WO2020177964A1 - Rotor für eine permanenterregte elektrische maschine mit stützstruktur - Google Patents

Rotor für eine permanenterregte elektrische maschine mit stützstruktur Download PDF

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WO2020177964A1
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Norman Borchardt
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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    • H02K2201/03—Machines characterised by aspects of the air-gap between rotor and stator

Definitions

  • the invention relates to a rotor for a permanent-magnet electrical machine with at least two rotor poles arranged adjacent in the circumferential direction.
  • the rotor has a rotor iron and one embedded in the rotor iron
  • Permanent magnet arrangement for generating a magnetic air gap flux density in an air gap of the electrical machine adjoining the outside of the rotor iron.
  • the permanent magnet arrangement has at least one permanent magnet divided into two permanent magnet parts for each rotor pole.
  • the invention also relates to a permanently excited electrical machine and a motor vehicle.
  • Permanent-magnet electrical machines for motor vehicles.
  • Such machines can be used, for example, as drive machines for electrically drivable motor vehicles, that is to say electric or hybrid vehicles.
  • Permanently excited electrical machines have a stationary mounted stator with stator windings that can be energized and a rotor with a permanent magnet arrangement that is rotatably mounted with respect to the stator.
  • the permanent magnet arrangement can, for example, have surface magnets which are arranged on an outside of a rotor iron of the rotor, or embedded or buried permanent magnets which are arranged in cavities in the rotor iron.
  • a dimension, in particular a width, of embedded permanent magnets is largely determined by a supporting effect of the rotor iron.
  • a horizontal, tangential arrangement of the permanent magnets can often not be selected, since the rigidity of the rotor iron is not sufficient to achieve the
  • Permanent magnets are arranged on the one hand in a V-arrangement. However, this has the consequence that with the same permanent magnet dimensions, a resulting
  • the permanent magnets can be divided into permanent magnet parts and separated from one another by an air-filled cavity or air web or by a solid iron web made of rotor iron material.
  • massive iron webs between the permanent magnet parts cause an increase in magnetic leakage fluxes in the rotor iron material and thus a reduction in the torque. To compensate for this loss of torque, the
  • Permanent magnets are formed with more magnetic material, which results in higher costs and a higher mass moment of inertia. This will make the
  • Short circuit can only be insufficiently diverted.
  • air gaps ensure an unfavorable distribution of mechanical stresses in the rotor iron.
  • a rotor according to the invention for a permanently excited electrical machine comprises at least two magnetic rotor poles arranged adjacent in the circumferential direction.
  • the rotor has a rotor iron and one embedded in the rotor iron
  • Permanent magnet arrangement for generating a magnetic air gap flux density in an air gap of the electrical machine adjoining the outside of the rotor iron.
  • the permanent magnet arrangement has at least one permanent magnet divided into at least two permanent magnet parts for each rotor pole.
  • a web is arranged between the at least two permanent magnet parts of a permanent magnet which has at least two cavities for receiving the
  • the bridge points magnetically conductive support sections to increase the mechanical rigidity of the rotor iron and to divert external magnetic fluxes in the event of an active short circuit introduced into the electrical machine.
  • the web has magnetic
  • the invention also relates to a permanently excited electrical machine with a stator and a rotor according to the invention that is rotatably mounted with respect to the stator, an air gap being formed between the rotor and the stator.
  • the air gap thus lies along a radial direction between the rotor and the stator.
  • the electric machine can be used, for example, as a traction machine for an electrically drivable motor vehicle.
  • the electrical machine is in particular an internal rotor machine.
  • the electrical machine has the stator, which has a stator iron or stator lamination package with grooves distributed in the circumferential direction. Stator windings that can be energized are arranged in the grooves facing the air gap between stator and rotor. In the case of the permanently excited
  • the laminated stator core is designed in the shape of a hollow cylinder, with the rotor being rotatably mounted in an interior space enclosed by the hollow cylindrical laminated core core.
  • the air gap is formed between an inner side of the stator facing the interior and having the grooves and the outer side of the rotor iron.
  • the rotor iron or rotor lamination packet is in particular also designed in the shape of a hollow cylinder and has an inside facing the axis of rotation and the outside facing the air gap.
  • the inside encloses a rotor shaft which extends axially along the axis of rotation and which is connected to the rotor in a rotationally fixed manner.
  • the rotor has at least two magnetic rotor poles, each rotor pole being assigned a sector of the rotor iron. Two adjacent rotor poles in the form of a south pole and a north pole form a rotor pole pair. At least one permanent magnet is arranged in each sector.
  • the permanent magnets of the rotor poles are divided and buried or embedded permanent magnets.
  • a cavity is formed in the rotor iron for each permanent magnet part of a permanent magnet, which cavity extends axially through the rotor iron and in which the permanent magnet part is arranged.
  • This rotor iron material forms respective bridges in radial direction over the permanent magnet parts or above the permanent magnet parts, which extend along the circumferential direction. The magnetic fluxes of the permanent magnet parts between the air gap, the permanent magnet parts and the stator are conducted via these bridges and generate the air gap flux density in the air gap of the electrical machine.
  • Each rotor pole has a web that connects the two cavities
  • Permanent magnet parts separated from each other and which extends essentially in the radial direction.
  • a width of the web in the circumferential direction is in particular significantly smaller than a width of the permanent magnet parts.
  • a length of the web in the radial direction corresponds in particular to a radial height of the cavities adjoining the web.
  • An active short circuit can be brought about in a targeted manner in order to avoid damage in the event of excessively high electrical voltages on the electrical machine and thus to provide a safe operating mode for the electrical machine.
  • connecting lines can be short-circuited by an inverter connected upstream of the electrical machine in order to carry out the active short circuit.
  • the web has a support structure made of the magnetically conductive parts
  • Support sections which also increases the stability of the rotor iron.
  • This support structure thus advantageously allows larger elastic deformations at high speeds of the rotor under load, so that in particular large-volume
  • Permanent magnet parts can be used.
  • such a support structure results in design freedom with regard to the possible arrangements for the permanent magnet parts in the laminated core, which enables targeted optimization, for example with regard to the dimensions and shapes of the permanent magnet parts.
  • the web is provided for magnetic leakage flux, which
  • Stray magnetic fluxes can have a useful torque-forming, sinusoidal
  • the web has a magnetic flux barrier structure made up of the magnetically insulating flux barrier sections.
  • the magnetic flux blocking sections have a significantly greater reluctance or a significantly greater magnetic resistance compared to the magnetically conductive support sections.
  • the magnetic flux barrier sections are preferably also designed to be electrically insulating.
  • the magnetic flux blocking sections act as barriers for the magnetic leakage flux.
  • the magnetic leakage fluxes can be specifically controlled by the magnetic flux blocking sections, which has the consequence that, compared to a structure with a solid iron bar, a
  • Torque yield is improved and torque ripples are reduced.
  • Rotor iron by means of which both a mechanical power flow and an electromagnetic flow can be controlled in a targeted manner in order to provide a stable, low-loss electrical machine.
  • the permanent magnet parts are oriented tangentially with respect to an axis of rotation of the rotor and are arranged horizontally next to one another.
  • a magnet longitudinal axis of the permanent magnet parts is thus oriented tangentially to the axis of rotation and tangentially to the outside of the rotor iron.
  • Permanent magnet parts are particularly oriented perpendicular to the magnet's longitudinal axis.
  • the permanent magnet parts are arranged horizontally next to one another at an angle of 180 °.
  • the web extending in the radial direction thus has a constant width in particular over its radial length.
  • This horizontal arrangement of the permanent magnet parts which requires a high mechanical stability of the rotor iron particularly at high speeds of the electrical machine, is possible due to the support structure of the web which improves a supporting effect of the rotor iron.
  • Such a horizontal arrangement of the permanent magnet parts results in comparison to a V-arrangement with an angle of less than 180 ° in a higher magnetic air gap flux density in the air gap and thus in a higher torque.
  • the surfaces of the permanent magnet parts which face the outside of the rotor iron are convexly curved and the cavities have a concavely curved inner side corresponding to the convexly curved surface.
  • the concave surface of the permanent magnet parts is arranged, for example, in contact with the concave inside of the cavity. Due to the concave inside of the cavity, which extends in particular parallel to the outside of the rotor iron, the bridges between the cavities and the
  • the outside of the rotor iron is arcuate and has a constant radial thickness in the circumferential direction.
  • Air gap flux density gradient be favored in an advantageous manner.
  • the magnetic flux barrier sections are particularly preferably designed as cavities in the rotor iron and the support sections are designed as rotor iron material adjoining the cavities.
  • the magnetically insulating flux barrier structure is therefore designed as a cavity structure.
  • the web sections made of rotor iron material form the support structure, which in the case of an active short circuit, the outer ones
  • the web is thus formed in some areas as an air web through the cavities and in some regions as a solid iron web through the sections made of rotor iron material.
  • the advantages of the solid iron bar, which increases the mechanical rigidity and dissipates external magnetic fluxes in an AKS, and the air bar, which reduces magnetic leakage fluxes in the rotor iron, are combined.
  • magnetic flux blocking sections designed as cavities can be produced particularly easily in the rotor iron. These cavities also ensure a favorable distribution of mechanical stresses in the rotor iron and reduce the volume and weight of the rotor iron. In this way, costs can be saved in an advantageous manner.
  • the cavity structure can advantageously be used for active or passive cooling of the rotor.
  • the magnetic flux barrier sections for example the cavities, are arranged at a distance from one another in the radial direction, so that in the web, magnetic flux barrier sections and mechanical ones alternate in the radial direction
  • the magnetic flux barrier sections can for example, be equidistant or non-equidistant from one another.
  • the magnetic flux blocking sections can also have different or identical geometries or shapes.
  • the cavities are electrically and magnetically
  • insulating support material are filled to further increase the mechanical stability of the rotor iron.
  • a support material can be a plastic, for example.
  • Such a support material can further increase the mechanical rigidity of the rotor without increasing the magnetic leakage flux in the rotor iron.
  • the invention also includes a motor vehicle with a permanently excited electrical machine according to the invention.
  • the motor vehicle is in particular an electric or hybrid vehicle and has the electric machine as an electric one
  • FIG. 1 a schematic sectional illustration of a sector of an embodiment of an electrical machine.
  • the permanently excited electrical machine 1 shown in FIG. 1 can be used, for example, as an electrical traction machine of an electrically drivable one, not shown here
  • the electrical machine 1 comprises a stator 2 and a rotor 3 which is rotatably mounted with respect to the stator 2 about an axis of rotation A.
  • the stator 2 and the rotor 3 are arranged at a distance from one another, forming an air gap 4.
  • the stator 2 has a stator core 5 with a variety of in the circumferential direction U distributed grooves 6, in which energizable
  • Windings 7 of the stator 2 are arranged to generate a rotating field.
  • the stator 3 can be excited to rotate about the axis of rotation A through this rotating field.
  • the rotor 3 has at least two rotor poles P, a rotor pole P being shown here in the form of a magnetic north pole, for example.
  • a rotor pole P (not shown here) in the form of a magnetic south pole follows the magnetic north pole.
  • the rotor 3 has a rotor iron 8 or a laminated core which has an outer side 9 facing the air gap 4.
  • each rotor pole P has at least one permanent magnet 10, which acts as one in two
  • Permanent magnet parts 10a, 10b divided permanent magnet is formed.
  • a first permanent magnet part 10a is arranged in a first cavity 11 of the rotor iron 8 and a second permanent magnet part 10b is in a second cavity 12 of the
  • Rotor iron 8 arranged.
  • the cavities 11, 12 extend through the rotor iron 8 in an axial direction oriented along the axis of rotation A.
  • the divided permanent magnet 10 shown here forms an embedded permanent magnet arrangement with the divided permanent magnets 10 of the other rotor poles P of the rotor 3.
  • This embedded permanent magnet arrangement generates a magnetic flux density or air gap flux density in the air gap 4, the course of which influences an operation of the electrical machine 1.
  • the permanent magnet parts 10a, 10b are here tangential, extending in the circumferential direction U and arranged horizontally next to one another and have a magnetization oriented along the radial direction R.
  • the permanent magnet parts 10a, 10b here also have a convex surface that is curved in the direction of the air gap 4
  • This convex surface 13 can promote a sinusoidal course of the air gap flux density in the air gap 4.
  • the rotor iron 8 is sufficiently stable, even at high speeds of the electrical machine 1, to allow the
  • the support sections 15 are made of Formed rotor iron material and are therefore magnetically conductive. By means of these magnetically conductive support sections 15, external magnetic field strengths can be applied to the electrical machine 1 in the event of a short circuit actively brought about
  • Permanent magnet parts 10a, 10b are passed over and thus derived.
  • the support sections 15 can therefore prevent the permanent magnet parts 10a,
  • the web 14 has magnetic flux blocking sections 16 which penetrate the rotor iron material in the axial direction and which are designed to be magnetically insulating.
  • the magnetically insulating flux blocking sections 16, which are designed here as cavities in the rotor iron 8, can reduce magnetic leakage fluxes that occur at the edges of the permanent magnet parts 10a, 10b.
  • These magnetically insulating flux blocking sections 16 namely form barriers for magnetic leakage fluxes and thus control them in a targeted manner, as a result of which more magnetic flux density is available in the air gap 4 for the electromechanical conversion. Due to the magnetic flux blocking sections 16 between the permanent magnet parts 10a, 10b, the magnetic flux density in this web 14 can on the one hand be selectively bundled and on the other hand be distributed favorably.
  • both the mechanical power flow and the magnetic fluxes can be controlled and specifically optimized as required.

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

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rotor (3) für eine permanenterregte elektrische Maschine (1) mit zumindest zwei, in Umfangsrichtung (U) benachbart angeordneten Rotorpolen (P), aufweisend - ein Rotoreisen (8), - eine in das Rotoreisen (8) eingebettete Permanentmagnetanordnung zur Erzeugung einer magnetischen Luftspaltflussdichte, welche pro Rotorpol (P) zumindest einen, in zumindest zwei Permanentmagnetteile (10a, 10b) geteilten Permanentmagneten (10) aufweist, wobei zwischen den zumindest zwei Permanentmagnetteilen (10a, 10b) eines Permanentmagneten (10) ein Steg (14) angeordnet ist, welcher zwei Hohlräume (11, 12) zum Aufnehmen der Permanentmagnetteile (10a, 10b) separiert und welcher magnetisch leitfähige Stützabschnitte (15) zur Erhöhung einer mechanischen Steifigkeit des Rotoreisens (8) und zur Ableitung äußerer magnetischer Flüsse im Falle eines in die elektrische Maschine (1) eingeleiteten aktiven Kurzschlusses und magnetisch isolierende Flusssperrabschnitte (16) zur Reduzierung von magnetischen Streuflüssen aufweist. Die Erfindung betrifft außerdem eine elektrische Maschine sowie ein Kraftfahrzeug.

Description

Rotor für eine permanenterregte elektrische Maschine mit Stützstruktur
Die Erfindung betrifft einen Rotor für eine permanenterregte elektrische Maschine mit zumindest zwei, in Umfangsrichtung benachbart angeordneten Rotorpolen. Der Rotor weist ein Rotoreisen sowie eine in das Rotoreisen eingebettete
Permanentmagnetanordnung zur Erzeugung einer magnetischen Luftspaltflussdichte in einem an die Außenseite des Rotoreisens angrenzenden Luftspalt der elektrischen Maschine auf. Die Permanentmagnetanordnung weist pro Rotorpol zumindest einen, in zwei Permanentmagnetteile geteilten Permanentmagneten auf. Die Erfindung betrifft außerdem eine permanenterregte elektrische Maschine sowie ein Kraftfahrzeug.
Vorliegend richtet sich das Interesse auf permanenterregte elektrische Maschinen für Kraftfahrzeuge. Solche Maschinen können beispielsweise als Antriebsmaschinen für elektrisch antreibbare Kraftfahrzeuge, also Elektro- oder Hybridfahrzeuge, eingesetzt werden. Permanenterregte elektrische Maschinen weisen einen ortsfest gelagerten Stator mit bestrombaren Statorwicklungen sowie einen bezüglich des Stators drehbar gelagerten Rotor mit einer Permanentmagnetanordnung auf. Die Permanentmagnetanordnung kann beispielsweise Oberflächenmagnete, welche an einer Außenseite eines Rotoreisens des Rotors angeordnet sind, oder eingebettete bzw. vergrabene Permanentmagnete, welche in Hohlräumen des Rotoreisens angeordnet sind, aufweisen.
Eine Abmessung, insbesondere eine Breite, von eingebetteten Permanentmagnete wird maßgeblich durch eine Stützwirkung des Rotoreisens bestimmt. Bei hochdrehenden Rotoren kann eine horizontale, tangentiale Anordnung der Permanentmagnete oft nicht gewählt werden, da die Steifigkeit des Rotoreisens nicht ausreichend ist, um die
Permanentmagnete entsprechend zu stützen, wodurch es zum Bruch eines der
Permanentmagnete kommen kann. Um dies zu verhindern, können die
Permanentmagnete einerseits in einer V-Anordnung angeordnet werden. Dies hat jedoch zur Folge, dass bei gleichen Permanentmagnetabmessungen ein resultierendes
Drehmoment, aufgrund einer geringeren magnetischen Flussdichte im Luftspalt, geringer ausfällt. Andererseits können die Permanentmagnete in Permanentmagnetteile geteilt und durch einen mit Luft gefüllten Hohlraum bzw. Luftsteg oder durch einen massiven Eisensteg aus Rotoreisenmaterial voneinander getrennt werden. Massive Eisenstege zwischen den Permanentmagnetteilen verursachen jedoch eine Zunahme von magnetischen Streuflüssen in dem Rotoreisenmaterial und somit eine Reduzierung des Drehmoments. Um diesen Drehmomentverlust auszugleichen, müssten die
Permanentmagnete mit mehr Magnetmaterial ausgebildet werden, was höhere Kosten und ein höheres Massenträgheitsmoment zur Folge hat. Dadurch werden die
Wirtschaftlichkeit und die dynamischen Eigenschaften, wie beispielsweise das
Beschleunigungsvermögen, der elektrischen Maschine negativ beeinflusst. Luftstege zwischen den Permanentmagnetteilen führen zwar zu einer Reduzierung der magnetischen Streuflüsse, haben jedoch zur Folge, dass magnetische Flüsse bzw. Feldstärken im Falle eines in die elektrische Maschine eingeleiteten aktiven
Kurzschlusses nur unzureichend abgeleitet werden können. Außerdem sorgen Luftstege für eine ungünstige Verteilung von mechanischen Spannungen im Rotoreisen.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine besonders einfach realisierbare Lösung zur Bereitstellung eines Streuflussarmen und gleichzeitig stabilen Rotors für eine permanenterregte elektrische Maschine bereitzustellen, welcher zudem magnetische Flüsse in Fall eines aktiven Kurzschlusses ableiten kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Rotor, eine permanenterregte elektrische Maschine sowie ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß den jeweiligen unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche, der Beschreibung sowie der Figur.
Ein erfindungsgemäßer Rotor für eine permanenterregte elektrische Maschine umfasst zumindest zwei, in Umfangsrichtung benachbart angeordnete magnetische Rotorpole. Der Rotor weist ein Rotoreisen sowie eine in das Rotoreisen eingebettete
Permanentmagnetanordnung zur Erzeugung einer magnetischen Luftspaltflussdichte in einem an die Außenseite des Rotoreisens angrenzenden Luftspalt der elektrischen Maschine auf. Die Permanentmagnetanordnung weist pro Rotorpol zumindest einen, in zumindest zwei Permanentmagnetteile geteilten Permanentmagneten auf. Zwischen den zumindest zwei Permanentmagnetteilen eines Permanentmagneten ist ein Steg angeordnet, welcher zumindest zwei Hohlräume zum Aufnehmen der
Permanentmagnetteile und damit die in den Hohlräumen angeordneten
Permanentmagnetteile eines Permanentmagneten separiert. Der Steg weist magnetisch leitfähige Stützabschnitte zur Erhöhung einer mechanischen Steifigkeit des Rotoreisens und zur Ableitung äußerer magnetischer Flüsse im Falle eines in die elektrische Maschine eingeleiteten aktiven Kurzschlusses auf. Außerdem weist der Steg magnetisch
isolierende Flusssperrabschnitte zur Reduzierung von magnetischen Streuflüssen auf.
Die Erfindung betrifft außerdem eine permanenterregte elektrische Maschine mit einem Stator und einem bezüglich des Stators drehbar gelagerten erfindungsgemäßen Rotor, wobei zwischen dem Rotor und dem Stator ein Luftspalt ausgebildet ist. Der Luftspalt liegt also entlang einer radialen Richtung zwischen dem Rotor und dem Stator.
Die elektrische Maschine kann beispielsweise als Traktionsmaschine für ein elektrisch antreibbares Kraftfahrzeug verwendet werden. Die elektrische Maschine ist insbesondere eine Innenläufer-Maschine. Die elektrische Maschine weist den Stator auf, welcher ein Statoreisen bzw. Statorblech paket mit in Umfangsrichtung verteilt angeordneten Nuten aufweist. In den Nuten, welche dem Luftspalt zwischen Stator und Rotor zugewandt sind, sind bestrombare Statorwicklungen angeordnet. Im Falle der permanenterregten
Innenläufer-Maschine ist das Statorblechpaket hohlzylinderförmig ausgebildet, wobei in einem durch das hohlzylinderförmige Statorblech paket umschlossenen Innenraum der Rotor drehbar gelagert ist. Zwischen einer dem Innenraum zugewandten, die Nuten aufweisenden Innenseite des Stators und der Außenseite des Rotoreisens ist der Luftspalt ausgebildet.
Das Rotoreisen bzw. Rotorblechpaket ist insbesondere ebenfalls hohlzylinderförmig ausgebildet und weist eine der Rotationsachse zugewandte Innenseite und die dem Luftspalt zugewandte Außenseite auf. Die Innenseite umschließt eine sich axial entlang der Rotationsachse erstreckende Rotorwelle, welche drehfest mit dem Rotor verbunden ist. Der Rotor weist zumindest zwei magnetische Rotorpole auf, wobei jedem Rotorpol ein Sektor des Rotoreisens zugeordnet ist. Zwei benachbarte Rotorpole in Form von einem Südpol und einem Nordpol bilden ein Rotorpolpaar aus. Dabei ist in jedem Sektor zumindest ein Permanentmagnet angeordnet. Die Permanentmagnete der Rotorpole sind dabei geteilte und vergrabene bzw. eingebettete Permanentmagnete. Dazu ist in dem Rotoreisen für jeden Permanentmagnetteil eines Permanentmagneten ein Hohlraum ausgebildet, welcher sich axial durch das Rotoreisen hindurch erstreckt und in welchem der Permanentmagnetteil angeordnet ist. Dabei liegt in radialer Richtung zwischen einem jeweiligen Hohlraum und der dem Luftspalt zugewandten Außenseite des Rotoreisens und damit zwischen dem in dem Hohlraum angeordneten Permanentmagnetteil und dem Luftspalt Rotoreisenmaterial. Dieses Rotoreisenmaterial bildet jeweilige Brücken in radialer Richtung über den Permanentmagnetteilen bzw. oberhalb der Permanentmagnetteile aus, welche sich entlang der Umfangsrichtung erstrecken. Über diese Brücken werden die magnetischen Flüsse der Permanentmagnetteile zwischen dem Luftspalt, den Permanentmagnetteilen und dem Stator geleitet und erzeugen im Luftspalt der elektrischen Maschine die Luftspaltflussdichte.
In Umfangsrichtung zwischen zwei Permanentmagnetteilen eines magnetischen
Rotorpols befindet sich jeweils ein Steg, welcher die zwei Hohlräume der
Permanentmagnetteile voneinander separiert und welcher sich im Wesentlichen in radialer Richtung erstreckt. Eine Breite des Stegs in Umfangrichtung ist insbesondere deutlich geringer als eine Breite der Permanentmagnetteile. Eine Länge des Stegs in radialer Richtung entspricht dabei insbesondere einer radialen Höhe der an den Steg angrenzenden Hohlräume. Dieser Steg ist zum einen dazu vorgesehen, die mechanische Steifigkeit der permanenterregten elektrischen Maschine bei elastischen Verformungen, welche insbesondere bei hohen Drehzahlen der elektrischen Maschine auftreten, zu gewährleisten und äußere magnetische Flüsse bzw. magnetische Feldstärken bei einem aktiven Kurzschluss (AKS) abzuleiten.
Ein aktiver Kurzschluss kann zum Vermeiden von Schäden bei zu hohen elektrischen Spannungen an der elektrischen Maschine und somit zum Bereitstellen eines sicheren Betriebsmodus für die elektrische Maschine gezielt herbeigeführt werden. Beispielsweise können Anschlussleitungen durch einen der elektrischen Maschine vorgeschalteten Wechselrichter zum Durchführen des aktiven Kurzschlusses kurzgeschlossen werden.
Bei einem solchen aktiven Kurzschluss werden jedoch magnetische Flüsse bzw.
Feldstärken von der Statorwicklung in das Rotoreisen eingeleitet, welche die
Permanentmagnetteile durchdringen und damit entmagnetisieren könnten. Um diese magnetischen Fleldstärken an den Permanentmagnetteilen vorbei zu leiten und damit abzuleiten, weist der Steg eine Stützstruktur aus den magnetisch leitfähigen
Stützabschnitten auf, welche zudem eine Stabilität des Rotoreisens erhöht. Diese Stützstruktur lässt also in vorteilhafter Weise größere elastische Verformungen bei hohen Drehzahlen des Rotors unter Last zu, sodass insbesondere großvolumige
Permanentmagnetteile verwendet werden können. Außerdem ergibt sich durch eine solche Stützstruktur ein Gestaltungsfreiraum hinsichtlich der Anordnungsmöglichkeiten der Permanentmagnetteile im Blechpaket, was eine gezielte Optimierung, beispielsweise hinsichtlich Abmessungen und Formen der Permanentmagnetteile, ermöglicht. Zum anderen ist der Steg dafür vorgesehen, magnetische Streuflüsse, welche
insbesondere an Rändern der Permanentmagnetteile entstehen, zu verringern.
Magnetische Streuflüsse können eine nutzdrehmomentbildende, sinusförmige
Grundharmonische der Luftspaltflussdichte durch harmonische Oberwellen überlagern, welche verantwortlich sind für eine zusätzliche Verlustleistung in dem Rotoreisen und damit für eine zusätzliche Erwärmung der elektrischen Maschine. Außerdem verursachen die harmonischen Oberwellen zusätzliche Welligkeiten bzw. Ungleichförmigkeiten im Drehmoment. Zum Reduzieren der magnetischen Streuflüsse weist der Steg eine magnetische Flusssperrstruktur aus den magnetisch isolierenden Flusssperrabschnitten auf. Die magnetischen Flusssperrabschnitte weisen eine im Vergleich zu den magnetisch leitfähigen Stützabschnitten deutlich größere Reluktanz bzw. einen deutlich größeren magnetischen Widerstand auf. Vorzugsweise sind die magnetischen Flusssperrabschnitte zusätzlich auch elektrisch isolierend ausgebildet. Die magnetischen Flusssperrabschnitte wirken dabei als Barrieren für den magnetischen Streufluss. Durch die magnetischen Flusssperrabschnitte können die magnetischen Streuflüsse gezielt gesteuert werden, was zur Folge hat, dass gegenüber einer Struktur mit einem massiven Eisensteg eine
Drehmomentausbeute verbessert wird und Drehmomentwelligkeiten reduziert werden.
Die mechanische Stützstruktur und die magnetische Flusssperrstruktur, aus welchen der Steg besteht, bilden somit eine elektromagnetisch-mechanische Struktur in dem
Rotoreisen, durch welche in vorteilhafter weise sowohl ein mechanischer Kraftfluss als auch ein elektromagnetischer Fluss zum Bereitstellen einer verlustarmen und stabilen elektrischen Maschine gezielt gesteuert werden kann.
Insbesondere sind die Permanentmagnetteile tangential bezüglich einer Rotationsachse des Rotors orientiert und horizontal nebeneinander angeordnet. Eine Magnetlängsachse der Permanentmagnetteile ist also tangential zur Rotationsachse und tangential zur Außenseite des Rotoreisens orientiert. Eine Magnetisierungsrichtung der
Permanentmagnetteile ist insbesondere senkrecht zur Magnetlängsachse orientiert.
Dabei sind die Permanentmagnetteile horizontal nebeneinander liegend, mit einem Winkel von 180°, angeordnet. Der sich in radialer Richtung erstreckende Steg weist dadurch über seine radiale Länge insbesondere eine konstante Breite auf. Diese horizontale Anordnung der Permanentmagnetteile, welche insbesondere bei hohen Drehzahlen der elektrischen Maschine eine hohe mechanische Stabilität des Rotoreisens erfordert, ist aufgrund der eine Stützwirkung des Rotoreisens verbessernden Stützstruktur des Stegs möglich. Eine solche horizontale Anordnung der Permanentmagnetteile resultiert im Vergleich zu einer V-Anordnung mit einem Winkel von kleiner 180° in einer höheren magnetischen Luftspaltflussdichte im Luftspalt und damit in einem höheren Drehmoment.
Es erweist sich als vorteilhaft, wenn Oberflächen der Permanentmagnetteile, welche der Außenseite des Rotoreisens zugewandt sind, konvex gewölbt sind und die Hohlräume eine zu der konvex gewölbten Oberfläche korrespondierende konkav gewölbte Innenseite aufweisen. Die konkave Oberfläche der Permanentmagnetteile ist beispielsweise anliegend an der konkaven Innenseite des Hohlraums angeordnet. Durch die konkave Innenseite des Hohlraums, welche sich insbesondere parallel zu der Außenseite des Rotoreisens erstreckt, werden die Brücken zwischen den Hohlräumen und der
Außenseite des Rotoreisens bogenförmig ausgebildet und weisen in Umfangsrichtung eine konstante radiale Dicke auf. Durch diese Form der Permanentmagnete kann die erwünschte Sinusform der Grundharmonischen des magnetischen
Luftspaltflussdichteverlaufs in vorteilhafter Weise begünstig werden.
Besonders bevorzugt sind die magnetischen Flusssperrabschnitte als Kavitäten in dem Rotoreisen ausgebildet und die Stützabschnitte sind als an die Kavitäten angrenzendes Rotoreisenmaterial ausgebildet. Die magnetisch isolierende Flusssperrstruktur ist also als eine Kavitätenstruktur ausgebildet. Die Stegabschnitte aus Rotoreisenmaterial bilden dabei die Stützstruktur aus, welche bei dem aktiven Kurzschluss die äußeren
magnetischen Feldstärken an den Permanentmagnetteilen teilweise vorbeileitet. Der Steg ist also durch die Kavitäten bereichsweise als ein Luftsteg und durch die Abschnitte aus Rotoreisenmaterial bereichsweise als ein massiver Eisensteg ausgebildet. Es werden also die Vorteile des massiven Eisenstegs, welcher die mechanische Steifigkeit erhöht und äußere magnetische Flüsse bei einem AKS ableitet, und des Luftstegs, welcher magnetische Streuflüsse im Rotoreisen reduziert, kombiniert. Außerdem können als Kavitäten ausgebildete magnetische Flusssperrabschnitte besonders einfach in dem Rotoreisen hergestellt werden. Diese Kavitäten sorgen darüber hinaus für eine günstige Verteilung von mechanischen Spannungen im Rotoreisen und verringern ein Volumen sowie ein Gewicht des Rotoreisens. Hierdurch können in vorteilhafter Weise Kosten gespart werden. Zusätzlich kann die Kavitätenstruktur in vorteilhafter Weise zur aktiven oder passiven Kühlung des Rotors verwendet werden.
Insbesondere sind die magnetischen Flusssperrabschnitte, beispielsweise die Kavitäten, in radialer Richtung beabstandet zueinander angeordnet, sodass in dem Steg in radialer Richtung abwechselnd magnetische Flusssperrabschnitte und mechanische
Stützabschnitte angeordnet sind. Die magnetischen Flusssperrabschnitte können beispielsweise äquidistant oder nicht äquidistant zueinander beabstandet sein. Die magnetischen Flusssperrabschnitte können außerdem unterschiedliche oder gleiche Geometrien bzw. Formen aufweisen.
Auch kann vorgesehen sein, dass die Kavitäten mit elektrisch und magnetisch
isolierendem Stützmaterial zur weiteren Erhöhung einer mechanischen Stabilität des Rotoreisens aufgefüllt sind. Ein solches Stützmaterial kann beispielsweise ein Kunststoff sein. Durch ein solches Stützmaterial kann die mechanische Steifigkeit des Rotors weiter erhöht werden, ohne dabei die magnetischen Streuflüssen in dem Rotoreisen zu erhöhen.
Zur Erfindung gehört außerdem ein Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen permanenterregten elektrischen Maschine. Das Kraftfahrzeug ist insbesondere ein Elektro- oder Hybridfahrzeug und weist die elektrische Maschine als elektrische
Traktionsmaschine bzw. Antriebsmaschine auf.
Die mit Bezug auf den erfindungsgemäßen Rotor vorgestellten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für die erfindungsgemäße elektrische Maschine sowie für das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der Figur und der Figurenbeschreibung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar.
Die Erfindung wird nun anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigt die einzige Figur Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung eines Sektors einer Ausführungsform einer elektrischen Maschine.
Die in Fig. 1 gezeigte permanenterregte elektrische Maschine 1 kann beispielsweise als elektrische Traktionsmaschine eines hier nicht gezeigten, elektrisch antreibbaren
Kraftfahrzeugs ausgebildet sein. Die elektrische Maschine 1 umfasst einen Stator 2 und einen bezüglich des Stators 2 um eine Rotationsachse A drehbar gelagerten Rotor 3. Der Stator 2 und der Rotor 3 sind unter Ausbildung eines Luftspaltes 4 beabstandet zueinander angeordnet. Der Stator 2 weist ein Statorblech paket 5 mit einer Vielzahl von in Umfangsrichtung U verteilt angeordneten Nuten 6 auf, in welchen bestrombare
Wicklungen 7 des Stators 2 zur Erzeugung eines Drehfelds angeordnet sind. Durch dieses Drehfeld kann der Stator 3 zur Drehung um die Rotationsachse A angeregt werden.
Der Rotor 3 weist zumindest zwei Rotorpole P auf, wobei hier beispielsweise ein Rotorpol P in Form von einem magnetischen Nordpol gezeigt ist. An den magnetischen Nordpol angrenzend folgt ein hier nicht gezeigter Rotorpol P in Form von einem magnetischen Südpol. Der Rotor 3 weist ein Rotoreisen 8 bzw. Blechpaket auf, welcher bzw. welches eine dem Luftspalt 4 zugewandte Außenseite 9 aufweist. Außerdem weist jeder Rotorpol P zumindest einen Permanentmagneten 10 auf, welcher als ein in zwei
Permanentmagnetteile 10a, 10b geteilter Permanentmagnet ausgebildet ist. Ein erster Permanentmagnetteil 10a ist in einem ersten Hohlraum 11 des Rotoreisens 8 angeordnet und ein zweiter Permanentmagnetteil 10b ist in einem zweiten Hohlraum 12 des
Rotoreisens 8 angeordnet. Die Hohlräume 11 , 12 erstrecken sich in einer axialen, entlang der Rotationsachse A orientierten Richtung durch das Rotoreisen 8 hindurch. Der hier gezeigte geteilte Permanentmagnet 10 bildet mit den geteilten Permanentmagneten 10 der anderen Rotorpole P des Rotors 3 eine eingebettete Permanentmagnetanordnung aus. Diese eingebettete Permanentmagnetanordnung erzeugt in dem Luftspalt 4 eine magnetische Flussdichte bzw. Luftspaltflussdichte, deren Verlauf einen Betrieb der elektrischen Maschine 1 beeinflusst. Insbesondere beeinflusst der Verlauf der
Luftspaltflussdichte eine Größe und eine Welligkeit des Drehmoments der elektrischen Maschine 1 sowie Verlustleistungen der elektrischen Maschine 1.
Die Permanentmagnetteile 10a, 10b sind hier tangential, sich in Umfangsrichtung U erstreckend und horizontal nebeneinander angeordnet und weisen eine entlang der radialen Richtung R orientierte Magnetisierung auf. Die Permanentmagnetteile 10a, 10b weisen hier außerdem eine konvexe, in Richtung des Luftspaltes 4 gewölbte Oberfläche
13 auf. Durch diese konvexe Oberfläche 13 kann im Luftspalt 4 ein sinusförmiger Verlauf der Luftspaltflussdichte begünstigt werden. Bei einer tangentialen Anordnung der Permanentmagnetteile 10a, 10b muss gewährleistet werden, dass das Rotoreisen 8 auch bei hohen Drehzahlen der elektrischen Maschine 1 ausreichend stabil ist, um die
Permanentmagnetteile 10a, 10b entsprechend zu stützen und einen Bruch der
Permanentmagnetteile 10a, 10b zu verhindern. Daher ist in Umfangsrichtung U zwischen den Permanentmagnetteilen 10a, 10b ein sich in radialer Richtung R erstreckender Steg
14 angeordnet, welcher Stützabschnitte 15 aufweist, die eine mechanische Stabilität bzw. Steifigkeit des Rotoreisens 8 erhöhen. Die Stützabschnitte 15 sind aus Rotoreisenmaterial gebildet und sind daher magnetisch leitfähig. Durch diese magnetisch leitfähigen Stützabschnitte 15 können äußere magnetische Feldstärken im Falle eines in der elektrischen Maschine 1 aktiv herbeigeführten Kurzschlusses an den
Permanentmagnetteilen 10a, 10b vorbei geführt und damit abgeleitet werden. Durch die Stützabschnitte 15 kann also verhindert werden, dass die Permanentmagnetteile 10a,
10b durch die äußeren magnetischen Flüsse bei dem aktiven Kurzschluss
entmagnetisiert werden.
Außerdem weist der Steg 14 magnetische Flusssperrabschnitte 16 auf, welche das Rotoreisenmaterial in axialer Richtung durchsetzen und welche magnetisch isolierend ausgebildet sind. Durch die magnetisch isolierenden Flusssperrabschnitte 16, welche hier als Kavitäten in dem Rotoreisen 8 ausgebildet sind, können magnetische Streuflüsse, welche an Rändern der Permanentmagnetteile 10a, 10b auftreten, reduziert werden. Diese magnetisch isolierenden Flusssperrabschnitte 16 bilden nämlich Barrieren für magnetische Streuflüsse und steuern diese somit gezielt, wodurch im Luftspalt 4 mehr magnetische Flussdichte für die elektromechanische Wandlung zur Verfügung steht. Durch die magnetischen Flusssperrabschnitte 16 zwischen den Permanentmagnetteilen 10a, 10b kann die magnetische Flussdichte in diesem Steg 14 einerseits gezielt gebündelt und andererseits günstig verteilt werden. Hier sind die Kavitäten äquidistant zueinander angeordnet und weisen alle die gleiche Form auf. Zusammenfassend lässt sich durch eine definierte Gestaltung einer Struktur aus mechanischen Stützabschnitten 15 und magnetischen Flusssperrabschnitten 16 zwischen den Permanentmagnetteilen 10a, 10b sowohl der mechanische Kraftfluss als auch die magnetischen Flüsse steuern und gezielt auf den Bedarf hin optimieren.
Bezugszeichenliste
1 Elektrische Maschine
2 Stator
3 Rotor
4 Luftspalt
5 Statorblechpaket
6 Nuten
7 Wicklungen
8 Rotoreisen
9 Außenseite
10 Permanentmagnet 10
Figure imgf000012_0001
Permanentmagnetteile 11 Erster Hohlraum
12 Zweiter Hohlraum
13 Oberfläche
14 Steg
15 Stützabschnitte
16 Flusssperrabschnitte R Radiale Richtung
U Umfangsrichtung
A Rotationsachse

Claims

Patentansprüche
1. Rotor (3) für eine permanenterregte elektrische Maschine (1) mit zumindest zwei, in Umfangsrichtung (U) benachbart angeordneten Rotorpolen (P), aufweisend
- ein Rotoreisen (8),
- eine in das Rotoreisen (8) eingebettete Permanentmagnetanordnung zur
Erzeugung einer magnetischen Luftspaltflussdichte in einem an die Außenseite (9) des Rotoreisens (8) angrenzenden Luftspalt (4) der elektrischen Maschine (1), wobei die Permanentmagnetanordnung pro Rotorpol (P) zumindest einen, in zumindest zwei Permanentmagnetteile (10a, 10b) geteilten Permanentmagneten (10) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, dass
zwischen den zumindest zwei Permanentmagnetteilen (10a, 10b) eines
Permanentmagneten (10) ein Steg (14) angeordnet ist, welcher zwei Hohlräume (11 , 12) zum Aufnehmen der Permanentmagnetteile (10a, 10b) separiert und welcher magnetisch leitfähige Stützabschnitte (15) zur Erhöhung einer
mechanischen Steifigkeit des Rotoreisens (8) und zur Ableitung äußerer magnetischer Flüsse im Falle eines in die elektrische Maschine (1) eingeleiteten aktiven Kurzschlusses und magnetisch isolierende Flusssperrabschnitte (16) zur Reduzierung von magnetischen Streuflüssen aufweist.
2. Rotor (3) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Permanentmagnetteile (10a, 10b) tangential bezüglich einer Rotationsachse (L) des Rotors (3) orientiert und horizontal nebeneinander liegend angeordnet sind.
3. Rotor (3) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
Oberflächen (13) der Permanentmagnetteile (10a, 10b), welche der Außenseite (9) des Rotoreisens (8) zugewandt sind, konvex gewölbt sind und die Hohlräume (11 , 12) eine zu der konvex gewölbten Oberfläche (13) korrespondierende konkav gewölbte Innenseite aufweisen.
4. Rotor (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Flusssperrabschnitte (16) als Kavitäten in dem Rotoreisen (8) ausgebildet sind und die Stützabschnitte (15) als an die Kavitäten angrenzendes Rotoreisenmaterial ausgebildet sind.
5. Rotor (3) nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kavitäten mit elektrisch und magnetisch isolierendem Stützmaterial zur weiteren Erhöhung einer mechanischen Steifigkeit des Rotoreisens (8) aufgefüllt sind.
6. Rotor (3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Flusssperrabschnitte (16) in radialer Richtung (R) beabstandet zueinander angeordnet sind, sodass in dem Steg (14) in radialer Richtung (R) abwechselnd Flusssperrabschnitte (16) und Stützabschnitte (15) angeordnet sind.
7. Permanenterregte elektrische Maschine (1) mit einem Stator (2) und einem
bezüglich des Stators (2) drehbar gelagerten Rotor (3) nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, wobei zwischen dem Rotor (3) und dem Stator (2) ein Luftspalt (4) ausgebildet ist.
8. Kraftfahrzeug mit einer permanenterregten elektrischen Maschine (1) nach
Anspruch 7.
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