Optimierte elektrische Maschine

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine, wie etwa einen Elektromotor oder einen Generator.

Stand der Technik

Der Einsatz von permanenterregten Synchronmaschinen bei nicht-aufladbaren und aufladbaren Hybridfahrzeugen ist weit verbreitet. Bei in den

Verbrennungsmotor integrierten Synchronmaschinen werden häufig Rotoren mit zwei V-förmig angeordneten Magneten pro Pol verwendet.

Die Optimierung derartiger elektrischen Maschinen fordert widersprechende Optimierungsziele. Für Traktionsantriebe in der Elektromobilität werden hohe Drehmoment- bzw. Leistungsdichten gefordert. Parallel dazu müssen die Kosten, der Bauraum, die Verluste, die Drehmomentwelligkeit und das Geräusch minimiert werden.

Die DE 10 2012 219 174 AI beschreibt beispielsweise, dass für eine elektrische Maschine mit Lochzahl q=2 die Drehmomentwelligkeit minimiert werden kann, wenn der magnetische Öffnungswinkel zwischen 76.2% und 81.6% liegt. Die EP 2 498 375 AI zeigt eine elektrische Maschine mit einem

Poldeckungsfaktor zwischen 0.45 und 0.55. Die WO 2006 095 887 AI zeigt eine elektrische Maschine mit einem Rotor, der Polöffnungen mit Mittelsteg aufweist, und bei der ein Poldeckungsfaktor zwischen 127°el und 140°el vorliegt.

Weiter ist bekannt, bei in den Verbrennungsmotor integrierten

Synchronmaschinen einen Stator mit einer Einzelzahnwicklung einzusetzen, die eine Lochzahl q=0.5 aufweist. Diese Wicklungsart minimiert in der Regel die Länge des Wickelkopfs und ermöglicht den Aufbau von Synchronmaschinen mit einer kurzen axialen Länge. Bei q=0.5 enthält das elektromagnetische Feld im Luftspalt zwischen dem Rotor und dem Stator jedoch einen großen Anteil an Oberschwingungen. Das führt zu einer Erhöhung der Rotorverluste und der Temperatur der Magnete. Für längere in den Verbrennungsmotor integrierte Maschinen kann eine Ganzlochwicklung mit beispielsweise einer Lochzahl q=2 eingesetzt werden, was zu einem elektromagnetischen Feld im Luftspalt mit geringerem Oberschwingungsanteil führt. In den Magneten entstehen dann geringere Wirbelstromverluste, wodurch wiederum die Temperatur der Magnete niedriger bleibt und so eine kostengünstigere Magnetklasse eingesetzt werden kann.

Offenbarung der Erfindung

Vorteile der Erfindung

Um die oben genannten Optimierungsziele zu erreichen, kann eine Multi-Ziel- Optimierung eingesetzt werden. Dabei werden eine große Anzahl von Design- Varianten berechnet und die besten Kombinationen zwischen

Geometrieparametern der elektrischen Maschine können identifiziert werden.

Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können in vorteilhafter Weise ermöglichen, elektrische Maschinen bereitzustellen, bei denen viele

Eigenschaften wie Verluste, Baukosten, Wirkungsgrad, Drehmomentwelligkeit und Geräusche in Bezug aufeinander optimiert sind. Ideen zu Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können unter anderem als auf den nachfolgend beschriebenen Gedanken und Erkenntnissen beruhend angesehen werden. Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine zum Antrieb eines Fahrzeugs, wie etwa eines Pkws, Lkws, Busses usw., insbesondere eines nicht-aufladbaren und aufladbaren Hybridfahrzeugs. Die elektrische Maschine kann eine permanenterregte Synchronmaschine sein und/oder kann eine in den

Verbrennungsmotor integrierte Synchronmaschine sein. Beispielsweise kann der Rotor der elektrischen Maschine direkt auf die Antriebswelle eines

Verbrennungsmotors montiert sein.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die elektrische Maschine einen Stator mit axial verlaufenden, gleichmäßig um eine Achse der elektrischen Maschine verlaufenden Statornuten, durch die eine Statorwicklung verläuft, und einen Rotor mit axial verlaufenden Polen, der innerhalb des Stators um die Achse der elektrischen Maschine drehbar gelagert ist, wobei in jedem Pol des Rotors zwei Polmagnete mit rechteckigem Querschnitt in einer axial verlaufenden Polöffnung V-förmig zueinander angeordnet sind.

Bei einer Multi-Ziel-Optimierung hat sich gezeigt, dass folgende geometrische Parameter und/oder Baugrößen des Rotors und/oder des Stators einer derartigen elektrischen Maschine zu einer Optimierung einer großen Anzahl von Optimierungszielen bzw. Optimierungsparametern führen, darunter die Erfüllung eines gewünschten Drehmoments bzw. einer gewünschten

Drehzahlanforderung, eine Maximierung des Wirkungsgrads, eine Minimierung von Geräuschen, eine Minimierung von Kosten, eine Minimierung einer

Drehmomentwelligkeit und eine Minimierung eines Kurzschlussstroms bzw. von Kurzschlussverlusten.

Die elektrische Maschine ist gegenüber einer Vielzahl von geometrischen Parametern optimiert, die durch Optimierung von Optimierungsparametern bzw. Optimierungszielen, die sich aus den geometrischen Parametern bestimmen, optimiert wurden.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung beträgt bei dem Rotor: der geometrische Versetzungswinkel der beiden Polmagnete, mit dem die beiden Polmagnete V-förmig zueinander versetzt sind, weniger als 15°; der elektrische Winkel der äußeren Polbedeckung zwischen 115.7°el. und 133.2°el.; und der elektrische Winkel der inneren Polbedeckung zwischen 123.5°el. und 142.9°el.

Der geometrische Versetzungswinkel der beiden Polmagnete kann dabei als ein Winkel angesehen werden, um den die beiden Magnete zueinander verdreht sind, um zusammen ein V zu bilden.

Ein elektrischer Winkel kann als ein geometrischer Winkel multipliziert mit zweimal einer Anzahl der Pole des Rotors bestimmt werden.

Die äußere Polbedeckung kann durch einen axialen geometrischen Winkel bestimmt werden, den die beiden Polmagnete an einer radial außen liegenden Seite der Polöffnung überdecken. Beispielsweise kann die äußere Polbedeckung mit dem geometrischen Winkel zwischen radial äußeren in Umfangsrichtung außen liegenden Kanten der Polmagnete bestimmt werden.

Die innere Polbedeckung kann durch einen axialen geometrischen Winkel bestimmt werden, den die beiden Polmagnete an einer radial innen liegenden Seite der Polöffnung überdecken. Beispielsweise kann die innere Polbedeckung durch einen axialen geometrischen Winkel zwischen radial innen und in

Umfangsrichtung außen liegenden Kanten der Polmagnete bestimmt sein.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung beträgt bei dem Stator: ein Verhältnis von Zahnhöhe zu Jochdicke zwischen 0.959 und 1.126; ein Verhältnis von Zahnbreite zu Nutbreite am Zahngrund zwischen 1.23 und 1.35 ; ein

Verhältnis von Zahnbreite zu Nutbreite am Zahnkopf zwischen 1.03 und 1.14 ; und ein Verhältnis von Nutbreite am Zahngrund zu Nutbreite am Zahnkopf zwischen 0.9 und 1.1 beträgt. Die Nuten als auch die Zähne (ohne den Zahnkopf) können einen trapezförmigen

Querschnitt aufweisen. Die Nuten können einen rechteckigen Querschnitt aufweisen, was bei einer Steckwicklung von Vorteil sein kann, da die gesteckten Leiter in der Regel einen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Die Zahnhöhe ist die radiale Höhe bzw. Dicke, über die sich der ringförmige Teil des Stators erstreckt, der Zähne bzw. Nuten aufweist. Die Jochdicke ist die verbleibende radiale Höhe bzw. Dicke des ringförmigen Teils des Stators (d.h. des Jochs), der keine Zähne und Nuten aufweist. Der Zahngrund befindet sich am Übergang zwischen den Zähnen und dem Joch. Der Zahnkopf ist das Ende eines Zahns, der Richtung Rotor weist und der eventuell T-förmig ausgebildet sein kann. Die Zahnbreite und die Nutbreite werden in Umfangsrichtung bestimmt, wobei die Zahnbreite ohne die T-förmige Verdickung am Zahnkopf bestimmt wird.

Die eben genannten Parameter für den Stator führen in Kombination mit den oben genannten Parametern zu einer besonders optimalen elektrischen

Maschine. Jedoch sind auch andere Parameterkombinationen für den Stator möglich, wie die folgenden.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, beträgt bei dem Stator: ein Verhältnis von Zahnhöhe zu Jochdicke zwischen 1.395 und 1.6376; ein

Verhältnis von Zahnbreite zu Nutbreite am Zahngrund zwischen 1.33 und 1.47; ein Verhältnis von Zahnbreite zu Nutbreite am Zahnkopf zwischen 1.06 und 1.19; und ein Verhältnis von Nutbreite am Zahngrund zu Nutbreite am Zahnkopf zwischen 0.9 und 1.1.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung beträgt der

Statoraußendurchmesser zwischen 110 und 500 mm. Der

Statoraußendurchmesser wird von der Drehachse des Rotors zum Außenumfang des Stators bzw. dessen Jochs gemessen.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung weist die elektrische Maschine eine Lochzahl von größer gleich 1 auf. Die Lochzahl einer elektrischen Maschine kann durch die Anzahl der Nuten im Stator geteilt durch die Anzahl der Phasen und geteilt durch die Anzahl der Pole des Rotors bestimmt werden. Beispielsweise hat eine elektrische Maschine mit drei Phasen und sechs Nuten pro Pol eine Lochzahl von 2.

Bei einer Lochzahl von größer gleich 1, wie beispielsweise 2, kann eine

Ganzlochwicklung verwendet werden, die insbesondere als Steckwicklung ausgeführt sein kann. Mit einer Steckwicklung kann beispielsweise der

Kupferfüllfaktor zur Reduzierung der Kupferverluste erhöht werden und eine bessere thermische Anbindung zwischen der Wicklung und dem Stator erreicht werden. Außerdem können bei höheren Stückzahlen Kosten gesenkt werden. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung beträgt ein Verhältnis vom

Innendurchmesser zum Außendurchmesser des Stators zwischen 0.75 und 0.85, beispielsweise zwischen 0.80 und 0.85. Der Statorinnendurchmesser wird von der Drehachse des Rotors zum Innenumfang des Stators bzw. dessen Zähnen gemessen.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung beträgt ein Verhältnis zwischen einer Breite des Luftspalts zwischen dem Stator und dem Rotor und dem

Innendurchmesser des Stators zwischen 0.0025 und 0.0055. Zwischen dem Stator und dem Rotor befindet sich ein ringförmiger Bereich, der Luftspalt genannt wird. Die Breite des Luftspalts wird in radiale Richtung bestimmt.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung beträgt ein Abstand in

Umfangsrichtung zwischen zwei Polmagneten eines Pols weniger als 3.0 mm. Falls die beiden Polmagnete nicht durch einen Mittelsteg in der Polöffnung voneinander getrennt sind, kann dieser Abstand auch kleiner sein, wie etwa weniger als 1.5 mm.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist die Polöffnung V-förmig und/oder weist keinen Mittelsteg auf. Mit anderen Worten kann die Polöffnung für einen Pol zwei Einzelöffnungen umfassen, die von dem Mittelsteg voneinander getrennt sein. Alternativ dazu kann die Polöffnung eine V-förmige durchgehende Öffnung sein. Eine Polöffnung ohne Mittelsteg kann einen Streufluss im Rotor reduzieren und damit den Wirkungsgrad bzw. das Drehmoment erhöhen. Weiter kann die Induktivität des Rotors in Umfangsrichtung reduziert werden, was zu einer Maximierung des Reluktanzmoments führen kann. Außerdem kann eine

Entmagnetisierungsfestigkeit der Polmagnete bei Verbesserung deren

Arbeitspunkts verbessert werden.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung beträgt ein Verhältnis der radialen Dicke des Stegs zwischen der Polöffnung und einem Außenumfang des Rotors an seinem Rand in Umfangsrichtung und der Dicke des Stegs, bei der ein Polmagnet den Steg zu berühren beginnt, zwischen 0.7 und 1.2. Der Steg kann als die Trennwand zwischen Polöffnung und einem Außenumfang des Rotors aufgefasst werden. Bei einer V-förmigen Polöffnung ist dieser Steg in radiale Richtung unterschiedlich dick. Auch kann der Steg in einem Bereich der Polöffnung, der keinen Polmagnet enthält, unterschiedlich dick ausgestaltet sein, um die Drehzahlfestigkeit zu erhöhen. Das hier beschriebene Verhältnis bezieht sich auf die Dicke des Stegs am Rande der Öffnung und der Dicke des Stegs, wo ein Polmagnet den Steg zu berühren beginnt. Dieses Verhältnis führt

insbesondere zu einer optimalen Drehzahlfestigkeit.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei weder die Zeichnungen noch die Beschreibung als die Erfindung einschränkend auszulegen sind.

Fig. 1 zeigt einen Teilquerschnitt durch eine elektrische Maschine gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.

Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus Fig. 1.

Fig. 3 zeigt Diagramme, die das Optimieren der elektrischen Maschine aus den Fig. 1 und 2 illustrieren.

Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in den Figuren gleiche oder gleichwirkende

Merkmale.

Ausführungsformen der Erfindung

Fig. 1 zeigt einen Teilquerschnitt durch eine elektrische Maschine 10 mit einem Rotor 12, der innerhalb eines Stators 14 drehbar um eine Achse gelagert ist. Der Teilquerschnitt erstreckt sind über einen Pol 16 des Rotors 12. Der Pol 16 ist durch eine V-förmige Polöffnung 18 gekennzeichnet, in der zwei Polmagnete 20 aufgenommen sind. Die beiden Polmagnete 20 weisen einen rechteckigen

Querschnitt auf und sind V-förmig zueinander orientiert. Die beiden Polmagnete weisen einen geometrischen Versetzungswinkel wM von weniger als 15° auf. Der Versetzungswinkel wM der beiden Polmagnete 20 ist dabei der Winkel, um den die beiden Magnete jeweils zueinander verdreht sind, um zusammen ein V zu bilden. Zusammen sind die beiden Polmagnete um 2*wM versetzt.

In der Fig. 1 sind weiter die radial äußere Polabdeckung wA, die radial innere Polabdeckung wl und die Öffnungsüberdeckung wO eingezeichnet, die alle als geometrische Winkel angegeben werden können.

Die äußere Polbedeckung wA kann mit dem axialen geometrischen Winkel zwischen radial äußeren in Umfangsrichtung außen liegenden Kanten 22 der Polmagnete 20 bestimmt werden. Optimalerweise beträgt die äußere

Polabdeckung wA zwischen 123.5°el. und 142.9°el. Der Winkel ist dabei in elektrischen Grad (°el) angegeben, der ihn unabhängig von der Anzahl der Pole 16 des Rotors 12 macht. Konkret wird ein elektrischer Winkel w _e i wie folgt aus dem geometrischen bzw. mechanischen Winkel w _me ch und der Polzahl p bestimmt:

Wel = Wmech * p/2

Die innere Polbedeckung wl kann mit dem axialen geometrischen Winkel zwischen radial innen und in Umfangsrichtung außen liegenden Kanten 24 der Polmagnete 20 bestimmt sein. Optimalerweise beträgt die innere Polabdeckung wl zwischen 115.7°el. und 133.2°el.

Der minimale Abstand m zwischen den Polmagneten 20 in Umfangsrichtung beträgt optimalerweise weniger als 3 mm (auch wenn ein Mittelsteg vorhanden ist). Die in der Fig. 1 gezeigte Polöffnung 18 weist keinen Mittelsteg auf. In diesem Fall kann der Abstand m der Polmagnete 20 auch weniger als 1.5 mm betragen.

Die Fig. 2 zeigt einen Ausschnitt aus der Fig. 1 genauer, mit dem Parameter des Stegs 28, der die Polöffnung 18 von einem Luftspalt 26 trennt, der zwischen dem Rotor 12 und dem Stator 14 angeordnet ist. Gezeigt sind eine radiale Dicke hSA des Stegs 28 zwischen der Polöffnung 18 und einem Außenumfang des Rotors 12 am Rand des Stegs 28 bzw. der Polöffnung 28 in Umfangsrichtung und eine radiale Dicke hSI des Stegs 28, bei der ein Polmagnet 20 den Steg 28 zu berühren beginnt. Optimalerweise beträgt das Verhältnis hSA/hSI zwischen 0.7 und 1.2.

Mit Bezug auf die Fig. 1 weist der Stator in einem Zahnbereich 30 Zähne 32 auf, die zwischen sich Nuten 34 bilden. Die Zähne 32 werden von einem Jochbereich 36 gehalten und gehen mit ihrem Zahngrund 38 in den Jochbereich 36 über. An einem Zahnkopf 40, der dem Zahngrund 38 gegenüberliegt und in Richtung des Rotors 12 weist, sind die Zähne T-förmig ausgeführt, so dass sich für die Nuten 34 nahezu geschlossene Öffnungen durch den Stator 14 ergeben. Die Zähne 32 ohne Zahnkopf 40 weisen einen im Wesentlichen trapezförmigen Querschnitt auf. Die Nuten 34 weisen einen im Wesentlichen trapezförmigen oder

rechteckigen Querschnitt auf.

In den Nuten 34 ist eine Statorwicklung 42 angeordnet, die drei Phasen 44a, 44b, 44c aufweist. Die Leiter der Statorwicklung 42 können bei einer Steckwicklung in die Nuten 34 gesteckt und an ihren Enden miteinander verbunden worden sein.

Wie in der Fig. 1 gezeigt, sind dem einen Pol 16 sechs Nuten 34 zugeordnet. Mit drei Phasen 44a, 44b, 44c ergibt sich für die elektrische Maschine eine Lochzahl von q=2. Optimalerweise weist die elektrische Maschine eine Lochzahl q größer gleich 1 auf.

In der Fig. 1 sind folgende Parameter des Stators 14 eingezeichnet:

- die Zahnhöhe hz, d.h. der radiale Abstand vom Innendurchmesser dSI des Stators 14 zum Zahngrund 38 bzw. die radiale Höhe bzw. Dicke des

Zahnbereichs 30,

- die Jochdicke hj, d.h. der radiale Abstand vom Zahngrund 38 zum

Außendurchmesser dSA des Stators 14 bzw. die radiale Höhe oder Dicke des Jochbereichs 36,

- die Zahnbreite bZA am Zahngrund 38, d.h. radial am weitesten außen,

- die Zahnbreite bZI am Zahnkopf 40, d.h. radial am weitesten innen,

- die Nutbreite bNA am Zahngrund 38, d.h. radial am weitesten außen, und

- die Nutbreite bNI am Zahnkopf 40, d.h. radial am weitesten innen.

Für den Stator 14 gibt es zwei alternative Parametersätze, die zusammen mit den oben angegebenen Parametern für den Rotor 12 optimal sind:

Parametersatz I: - Verhältnis hz/hj von Zahnhöhe zu Jochdicke: 0.959 - 1.126

- Verhältnis bZA/bNA von Zahnbreite zu Nutbreite am Zahngrund 38: 1.23- 1.35

- Verhältnis bZI/bNI von Zahnbreite zu Nutbreite am Zahnkopf 40: 1.03- 1.14

- Verhältnis hNA/hNI der Nutbreiten am Zahngrund 38 und am Zahnkopf 40: 0.9

- 1.1

Parametersatz II:

- Verhältnis hz/hj von Zahnhöhe zu Jochdicke: 1.395 - 1.6376

- Verhältnis bZA/bNA von Zahnbreite zu Nutbreite am Zahngrund 38: 1.33 - 1.47

- Verhältnis bZI/bNI von Zahnbreite zu Nutbreite am Zahnkopf 40: 1.06 - 1.19

- Verhältnis hNA/hNI der Nutbreiten am Zahngrund 38 und am Zahnkopf 40: 0.9

- 1.1

Die Parameter können beispielsweise mit einem Statoraußendurchmesser dSA zwischen 110 mm und 500 mm realisiert werden.

Das Verhältnis dSI/dSA des Innendurchmessers dSI zu dem Außendurchmesser dSA des Stators kann optimalerweise zwischen 0.75 und 0.85 betragen.

Außerdem hat sich ein optimales Verhältnis d/DSI von der Dicke des Luftspalts d zum Innendurchmesser dSI des Stators 14 zwischen 0.0025 und 0.0055 ergeben.

Die Fig. 3 zeigt die Ergebnisse einer Multi-Ziel-Optimierung, die zu den oben genannten Parameter- Kombinationen führt. Die Fig. 3 enthält Diagramme, bei denen jedes je zwei Zielwerte der elektrischen Maschine 10 zeigt. Wichtig ist, dass die oben genannten geometrischen Parameter die elektrische Maschine definieren, während bei der Multi-Ziel-Optimierung Optimierungsparameter optimiert werden, die von den geometrischen Parametern beeinflusst werden.

Jeder multidimensionale Punkt, der durch die beiden Optimierungsparameter der Diagramme definiert ist, kann damit als eigenes Design einer elektrischen Maschine aufgefasst werden. Mittels eines rekursiven Optimierungsalgorithmus wird von einem Punkt ausgegangen und werden dann weitere optimalere Punkte gesucht. Alle durch den Algorithmus betrachteten Punkte sind in den

Diagrammen als umrandete Fläche eingezeichnet. Der Pfeil in jedem der Diagramme zeigt, wo sich das optimale Design bezüglich der beiden Optimierungsparameter, die in dem Diagramm aufgetragen sind, befinden würde. Dieser Punkt kann jedoch bei sich gegenseitig

widersprechenden Einzelzielen nicht erreicht werden. Es kann lediglich ein relatives Optimum aller Optimierungsziele ermittelt werden. Die Punkte in der schraffierten Fläche stellen Sätze von Optimierungsparametern dar, bei denen alle Optimierungsparameter möglichst optimal sind. Aus diesen optimalen Optimierungsparametern wurden dann die Intervalle für die oben genannten geometrischen Parameter für die elektrische Maschine 10 abgeleitet.

Folgende Optimierungsparameter sind dargestellt und wurden optimiert:

- Das maximale Drehmoment T muss maximiert werden.

- Die maximale Leistung P muss maximiert werden.

- Der Kurzschlussstrom I muss minimiert werden.

- Der Geräuschpegel G muss minimiert werden.

- Die Tonalität O muss maximiert werden.

- Der Zykluswirkungsgrad Z muss maximiert werden.

- Die Materialkosten K müssen minimiert werden.

- Die Verluste V müssen minimiert werden.

- Das Drehmomentripple R muss minimiert werden.

Der Zykluswirkungsgrad Z ist wichtig für Hybrid- und Elektrofahrzeuge, da er einen direkten Einfluss auf die Reichweite hat.

Alle angegebenen Parameter sind auf einen vorgegebenen Maximalwert normiert.

Abschließend ist darauf hinzuweisen, dass Begriffe wie„aufweisend", „umfassend" etc. keine anderen Elemente oder Schritte ausschließen und Begriffe wie„eine" oder„ein" keine Vielzahl ausschließen. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.