen Fluss, der durch Bestromung der Spule 6.2 gezielt im Rotor 1 steuerbar ist. Wenn die Spulen 6.1, 6.2 nicht bestromt werden, dann entfällt der magnetische Fluss gemäß den Pfeilen P2, P3 und der magnetische Fluss wird nur durch die Permanentmagnete 5.1, 5.2, 5.3 bestimmt. Unabhängig von ihrer Bestromung können die Spulen 6.1, 6.2 steuerbar gekühlt werden, indem ein Fluid durch den Hohldraht 7 gefördert wird. Dadurch wird auch das Blechpaket 3 mit den Permanentmagneten 5.1, 5.2, 5.3 gekühlt, insbesondere die Permanentmagnete 5.1, 5.2, 5.3, an denen entlang die Spulen 6.1, 6.2 gewickelt sind. Gekühlte Spulen 6.1, 6.2 ermöglichen zusätzlich höhere Ströme in den Spulen 6.1, 6.2 als im ungekühlten Zustand und limitieren die Stromhöhe daher weniger.
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Die Anzahl und Anordnung der Spulen 6.1, 6.2 können variiert werden.
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Bei Verwendung mehrere Spulen 6.1, 6.2 ist es möglich, diese elektrisch in Reihe oder parallel zu schalten.
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Der Hohldraht 7 kann beispielsweise als Runddraht, Hairpin oder als ein anders geformter Draht ausgebildet sein. Der Hohldraht 7 kann beispielsweise aus Kupfer oder Aluminium gebildet sein.
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In einer Ausführungsform kann der Hohldraht 7 auf einer Außenseite durch eine Beschichtung elektrisch isoliert sein. Eine Innenseite des Hohldrahtes 7 kann elektrisch isoliert oder nicht isoliert sein. Bei nicht isolierter Innenseite sollte ein dielektrisches Fluid zum Kühlen verwendet werden.
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Als Kühlfluid eignen sich Gase und Flüssigkeiten, insbesondere dielektrische Flüssigkeiten und Öle.
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Die Taschen 4.1, 4.2, 4.3 mit den darin befindlichen Spulen 6.1, 6.2 können mit einer Vergussmasse versehen sein, um die Spulen 6.1, 6.2 mechanisch zu fixieren, gegenüber den Permanentmagneten 5.1, 5.2, 5.3 zu positionieren und um über die Vergussmasse eine (gegenüber Luft als schlechtem Wärmeleiter) verbesserte Wärmeleitung zwischen Hohldraht 7 und Permanentmagnet 5.1, 5.2, 5.3 zu erreichen.
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Der Rotor 1 kann Teil einer elektrischen Maschine sein, die als Antriebsmaschine eines elektrisch angetriebenen Fahrzeugs, beispielsweise eines Nutzfahrzeugs, eines Busses oder eines Personenkraftwagens, verwendet werden kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rotor
- 2
- Welle
- 3
- Blechpaket
- 4.1, 4.2, 4.3
- Tasche
- 5.1, 5.2, 5.3
- Permanentmagnet
- 6.1, 6.2
- Spule
- 7
- Hohldraht
- P1, P2, P3
- Pfeil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2006/0119206 A1 [0006]
