Bürstenlose elektrische Maschine mit vergrabenen Dauernnagneten Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor oder einen Stator für eine elektrische Maschine, mit einem Grundkörper, der Polschuhe aufweist, wobei im Grundkörper Dauermagnete angeordnet sind, die in den Polschuhen magnetische Pole bilden. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin eine elektrische Maschine mit einem solchen Rotor oder Stator, sowie ein Elektroauto, ein Elektromoped oder ein Elektrofahrrad mit einer solchen elektrischen Maschine.

Es sind elektrische Maschinen bekannt mit eingebetteten Dauermagneten, die anteilig Seltenerdmetalle enthalten, beispielsweise Neodym- Eisen-

Bor- Magnete (NdFeB). Die Maschinen sind entweder als Innenpolma- schinen oder als Außenpolmaschinen ausgebildet. Bei Innenpolmaschi- nen, z. B. bei bürstenlosen Synchronmaschinen, sind die Dauermagnete im Rotor angeordnet, wobei der Rotor durch ein Wechselfeld angetrieben wird, das in der Wicklung erzeugt wird, die am Stator angeordnet ist. Bei

Außenpolmaschinen, z. B. bei kommutatorbetriebenen Gleichstrommaschinen, sind die Dauermagnete hingegen im Stator vorgesehen, und die Wicklung, in der das Wechselfeld zum Antrieb des Rotors erzeugt wird, am Rotor. Die Dauermagnete können dabei sowohl in radialer Richtung magnetisiert sein, so dass sie bei Außenpolmaschinen magnetische Pole an der dem Rotor zugewandten Seite des Stators, beziehungsweise bei Innenpolma- schinen magnetische Pole an der dem Stator zugewandten Seite des Rotors bilden. Oder die Dauermagnete sind in tangentialer Richtung magnetisiert, so dass sich die magnetischen Pole zwischen den Dauermagneten bilden.

Für solche elektrischen Maschinen wird heute gefordert, dass sie bei gleicher Drehmoment / Drehzahl- Charakteristik kleiner und leichter gebaut sind als bisher. Um diese höhere Drehmomentdichte zu erreichen, wird üblicherweise die Polzahl der elektrischen Maschine erhöht.

Jedoch verursacht eine höhere Polzahl bei gleicher Drehzahl eine höhere Frequenz des magnetischen Feldes im Betrieb der elektrischen Maschine. Das höherfrequente magnetische Feld und seine Harmonischen beziehungsweise seine Oberwellen verursachen höhere Verluste, beispielsweise höhere Wirbelströme sowie größere Hystereseverluste im Stator- und Rotorkern. Zudem verursachen die Oberwellen des magnetischen Feldes auch höhere Wirbelstromverluste in den Dauermagneten. Dadurch ist der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine verringert.

Die in den Dauermagneten fließenden höheren Wirbelströme verursachen außerdem höhere Temperaturen in den Dauermagneten. Dadurch ist die Gefahr, dass die Dauermagnete teilentmagnetisiert oder entmagnetisiert werden, erhöht. Ein Entmagnetisieren verursacht einen irreversiblen Verlust der Maschinenleistung.

Offenbarung der Erfindung Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine bürstenlose elektrische Maschine mit vergrabenen Dauermagneten zu schaffen, die im Vergleich zu einer herkömmlichen elektrischen Maschine bei gleicher Baugröße eine höhere Drehmomentdichte aufweist, wobei die Entmagnetisie- rungsgefahr für die Dauermagnete verringert ist.

Die Aufgabe wird gelöst mit einem Rotor oder einem Stator für eine elektrische Maschine, mit einem Grundkörper, der Polschuhe aufweist, wobei im Grundkörper Dauermagnete angeordnet sind, die in den Polschuhen magnetische Pole bilden, wobei zwischen jedem der Dauermagnete und einem an ihn angrenzenden Polschuh ein elektrisch leitender Schild angeordnet ist.

Die Oberwellen des den Rotor antreibenden Wechselfeldes verursachen in jedem der Schilde, das zwischen den Dauermagneten und einem an sie angrenzenden Polschuh angeordnet ist, einen magnetischen Wechsel- fluss, durch den eine Spannung induziert wird, durch die ein Wirbelstrom erzeugt wird, der in dem elektrisch leitenden Schild fließt. Der Wirbelstrom erzeugt seinerseits in jedem der Schilde ein magnetisches Wechselfeld, das der Änderung des durch das antreibende Wechselfeld verursachten magnetischen Wechselflusses entgegen wirkt. Das durch den Wirbelstrom erzeugte magnetische Wechselfeld ist dem antreibenden Wechselfeld somit entgegen gerichtet und verringert das auf den hinter ihm angeordneten Dauermagneten wirkende Wechselfeld. Bildlich gesprochen schirmt der Schild den Dauermagneten zumindest teilweise vor den hochfrequenten antreibenden Oberwellen des Wechselfeldes ab. Da diese Abschirmung jedes der Dauermagneten durch den zwischen ihm und dem Polschuh angeordneten Schild das auf ihn jeweils wirkende Wechselfeld verringert, bewirkt sie, dass die in den Dauermagneten jeweils fließenden Wirbelströme entsprechend verringert sind, im Vergleich zu einem ohne den jeweiligen Schild gefertigten, ansonsten baugleichen Rotor oder Stator. Dadurch sind die verursachten Wirbelstromverluste sowie die dadurch verursachten Temperaturen in den Dauermagneten erheblich geringer.

Bevorzugt sind die Dauermagnete in Aussparungen des Grundkörpers vorgesehen, so dass sie im Rotor oder Stator eingebettet sind. Dabei ist der Grundkörper zur Reduktion der Wirbelstromverluste in einer bevorzugten Ausführungsform aus Lamellen gebildet.

Der Schild ist bevorzugt aus einem Blech gefertigt, vorzugsweise als Stanzteil oder als Stanzbiegeteil. Besonders bevorzugt weist das Blech eine Dicke auf, die kleiner als 0,8mm beträgt, ganz besonders bevorzugt etwa 0,2 - 0,5mm. Ein solches Stanzteil oder Stanzbiegeteil ist auf herkömmliche Weise sehr kostengünstig herstellbar.

Es ist bevorzugt, dass der Schild aus einem Metall oder einer Metalllegierung gebildet ist, besonders bevorzugt aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, da Kupfer gut leitfähig ist. Es sind aber auch andere gut leitfähige Materialien verwendbar.

Weiterhin ist es bevorzugt, dass sich der Schild flächig entlang dem Dauermagneten erstreckt. Vorzugsweise liegt er an dem Dauermagneten an. Besonders bevorzugt bedeckt er die gesamte an den Polschuh angrenzende Oberfläche des Dauermagneten.

Bei in tangentialer Richtung magnetisierten Dauermagneten ist es aber ebenfalls bevorzugt, dass der Schild nur etwa ein Viertel bis ein Halb der dem antreibenden Wechselfeld zugewandten und an den Polschuh angrenzenden Oberfläche des Dauermagneten bedeckt. Da weit mehr als 90% der Wirbelstromverluste in diesem Teil der Dauermagnete entsteht, hat diese Ausführungsform im Vergleich zu einer Bedeckung der gesam- ten an den Polschuh angrenzenden Oberfläche den Vorteil, dass nahezu dieselbe Menge an Wirbelstromverlusten vermieden, aber gleichzeitig erheblich weniger Material für die Schilde benötigt wird.

Die Aufgabe wird weiterhin gelöst mit einer elektrischen Maschine mit einem solchen Rotor oder Stator. Trotz der zusätzlich im Rotor oder Stator angeordneten leitenden Schilde sind die durch die Oberwellen des antreibenden Wechselfeldes verursachten Verluste bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine geringer, als bei einer ohne die Schilde gefertigten, ansonsten baugleichen elektrischen Maschine.

Die elektrische Maschine ist beispielsweise ein Elektromotor, Starter, Generator oder Antrieb. Besonders bevorzugt ist sie eine Synchronmaschine In einer bevorzugten Ausführungsform ist sie eine bürstenlose Synchronmaschine.

Die Aufgabe wird weiterhin gelöst mit einem Elektroauto, einem Elektro- moped oder einem Elektrofahrrad mit einer solchen elektrischen Maschine. Die elektrische Maschine wird bevorzugt als Fahrantrieb verwendet, insbesondere für das Elektroauto, das Elektrofahrrad, den Elektroroller oder das Elektromoped.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren beschrieben. Die Figuren sind lediglich beispielhaft und schränken den allgemeinen Erfindungsgedanken nicht ein.

Fig. 1 zeigt in (a) ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine und in (b) einen Ausschnitt aus der elektrischen Maschine der Fig. 1(a), Fig. 2 zeigt in (a) ein erstes Ausführungsbeispiel einer weiteren Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine und in (b) einen Ausschnitt aus der elektrischen Maschine der Fig. 2(a),

Fig. 3 zeigt in (a) ein erstes Ausführungsbeispiel einer weiteren

Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine und in (b) einen Ausschnitt aus der elektrischen Maschine der Fig. 3(a), und

Fig. 4 zeigt in (a) - (c) Dauermagnete mit verschieden angeordnetem elektrisch leitendem Schild.

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 10 mit einem Rotor 1 und einem Stator 1 1 , die konzentrisch um eine sich in eine axiale Richtung 61 erstreckende Welle 12 angeordnet sind. Der Rotor 1 weist einen Grundkörper 2 auf, in dem Aussparungen 5 vorgesehen sind, die in einer Umfangsrichtung 63 des Rotors 1 gleichmäßig verteilt angeordnet sind. In den Aussparungen 5 sind Dauermagnete 3 angeordnet. Der Grundkörper 2 des Rotors 1 weist Polschuhe 21 auf, in denen die Dauermagnete 3 magnetische Pole N, S bilden. Dabei ist der Rotor 1 der Fig. 1a so ausgebildet, dass immer zwei benachbarte Dauermagnete 3 so magnetisiert sind, dass sie einen magnetischen Pol N, S bilden, wobei sich die Magnetisierungsrichtung der magnetischen Pole N, S abwechselt, so dass einem magnetischen Nordpol N immer ein magnetischer Südpol S und umgekehrt benachbart ist.

In diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine sogenannte Inter- ior Permanent Magnet - Maschine (IPM), bei der die Dauermagnete 3 in einer radialen Richtung 62 zur Welle 12 magnetisiert sind. Die elektrische Maschine 10 ist bürstenlos, wird über eine 3-Phasen Wechselspannung betrieben, weist neun Nuten 71 und sechs Pole N, S auf und nutzt eine konzentrierte Wicklung (nicht gezeigt), so dass jede Spule (nicht gezeigt) um einen einzelnen Statorzahn 72 gewickelt ist. Die Wicklung ist hier der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt.

Aufgrund der genau einen Spule pro Statorzahn 72 sind die Wickelköpfe (nicht gezeigt) sehr klein. Zusammen mit dem 6-poligen Aufbau des Rotors 1 führt dies zu einer sehr kompakten Hochdrehzahlmaschine mit einer hohen Drehmomentdichte. Diese elektrische Maschine 10 eignet sich besonders für einen Fahrantrieb eines Elektroautos mit einer Drehzahl von bis zu 18000 Umdrehungen pro Minute und einer maximalen elektrischen Grundfrequenz von etwa 900 Hz. Nachteilig an dieser Ausführungsform der elektrischen Maschine 10 sind die hohen Oberwellen des antreibenden Wechselfeldes. Diese Oberwellen verursachen Wirbelstromverluste in dem aus Lamellen gefertigten eisenhaltigen Grundkörper 2 des Rotors 1 und in den Dauermagneten 3, die hier aus elektrisch leitendem Neodym- Eisen- Bor (NdFeB) gefertigt sind. Es sind aber auch Dauermagnete 3 verwendbar, die ein anderes Seltenerdmetall enthalten. Um die Wirbelstromverluste in den Dauermagneten 3 zu verringern, ist zwischen jedem der Dauermagnete 3 des Rotors 1 und einem an ihn angrenzenden Polschuh 21 jeweils ein elektrisch leitender Schild 4 angeordnet. Der Schild 4 ist aus einem Blech gefertigt mit einer Dicke 41 , die in Abhängigkeit von der Baugröße und den Anforderungen an die elektrische Maschine 10 kleiner als 0,8mm beträgt, vorzugsweise 0,2 - 0,5mm. Er erstreckt sich flächig entlang dem Dauermagneten 3 und ist so vorgesehen, dass er die gesamte an den Polschuh 21 angrenzende Oberfläche 33 des Dauermagneten 3 bedeckt. Bevorzugt liegt er an dem Dauermagneten 3 an, vorzugsweise auch an dem ihn umgebenden Grundkörper 2. Die in diesem Rotor 1 verwendeten Schilde 4 sind aus Kupfer oder einer Kupferlegierung hergestellt. Prinzipiell sind aber auch andere gut leitende Materialien verwendbar.

Im Betrieb der elektrischen Maschine 10 werden auch in den Schilden 4 Wirbelströme induziert. Bei einer Synchronmaschine sind diese Wirbelströme durch die Oberwellen des die elektrische Maschine 10 antreibenden Wechselfeldes, welches durch den in der Wicklung des Stators 1 1 fließenden Strom verursacht ist, erzeugt. Allerdings erzeugen die in den Schilden 4 jeweils fließenden Wirbelströme vorteilhafterweise selbst ein Wechselfeld, welches dem antreibenden Wechselfeld entgegen wirkt. Die Oberwellen des auf den hinter dem Schild 4 angeordneten Dauermagneten 3 wirkenden Wechselfeldes sind daher gegenüber dem vom Stator 1 1 erzeugten antreibenden Wechselfeld deutlich verringert, so dass der Schild 4 das auf den Dauermagneten 3 wirkende Wechselfeld zumindest reduziert. Dadurch sind die im Dauermagneten 3 fließenden Wirbelströme und die dadurch verursachten Wirbelstromverluste erheblich geringer, als bei einer baugleichen elektrischen Maschine 10 ohne Schilde 4. Zudem reduziert dies auch die Temperaturentwicklung in den Dauermagneten 3 und die daraus resultierende Gefahr der Entmagnetisierung oder Teilentmagnetisierung der Dauermagnete 3. Trotz der zusätzlich im Rotor 1 angeordneten elektrisch leitenden Schilde 4 sind die Rotorverluste letztlich verringert und der Wirkungsgrad der elektrischen Maschine 10 verbessert.

Auch bei der elektrischen Maschine 10 der Fig. 2 handelt es sich um eine Interior Permanent Magnet - Maschine mit in die radiale Richtung 62 magnetisierten Dauermagneten 3, die aus NdFeB gefertigt sind. Die elektrische Maschine 10 ist ebenfalls bürstenlos, wird auch über eine 3-Phasen Wechselspannung betrieben und nutzt die konzentrierte Wicklung, bei der jede Spule um einen einzelnen Statorzahn 72 gewickelt ist. Auch in dieser Darstellung ist die Wicklung der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigt. Im Gegensatz zur elektrischen Maschine 10 der Fig. 1 weist sie jedoch vierundzwanzig Nuten 71 und zwanzig Pole N, S auf. Daher handelt es sich hier um eine sehr kompakte Niederdrehzahlmaschine mit sehr hoher Drehmomentdichte. Diese elektrische Maschine 10 eignet sich vor allem als Fahrantrieb für ein Elektromoped oder einen Elektroroller, der vorzugsweise mit bis zu 4000 Umdrehungen pro Minute betrieben wird und eine elektrische Grundfrequenz von höchstens 667Hz in der Maschine erzeugt. Aufgrund der Wicklungsweise der Maschine 10 weist diese auch hier den Nachteil eines sehr hohen Oberwellenanteils des antreibenden Wechselfeldes auf. Diese Oberwellen, insbesondere die erste harmonische Welle, erzeugen auch hier hohe Wirbelstromverluste im Grundkörper 2 und den Dauermagneten 3.

Daher sind analog zur erfindungsgemäßen elektrischen Maschine 10 der Fig. 1 auch in der elektrischen Maschine der Fig. 2 Schilde 4 vorgesehen, die zwischen den Dauermagneten 3 und den an sie angrenzenden Polschuhen 21 angeordnet sind. Die Schilde 4 bedecken auch hier die gesamte jeweils an den Polschuh 21 angrenzende Oberfläche 33 der Dauermagnete 3. Auch diese Schilde 4 weisen eine Dicke von etwa 0,2 - 0,5mm auf und sind aus Kupfer oder einer Kupferlegierung hergestellt.

Auch die Fig. 3 zeigt eine bürstenlose Niederdrehzahlmaschine mit einer hohen Drehmomentdichte, in deren Grundkörper 2 des Rotors 1 Dauermagnete 3 angeordnet sind, die aus NdFeB gefertigt sind. Im Gegensatz zu den Ausführungsformen der Fig. 1 und 2 handelt es sich hier jedoch um einen sogenannten Speichenrotor, bei dem die Dauermagnete 3 in radialer Richtung 62 angeordnet und in tangentialer Richtung 63 magneti- siert sind. Auch diese elektrische Maschine 10 wird mit einer 3-Phasen Wechselspannung betrieben und nutzt eine konzentrierte Wicklung, wobei die Wicklung auch hier nicht dargestellt ist. Jedoch weist sie achtzehn Nuten 71 und vierzehn Pole N, S auf. Genutzt wird die elektrische Maschine 10 bevorzugt für einen Fahrantrieb eines Elektrofahrrades mit typischerweise bis zu 3000 Umdrehungen pro Minute und einer maximalen elektrischen Grundfrequenz von bis zu 350Hz.

Auch bei dieser Wicklungsanordnung umfasst das antreibende Wechselfeld Oberwellen, die im Grundkörper 2 und in den Dauermagneten 3 Wirbelstromverluste bewirken. Ein besonders hoher Anteil an Wirbelstromverlusten wird von der ersten und der fünften Oberwelle verursacht.

Da die Dauermagnete 3 des Rotors 1 dieser elektrischen Maschine 10 in tangentialer Richtung 63 magnetisiert sind, sind die Polschuhe 21 zwischen den Dauermagneten 3 angeordnet. Bei diesem Maschinentyp grenzen daher an jeden Dauermagneten 3 zwei Polschuhe 21 an. Daher sind hier jeweils beidseitig der Dauermagnete 3 elektrisch leitende Schilde 4 zur Reduktion der Wirbelstromverluste angeordnet. Wie zuvor bedecken die Schilde 4 auch hier jeweils die gesamte an einen Polschuh 21 angrenzende Oberfläche 33 der Dauermagnete 3.

Auch diese Schilde 4 erstrecken sich flächig entlang den Dauermagneten 3, sind aus einem Blech aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gefertigt und weisen eine Dicke von 0,2 - 0,5mm.

Die Fig. 4 zeigt in (a) einen Dauermagneten 3 für IPM- Rotoren mit einem elektrisch leitenden Schild 4, das neben der an den Polschuh 21 angrenzenden Oberfläche 33 auch weitere Seitenflächen 31 des Dauermagneten 3 bedeckt. Dadurch schützt dieser Schild 4 die Dauermagnete 3 auch vor an den Seitenflächen 31 des Dauermagneten 3 angreifenden Feldlinien des antreibenden Wechselfeldes.

Im Falle eines in radialer Richtung 62 magnetisierten, in einem Rotor 1 angeordneten Dauermagneten 3 ist die an den Polschuh 21 angrenzende Oberfläche 33 die dem Stator 1 1 zugewandte Breitseite 32 des Dauermagneten 3. Um den Dauermagneten 3 auch vor an den Seitenfläche 31 angreifenden Feldlinien des antreibenden Wechselfeldes zu schützen, sind die Seitenflächen 31 hier die Schmalseiten 31 des Dauermagneten 3, so dass der Schild 4 im Querschnitt u-förmig ausgebildet ist. Diese Anordnung aus Dauermagnet 3 und Schild 4 ist ebenfalls für die elektrischen Maschinen 10 der Fig. 1 und 2 nutzbar.

Die Fig. 4(b) zeigt einen Dauermagneten 3 mit einem elektrisch leitenden Schild 4 in einer alternativen Ausführungsform für einen Speichenrotor 1 . Diese Anordnung ist beispielsweise für den Speichenrotor 1 der Fig. 3 verwendbar. Auch hier bedeckt der Schild 4 eine Seitenflächen 31 des Dauermagneten 3, und zwar die dem Luftspalt 13 zwischen dem Stator 1 1 und dem Rotor 1 zugewandte Schmalseite 31 des Dauermagneten 3. Die dieser Schmalseite 31 gegenüberliegende Schmalseite 31 , die der Welle 12 zugewandt ist, benötigt keinen elektrisch leitenden Schild 4, da die magnetischen Feldlinien der Oberwellen des antreibenden Wechselfeldes diese Region des Rotors 1 nahezu nicht durchlaufen. Der Schild 4 ist daher im Querschnitt ebenfalls u-förmig ausgebildet.

Gegenüber dem Rotor 1 der Fig. 3 hat diese Ausführungsform den Vorteil, dass nur ein Schild 4 pro Dauermagnet 3 gegenüber den zwei Schilden 4 pro Dauermagnet 3 des Rotors 1 der Fig.3 vorgesehen ist. Dieser Schild 4 ist als Stanzbiegeteil einstückig aus einem Blech herstellbar, so dass die Montage weniger aufwendig ist.

Auch die Fig. 4(c) zeigt einen Dauermagneten 3 für einen Speichenrotor 1 , an dem ein alternativ ausgeführter elektrisch leitender Schild 4 angeordnet ist. Auch dieser Schild 4 eignet sich für den Speichenrotor 1 der Fig. 3. Gegenüber dem Schild 4 der Fig. 4(b) bedeckt er aber nur einen Teil der an die Polschuhe 21 angrenzenden Oberflächen 33 des Dauer- magneten 3, hier etwa ein Drittel dieser Oberfläche. Denn es hat sich gezeigt, dass mehr als 90% der Wirbelstromverluste bei diesem Rotortyp in diesem, dem Luftspalt 13 zugewandten Teil des Dauermagneten 3 entstehen. Es ist daher in Abhängigkeit von den Anforderungen an die elektrischen Maschine 10 gegebenenfalls ausreichend, wenn der Schild 4 etwa ein Viertel bis die Hälfte eines an den Polschuh 21 angrenzenden Dauermagneten 3 bedeckt, so dass ω _ΡΜ /4 < CJÜCS ^ ω _ΡΜ /2

mit

PM = Breite der Dauermagneten

CJÜCS = Breite des elektrisch leitenden Schildes gilt.

Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass die Menge an Kupfer, die für den Schild 4 benötigt wird, im Vergleich zu der Ausführungsform der

Fig.4(b) deutlich verringert ist. Dadurch sind die durch den Schild 4 entstehenden Kosten erheblich reduziert.