WO2020083571A1 - Rotor - Google Patents

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WO2020083571A1
WO2020083571A1 PCT/EP2019/074971 EP2019074971W WO2020083571A1 WO 2020083571 A1 WO2020083571 A1 WO 2020083571A1 EP 2019074971 W EP2019074971 W EP 2019074971W WO 2020083571 A1 WO2020083571 A1 WO 2020083571A1
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rotor
magnetic poles
rotated
rotor according
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PCT/EP2019/074971
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English (en)
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Benjamin SCHLAEPFER
Juntao ZHU
Maximilian PILZ
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Bayerische Motoren Werke AG
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Bayerische Motoren Werke AG
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Ceased legal-status Critical Current

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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K29/00—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices
    • H02K29/03—Motors or generators having non-mechanical commutating devices, e.g. discharge tubes or semiconductor devices with a magnetic circuit specially adapted for avoiding torque ripples or self-starting problems
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
    • H02K1/06—Details of the magnetic circuit characterised by the shape, form or construction
    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/27—Rotor cores with permanent magnets
    • H02K1/2706—Inner rotors
    • H02K1/272—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis
    • H02K1/274—Inner rotors the magnetisation axis of the magnets being perpendicular to the rotor axis the rotor consisting of two or more circumferentially positioned magnets
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2201/00—Specific aspects not provided for in the other groups of this subclass relating to the magnetic circuits
    • H02K2201/06—Magnetic cores, or permanent magnets characterised by their skew
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K2201/00—Specific aspects not provided for in the other groups of this subclass relating to the magnetic circuits
    • H02K2201/15—Sectional machines

Definitions

  • the invention relates to a rotor of an electrical machine, which has a plurality of segments arranged side by side in the axial direction.
  • the rotors are usually divided into six or more segments of the same type. These segments can each be rotated against each other by a certain angle, which is referred to as rotor bevel. By turning the segments, the torque ripple is slightly offset in time or phase for each segment. In this way, the individual parts do not completely overlap, which leads to a reduction in the overall ripple.
  • So-called linear bevels can be used, in which the bevel of the poles of the same polarity runs linearly from a first segment to a last segment.
  • V-shaped bevels are also known, the course of the magnetic poles corresponding to a V-shape.
  • This V arrangement has the advantage that the oscillating moment is applied symmetrically with respect to the center plane. This ensures that the first natural torsional frequency of the rotor is excited only weakly or not at all. This is advantageous since excitation of the natural rotor or torsional frequency would lead to a strongly dynamic behavior of the electrical machine. Such dynamic behavior in turn has negative effects on the acoustic behavior of the electrical machine, ie that oscillations and vibrations can occur.
  • the V slope of the rotor prevents significant excitation of the first natural torsional frequency of the rotor, the second natural torsional frequency is excited in the process.
  • the invention is therefore based on the object of providing a rotor arrangement with which not only the excitation of the first natural torsional frequency but also the excitation of the second natural torsional frequency can be reduced.
  • the rotor has a plurality of segments arranged next to one another in the axial direction, each of the segments having a plurality of magnetic poles which are arranged coaxially with an axis of rotation of the electrical machine and distributed uniformly in the circumferential direction of the segment. Both the number of poles and, due to the equal distribution of the poles over the circumference, their angular position depends on a design of the rotor and the electrical machine and can vary accordingly.
  • Each segment of the rotor has an equal number of poles, so that the relative angular position of the poles of a segment to one another is the same for all segments due to the equal distribution of the poles over the circumference of the segment.
  • the segments of the rotor are arranged in accordance with a relative angular position of the magnetic poles in the circumferential direction in such a way that the magnetic poles of adjacent segments which adjoin one or more middle segments are in a first angular direction to the magnetic poles of the one or more middle ones Segments are rotated, and that the magnetic poles of segments that adjoin the adjacent segments outward are rotated in a second angular direction, opposite to the first angular direction.
  • the inherent dynamics of the rotor can be reduced in the region of the second torsional natural frequency, and the acoustic behavior of the electrical machine can thus be improved.
  • Simulations have shown that relevant acoustic parameters can be reduced.
  • the surface acceleration in the frequency range of the second rotor resonance can be reduced by up to 5 dB.
  • the sloping of the segments is axially symmetrical, so that the magnetic poles have the same relative angular position in pairs, symmetrically to the center. This means that, for example, the two outermost segments are arranged in the same relative angular days, the two segments following inwards are arranged in the same angular position, etc.
  • the rotor has an even number of segments.
  • the rotor can have six or more segments, ie six, eight, ten, twelve, etc.
  • the two middle segments can be arranged identically. This means that the two middle segments have the same relative angular position and are not twisted relative to each other.
  • the middle tip of the W-shaped or zigzag-shaped bevel is formed by two segments.
  • the middle tip can alternatively, depending on the number of segments, also be formed by one segment or more than two segments.
  • An even number of segments is preferred in order to achieve a symmetrical and balanced state. Balanced here means that the number of segments is the same for every angle. For example, if you choose three different angular positions and the rotor is to be symmetrical and balanced, the number of segments must be divisible by 2 and 3, i.e. the rotor can have 6 or 12 segments. This number of segments makes it possible for there to be 2 or 4 segments in each angular position.
  • the middle tip of the W-shaped or zigzag-shaped bevel can be formed by a single segment.
  • the magnetic poles of two segments arranged next to one another have the same relative angular position and are not rotated relative to one another. Segments that are not rotated relative to one another can thus also be arranged between segments rotated in different angular directions. Alternatively or additionally, the magnetic poles of two segments arranged next to one another can be rotated in the same angular direction, that is to say form a linear inclination. Since these arrangements relate only to individual segments and not all segments of the rotor, the segments can be arranged in a W-shape or in a zigzag shape.
  • the magnetic poles of one or more of the middle segments are rotated with respect to a reference angular position.
  • the reference angular position can in particular be a zero position of the magnetic poles.
  • the magnetic poles of the one or more middle segments can be arranged in the reference angular position, for example the zero position.
  • the magnetic poles are rotated in alternate angular directions from further segments following outwards. In this way, several successive W-shaped bevels or a long zigzag-shaped bevel of the segments can be formed.
  • the optimal value for the angle ot by which the segments can be rotated relative to one another or with respect to the reference angle depends on the number of segments (ns) and stator teeth (nz).
  • the segments are preferably rotated by + a and - a with respect to the reference angle or the zero position.
  • the angle a can be calculated as, for example
  • the present invention relates to an electrical machine with a rotor and a stator as described above.
  • the rotor can be designed as an inner rotor, which is arranged in the radial direction within a stator, or as an outer rotor, which is arranged in the radial direction outside the stator.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of the first natural torsional frequency of a rotor
  • FIG. 6 shows a further simplified exemplary arrangement of the segments of a rotor which consists of eight segments
  • Figures 1 and 2 show a rotor 10 of an electrical machine, which has a plurality of segments 1 to 6 arranged side by side in the axial direction.
  • the rotor 10 can, however, also have more or fewer segments, as shown by way of example in FIGS. 5 to 7 and explained in more detail below.
  • the segments 1 to 6 are arranged such that the magnetic poles P of the segments 2, 5 adjoining the two middle segments 3, 4 are rotated in a first angular direction with respect to the magnetic poles P of the middle segments 3, 4 and that the magnetic poles P of segments which follow to the outside 1, 2 in a second angular direction, opposite to the first angular direction, to the magnetic poles P of the segments 2, 5 are rotated.
  • a rotor 10 which consists of six segments 1 to 6, this leads to a W-shaped slope of the magnetic poles P of the segments 1,... 6.
  • Each of the segments 1 to 6 has a plurality of magnetic poles P which are arranged coaxially to an axis of rotation of the electrical machine and in the circumferential direction of the segments 1,...
  • a pole P is shown as a reference pole for each segment 1, 6.
  • first and second natural torsional frequencies are indicated schematically in FIGS. 3 (first torsional natural frequency) and 4 (second natural torsional frequency).
  • a rotating external magnetic field which is generated by energizing the stator coils, creates a torque in interaction with the poles P of the rotor 10, which leads to a rotation of the rotor 10.
  • This rotation is indicated in Figures 3 and 4 by the arrows.
  • the rotation produces torsions of the rotor 10 and the associated natural torsional frequencies, which lead to an acoustically perceptible behavior of the rotor 10.
  • the first torsional natural frequency which is indicated by the curve in FIG. 3, can be reduced or prevented by a V-slope of the segments 1,... 6, since such a V-slope changes the torque ripple of the segments in time or in the Phase slightly offset (and does not follow the course of the torsional natural frequency).
  • the individual portions of the segments do not superpose themselves completely and the first torsional natural frequency can be reduced.
  • a V-slope does not reduce the second natural torsional frequency, which is indicated by the curve in FIG. 4. Rather, the twisting of the segments in a V arrangement follows the second torsional natural frequency and could even amplify it.
  • the segments 1,... 6 are in the figures 1 and 2 are arranged according to a relative angular position of the magnetic poles P in the circumferential direction such that the magnetic poles P of the segments 1 to 6 result in a W-shaped bevel.
  • W-shaped bevel or, for more than six segments, a zigzag-shaped bevel, is particularly advantageous in order to at least reduce and prefer the second torsional natural frequency in addition to the first torsional natural frequency of the rotor 10 not stimulating.
  • the W-shaped arrangement of the segments 1, 6 is shown in FIGS. 1 and 2 in exemplary arrangements, the rotor 10 each having six segments 1, 6
  • the rotor 10 can also have more or less than the six segments 1,..., 6 shown.
  • the rotor 10 can have twelve segments, which are composed of the six segments shown in FIGS. 1 and 2.
  • the rotor 10 has an even number of segments 1 to 6, the two middle segments 3, 4 having the same relative angular position and not being offset from one another.
  • Fig. 1 shows a first arrangement of the segments 1 to 6 in order to achieve a W-shaped bevel.
  • segments 1 and 6 are arranged in a reference angular position R.
  • the segments 2 and 5 are compared to the segments elements 1 and 6 rotated by an angle a.
  • the segments 3 and 4 are rotated by an angle -a relative to the segments 1 and 6
  • FIG. 2 Another possible arrangement is shown in FIG. 2.
  • the two middle segments 3 and 4 are in the reference angular position or zero position R and the outer segments 1, 2, 5, 6 are rotated relative to the segments 3 and 4.
  • segments 2 and 5 are rotated by an angle a with respect to segments 3 and 4.
  • the segments 1 and 6 are rotated by an angle -a relative to the segments 3 and 4.
  • a tip of the W of the bevel is formed by the two middle segments 3 and 4. This means that the two middle segments 3, 4 are each offset by an angle with respect to the two adjacent segments 2, 5. This arrangement allows the excitation of the second torsional natural frequency to be reduced compared to a V-shaped arrangement.
  • the arrangement of segments 1 to 6 can also be reversed, i.e. in the form of an M.
  • the segments 1,..., 6 of the rotor 10 can be arranged in such a way that a plurality of W-shaped bevels are formed in succession in the axial direction, or that other bevels or linear arrangements connect to the W-shaped bevel. In this way, the acoustic behavior of the electrical machine can be further improved.
  • the rotor 10 has, for example, eight segments 1 to 8, the segments 1 to 8 cannot be arranged only in a W-shaped bevel (FIG.
  • FIGS. 5 to 7 each represent a simplified view of the segments 1 to 8 of a rotor 10, the respective poles being designated by the numbers of the segments.
  • the inner segments 4 and 5 are opposite the reference angular position R twisted in a first angular direction.
  • the subsequent segments 3 and 6 are rotated in a second, opposite angular direction with respect to the reference angular position R.
  • the segments 2 and 7 are in turn rotated in the first angular direction with respect to the reference angular position R.
  • the outermost segments 1 and 8 are rotated again in the second, opposite angular direction with respect to the reference angular position R.
  • Fig. 6 shows that it is also possible to make a linear bevel between some segments. This is the case here, for example, between segments 1 to 3 and 6 to 8. However, since in this case too a W-shaped bevel is achieved over the entire length of the rotor 10, the second natural torsional frequency is not excited here either.
  • FIG. 7 shows a further possible arrangement of the segments 1 to 8 of a rotor 10.
  • the inner segments 4 and 5 are rotated relative to the reference angle Nage R as in FIG. 5 in the first angular direction, but by a larger angle.
  • the subsequent segments 3 and 6 are also rotated again in the second, opposite angular direction with respect to the reference angular position R, the angle here also being larger than in FIG. 5.
  • the segments 2 and 7 are in turn rotated with respect to the reference angular position R in the first angular direction, the angle again approaching the reference angular days R.
  • the outermost segments 1 and 8 are rotated with respect to the reference angle R again in the second, opposite angular direction, the angle again approaching the reference angle Nage R here.
  • This arrangement can also be continued externally.
  • the arrangement of the segments ensures that the rotation of the segments does not follow the second natural torsional frequency and This does not reinforce it, but rather reduces or even prevents it from being stimulated.
  • the W-shaped or zigzag-shaped rotor bevel described here makes it possible, in addition to reducing the excitation of the first natural torsional frequency of the rotor, to also reduce the excitation of the second natural torsional frequency. In this way, the acoustic behavior of the electrical machine can be improved.

Landscapes

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

Abstract

Es wird ein Rotor einer elektrischen Maschine vorgeschlagen, welcher mehrere in axialer Richtung nebeneinander angeordnete Segmente aufweist, wobei jedes der Segmente mehrere magnetische Pole aufweist, die koaxial zu einer Rotationsachse der elektrischen Maschine und in Umfangsrichtung des Segments gleichverteilt angeordnet sind, wobei die Segmente in Umfangsrichtung derart angeordnet sind, dass die magnetischen Pole von angrenzenden Segmenten, die an eines oder mehrere mittlere Segmente angrenzen, in einer ersten Winkeirichtung zu den magnetischen Polen des einen oder der mehreren mittleren Segmente verdreht sind, und dass die magnetischen Pole von Segmenten, die nach außen an die angrenzenden Segmente anschließen, in einer zweiten Winkelrichtung, entgegengesetzt zu der ersten Winkelrichtung, verdreht sind.

Description

Rotor
Beschreibung
Die Erfindung betrifft einen Rotor einer elektrischen Maschine, welcher mehrere in axialer Richtung nebeneinander angeordnete Segmente aufweist.
Bei Rotoren und Statoren von elektrischen Maschinen entsteht durch ein sich drehendes äußeres magnetisches Feld, welches durch geeignete Durchströmung der Statorspulen erzeugt wird, in Wechselwirkung mit den Permanentmagneten des Rotors ein Drehmoment, welches zu einer Drehung des Rotors führt. Aufgrund der diskreten Anzahl an Polpaaren und Statorzähnen ist dieses Drehmoment nicht konstant. Vielmehr entsteht eine Drehungleichförmigkeit (sogenanntes Drehmo- ment-Rippie), weiches von der Anzahl an Polpaaren und Statorzähnen abhängt.
Bei aktueiien elektrischen Maschine dieser Bauart werden die Rotoren üblicherweise in sechs oder mehr gleichartige Segmente aufgeteilt. Diese Segmente können jeweils um einen bestimmten Winkel gegeneinander verdreht werden, was als Rotorschrägung bezeichnet wird. Durch das Verdrehen der Segmente wird die Drehmomentwelligkeit für jedes Segment zeitlich oder in der Phase leicht versetzt. Auf diese Weise überlagern sich die einzelnen Anteile nicht komplett, was zu einer Reduktion der Gesamtwelligkeit führt.
Hierbei können sogenannte lineare Schrägungen verwendet werden, bei welchen die Schrägung der Pole gleicher Polarität von einem ersten Segment zu einem letzten Segment linear verläuft. Des Weiteren sind V-förmige Schrägungen be- kannt, wobei der Verlauf der magnetischen Pole einer V-Form entspricht. Diese V-Anordnung hat den Vorteil, dass das oszillierende Moment gegenüber der Mittelebene symmetrisch aufgebracht wird. Dadurch wird sichergestefit, dass die erste Torsionseigenfrequenz des Rotors nur schwach oder gar nicht angeregt wird Dies ist vorteilhaft, da eine Anregung der Rotor- bzw. T orsionseigenfrequenz zu einem stark dynamischen Verhalten der elektrischen Maschine führen würde. Ein solches dynamisches Verhalten hat wiederum negative Auswirkungen auf das akustische Verhalten der elektrischen Maschine, d.h. dass Schwingungen und Vibrationen entstehen können. Zwar wird durch die V-Schrägung des Rotors eine signifikante Anregung der ersten Torsionseigenfrequenz des Rotors verhindert, allerdings wird dabei die zweite T orsionseigenfrequenz angeregt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Rotoranordnung bereitzu- stellen, mit der nicht nur die Anregung der ersten Torsionseigenfrequenz, sondern auch die Anregung der zweiten Torsionseigenfrequenz reduziert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch einen Rotor einer elektrischen Maschine gemäß Pa tentanspruch 1 gelöst.
Der Rotor weist mehrere in axialer Richtung nebeneinander angeordnete Segmente auf, wobei jedes der Segmente mehrere magnetische Pole aufweist, die koaxial zu einer Rotationsachse der elektrischen Maschine und in Umfangsrichtung des Segments gleich verteilt an geordnet sind. Sowohl die Anzahl der Pole als auch, durch die Gleichverteilung der Pole über den Umfang hinweg, deren Winkeilage hängt von einer Auslegung des Rotors und der elektrischen Maschine ab und kann entsprechend variieren. Jedes Segment des Rotors weist eine gleiche An zahl an Polen auf, sodass auch die relative Winkellage der Pole eines Segments zueinander durch die Gleichverteilung der Pole über den Umfang des Segments bei allen Segmenten gleich sind.
Um nun die Anregung der zweiten T orsionseigenfrequenz des Rotors zu reduzieren und damit das akustische Verhalten der elektrischen Maschine zu verbessern, sind die Segmente des Rotors entsprechend einer relativen Winkellage der mag- netischen Pole in Umfangsrichtung derart angeordnet, dass die magnetischen Pole von angrenzenden Segmenten, die an eines oder mehrere mittlere Segmente angrenzen, in einer ersten Winkelrichtung zu den magnetischen Polen des einen oder der mehreren mittleren Segmente verdreht sind, und dass die magnetischen Pole von Segmenten, die nach außen an die angrenzenden Segmente anschlie ßen, in einer zweiten Winkelrichtung, entgegengesetzt zu der ersten Winkelrichtung, verdreht sind. Es wurde festgestellt, dass diese W-förmige oder Zick-Zack- förmige Schrägung der Pole zum einen die erste Torsionseigenfrequenz des Motors weniger stark anregt als bisherige Anordnungen. Zum anderen führt die W- förmige oder Zick-Zack-förmige Schrägung dazu, dass auch die zweite Torsionseigenfrequenz weniger angeregt wird.
Auf diese Weise kann die Eigendynamik des Rotors im Bereich der zweiten Tor sionseigenfrequenz reduziert werden und damit das akustische Verhaltend der elektrischen Maschine verbessert werden. Durch Simulationen wurde festgestellt, dass relevante akustische Größen reduziert werden können. Beispielsweise kann die Oberflächenbeschleunigung im Frequenzbereich der zweiten Rotorresonanz um bis zu 5dB reduziert werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist die Schrägung der Segmente achsensymmetrisch ausgeführt, sodass die magnetischen Pole paarweise, symmetrisch zur Mitte, eine gleiche relative Winkellage aufweisen. Das bedeutet, dass beispiels weise die beiden äußersten Segmente in der gleichen relativen Winkeltage angeordnet sind, die beiden nach innen folgenden Segmente in der gleichen Winkel lage angeordnet sind, usw.
Gemäß einer Ausführungsform weist der Rotor eine gerade Anzahl an Segmenten auf. Insbesondere kann der Rotor sechs oder mehr Segmente aufweisen, d. h. sechs, acht, zehn, zwölf, etc. Insbesondere können dabei die zwei mittleren Seg- mente identisch angeordnet sein. Das heißt, dass die beiden mittleren Segmente die gleiche relative Winkellage haben und zueinander nicht verdreht sind. In dieser Ausführungsform wird somit die mittlere Spitze der W-förmigen oder Zick-Zack-för- migen Schrägung durch zwei Segmente gebildet Die mittlere Spitze kann alternativ, abhängig von der Anzahl der Segmente, auch durch ein Segment oder mehr als zwei Segmente gebildet werden.
Eine gerade Anzahl von Segmenten ist bevorzugt, um einen symmetrischen und balancierten Zustand zu erreichen. Balanciert bedeutet hier, dass die Anzahl der Segmente für jeden Winkel gleich ist. Wählt man beispielsweise drei verschiedene Winkelstellungen und soll dabei der Rotor symmetrisch und balanciert sein, muss die Anzahl der Segmente durch 2 und 3 teilbar sein, d.h. der Rotor kann 6 oder 12 Segmente aufweisen. Durch diese Anzahl der Segmente ist es möglich, dass sich in jeder Winkelstellung 2 oder 4 Segmente befinden.
Weist der Rotor eine ungerade Anzahl an Segmenten auf, kann die mittlere Spitze der W-förmigen oder Zick-Zack-förmigen Schrägung durch ein einzelnes Segment gebildet werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen die magnetischen Pole von zwei nebeneinander angeordneten Segmenten die gleiche relative Winkellage auf und sind zueinander nicht verdreht. Zwischen zueinander in verschiedenen Winkelrichtungen verdrehten Segmenten können somit auch zueinander nicht verdrehte Segmente angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich können die magnetischen Pole von zwei nebeneinander angeordneten Segmenten in der gleichen Winkel richtung verdreht werden, also eine lineare Schrägung bilden. Da diese Anordnungen nur einzelne Segmente betreffen und nicht alle Segmente des Rotors können in Summe die Segmente W-förmig oder Zick-Zack-förmig angeordnet sein.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die magnetischen Pole des einen o- der der mehreren mittleren Segmente gegenüber einer Referenzwinkellage ver- dreht. Die Referenzwinkellage kann insbesondere eine Nulllage der magnetischen Pole sein. Alternativ können die magnetischen Pole des einen oder der mehreren mittleren Segmente in der Referenzwinkellage, z.B. der Nulllage, angeordnet sein. Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die magnetischen Pole von weiteren nach außen folgenden Segmenten in abwechselnden Winkelrichtungen verdreht. Auf diese Weise können mehrere aufeinander folgende W-förmige Schrägungen oder eine lange Zick-Zack-förmige Schrägung der Segmente gebildet werden.
Dies ermöglicht eine besonders gute Reduzierung nicht nur der ersten Torsionseigenf requenz, sondern auch der zweiten T orsionseigenfrequenz. Auf diese Weise kann das akustische Verhalten der elektrischen Maschine weiter verbessert werden.
Der optimale Wert für den Winkel ot, um den die Segmente jeweils zueinander, o- der in Bezug auf den Referenzwinkel verdreht werden können, hingt von der Anzahl der Segmente (ns) und Statorzähne (nz) ab. Vorzugsweise werden die Segmente um +a und - a in Bezug auf den Referenzwinkel bzw. die Null läge verdreht. Der Winkel a kann beispielsweise berechnet werden als
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Gemäß einem weiteren Aspekt bezieht sich die vorliegende Erfindung auf eine elektrische Maschine mit einem wie oben beschriebenen Rotor und einem Stator auf. Der Rotor kann als Inneniäufer, der in radialer Richtung innerhalb eines Sta- tors angeordnet ist, oder als Außenläufer, der in radialer Richtung außerhalb des Stators angeordnet ist, ausgebildet sein.
Weitere mögliche Implementierungen der Erfindung umfassen auch nicht explizit genannte Kombinationen von zuvor oder im Folgenden bezüglich der Ausfüh rungsbeispiele beschriebenen Merkmale oder Ausführungsformen. Dabei wird der Fachmann auch Einzelaspekte als Verbesserungen oder Ergänzungen zu der jeweiligen Grundform der Erfindung hinzufügen.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen sind in der Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen angegeben. Dabei sind insbesondere die in der Beschreibung und in den Zeichnungen angegebenen Kombinationen der Merkmale rein exemplarisch, so dass die Merkmale auch einzeln oder anders kombiniert vorliegen können.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben werden. Dabei sind die Ausführungs- beispieie und die in den Ausführungsbeispielen gezeigten Kombinationen rein exemplarisch und sollen nicht den Schutzbereich der Erfindung festlegen. Dieser wird allein durch die anhängigen Ansprüche definiert.
Es zeigen:
Fig. 1 : eine beispielhafte Anordnung der Segmente eines Rotors, welcher aus sechs Segmenten besteht;
Fig. 2: eine weitere beispielhafte Anordnung der Segmente eines Rotors, welcher aus sechs Segmenten besteht;
Fig. 3: eine schematische Darstellung der ersten Torsionseigenfrequenz eines Ro- tors;
Fig. 4: eine Darstellung der zweiten Torsionseigenfrequenz eines Rotors;
Fig. 5: eine vereinfachte beispielhafte Anordnung der Segmente eines Rotors, wel- cher aus acht Segmenten besteht;
Fig. 6: eine weitere vereinfachte beispielhafte Anordnung der Segmente eines Rotors, welcher aus acht Segmenten besteht;
Fig. 7: eine weitere vereinfachte beispielhafte Anordnung der Segmente eines Rotors, welcher aus acht Segmenten besteht.
Im Folgenden werden gleiche oder funktionell gleichwirkende Elemente mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
Figuren 1 und 2 zeigen einen Rotor 10 einer elektrischen Maschine, welcher mehrere in axialer Richtung nebeneinander angeordnete Segmente 1 bis 6 aufweist. Der Rotor 10 kann aber auch mehr oder weniger Segmente aufweisen, wie beispielhaft in Figuren 5 bis 7 dargestellt und weiter unten näher erläutert ist.
Wie in Figuren 1 und 2 gezeigt ist, sind die Segmente 1 bis 6 derart angeordnet, dass die magnetischen Pole P der an die beiden mittleren Segmente 3, 4 angren- zenden Segmenten 2, 5 in einer ersten Winkelrichtung zu den magnetischen Po len P der mittleren Segmente 3, 4 verdreht sind und dass die magnetischen Pole P von nach außen folgenden Segmenten 1 , 2 in einer zweiten Winkelrichtung, ent- gegengesetzt zu der ersten Winkelrichtung, zu den magnetischen Polen P der Segmente 2, 5 verdreht sind. Bei einem Rotor 10, der aus sechs Segmenten 1 bis 6 besteht, führt dies zu einer W-förmigen Schrägung der magnetischen Pole P der Segmente 1 , ... 6.
Jedes der Segmente 1 bis 6 weist mehrere magnetische Pole P auf, die koaxial zu einer Rotationsachse der elektrischen Maschine und in Umfangsrichtung des Segments 1 , ...6 gleichverteilt angeordnet sind. Der Übersichtlichkeit wegen ist für jedes Segment 1 , 6 ein Pol P als Referenzpol gezeigt.
Im Betrieb des Rotors 10 kann es aufgrund dessen Rotation zu einer Anregung der ersten und zweiten Torsionseigenfrequenz des Rotors 10 kommen. Diese sind in den Figuren 3 (erste Torsionseigenfrequenz) und 4 (zweite Torsionseigenfre- quenz) schematisch angedeutet.
Durch ein sich drehendes äußeres magnetisches Feld, welches durch Bestromung der Statorspulen erzeugt wird, entsteht in Wechselwirkung mit den Polen P des Rotors 10 ein Drehmoment, welches zu einer Drehung des Rotors 10 führt. Diese Drehung ist in Figuren 3 und 4 jeweils durch die Pfeile angedeutet. Durch die Drehung entstehen Torsionen des Rotors 10 und damit verbundene Torsionseigenfrequenzen, die zu einem akustisch wahrnehmbaren Verhalten des Rotors 10 führen.
Die erste T orsionseigenfrequenz, die in Fig. 3 durch die Kurve angedeutet ist, kann durch eine V-Schrägung der Segmente 1 , ...6, reduziert oder verhindert werden, da eine solche V-Schrägung die Drehmomentwelligkeit der Segmente zeitlich oder in der Phase leicht versetzt (und nicht dem Verlauf der Torsionseigenfre- quenz folgt). Die einzelnen Anteile der Segmente superponieren sich somit nicht komplett und die erste Torsionseigenfrequenz kann reduziert werden. Allerdings wird durch eine V-Schrägung nicht die zweite Torsionseigenfrequenz reduziert, die durch die Kurve in Fig. 4 angedeutet ist. Die Verdrehung der Segmente in einer V-Anordnung folgt vielmehr der zweiten Torsionseigenfrequenz und könnte diese sogar verstärken.
Um nun nicht nur die erste Torsionseigenfrequenz des Rotors 10 zu reduzieren, wie es durch eine V-förmige Schrägung erreicht werden kann, sondern um auch die zweite Torsionseigenfrequenz des Rotors 10 zu reduzieren, sind die Segmente 1 , .... 6 in den Figuren 1 und 2 entsprechend einer relativen Winkellage der magnetischen Pole P in Umfangsrichtung derart angeordnet, dass die magnetischen Pole P der Segmente 1 bis 6 eine W-förmige Schrägung ergeben. In Versuchen wurde festgestelit, dass eine solche W-förmige Schrägung, oder bei mehr als sechs Segmente, eine Zick-Zack-förmige Schrägung, besonders vorteilhaft ist, um die zweite T orsionseigenfrequenz zusätzlich zu der ersten Torsionseigenfrequenz des Rotors 10 zumindest zu reduzieren und bevorzugt nicht anzuregen.
Die W-förmige Anordnung der Segmente 1 , 6 ist in Figuren 1 und 2 an bei spielhaften Anordnungen gezeigt, wobei der Rotor 10 jeweils sechs Segmente 1 ,
6 aufweist. Es sollte jedoch beachtet werden, dass auch andere Anordnungen möglich sind, die eine derartige W-förmige Schrägung bilden. Insbesondere kann der Rotor 10 auch mehr oder weniger als die gezeigten sechs Segmente 1 , ..., 6 aufweisen. Beispielsweise kann der Rotor 10 zwölf Segmente aufweisen, die aus den in den Figuren 1 und 2 gezeigten sechs Segmenten zusammengesetzt sind.
In einer bevorzugten Ausführungsform, wie sie in den Figuren 1 und 2 dargestellt ist, weist der Rotor 10 eine gerade Anzahl an Segmenten 1 bis 6 auf, wobei die zwei mittleren Segmente 3, 4 die gleiche relative Winkellage aufweisen und zueinander nicht versetzt sind.
Fig. 1 zeigt eine erste Anordnung der Segmente 1 bis 6, um eine W-förmige Schrägung zu erreichen. In diesem Fall sind die Segmente 1 und 6 in einer Referenzwinkeilage R angeordnet. Die Segmente 2 und 5 sind gegenüber den Seg- menten 1 und 6 um einen Winkel a verdreht. Die Segmente 3 und 4 sind gegenüber den Segmenten 1 und 6 um einen Winkel -a verdreht
Eine weitere Anordnungsmöglichkeit ist in Fig. 2 gezeigt. In diesem Fall befinden sich die beiden mittleren Segmente 3 und 4 in der Referenzwinkellage bzw. Nulllage R und die äußeren Segmente 1 , 2, 5, 6 sind gegenüber den Segmenten 3 und 4 verdreht. Das heißt, dass die Segmente 2 und 5 gegenüber den Segmenten 3 und 4 um einen Winkel a verdreht sind. Die Segmente 1 und 6 sind gegenüber den Segmenten 3 und 4 um einen Winkel -a verdreht.
In den beiden Ausführungsbeispielen der Figuren 1 und 2 wird durch die beiden mittleren Segmente 3 und 4 eine Spitze des W der Schrägung ausgebildet. Das bedeutet, dass die beiden mittleren Segmente 3, 4 gegenüber den beiden angren- zenden Segmenten 2, 5 jeweils um einen Winkel versetzt sind. Durch diese An ordnung kann im Vergleich zu einer V-förmigen Anordnung auch die Anregung der zweiten T orsionseigenfrequenz reduziert werden.
Alternativ kann die Anordnung der Segmente 1 bis 6 auch spiegelverkehrt, d.h. in Form eines M, erfolgen. Des Weiteren können die Segmente 1 , ..., 6 des Rotors 10 derart angeordnet sein, dass mehrere W-förmige Schrägungen in axialer Richtung aufeinanderfolgend gebildet werden oder dass anderweitige Schrägungen o- der lineare Anordnungen an die W-förmige Schrägung anschließen. Auf diese Weise kann das akustische Verhalten der elektrischen Maschine weiter verbessert werden.
Weist der Rotor 10 beispielsweise acht Segmente 1 bis 8 auf, können die Segmente 1 bis 8 nicht nur in einer W-förmigen Schrägung angeordnet werden (Fig.
6), sondern beispielsweise auch in einer Zick-Zack-Linie angeordnet sein, wie es in den Figuren 5 und 7 beispielhaft gezeigt ist. Figuren 5 bis 7 stellen dabei jeweils eine vereinfachte Ansicht der Segmente 1 bis 8 eines Rotors 10 dar, wobei die je- weiligen Pole mit den Zahlen der Segmente bezeichnet sind.
In Fig. 5 sind die inneren Segmente 4 und 5 gegenüber der Referenzwinkellage R in einer ersten Winkeirichtung verdreht. Die anschließenden Segmente 3 und 6 sind in Bezug auf die Referenzwinkellage R in einer zweiten, entgegengesetzten Winkelrichtung verdreht. Die Segmente 2 und 7 sind wiederum gegenüber der Re- ferenzwinkellage R in der ersten Winkelrichtung verdreht. Die äußersten Seg- mente 1 und 8 sind in Bezug auf die Referenzwinkellage R wieder in der zweiten, entgegengesetzten Winkelrichtung verdreht. Dies führt zu einer Zick-Zack-förmi- gen Anordnung der Segmente 1 bis 8, die nach außen beliebig weitergeführt werden kann. Auf diese Weise können auch mehr als acht Segmente derart angeordnet werden, dass die zweite Torsionseigenfrequenz nicht angeregt wird.
Fig. 6 zeigt, dass es auch möglich ist, zwischen manchen Segmenten eine lineare Schrägung vorzunehmen. Dies ist hier beispielsweise zwischen den Segmenten 1 bis 3 und 6 bis 8 der Fall. Da jedoch auch in diesem Fall über die gesamte Länge des Rotors 10 eine W-förmige Schrägung erreicht wird, wird auch hier die zweite Torsionseigenfrequenz nicht angeregt.
Fig. 7 zeigt eine weitere mögliche Anordnung der Segmente 1 bis 8 eines Rotors 10. Hier sind die inneren Segmente 4 und 5 gegenüber der Referenzwinke Nage R wie in Fig. 5 in der ersten Winkelrichtung, allerdings um einen größeren Winkel, verdreht. Die anschließenden Segmente 3 und 6 sind in Bezug auf die Referenzwinkellage R ebenfalls wieder in der zweiten, entgegengesetzten Winkelrichtung verdreht, wobei hier der Winkel ebenfalls größer als in Fig. 5 ist. Die Segmente 2 und 7 sind wiederum gegenüber der Referenzwinkellage R in der ersten Winkel richtung verdreht, wobei sich der Winkel wieder der Referenzwinkeltage R annä hert. Die äußersten Segmente 1 und 8 sind in Bezug auf die Referenzwinkel läge R wieder in der zweiten, entgegengesetzten Winkelrichtung verdreht, wobei sich auch hier der Winkel wieder der Referenzwinke Nage R annähert. Diese Anordnung kann ebenfalls nach außen beliebig weitergeführt werden.
Zusätzlich zu den hier gezeigten Anordnungen sind viele weitere Anordnungen möglich. In jedem Fall wird durch die Anordnung der Segmente erreicht, dass die Verdrehung der Segmente nicht der zweiten Torsionseigenfrequenz folgt und diese somit nicht verstärkt, sondern deren Anregung reduziert oder sogar verhin- dert.
Durch die hier beschriebene W-förmige oder Zick-Zack-förmige Rotorschrägung ist es daher möglich, zusätzlich zu einer Reduzierung der Anregung der ersten Torsionseigenfrequenz des Rotors auch die Anregung der zweiten T orsionseigen- frequenz zu reduzieren. Auf diese Weise kann das akustische Verhalten der elektrischen Maschine verbessert werden.
Bezuqszeichen
1-8 Segment
10 Rotor
P magnetischer Pot R Referenzwinkellage a Winkel

Claims

Rotor
Figure imgf000015_0001
1 , Rotor (10) einer elektrischen Maschine, welcher mehrere in axialer Richtung nebeneinander angeordnete Segmente (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8) aufweist, wobei jedes der Segmente (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8) mehrere magnetische Pole (P) aufweist, die koaxial zu einer Rotationsachse der elektrischen Maschine und in Umfangsrichtung des Segments (1 , 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8) gleichverteilt angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (1 , 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8) in Umfangsrich- tung derart angeordnet sind, dass die magnetischen Pole (P) von angrenzenden Segmenten (2, 3, 5, 6, 7), die an eines oder mehrere mittlere Segmente (3, 4, 5) angrenzen, in einer ersten Winkelrichtung zu den magnetischen Polen (P) des einen oder der mehreren mittleren Segmente (3, 4, 5) verdreht sind, und dass die magnetischen Pole (P) von Segmenten (1 , 2, 6, 7, 8), die nach außen an die an- grenzenden Segmente anschließen, in einer zweiten Winkel richtung, entgegengesetzt zu der ersten Winkelrichtung, verdreht sind.
2, Rotor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (1 , 2,
3, 4, 5, 6, 7, 8) in Umfangsrichtung derart angeordnet sind, dass die magnetischen Pole (P) der Segmente (1 , 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8) eine W-förmige Schrägung ergeben.
3. Rotor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (1 , 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8) in Umfangsrichtung derart angeordnet sind, dass die magnetischen Pole (P) der Segmente (1 , 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8) eine Zick-Zack-förmige Schrägung ergeben.
4. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schrägung der Segmente (1 , 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8) achsensymmetrisch ausgeführt ist, so dass die magnetischen Pole (P) paarweise, symmetrisch zur Mitte, eine gleiche relative WinKellage aufweisen.
5. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (10) eine gerade Anzahl an Segmenten (1 , 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8) aufweist.
6. Rotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei mittleren Segmente (3, 4, 5) die gleiche relative Winkellage aufweisen und zueinander nicht versetzt sind.
7. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetischen Pole (P) von zwei nebeneinander angeordneten Segmenten (1 , 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8) die gleiche relative Winkellage aufweisen und zueinander nicht versetzt sind oder in derselben Winkelrichtung verdreht sind.
8. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetischen Pole (P) des einen oder der mehreren mittleren Segmente (3, 4, 5) gegenüber einer Referenzwinkellage (R) verdreht sind.
9. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetischen Poie (P) des einen oder der mehreren mittleren Segmente (3, 4, 5) in einer Referenzwinkellage (R) angeordnet sind,
10. Rotor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die magnetischen Pole (P) von weiteren nach außen folgenden Segmenten (1, 2, 3, 5, 6, 7, 8) in abwechselnden Winkelrichtungen verdreht sind.
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