WO2018172178A1 - Polschuh, elektrische maschine und fahrzeug - Google Patents

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WO2018172178A1
WO2018172178A1 PCT/EP2018/056527 EP2018056527W WO2018172178A1 WO 2018172178 A1 WO2018172178 A1 WO 2018172178A1 EP 2018056527 W EP2018056527 W EP 2018056527W WO 2018172178 A1 WO2018172178 A1 WO 2018172178A1
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WO
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pole
pole piece
region
contour profile
pole shoe
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PCT/EP2018/056527
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English (en)
French (fr)
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Joerg Merwerth
Dragoljub Duricic
Endre Barti
Zakaria El Khawly
Daniel Loos
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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    • H02K2213/03—Machines characterised by numerical values, ranges, mathematical expressions or similar information

Definitions

  • the invention relates to a pole piece for limiting a winding surface of a rotatable about a rotation axis rotor, in particular for an electrical machine, an electric machine with such a pole piece and a vehicle with such an electric machine.
  • Electrical machines can generate electrical energy from so-called generator operation using kinetic energy, such as the rotation of an axle.
  • the electric machines also referred to as “alternators”, serve, for example, to generate or make available electrical energy for the on-board network of the vehicle.
  • electrical machines can also be used to generate kinetic energy, such as an axis rotation, from electrical energy.
  • electrically powered vehicles are developed, the core of which are electrical machines which replace the classic internal combustion engine. Claims made of such used electrical machines relate, for example, to an efficient use of stored electrical energy as well as a high and constant power output in order to be able to compete with or even surpass the classic internal combustion engines. It is an object of the invention to provide an improved pole piece. In particular, it is an object to minimize leakage losses of the magnetic flux in an electric machine, in particular at the exit from a pole piece, with an increased winding surface.
  • a first aspect of the invention relates to a pole piece for limiting a winding surface of a rotatable about a rotation axis rotor, in particular a electrical machine, wherein the pole piece is connectable or connected to a pole web of the rotor.
  • An outer side of the pole piece facing away from the pole web in a connected state has a first region with a substantially sinusoidal contour profile and a second region with a second contour profile.
  • the second contour profile is different from the first contour profile and designed such that the winding surface is extended in a circumferential direction of the rotor relative to a winding surface of a pole piece with an exclusively substantially sinusoidally extending outside.
  • a second aspect of the invention relates to an electric machine, in particular an electrically excited synchronous machine, which has a stator and a rotor.
  • the rotor has a pole piece according to the first aspect of the invention.
  • a third aspect of the invention relates to a vehicle, in particular a motor vehicle, with an electric machine according to the second aspect of the invention.
  • a winding surface in the sense of the invention is to be understood as meaning a region on or around a pole web of a rotor of an electrical machine, which preferably extends radially inwards from a rotor axis of the rotor and radially outside from is limited to a pole piece.
  • the winding surface is set up or designed in particular for receiving turns of a coil wire or a coil.
  • the direction or position information "radial”, “axial” and “circumferential direction” refer in the context of the invention to a rotational axis of a rotor, in particular an electric machine.
  • the invention is based in particular on the approach to design a Au .seite a pole piece for a rotor such that a dseite of the pole piece, in particular of the Au outside the inner side of the pole piece, limited winding area is increased or is formed while the Au .seite electromagnetically optimized is or will.
  • a first contour is sinusoidally formed or formed in a first, in particular in the circumferential direction, central area of the outer side.
  • a second, in particular circumferentially outer, region of the outer side adjoins the first region with a second contour, a course of the second contour being different from the electromagnetically optimized sinusoidal shape and designed to lengthen the inner side in the circumferential direction, thus increasing the size or extension of the winding surface is accompanied.
  • the sinusoidal contour profile in the first region of the outer side Due to the sinusoidal contour profile in the first region of the outer side, the scattering losses of the magnetic flux generated by the windings of the coil arranged in the region of the winding surface and due to the outer surface of the pole shoe can be minimized compared to other contour shapes. It can also be achieved in the electrical machine with such pole pieces a uniform coupling of the magnetic flux to poles of a rotor surrounding the stator and thus fluctuations in the torque generated can be reduced.
  • the sinusoidal contour has also proven to be favorable in terms of noise in the operation of such an electrical machine see.
  • the invention enables the generation of a high magnetic flux, while at the same time minimizing leakage of this flux as it exits the pole piece.
  • the pole piece is connectable or connected to a radially outer end of the pole web.
  • the winding surface is preferably bounded by an outer side opposite, ie, an inner side facing the Polsteg.
  • the pole shoe is preferably configured to support windings of a coil arranged in the region of the winding surface with respect to acceleration forces acting upon rotation of the rotor.
  • the pole piece is in particular adapted to guide the magnetic flux generated by the coil in particular into or through the air gap between the pole piece and the stator of the electric machine.
  • the pole piece and the pole web are preferably connected to one another in a material-locking manner, preferably in one piece.
  • the pole piece tapers along the circumferential direction.
  • the second contour profile is formed such that the pole piece tapers in the second area of the outer surface towards the end of the pole piece. It is thereby achieved that, on the one hand, the pole piece is formed or shaped in an electromagnetically optimized manner in the first region, on the other hand, an additional winding surface is provided on an inner side of the pole piece opposite the outside, so that a high number of Windings of the coil can be arranged in the region of the winding surface.
  • a tapered pole piece allows a favorable aerodynamic shape of the pole piece, so that air friction losses during operation of the electric machine can be reduced with such a pole piece.
  • an overall contour profile of the outer side of the pole piece, in particular at the transition from the first region to the second region, is formed essentially continuously differentiable.
  • the first contour profile in the first region merges substantially tangentially into the second contour profile in the second region.
  • the pole piece can be widened or lengthened in the second area along the circumferential direction without additional leakage loss of the magnetic flux guided by the pole piece occurring at the transition from the first contour profile to the second contour profile.
  • air turbulences during operation of the electric machine with such a pole piece can be suppressed or at least reduced, so that a high efficiency of such an electric machine is made possible.
  • the second region has a substantially rectilinear second contour profile.
  • the straight-line second contour profile is tilted with respect to an axis of symmetry or symmetry plane of the pole web by a predetermined angle, preferably between 15 ° and 80 °, more preferably between 25 ° and 75 °, in particular between 50 ° and 70 °.
  • a predetermined angle preferably between 15 ° and 80 °, more preferably between 25 ° and 75 °, in particular between 50 ° and 70 °.
  • the second contour profile has at least one, in particular concave, curvature.
  • the pole piece can be widened or extended in the second region along the circumferential direction essentially as far as a further, adjacent pole shoe or at least into a region in front of the further, adjacent pole shoe, without simultaneously having a predetermined minimum value for the radial thickness or thickness of the pole piece is stepped. This allows a sufficient mechanical stability of the pole piece, in particular with respect to acting on the pole piece acceleration forces, which are generated or act upon rotation of the rotor, ie during operation of the electric machine.
  • the first region extends over at least 2/3, in particular 3/4, 4/5, 5/6 or 6/7, a width of the outside along the circumferential direction. It can thereby be achieved that a large part of the outer side of the pole piece is formed with the first, sinusoidal contour profile and therefore has an electromagnetically favorable shape, ie a shape which minimizes the leakage losses of the magnetic flux.
  • the outer side at one end of the pole piece, which faces a further pole piece adjacent to the pole piece has a third area with a third contour profile, in particular with a convex curvature.
  • the third contour curve connects tangentially to the second contour profile.
  • a derivation of the second contour profile and the third contour profile at the transition of the two contour curves is substantially continuous.
  • the outside is connected to the inside of the pole piece facing the pole web by the third contour profile.
  • Figure 1 shows sections of rotors for an electrical machine with pole pieces according to the prior art in a cross section.
  • Figure 2 shows a part of a pole piece in a first preferred embodiment of the invention in a cross section.
  • Fig. 3 shows a part of a pole piece in a second preferred embodiment of the invention in a cross section.
  • FIG 1 two examples of a rotor 1 with pole pieces 2, as they are known from the prior art, shown in a direction perpendicular to a rotational axis 3 of the rotor cross-section.
  • the pole shoes 2 are connected to pole webs 4, which in turn are arranged on a rotor axis 5 of the rotor 1 along a circumferential direction 6 at regular intervals.
  • the rotor 1 is bounded radially on the outside by a stator 7 shown schematically as a line.
  • Each of the pole webs 4 and pole shoes 2 is in each case formed or shaped symmetrically with respect to an axis of symmetry 8 or in three dimensions with respect to a symmetry plane extending parallel to the drawn symmetry axis 8 and extending perpendicularly to the plane of the drawing.
  • the winding surfaces 10 are radially inwardly through the rotor axis 5 and radially outward through the pole shoes 2, in particular through an inner side 1 opposite the outer side 1 of the pole pieces 2, limited.
  • an expansion of the inner side 1 1 and thus the winding surface 10 is achieved in a region in front of a respective pole piece 2 adjacent, further pole piece.
  • the gap between two adjacent Polschu- so that space for additional winding surface can be obtained.
  • FIG. 1 shows a preferred embodiment of a pole piece 4 connected to a pole piece 2.
  • the pole piece 2 has in this case on an outer side 9 in one first region 12 has a first contour profile and in a second region 13 has a second contour profile.
  • a third contour profile is formed in such a way that the outer side 9 merges into an inner side 11 of the pole shoe 2 opposite the outer side 9.
  • the first contour corresponds to a substantially sinusoidal contour.
  • the second contour curve corresponds to a substantially linear contour.
  • the first contour progression from the first region 12 in the second region 13 is continued essentially in a straight line until it connects the outside 9 to the inside 11 1 in the third region 14.
  • the first contour curve merges tangentially into the second contour curve.
  • the overall contour profile of the outer side 9 is continuously differentiable along a circumferential direction 6, in particular also at the transition point from the first to the second region or from the first contour profile to the second contour profile.
  • FIG. 3 shows a further preferred embodiment of a pole piece 2 connected to a pile web 4.
  • a first region 12 of an outer side 9 of the pole piece 2 preferably extends over substantially 4/5 of the outer surface 9.
  • a first sinusoidal contour profile in the first region 12 merges into a second contour profile of a second region 13.
  • the outer side 9 is connected via a third contour profile with an inner side 1 1 of the pole piece 2.
  • the second contour profile in the second region 13 has a concave curvature, which opposes a convex curvature of the sinusoidal contour profile in the first region 12.
  • the second contour profile or the concave curvature of the second contour profile is in particular designed such that an air gap between the pole piece 2 and a stator 7, in particular a pole of the stator 7, not shown, remains substantially constant in the second region 13.
  • the second contour profile or the concave curvature of the second contour profile can also be designed such that the air gap in the circumferential direction 6 becomes smaller towards an end of the pole piece 2 facing an adjacent further pole piece (not shown) or the thickness of the air gap decreases.
  • the inner side 1 1, as well as the outer side 9, of the pole shoe 2 in the circumferential direction 6 are extended with respect to the inside of a pole shoe designed as a sine pole and extend in particular into a region immediately in front of a further pole shoe adjacent to the pole shoe 2 (not shown).
  • a winding surface 10 with respect to a winding surface of a pole piece designed as a sine pole can be extended by an additional winding surface 11 ' .
  • additional winding surface 1 1 ' additional turns of a coil (not shown) can be arranged, which when flowing with electric current, an additional magnetic flux in produce the pole web 4 and the pole piece 2.
  • the entire magnetic flux can escape through the outside 9 of the pole piece 2, in particular in the first area 12, without additional leakage losses due to disadvantageous shaping of the outside 9 of the pole piece 2.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Iron Core Of Rotating Electric Machines (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Polschuh (2), eine elektrische Maschine mit einem solchen Polschuh (2) und ein Fahrzeug. Der Polschuh (2) zur Begrenzung einer Wickelfläche (10) eines um eine Rotationsachse drehbaren Rotors, insbesondere einer elektrische Maschine, ist mit einem Polsteg (4) des Rotors verbunden. Eine in verbundenem Zustand vom Polsteg (4) abgewandte Außenseite des Polschuhs (2) weist einen ersten Bereich mit einem im Wesentlichen sinusförmigen Konturverlauf und einen zweiten Bereich mit einem zweiten Konturverlauf auf. Der zweite Konturverlauf ist von dem ersten Konturverlauf verschieden und derart ausgebildet, dass die Wickelfläche (10) in einer Umfangsrichtung des Rotors gegenüber einer Wickelfläche (10) eines Polschuhs (2) mit einer ausschließlich im Wesentlichen sinusförmig verlaufenden Außenseite verlängert ist.

Description

POLSCHUH, ELEKTRISCHE MASCHINE UND FAHRZEUG
Die Erfindung betrifft einen Polschuh zur Begrenzung einer Wickelfläche eines um eine Rotationsachse drehbaren Rotors, insbesondere für eine elektrische Maschine, eine elektrische Maschine mit einem solchen Polschuh und ein Fahrzeug mit einer solchen elektrischen Maschine.
Elektrische Maschinen können im sogenannten Generatorbetrieb aus kinetischer Energie, etwa der Rotation einer Achse, elektrische Energie erzeugen. In Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren dienen die auch als„Lichtmaschinen" bezeichneten elektrischen Maschinen beispielsweise dazu, elektrische Energie für das Bordnetz des Fahrzeugs zu erzeugen bzw. zur Verfügung zu stellen.
Umgekehrt können elektrische Maschinen aber auch dazu genutzt werden, um kinetische Energie, etwa eine Achsrotation, aus elektrischer Energie zu erzeugen. Im Hinblick auf begrenzte Ressourcen und Umweltverträglichkeit werden beispielsweise elektrisch angetriebene Fahrzeuge entwickelt, deren Kernstück elektrische Maschinen sind, welche den klassischen Verbrennungsmotor ersetzen. Ansprüche, die an derart genutzte elektrische Maschinen gestellt werden, betreffen beispielsweise eine effiziente Nutzung von gespeicherter elektrischer Energie sowie eine hohe und konstante Leistungsabgabe, um mit den klassischen Verbrennungsmotoren konkurrieren zu können oder diese sogar zu übertreffen. Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Polschuh bereitzustellen. Insbesondere ist es eine Aufgabe, Streuverluste des magnetischen Flusses in einer elektrischen Maschine, insbesondere bei Austritt aus einem Polschuh, bei vergrößerter Wickelfläche zu minimieren.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Polschuh, eine elektrische Maschine mit ei- nem solchen Polschuh sowie einem Fahrzeug mit einer solchen elektrischen Maschine gemäß den unabhängigen Ansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen werden in den Unteransprüchen beansprucht.
Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft einen Polschuh zur Begrenzung einer Wickelfläche eines um eine Rotationsachse drehbaren Rotors, insbesondere einer elektrische Maschine, wobei der Polschuh mit einem Polsteg des Rotors verbindbar oder verbunden ist. Eine in verbundenem Zustand vom Polsteg abgewandte Außenseite des Polschuhs weist einen ersten Bereich mit einem im Wesentlichen sinusförmigen Konturverlauf und einen zweiten Bereich mit einem zweiten Konturverlauf auf. Der zweite Konturverlauf ist von dem ersten Konturverlauf verschieden und derart ausgebildet, dass die Wickelfläche in einer Umfangsrichtung des Rotors gegenüber einer Wickelfläche eines Polschuhs mit einer ausschließlich im Wesentlichen sinusförmig verlaufenden Außenseite verlängert ist.
Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft eine Elektrische Maschine, insbesondere eine elektrisch erregte Synchronmaschine, welche einen Stator und einen Rotor aufweist. Der Rotor weist dabei einen Polschuh gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung auf.
Ein dritter Aspekt der Erfindung betrifft ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug, mit einer elektrischen Maschine gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung. Die im Folgenden in Bezug auf den ersten Aspekt der Erfindung und dessen vorteilhafte Ausgestaltung beschriebenen Merkmale und Vorteile gelten, wo technisch sinnvoll, auch für den zweiten und dritten Aspekt der Erfindung und dessen vorteilhafte Ausgestaltung sowie umgekehrt.
Unter einem sinusförmigen Konturverlauf bzw. einem Verlauf gemäß einer Sinusform ist im Sinne der Erfindung ein Verlauf, insbesondere eines Bauteils und/oder eines Spalts, gemäß einer mathematischen Funktion f(x) = 1/sin(x) zu verstehen. Wird beispielsweise ein Spalt, etwa ein Luftspalt, von zwei Komponenten begrenzt, etwa von einem Polschuh und einem Stator einer elektrischen Maschine, und ist eine dieser Komponenten, etwa der Polschuh, mit einem solchen sinusförmigen Konturverlauf ausgebildet, so weist der Spalt an einer vorgegebenen Position, insbesondere an einer Symmetrieachse des Polschuhs, einen minimalen Abstand auf, der sich entlang des Spalts vergrößert.
Unter einer Wickelfläche im Sinne der Erfindung ist ein Bereich an einem bzw. um einen Polsteg eines Rotors einer elektrischen Maschine zu verstehen, welcher radial innen bevorzugt von einer Rotorachse des Rotors und radial außen bevorzugt von einem Polschuh begrenzt wird. Die Wickelfläche ist insbesondere zur Aufnahme von Windungen eines Spulendrahts bzw. einer Spule eingerichtet bzw. ausgebildet.
Die Richtungs- bzw. Positionsangaben„radial",„axial" und„Umfangsrichtung" beziehen sich im Sinne der Erfindung auf eine Rotationsachse eines Rotors, insbesondere einer elektrischen Maschine.
Die Erfindung basiert insbesondere auf dem Ansatz, eine Au ßenseite eines Polschuhs für einen Rotor derart auszugestalten, dass eine von dem Polschuh, insbesondere von einer der Au ßenseite gegenüberliegenden Innenseite des Polschuhs, begrenzte Wickelfläche vergrößert ist oder wird und gleichzeitig die Au ßenseite elektromagnetisch optimiert ausgebildet ist oder wird. Dazu ist eine erste Kontur in einem ersten, insbesondere in Umfangrichtung zentralen, Bereich der Au ßenseite sinusförmig ausgebildet bzw. geformt. Zudem schließt ein zweiter, insbesondere in Umfangrichtung äußerer, Bereich der Außenseite mit einer zweiten Kontur an den ersten Bereich an, wobei ein Verlauf der zweiten Kontur von der elektromagnetisch optimierten Sinusform verschieden und darauf ausgelegt ist, die Innenseite in Umfangsrichtung zu verlängern, womit eine Vergrößerung bzw. Verlängerung der Wickelfläche einhergeht.
Gegenüber einer Wickelfläche, die durch einen Polschuh mit ausschließlich sinusförmiger Kontur begrenzt wird, können durch den erfindungsgemäßen Polschuh zu- sätzliche Windungen einer im Bereich der Wickelfläche gewickelten Spule angeordnet werden. Dadurch kann bei gleichem Energieaufwand ein erhöhter magnetischer Fluss erzeugt werden, der die Leistungsfähigkeit einer elektrischen Maschine mit einem solchen Polschuh steigert.
Insbesondere kann durch die Verlängerung der Innenseite bzw. der Wickelfläche ein Spalt zwischen dem Polschuh und einem, insbesondere auf dem Rotor, benachbart angeordneten weiteren Polschuh verkleinert werden. Somit kann zusätzliche Fläche bzw. Volumen zwischen zwei benachbarten Polschuhen mit zusätzlichen Windungen von Spulendraht bzw. Spulen, welche um die Polstege gewickelt sind, gefüllt bzw. belegt werden. Durch den sinusförmigen Konturverlauf im ersten Bereich der Au ßenseite können gleichzeitig die Streuverluste des durch die im Bereich der Wickelfläche angeordneten Wicklungen der Spule erzeugten und durch die Au ßenseite des Polschuhs austretenden magnetischen Flusses gegenüber andersförmigen Konturverläufen mini- miert werden. Ebenfalls kann dadurch in der elektrischen Maschine mit solchen Polschuhen eine gleichmäßige Kopplung des magnetischen Flusses an Pole eines den Rotor umgebenden Stators erreicht und somit Schwankungen im erzeugten Drehmoment verringert werden. Zusätzlich hat sich der sinusförmige Konturverlauf auch als günstig bezüglich einer Geräuschentwicklung im Betrieb einer solchen elektri- sehen Maschine erwiesen.
Insgesamt ermöglicht die Erfindung die Erzeugung eines hohen magnetischen Flusses, wobei gleichzeitig Streuverluste dieses Flusses beim Austreten aus dem Polschuh minimiert werden.
In einer bevorzugten Ausführung ist der Polschuh mit einem radial äußeren Ende des Polstegs verbindbar oder verbunden. Dabei wird die Wickelfläche bevorzugt von einer der Außenseite gegenüberliegenden, d.h. einer dem Polsteg zugewandten Innenseite begrenzt. Der Polschuh ist vorzugsweise dazu eingerichtet, im Bereich der Wickelfläche angeordnete Windungen einer Spule gegenüber bei Rotation des Rotors wirkenden Beschleunigungskräften abzustützen. Zudem ist der Polschuh insbe- sondere dazu eingerichtet, den durch die Spule erzeugten magnetischen Fluss insbesondere in bzw. durch den Luftspalt zwischen dem Polschuh und dem Stator der elektrischen Maschine zu leiten. Um die Leitfähigkeit für den magnetischen Fluss zu verbessern, sind der Polschuh und der Polsteg vorzugsweise stoffschlüssig miteinander verbunden, bevorzugt einstückig ausgebildet. In einer weiteren bevorzugten Ausführung verjüngt sich der Polschuh entlang der Umfangsrichtung. Insbesondere ist der zweite Konturverlauf derart ausgebildet, dass sich der Polschuh insbesondere im zweiten Bereich der Außenfläche zum Ende des Polschuhs hin verjüngt. Dadurch wird erreicht, dass einerseits der Polschuh im ersten Bereich elektromagnetisch optimiert ausgebildet bzw. geformt, an- dererseits auf einer der Außenseite gegenüberliegenden Innenseite des Polschuhs zusätzliche Wickelfläche zur Verfügung gestellt wird, so dass eine hohe Anzahl von Wicklungen der Spule im Bereich der Wickelfläche angeordnet werden kann. Zusätzlich ermöglicht ein sich verjüngender Polschuh eine günstige aerodynamische Form des Polschuhs, so dass Luftreibungsverluste im Betrieb der elektrischen Maschine mit einem solchen Polschuh verringert werden können. In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist ein Gesamtkonturverlauf der Au ßenseite des Polschuhs, insbesondere am Übergang vom ersten Bereich zum zweiten Bereich, im Wesentlichen stetig differenzierbar ausgebildet. In anderen Worten geht der erste Konturverlauf im ersten Bereich im Wesentlichen tangential in den zweiten Konturverlauf im zweiten Bereich über. Dadurch kann der Polschuh im zweiten Be- reich entlang der Umfangsrichtung verbreitert bzw. verlängert werden, ohne dass am Übergang vom ersten Konturverlauf in den zweiten Konturverlauf zusätzliche Streuverlust des vom Polschuh geführten magnetischen Flusses auftreten. Insbesondere kann erreicht werden, dass der magnetische Fluss im Wesentlichen homogen über die gesamte Außenseite des Polschuhs austritt. Zusätzlich können Luftver- wirbelungen im Betrieb der elektrischen Maschine mit einem solchen Polschuh unterdrückt oder zumindest vermindert werden, so dass eine hohe Effizienz einer solchen elektrischen Maschine ermöglicht wird.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung weist der zweite Bereich einen im Wesentlichen geradlinigen zweiten Konturverlauf auf. Vorzugsweise ist der gradlinige zweite Konturverlauf dabei gegenüber einer Symmetrieachse bzw. Symmetrieebene des Polstegs um einen vorgegebenen Winkel, bevorzugt zwischen 15° und 80 °, besonders bevorzugt zwischen 25° und 75°, insbesondere zwischen 50 ° und 70°, verkippt. Dadurch kann die Breite des Polschuhs im zweiten Bereich entlang der Umfangsrichtung einfach angepasst werden, insbesondere an einen vorgegebenen Ab- stand des Polschuhs zu einem weiteren, benachbarten Polschuh.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung weist der zweite Konturverlauf wenigstens eine, insbesondere konkave, Krümmung auf. Dadurch kann der Polschuh im zweiten Bereich entlang der Umfangsrichtung im Wesentlichen bis zu einem weiteren, benachbarten Polschuh oder zumindest bis in einen Bereich vor dem weiteren, benachbarten Polschuh verbreitert bzw. verlängert werden, ohne dass gleichzeitig ein vorgegebener Minimalwert für die radiale Dicke bzw. Stärke des Polschuhs un- terschritten wird. Dies ermöglicht eine ausreichende mechanische Stabilität des Polschuhs, insbesondere hinsichtlich auf den Polschuh einwirkender Beschleunigungskräfte, welche bei Rotation des Rotors, d.h. im Betrieb der elektrischen Maschine, erzeugt werden bzw. wirken. In einer weiteren bevorzugten Ausführung erstreckt sich der erste Bereich über wenigstens 2/3, insbesondere 3/4, 4/5, 5/6 oder 6/7 einer Breite der Außenseite entlang der Umfangsrichtung. Dadurch kann erreicht werden, dass ein Großteil der Außenseite des Polschuhs mit dem ersten, sinusförmigen Konturverlaufs ausgebildet ist und daher eine elektromagnetisch günstige, d.h. eine die Streuverluste des mag- netischen Flusses minimierende, Form aufweist.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung weist die Außenseite an einem Ende des Polschuhs, welches einem dem Polschuh benachbarten, weiteren Polschuh zugewandt ist, einen dritten Bereich mit einem dritten Konturverlauf, insbesondere mit einer konvexen Krümmung, auf. Vorzugsweise schließt der dritte Konturverlauf tan- gential an den zweiten Konturverlauf an. Insbesondere verläuft eine Ableitung des zweiten Konturverlaufs und des dritten Konturverlaufs am Übergang der beiden Konturverläufe im Wesentlichen stetig. Dadurch kann der magnetische Fluss im Polschuh geführt werden, ohne dass an einem Übergang vom zweiten Konturverlauf zum dritten Konturverlauf zusätzliche Streuverluste des vom Polschuh geführten magnetischen Flusses auftreten. Zudem ergeben sich durch das abgerundete, bevorzugt konvex geformte Ende des Polschuhs günstige aerodynamische Eigenschaften des Polschuhs, wodurch Luftreibungsverluste und Geräuscherzeugung bei Rotation des Rotors im Betrieb der elektrischen Maschine reduziert werden können.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist die Außenseite mit einer dem Polsteg zugewandten Innenseite des Polschuhs durch den dritten Konturverlauf verbunden. Dadurch kann die Wickelfläche auch bei elektromagnetisch und/oder aerodynamisch günstiger Ausformung der Außenseite des Polschuhs bzw. des Endes des Polschuhs im dritten Bereich maximiert werden.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren, in denen durchgängig dieselben Bezugszeichen für dieselben oder einander entsprechende Elemente der Erfindung verwendet werden. Es zeigen wenigstens teilweise schematisch:
Fig. 1 Ausschnitte von Rotoren für eine elektrische Maschine mit Polschuhen nach dem Stand der Technik in einem Querschnitt;
Fig. 2 einen Teil eines Polschuhs in einer ersten bevorzugten Ausführung der Erfindung in einem Querschnitt; und
Fig. 3 einen Teil eines Polschuhs in einer zweiten bevorzugten Ausführung der Erfindung in einem Querschnitt.
In Figur 1 sind zwei Beispiele für einen Rotor 1 mit Polschuhen 2, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind, in einem senkrecht zu einer Rotationsachse 3 des Rotors verlaufenden Querschnitt dargestellt. Die Rotoren 1 sind dabei nur in einem Winkelbereich von x = 120° gezeigt. Die Polschuhe 2 sind mit Polstegen 4 verbunden, welche wiederrum auf einer Rotorachse 5 des Rotors 1 entlang einer Umfangs- richtung 6 in regelmäßigen Abständen angeordnet sind. Der Rotor 1 wird radial außen durch einen schematisch als Linie dargestellten Stator 7 begrenzt.
Jeder der Polstege 4 und Polschuhe 2 ist jeweils symmetrisch bezüglich einer Symmetrieachse 8 bzw. in drei Dimensionen bezüglich einer zur eingezeichneten Symmetrieachse 8 parallelen, sich senkrecht zur Zeichenebene erstreckenden Symmetrieebene ausgebildet bzw. geformt.
Figur 1 a) zeigt sogenannte„Sinuspole". Dabei verläuft die Kontur einer Außenfläche 9 der Polschuhe 2 sinusförmig, d.h. gemäß der Funktion f(x) = 1/sin(x). Da der Stator 7 eine konstante Krümmung aufweist, ändert sich eine Dicke eines Luftspalts zwischen dem Polschuh 2 und dem Stator 7 in radialer Richtung gemäß der Funktion d(x) = d0 1/sin(x), wobei d0 die Dicke des Luftspalts bzw. den Abstand zwischen Polschuh 2 und Stator 7 im Bereich der Symmetrieachse 8 angibt. In Umfangsrich- tung 6 nimmt die Dicke des Luftspalts über den Polschuhen 2 zu ihren, benachbarten Polschuhen zugewandten, Enden hin immer weiter zu. Ein derart ausgebildeter Polschuh 2 ist elektromagnetisch besonders günstig. Insbesondere werden Streuverluste eines durch den Polschuh 2 verlaufenden magnetischen Flusses bei Austritt des magnetischen Flusses durch die Au ßenseite 9 sowie eine Geräuschentwicklung bei Rotation des Rotors 1 und Drehmomentschwankun- gen bei Kopplung des magnetischen Flusses an nicht eingezeichnete Pole des Stators 7 minimiert.
Figur 1 b) zeigt so genannte„Rechteckpole". Dabei verläuft die Kontur der Außenfläche 9 der Polschuhe 2 im Wesentlichen parallel zum Stator 7. In anderen Worten bleibt dadurch ein Luftspalt zwischen den Polschuhen 2 und dem Stator 7, insbe- sondere nicht eingezeichneten Polen des Stators 7, im Wesentlichen konstant.
Durch die in Umfangsrichtung 6 langgestreckte Form des Rechteckpols ergibt sich jedoch eine gegenüber dem Sinuspoi vergrößerte Wickelfläche 10. Die Wickelflächen 10 sind radial innen durch die Rotorachse 5 und radial au ßen durch die Polschuhe 2, insbesondere durch eine der Außenseite 9 gegenüberliegenden Innen- seite 1 1 der Polschuhe 2, begrenzt. Durch die mit konstanter Krümmung verlaufende Außenseite 9 der Polschuhe 2 wird eine Ausdehnung der Innenseite 1 1 und damit der Wickelfläche 10 bis in einen Bereich vor einem dem jeweiligen Polschuh 2 benachbarten, weiteren Polschuh erreicht. In anderen Worten kann durch eine derartige Ausformung der Polschuhe 2 der Spalt zwischen zwei benachbarten Polschu- hen minimiert werden, so dass Platz für zusätzliche Wickelfläche gewonnen werden kann.
Im Bereich der Wickelflächen 10 werden Windungen von Spulen (nicht dargestellt) angeordnet, welche, wenn sie mit Strom durchflössen werden, einen magnetischen Fluss im Inneren der Polstege 4 erzeugen. Durch die zusätzliche Wickelfläche kön- nen zusätzliche Windungen um die Polstege 4 gewunden werden, so dass der erzeugte magnetische Fluss erhöht werden kann. Allerdings sind die Streuverluste des magnetischen Flusses bei Austreten aus der im Wesentlichen konstant gekrümmten Außenseite 9 des Polschuhs 2 gegenüber den Streuverlusten bei Austritt aus einer sinusförmig gekrümmten Au ßenseite höher. Figur 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines mit einem Polsteg 4 verbundenen Polschuhs 2. Der Polschuh 2 weist dabei auf einer Außenseite 9 in einem ersten Bereich 12 einen ersten Konturverlauf und in einem zweiten Bereich 13 einen zweiten Konturverlauf auf. In einem dritten Bereich 14 ist ein dritter Konturverlauf derart ausgebildet, dass die Außenseite 9 in eine der Außenseite 9 gegenüberliegende Innenseite 1 1 des Polschuhs 2 übergeht. Der erste Konturverlauf entspricht dabei einem im Wesentlichen sinusförmigen Konturverlauf. In anderen Worten verläuft die Außenseite 9 des Polschuhs 2 im ersten Bereich 12, welcher sich bevorzugt über etwa 3/4 der Au ßenseite 9 erstreckt, im Wesentlichen gemäß einer Funktion f(x) = 1/sin(x).
Der zweite Konturverlauf entspricht dabei einem im Wesentlichen linearen Kontur- verlauf. In anderen Worten wird bzw. ist der erste Konturverlauf aus dem ersten Bereich 12 im zweiten Bereich 13 im Wesentlichen geradlinig weitergeführt, bis er im dritten Bereich 14 die Außenseite 9 mit der Innenseite 1 1 verbindet. Dabei geht der erste Konturverlauf tangential in den zweiten Konturverlauf über. In anderen Worten ist der Gesamtkonturverlauf der Au ßenseite 9 entlang einer Umfangsrichtung 6 ste- tig differenzierbar, insbesondere auch am Übergangspunkt vom ersten in den zweiten Bereich bzw. vom ersten Konturverlauf in den zweiten Konturverlauf.
Die Innenseite 1 1 ist, ebenso wie die Au ßenseite 9, gegenüber der Innenseite eines als Sinuspol ausgebildeten Polschuhs in der Umfangsrichtung 6 verbreitert bzw. verlängert und erstreckt sich insbesondere bis in einen Bereich unmittelbar vor einem dem Polschuh 2 benachbarten, weiteren Polschuh (nicht dargestellt).
Dadurch kann die Wickelfläche 10 des derart ausgebildeten Polschuhs 2 gegenüber einem als Sinuspol ausgebildeten Polschuh um eine zusätzliche Wickelfläche 10', angedeutet durch den schraffierten Bereich, erweitert werden, so dass zusätzliche Windungen einer Spule (nicht dargestellt) in einem Bereich der zusätzlichen Wickel- fläche 10' angeordnet werden können. Somit kann eine Erhöhung des durch die Spule erzeugten magnetischen Flusses im Polsteg 4 und im Polschuh 2 erreicht werden, wobei gleichzeitig die Streuverluste des magnetischen Flusses, insbesondere bei Austreten aus dem Polschuh 2 durch die Außenseite 9, insbesondere im ersten Bereich 12, vermindert werden können. In Figur 3 ist eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines mit einem Polsteg 4 verbundenen Polschuhs 2 gezeigt. Hierbei erstreckt sich ein erster Bereich 12 einer Außenseite 9 des Polschuhs 2 vorzugsweise über im Wesentlichen 4/5 der Au ßenseite 9. Ein erster sinusförmigen Konturverlauf in dem ersten Bereich 12 geht in ei- nen zweiten Konturverlauf eines zweiten Bereichs 13 über. In einem dritten Bereich 14 ist die Außenseite 9 über einen dritten Konturverlauf mit einer Innenseite 1 1 des Polschuhs 2 verbunden.
Analog zu der in Figur 2 gezeigten Ausführungsform gehen der erste und zweite Konturverlauf tangential ineinander über bzw. schließen tangential aneinander an d.h. ein Gesamtkonturverlauf der Außenseite 9 in einer Umfangsrichtung 6 ist stetig differenzierbar.
Der zweite Konturverlauf im zweiten Bereich 13 weist eine konkave Krümmung auf, welche einer konvexen Krümmung des sinusförmigen Konturverlaufs im ersten Bereich 12 entgegensteht. Der zweite Konturverlauf bzw. die konkave Krümmung des zweiten Konturverlaufs ist insbesondere derart ausgestaltet, dass ein Luftspalt zwischen dem Polschuh 2 und einem Stator 7, insbesondere einem nicht dargestellten Pol des Stators 7, im zweiten Bereich 13 im Wesentlichen konstant bleibt bzw. ist. Alternativ kann der zweite Konturverlauf bzw. die konkave Krümmung des zweiten Konturverlaufs auch derart ausgestaltet sein, dass der Luftspalt in der Umfangsrich- tung 6 zu einem, einem benachbarten, weiteren Polschuh (nicht dargestellt) zugewandten, Ende des Polschuhs 2 hin kleiner wird bzw. die Dicke des Luftspalts abnimmt.
Auch hierbei ist die Innenseite 1 1 , ebenso wie die Au ßenseite 9, des Polschuhs 2 in Umfangsrichtung 6 gegenüber der Innenseite eines als Sinuspol ausgebildeten Pol- schuhs verlängert und erstreckt sich insbesondere bis in einen Bereich unmittelbar vor einem dem Polschuh 2 benachbarten, weiteren Polschuh (nicht dargestellt).
Hierdurch kann eine Wickelfläche 10 gegenüber einer Wickelfläche eines als Sinuspol ausgebildeten Polschuhs um eine zusätzliche Wickelfläche 1 1 ' erweitert werden. In einem schraffiert dargestellten Bereich der zusätzlichen Wickelfläche 1 1 'können zusätzliche Windungen einer Spule (nicht dargestellt) angeordnet werden, welche bei Durchfließen mit elektrischem Strom einen zusätzlichen magnetischen Fluss in dem Polsteg 4 und dem Polschuh 2 erzeugen. Der gesamte magnetische Fluss kann durch die Außenseite 9 des Polschuhs 2, insbesondere im ersten Bereich 12, austreten, ohne dass zusätzliche Streuverluste aufgrund einer nachteiligen Ausformung der Außenseite 9 des Polschuhs 2 auftreten.
Bezugszeichenliste
1 Rotor
2 Polschuh
3 Rotationsachse
4 Polsteg
5 Rotorachse
6 Umfangsrichtung
7 Stator
8 Symmetrieachse
9 Au ßenseite
10 Wickelfläche
10' zusätzliche Wickelfläche
1 1 Innenseite
12 erster Bereich
13 zweiter Bereich
14 dritter Bereich
X Winkelbereich

Claims

ANSPRÜCHE
Polschuh (2) zur Begrenzung einer Wickelfläche (10) eines um eine Rotationsachse (3) drehbaren Rotors (1 ), insbesondere einer elektrische Maschine, wobei der Polschuh (2) mit einem Polsteg (4) des Rotors (1 ) verbindbar oder verbunden ist und eine in verbundenem Zustand vom Polsteg (4) abgewandte Außenseite (9) des Polschuhs (2) einen ersten Bereich (12) mit einem im Wesentlichen sinusförmigen Konturverlauf und einen zweiten Bereich (13) mit einem zweiten Konturverlauf aufweist, welcher von dem ersten Konturverlauf verschieden und derart ausgebildet ist, dass die Wickelfläche (10) in einer Umfangsrichtung (6) gegenüber einer Wickelfläche eines Polschuhs mit einer ausschließlich im Wesentlichen sinusförmig verlaufenden Außenfläche verlängert ist.
Polschuh (2) nach Anspruch 1 , wobei der Polschuh (2) mit einem radial äußeren Ende des Polstegs (4) verbindbar oder verbunden ist.
Polschuh (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei sich der Polschuh (2) entlang der Umfangsrichtung (6) verjüngt.
Polschuh (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Gesamtkonturverlauf der Außenseite (9) des Polschuhs, insbesondere am Übergang vom ersten Bereich (12) zum zweiten Bereich (13), im Wesentlichen stetig differenzierbar ausgebildet ist.
Polschuh (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der zweite Bereich (13) einen im Wesentlichen geradlinigen zweiten Konturverlauf aufweist.
Polschuh (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der zweite Konturverlauf wenigstens eine, insbesondere konkave, Krümmung aufweist.
Polschuh (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei sich der erste Bereich (13) über wenigstens 2/3, insbesondere 3/4, 4/5, 5/6 oder 6/7 einer Breite der Außenseite (9) entlang der Umfangsrichtung (6) erstreckt. Polschuh (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Außenseite (9) an einem Ende des Polschuhs (2), welches einem dem Polschuh (2) benachbarten, weiteren Polschuh zugewandt ist, einen dritten Bereich (14) mit einem dritten Konturverlauf, insbesondere mit einer konvexen Krümmung, aufweist.
Polschuh (2) nach Anspruch 8, wobei die Außenseite (9) mit einer dem Polsteg (4) zugewandten Innenseite (1 1 ) des Polschuhs (2) durch den dritten Konturverlauf verbunden ist.
Elektrische Maschine, insbesondere elektrisch erregte Synchronmaschine, aufweisend:
- einen Stator (7); und
- einen Rotor (1 ),
wobei der Rotor (1 ) einen Polschuh (2) nach einem der vorangehenden Ansprüche aufweist.
Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, mit einer elektrischen Maschine nach Anspruch 10.
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