Asynchronmaschine mit optimierter Aufteilung elektrischer Verluste zwischen Stator und Rotor

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Asynchronmaschine beispielsweise in Form eines elektrischen Asynchronmotors oder eines Generators.

Stand der Technik

Es werden elektrische Maschinen entwickelt, um in Zukunft beispielsweise Elektrofahrzeuge oder Hybridfahrzeuge elektrisch antreiben beziehungsweise kinetische Energie des Fahrzeugs in elektrische Energie reküperieren zu können. Die elektrische Maschine kann dabei entweder als Motor oder als Generator wirken.

Derzeit werden verschiedene elektrische Maschinen insbesondere für den Einsatz in Fahrzeugen weiterentwickelt. Insbesondere werden Anstrengungen unternommen, Asynchronmaschinen für den Einsatz in Fahrzeugen zu optimieren. Vor allem für zukünftige Straßenfahrzeuge sollte die

Asynchronmaschine hierzu einerseits möglichst klein und leicht sein,

andererseits sollte sie einen hohen Wirkungsgrad bei möglichst hoher

Leistungsabgabe und hohem zur Verfügung stehendem maximalem

Drehmoment besitzen.

Asynchronmaschinen weisen als wesentliche Baukomponenten einen Stator und einen Rotor auf. Ähnlich wie bei anderen elektrischen Maschinen ist in dem Stator eine oder mehrere Wicklungen untergebracht, mithilfe derer im Stator ein drehendes magnetisches Feld erzeugt werden kann. Im Gegensatz zu vielen anderen Typen elektrischer Maschinen sind an dem relativ zu dem Stator rotierbaren Rotor jedoch keine Magneten in Form von Permanentmagneten oder von außen gespeisten Elektromagneten vorgesehen. Stattdessen beinhaltet der Rotor einen in der Regel kurzgeschlossenen Leiter, der teilweise auch als passiver Läufer bezeichnet wird. Das von dem Stator erzeugte drehende magnetische Feld rotiert mit einer so genannten Synchrondrehzahl, welche dem Quotienten f ^/p aus der Grundfrequenz fi des speisenden Systems und der Polpaarzahl p entspricht. Sobald die mechanische Drehzahl des Rotors sich von der Synchrondrehzahl unterscheidet, erfährt der Rotor eine Änderung des magnetischen Flusses. Dadurch werden Ströme in den kurzgeschlossenen Rotorleitern induziert. Durch eine Interaktion zwischen dem rotierenden magnetischen Feld des Stators und den Rotorströmen wird ein zwischen dem Stator und dem Rotor ansetzendes Drehmoment bewirkt.

Ein Beispiel einer Asynchronmaschine, welche teilweise auch als

Induktionsmotor bezeichnet wird, wird in EP 2 202 781 A2 beschrieben.

Offenbarung der Erfindung

Ausführungsformen von Asynchronmaschinen gemäß der vorliegenden

Erfindung ermöglichen unter anderem eine verbesserte Eignung für den Einsatz in Elektrokraftfahrzeugen oder Elektrohybridfahrzeugen. Insbesondere ermöglichen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eine

Asynchronmaschine, welche im Vergleich zu herkömmlichen

Asynchronmaschinen ein höheres Dauerdrehmoment bei gleichzeitig weiterhin hoher Drehmomentdichte ermöglicht.

Es wird eine Asynchronmaschine vorgeschlagen, die einen Rotor und einen den Rotor umgebenden Stator aufweist. Der Stator hat hierbei einen

Statoraußendurchmesser D1 a. Der Stator weist ein au ßenliegendes Statorjoch mit einer Statorjochhöhe hy1 auf. Au ßerdem weist der Stator mehrere von dem Statorjoch radial nach innen abragende Zähne mit einer Statorzahnhöhe hz1 und einer mittleren Statorzahn breite bmzl auf. Zwischen benachbarten Statorzähnen weist der Stator in Statornuten angeordnete Statorspulenelemente auf. Der Rotor hat einen Rotoraußendurchmesser D2a. Der Rotor weist ein innenliegendes Rotorjoch mit einer Rotorjochhöhe hy2, mehrere von dem Rotorjoch radial nach außen abragende Rotorzähne mit einer Rotorzahnhöhe hz2 und einer mittleren Rotorzahnbreite bmz2 sowie mehrere jeweils zwischen benachbarten

Rotorzähnen in Rotornuten angeordnete Rotorspulenelemente auf. Die

Asynchronmaschine zeichnet sich durch drei zusammenwirkende Merkmale aus: erstens weist die Asynchronmaschine eine Polpaarzahl von 3 auf; zweitens ist ein Verhältnis von Rotoraußendurchmesser D2a zu Statoraußendurchmesser D1 a derart gewählt, dass es zwischen 0,7 und 0,9, vorzugsweise zwischen 0,7 und 0,8, liegt; und drittens ist ein Verhältnis von Statorzahnhöhe hz1 zu

Rotorzahnhöhe hz2 so gewählt, dass es zwischen 0,3 und 0,6 liegt.

Ausführungsformen der hierin vorgeschlagenen Asynchronmaschine können unter anderem als auf den nachfolgend beschriebenen Ideen und Erkenntnissen beruhend angesehen werden.

Asynchronmaschinen werden in Fahrzeugen unter anderem aufgrund ihrer hohen Zuverlässigkeit und ihres hohen Wirkungsgrades in fahrzyklusrelevanten

Bereichen eingesetzt. Um hierbei erforderlichenfalls kurzzeitig eine hohe

Drehmomentdichte bereit stellen zu können, werden mithilfe der in dem Stator vorgesehenen Wicklungen geeignete sich ändernde Magnetfelder erzeugt, um in dem in dem Rotor vorgesehenen kurzgeschlossenen Leiter hohe Rotorströme zu induzieren.

Allerdings kommt es durch solche hohen Rotorströme aufgrund des nicht zu vernachlässigenden elektrischen Widerstandes innerhalb des kurzgeschlossenen Leiters auch zu hohen elektrischen Verlusten innerhalb des Rotors. Da diese Verluste an den Rotor abgegeben werden und bei diesem zu einer Erwärmung führen, steigt die Temperatur des Rotors bei hoher Drehmomentabgabe beziehungsweise Leistungsabgabe stark an. Eine aktive direkte Kühlung des Rotors lässt sich nur mit erheblichem Zusatzaufwand und damit verbundenen zusätzlichen Kosten bewirken. Ohne eine solche Kühlung erreicht der Rotor irgendwann eine Grenztemperatur, bei der eine Schädigung von Komponenten des Rotors einzusetzen kann. Beispielsweise sinkt die mechanische Festigkeit von Materialien typischerweise mit der Temperatur, so dass die mechanische Stabilität des Rotors bei zu hohen Temperaturen nicht gewährleistet ist. Im Fall einer Überschreitung der Grenztemperatur können dann Risse und in Extremfall die mechanische Zerstörung der Komponenten auftreten. Daher muss, sobald die Rotortemperatur sich der Grenztemperatur nähert, das von der Maschine bereitgestellte Drehmoment begrenzt werden, das heißt, eine

Fahrzeugsteuerung kann dem Motor nicht mehr das volle Drehmoment abverlangen.

Eine Grundidee zu der hierin vorgeschlagenen Asynchronmaschine kann nun darin gesehen werden, die in der Asynchronmaschine auftretenden

elektromagnetischen Verluste zumindest teilweise von dem Rotor in den Stator zu verschieben, da der Stator in der Regel sehr viel einfacher und effizienter gekühlt werden kann.

Um dies zu bewirken, werden die oben bereits kurz genannten und

beanspruchten Maßnahmen getroffen. Details dieser Maßnahmen und ihre möglichen Wirkungen und Wechselwirkungen werden nachfolgend beschrieben.

Erstens wird die Asynchronmaschine und insbesondere deren Stator derart ausgebildet und angesteuert, dass die Asynchronmaschine eine Polpaarzahl von 3 aufweist. Die Polpaarzahl p ist die Anzahl der Paare von magnetischen Polen innerhalb einer rotierenden elektrischen Maschine. In einer Minimalkonfiguration von p=1 weist eine elektrische Maschine lediglich ein Polpaar auf, das heißt einen magnetischen Nordpol und einen magnetischen Südpol. Bei einer Umpolung des von dem Stator bewirkten Magnetfeldes dreht sich der Rotor um 180°.

Maschinen mit einer Polpaarzahl von p=3 sind so ausgebildet und angesteuert, dass sich entlang des Umfangs des Stators alternierend angeordnet drei magnetische Nordpole und drei magnetische Südpole ergeben. Bei einer Umpolung des Magnetfeldes dreht sich der Rotor somit lediglich um 60°. Für den Einsatz in Kraftfahrzeugen werden bisher meist Asynchronmaschinen mit einer Polpaarzahl von p=2 eingesetzt. Die Erfinder der vorliegend

beschriebenen Asynchronmaschine haben jedoch erkannt, dass sich bei derartigen herkömmlichen Asynchronmaschinen mit Polpaarzahl 2 die im Rotor auftretenden elektrischen Verluste nur schwierig nennenswert senken lassen. Es wird daher vorgeschlagen, die Asynchronmaschine mit Polpaarzahl 3 auszubilden. Eine solche Asynchronmaschine mit Polpaarzahl 3 hat bei ansonsten ähnlicher Geometrie der Maschinenkomponenten und gleicher bewirkter Drehzahl zwar ein geringeres Drehmoment als eine

Asynchronmaschine mit Polpaarzahl 2. Die Jochsättigung innerhalb des

Statorjochs ist jedoch bei einer Maschine mit Polpaarzahl 3 erheblich geringer als bei einer Maschine mit Polpaarzahl 2, so dass das Statorjoch kleiner

dimensioniert werden kann, das heißt, eine geringere, als Statorjochhöhe hy1 bezeichnete Abmessung in Radialrichtung aufweisen kann.

Aufgrund des geringeren für das Statorjoch benötigten Platzbedarfs kann die Geometrie der hier vorgeschlagenen Asynchronmaschine im Vergleich zu herkömmlichen Asynchronmaschinen bei gleich bleibenden Außenabmessungen derart geändert werden, dass erstens der Außendurchmesser des Rotors größer gewählt werden kann, als bei herkömmlichen Asynchronmaschinen und damit ein Verhältnis von Rotoraußendurchmesser zu Statoraußendurchmesser größer ist, und beispielsweise im Bereich von 0,7 bis 0,9, vorzugsweise 0,7 bis 0,8, liegen kann, und dass zweitens die Höhe der Rotorzähne und somit der für die Rotorspulenelemente zur Verfügung stehende Platz zwischen benachbarten Rotorzähnen vergrößert werden kann, so dass sich ein verkleinertes Verhältnis von Statorzahnhöhe zu Rotorzahnhöhe ergibt, das beispielsweise im Bereich von 0,3 bis 0,6 liegen kann.

Mithilfe der erstgenannten Maßnahme, das heißt, der Vergrößerung des

Rotoraußendurchmessers, kann aufgrund einer damit einhergehenden Erhöhung des Hebelarms für die Drehmomentbildung der Drehmomentverlust, der sich aufgrund des Übergangs von einer Asynchronmaschine mit Polpaarzahl 2 zu einer Asynchronmaschine mit Polpaarzahl 3 ergibt, weitgehend kompensiert werden. Die hier vorgeschlagene Asynchronmaschine ist bei gleichen

Außenabmessungen daher in der Lage, im Wesentlichen eine gleiche

Drehmomentdichte bereit zu stellen, wie dies bei herkömmlichen

Asynchronmaschinen der Fall ist. Beispielsweise kann eine Asynchronmaschine, die zum Beispiel einen Statoraußendurchmesser im Bereich von 130 bis 240mm aufweist, dazu ausgelegt sein, eine Drehmomentdichte von zwischen 35 Nm/I und 70 Nm/I zu erzeugen, um beispielsweise ein Drehmoment im Bereich von 40 Nm bis 350 Nm zu erzeugen. Die mögliche Vergrößerung des Rotoraußendurchmessers ermöglicht ferner eine Erhöhung der Rotornutfläche, das heißt, der zwischen zwei benachbarten Rotorzähnen zur Verfügung stehenden Querschnittsfläche zur Aufnahme von Rotorspulenelementen, da mit größer gewähltem Rotoraußendurchmesser auch die Höhe der Rotorzähne größer gewählt werden kann. Aufgrund einer solchen Erhöhung der Rotornutfläche kann der von dieser Querschnittsfläche invers abhängige elektrische Widerstand innerhalb eines als Rotorspulenelement dienenden kurzgeschlossenen Leiters verringert werden. Hierdurch lassen sich letztendlich die elektrischen Verluste innerhalb des Rotors während des Betriebs der Asynchronmaschine erheblich verringern. Bei gleich bleibendem

Kurzzeitdrehmoment wird von einer Reduzierung der Rotorverluste um bis zu 40% ausgegangen. Im Gegenzug entstehende erhöhte Verluste innerhalb des Stators führen zu keinen wesentlichen Einschränkungen beim Betrieb der Asynchronmaschine, da die hiermit verbundene erzeugte Wärme mithilfe einer am Stator einfach zu realisierenden direkten Kühlung abgeführt werden kann.

Insgesamt führen die verringerten Verluste im Rotor zu einer Möglichkeit, das von der Asynchronmaschine zur Verfügung zu stellende Dauerdrehmoment zu erhöhen.

Im Rahmen der zuvor vorgeschlagenen Maßnahmen der Änderung der

Polpaarzahl auf 3 sowie der relativen Vergrößerung des

Rotoraußendurchmessers und der Rotorzahnhöhe kann die restliche Geometrie der Komponenten der vorgeschlagenen Asynchronmaschine weiter für eine optimierte elektrische und / oder magnetische Aufteilung verbessert werden.

Beispielsweise können die Statorjochhöhe hy1 und die Rotorjochhöhe hy2 ähnlich groß dimensioniert werden und sich vorzugsweise um weniger als 20% voneinander unterscheiden.

Die mittleren Breiten bmzl, bmz2 der Statorzähne beziehungsweise Rotorzähne können abhängig von einer Stator- und Rotornutzahl Nl, N2 in etwa wie folgt dimensioniert werden: bmzl = hy/(N1/(6p)) und bmz2 = hy/(N2/(6p)). Die Zahnbreiten können dabei beispielsweise in einem Bereich von plus oder minus 20% variiert werden, so dass sich bei einer Polpaarzahl p = 3 folgende

Abhängigkeiten ergeben können:

0,8 ^* (hy1 /(N1 ^* 18)) < bmz1 < 1 ,2 ^* (hy1 /(N1 ^* 18)) und

0,8 ^* (hy2/(N2 ^* 18)) < bmz2 < 1 ,2 ^* (hy2/(N2 ^* 18))

Eine Querschnittsfläche der Statornuten sowie Eisenwege, die sich aus der Statorjochhöhe hy1 , der Rotorjochhöhe hy2, der mittleren Statorzahnbreite bmzl und der mittleren Rotorzahnbreite bmz2 ergeben, können so gewählt sein, dass eine elektrische Stromdichte in einer der Statornuten an einer Kurzzeitgrenze von maximal 40A/mm ² liegt und gleichzeitig eine Induktion im Statorjoch, im

Rotorjoch und in den Stator- und Rotorzähnen in einem Sättigungsbereich von 1 ,7 bis 2,0T liegt. Unter der Kurzzeitgrenze der Stromdichte kann hierbei eine thermisch bedingte maximale Stromdichte verstanden werden, der eine

Statorwicklung für eine kurze Zeit von wenigen Sekunden standhalten kann. Der Sättigungsbereich ergibt sich dadurch, dass Eisen eine nicht lineare

Magnetisierungskennlinie hat, bei der ab einem gewissen Punkt, d.h. bei Erreichen der Sättigung, nicht mehr linear mehr Strom reicht, um linear mehr Fluss zu bekommen, sondern überproportional viel Stromanstieg für eine geringe Flusszunahme benötigt wird. Durch die Festlegung der maximalen

Kurzzeitstromdichte und der maximalen Induktion in Eisen wird eine optimale Ausnutzung der Maschine erreicht.

Es wird darauf hingewiesen, dass Ausführungsformen der vorliegenden

Erfindung hierin teilweise mit Bezug auf die gesamte Asynchronmaschine und teilweise mit Bezug auf einzelne ihrer Komponenten wie zum Beispiel den Stator und den Rotor beschrieben sind. Ein Fachmann wird erkennen, dass die möglichen Merkmale in geeigneter Weise ausgetauscht oder kombiniert werden können, um auf diese Weise zu weiteren Ausführungsformen und vorzugsweise Synergieeffekten gelangen zu können.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachfolgend werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben, wobei weder die Figuren noch die Beschreibung als die Erfindung einschränkend ausgelegt werden sollen. Figur 1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Asynchronmaschine.

Figur 2 zeigt eine Querschnittsansicht einer Asynchronmaschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Figur 3. zeigt eine vergrößerte Teilansicht im Querschnitt einer

Asynchronmaschine gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Figur 4 zeigt ein Fahrzeug gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.

Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Gleiche oder gleich wirkende Merkmale werden in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen betitelt.

Ausführungsformen der Erfindung

Figur 1 zeigt eine Asynchronmaschine 1 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die Asynchronmaschine 1 weist einen Stator 3, einen Rotor 5 und eine Welle 7 auf. Der Stator 3 umgibt den Rotor 5 ringförmig. Der

Rotor 5 ist somit innerhalb des Stators 3 um die Welle 7 herum rotierbar aufgenommen. Stator 3 und Rotor 5 weisen eine zylindrische Form auf.

In den Figuren 2 und 3 sind eine Elektromaschine 1 im Querschnitt sowie ein vergrößerter Ausschnitt eines solchen Querschnitts dargestellt. Zwischen dem

Stator 3 und dem Rotor 5 besteht ein kleiner Spalt 4. Sowohl der Stator 3 als auch der Rotor 5 bestehen aus einer Vielzahl von Lamellen 6, 8, die in axialer Richtung hintereinander angeordnet sind. Der Stator 3 weist außenliegend ein Statorjoch 9 auf. Das Statorjoch 9 ist ringförmig beziehungsweise zylinderförmig. Eine Abmessung des Statorjochs 9 in radialer Richtung wird als Statorjochhöhe hy1 bezeichnet. Von dem Statorjoch 9 ragen nach innen Statorzähne 1 1 ab. Die Statorzähne 1 1 weisen eine

Statorzahnhöhe hz1 und eine mittlere Statorzahnbreite bmzl auf. Sowohl der Stator 9 als auch die Statorzähne 1 1 bestehen im Wesentlichen aus einem magnetisierbaren, vorzugsweise ferromagnetischen Material wie zum Beispiel Eisen oder Elektroblech. In den zwischen benachbarten Statorzähnen 1 1 gebildeten Statornuten 13 ist elektrisch gut leitfähiges Material wie zum Beispiel Kupfer oder Aluminium aufgenommen, welches zur Bildung von

Statorspulenelementen 15 dient.

Der Rotor 5 weist ein innen liegendes Rotorjoch 17 auf, welches ebenfalls ringförmig, insbesondere zylinderförmig ausgestaltet ist. Von dem Rotorjoch 17 ragen nach au ßen Rotorzähne 19 ab. Die Abmessungen des Statorjochs 17 sowie der Rotorzähne 19 werden als Rotorjochhöhe hy2, Rotorzahnhöhe hz2 und mittlere Rotorzahnbreite bmz2 bezeichnet. Auch das Rotorjoch 17 und die Rotorzähne 19 bestehen im Wesentlichen aus einem magnetisierbaren, vorzugsweise ferromagnetischen Material wie beispielsweise Eisen oder Elektroblech. Zwischen benachbarten Rotorzähnen 19 befinden sich Rotornuten 21 , in denen ein elektrisch gut leitfähiges Material wie zum Beispiel Kupfer oder Aluminium aufgenommen ist und zur Bildung von Rotorspulenelementen 23 dient. Die Rotorspulenelemente 23 können hierbei als zeitweise oder permanent kurzgeschlossene Leiterstrukturen ausgebildet sein.

Der Außendurchmesser des Rotors 5 wird mit D2a bezeichnet und ist die Summe des Durchmessers D2i der Welle 7, der Rotorjochhöhe hy2 und der Rotorzahnhöhe hz2. Der Außendurchmesser der Stators 3 wird als Dia bezeichnet und ergibt sich als Summe aus dem Rotoraußendurchmesser D2a, der Breite des Spaltes 4, der Statorjochhöhe hyl und der Statorzahnhöhe hzl.

Die Statorspulenelemente 15 sind derart angeordnet, verschaltet und

angesteuert, dass sich für die Asynchronmaschine 1 eine Polpaarzahl von 3 ergibt, das heißt, dass sich ein rotierendes Gesamtmagnetfeld mit drei magnetischen Nordpolen und drei magnetischen Südpolen einstellt. Hierzu werden jeweils mehrere der parallel zu der Welle 7 verlaufenden

Statorspulenelemente 15 in gleicher Richtung bestromt. Das von den

Statorspulenelementen 15 erzeugte Magnetfeld wird hauptsächlich in dem Statorjoch 3 und den Statorzähnen 11 gebündelt und von dem Stator 3 dann auf den Rotor 5 insbesondere in dessen Rotorzähnen 19 und dem Rotorjoch 17 übertragen. Da jeder der sechs magnetischen Pole sich lediglich innerhalb eines

Winkelbereichs von 60° in dem Stator 3 erstreckt, ist die Jochsättigung bei dem Stator 3 der vorgeschlagenen Asynchronmaschine 1 geringer als bei einer Asynchronmaschine mit Polpaarzahl 2, so dass sowohl die Statorjochhöhe hy1 als auch die Statorzahnhöhe hz1 kleiner dimensioniert sein kann. Bei gleichem Statorau ßendurchmesser D1 a von beispielsweise 150mm kann somit der Rotorau ßendurchmesser D2a größer als bei herkömmlichen

Asynchronmaschinen sein und im vorgestellten Fall im Bereich von 105 bis 120mm liegen. Dementsprechend kann auch die Rotorzahnhöhe hz2 und damit verbunden die Querschnittsfläche der Rotornuten 21 größer sein.

Da die Statornuten 13 bei der vorgeschlagenen Asynchronmaschine 1 somit im Verhältnis zu den Rotornuten 21 kleiner sind als bei herkömmlichen

Asynchronmaschinen, verteilen sich die insgesamt in der Asynchronmaschine 1 auftretenden elektrischen Verluste stärker auf den einfach kühlbaren Stator 3, wohingegen der nur schwierig kühlbare Rotor 5 weniger Verlustwärme aufnehmen muss.

In Figur 4 ist schematisch ein Kraftfahrzeug 100 mit einer erfindungsgemäßen Asynchronmaschine 1 dargestellt. Im dargestellten Beispiel treibt die

Asynchronmaschine 1 die Hinterräder des Kraftfahrzeugs an. Es sind jedoch auch Front- oder Allradantriebe möglich.