WO2013149768A2 - Bürstenlose elektrische maschine mit vergrabenen dauermagneten - Google Patents

Bürstenlose elektrische maschine mit vergrabenen dauermagneten Download PDF

Info

Publication number
WO2013149768A2
WO2013149768A2 PCT/EP2013/053727 EP2013053727W WO2013149768A2 WO 2013149768 A2 WO2013149768 A2 WO 2013149768A2 EP 2013053727 W EP2013053727 W EP 2013053727W WO 2013149768 A2 WO2013149768 A2 WO 2013149768A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
rotor
permanent magnets
electric
shield
permanent magnet
Prior art date
Application number
PCT/EP2013/053727
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO2013149768A3 (de
Inventor
Steven Andrew Evans
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
Publication of WO2013149768A2 publication Critical patent/WO2013149768A2/de
Publication of WO2013149768A3 publication Critical patent/WO2013149768A3/de

Links

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/12Stationary parts of the magnetic circuit
    • H02K1/17Stator cores with permanent magnets
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/27Rotor cores with permanent magnets
    • H02K1/2706Inner rotors
    • H02K1/272Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis
    • H02K1/274Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets
    • H02K1/2753Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets the rotor consisting of magnets or groups of magnets arranged with alternating polarity
    • H02K1/276Magnets embedded in the magnetic core, e.g. interior permanent magnets [IPM]
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/27Rotor cores with permanent magnets
    • H02K1/2706Inner rotors
    • H02K1/272Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis
    • H02K1/274Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets
    • H02K1/2753Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets the rotor consisting of magnets or groups of magnets arranged with alternating polarity
    • H02K1/276Magnets embedded in the magnetic core, e.g. interior permanent magnets [IPM]
    • H02K1/2766Magnets embedded in the magnetic core, e.g. interior permanent magnets [IPM] having a flux concentration effect
    • H02K1/2773Magnets embedded in the magnetic core, e.g. interior permanent magnets [IPM] having a flux concentration effect consisting of tangentially magnetized radial magnets
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02KDYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K11/00Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection
    • H02K11/01Structural association of dynamo-electric machines with electric components or with devices for shielding, monitoring or protection for shielding from electromagnetic fields, i.e. structural association with shields
    • H02K11/012Shields associated with rotating parts, e.g. rotor cores or rotary shafts
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02TCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T10/00Road transport of goods or passengers
    • Y02T10/60Other road transportation technologies with climate change mitigation effect
    • Y02T10/64Electric machine technologies in electromobility

Definitions

  • the present invention relates to a rotor or a stator for an electric machine, having a base body having pole pieces, wherein permanent magnets are arranged in the base body, which form magnetic poles in the pole shoes.
  • the present invention further relates to an electric machine with such a rotor or stator, as well as an electric car, an electric scooter or an electric bicycle with such an electric machine.
  • NdFeB Boron magnets
  • the permanent magnets are provided in the stator, and the winding in which the alternating field is generated to drive the rotor on the rotor.
  • the permanent magnets can be magnetized both in the radial direction, so that they form magnetic poles on the side of the stator facing the rotor in external pole machines, or magnetic poles on the side of the rotor facing the stator in the case of internal pole machines.
  • the permanent magnets are magnetized in the tangential direction, so that the magnetic poles form between the permanent magnets.
  • a higher number of poles at the same speed causes a higher frequency of the magnetic field during operation of the electric machine.
  • the higher-frequency magnetic field and its harmonics or its harmonics cause higher losses, such as higher eddy currents and greater hysteresis losses in the stator and rotor core.
  • the harmonics of the magnetic field also cause higher eddy current losses in the permanent magnet. As a result, the efficiency of the electric machine is reduced.
  • Object of the present invention is therefore to provide a brushless electric machine with buried permanent magnets, which has a higher torque density compared to a conventional electric machine with the same size, the demagnetization risk for the permanent magnets is reduced.
  • a rotor or a stator for an electrical machine having a base body having pole pieces, wherein in the base permanent magnets are arranged, which form magnetic poles in the pole shoes, wherein between each of the permanent magnets and a pole piece adjacent to him electrically conductive shield is arranged.
  • the harmonics of the alternating field driving the rotor causes in each of the shields, which is arranged between the permanent magnets and a pole piece adjacent to them, a magnetic alternating flux, by which a voltage is induced, by which an eddy current is generated, which in the electric conductive shield flows.
  • the eddy current in turn generates an alternating magnetic field in each of the shields, which counteracts the change in the magnetic alternating flux caused by the driving alternating field.
  • the alternating magnetic field generated by the eddy current is thus directed counter to the driving alternating field and reduces the alternating field acting on the permanent magnet arranged behind it.
  • the shield shields the permanent magnet at least partially from the high-frequency driving harmonics of the alternating field.
  • the permanent magnets are provided in recesses of the base body, so that they are embedded in the rotor or stator.
  • the base body is formed of lamellae for reducing the eddy current losses.
  • the shield is preferably made of a metal sheet, preferably as a stamped part or as a stamped and bent part. Particularly preferably, the sheet has a thickness which is less than 0.8 mm, very particularly preferably about 0.2-0.5 mm. Such a stamped part or stamped and bent part can be produced very inexpensively in a conventional manner.
  • the shield is formed of a metal or a metal alloy, more preferably copper or a copper alloy, since copper is highly conductive. But there are also other good conductive materials usable.
  • the shield extends flat along the permanent magnet. Preferably, it bears against the permanent magnet. Particularly preferably, it covers the entire surface of the permanent magnet adjacent to the pole piece.
  • the shield In the case of permanent magnets magnetized in the tangential direction, however, it is likewise preferred for the shield to cover only about one quarter to one half of the surface of the permanent magnet facing the driving alternating field and adjacent to the pole piece. Since far more than 90% of the eddy current losses occur in this part of the permanent magnets, this embodiment has compared to a covering of the total The surface adjacent the pole piece has the advantage of avoiding nearly the same amount of eddy current losses, but at the same time requires considerably less material for the shields.
  • the object is also achieved with an electric machine with such a rotor or stator.
  • an electric machine with such a rotor or stator.
  • the additionally arranged in the rotor or stator conductive shields caused by the harmonics of the driving alternating field losses in the electric machine according to the invention are lower than in a manufactured without the shields, otherwise identical electrical machine.
  • the electric machine is for example an electric motor, starter, generator or drive. More preferably, it is a synchronous machine. In a preferred embodiment, it is a brushless synchronous machine.
  • the object is further achieved with an electric car, an electric moped or an electric bicycle with such an electric machine.
  • the electric machine is preferably used as a travel drive, in particular for the electric car, the electric bicycle, the electric scooter or the electric scooter.
  • FIG. 1 shows in (a) a first embodiment of an electrical machine according to the invention and in (b) a section of the electrical machine of FIG. 1 (a)
  • 2 shows in (a) a first embodiment of a further embodiment of an electrical machine according to the invention and in (b) a detail of the electric machine of FIG. 2 (a)
  • Fig. 3 shows in (a) a first embodiment of another
  • Fig. 4 shows in (a) - (c) permanent magnets with differently arranged electrically conductive shield.
  • Fig. 1 shows a first embodiment of an electric machine 10 according to the invention with a rotor 1 and a stator 1 1, which are arranged concentrically around a shaft 12 extending in an axial direction 61.
  • the rotor 1 has a main body 2, in which recesses 5 are provided, which are arranged distributed uniformly in a circumferential direction 63 of the rotor 1.
  • permanent magnets 3 are arranged in the recesses 5 arranged.
  • the main body 2 of the rotor 1 has pole pieces 21 in which the permanent magnets 3 form magnetic poles N, S.
  • 1a is formed so that always two adjacent permanent magnets 3 are magnetized so that they form a magnetic pole N, S, wherein the magnetization direction of the magnetic poles N, S alternates, so that a magnetic north pole N always a magnetic south pole S and vice versa is adjacent.
  • IPM Interior permanent magnet machine
  • the electric machine 10 is brushless, via a 3-phase AC voltage , has nine slots 71 and six poles N, S, and utilizes a concentrated winding (not shown) such that each coil (not shown) is wound around a single stator tooth 72.
  • the winding is not shown here for the sake of clarity.
  • This electric machine 10 is particularly suitable for a traction drive of an electric car with a speed of up to 18,000 revolutions per minute and a maximum fundamental electric frequency of about 900 Hz.
  • a disadvantage of this embodiment of the electric machine 10 the high harmonics of the driving alternating field. These harmonics cause eddy current losses in the iron-containing basic body 2 of the rotor 1 made of lamellae and in the permanent magnet 3, which are manufactured here from electrically conductive neodymium-iron-boron (NdFeB).
  • an electrically conductive shield 4 is arranged between each of the permanent magnets 3 of the rotor 1 and a pole piece 21 adjoining it.
  • the shield 4 is made of a sheet metal having a thickness 41 which, depending on the size and the requirements of the electrical machine 10 is less than 0.8 mm, preferably 0.2 - 0.5 mm. It extends flat along the permanent magnet 3 and is provided so as to cover the entire surface 33 of the permanent magnet 3 adjacent to the pole piece 21. Preferably, it bears against the permanent magnet 3, preferably also on the base body 2 surrounding it.
  • the shields 4 used in this rotor 1 are made of copper or a copper alloy. In principle, however, other good conductive materials can be used.
  • eddy currents are also induced in the shields 4.
  • these eddy currents are generated by the harmonics of the electric machine 10 driving alternating field, which is caused by the current flowing in the winding of the stator 1 1 current.
  • the eddy currents flowing in each of the shields 4 advantageously generate an alternating field itself, which counteracts the driving alternating field.
  • the harmonics of acting on the behind the shield 4 arranged permanent magnet 3 alternating field are therefore significantly reduced compared to the driving alternating field generated by the stator 1 1, so that the shield 4 at least reduces the force acting on the permanent magnet 3 alternating field.
  • the electric machine 10 of FIG. 2 is also an interior permanent magnet machine with permanent magnets 3 magnetized in the radial direction 62 and made of NdFeB.
  • the electric machine 10 is also brushless, is also powered by a 3-phase AC voltage, and utilizes the concentrated winding in which each coil is wound around a single stator tooth 72. In this illustration too, the winding is not shown for the sake of clarity.
  • the electric machine 10 of FIG. 1 it has twenty-four slots 71 and twenty poles N, S. Therefore, this is a very compact low-speed machine with a very high torque density.
  • This electric machine 10 is particularly suitable as a travel drive for an electric scooter or an electric scooter, which is preferably operated at up to 4000 revolutions per minute and generates an electrical fundamental frequency of at most 667 Hz in the machine. Due to the winding manner of the machine 10, this also has the disadvantage of a very high harmonic content of the driving alternating field. These harmonics, in particular the first harmonic wave, also generate high eddy current losses in the main body 2 and the permanent magnet 3.
  • shields 4 are also provided in the electric machine of FIG. 2, which shields are arranged between the permanent magnets 3 and the pole shoes 21 adjoining them.
  • the shields 4 also cover here the entire respectively adjacent to the pole piece 21 surface 33 of the permanent magnets 3.
  • These shields 4 have a thickness of about 0.2 - 0.5 mm and are made of copper or a copper alloy.
  • Fig. 3 shows a brushless low-speed machine with a high torque density, in the main body 2 of the rotor 1 permanent magnets 3 are arranged, which are made of NdFeB.
  • this is a so-called spoke rotor in which the permanent magnets 3 are arranged in the radial direction 62 and magnetized in the tangential direction 63.
  • this electric machine 10 is operated with a 3-phase AC voltage and uses a concentrated winding, wherein the winding is not shown here. However, it has eighteen grooves 71 and fourteen poles N, S.
  • the electric machine is used 10 preferably for a traction drive of an electric bicycle with typically up to 3000 revolutions per minute and a maximum fundamental frequency of up to 350Hz.
  • the driving alternating field comprises harmonics which cause eddy current losses in the main body 2 and in the permanent magnet 3.
  • a particularly high proportion of eddy current losses is caused by the first and the fifth harmonic.
  • the pole shoes 21 are arranged between the permanent magnets 3. In this machine type, therefore, two pole shoes 21 adjoin each permanent magnet 3. Therefore, here on both sides of the permanent magnets 3 electrically conductive shields 4 are arranged to reduce the eddy current losses. As before, the shields 4 here also cover the entire surface 33 of the permanent magnets 3 adjacent to a pole piece 21.
  • These shields 4 extend flat along the permanent magnet 3, are made of a sheet of copper or a copper alloy and have a thickness of 0.2 - 0.5 mm.
  • FIG. 4 shows in (a) a permanent magnet 3 for IPM rotors with an electrically conductive shield 4 which, in addition to the surface 33 adjoining the pole piece 21, also covers further side surfaces 31 of the permanent magnet 3. As a result, this shield 4 also protects the permanent magnets 3 from field lines of the driving alternating field which act on the side surfaces 31 of the permanent magnet 3.
  • FIG. 4 (b) shows a permanent magnet 3 with an electrically conductive shield 4 in an alternative embodiment for a spoke rotor 1.
  • This arrangement can be used, for example, for the spoke rotor 1 of FIG. 3.
  • the shield 4 covers a side surfaces 31 of the permanent magnet 3, and that the air gap 13 between the stator 1 1 and the rotor 1 facing narrow side 31 of the permanent magnet 3.
  • the narrow side 31 opposite narrow side 31, which faces the shaft 12, does not require an electrically conductive shield 4, since the magnetic field lines of the harmonics of the alternating driving field almost do not pass through this region of the rotor 1.
  • the shield 4 is therefore also U-shaped in cross section.
  • this embodiment Compared to the rotor 1 of Fig. 3, this embodiment has the advantage that only one shield 4 per permanent magnet 3 is provided opposite the two shields 4 per permanent magnet 3 of the rotor 1 of Figure 3.
  • This shield 4 is produced as a stamped and bent part in one piece from a sheet metal, so that the assembly is less expensive.
  • Fig. 4 (c) shows a permanent magnet 3 for a spoke rotor 1, on which an alternatively executed electrically conductive shield 4 is arranged.
  • this shield 4 is suitable for the spoke rotor 1 of FIG. 3. Compared to the shield 4 of FIG. 4 (b), however, it covers only a portion of the surfaces 33 of the permanent magnet adjacent to the pole shoes 21. magnets 3, here about one third of this surface. Because it has been shown that more than 90% of the eddy current losses in this type of rotor arise in this, the air gap 13 facing part of the permanent magnet 3.
  • the shield 4 covers about one-fourth to one-half of a permanent magnet 3 adjacent to the pole piece 21, such that ⁇ ⁇ / 4 ⁇ CJCOS ⁇ ⁇ ⁇ / 2
  • This embodiment has the advantage that the amount of copper needed for the shield 4, in comparison to the embodiment of the
  • Fig.4 (b) is significantly reduced. As a result, the costs incurred by the shield 4 costs are significantly reduced.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Permanent Field Magnets Of Synchronous Machinery (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor oder einen Stator für eine elektrische Maschine, mit einem Grundkörper, der Polschuhe aufweist, wobei im Grundkörper Dauermagnete angeordnet sind, die in den Polschuhen magnetische Pole bilden, und wobei zwischen jedem der Dauermagnete und einem an ihm angrenzenden Polschuh ein elektrisch leitender Schild angeordnet ist. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine elektrische Maschine mit einem solchen Rotor oder Stator. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Elektroauto, ein Elektromoped oder ein Elektrofahrrad mit einer solchen elektrischen Maschine.

Description

Beschreibung
Bürstenlose elektrische Maschine mit vergrabenen Dauernnagneten Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor oder einen Stator für eine elektrische Maschine, mit einem Grundkörper, der Polschuhe aufweist, wobei im Grundkörper Dauermagnete angeordnet sind, die in den Polschuhen magnetische Pole bilden. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine elektrische Maschine mit einem solchen Rotor oder Stator, sowie ein Elektroauto, ein Elektromoped oder ein Elektrofahrrad mit einer solchen elektrischen Maschine.
Es sind elektrische Maschinen bekannt mit eingebetteten Dauermagneten, die anteilig Seltenerdmetalle enthalten, beispielsweise Neodym- Eisen-
Bor- Magnete (NdFeB). Die Maschinen sind entweder als Innenpolma- schinen oder als Außenpolmaschinen ausgebildet. Bei Innenpolmaschi- nen, z. B. bei bürstenlosen Synchronmaschinen, sind die Dauermagnete im Rotor angeordnet, wobei der Rotor durch ein Wechselfeld angetrieben wird, das in der Wicklung erzeugt wird, die am Stator angeordnet ist. Bei
Außenpolmaschinen, z. B. bei kommutatorbetriebenen Gleichstrommaschinen, sind die Dauermagnete hingegen im Stator vorgesehen, und die Wicklung, in der das Wechselfeld zum Antrieb des Rotors erzeugt wird, am Rotor. Die Dauermagnete können dabei sowohl in radialer Richtung magnetisiert sein, so dass sie bei Außenpolmaschinen magnetische Pole an der dem Rotor zugewandten Seite des Stators, beziehungsweise bei Innenpolma- schinen magnetische Pole an der dem Stator zugewandten Seite des Rotors bilden. Oder die Dauermagnete sind in tangentialer Richtung magnetisiert, so dass sich die magnetischen Pole zwischen den Dauermagneten bilden.
Für solche elektrischen Maschinen wird heute gefordert, dass sie bei gleicher Drehmoment / Drehzahl- Charakteristik kleiner und leichter gebaut sind als bisher. Um diese höhere Drehmomentdichte zu erreichen, wird üblicherweise die Polzahl der elektrischen Maschine erhöht.
Jedoch verursacht eine höhere Polzahl bei gleicher Drehzahl eine höhere Frequenz des magnetischen Feldes im Betrieb der elektrischen Maschine. Das höherfrequente magnetische Feld und seine Harmonischen beziehungsweise seine Oberwellen verursachen höhere Verluste, beispielsweise höhere Wirbelströme sowie größere Hystereseverluste im Stator- und Rotorkern. Zudem verursachen die Oberwellen des magnetischen Feldes auch höhere Wirbelstromverluste in den Dauermagneten. Dadurch ist der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine verringert.
Die in den Dauermagneten fließenden höheren Wirbelströme verursachen außerdem höhere Temperaturen in den Dauermagneten. Dadurch ist die Gefahr, dass die Dauermagnete teilentmagnetisiert oder entmagnetisiert werden, erhöht. Ein Entmagnetisieren verursacht einen irreversiblen Verlust der Maschinenleistung.
Offenbarung der Erfindung Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine bürstenlose elektrische Maschine mit vergrabenen Dauermagneten zu schaffen, die im Vergleich zu einer herkömmlichen elektrischen Maschine bei gleicher Baugröße eine höhere Drehmomentdichte aufweist, wobei die Entmagnetisie- rungsgefahr für die Dauermagnete verringert ist.
Die Aufgabe wird gelöst mit einem Rotor oder einem Stator für eine elektrische Maschine, mit einem Grundkörper, der Polschuhe aufweist, wobei im Grundkörper Dauermagnete angeordnet sind, die in den Polschuhen magnetische Pole bilden, wobei zwischen jedem der Dauermagnete und einem an ihn angrenzenden Polschuh ein elektrisch leitender Schild angeordnet ist.
Die Oberwellen des den Rotor antreibenden Wechselfeldes verursachen in jedem der Schilde, das zwischen den Dauermagneten und einem an sie angrenzenden Polschuh angeordnet ist, einen magnetischen Wechsel- fluss, durch den eine Spannung induziert wird, durch die ein Wirbelstrom erzeugt wird, der in dem elektrisch leitenden Schild fließt. Der Wirbelstrom erzeugt seinerseits in jedem der Schilde ein magnetisches Wechselfeld, das der Änderung des durch das antreibende Wechselfeld verursachten magnetischen Wechselflusses entgegen wirkt. Das durch den Wirbelstrom erzeugte magnetische Wechselfeld ist dem antreibenden Wechselfeld somit entgegen gerichtet und verringert das auf den hinter ihm angeordneten Dauermagneten wirkende Wechselfeld. Bildlich gesprochen schirmt der Schild den Dauermagneten zumindest teilweise vor den hochfrequenten antreibenden Oberwellen des Wechselfeldes ab. Da diese Abschirmung jedes der Dauermagneten durch den zwischen ihm und dem Polschuh angeordneten Schild das auf ihn jeweils wirkende Wechselfeld verringert, bewirkt sie, dass die in den Dauermagneten jeweils fließenden Wirbelströme entsprechend verringert sind, im Vergleich zu einem ohne den jeweiligen Schild gefertigten, ansonsten baugleichen Rotor oder Stator. Dadurch sind die verursachten Wirbelstromverluste sowie die dadurch verursachten Temperaturen in den Dauermagneten erheblich geringer.
Bevorzugt sind die Dauermagnete in Aussparungen des Grundkörpers vorgesehen, so dass sie im Rotor oder Stator eingebettet sind. Dabei ist der Grundkörper zur Reduktion der Wirbelstromverluste in einer bevorzugten Ausführungsform aus Lamellen gebildet.
Der Schild ist bevorzugt aus einem Blech gefertigt, vorzugsweise als Stanzteil oder als Stanzbiegeteil. Besonders bevorzugt weist das Blech eine Dicke auf, die kleiner als 0,8mm beträgt, ganz besonders bevorzugt etwa 0,2 - 0,5mm. Ein solches Stanzteil oder Stanzbiegeteil ist auf herkömmliche Weise sehr kostengünstig herstellbar.
Es ist bevorzugt, dass der Schild aus einem Metall oder einer Metalllegierung gebildet ist, besonders bevorzugt aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, da Kupfer gut leitfähig ist. Es sind aber auch andere gut leitfähige Materialien verwendbar.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass sich der Schild flächig entlang dem Dauermagneten erstreckt. Vorzugsweise liegt er an dem Dauermagneten an. Besonders bevorzugt bedeckt er die gesamte an den Polschuh angrenzende Oberfläche des Dauermagneten.
Bei in tangentialer Richtung magnetisierten Dauermagneten ist es aber ebenfalls bevorzugt, dass der Schild nur etwa ein Viertel bis ein Halb der dem antreibenden Wechselfeld zugewandten und an den Polschuh angrenzenden Oberfläche des Dauermagneten bedeckt. Da weit mehr als 90% der Wirbelstromverluste in diesem Teil der Dauermagnete entsteht, hat diese Ausführungsform im Vergleich zu einer Bedeckung der gesam- ten an den Polschuh angrenzenden Oberfläche den Vorteil, dass nahezu dieselbe Menge an Wirbelstromverlusten vermieden, aber gleichzeitig erheblich weniger Material für die Schilde benötigt wird.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst mit einer elektrischen Maschine mit einem solchen Rotor oder Stator. Trotz der zusätzlich im Rotor oder Stator angeordneten leitenden Schilde sind die durch die Oberwellen des antreibenden Wechselfeldes verursachten Verluste bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine geringer, als bei einer ohne die Schilde gefertigten, ansonsten baugleichen elektrischen Maschine.
Die elektrische Maschine ist beispielsweise ein Elektromotor, Starter, Generator oder Antrieb. Besonders bevorzugt ist sie eine Synchronmaschine In einer bevorzugten Ausführungsform ist sie eine bürstenlose Synchronmaschine.
Die Aufgabe wird weiterhin gelöst mit einem Elektroauto, einem Elektro- moped oder einem Elektrofahrrad mit einer solchen elektrischen Maschine. Die elektrische Maschine wird bevorzugt als Fahrantrieb verwendet, insbesondere für das Elektroauto, das Elektrofahrrad, den Elektroroller oder das Elektromoped.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren beschrieben. Die Figuren sind lediglich beispielhaft und schränken den allgemeinen Erfindungsgedanken nicht ein.
Fig. 1 zeigt in (a) ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine und in (b) einen Ausschnitt aus der elektrischen Maschine der Fig. 1(a), Fig. 2 zeigt in (a) ein erstes Ausführungsbeispiel einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine und in (b) einen Ausschnitt aus der elektrischen Maschine der Fig. 2(a),
Fig. 3 zeigt in (a) ein erstes Ausführungsbeispiel einer weiteren
Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine und in (b) einen Ausschnitt aus der elektrischen Maschine der Fig. 3(a), und
Fig. 4 zeigt in (a) - (c) Dauermagnete mit verschieden angeordnetem elektrisch leitendem Schild.
Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 10 mit einem Rotor 1 und einem Stator 1 1 , die konzentrisch um eine sich in eine axiale Richtung 61 erstreckende Welle 12 angeordnet sind. Der Rotor 1 weist einen Grundkörper 2 auf, in dem Aussparungen 5 vorgesehen sind, die in einer Umfangsrichtung 63 des Rotors 1 gleichmäßig verteilt angeordnet sind. In den Aussparungen 5 sind Dauermagnete 3 angeordnet. Der Grundkörper 2 des Rotors 1 weist Polschuhe 21 auf, in denen die Dauermagnete 3 magnetische Pole N, S bilden. Dabei ist der Rotor 1 der Fig. 1a so ausgebildet, dass immer zwei benachbarte Dauermagnete 3 so magnetisiert sind, dass sie einen magnetischen Pol N, S bilden, wobei sich die Magnetisierungsrichtung der magnetischen Pole N, S abwechselt, so dass einem magnetischen Nordpol N immer ein magnetischer Südpol S und umgekehrt benachbart ist.
In diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine sogenannte Inter- ior Permanent Magnet - Maschine (IPM), bei der die Dauermagnete 3 in einer radialen Richtung 62 zur Welle 12 magnetisiert sind. Die elektrische Maschine 10 ist bürstenlos, wird über eine 3-Phasen Wechselspannung betrieben, weist neun Nuten 71 und sechs Pole N, S auf und nutzt eine konzentrierte Wicklung (nicht gezeigt), so dass jede Spule (nicht gezeigt) um einen einzelnen Statorzahn 72 gewickelt ist. Die Wicklung ist hier der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.
Aufgrund der genau einen Spule pro Statorzahn 72 sind die Wickelköpfe (nicht gezeigt) sehr klein. Zusammen mit dem 6-poligen Aufbau des Rotors 1 führt dies zu einer sehr kompakten Hochdrehzahlmaschine mit einer hohen Drehmomentdichte. Diese elektrische Maschine 10 eignet sich besonders für einen Fahrantrieb eines Elektroautos mit einer Drehzahl von bis zu 18000 Umdrehungen pro Minute und einer maximalen elektrischen Grundfrequenz von etwa 900 Hz. Nachteilig an dieser Ausführungsform der elektrischen Maschine 10 sind die hohen Oberwellen des antreibenden Wechselfeldes. Diese Oberwellen verursachen Wirbelstromverluste in dem aus Lamellen gefertigten eisenhaltigen Grundkörper 2 des Rotors 1 und in den Dauermagneten 3, die hier aus elektrisch leitendem Neodym- Eisen- Bor (NdFeB) gefertigt sind. Es sind aber auch Dauermagnete 3 verwendbar, die ein anderes Seltenerdmetall enthalten. Um die Wirbelstromverluste in den Dauermagneten 3 zu verringern, ist zwischen jedem der Dauermagnete 3 des Rotors 1 und einem an ihn angrenzenden Polschuh 21 jeweils ein elektrisch leitender Schild 4 angeordnet. Der Schild 4 ist aus einem Blech gefertigt mit einer Dicke 41 , die in Abhängigkeit von der Baugröße und den Anforderungen an die elektrische Maschine 10 kleiner als 0,8mm beträgt, vorzugsweise 0,2 - 0,5mm. Er erstreckt sich flächig entlang dem Dauermagneten 3 und ist so vorgesehen, dass er die gesamte an den Polschuh 21 angrenzende Oberfläche 33 des Dauermagneten 3 bedeckt. Bevorzugt liegt er an dem Dauermagneten 3 an, vorzugsweise auch an dem ihn umgebenden Grundkörper 2. Die in diesem Rotor 1 verwendeten Schilde 4 sind aus Kupfer oder einer Kupferlegierung hergestellt. Prinzipiell sind aber auch andere gut leitende Materialien verwendbar.
Im Betrieb der elektrischen Maschine 10 werden auch in den Schilden 4 Wirbelströme induziert. Bei einer Synchronmaschine sind diese Wirbelströme durch die Oberwellen des die elektrische Maschine 10 antreibenden Wechselfeldes, welches durch den in der Wicklung des Stators 1 1 fließenden Strom verursacht ist, erzeugt. Allerdings erzeugen die in den Schilden 4 jeweils fließenden Wirbelströme vorteilhafterweise selbst ein Wechselfeld, welches dem antreibenden Wechselfeld entgegen wirkt. Die Oberwellen des auf den hinter dem Schild 4 angeordneten Dauermagneten 3 wirkenden Wechselfeldes sind daher gegenüber dem vom Stator 1 1 erzeugten antreibenden Wechselfeld deutlich verringert, so dass der Schild 4 das auf den Dauermagneten 3 wirkende Wechselfeld zumindest reduziert. Dadurch sind die im Dauermagneten 3 fließenden Wirbelströme und die dadurch verursachten Wirbelstromverluste erheblich geringer, als bei einer baugleichen elektrischen Maschine 10 ohne Schilde 4. Zudem reduziert dies auch die Temperaturentwicklung in den Dauermagneten 3 und die daraus resultierende Gefahr der Entmagnetisierung oder Teilentmagnetisierung der Dauermagnete 3. Trotz der zusätzlich im Rotor 1 angeordneten elektrisch leitenden Schilde 4 sind die Rotorverluste letztlich verringert und der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine 10 verbessert.
Auch bei der elektrischen Maschine 10 der Fig. 2 handelt es sich um eine Interior Permanent Magnet - Maschine mit in die radiale Richtung 62 magnetisierten Dauermagneten 3, die aus NdFeB gefertigt sind. Die elektrische Maschine 10 ist ebenfalls bürstenlos, wird auch über eine 3-Phasen Wechselspannung betrieben und nutzt die konzentrierte Wicklung, bei der jede Spule um einen einzelnen Statorzahn 72 gewickelt ist. Auch in dieser Darstellung ist die Wicklung der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt. Im Gegensatz zur elektrischen Maschine 10 der Fig. 1 weist sie jedoch vierundzwanzig Nuten 71 und zwanzig Pole N, S auf. Daher handelt es sich hier um eine sehr kompakte Niederdrehzahlmaschine mit sehr hoher Drehmomentdichte. Diese elektrische Maschine 10 eignet sich vor allem als Fahrantrieb für ein Elektromoped oder einen Elektroroller, der vorzugsweise mit bis zu 4000 Umdrehungen pro Minute betrieben wird und eine elektrische Grundfrequenz von höchstens 667Hz in der Maschine erzeugt. Aufgrund der Wicklungsweise der Maschine 10 weist diese auch hier den Nachteil eines sehr hohen Oberwellenanteils des antreibenden Wechselfeldes auf. Diese Oberwellen, insbesondere die erste harmonische Welle, erzeugen auch hier hohe Wirbelstromverluste im Grundkörper 2 und den Dauermagneten 3.
Daher sind analog zur erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 10 der Fig. 1 auch in der elektrischen Maschine der Fig. 2 Schilde 4 vorgesehen, die zwischen den Dauermagneten 3 und den an sie angrenzenden Polschuhen 21 angeordnet sind. Die Schilde 4 bedecken auch hier die gesamte jeweils an den Polschuh 21 angrenzende Oberfläche 33 der Dauermagnete 3. Auch diese Schilde 4 weisen eine Dicke von etwa 0,2 - 0,5mm auf und sind aus Kupfer oder einer Kupferlegierung hergestellt.
Auch die Fig. 3 zeigt eine bürstenlose Niederdrehzahlmaschine mit einer hohen Drehmomentdichte, in deren Grundkörper 2 des Rotors 1 Dauermagnete 3 angeordnet sind, die aus NdFeB gefertigt sind. Im Gegensatz zu den Ausführungsformen der Fig. 1 und 2 handelt es sich hier jedoch um einen sogenannten Speichenrotor, bei dem die Dauermagnete 3 in radialer Richtung 62 angeordnet und in tangentialer Richtung 63 magneti- siert sind. Auch diese elektrische Maschine 10 wird mit einer 3-Phasen Wechselspannung betrieben und nutzt eine konzentrierte Wicklung, wobei die Wicklung auch hier nicht dargestellt ist. Jedoch weist sie achtzehn Nuten 71 und vierzehn Pole N, S auf. Genutzt wird die elektrische Maschine 10 bevorzugt für einen Fahrantrieb eines Elektrofahrrades mit typischerweise bis zu 3000 Umdrehungen pro Minute und einer maximalen elektrischen Grundfrequenz von bis zu 350Hz.
Auch bei dieser Wicklungsanordnung umfasst das antreibende Wechselfeld Oberwellen, die im Grundkörper 2 und in den Dauermagneten 3 Wirbelstromverluste bewirken. Ein besonders hoher Anteil an Wirbelstromverlusten wird von der ersten und der fünften Oberwelle verursacht.
Da die Dauermagnete 3 des Rotors 1 dieser elektrischen Maschine 10 in tangentialer Richtung 63 magnetisiert sind, sind die Polschuhe 21 zwischen den Dauermagneten 3 angeordnet. Bei diesem Maschinentyp grenzen daher an jeden Dauermagneten 3 zwei Polschuhe 21 an. Daher sind hier jeweils beidseitig der Dauermagnete 3 elektrisch leitende Schilde 4 zur Reduktion der Wirbelstromverluste angeordnet. Wie zuvor bedecken die Schilde 4 auch hier jeweils die gesamte an einen Polschuh 21 angrenzende Oberfläche 33 der Dauermagnete 3.
Auch diese Schilde 4 erstrecken sich flächig entlang den Dauermagneten 3, sind aus einem Blech aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gefertigt und weisen eine Dicke von 0,2 - 0,5mm.
Die Fig. 4 zeigt in (a) einen Dauermagneten 3 für IPM- Rotoren mit einem elektrisch leitenden Schild 4, das neben der an den Polschuh 21 angrenzenden Oberfläche 33 auch weitere Seitenflächen 31 des Dauermagneten 3 bedeckt. Dadurch schützt dieser Schild 4 die Dauermagnete 3 auch vor an den Seitenflächen 31 des Dauermagneten 3 angreifenden Feldlinien des antreibenden Wechselfeldes.
Im Falle eines in radialer Richtung 62 magnetisierten, in einem Rotor 1 angeordneten Dauermagneten 3 ist die an den Polschuh 21 angrenzende Oberfläche 33 die dem Stator 1 1 zugewandte Breitseite 32 des Dauermagneten 3. Um den Dauermagneten 3 auch vor an den Seitenfläche 31 angreifenden Feldlinien des antreibenden Wechselfeldes zu schützen, sind die Seitenflächen 31 hier die Schmalseiten 31 des Dauermagneten 3, so dass der Schild 4 im Querschnitt u-förmig ausgebildet ist. Diese Anordnung aus Dauermagnet 3 und Schild 4 ist ebenfalls für die elektrischen Maschinen 10 der Fig. 1 und 2 nutzbar.
Die Fig. 4(b) zeigt einen Dauermagneten 3 mit einem elektrisch leitenden Schild 4 in einer alternativen Ausführungsform für einen Speichenrotor 1 . Diese Anordnung ist beispielsweise für den Speichenrotor 1 der Fig. 3 verwendbar. Auch hier bedeckt der Schild 4 eine Seitenflächen 31 des Dauermagneten 3, und zwar die dem Luftspalt 13 zwischen dem Stator 1 1 und dem Rotor 1 zugewandte Schmalseite 31 des Dauermagneten 3. Die dieser Schmalseite 31 gegenüberliegende Schmalseite 31 , die der Welle 12 zugewandt ist, benötigt keinen elektrisch leitenden Schild 4, da die magnetischen Feldlinien der Oberwellen des antreibenden Wechselfeldes diese Region des Rotors 1 nahezu nicht durchlaufen. Der Schild 4 ist daher im Querschnitt ebenfalls u-förmig ausgebildet.
Gegenüber dem Rotor 1 der Fig. 3 hat diese Ausführungsform den Vorteil, dass nur ein Schild 4 pro Dauermagnet 3 gegenüber den zwei Schilden 4 pro Dauermagnet 3 des Rotors 1 der Fig.3 vorgesehen ist. Dieser Schild 4 ist als Stanzbiegeteil einstückig aus einem Blech herstellbar, so dass die Montage weniger aufwendig ist.
Auch die Fig. 4(c) zeigt einen Dauermagneten 3 für einen Speichenrotor 1 , an dem ein alternativ ausgeführter elektrisch leitender Schild 4 angeordnet ist. Auch dieser Schild 4 eignet sich für den Speichenrotor 1 der Fig. 3. Gegenüber dem Schild 4 der Fig. 4(b) bedeckt er aber nur einen Teil der an die Polschuhe 21 angrenzenden Oberflächen 33 des Dauer- magneten 3, hier etwa ein Drittel dieser Oberfläche. Denn es hat sich gezeigt, dass mehr als 90% der Wirbelstromverluste bei diesem Rotortyp in diesem, dem Luftspalt 13 zugewandten Teil des Dauermagneten 3 entstehen. Es ist daher in Abhängigkeit von den Anforderungen an die elektrischen Maschine 10 gegebenenfalls ausreichend, wenn der Schild 4 etwa ein Viertel bis die Hälfte eines an den Polschuh 21 angrenzenden Dauermagneten 3 bedeckt, so dass ωΡΜ/4 < CJÜCS ^ ωΡΜ/2
mit
PM = Breite der Dauermagneten
CJÜCS = Breite des elektrisch leitenden Schildes gilt.
Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass die Menge an Kupfer, die für den Schild 4 benötigt wird, im Vergleich zu der Ausführungsform der
Fig.4(b) deutlich verringert ist. Dadurch sind die durch den Schild 4 entstehenden Kosten erheblich reduziert.

Claims

Ansprüche
1 . Rotor (1 ) oder Stator für eine elektrische Maschine (10), mit einem
Grundkörper (2), der Polschuhe (21 ) aufweist, wobei im Grundkörper (2) Dauermagnete (3) angeordnet sind, die in den Polschuhen (21 ) magnetische Pole (N, S) bilden,
dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen jedem der Dauermagnete (3) und einem an ihn angrenzenden Polschuh (21 ) jeweils ein elektrisch leitender Schild (4) angeordnet ist.
2. Rotor (1 ) oder Stator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Dauermagnet (3) ein Seltenerdmetall umfasst.
3. Rotor (1 ) oder Stator nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schild (4) aus einem Metall oder einer Metalllegierung gebildet ist, insbesondere aus Kupfer oder einer Kupferlegierung.
4. Rotor (1 ) oder Stator nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schild (4) aus einem Blech gebildet ist, welches eine Dicke (41 ) von weniger als 0,8mm aufweist, bevorzugt eine Dicke (41 ) von 0,2 - 0,5mm.
5. Rotor (1 ) oder Stator nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Schild (4) flächig entlang des Dauermagneten (3) erstreckt.
6. Rotor (1 ) oder Stator nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schild (4) die gesamte an den Polschuh (21 ) angrenzende Oberfläche (33) des Dauermagneten (3) bedeckt.
7. Elektrische Maschine (10) mit einem Rotor (1 ) oder Stator nach einem der vorherigen Ansprüche.
8. Elektrische Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Synchronmaschine ist, insbesondere eine bürstenlose Synchronmaschine.
9. Elektroauto, Elektromoped, Elektroroller oder Elektrofahrrad mit einer elektrischen Maschine nach einem der Ansprüche 7 - 8.
10. Verwendung einer elektrischen Maschine nach einem der Ansprüche 7 - 8 als Fahrantrieb, insbesondere für ein Elektroauto, ein Elektrofahrrad, einen Elektroroller oder ein Elektromoped.
PCT/EP2013/053727 2012-04-02 2013-02-25 Bürstenlose elektrische maschine mit vergrabenen dauermagneten WO2013149768A2 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102012205361.1 2012-04-02
DE102012205361A DE102012205361A1 (de) 2012-04-02 2012-04-02 Bürstenlose elektrische Maschine mit vergrabenen Dauermagneten

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2013149768A2 true WO2013149768A2 (de) 2013-10-10
WO2013149768A3 WO2013149768A3 (de) 2014-10-02

Family

ID=47915156

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2013/053727 WO2013149768A2 (de) 2012-04-02 2013-02-25 Bürstenlose elektrische maschine mit vergrabenen dauermagneten

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102012205361A1 (de)
WO (1) WO2013149768A2 (de)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AT516540B1 (de) * 2014-12-03 2016-09-15 Babeluk Michael Aus- und nachrüsten eines zweirades
JP6874630B2 (ja) * 2017-10-05 2021-05-19 トヨタ自動車株式会社 回転電機ロータ及びその製造方法
CN112377969A (zh) * 2020-12-02 2021-02-19 赵佩娟 永磁发热供热系统
US11735965B2 (en) 2021-03-22 2023-08-22 Rolls-Royce Plc Rotor assembly
US11870305B2 (en) 2021-03-22 2024-01-09 Rolls-Royce Singapore Pte. Ltd. System and method for reduced rotor losses

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5900686A (en) * 1902-09-09 1999-05-04 Seiko Epson Corporation Electric motor vehicle
JP2005210783A (ja) * 2004-01-20 2005-08-04 Jatco Ltd 回転機
US7902700B1 (en) * 2006-04-03 2011-03-08 Gabrys Christopher W Low harmonic loss brushless motor
JP5071509B2 (ja) * 2010-03-31 2012-11-14 Tdk株式会社 希土類永久磁石及びそれを用いたモータ

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
None

Also Published As

Publication number Publication date
DE102012205361A1 (de) 2013-10-02
WO2013149768A3 (de) 2014-10-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1276212B1 (de) Synchronmaschine
EP2639936B1 (de) Elektrische Maschine mit permanent erregtem Läufer und zugehöriger permanent erregter Läufer
DE102007007578B4 (de) Elektrische Maschine
DE112006002546B4 (de) Elektromotor mit asymmetrischen Polen
EP1695429B1 (de) Elektrische maschine
WO2004051824A1 (de) Elektrische maschine, insbesondere bürstenloser synchronmotor
DE3245400A1 (de) Permanenterregter generator fuer fahrzeuge
DE102012103677A1 (de) Elektrische Maschine
DE102013103665A1 (de) Elektrische Maschine
DE102006026402A1 (de) Wechselstromgenerator für Kraftfahrzeuge
EP2770616A1 (de) Elektrische Maschine mit geteiltem Stator
WO2013149768A2 (de) Bürstenlose elektrische maschine mit vergrabenen dauermagneten
EP2725687A1 (de) Permanenterregte Synchronmaschine
DE102011054243A1 (de) Drehende elektrische Maschine
DE4310226A1 (de) Mittels Permanentmagneten erregter elektrischer Motor
DE102016122794A1 (de) Synchron-Maschine mit magnetischer Drehfelduntersetzung und Flusskonzentration
DE102016222398A1 (de) Optimierte elektrische Maschine
EP2319164B1 (de) Rotor für eine elektrische maschine mit reduziertem rastmoment
DE102013207806A1 (de) Elektrische Maschine
DE102015212127A1 (de) Permanent erregte elektrische Maschine mit optimierter Geometrie
DE102010044046A1 (de) Reluktanzmotor
WO2011151138A2 (de) Elektrische maschine mit reduzierter geräuschentwicklung
EP2319160B1 (de) Hybriderregte elektrische maschine
DE102012222446A1 (de) Radnabenmaschine, Einspurfahrzeug
DE102008054389A1 (de) Elektrische Maschine mit einem Klauenpolrotor

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 13711298

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 13711298

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A2