WO2016096830A1 - Elektrische maschine, stator für eine elektrische maschine und fahrzeug - Google Patents

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rotor
pole
permanent magnet
magnetic
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Stephan Bouvier
Peter Pisek
Andreas Schmidhofer
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Magna Powertrain GmbH and Co KG
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    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/12—Stationary parts of the magnetic circuit
    • H02K1/20—Stationary parts of the magnetic circuit with channels or ducts for flow of cooling medium

Definitions

  • Electric machine stator for an electric machine and vehicle
  • the invention relates to a stator for an electric machine with a rotor, wherein the stator has stator poles. At least a subset of the stator poles has a pole winding per stator pole (winding of a stator pole) and a permanent magnet unit. A first magnetic flux caused by the permanent magnet unit is superimposed by a second magnetic flux when an electric voltage is applied to the pole winding or an electric current is impressed in the pole winding.
  • the electric machine may be a motor and / or a generator. Regardless, the electric machine may be a rotary machine or a linear machine (that is, for example, a linear motor and / or a linear generator).
  • the permanent magnet unit is a component of the stator pole which has (in a transversal plane of the stator) at least one or at least two permanent magnets.
  • stator for example, on a vehicle body
  • movable instead of stationary
  • rotatable for example rotatable
  • the rotor can also be referred to as a rotor.
  • linear machines are not considered separately, but understood as a rotary machine, by assuming in this case that the rotor diameter is approximately infinitely large.
  • the invention relates to an electric machine having a stator and a rotor which is prepared to change a magnetic resistance of a magnetic circuit (magnetic circuit), which runs through a permanent magnet unit of a stator of the stator, depending on the rotor position.
  • a magnetic circuit magnetic circuit
  • the invention relates to a vehicle having a stator according to the preamble of claim 1 or to an electric machine according to the preamble of claim 9.
  • the vehicle may be, for example, an electric vehicle, a hybrid vehicle, a watercraft, an aircraft and / or a land vehicle (in particular a passenger car, a truck, a rail vehicle, a construction machine or an agricultural machine).
  • the stator according to the invention may also be part of a machine that is not a vehicle, but for example, a part of a household appliance, a heating or air conditioning system, a production machine, an electrically driven tool or a machine tool.
  • a flux-switching machine with permanent magnets may, for example, be appropriate. Above a corner speed, the field of the permanent magnets must be weakened (as in a permanent-magnet-excited synchronous machine) in a flux-switching machine, if the speed is to be further increased.
  • the flow circuit machine When operating in the field weakening range (ie in a reduced torque operation above a corner speed), the flow circuit machine is operated with a reduced current and the corresponding current angle. Then, at least in partial areas of the stator, the magnetic flux which is generated by the permanent magnets outweighs the magnetic flux which is generated by the energization of the pole windings. As a result, even at the peak value of the alternating electrical current, the resulting total magnetic flux does not necessarily form exclusively magnetic field lines which run through this pole winding. Among other things, magnetic fluxes also form via stray paths (for example, between rotor teeth across the air gap).
  • the magnetic resistance of a respective permanent magnet but not by the associated pole winding extending magnetic circuit at least for portions of the permanent magnets at certain rotor positions lower than other magnetic circuits, not only by the respective Permanent magnets but also through the associated pole winding. This is called leakage flux.
  • stator position dependent it happens that the magnetic field of these parts of the Permanent magnets is not linked to the pole winding, but passes by the associated pole winding (thus relative to the pole winding via a magnetic short circuit runs). Therefore, the magnetic flux generated by the respective permanent magnet can often not be compensated to the desired extent by the magnetic flux generated by the pole winding. In other words, the magnetic field caused by the respective permanent magnet can not be easily compensated by the magnetic field caused by the pole winding. Irrespective of the rotor position-dependent short circuits, there may be smaller stator-internal magnetic short circuits which (despite their magnetically disadvantageous effect) may possibly be accepted, for example in order to improve or simplify a construction of the stator by means of inner and / or outer webs.
  • the stator according to the invention for an electric machine with a rotor has stator poles. At least a subset of the stator poles has a pole winding per stator pole (winding of a stator pole) and a permanent magnet unit. A first magnetic flux caused by the permanent magnet unit is superimposed by a second magnetic flux when an electric voltage is applied to the pole winding or when an electric current is impressed in the pole winding.
  • a recess is arranged, which faces the rotor.
  • the recess may also be a recess or be designated as such.
  • the recess is at least partially prevented that when a tooth of the rotor (rotor tooth) is in the range of a permanent magnet unit, the tooth can close a magnetic circuit (magnetic circuit) whose field line from the permanent magnet unit on a runner facing side surface of the permanent magnet unit emerges.
  • UMF unbalanced magnetic forces
  • the electric machine according to the invention has a stator and a rotor.
  • the rotor is prepared to close a first magnetic circuit in at least one first rotor position range, wherein a permanent magnet unit of the stator pole magnetizes a pole winding of the stator pole in a first direction.
  • the rotor is prepared to close a second magnetic circuit in at least a second rotor position range, wherein the permanent magnet unit magnetizes the pole winding of the stator pole in a second direction, which is opposite to the first direction.
  • the stator is a stator according to the invention. Accordingly, the vehicle according to the invention has a stator according to the invention or an electric machine according to the invention.
  • the permanent magnet unit has a first and a second permanent magnet in a transverse plane of the stator, which is magnetically arranged in the same direction in series with the first permanent magnet, wherein the two permanent magnets in the series circuit are magnetically connected to one another by means of a soft magnetic intermediate segment, wherein the recess is arranged in the soft magnetic intermediate segment.
  • the magnetic field of a can short-circuit individual permanent magnet directly over the soft magnetic intermediate segment.
  • 'direct' is meant the following: without detour via another rotor tooth.
  • a preferred embodiment provides that the recess has a in a transverse plane of the stator.
  • a recess with a rectangular or trapezoidal cross section may be cheaper to produce than a recess with a different cross section.
  • a likewise preferred embodiment provides that an opening of the recess tapers and / or widens in the direction of the rotor.
  • a shape of the recess can be optimized to achieve the one hand, a desired speed and / or field weakness behavior, and on the other hand the lowest possible asymmetrical magnetic forces.
  • the optimization of the shape of the recess can be carried out with the aid of simulations with different recesses or with the aid of tests with different recesses on a test bench.
  • the recess may be a groove whose major longitudinal axis is transverse to a transverse plane of the stator.
  • the advantages of the invention can be used at least for a large part of the length of the stator or even over an entire axial length of the stator.
  • An expedient development provides that the main longitudinal axis of the groove lies in the same plane as a main longitudinal axis of the stator.
  • a structure of the stator is favored, which is geometrically simple.
  • Another specialization provides that the main longitudinal axis of the groove runs parallel to the main longitudinal axis of the stator. This favors a structure of the stator which is geometrically even simpler.
  • the grooves along the inner circumference of the stator can also be slanted (ie helical).
  • the main longitudinal axis of a non-tapered groove extends in a same plane as a surface vector of a transverse plane of the stator.
  • For a slanted (ie helically extending) groove there is no plane in which both a main longitudinal axis of the groove and the surface vector of a transverse plane of the stator runs.
  • the recess is provided for guiding a coolant.
  • the recess may be provided for receiving a pipe, which is provided for guiding a coolant. This can be avoided that the coolant is distributed in other areas of the air gap.
  • the recess may contain filler material which is not ferromagnetic (neither hard nor soft magnetic).
  • the filling material may for example comprise a plastic material and / or a non-ferromagnetic material (for example aluminum or a non-magnetic stainless steel).
  • At least one of the stator poles has two pole segments, which are mechanically connected by means of at least one first web, which is arranged between the rotor and a permanent magnet unit.
  • the pole segments can be fixed in the region of the air gap with high dimensional accuracy.
  • the arrangement of the second land may have the advantage that the land in this arrangement will less affect a magnetic performance of the flow circuit machine than a land located near the air gap.
  • the first and / or second land may be made of or doped with a non-magnetic material (such as aluminum or steel) to minimize the magnetic performance of the flow circuit machine.
  • the first or second land may be a clip or a ring.
  • each of the aforementioned embodiments can be combined with the feature that the air gap of the flow circuit machine is substantially cone-shaped, in particular cylinder-tubular. Regardless, each of the aforementioned embodiments can be combined with the advantageous feature that the stator has a series of stator poles, wherein the stator poles each comprise a first and a second pole segment, each having a soft magnetic material, wherein between the first and the second pole segment in each case a permanent magnet unit is arranged. As a result, a proven basic structure is used for the flow circuit machine.
  • each of the aforementioned embodiments can be combined with the advantageous feature that the first pole segment of a stator pole directly adjoins a second pole segment of another stator pole, which is directly adjacent to the first stator pole, and at the same time the second pole segment of the first stator pole directly to a first pole segment another stator pole adjacent, which is also directly adjacent to the first-mentioned stator pole.
  • a proven basic structure is used for the flow circuit machine.
  • Fig. 1 shows schematically a section through a transverse plane of a flow circuit machine
  • FIG. 2 schematically shows four detailed views of the section of FIG. 1 for four different rotor tooth positions;
  • FIG. 3 schematically shows a first embodiment of a permanent magnet unit with a recess which has a parabolic surface-shaped cross section in a transverse plane of the stator, with a diameter of the cross section widening in the direction of the rotor;
  • 4 schematically shows a second embodiment of a permanent magnet unit with a recess which has a rectangular cross-section in a transverse plane of the stator;
  • FIG. 5 schematically shows a third embodiment of a permanent magnet unit with a recess which has a mushroom-shaped cross-section in a transverse plane of the stator, wherein a diameter of the cross-section is inclined in the direction of the fan.
  • Fig. 7 shows schematically a fifth embodiment of a permanent magnet unit with a recess which extends over an entire side surface of the intermediate member, which faces the rotor.
  • the electric machine shown in Fig. 1 is a flow circuit machine FSM with a stator S and a rotor L, which is rotatably mounted about a rotor axis LA.
  • the stator S has six stator poles SP each with a first stator tooth SZ1 and a second stator tooth SZ2, wherein mutually directly adjacent stator poles SP in the stator S are each offset by a circumferential angle of 60 ° to each other.
  • the flow circuit machine FSM In stationary engine operation in a direction of rotation RD (the rotor L relative to the stator S), the flow circuit machine FSM is usually operated so that always or at least for a majority of the time at least one tooth LZ of the rotor L (rotor tooth LZ) in the region of a tooth SZ1, SZ2 of the stator S (stator tooth SZ) with a tangential force component KT (a magnetic force) is attracted to the stator tooth SZ1, SZ2.
  • the force KT that drives a FSM is not a Lorentz force but a reluctance force.
  • the force KT which drives a flux-switching machine FSM, is a force KT, which is essentially based on the fact that the runner L tries to assume a position that is energetically more favorable than its current position.
  • the rotor position is energetically favorable, the lower a magnetic resistance (reluctance) of an active magnetic circuit MK is.
  • the basic principle of the generation of the force KT at the individual rotor teeth LZ is therefore identical to the basic principle of the force generation of an electromagnet.
  • the tangential component KT of the force at individual rotor teeth LZ generates a torque M about an axis LA of the rotor L.
  • a magnetic circuit MK is referred to here as active if a total magnetic voltage 0g (total transmission 0g) of the sum of all located in the magnetic circuit MK magnetic voltage sources PME, W is not added to zero.
  • the magnetic circuit MK also passes through the pole winding W of an adjacent stator pole SP. Therefore, the current through the pole winding W of the adjacent stator pole SP also contributes to the current total magnetic voltage 0g of the magnetic circuit MK. In the following consideration, however, this fact is ignored for the sake of clarity. So that the rotor L does not endure in an energetically favorable position, as soon as it has reached this position, but continues to rotate, the static magnetic flux ⁇ , which the permanent magnet units PME generate, is generated by a magnetic flux ⁇ w (rotating field) in a flow-switching machine FSM. superimposed, which is generated by means of a three-phase or multi-phase current flowing through the pole windings W.
  • the rotation of the rotating magnetic field ⁇ w about the rotor axis LA ensures that the force KT which acts on a rotor tooth LZ, which is already in an energetically favorable position (which is therefore in a position with a low magnetic resistance), periodically is reduced or even completely compensated. As a result, a restoring force acting in the tangential direction on a rotor tooth LZ, which is already in an energetically favorable position, is reduced.
  • a total magnetic flux ⁇ g is amplified by (at least) another rotor tooth LZ, which is already in the magnetic field of another stator tooth SZ, but not yet in the energetically optimal position, so that the rotor L is tangent to that on the other rotor tooth LZ - Direction acting magnetic force KT is driven.
  • stator pole winding W In stationary operation of the flow circuit machine FSM (motor operation) is guided by the pole windings W three-phase current.
  • the pole winding W of the individual stator pole SP flows exclusively current of a single phase of the rotary current.
  • the magnetic flux ⁇ w which is generated thereby in the stator pole SP, changes direction twice in the course of an electrical period and passes through a zero point with each change. In this way flows through the pole winding W of each stator pole SP each have an alternating current, which generates a magnetic flux ⁇ w, the magnetic flux ⁇ the permanent magnet unit PME superimposed.
  • the amplification and attenuation of the magnetic flux is not synchronized for all the stator poles SP, but offset in time according to the mechanical circumferential position of the respective stator pole SP and the phase position of the current supply of the respective stator pole SP.
  • the superposition principle superposition principle
  • the effects of the magnetic flux ⁇ w, which the pole winding W generates, and the effects of the magnetic flux ⁇ , which the permanent magnet unit PME generates, can be separately determined and then superposed linearly to a total effect.
  • the magnetic flux component ⁇ of the total magnetic flux ⁇ g (magnetic flux field) generated by the permanent magnet units PME is temporally and spatially static.
  • the magnetic flux component ⁇ w of the entire magnetic flux ⁇ g (magnetic flux field) generated by the pole windings W by means of three-phase current forms a magnetic rotating field ⁇ w in the flux-switching machine FSM.
  • the reverse current direction is at a maximum of the amount of current (through the pole winding W) through the flux ⁇ w of the pole winding W that portion of flux ⁇ 2 the permanent magnet unit PME amplified, which passes through the second stator tooth SZ2 of the stator pole SP.
  • the flux ⁇ w of the pole winding W at least partially compensates that flux component ⁇ 1 of the permanent magnet unit PME, which runs through the first stator tooth SZ1 of the stator pole SP.
  • the periodic change in direction of the magnetic flux ⁇ w generated by the pole winding W thus leads to a periodically alternating magnetic activation (or deactivation) of the first SZ1 and second SZ2 stator tooth in the rotor position shown in FIG.
  • stator winding W of respectively adjacent stator poles SP is supplied with the current of another phase of the three-phase current (for example in a three-phase three-phase system and a stator S with six stator poles SP are the pole windings W of the respective opposite stator poles SP fed with the current of the same current phase, but wound in opposite directions)
  • the alternation of the magnetic activating (or deactivating) of the first SZ1 and second SZ2 stator tooth does not take place for all stator poles SP at the same time, but according to their local distribution over the circumference of the stator S in the direction of rotation of the rotating magnetic field ⁇ t> w offset in phase (out of phase).
  • the rotor L of a flow circuit machine FSM is constructed radially symmetric (rotationally symmetrical). It follows that magnetic states (and, of course, also electrical) of a flux-switching machine FSM are not distinguishable from one another (ie identical) with rotor positions offset mechanically by 360 Z, where Z is the number of teeth LZ of the rotor L. Therefore, for a rough description of the operation of a flow circuit machine FSM (having a rotationally symmetrical structure of the rotor L), it is initially sufficient to consider their operation only for the movement of the rotor L over a circumferential angle range of 360 Z.
  • the respectively active magnetic circuit MK (which leads twice over the air gap LS) must be closed. Consequently, the formation of the useful torque never involves a single rotor tooth LZ but always at least two adjacent rotor teeth LZ (one rotor tooth pair).
  • the position of the pairs of rotor teeth, which next contribute to the formation of the torque M, can in relation to the active pair of rotor teeth for the leading opposing pair of rotor teeth are given with 180 ° + 36072Z, as well as for the trailing opposite pair of rotor teeth with 180 ° - 36072Z.
  • the pair of rotor teeth currently contributing to the generation of the torque M is at a certain relative circumferential angular position at a certain point in the electrical period relative to the adjacent pair of stator poles with which it is currently magnetically interacting Regardless of which pair of rotor teeth and stator pole pair is currently involved.
  • the relative circumferential angular position is dependent on the load point and whether the flow circuit machine FSM is in a motor or generator mode.
  • stator components SZ1 of a first stator pole SP ', permanent magnet unit PME' of the first stator pole SP ', second stator tooth SZ2 of the first stator pole SP', winding space WR typically alternate over a circumferential direction of the stator S of a flow circuit machine FSM for the first stator pole SP 'and a second stator pole SP ", first stator tooth SZ1" of the second stator pole SP2 ", permanent magnet unit PME” of the second stator pole SP ", second stator tooth SZ2" of the second SP stator pole ", winding space WR for the second stator pole
  • Neighboring stator teeth SZ1, SZ2 are thus alternately spaced apart by permanent magnet units PME and winding spaces WR
  • the basic operating sequence of the electric machine FSM is now explained with reference to FIG LZ is located on a first stator tooth SZ1 of a stator pole SP, the first of this view If the stator tooth SZ1 is not currently supplied with current that is not magnetic
  • second magnetic flux lines ML2 run from the second stator tooth SZ2 through the air gap LS into the rotor tooth LZ (see FIG Figure bottom left).
  • the direction of the magnetic flux component .phi..sub.R in the rotor tooth LZ, which is generated by the permanent magnet units PME, is thus inverted continuously, ie with each movement step of the rotor tooth LZ to the next stator tooth SZ1, SZ2 (of the same or an adjacent stator pole SP).
  • the air gap LS of each of the embodiments described may be filled with one or more other (non-ferromagnetic) materials than air, for example, aluminum, a nonmagnetic stainless steel or other gas including, for example, nitrogen, carbon dioxide, helium or one of the other noble gases. Nevertheless, it is common to call such an air gap, which includes not only air or even no air, as an air gap.
  • the movement step of the rotor tooth LZ from a first stator tooth SZ1 of a stator pole SP to a second stator tooth SZ2 of the same stator pole SP leads via a first neutral position ⁇ pme of the rotor tooth LZ, in which the rotor tooth LZ in the direction of a center plane ME of Permanent magnet unit PME shows (see figure above right).
  • a first neutral position ⁇ pme the magnetic flux ⁇ generated in the rotor tooth LZ by the permanent magnet units PME experiences a first of the two zero crossings of the magnetic flux period in the rotor tooth LZ.
  • the movement step of the rotor tooth LZ from the second stator tooth SZ2 of a first stator pole SP to a first stator tooth SZ1 of an adjacent second stator pole SP leads via a second neutral position ⁇ w of the rotor tooth LZ, in which the rotor tooth LZ in the direction of a winding space WR between the first SP and the second SP stator pole points (see figure below right).
  • a second neutral position ⁇ w the magnetic flux ⁇ generated in the rotor tooth LZ by the permanent magnet units PME experiences the second of the two zero crossings of the magnetic flux period in the rotor tooth LZ.
  • the present invention proposes to arrange in the permanent magnet unit PME a recess AN, which faces the rotor L.
  • the air gap LS between the rotor L and the stator S is at least partially spread in a neutral position range ⁇ of the first neutral position ⁇ pme, thus increasing a magnetic resistance between rotor tooth LZ and stator S and consequently a magnetic interaction between rotor tooth LZ and Stator S is reduced in this neutral range .DELTA..beta.
  • the permanent magnet unit PME provides a first magnetic voltage source with the magnetic flux ⁇ .
  • the pole winding W of the stator pole SP when flowed through by an electric current, provides a second magnetic voltage source with the magnetic flux 0w.
  • the magnetic field ⁇ t> w of the pole windings W changes its intensity (magnitude) and polarity (direction). tion) so electrically.
  • the mechanical rotor movement commutes both the (actual) polarity of the magnetic field ⁇ (the permanent magnet unit PME) in the rotor L and the (actual) polarity of the interlinking of the magnetic field ⁇ (the permanent magnet unit PME) with the associated pole winding W.
  • Such magnetic short circuits are undesirable because, inter alia, they lead to a lossy, periodic remagnetization of the rotor material.
  • the braking torque associated therewith may be advantageous if the flux-switching machine FSM is to have its own rotational resistance. However, it is undesirable if the purpose of the flow-switching machine FSM is, above all, the most efficient possible conversion of electrical energy into mechanical energy (or vice versa).
  • the present invention proposes a recess AN in the area of the permanent magnet unit PME.
  • a thickness LSD of the air gap LS air gap thickness
  • a neutral position range which comprises or is at least close to the first neutral position ⁇ pme.
  • the first embodiment shown in FIG. 3 of a permanent magnet unit PME with a recess AN has a parabolic surface-shaped cross-section in a transverse plane TE of the stator S.
  • a diameter D of the cross section widens in the direction of the rotor L.
  • the second embodiment shown in FIG. 4 of a permanent magnet unit PME with a recess AN has a rectangular cross-section in a transverse plane TE of the stator S.
  • the third embodiment of a permanent magnet unit PME shown in FIG. 5 with a recess AN has a mushroom-shaped cross-section in a transverse plane TE of the stator S.
  • a diameter D of the cross-section tapers in the direction of the rotor L in a mushroom-shaped manner.
  • FIG. 6 shows a fourth embodiment of a permanent magnet unit PME with a recess AN that extends over an entire side surface B of the soft-magnetic intermediate segment ZS, which faces the rotor L.
  • FIG. 7 shows a fifth embodiment of a permanent magnet unit PME with a recess AN, which has a cross section whose boundary to the ferromagnetic region of the intermediate segment ZS is cosinusoidal.
  • a maximum of the cosine shape in the region of the center plane ME of the permanent magnet unit PME and the left and right minimum of the cosine shape is, for example, at the transition to the first PM1 or second PM2 permanent magnet of the permanent magnet unit PME.
  • the magnetic circuit MK of an FSM can be realized in such a way that in each stator pole SP there are two permanent magnets PM1, PM2 which are radially oriented and tangentially magnetized. Typically, the magnetization direction RM of the permanent magnets PM1, PM2 alternates from stator pole SP to stator pole SP '.
  • the present invention proposes to provide on the side B of the soft magnetic intermediate segment ZS facing the machine axis A (ie the rotor L) a recess AN which causes the magnetic resistance Rm to be in the region of a first neutral position of the rotor L in comparison to an otherwise identical flow circuit machine FSM (whose permanent magnet unit PME has no recess AN) is increased. This reduces the braking torque which arises in the region of the first neutral position ⁇ pme of the rotor L.
  • the soft magnetic intermediate segment ZS is typically arranged in each case between the two permanent magnets PM1, PM2 of a stator tooth SZ.
  • the inventive design of the magnetic circuit MK of the flow circuit machine FSM can also be applied to other combinations of stator poles / rotor teeth and / or external circuit flux circuit machines FSM, which are known or accessible to the person skilled in the art. Variations of the structure of the flow circuit machine FSM in the axial direction (for example, segmentation of the permanent magnets PM1, PM2, skew variants of the rotor L), in particular those which are also known in the art, the inventive design of the flow circuit machine FSM is also applicable.
  • the rotor L of the inventive flow circuit machine FSM can be designed according to the known state of the art. It may for example have a cylindrical or conical basic shape with an annular cross-section (in a transverse plane of the rotor L).
  • Z rotor grooves LN which are separated from each other by a rotor tooth LZ (rotor pole), may be located on the outer contour of the rotor L.
  • rotor tooth LZ rotor pole
  • this topology results in a number of Z rotor teeth LZ, wherein circumferential angles of rotation of each other directly adjacent rotor teeth LZ each differ by an angle of 360 Z.
  • stator S of a flux-switching machine FSM in a transversal plane of the stator S typically has an annular cross-section, on whose inner contour Sl Q grooves (each having a winding space WR) are located, which are each separated from each other by a stator pole SP.
  • Q stator poles SP this results in a circumferential angular position difference of 360 ⁇ between directly adjacent stator poles SP, which are arranged at an angle angle to one another on the inner contour S 1 of the stator S.
  • each stator pole SP two permanent magnets PM1, PM2 are typically arranged, which are spaced from one another in the circumferential direction of the stator S. Openings in the stator poles SP which receive the permanent magnets PM1, PM2 may be arranged and shaped such that each individual stator pole S has two pole segments PS. This results in two forms of pole segments PS, which are arranged alternately on the circumference and are each separated by a permanent magnet unit.
  • the winding spaces WR are stator slots, which are in each case between two stator poles SP and receive the pole winding W.
  • the stator winding is typically embodied as a concentrated winding and designed such that a coil encloses in each case both stator teeth SZ1, SZ2 of a stator pole SP and the winding axis WA is oriented in the radial direction.
  • stator S (relative to a mean transverse plane TE of the stator S) is constructed mirror-symmetrically in the axial direction, all the pole segments PS can have an identical design.
  • Fig. 1 shows a flow circuit machine FSM with a 6/5 topology.
  • FSM twelve pole segments PS and twelve permanent magnets PM1, PM2 are required.
  • the inventive design of the magnetic circuit of a flow circuit machine FSM whose properties are changed so that it is favored that the magnetic flux ⁇ the permanent magnets PM1, PM2 can be weakened by impressing a corresponding electric current in the pole winding W.
  • the weakening of the magnetic flux ⁇ of the permanent magnets PM1, PM2 is improved by impressing a corresponding electrical current in the pole winding W by the inventive design of the magnetic circuit of the flow circuit machine.
  • the flux circuiting machine FSM according to the invention thus has a better field weakenability in comparison with prior art flux-switching machines. This allows use of the flow circuit machine FSM in a higher speed range than prior art flow circuit machines.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Permanent Magnet Type Synchronous Machine (AREA)
  • Permanent Field Magnets Of Synchronous Machinery (AREA)
  • Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stator (S) für eine elektrische Maschine (M) mit einem Läufer (L). Der Stator (S) weist Statorpole (SP) auf. Wenigstens eine Teilmenge der Statorpole (SP) weist je eine Polwicklung (W) sowie je eine Permanentmagnet-Einheit (PME) auf. Ein durch die Permanentmagnet-Einheit (PME) verursachter erster magnetischer Fluss wird durch einen zweiten magnetischen Fluss überlagert, wenn an die Polwicklung (W) eine elektrische Spannung angelegt wird oder in die Polwicklung (W) ein elektrischer Strom eingeprägt wird. In der Permanentmagnet-Einheit (PME) ist eine Aussparung (AN) angeordnet, die dem Läufer (L) zugewandt ist. Außerdem betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine (FSM) mit einem erfindungsgemäßen Stator (S), wobei der Läufer (L) dazu vorbereitet ist, einen magnetischen Widerstand eines magnetischen Kreises (KM), der durch eine Permanentmagnet-Einheit (PME) eines Statorpols (S) des Stators (S) verläuft, läuferstellungsabhängig zu ändern. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Fahrzeug (FZ) mit einem erfindungsgemäßen Stator (S) oder einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine (FSM).

Description

Elektrische Maschine, Stator für eine elektrische Maschine und Fahrzeug
Die Erfindung betrifft einen Stator für eine elektrische Maschine mit einem Läufer, wobei der Stator Statorpole aufweist. Wenigstens eine Teilmenge der Statorpole weist je Statorpol eine Polwicklung (Wicklung eines Statorpols) sowie eine Permanentmagnet-Einheit auf. Ein durch die Permanentmagnet-Einheit verursachter erster magnetischer Fluss wird durch einen zweiten magnetischen Fluss überlagert, wenn an die Polwicklung eine elektrische Spannung angelegt wird oder in die Polwicklung ein elektrischer Strom eingeprägt wird. Die elektrische Maschine kann ein Motor und/oder ein Generator sein. Unabhängig davon kann die elektrische Maschine eine rotatorische Maschine oder eine Linearmaschine (also beispielsweise ein Linearmotor und/oder ein Lineargenerator) sein. Die Permanentmagnet-Einheit ist eine Komponente des Statorpols, die (in einer Transversalebene des Stators) mindestens einen oder mindestens zwei Permanentmagnete aufweist. Auch wenn folgende Variante aus Übersichtsgründen im Folgenden nicht explizit beschrieben ist, betrifft die vorliegende Erfindung auch Statoren von elektrischen Maschinen, in denen der in den Ansprüchen beanspruchte Stator (beispielsweise auf eine Fahrzeugkarosserie bezogen) beweglich (statt ortsfest), beispielsweise drehbar, angeordnet ist, während der Läufer ortsfest (statt beweglich) angeordnet ist. Außerdem kann, wenn es sich um eine rotatorische Maschine handelt, der Läufer auch als Rotor bezeichnet werden. Im Folgenden werden Linearmaschinen nicht gesondert betrachtet, sondern als rotatorische Maschine aufgefasst, indem für diesen Fall unterstellt wird, dass der Läuferdurchmesser näherungsweise unendlich groß ist.
Des Weiteren betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem Läufer, der dazu vorbereitet ist, einen magnetischen Widerstand eines magnetischen Kreises (Magnetkreises), der durch eine Permanentmagnet-Einheit eines Statorpols des Stators ver- läuft, läuferstellungsabhängig zu ändern.
Darüberhinaus betrifft die Erfindung ein Fahrzeug mit einem Stator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 oder mit einer elektrischen Maschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 9. Das Fahrzeug kann beispielsweise ein Elektrofahrzeug, ein Hybridfahrzeug, ein Wasserfahr- zeug, ein Luftfahrzeug und/oder ein Landfahrzeug (insbesondere ein Personenkraftwagen, ein Lastkraftwagen, ein Schienenfahrzeug, eine Baumaschine oder eine Landmaschine) sein. Unabhängig davon kann der erfindungsgemäße Stator auch Teil einer Maschine sein, die kein Fahrzeug ist, sondern beispielsweise ein Teil eines Haushaltsgeräts, einer Heizungsoder Klimatisierungsanlage, einer Fertigungsmaschine, eines elektrisch antreibbaren Werkzeugs oder einer Werkzeugmaschine. Für Fahrzeuganwendungen, beispielsweise riemengetriebene Starter/Generatoren, wird eine elektrische Maschine mit möglichst hoher Leistungsdichte benötigt, die möglichst kostengünstig herstellbar ist. Für einen Betrieb mit hoher Drehzahl (beispielsweise über 20.000 U/min) und einer hohen Riemenübersetzung kann beispielsweise eine Flussschaltungsmaschine (flux switching machine = FSwM) mit Permanentmagneten zweckmäßig sein. Oberhalb einer Eckdrehzahl muss (wie bei einer permanentmagnet-erregten Synchronmaschine) auch bei einer Flussschaltungsmaschine das Feld der Permanentmagnete geschwächt werden, wenn die Drehzahl weiter erhöht werden soll. Dies wird durch Shen, J.-X., Fei, W.-Z., "Permanent Magnet Flux Switching Machines - Topologies, Analysis and Optimization", Fourth International Conference on Power Engineering, Energy and Electrical Drives (POWERENG), Istanbul, 13-17 May 2013 bestätigt, wo das Erfordernis erwähnt wird, einen Hauptfeldfluss in einer Permanentmagnet-Flussschaltungsmaschine beeinflussbar zu machen. Allerdings kann bei bekannten Flussschaltungsmaschinen eine ausreichende Schwächung des durch die Permanentmagneten erzeugten Flusses durch Einprägen eines Stroms in die Polwicklungen schwieriger erreicht werden.
Bei einem Betrieb im Feldschwächbereich (also bei einem Betrieb mit vermindertem Drehmoment oberhalb einer Eckdrehzahl) wird die Flussschaltungsmaschine mit verminderter Stromstärke und entsprechendem Stromwinkel betrieben. Dann überwiegt zumindest in Teilbereichen des Stators der magnetische Fluss, der durch die Permanentmagnete erzeugt wird, den magnetischen Fluss, der durch die Bestromung der Polwicklungen erzeugt wird. Dadurch bildet der resultierende magnetische Gesamtfluss sogar beim Scheitelwert des elektrischen Wechselstroms nicht zwangsläufig ausschließlich Magnetfeldlinien aus, die durch diese Polwicklung verlaufen. Unter anderem bilden sich auch Magnetflüsse über Streuwege aus (z.B. zwischen Rotorzähnen über den Luftspalt). Denn bei einem üblichen Aufbau einer Flussschaltungsmaschine ist der magnetische Widerstand eines durch den jeweiligen Permanentmagneten aber nicht durch die zugehörige Polwicklung verlaufenden magnetischen Kreises (magnetischen Kurzschlusskreises) zumindest für Teilbereiche der Permanentmagnete bei bestimmten Läuferstellungen niedriger als von anderen magnetischen Kreisen, die nicht nur durch den jeweiligen Permanentmagneten sondern auch durch die zugehörige Polwicklung verlaufen. Dies wird als Streufluss bezeichnet.
Läuferstellungsabhängig kommt es also vor, dass das Magnetfeld dieser Teilbereiche der Permanentmagnete nicht mit der Polwicklung verkettet ist, sondern an der zugehörigen Polwicklung vorbeiführt (somit bezogen auf die Polwicklung über einen magnetischen Kurz- schluss verläuft). Deshalb kann der Magnetfluss, der von dem jeweiligen Permanentmagneten erzeugt wird, oft nicht im gewünschten Ausmaß durch den Magnetfluss kompensiert wer- den, den die Polwicklung erzeugt. Mit anderen Worten: Das Magnetfeld, das von dem jeweiligen Permanentmagneten verursacht wird, kann nicht ohne Weiteres ausreichend durch jenes Magnetfeld kompensiert werden, welches von der Polwicklung verursacht wird. Unabhängig von den läuferstellungsabhängigen Kurzschlüssen kann es kleinere statorinterne magnetische Kurzschlüsse geben, die (trotz ihrer magnetisch nachteiligen Wirkung) unter Umständen in Kauf genommen werden, beispielsweise um einen Aufbau des Stators mittels Innen- und/oder Außenstegen zu verbessern oder zu vereinfachen.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Flussschaltungsmaschine bereitzustellen, deren Hauptfluss mittels Einprägens eines Stroms in die Polwicklung ausreichend gut geschwächt werden kann, sodass der Feldschwächbereich der Flussschaltungsmaschine vergrößert wird und diese dadurch auch mit einer höheren Drehzahl (beispielsweise über 20.000 U/min) betreibbar ist.
Diese Aufgabe wird mit einem Stator gelöst, welcher die Merkmale des Patentanspruchs 1 umfasst. Außerdem wird die Aufgabe mit einer elektrischen Maschine nach Anspruch 9 und einem Fahrzeug nach Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der erfindungsgemäße Stator für eine elektrische Maschine mit einem Läufer weist Statorpo- le auf. Wenigstens eine Teilmenge der Statorpole weist je Statorpol eine Polwicklung (Wicklung eines Statorpols) sowie eine Permanentmagnet-Einheit auf. Ein durch die Permanentmagnet-Einheit verursachter erster magnetischer Fluss wird durch einen zweiten magnetischen Fluss überlagert, wenn an die Polwicklung eine elektrische Spannung angelegt wird oder wenn in die Polwicklung ein elektrischer Strom eingeprägt wird. In der Permanentmag- net-Einheit ist eine Aussparung angeordnet, die dem Läufer zugewandt ist. Die Aussparung kann auch eine Ausnehmung sein oder als solche bezeichnet werden.
Durch die Aussparung wird zumindest zum Teil verhindert, dass, wenn sich ein Zahn des Läufers (Läuferzahn) im Bereich einer Permanentmagnet-Einheit befindet, der Zahn einen magnetischen Kreis (Magnetkreis) schließen kann, dessen Feldlinie aus der Permanentmagnet-Einheit auf einer dem Läufer zugewandten Seitenfläche der Permanentmagnet-Einheit austritt. Eine detaillierte Erläuterung dieses Sachverhalts enthält die Figurenbeschreibung. Ein weiterer Vorteil der Aussparung kann darin bestehen, dass sie dazu beitragen kann, unsymmetrische magnetische Kräfte (unbalanced magnetic forces, UMF) gezielt zu beeinflussen und zu verringern, welche bei Flussschaltungsmaschinen mit bestimmten Verhältnissen von Rotor- und Statorzähnen typischerweise auftreten.
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine weist einen Stator und einen Läufer auf. Der Läufer ist dazu vorbereitet, in zumindest einem ersten Läuferstellungsbereich einen ersten magnetischen Kreis zu schließen, wobei eine Permanentmagnet-Einheit des Statorpols eine Polwicklung des Statorpols in einer ersten Richtung magnetisiert. Außerdem ist der Läufer dazu vorbereitet, in zumindest einem zweiten Läuferstellungsbereich einen zweiten magnetischen Kreis zu schließen, wobei die Permanentmagnet-Einheit die Polwicklung des Statorpols in einer zweiten Richtung magnetisiert, die der ersten Richtung entgegengesetzt ist. Der Stator ist ein erfindungsgemäßer Stator. Dementsprechend weist das erfindungsgemäße Fahrzeug einen erfindungsgemäßen Stator oder eine erfindungsgemäße elektrische Maschine auf.
Besonders vorteilhaft ist, wenn die Permanentmagnet-Einheit in einer Transversalebene des Stators einen ersten und einen zweiten Permanentmagneten aufweist, der zu dem ersten Permanentmagneten magnetisch gleichsinnig in Serie angeordnet ist, wobei die beiden Permanentmagnete in der Serienschaltung mittels eines weichmagnetischen Zwischensegments miteinander magnetisch verbunden sind, wobei die Aussparung in dem weichmagnetischen Zwischensegment angeordnet ist. Durch Verwenden einer Permanentmagnet-Einheit, in der ein weichmagnetisches Zwischensegment zwischen zwei Permanentmagneten angeordnet ist, braucht nicht die gesamte Permanentmagnet-Einheit aus einem hartmagnetischen Material bestehen, das in der Regel teurer ist als weichmagnetisches Material. So kann teures hartmagnetisches Material eingespart werden. Heute verfügbare Materialien für Permanentmagnete können einerseits viel teurer sein als früher verwendetes hartmagnetisches Material, aber andererseits den Vorteil aufweisen, dass ihre Koerzitivfeldstärke so groß ist, dass es für die Funktion der Flussschaltungsmaschine ausreicht, wenn die Permanentmagnet-Einheit nur zum Teil aus Permanentmagnet-Material besteht. Der übrige (in der Regel größere) Teil der Permanentmagnet-Einheit kann aus einem kostengünstigeren weichmagnetischen Material bestehen. Dies gilt für alle Ausführungsformen der Erfindung. Eine von vielen möglichen Ausführungsvarianten der vorliegenden Erfindung sieht vor, dass sich die Aussparung der Permanentmagnet-Einheit über eine gesamte Seitenfläche des weichmagnetischen Zwischensegments erstreckt, die dem Läufer zugewandt ist. Durch Ver- größern der Luftspaltdicke über die gesamte Seitenfläche des weichmagnetischen Zwischensegments kann teilweise vermieden werden, dass ein einzelner Läuferzahn (wenn dessen Umfangssegmentlänge (d. h. Zahnbreite am Luftspalt) breiter ist als eine Dicke eines einzelnen Permanentmagneten in tangentialer Richtung) das Magnetfeld eines (d. h. dieses) ein- zelnen Permanentmagneten direkt über das weichmagnetische Zwischensegment kurzschließen kann. Mit 'direkt' ist hier Folgendes gemeint: ohne Umweg über einen anderen Läuferzahn.
Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Aussparung in einer Transversalebene des Stators einen aufweist. Eine Aussparung mit einem rechteckigen oder trapezförmigen Querschnitt ist möglicherweise kostengünstiger herstellbar als eine Aussparung mit einem anderen Querschnitt.
Eine ebenfalls bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass sich eine Öffnung der Ausspa- rung in Richtung zum Läufer hin verjüngt und/oder verbreitert. Hierdurch kann eine Form der Aussparung optimiert werden, um einerseits ein gewünschtes Drehzahl- und/oder Feldschwächeverhalten, und andererseits möglichst geringe unsymmetrische magnetische Kräfte zu erzielen. Das Optimieren der Form der Aussparung kann unter Zuhilfenahme von Simulationen mit unterschiedlichen Aussparungen oder unter Zuhilfenahme von Tests mit unter- schiedlichen Aussparungen auf einem Prüfstand erfolgen.
Unabhängig davon kann die Aussparung eine Nut sein, deren Hauptlängsachse quer zu einer Transversalebene des Stators verläuft. Hierdurch können die Vorteile der Erfindung zumindest für einen großen Teil der Länge des Stators oder sogar über eine gesamte axiale Länge des Stators genutzt werden. Eine zweckmäßige Weiterbildung sieht vor, dass die Hauptlängsachse der Nut in einer selben Ebene liegt, wie eine Hauptlängsachse des Stators. Hierdurch wird ein Aufbau des Stators begünstigt, der geometrisch einfach ist. Eine weitere Spezialisierung sieht vor, dass die Hauptlängsachse der Nut parallel zu der Hauptlängsachse des Stators verläuft. Hierdurch wird ein Aufbau des Stators begünstigt, der geometrisch noch ein- facher ist. Denn dann ist der Luftspalt der Flussschaltungsmaschine im Wesentlichen zylinderroh rförm ig. Unabhängig davon, ob der Luftspalt der Flussschaltungsmaschine im Wesentlichen nur kegelrohrförmig oder sogar zylinderrohrförmig ist, können die Nuten entlang des Innenumfangs des Stators auch geschrägt (also helixförmig) verlaufen. Die Hauptlängsachse einer nicht geschrägten Nut verläuft in einer selben Ebene wie ein Flächenvektor einer Transversalebene des Stators. Für eine geschrägte (also helixförmig verlaufende) Nut gibt es keine Ebene, in welcher sowohl eine Hauptlängsachse der Nut als auch der Flächenvektor einer Transversalebene des Stators verläuft. In jeder bisher erwähnten Ausführungsform kann es von besonderem Vorteil sein, wenn die Aussparung für ein Führen eines Kühlmittels vorgesehen ist. Hierdurch kann eine gesonderte Führung für ein Kühlmittel eingespart werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Aussparung zur Aufnahme eines Rohrs vorgesehen sein, das zum Führen eines Kühlmittels vorgesehen ist. Hierdurch kann vermieden werden, dass sich das Kühlmittel in andere Bereiche des Luftspalts verteilt. Alternativ oder zusätzlich kann die Aussparung Füllmaterial enthalten, das nicht ferromagnetisch (weder hart- noch weichmagnetisch) ist. Das Füllmaterial kann beispielsweise ein Kunststoffmaterial und/oder ein nicht ferromagnetisches Material (beispiels- weise Aluminium oder einen unmagnetischen Edelstahl) aufweisen. Durch die Füllung kann eine Geräuschbildung infolge hydrodynamischer Wechselwirkung zwischen Läuferzähnen und den Aussparungen verringert oder ganz vermieden werden.
Zweckmäßig ist es, wenn mindestens einer der Statorpole zwei Polsegmente aufweist, die mittels mindestens eines ersten Stegs mechanisch verbunden sind, der zwischen dem Läufer und einer Permanentmagnet-Einheit angeordnet ist. Hierdurch können die Polsegmente im Bereich des Luftspalts mit hoher Maßgenauigkeit fixiert werden. Alternativ oder zusätzlich kann es auch zweckmäßig sein, wenn derselbe und/oder mindestens einer der anderen Statorpole zwei Polsegmente aufweist, die mittels mindestens eines zweiten Stegs mecha- nisch verbunden sind, der auf einer Seite des Stators angeordnet ist, die vom Läufer abgewandt ist. Hierdurch kann eine Befestigung der Polsegmente untereinander in einem äußeren Bereich der Flussschaltungsmaschine angeordnet werden. Aufgrund seiner Anordnung in dem äußeren Bereich der Flussschaltungsmaschine kann die Anordnung des zweiten Stegs den Vorteil haben, dass der Steg in dieser Anordnung ein magnetisches Betriebsverhalten der Flussschaltungsmaschine weniger stark beeinflusst als ein Steg, der in Luftspaltnähe angeordnet ist. Der erste und/oder zweite Steg kann aus einem amagnetischen Material (beispielsweise aus Aluminium oder einem Stahl) bestehen oder dotiert sein, damit er das magnetische Betriebsverhalten der Flussschaltungsmaschine möglichst wenig beeinflusst, Der erste oder zweite Steg kann eine Klammer oder ein Ring sein.
Es kann auch zweckmäßig sein, wenn die einander zugewandten Polsegmente von mindestens zwei aneinander angrenzenden Statorpolen mechanisch verbunden sind. So kann eine Anzahl von Einzelteilen des Stators minimiert werden. Jede der vorgenannten Ausführungsformen ist mit dem Merkmal kombinierbar, dass der Luftspalt der Flussschaltungsmaschine im Wesentlichen kegelrohrförmig, insbesondere zylinder- rohrförmig, ist. Unabhängig davon kann jede der vorgenannten Ausführungsformen mit dem vorteilhaften Merkmal kombiniert werden, dass der Stator eine Aneinanderreihung von Statorpolen aufweist, wobei die Statorpole jeweils ein erstes und ein zweites Polsegment umfassen, das jeweils ein weichmagnetisches Material aufweist, wobei zwischen dem ersten und dem zweiten Polsegment jeweils eine Permanentmagnet-Einheit angeordnet ist. Hierdurch wird für die Flussschaltungsmaschine eine bewährte Grundstruktur genutzt.
Außerdem ist jede der vorgenannten Ausführungsformen mit dem vorteilhaften Merkmal kombinierbar, dass das erste Polsegment eines Statorpols direkt an ein zweites Polsegment eines anderen Statorpols angrenzt, der zu dem ersten Statorpol direkt benachbart ist, und zugleich das zweite Polsegment des erstgenannten Statorpols direkt an ein erstes Polsegment eines weiteren Statorpols angrenzt, der ebenfalls zu dem erstgenannten Statorpol direkt benachbart ist. Hierdurch wird für die Flussschaltungsmaschine eine bewährte Grundstruktur genutzt.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den schematischen Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch einen Schnitt durch eine Transversalebene einer Flussschaltungsmaschine;
Fig. 2 schematisch vier Detailansichten des Schnittes der Fig. 1 für vier unterschiedliche Läuferzahnstellungen; Fig. 3 schematisch eine erste Ausführungsform einer Permanentmagnet-Einheit mit einer Aussparung, die in einer Transversalebene des Stators einen parabelflächenförmi- gen Querschnitt aufweist, wobei sich ein Durchmesser des Querschnitts in Richtung zum Läufer hin erweitert; Fig. 4 schematisch eine zweite Ausführungsform einer Permanentmagnet-Einheit mit einer Aussparung, die in einer Transversalebene des Stators einen rechteckförmigen Querschnitt aufweist;
Fig. 5 schematisch eine dritte Ausführungsform einer Permanentmagnet-Einheit mit einer Aussparung, die in einer Transversalebene des Stators einen pilzförmigen Querschnitt aufweist, wobei sich ein Durchmesser des Querschnitts in Richtung zum Läu- fer hin verjüngt; schematisch eine vierte Ausführungsform einer Permanentmagnet-Einheit mit einer Aussparung, die sich über eine gesamte Seitenfläche des Zwischenelements erstreckt, die dem Läufer zugewandt ist.
Fig. 7 schematisch eine fünfte Ausführungsform einer Permanentmagnet-Einheit mit einer Aussparung, die sich über eine gesamte Seitenfläche des Zwischenelements erstreckt, die dem Läufer zugewandt ist.
In den Figuren werden für entsprechende Komponenten jeweils dieselben Bezugszeichen verwendet. Bezugszeichenbezogene Erläuterungen gelten daher auch figurenübergreifend, sofern sich aus dem Zusammenhang nichts anderes ergibt. Die folgende Beschreibung einer Flussschaltungsmaschine anhand Fig. 1 gilt allgemein für jede oder nahezu jede Art von Flussschaltungsmaschine FSM. Der Bezug auf die Fig. 1 und Zahlenbeispiele dienen der Veranschaulichung der beschriebenen Sachverhalte, sollen aber nicht als Einschränkung auf die Ausführungsform einer Flussschaltungsmaschine FSM ausgelegt werden, die in Fig. 1 dargestellt ist.
Die in Fig. 1 gezeigte elektrische Maschine ist eine Flussschaltungsmaschine FSM mit einem Stator S und einem Läufer L, der um eine Läuferachse LA drehbar gelagert ist. Der Stator S weist sechs Statorpole SP mit jeweils einem ersten Statorzahn SZ1 und einem zweiten Statorzahn SZ2 auf, wobei zueinander direkt benachbarte Statorpole SP in dem Stator S je- weils um einen Umfangswinkel von 60° zueinander versetzt angeordnet sind.
Bei stationärem Motorbetrieb in einer Drehrichtung RD (des Läufers L gegenüber dem Stator S) wird die Flussschaltungsmaschine FSM in der Regel so betrieben, dass immer oder zumindest für einen Großteil der Zeit mindestens ein Zahn LZ des Läufers L (Läuferzahn LZ) im Bereich eines Zahns SZ1 , SZ2 des Stators S (Statorzahns SZ) mit einer tangentialen Kraftkomponente KT (einer magnetischen Kraft) zum Statorzahn SZ1 , SZ2 hingezogen wird. Anders als bei vielen klassischen elektrischen Maschinentypen ist die Kraft KT, die eine Flussschaltungsmaschine FSM antreibt, keine Lorentzkraft sondern eine Reluktanzkraft. Die Kraft KT, die eine Flussschaltungsmaschine FSM antreibt, ist eine Kraft KT, die im Wesentlichen darauf beruht, dass der Läufer L versucht, eine Stellung einzunehmen, die energetisch günstiger ist als seine aktuelle Stellung. Die Läuferstellung ist energetisch umso günstiger, je niedriger ein magnetischer Widerstand (Reluktanz) eines aktiven magnetischen Kreises MK ist. Das Grundprinzip der Erzeugung der Kraft KT an den einzelnen Läuferzähnen LZ ist also mit dem Grundprinzip der Krafterzeugung eines Elektromagneten identisch. Bei einer Flussschal- tungsmaschine FSM mit rotierendem Läufer L erzeugt die tangentiale Komponente KT der Kraft an einzelnen Läuferzähnen LZ ein Drehmoment M um eine Achse LA des Läufers L. Ein magnetischer Kreis MK wird hier als aktiv bezeichnet, wenn sich eine magnetische Gesamtspannung 0g (Gesamtdurchflutung 0g) der Summe aller im magnetischen Kreis MK befindlichen magnetischen Spannungsquellen PME, W nicht zu Null addiert.
Bei der Flussschaltungsmaschine FSM, die Fig. 1 zeigt, verläuft der magnetische Kreis MK auch durch die Polwicklung W eines benachbarten Statorpols SP. Deshalb liefert der aktuelle Strom durch die Polwicklung W des benachbarten Statorpols SP auch einen Beitrag zur aktuellen magnetischen Gesamtspannung 0g des magnetischen Kreises MK. In der folgenden Betrachtung wird dieser Sachverhalt jedoch im Interesse der Übersichtlichkeit übergangen. Damit der Läufer L nicht in einer energetisch günstigen Stellung ausharrt, sobald er diese Stellung erreicht hat, sondern sich weiterdreht, wird bei einer Flussschaltungsmaschine FSM der statische magnetische Fluss Φρ, den die Permanentmagnet-Einheiten PME erzeugen, von einem magnetischen Fluss Φw (Drehfeld) überlagert, der mittels eines durch die Polwicklungen W fließenden drei- oder mehrphasigen Drehstroms erzeugt wird. Durch die Drehung des magnetischen Drehfelds Φw um die Läuferachse LA wird erreicht, dass die Kraft KT die auf einen Läuferzahn LZ wirkt, der sich bereits in einer energetisch günstigen Position befindet (der sich also in einer Position mit einem niedrigen magnetischen Widerstand befindet), periodisch verringert oder sogar vollständig kompensiert wird. Hierdurch wird eine in Tangen- tialrichtung wirkende Rückstellkraft auf einen Läuferzahn LZ, der sich bereits in einer energe- tisch günstigen Position befindet, verringert. Gleichzeitig wird ein magnetischer Gesamtfluss Φg durch (mindestens) einen anderen Läuferzahn LZ verstärkt, der sich bereits im magnetischen Feld eines anderen Statorzahns SZ befindet, aber noch nicht in der energetisch optimalen Stellung, sodass der Läufer L von der auf den anderen Läuferzahn LZ in Tangential- richtung wirkenden magnetischen Kraft KT angetrieben wird.
Im stationären Betrieb der Flussschaltungsmaschine FSM (Motorbetrieb) wird durch die Polwicklungen W Drehstrom geleitet. Durch die Polwicklung W des einzelnen Statorpols SP fließt ausschließlich Strom einer einzelnen Phase des Drehstroms. Der magnetische Fluss Φw, der dadurch im Statorpol SP erzeugt wird, wechselt im Laufe einer elektrischen Periode genau zweimal die Richtung und durchläuft bei jedem Wechsel eine Nullstelle. Hierdurch fließt durch die Polwicklung W eines jeden einzelnen Statorpols SP jeweils ein Wechselstrom, der einen Magnetfluss Φw erzeugt, der den Magnetfluss Φρ der Permanentmagnet-Einheit PME überlagert. Die aktuelle Bestromung der Polwicklung W des Stators S, sowie die aktuelle Stellung desjenigen Läuferzahns LZ, der dem jeweils betrachteten Statorpol SP am nächsten ist, entscheidet darüber, ob der Magnetfluss Φρ der Permanentmagnet-Einheit PME durch Überlagerung mit dem Magnetfluss Φw der Polwicklung W verstärkt oder abge- schwächt wird. Das Verstärken und Abschwächen des Magnetflusses erfolgt nicht für alle Statorpole SP synchron, sondern zeitlich versetzt entsprechend der mechanischen Umfangs- position des jeweiligen Statorpols SP und der Phasenlage der Bestromung des jeweiligen Statorpols SP. Zu Erläuterungszwecken wird nun unterstellt, dass für den Magnetfluss Φg = Φρ + Φw im Läuferzahn LZ näherungsweise das Überlagerungsprinzip (Superpositionsprinzip) gilt. In diesem Fall können die Wirkungen des Magnetflusses Φw, den die Polwicklung W erzeugt, und die Wirkungen des Magnetflusses Φρ, den die Permanentmagnet-Einheit PME erzeugt, getrennt ermittelt und dann zu einer Gesamtwirkung linear überlagert werden. Die von den Permanentmagnet-Einheiten PME erzeugte Magnetflusskomponente Φρ des gesamten Magnetflusses Φg (Magnetflussfeldes) ist zeitlich und räumlich statisch. Die von den Polwicklungen W mittels Drehstrom erzeugte Magnetflusskomponente Φw des gesamten Magnetflusses Φg (Magnetflussfeldes) bildet in der Flussschaltungsmaschine FSM ein magnetisches Drehfeld Φw aus.
In der in Fig. 1 gezeigten Flussschaltungsmaschine FSM wird bei einem positiven Maximum des Stroms (durch die Polwicklung W) durch den Fluss Φw der Polwicklung W derjenige Flussanteil Φρ1 der Permanentmagnet-Einheit PME verstärkend überlagert, der durch den ersten Statorzahn SZ1 des Statorpols SP verläuft. Zugleich wird durch den Fluss Φw der Polwicklung W derjenige Flussanteil Φρ2 der Permanentmagnet-Einheit PME wenigstens teilweise kompensiert, der durch den zweiten Statorzahn SZ2 des Statorpols SP verläuft. Bei umgekehrter Stromrichtung wird bei einem Maximum des Betrags des Stroms (durch die Polwicklung W) durch den Fluss Φw der Polwicklung W derjenige Flussanteil Φρ2 der Permanentmagnet-Einheit PME verstärkt, der durch den zweiten Statorzahn SZ2 des Statorpols SP verläuft. Zugleich wird durch den Fluss Φw der Polwicklung W derjenige Flussanteil Φρ1 der Permanentmagnet-Einheit PME wenigstens teilweise kompensiert, der durch den ersten Statorzahn SZ1 des Statorpols SP verläuft. Der periodische Richtungswechsel des durch die Polwicklung W erzeugten magnetischen Flusses Φw führt also bei der in Fig. 1 gezeigten Läuferstellung zu einem periodisch abwechselnden magnetischen Aktivieren (bzw. Deaktivie- ren) des ersten SZ1 und zweiten SZ2 Statorzahns. Da die Polwicklung W jeweils benachbarter Statorpole SP mit dem Strom einer anderen Phase des Drehstroms beaufschlagt ist (zum Beispiel bei einem dreiphasigen Drehstromsystem und einem Stator S mit sechs Statorpolen SP sind die Polwicklungen W der jeweils gegenüberliegende Statorpole SP mit dem Strom derselben Stromphase gespeist, aber gegensinnig bewickelt), erfolgt das Abwechseln des magnetischen Aktivierens (bzw. Deaktivierens) des ersten SZ1 und zweiten SZ2 Statorzahns nicht für alle Statorpole SP zeitgleich, sondern entsprechend ihrer örtlichen Verteilung über den Umfang des Stators S in der Drehrichtung des magnetischen Drehfeldes <t>w zeitlich versetzt (phasenversetzt).
Typischerweise ist der Läufer L einer Flussschaltungsmaschine FSM radiärsymmetrisch (drehsymmetrisch) aufgebaut. Daraus folgt, dass magnetische (und natürlich auch elektri- sehe) Zustände einer Flussschaltungsmaschine FSM bei mechanisch um 360 Z versetzten Läuferstellungen nicht voneinander unterscheidbar (also identisch) sind, wobei Z die Anzahl der Zähne LZ des Läufers L ist. Deshalb reicht es für eine grobe Beschreibung des Betriebsablaufs einer Flussschaltungsmaschine FSM (mit drehsymmetrischem Aufbau des Läufers L) zunächst aus, deren Betriebsablauf nur für die Bewegung des Läufers L über einen Umfangswinkelbereich von 360 Z zu betrachten.
Zum Bilden des Nutzdrehmoments M muss der jeweils aktive magnetische Kreis MK (der zweimal über den Luftspalt LS führt) geschlossen sein. Folglich ist an der Bildung des Nutzdrehmoments nie ein einzelner Läuferzahn LZ sondern immer mindestens zwei benachbarte Läuferzähne LZ (ein Läuferzahnpaar) beteiligt.
Es kann unterstellt werden, dass im stationären Betrieb einer FSM mit Q/Z ungleich 1 entweder immer das (dem aktiven Läuferzahnpaar) vorlaufend gegenüberliegende Läuferzahnpaar oder immer das (dem aktiven Läuferzahnpaar) nachlaufend gegenüberliegende Läuferzahn- paar als nächstens zur Bildung des Drehmoments M beiträgt. Der Buchstabe Q bezeichnet eine Nutenzahl Q = 2ps des Stators S (Statornutenzahl), wobei p eine Polpaarzahl des Stators S und s eine Strangzahl des Stators S ist. In dem Beispiel der Fig. 1 ist die Strangzahl s = 3, die Polpaarzahl p = 1 und die Nutenzahl Q = 6. Die Lage der Läuferzahnpaare, welche als nächstes zur Bildung des Drehmoments M beitragen, kann in Relation zum aktiven Läu- ferzahnpaar für das vorlaufend gegenüberliegende Läuferzahnpaar mit 180° + 36072Z angegeben werden, sowie für das nachlaufend gegenüberliegende Läuferzahnpaar mit 180° - 36072Z.
Für stationären Betrieb kann unterstellt werden, dass dasjenige Läuferzahnpaar, das aktuell zur Bildung des Drehmoments M hauptsächlich beiträgt, sich zu einem bestimmten Zeitpunkt der elektrischen Periode relativ zu dem benachbarten Statorpolpaar, mit dem es gerade magnetisch wechselwirkt, in einer bestimmten relativen Umfangswinkelstellung befindet und zwar unabhängig davon, um welches Läuferzahnpaar und Statorpolpaar es sich dabei gerade handelt. Die relative Umfangswinkelstellung ist abhängig vom Lastpunkt und davon, ob sich die Flussschaltungsmaschine FSM in einem Motor- oder Generatorbetrieb befindet. Über eine Umfangsrichtung des Stators S einer Flussschaltungsmaschine FSM wechseln sich typischerweise folgende Statorbestandteile in folgender Reihenfolge ab: erster Statorzahn SZ1 eines ersten Statorpols SP', Permanentmagnet-Einheit PME' des ersten Statorpols SP', zweiter Statorzahn SZ2 des ersten Statorpols SP', Wicklungsraum WR für den ersten Statorpol SP' und einen zweiten Statorpol SP", erster Statorzahn SZ1 " des zweiten Statorpols SP2", Permanentmagnet-Einheit PME" des zweiten Statorpols SP", zweiter Statorzahn SZ2" des zweiten SP Statorpols", Wicklungsraum WR für den zweiten Statorpol SP" und einen dritten Statorpol SP'" und so weiter. Benachbarte Statorzähne SZ1 , SZ2 sind also abwechselnd durch Permanentmagnet-Einheiten PME und Wicklungsräume WR beabstandet. Anhand Fig. 2 wird nun der grundsätzliche Betriebsablauf der elektrischen Maschine FSM erläutert. Wenn sich ein Läuferzahn LZ an einem ersten Statorzahn SZ1 eines Statorpols SP befindet, der aus Sicht dieses ersten Statorzahns SZ1 aktuell nicht magnetflusskompensie- rend bestromt ist, verlaufen erste Magnetflusslinien ML1 beispielsweise von dem Läuferzahn LZ durch den Luftspalt LS in den ersten Statorzahn SZ1 (siehe Figur links oben). Wenn sich derselbe Läuferzahn LZ an dem zweiten Statorzahn SZ2 desselben Statorpols SP befindet und der Statorpol SP aus Sicht des zweiten Statorzahns SZ2 nicht magnetflusskompensie- rend bestromt ist, verlaufen zweite Magnetflusslinien ML2 von dem zweiten Statorzahn SZ2 durch den Luftspalt LS in den Läuferzahn LZ (siehe Figur links unten). Die Richtung der Magnetflusskomponente Φρ im Läuferzahn LZ, die durch die Permanentmagnet-Einheiten PME erzeugt wird, wird also fortlaufend, d.h. mit jedem Bewegungsschritt des Läuferzahns LZ zum nächsten Statorzahn SZ1 , SZ2 (desselben oder eines benachbarten Statorpols SP) invertiert. Mit der magnetfeldsynchronen Drehung des Läufers L um seine Läuferachse LA entsteht im Läuferzahn LZ ein periodischer Magnetfluss Φρ (d.h. ein Magnetfluss mit einer Magnetflussperiode und zwei Nulldurchgängen je Magnetflussperiode), der durch die im Stator der Fluss- Schaltungsmaschine FSM angeordneten Permanentmagnet-Einheiten PME erzeugt wird.
In diesem Zusammenhang ist darauf hinzuweisen, dass der Luftspalt LS jeder der beschriebenen Ausführungsformen mit einem oder mehreren anderen (nicht ferromagnetischen) Materialien als Luft ausgefüllt sein kann, beispielsweise mit Aluminium, einem unmagnetischen Edelstahl oder einem anderen Gas, das beispielsweise Stickstoff, Kohlenstoffdioxid, Helium oder eines der anderen Edelgase sein kann. Trotzdem ist es üblich, einen solchen Luftspalt, der nicht nur Luft oder sogar gar keine Luft beinhaltet, als Luftspalt zu bezeichnen. Der Bewegungsschritt des Läuferzahns LZ von einem ersten Statorzahn SZ1 eines Statorpols SP zu einem zweiten Statorzahn SZ2 desselben Statorpols SP (oder in umgekehrter Richtung) führt über eine erste Neutralstellung ßpme des Läuferzahns LZ, in der der Läufer- zahn LZ in Richtung einer Mittelebene ME der Permanentmagnet-Einheit PME zeigt (siehe Figur rechts oben). Ungefähr in dieser ersten Neutralstellung ßpme erfährt der durch die Permanentmagnet-Einheiten PME erzeugte Magnetfluss Φρ im Läuferzahn LZ einen ersten der beiden Nulldurchgänge der Magnetflussperiode im Läuferzahn LZ. Der Bewegungsschritt des Läuferzahns LZ von dem zweiten Statorzahn SZ2 eines ersten Statorpols SP zu einem ersten Statorzahn SZ1 eines benachbarten zweiten Statorpols SP (oder in umgekehrter Richtung) führt über eine zweite Neutralstellung ßw des Läuferzahns LZ, in der der Läuferzahn LZ in Richtung eines Wicklungsraums WR zwischen dem ersten SP und dem zweiten SP Statorpol zeigt (siehe Figur rechts unten). Ungefähr in dieser zweiten Neutralstellung ßw erfährt der durch die Permanentmagnet-Einheiten PME erzeugte Magnetfluss Φρ im Läuferzahn LZ den zweiten der beiden Nulldurchgänge der Magnetflussperiode im Läuferzahn LZ.
In der Regel ist in keiner der beiden Neutralstellungen ßpme, ßw eine magnetische Wechsel- Wirkung zwischen Läuferzahn LZ und Stator S erwünscht. Denn in jeder dieser beiden Neutralstellungen ßpme, ßw des Läuferzahns LZ hat ("bereits") wenigstens einer der anderen Läuferzähne LZ des Läufers L die Aufgabe, mit dem Stator S magnetisch wechselzuwirken, um so eine tangentiale Antriebskraft KT zwischen Läufer L und Stator S zu erzeugen (die bei einer rotatorischen Maschine FSM zu einem Drehmoment M um die Läuferachse LA führt). Außerdem kann eine solche magnetische Wechselwirkung zwischen Läuferzahn LZ und Stator S (die in keiner der beiden Neutralstellungen ßpme, ßw erforderlich ist) auch deshalb unerwünscht sein, weil sie zu Energieverlusten infolge nutzloser Ummagnetisierungsvorgänge führt, die im Läuferzahn LZ stattfinden. Um eine magnetische Wechselwirkung zwischen Läuferzahn LZ und Stator S in der ersten Neutralstellung ßpme zu verringern, schlägt die vorliegende Erfindung vor, in der Permanentmagnet-Einheit PME eine Aussparung AN anzuordnen, die dem Läufer L zugewandt ist. Mit der Aussparung AN wird in einem Neutralstellungsbereich Δβ der ersten Neutralstellung ßpme der Luftspalt LS zwischen dem Läufer L und dem Stator S zumindest partiell verbrei- tert, somit ein magnetischer Widerstand zwischen Läuferzahn LZ und Stator S erhöht und folglich eine magnetische Wechselwirkung zwischen Läuferzahn LZ und Stator S in diesem Neutralstellungsbereich Δβ verringert. Bei dem in der Fig. 1 gezeigten Statorpol SP stellt die Permanentmagnet-Einheit PME eine erste magnetische Spannungsquelle mit der magnetischen Durchflutung Θρ bereit. Die Polwicklung W des Statorpols SP stellt, wenn sie mit einem elektrischen Strom durchflössen ist, eine zweite magnetische Spannungsquelle mit der magnetischen Durchflutung 0w bereit.
Wenn sich der Läuferzahn LZ in der Umfangswinkelstellung ßszl (siehe Fig. 2 rechts oben) eines ersten Statorzahns SZ1 befindet, verläuft der Magnetfluss <t>w der Polwicklung W bei (angenommener) positiver Bestromung der Polwicklung W auf demselben Weg wie der Mag- netfluss Φρ der Permanentmagnet-Einheit PME (siehe Fig. 2 links oben). In dieser Umfangswinkelstellung ßszl des Läuferzahns LZ sind also die magnetischen Kreise der Permanentmagnet-Einheit PME und der Polwicklung W im Wesentlichen identisch (wobei es sich hier um eine idealisierte Betrachtung handelt und die tatsächlichen Verhältnisse in der Regel vom Lastpunkt abhängig sind und davon, ob sich die Flussschaltungsmaschine in einem Motor- oder Generatorbetrieb befindet). Dies gilt dann auch für den magnetischen Widerstand Rm der (weitgehend identischen) magnetischen Kreise für das durch die Permanentmagnet- Einheit PME und das durch die Polwicklung erzeugte Magnetfeld. In dieser Umfangswinkelstellung ßszl des Läuferzahns LZ ist der magnetische Kreis durch den Läufer L derart geschlossen, dass sich die magnetischen Durchflutung Θρ der Permanentmagnete PM1 , PM2 und die Durchflutung 0w durch elektrischen Strom in der Windung W gleichsinnig überlagern. Ist der magnetische Kreis MK in dieser Art geschlossen, so gilt 0g = 0p + 0w.
Wenn sich der Läuferzahn LZ in der Umfangswinkelstellung ßsz2 (siehe Fig. 2 rechts oben) eines zweiten Statorzahns SZ2 befindet, wird durch den Läufer L ein anderer magnetischer Kreis MK geschlossen (siehe Fig. 2 links unten). Auch in dieser Umfangswinkelstellung ßsz2 des Läuferzahns LZ sind die magnetischen Kreise der Permanentmagnet-Einheit PME und der Polwicklung W im Wesentlichen identisch. Der Magnetfluss <t>w der Polwicklung W verläuft aber bei weiterhin positiv angenommener Bestromung der Polwicklung W auf demselben aber gegensinnigen (entgegengesetzten) Weg wie der Magnetfluss Φρ der Permanentmag- net-Einheit PME. Außerdem sind in dieser Umfangswinkelstellung ßsz2 des Läuferzahns LZ die beiden magnetischen Spannungsquellen im Ergebnis gegensinnig in Serie geschaltet (Subtraktion der durch elektrischen Strom bewirkten magnetischen Durchflutung 0w von der durch die Permanentmagnete PM1 , PM2 erzeugten magnetischen Durchflutung Θρ), so dass sich bezogen auf die Durchflutungsrichtung der Permanentmagnete PM1 , PM2 die magneti- sehe Gesamtspannung 0g im gemeinsamen magnetischen Kreis MK mit 0g = 0p - 0w für den gegensinnigen Fall berechnet.
Das Magnetfeld <t>w der Polwicklungen W verändert seine Stärke (Betrag) und Polarität (Rieh- tung) also elektrisch. Das Magnetfeld Φρ der Permanentmagnete PM1 , PM2 hingegen wechselt (kommutiert) durch mechanische Läuferbewegung zwischen unterschiedlichen magnetischen Kreisen MK. Durch die mechanische Läuferbewegung wird sowohl die (tatsächliche) Polarität des Magnetfeldes Φρ (der Permanentmagnet-Einheit PME) im Läufer L als auch die (tatsächliche) Polarität der Verkettung des Magnetfeldes Φρ (der Permanentmagnet-Einheit PME) mit der zugehörigen Polwicklung W kommutiert.
In allen Umfangswinkelstellungen (also insbesondere auch in den beiden Umfangswinkelstel- lungen ßszl und ßsz2 des ersten Läuferzahns LZ) berechnet sich der magnetische Gesamt- fluss Φg nach dem Hopkinsonschen Gesetz mit Φg = 0g / Rm .
Wenn sich der Läuferzahn LZ in der Umfangswinkelstellung ßpml (siehe Fig. 2 links oben) eines einzelnen ersten Permanentmagneten PM1 befindet, verläuft der Magnetfluss Φρ der Permanentmagnet-Einheit W über einen magnetischen Kreis MK, der direkt nur durch diesen einen Läuferzahn LZ (also ohne Umweg durch die Polwicklung W und einen anderen Läuferzahn LZ) führt. Folglich kann in dieser Umfangswinkelstellung ßpml die Kraft KT (bzw. das Drehmoment M) zwischen Läufer L und Stator S nicht mittels der durch den elektrischen Strom in der Polwicklung W erzeugten magnetischen Durchflutung 0w elektrisch beeinflusst werden.
Wenn sich der Läuferzahn LZ in der Umfangswinkelstellung ßpm2 (siehe Fig. 2 links oben) eines einzelnen zweiten Permanentmagneten PM2 befindet, verläuft der Magnetfluss Φρ der Permanentmagnet-Einheit W über einen magnetischen Kreis MK, der direkt nur durch diesen einen Läuferzahn LZ (also ohne Umweg durch die Polwicklung W und einen anderen Läufer- zahn LZ) führt. Folglich kann auch in dieser Umfangswinkelstellung ßpm2 die Kraft KT (bzw. das Drehmoment M) zwischen Läufer L und Stator S nicht mittels der durch den elektrischen Strom in der Polwicklung W erzeugten magnetischen Durchflutung 0w elektrisch beeinflusst werden. Solche magnetischen Kurzschlüsse sind jedoch schon unter anderem deshalb unerwünscht, weil sie zu einem verlustbehafteten, periodischen Ummagnetisieren des Läufermaterials führen. Das damit verbundene Bremsmoment kann zwar von Vorteil sein, wenn die Flussschal- tungsmaschine FSM einen eigenen Drehwiderstand aufweisen soll. Es ist aber unerwünscht, wenn mit der Flussschaltungsmaschine FSM vor allem eine möglichst effiziente Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie (oder umgekehrt) bezweckt wird.
Um Leistungsverluste zu vermeiden, die durch das periodische Ummagnetisieren verursacht werden, und um dadurch verursachte Bremsmomente zu verringern, schlägt die vorliegende Erfindung eine Aussparung AN im Bereich der Permanentmagnet-Einheit PME vor. Damit wird eine Dicke LSD des Luftspalts LS (Luftspaltdicke) zumindest in einem Teil eines Neutral- stellungsbereichs vergrößert, der die erste Neutralstellung ßpme umfasst oder ihr zumindest nahe ist.
Die in Fig. 3 gezeigte erste Ausführungsform einer Permanentmagnet-Einheit PME mit einer Aussparung AN weist in einer Transversalebene TE des Stators S einen parabelflächenför- migen Querschnitt auf. Ein Durchmesser D des Querschnitts erweitert sich in Richtung zum Läufer L hin. Hierdurch kann die Geometrie der Aussparung AN für ein gewünschtes Drehzahl- und/oder Feldschwächeverhalten optimiert werden.
Die in Fig. 4 gezeigt zweite Ausführungsform einer Permanentmagnet-Einheit PME mit einer Aussparung AN weist in einer Transversalebene TE des Stators S einen rechteckförmigen Querschnitt auf.
Die in Fig. 5 gezeigte dritte Ausführungsform einer Permanentmagnet-Einheit PME mit einer Aussparung AN weist in einer Transversalebene TE des Stators S einen pilzförmigen Querschnitt auf. Ein Durchmesser D des Querschnitts verjüngt sich in Richtung zum Läufer L pilz- förmig.
Die Fig. 6 zeigt eine vierte Ausführungsform einer Permanentmagnet-Einheit PME mit einer Aussparung AN, die sich über eine gesamte Seitenfläche B des weichmagnetischen Zwischensegments ZS erstreckt, die dem Läufer L zugewandt ist.
Die Fig. 7 zeigt eine fünfte Ausführungsform einer Permanentmagnet-Einheit PME mit einer Aussparung AN, die einen Querschnitt aufweist, dessen Grenze zum ferromagnetischen Bereich des Zwischensegments ZS kosinusförmig verläuft. Hierbei befindet sich ein Maximum der Kosinusform im Bereich der Mittelebene ME der Permanentmagnet-Einheit PME und das linke und rechte Minimum der Kosinusform beispielsweise am Übergang zu dem ersten PM1 beziehungsweise zweiten PM2 Permanentmagneten der Permanentmagnet-Einheit PME.
Der magnetische Kreis MK einer FSM kann so realisiert werden, dass sich in jedem Statorpol SP zwei Permanentmagnete PM1 , PM2 befinden, welche radial orientiert und tangential magnetisiert sind. Typischerweise wechselt sich die Magnetisierungsrichtung RM der Permanentmagnete PM1 , PM2 von Statorpol SP zu Statorpol SP' ab. Die vorliegende Erfindung schlägt vor, auf derjenigen Seite B des weichmagnetischen Zwischensegments ZS, die der Masch inen ach se A (d.h. dem Läufer L) zugewandt ist, eine Aussparung AN vorzusehen, welche bewirkt, dass der magnetische Widerstand Rm im Bereich einer ersten Neutralstellung ßpme des Läufers L im Vergleich zu einer sonst baugleichen Flussschaltungsmaschine FSM (deren Permanentmagnet-Einheit PME keine Aussparung AN aufweist) erhöht wird. Dadurch wird das Bremsmoment verringert, das im Bereich der ersten Neutralstellung ßpme des Läufers L entsteht. Das weichmagnetische Zwischensegment ZS ist typischerweise jeweils zwischen den beiden Permanentmagneten PM1 , PM2 eines Statorzahns SZ angeordnet.
Die erfindungsgemäße Gestaltung des magnetischen Kreises MK der Flussschaltungsmaschine FSM kann auch auf andere Kombinationen von Statorpolen/Läuferzähnen und/oder auf Flussschaltungsmaschinen FSM mit Außenläufer angewendet werden, welche dem Fachmann auf dem Gebiet bekannt bzw. zugänglich sind. Auf Variationen des Aufbaus der Flussschaltungsmaschine FSM in axialer Richtung (beispielsweise Segmentierung der Permanentmagnete PM1 , PM2, Schrägungsvarianten des Läufers L), insbesondere solche, die dem Fachmann auf dem Gebiet ebenso bekannt sind, ist die erfindungsgemäße Gestaltung der Flussschaltungsmaschine FSM ebenfalls anwendbar. Der Läufer L der erfindungsgemäßen Flussschaltungsmaschine FSM kann nach dem bekannten Stand der Technik ausgeführt sein. Er kann beispielsweise eine zylinder- oder kegelförmige Grundform mit einem ringförmigen Querschnitt (in einer Transversalebene des Läufers L) aufweisen. An der Außenkontur des Läufers L können sich beispielsweise Z Läufernuten LN befinden, welche jeweils durch einen Läuferzahn LZ (Läuferpol) voneinander getrennt sind. In dieser Topologie ergibt sich eine Anzahl von Z Läuferzähnen LZ, wobei Umfangswin- kelstellungen zueinander direkt benachbarter Läuferzähne LZ sich jeweils um einen Winkel von 360 Z unterscheiden.
Unabhängig davon hat der Stator S einer Flussschaltungsmaschine FSM (in einer Transver- salebene des Stators S) typischerweise einen ringförmigen Querschnitt, an dessen Innenkontur Sl sich Q Nuten (mit je einem Wicklungsraum WR) befinden, welche jeweils durch einen Statorpol SP voneinander getrennt sind. Dadurch ergibt sich bei Q Statorpolen SP, ein Um- fangswinkelstellungsunterschied von 360 Q zwischen direkt benachbarten Statorpolen SP, die zueinander umfangswinkelversetzt an der Innenkontur Sl des Stators S angeordnet sind.
In jedem Statorpol SP sind typischerweise zwei Permanentmagnete PM1 , PM2 angeordnet, welche in Umfangsrichtung des Stators S zueinander beabstandet sind. Öffnungen in den Statorpolen SP, welche die Permanentmagnete PM1 , PM2 aufnehmen, können derart angeordnet und geformt sein, dass jeder einzelne Statorpol S zwei Polsegmente PS aufweist. Dadurch ergeben sich zwei Formen von Polsegmenten PS, welche ab- wechselnd am Umfang angeordnet sind und jeweils durch eine Permanentmagnet-Einheit voneinander getrennt sind. Die Wicklungsräume WR sind Statornuten, welche sich jeweils zwischen zwei Statorpolen SP befinden und die Polwicklung W aufnehmen. Die Statorwicklung ist typischerweise als konzentrierte Wicklung ausgeführt und derart gestaltet, dass eine Spule jeweils beide Statorzähne SZ1 , SZ2 eines Statorpols SP umschließt und die Wick- lungsachse WA in radialer Richtung orientiert ist.
Wenn der Stator S (bezogen auf eine mittlere Transversalebene TE des Stators S) in axialer Richtung spiegelsymmetrisch aufgebaut ist, können alle Polsegmente PS eine identische Bauform aufweisen.
Die Fig. 1 zeigt eine Flussschaltungsmaschine FSM mit einer 6/5-Topologie. Für den Stator einer solchen Flussschaltungsmaschine FSM werden zwölf Polsegmente PS und zwölf Permanentmagnete PM1 , PM2 benötigt.
Durch die erfindungsgemäße Gestaltung des magnetischen Kreises einer Flussschaltungsmaschine FSM werden deren Eigenschaften so verändert, dass begünstigt wird, dass der Magnetfluss Φρ der Permanentmagnete PM1 , PM2 durch Einprägen eines entsprechenden elektrischen Stroms in die Polwicklung W geschwächt werden kann. Somit wird durch die erfindungsgemäße Gestaltung des magnetischen Kreises der Flussschaltungsmaschine eine Schwächbarkeit des Magnetflusses Φρ der Permanentmagnete PM1 , PM2 mittels Einprägen eines entsprechenden elektrischen Stroms in die Polwicklung W verbessert. Die erfindungsgemäße Flussschaltungsmaschine FSM weist also aufgrund der speziellen Gestaltung des magnetischen Kreises MK eine bessere Feldschwächbarkeit im Vergleich zu Flussschal- tungsmaschinen aus dem Stand der Technik auf. Dies ermöglicht eine Verwendung der Flussschaltungsmaschine FSM in einem höheren Drehzahlbereich als Flussschaltungsma- schinen aus dem Stand der Technik.
In einer Simulation einer Flussschaltungsmaschine FSM mit und ohne Ausnehmung AN ergab sich bei 20000 Umdrehung pro Minute, einem Stromwinkel von 186°, einer Stromamplitude von 253 A und einem annähernd gleichen Drehmoment von 3,78 bzw. 3,75 Nm mit Ausnehmung AN eine um ca. 8 % geringere induzierte Spannung (59,5 V statt 64,8 V) und eine um ca. 23 % geringere UMF (unbalanced magnetic force on rotor) als ohne Ausnehmung AN. Durch die Verringerung der induzierten Spannung ergibt sich eine vorteilhafte Spannungsreserve für eine weitere Drehzahlerhöhung. Durch die deutliche Verringerung der UMF werden vorteilhafterweise Geräuschbildung und Vibrationen der Flussschaltungsma- schine FSM verringert.

Claims

Ansprüche
Stator (S) für eine elektrische Maschine (FSM) mit einem Läufer (L), wobei der Stator (S) Statorpole (SP) aufweist, wobei wenigstens eine Teilmenge der Statorpole (SP) je eine Polwicklung (W) sowie je eine Permanentmagnet-Einheit (PME) aufweist, wobei ein durch die Permanentmagnet-Einheit (PME) verursachter erster magnetischer Fluss durch einen zweiten magnetischen Fluss überlagert wird, wenn an die Polwicklung (W) eine elektrische Spannung angelegt wird oder in die Polwicklung (W) ein elektrischer Strom eingeprägt wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
in der Permanentmagnet-Einheit (PME) eine Aussparung (AN) angeordnet ist, die dem Läufer (L) zugewandt ist.
Stator (S) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnet-Einheit (PME) einen ersten (PM1 ) und einen zweiten (PM2) Permanentmagneten aufweist, der zu dem ersten Permanentmagneten (PM1 ) magnetisch gleichsinnig in Serie angeordnet ist, wobei die beiden Permanentmagnete (PM1 , PM2) in der Serienschaltung mittels eines weichmagnetischen Zwischensegments (ZS) miteinander magnetisch verbunden sind, wobei die Aussparung (AN) in dem weichmagnetischen Zwischensegment (ZS) angeordnet ist.
Stator (S) nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Aussparung (AN) über eine gesamte Seitenfläche (B) des weichmagnetischen Zwischensegments (ZS) erstreckt, die dem Läufer (L) zugewandt ist.
Stator (S) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung (AN) in einer Transversalebene (TE) des Stators (S) einen rechteckigen oder trapezförmigen Querschnitt aufweist.
Stator (S) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich eine Öffnung (OE) der Aussparung (AN) in Richtung zum Läufer (L) hin verjüngt und/oder verbreitert.
Figure imgf000022_0001
Stator (S) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung (AN) eine Nut ist, deren Hauptlängsachse quer zu einer Transversalebe- ne (TE) des Stators (S) verläuft.
Stator (S) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussparung (AN) für ein Führen eines Kühlmittels (KM) vorgesehen ist, und/oder dass die Aussparung (AN) zur Aufnahme eines Rohrs (R) vorgesehen ist, das zum Führen eines Kühlmittels (KM) vorgesehen ist, und/oder dass die Aussparung (AN) Füllmaterial enthält, das nicht ferromagnetisch ist.
Stator (S) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Statorpole (S) zwei Polsegmente (PS) aufweist, die mittels mindestens eines ersten Stegs mechanisch verbunden sind, der zwischen dem Läufer (L) und einer Permanentmagnet-Einheit (PME) angeordnet ist, und/oder dass mindestens einer der Statorpole (S) zwei Polsegmente (PS) aufweist, die mittels mindestens eines zweiten Stegs mechanisch verbunden sind, der auf einer Seite des Stators (S) angeordnet ist, die vom Läufer (L) abgewandt ist.
Elektrische Maschine (FSM) mit einem Stator (S) und einem Läufer (L), der dazu vorbereitet ist, in zumindest einem ersten Läuferstellungsbereich einen ersten magnetischen Kreis (MK) zu schließen, wobei eine Permanentmagnet-Einheit (PME) des Statorpols (S) eine Polwicklung (W) des Statorpols (S) in einer ersten Richtung magnetisiert, wobei der Läufer (L) auch dazu vorbereitet ist, in zumindest einem zweiten Läuferstellungsbereich einen zweiten magnetischen Kreis (MK) zu schließen, wobei die Permanentmagnet- Einheit (PME) die Polwicklung (W) des Statorpols (S) in einer zweiten Richtung magnetisiert, die der ersten Richtung entgegengesetzt ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Stator (S) ein Stator (S) nach einem der vorhergehenden Ansprüche ist.
0. Fahrzeug (FZ),
dadurch gekennzeichnet, dass
das Fahrzeug (FZ) einen Stator (S) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder eine elektrische Maschine (FSM) nach Anspruch 9 aufweist.
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