Titel

Rotor für eine elektrische Maschine mit reduziertem Rastmoment

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer elektrischen Maschine, wie sie m der alteren DE-Patentanmeldung

10 2007 025 971.0 beschrieben ist. Eine derartige hybriderregte Synchronmaschine eignet sich insbesondere für die Speisung des Bordnetzes von Kraftfahrzeugen, wobei sie im Generatorbetrieb mit geregelter induzierter Spannung in einem mehrphasigen Standerwicklungssystem benutzt und die Pole des Rotors permanentmagnetisch und/oder elektrisch erregt werden.

Offenbarung der Erfindung

Die erfindungsgemäße elektrische Maschine mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs hat den Vorteil, dass durch die vorgeschlagene Gestaltung des Rotors Drehmomentschwankungen und durch die veränderlichen Kräfte auf die Statorzahne verursachte Geräusche der Maschine deutlich reduziert werden können, wobei gleichzeitig der Vorteil einer einfachen Einbringung der Erregerwicklung in die Nuten des Rotors durch ein direktes Wickelverfahren bei hohem Fullfaktor der Nuten erhalten bleibt. Im Unterschied zu einer rein permanentmagnetisch erregten Maschine mit versetzt angeordneten Teilmagneten, wie sie beispielsweise aus der EP 1 447 901 A2 bekannt ist, ergibt sich durch die Kombination der permanentmagnetischen Erregung mit einer Erregerwicklung der wesentliche Vorteil, dass mit einem verhältnismäßig kleinen, leicht regelbaren Erregerstrom in der Rotorwicklung die Ausgangsleistung der Maschine mit einfachen Mitteln regelbar ist und gleichzeitig die hohe Leistungsdichte einer permanentmagnetisch erregten Maschine genutzt werden kann.

Durch die in den abhangigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im unabhängigen Anspruch angegebenen elektrischen Maschine möglich. Zur Verringerung der

Rastmomente werden hierbei vorzugsweise die einer Nutoffnung benachbarten, elektrisch erregten Pole jeweils mit unterschiedlicher Polteilung ausgeführt, wahrend die restlichen, elektrisch oder permanentmagnetisch erregten Pole am Rotorumfang zweckmaßigerweise mit gleicher

Polteilung ausgeführt werden. Hierbei ist es weiterhin vorteilhaft, dass mit einem einzigen Blechschnitt für die Lamellen des Rotorblechpaketes allein durch eine spiegelsymmetrische Schichtung der Bleche der angestrebte Versatz im Rotorblechpaket bei gleichbleibendem, fluchtenden Nutverlauf erreicht wird. Mit zwei unterschiedlichen Blechschnitten können auf diese Weise vier gegeneinander versetzte Teilpakete des Rotorblechpaketes, mit drei unterschiedlichen Blechschnitten eine Unterteilung in sechs gegeneinander verdrehte Teilpakete erreicht werden, jeweils bei unverändertem, achsparallelem Nutverlauf.

Die unterschiedlichen Polteilungen für die an die Nutoffnungen angrenzenden, elektrisch erregten Pole werden hierbei vorteilhafterweise so gewählt, dass die Differenz der Polteilungen kleiner ist als der Abstand zwischen den Raststellungen des Rotors. Die Polteilung der permanentmagnetisch erregten Pole und der zwischen diesen angeordneten, elektrisch erregten Folgepole liegt dabei zweckmaßigerweise im Bereich zwischen den Polteilungen der unterschiedlich breiten, elektrisch erregten Pole an den Nutoffnungen .

Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteranspruchen und der Beschreibung eines Ausfuhrungsbeispiels .

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Em Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung naher erläutert .

Es zeigen

Figur 1 einen Längsschnitt durch einen

Wechselstromgenerator für Kraftfahrzeuge mit einem hybriderregten Rotor in Polwechselanordnung und

Figuren 2a und 2b Ansichten von zwei Teilpaketen des

Rotorblechpaketes für eine elektrisch zweipolig erregte, insgesamt 14-polige Maschine mit sechs permanentmagnetisch erregten Polen, wobei in den Darstellungen 2a und 2b der Blechschnitt jeweils gleich, die Blechlamellen jedoch gewendet sind. Ausfuhrungsformen der Erfindung

In Figur 1 ist in schematisierter Darstellung ein Schnitt durch eine elektrische Maschine 10 in der Ausfuhrung als Wechselstromgenerator für Kraftfahrzeuge dargestellt. Dieser weist ein zweiteiliges Gehäuse 13 auf, das aus einem ersten Lagerschild 13.1 und einem zweiten Lagerschild 13.2 besteht. Der Lagerschild 13.1 und der Lagerschild 13.2 nehmen einen Stator 16 auf, mit einen kreisπngformigen Statorblechpaket 17, m dessen nach innen offene und sich axial erstreckende Nuten 19 eine Statorwicklung 18 eingelegt ist. Der ringförmige Stator 16 umgibt mit seiner radial nach innen gerichteten Oberflache einen Rotor 20, der als hybriderregter Rotor ausgebildet ist. Der Stator 16 wirkt hierbei über einen Arbeitsluftspalt mit dem im Stator 16 drehbar gelagerten Rotor 20 zusammen.

Der Rotor 20 weist über seinen Umfang in einer vorgegebenen Folge mehrere Nordpole N und Sudpole S auf, die durch geteilte Permanentmagnete 24, 25 sowie durch die

Erregerwicklung 29 ausgebildet werden. Dabei lasst sich die Polzahl des Rotors 20 in Abhängigkeit von der Starke und Richtung eines Erregerstromes m der Erregerwicklung 29 und durch die Zahl der eingesetzten Permanentmagnete verandern.

Der Rotor 20 besitzt einen magnetisch leitfahigen Korper, der als unterteiltes Blechpaket 21 ausgebildet ist. Das Rotorblechpaket ist m Achsrichtung laminiert mit einer Blechstarke zwischen 0,1 mm und 2,0 mm. Unterhalb 0,1 mm ist die Widerstandsfähigkeit des Blechpaketes 21 gegen Fliehkräfte zu gering. Oberhalb von 2,0 mm ist die Verringerung der Wirbelstromverluste auf der Außenflache des Rotors 20 nicht mehr ausreichend, so dass die eingebauten Permanentmagnete 24, 25 geschadigt, beziehungsweise entmagnetisiert werden können.

Die axiale Lange des Rotorblechpaketes 21 entspricht vorzugsweise der axialen Lange des kreisπngformigen Statorblechpaketes 17, beziehungsweise ist für einen Toleranzausgleich bis zu 2 mm langer oder kurzer als das Statorblechpaket 17 und wird vorzugsweise durch Schweißnahte zusammengehalten. Es können statt Schweißungen auch Nieten, beziehungsweise Knopfungen eingesetzt werden.

Die Erregerwicklung 29 ist beispielhaft bei der zweipoligen Variante als Durchmesserspule ausgebildet und liegt m Nuten, die aus dem Blechpaket 21 ausgestanzt sind. Die Erregerwicklung 29 kann z.B. als Flyerwicklung (Doppelflyer) direkt in das Rotorblechpaket 21 eingewickelt werden. Des Weiteren sind in dem Rotorblechpaket Bereiche 41 ausgespart, in die Permanentmagnete 24, 25 eingesetzt werden können.

Erfmdungsgemaß werden die Magnete 24, 25 vorzugsweise in ausgestanzte Taschen im Rotorblechpaket eingesetzt. Hierdurch ist es möglich, die im Betrieb auftretenden Fliehkräfte aufzunehmen und dadurch einen sicheren Halt der Magnete auf dem Rotor zu gewährleisten. Als Magnetmateπal erweist sich ein Material mit einer Remanenzinduktion von großer 1 T als besonders vorteilhaft. Diese magnetischen Eigenschaften weisen insbesondere Permanentmagnete aus Seltenerd-Mateπal auf. Die Magnete werden hierbei in den Rotor derart eingebaut, dass sie ein im Wesentlichen radiales Feld erzeugen. Dieses Feld tritt dann vom Rotor über den Luftspalt in das Statorblechpaket ein und induziert bei Drehung des Rotors eine Spannung in den Wicklungen des Stators . Der Rotor 20 ist mittels einer Welle 27 und je einem auf je einer Rotorseite befindlichen Walzlager 28 m den jeweiligen Lagerschilden 13.1 beziehungsweise 13.2 drehbar gelagert. Er weist zwei axiale Stirnflachen auf, an denen jeweils ein Lufter30 befestigt ist. Diese Lufter bestehen im

Wesentlichen aus einem plattenformigen, beziehungsweise scheibenförmigen Abschnitt, von dem Lufterschaufein in bekannter Weise ausgehen. Die Lufter 30 dienen dazu, über Offnungen 48 in den Lageschilden 13.1 und 13.2 einen Luftaustausch zwischen der Außenseite und dem Innenraum der elektrischen Maschine 10 zu ermöglichen. Dazu sind Offnungen 48 an den axialen Enden der Lagerschiide 13.1 und 13.2 vorgesehen, über die mittels der Lufter 30 Kuhlluft m den Innenraum der elektrischen Maschine 10 eingesaugt wird. Diese Kuhlluft wird durch die Rotation der Lufter 30 radial nach außen beschleunigt, so dass sie durch die kuhlluftdurchlassigen Wickelkopfe 50 auf der Antriebsseite und 51 auf der Elektronikseite hindurchtreten kann. Durch diesen Effekt werden die Wickelkopfe 50, 51 gekühlt. Die Kuhlluft nimmt nach dem Hindurchtreten durch die Wickelkopfe 50, 51, beziehungsweise nach dem Umströmen der Wickelkopfe, einen Weg radial nach außen durch nicht dargestellte Offnungen .

In Figur 1 auf der rechten Seite befindet sich eine Schutzkappe 47, die verschiedene Bauteile vor Umgebungseinflüssen schützt. So deckt diese Schutzkappe 47 eine Schleifπngbaugruppe 49 ab, welche die Erregerwicklung 29 mit Erregerstrom versorgt. Um diese Schleifπngbaugruppe 49 herum ist ein Kühlkörper 53 angeordnet, der hier als

Pluskuhlkorper wirkt, an dem Plusdioden 59 montiert sind. Als sogenannter Mmuskuhlkorper wirkt der Lagerschild 13.2. Zwischen dem Lagerschild 13.2 und dem Kühlkörper 53 ist eine Anschlussplatte 56 angeordnet, welche im Lagerschild 13.2 befestigte Minusdioden 58 und Plusdioden 59 in Form einer Bruckenschaltung 69 miteinander verbindet.

Die Figuren 2a und 2b zeigen jeweils den gleichen, um 180° gedrehten Rotorblechschnitt einer insgesamt 14-poligen elektrischen Maschine 10. Die Darstellungen entsprechen hierbei den Ansichten von zwei Teilpaketen 21a und 21b des Rotorblechpaketes 21, wobei die Polausrichtungen jeweils um den Winkel α gegeneinander verdreht sind bei unveränderter Lage der Nutmittellinie 22.

Der Rotor 20 ist elektrisch zweipolig erregt durch eine Erregerwicklung 29, welche in zwei gleiche, symmetrisch beidseitig einer Öffnung 26 für die nicht dargestellte Rotorwelle angeordnete Teilspulen 29a und 29b unterteilt ist. Die Grunderregung der Maschine erfolgt über insgesamt acht elektrisch erregte Pole, wobei m den Figuren 2a und 2b die vier oberen Pole 32, 35 und 38 Nordpole und die vier unteren Pole 34, 36 und 37 Sudpole ausbilden. Zwischen den elektrisch erregten Polen weist der Blechschnitt den Polen 32 und 34 entsprechende Vorsprunge mit taschenformigen Aussparungen 43 auf zum Einschieben von Permanentmagneten 24 und 25, wobei die Permanentmagnete 24 Nordpole und die Permanentmagnete 25 Sudpole am Rotorumfang ausbilden, jeweils im Wechsel mit den elektrisch erregten Polen.

Der Blechschnitt für die Teilpakete 21a und 21b des Rotorblechpaketes in den Figuren 2a und 2b ist gleich, die Lamellen sind jedoch um 180° gedreht. Hierbei bleibt die Form und die Mittellinie 22 der Nuten 40 unverändert erhalten, sodass sich diese fluchtend über die gesamte axiale Lange des Rotors 20 erstrecken, wahrend die Pole 32- 38 in den beiden Teilpaketen 21a und 21b auf Grund von unterschiedlichen Polteilungen τl und τ2 der Pole 35-38 gegeneinander versetzt sind. In axialer Richtung schließt sich hierbei an einen elektrisch erregten Teilpol mit der Polteilung τl ein elektrisch erregter Teilpol mit der Polteilung τ2 an und umgekehrt, wodurch die Permanentmagnetpole 24 und 25 sowie die dazwischen liegenden elektrisch erregten Folgepole 32 und 34 jeweils um einen Winkel α gegeneinander verdreht werden, welcher der unterschiedlichen Große der Polteilungen τl und τ2 entspricht .

Die Große der Polteilung τl für die breiteren Nutrandpole 35 und 37, τ2 für die schmaleren Nutrandpole 36 und 38 und τ3 für die Permanentmagnetpole sowie die dazwischen liegenden elektrisch erregten Folgepole ist so gewählt, dass die Polteilung τ3 im Bereich zwischen der Große der Polteilungen τl und τ2 liegt. Hierbei soll die Differenz τl-τ2 der Polteilungen τl und τ2 der elektrisch erregten Pole 35-38 kleiner oder maximal gleich groß sein wie der Abstand zwischen den Raststellungen des Rotors 20, welcher seinerseits durch die Zahl der Rotorpole und die Zahl der Standerzahne bestimmt ist. Der Rastabstand ergibt sich hierbei aus dem Quotienten des Rotorumfangs und des kleinsten gemeinsamen Vielfachen zwischen der Zahl der Rotorpole und der Statorzahne. In dem in den Figuren 1 und 2 dargestellten Ausfuhrungsbeispiel besitzt der Stator 42

Zahne, der Rotor 14 Pole. Kleinstes gemeinsames Vielfaches hierbei ist die Zahnezahl 42, sodass der Abstand zwischen den Raststellungen des Rotors 20 in diesem Ausfuhrungsbeispiel 1/42 des Rotorumfangs, beziehungsweise der Luftspaltlange betragt.

In fertigungstechnischer und konstruktiver Hinsicht ist es vorteilhaft, wenn das Rotorblechpaket 21 in Achsrichtung wenigstens zwei Teilpakete 21a und 21b und höchstens sechs Teilpakete aufweist. Mit zwei Teilpaketen erreicht man bereits eine deutliche Reduzierung der

Drehmomentschwankungen und der Geräusche des Motors, bei mehr als sechs Teilpaketen rechtfertigen die Verbesserungen nicht mehr die Schwierigkeiten und Kosten bei der

Herstellung des Rotors. Hierbei hat sich insbesondere bei einer elektrisch zweipoligen Erregung des Rotors 20 eine Nutform mit einem im Wesentlichen glockenförmigen Querschnitt als vorteilhaft erwiesen, weil bei dieser Nutform die Bewicklung der Nuten mit einem hohen Fullfaktor besonders leicht und eine symmetrische Aufteilung der Wicklung beidseitig der Rotorwelle besonders einfach realisierbar ist. Zusammen mit dem spiegelbildlichen Aufbau des Rotorblechpaketes 21 erreicht man hierdurch weiterhin eine Minimierung der Unwucht im Betrieb der Maschine.

Im Ausfuhrungsbeispiel besitzt der Rotor 20 zusätzlich zu der elektrischen Erregung sechs durch Permanentmagnete 24 und 25 erregte Pole, welche gleiche Polteilung τ3 wie die dazwischen liegenden, elektrisch erregten Folgepole 32 und 34 aufweisen. Stattdessen ist es jedoch auch möglich, am Rotorumfang vier oder acht Permanentmagnete 24, 25 in symmetrischer Anordnung vorzusehen. Weiterhin besteht bei geringerem Leistungsbedarf einer standardisierten Maschmenausfuhrung die Möglichkeit, anstelle einzelner oder aller taschenformigen Aussparungen 43 entsprechende Lucken ohne Permanentmagnetbestuckung vorzusehen, um die Maschine bei geringerer Leistungsanforderung preiswerter fertigen zu können .