Titel

Rotor einer elektrischen Maschine mit mehrschichtiger Permanentmagnetanordnung

Stand der Technik

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor einer elektrischen Maschine. Außerdem betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine aufweisend einen derartigen Rotor. Der Rotor weist eine mehrschichtige Anordnung von Permanentmagneten auf.

Aus dem Stand der Technik sind elektrische Maschinen bekannt. Diese weisen oftmals einen Rotor auf, in dem Permanentmagnete vorgesehen sind. Diese Permanentmagnete lassen sich in unterschiedlichen Anordnungen innerhalb des Rotors bereitstellen. So ist beispielsweise eine mehrschichtige Anordnung von Permanentmagneten in der Art einer Multi-C-Anordnung mit vier Schichten aus der FR 2 973 179 B1 bekannt. Eine andere ähnliche Anordnung ist aus der US 2013/307363 A1 bekannt.

Offenbarung der Erfindung

Der erfindungsgemäße Rotor weist eine mehrschichtige Anordnung von Permanentmagneten auf, die eine Steigerung des magnetischen Rotorflusses gegenüber dem Stand der Technik ermöglicht. Gleichzeitig ist die Drehzahlfestigkeit des Rotors erhöht. Weiterhin ermöglicht der Rotor die Reduktion von Magnetverlusten durch Oberschwingungen, wodurch insgesamt die Dauerperformance einer elektrischen Maschine erhöht ist.

Die mehrschichtige Anordnung der Permanentmagnete ist insbesondere nicht durch lediglich viele kleine Permanentmagnete zu realisieren, sondern ermöglicht die Verwendung von größeren Permanentmagneten verglichen mit dem Stand der Technik. Dies führt zu einer höheren Entmagnetisierungsfestigkeit, wodurch höhere Rotortemperaturen tolerierbar sind, ohne das die Performance der elektrischen Maschine negativ beeinflusst wird.

Der Rotor weist einen um eine Rotorachse drehbaren Rotorkörper auf. Der Rotorkörper ist insbesondere durch eine Vielzahl von einzelnen Blechlamellen gebildet, die zu einem Lamellenpaket gestapelt sind. Die einzelnen Blechlamellen sind insbesondere aus Elektroblech gefertigt, besonders bevorzugt ausgestanzte. Der Rotorkörper weist einen Außenumfang und mehrere Rotorpole auf, wobei jeder Rotorpol eine Polmittelachse und eine Anordnung von Innentaschen des Rotorkörpers angeordneten Permanentmagneten aufweist. Die Taschen sind somit bevorzugt in dem Stapel der einzelnen Blechlamellen ausgebildet.

Die Anordnung von Permanentmagneten umfasst zwei in radialer Richtung zueinander beabstandete Schichten mit Permanentmagneten, wobei die radial innere Schicht zwei symmetrisch zur Polmittelachse angeordnete innere Taschen und einen zwischen den beiden inneren Taschen vorgesehen Innensteg aufweist. Die radial äußere Schicht weist eine symmetrisch zur Polmittelachse angeordnete äußere Tasche auf. Die radial äußere Schicht weist somit besonders vorteilhaft eine solche Tasche auf, die tangential zur Polmittelachse ausgebildet ist. Durch eine derartige Anordnung lassen sich insbesondere kritische Ordnungen der Drehmomentwelligkeit signifikant reduzieren.

Der Innensteg ist bevorzugt ein einziger, symmetrisch zur Polmittelachse angeordneter Steg. Somit erstreckt sich der Innensteg vorteilhafterweise entlang der Polmittelachse und trennt somit die beiden inneren Taschen voneinander. Zwischen dem Außenumfang des Rotorkörpers und der äußeren Tasche sind zwei als Flussbarrieren wirkende Zusatztaschen vorgesehen. Die Zusatztaschen sind ebenfalls symmetrisch zur Polmittelachse angeordnet. Jede Zusatztasche bildet einen ersten Außensteg zwischen der Zusatztasche und der äußeren Tasche. Somit sind zwei erste Außenstege vorhanden, zwischen denen sich die äußere Tasche befindet. Eine solche Anordnung von Taschen und Stegen wird im Folgenden auch C-Minus-Anordnung bezeichnet. Dies folgt insbesondere daraus, dass die Permanentmagnete der radial inneren Schicht C-förmig angeordnet sind, während die radial äußere Schicht insbesondere die Form eines Minus aufweist. Der beschriebene Rotor eignet sich insbesondere zum Einsatz in elektrischen Maschinen für Hybridfahrzeuge oder Elektrofahrzeuge und ist insbesondere in permanenterregten Synchronmaschinen einsetzbar. Wird der Rotor in solchen elektrischen Maschinen verwendet, so lassen sich hohe Drehmomente und hohe Leistungen erreichen, wobei gleichzeitig eine hohe Drehzahlfestigkeit vorhanden ist. Die Anordnung ermöglicht weiterhin eine hohe Entmagnetisierungsfestigkeit der verwendeten Permanentmagnete, wodurch eine Rotorgrenztemperatur erhöht ist. Dies führt insbesondere zu besagter hoher Dauerperformance der elektrischen Maschine. Weiterhin ermöglicht die Anordnung der Permanentmagneten, insbesondere die Anordnung in der radial äußeren Schicht, eine geringe Drehmomentenwelligkeit. Weitere Vorteile der genannten Anordnung sind niedrige Verluste, insbesondere niedrige Eisenverluste und Magnetverluste sowie niedrige Materialkosten und Herstellungskosten.

Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.

Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass jede Zusatztasche zusätzlich einen zweiten Außensteg zwischen dem Außenumfang des Rotorkörpers und der Zusatztasche bildet. Somit ist die Zusatztasche durch den ersten Außensteg und den zweiten Außensteg begrenzt und weist somit zumindest in der Ebene senkrecht zur Rotationsachse einen geschlossenen Querschnitt auf. Die Zusatztasche bleibt vorteilhafterweise leer und ist somit lediglich mit Umgebungsluft gefüllt. Auf diese Weise wirkt die Zusatztasche als Flussbarriere, während die zweiten Außenstege eine hohe Drehmomentfestigkeit des Rotors sicherstellen.

In einer alternativen, nicht dargestellten Ausgestaltung ist bevorzugt vorgesehen, dass die Zusatztaschen im Stapel von Blechlamellen zum Außenumfang hin offen ausgebildet sind. Somit sind die zuvor beschriebenen zweiten Außenstege insbesondere nicht vorhanden. Die Zusatztaschen sind in diesem Fall vorteilhafterweise mit einer magnetisch nicht leitfähigen Masse aufgefüllt. Durch die magnetisch nicht leitfähige Masse ist insbesondere eine mechanische Stabilität des Rotors erhöht, wodurch die entsprechende Zusatztasche einerseits als Flussbarriere wirkt, andererseits die Drehzahlfestigkeit des Rotors sicherstellt. Vorteilhafterweise ist in jeder inneren Tasche und/oder in jeder äußeren Tasche in axialer Richtung eine Vielzahl von Permanentmagneten hintereinander angeordnet. Somit ist die axiale Abmessung jedes Permanentmagnets nicht zwingend identisch zur axialen Abmessung des Rotorkörpers. Vielmehr lassen sich in axialer Richtung mehrere Permanentmagnete hintereinander anordnen, um die inneren Taschen und/oder äußeren Taschen aufzufüllen.

In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass jeweils zwei Permanentmagnete der radial inneren Schicht bezüglich der Polmittelachse symmetrisch angeordnet sind und jeweils einen spitzen Öffnungswinkel an, 012 zueinander einschließen. Dies bedeutet, dass die Permanentmagnete zueinander einen Winkel einnehmen, der kleiner als 180° ist. Die beiden ersten Außenstege der radial äußeren Schicht schließen einen spitzen Stegwinkel ß _sa zueinander ein. Es ist bevorzugt vorgesehen, dass der Öffnungswinkel an, ai2 jedes Paares von symmetrisch angeordneten Permanentmagneten der radial inneren Schicht größer ist als der Stegwinkel ß _sa zwischen den ersten Außenstegen. Dies führt insbesondere zu einem optimierten Magnetfluss innerhalb des Rotors, wodurch sich hohe Leistungen der den Rotor verwendenden elektrischen Maschine bei gleichzeitig hoher Drehmomentfestigkeit erreichen lassen.

Vorteilhafterweise ist außerdem vorgesehen, dass der Innensteg jedes Rotorpols eine in Umfangsrichtung des Rotors gemessene Breite b _S j aufweist. Die ersten Außenstege jedes Rotorpols weisen eine Umfangsrichtung des Rotors gemessene Breite b _sa auf. Es ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass die Breite b _S j des Innenstegs größer ausgebildet ist, als die Breite b _sa der ersten Außenstege. Somit erfolgt eine optimale Auslegung der jeweiligen Stege in Abhängigkeit der zu tragenden Kräfte sowie optimiert für einen maximalen magnetischen Rotorflusspunkt insbesondere lassen sich Streuflüsse minimieren.

Zwischen den ersten Außenstegen jeder äußeren Tasche ist bevorzugt ein einziger Permanentmagnet angeordnet. Dies gilt insbesondere innerhalb der Ebene senkrecht zur Rotationsachse, sodass weiterhin möglich ist, mehrere Permanentmagnete in axialer Richtung zu stapeln.

In jeder der beiden inneren Taschen sind bevorzugt jeweils zwischen dem Innensteg und dem Außenumfang des Rotorkörpers zumindest zwei nebeneinanderliegende Permanentmagnete angeordnet. Dies gilt wiederrum bevorzugt in der Ebene senkrecht zur Rotationsachse, sodass weiterhin ermöglicht ist, mehrere Permanentmagnete axial zu stapeln. Die beiden Permanentmagnete pro innere Tasche sind insbesondere derart angeordnet, dass diese den Permanentmagneten in der äußeren Tasche zumindest teilweise umgreifen. Somit ist insbesondere die zuvor beschriebene C-Minus-Anordnung auf einfache Art erreicht.

Die beiden inneren Taschen sind bevorzugt jeweils derart abgeknickt ausgebildet, dass die Permanentmagnete jeder inneren Tasche unterschiedliche Winkel zur Polmittelachse aufweisen. Auf diese Weise ist insbesondere die zuvor beschriebene C-Form realisiert. Die Anordnung der Permanentmagnete und die Montage des Rotors ist somit vereinfacht.

Bevorzugt weisen die Magnete jedes Rotorpols insbesondere die Magnete des gesamten Rotors, identische Abmessungen auf. Somit ist die Bereitstellung der Permanentmagnete einfach und aufwandsarm ermöglicht. Außerdem ist die Montage des Rotors vereinfacht, da in jeder zur Montage von Magneten vorgesehen Position ein identischer Permanentmagnet verwendet werden kann.

Die Erfindung betrifft außerdem eine elektrische Maschine. Die elektrische Maschine weist einen Rotor wie zuvor beschrieben auf. Außerdem weist die elektrische Maschine einen Stator zum Antreiben des Rotors auf. Die Verwendung des Rotors wie zuvor beschrieben führt insbesondere zu den zuvor genannten vorteilhaften Eigenschaften der elektrischen Maschine.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:

Figur 1 schematische Abbildung einer elektrischen Maschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung

Die Figur 1 zeigt schematisch eine elektrische Maschine 10 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die elektrische Maschine 10 weist einen Stator 11 sowie einen Rotor 1 auf. Der Stator 11 dient zum Antreiben des Rotors 1. Die Darstellung in Figur 1 erfolgt lediglich für einen einzelnen Rotorpol 5 des Rotors 1, wobei die restliche Anordnung von Rotor 1 und/oder Stator 11 bevorzugt symmetrisch zu dem gezeigten Ausschnitt ist.

Der Rotor 1 weist einen Rotorkörper 2 auf, der um eine Rotationsachse 100 rotierbar ausgebildet ist. Der Rotorkörper 2 ist bevorzugt aus einer Vielzahl von gestapelten Blechlamellen gebildet. Die Blechlamellen sind beispielsweise aus Elektroblech gestanzt.

Der Rotorkörper 2 weist einen Außenumfang 8 sowie eine Vielzahl von Magnettaschen 6, 7 auf. Der Rotorkörper 2 bildet außerdem mehrere Rotorpole 5, wobei, wie zuvor beschrieben, in Figur 1 lediglich einer dieser Rotorpole 5 gezeigt ist. Besagter Rotorpol 5 wiederum weist eine Polmittelachse 101 auf, wobei der Rotorpol 5 symmetrisch zu dieser Polmittelachse 101 ausgebildet ist.

Jeder Rotorpol 5 weist eine mehrschichtige Anordnung von Permanentmagneten 4 auf, wobei einerseits Permanentmagnete 4 einer radial inneren Schicht 3i und Permanentmagnete 4 einer radial äußeren Schicht 3a vorgesehen sind. Die radial innere Schicht 3i ist von der radial äußeren Schicht 3a in Radialrichtung beabstandet angeordnet. Die radial innere Schicht 3i weist zwei symmetrisch zur Polmittelachse 101 angeordnete innere Taschen 6 auf. Zwischen den beiden inneren Taschen 6 ist ein Innensteg 9i vorgesehen. Der Innensteg 9i ist ein einziger, symmetrisch zur Polmittelachse 101 angeordneter Steg.

Die radial äußere Schicht 3a weist eine symmetrisch zur Polmittelachse 101 angeordnete äußere Tasche 7 auf. Außerdem ist vorgesehen, dass zwischen dem Außenumfang 8 des Rotorkörpers 2 und der äußeren Tasche 7 zwei als Flussbarriere wirkende, symmetrisch zur Polmittelachse 101 angeordnet Zusatztaschen 12 vorgesehen sind. Zwischen der Zusatztasche 12 und der äußeren Tasche 7 ist jeweils ein erster Außensteg 9a angeordnet. Zwischen jeder Zusatztasche 12 und dem Außenumfang 8 des Rotorkörpers 2 ist außerdem jeweils ein zweiter Außensteg 9u vorgesehen. Somit ist ein Querschnitt der Zusatztaschen 12 zumindest bezüglich der Ebene senkrecht zur Rotationsachse 100 geschlossen ausgebildet. Es sind aber auch alternative, nicht dargestellte Ausgestaltungen möglich, wie insbesondere die Ausbildung der Zusatztaschen 12 mit offenem Querschnitt, bei der die Zusatztaschen 12 zum Außenumfang 8 hin offen ausgebildet sind. In diesem Fall sind die Zusatztaschen 12 zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit vorteilhafterweise mit einem magnetisch nicht leitfähigem Material gefüllt. Eine entsprechende Füllung abgesehen von Luft ist in der Figur 1 gezeigten Ausgestaltung nicht notwendig, vielmehr ist hier vorgesehen, dass die Zusatztasche 12 frei bleibt und somit lediglich mit Umgebungslust aufgefüllt ist. In diesem Fall ist die Wirkung als Flussbarriere einfach und aufwandsarm erreicht.

In der äußeren Tasche 7 ist zwischen den beiden ersten Außenstegen 9a lediglich ein Permanentmagnet 4 angebracht. Dies bezieht sich insbesondere auf die Ebene senkrecht zur Rotationsachse 100, da vorteilhafterweise in axialer Richtung bezüglich der Rotationsachse 100 mehrere Permanentmagnete 4 gestapelt werden können.

In jeder inneren Tasche 6 sind zwischen Innensteg 9i und dem Außenumfang 8 des Rotorkörpers 2 bevorzugt jeweils zwei Permanentmagnete 4 angeordnet. Auch dies bezieht sich insbesondere auf die Ebene senkrecht zur Rotationsachse, da auch hier in axialer Richtung bezüglich der Rotationsachse 100 mehrere Permanentmagnete 4 gestapelt werden können.

Jede innere Tasche 6 ist bevorzugt abgewinkelt ausgebildet, sodass jeder Permanentmagnet 4 der inneren Tasche 6 einen anderen Winkel zur Polmittelachse 101 aufweist. Durch die symmetrische Ausgestaltung der beiden inneren Taschen 6 eines Rotorpols 5 bezüglich der Polmittelachse 101 ist somit erreicht, dass jeweils zwei Permanentmagnete 4 jeder inneren Tasche 6 symmetrisch zueinander angeordnet sind. Jedes dieser Paare von symmetrisch angeordneten Permanentmagneten 4 bildet einen spitzen Öffnungswinkel an und ai2. In Figur 1 bilden die radial weiter innen gelegenen symmetrisch angeordneten Permanentmagnete 4 den spitzen Öffnungswinkel Oi2 während die beiden radial weiter außen gelegenen Permanentmagnete 4 der inneren Taschen 6 den spitzen Öffnungswinkel an bilden. Auch die beiden ersten Außenstege 9a der radial äußeren Schicht 3a bilden einen spitzen Winkel, den spitzen Stegwinkel ß _sa .

Es ist vorgesehen, dass jeder Öffnungswinkel an und ai2 größer ist als der Stegwinkel ß _sa . Auf diese Weise lassen sich die magnetischen Flüsse innerhalb des Rotors 1 optimieren, um eine Performance der elektrischen Maschine 10 zu maximieren. Des Weiteren ist vorgesehen, dass der Innensteg 9i eine in Umfangsrichtung des Rotors 1 gemessene Breite b _S j aufweist. Die ersten Außenstege 9a weisen eine in Umfangsrichtung des Rotors 1 gemessene Breite b _sa auf. Hier ist vorgesehen, dass die Breite b _S j des Innenstegs 9i größer ausgebildet ist als die Breite b _sa der ersten Außensteges 9a. Somit sind die Größen der entsprechenden Stege 9i, 9a hinsichtlich vorhandener Kraftverhältnisse optimiert, wobei die Ausbildung von Streuflüssen minimiert ist.

Die zuvor beschriebene Ausbildung der radial inneren Schicht 3i und der radial äußeren Schicht 3a ermöglicht die Bereitstellung der Permanentmagnete 4 in einer C-Minus-Anordnung, wobei diese Anordnung einfach und aufwandsarm erreichbar ist. So ist insbesondere vorgesehen, dass sämtliche im Rotorpol 5 vorgesehen Permanentmagnete 4 identische Abmessungen aufweisen. Dies vereinfacht die Montage des Rotors 1, da keinerlei Zuordnungen von Permanentmagneten 4 zu bestimmten Positionen zu beachten sind. Gleichzeitig ermöglicht die C-Minus-Anordnung einen optimierten Rotorfluss bei erhöhter Drehmomentfestigkeit. Somit ist einerseits ein hohes Drehmoment und eine hohe Leistung ermöglicht. Andererseits sind aufgrund der Möglichkeit größere Permanentmagnete 4 zu verwenden, eine Entmagnetisierungsfestigkeit der Permanentmagnete 4 und damit eine Rotorgrenztemperatur erhöht. Somit ist eine Dauerperformance der elektrischen Maschine 10 erhöht. Durch die zuvor beschrieben einfache Anordnung lassen sich außerdem Herstellungskosten und Materi al kosten minimieren.