DE102024203700A1

DE102024203700A1 - Rotor für eine elektrische Maschine, elektrische Maschine, elektrischer Achsantrieb für ein Kraftfahrzeug, Kraftfahrzeug und Verfahren zum Herstellen eines Rotors

Info

Publication number: DE102024203700A1
Application number: DE102024203700.1A
Authority: DE
Inventors: Maximilian Zajonc
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2024-04-22
Filing date: 2024-04-22
Publication date: 2025-10-23

Abstract

Ein Rotor (100) für eine elektrische Maschine, wobei die elektrische Maschine als eine elektrisch erregte Synchronmaschine ausgeführt ist, wobei der Rotor (100) als ein Schenkelpolrotor ausgeführt ist, umfasst einen Korpus (110) mit Rotorzähnen (112) und einen Polkopfring (120). Der Polkopfring (120) umfasst eine Mehrzahl von entlang eines Umfangs des Polkopfrings (120) voneinander beabstandet angeordneten Polköpfen (122). Jeder der Polköpfe (122) ist zum Koppeln mit einem der Rotorzähne (112) ausgeformt. Der Polkopfring (120) umfasst eine Mehrzahl von Permanentmagneten (130).

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Rotor für eine elektrische Maschine, auf eine elektrische Maschine, auf einen elektrischen Achsantrieb für ein Kraftfahrzeug, auf ein Kraftfahrzeug und auf ein Verfahren zum Herstellen eines Rotors.
Herkömmliche Rotoren von elektrisch erregten Synchronmaschinen können beispielsweise mit Permanentmagneten bestückt werden. Dabei finden sich solche Permanentmagnete häufig in Form von Speichenmagneten. Es kann damit versucht werden, Leistungsdichte und Effizienz zu verbessern, wobei jedoch auch Stabilitätsaspekte bzw. die mechanische Festigkeit des Autors zu beachten sind.
Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung einen verbesserten Rotor für eine elektrische Maschine, eine verbesserte elektrische Maschine, einen verbesserten elektrischen Achsantrieb für ein Kraftfahrzeug, ein verbessertes Kraftfahrzeug und ein verbessertes Verfahren zum Herstellen eines Rotors gemäß den Hauptansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Gemäß Ausführungsformen können insbesondere Permanentmagnete im Rotorring bzw. Polkopfring von elektrischen Maschinen, insbesondere elektrisch erregten Synchronmaschinen vorgesehen sein. Anders ausgedrückt können beispielsweise Permanentmagnete zu dem Polkopfring eines Rotors für eine elektrische Maschine, insbesondere eine elektrisch erregte Synchronmaschine hinzugefügt sein oder werden, um Streuflüsse zu kompensieren oder durch Sättigung des Polkopfrings zu reduzieren. Auf diese Weise können verbesserte Effizienzen im Fahrzyklus erreicht werden oder es kann eine Ringstärke bei gleicher Effizienz erhöht werden, um die mechanische Festigkeit des Rotors zu erhöhen. Die Permanentmagnete können an oder innerhalb des Bleches des Polkopfrings so angeordnet sein oder werden, dass eine mechanische Betriebsfestigkeit sichergestellt und ein magnetischer Kurzschluss möglichst vermieden werden kann.
Ein Rotor für eine elektrische Maschine, wobei die elektrische Maschine als eine elektrisch erregte Synchronmaschine ausgeführt ist, wobei der Rotor als ein Schenkelpolrotor ausgeführt ist, umfasst einen Korpus mit Rotorzähnen und einen Polkopfring, wobei der Polkopfring eine Mehrzahl von entlang eines Umfangs des Polkopfrings voneinander beabstandet angeordneten Polköpfen aufweist, wobei jeder der Polköpfe zum Koppeln mit einem der Rotorzähne ausgeformt ist, wobei der Polkopfring eine Mehrzahl von Permanentmagneten aufweist.
Die elektrische Maschine kann für einen elektrischen Antriebsstrang eines Fahrzeugs vorgesehen sein. Der Polkopfring kann auch als Rotorring bezeichnet werden. Die Polköpfe können entlang des Umfangs des Polkopfrings durch Zwischenabschnitte voneinander beabstandet angeordnet sein. Der Polkopfring kann als ein geschlossener Ring ausgeführt sein. Der Polkopfring kann aus identischen, einstückigen, axial gestapelten Blechen, insbesondere Elektroblechen aufgebaut sein. Der Korpus kann aus identischen, einstückigen, axial gestapelten Blechen, insbesondere Elektroblechen aufgebaut sein. Der Korpus kann ein Rotorjoch aufweisen, wobei sich die Rotorzähne von dem Rotorjoch radial nach außen erstrecken.
Eine Möglichkeit, Rotoren von elektrischen Maschinen, insbesondere elektrisch erregten Synchronmotoren aufzubauen, ist ein zweiteiliges Konzept mit einem Rotor-Blechring, der den Rotor umschließt. Die Begründung eines solchen Ringes liegt in der Sicherstellung der mechanischen Festigkeit, wenn ein Rotor mit Steckspulen bei höheren Drehzahlen betrieben werden soll. Hierbei besteht ein Optimierungsproblem, da der Blechring aus mechanischer Sicht so dick wie möglich sein soll, er aus elektromagnetischer Sicht aber so dünn wie möglich sein soll, da der Ring einen magnetischen Kurzschluss darstellt. Das Hauptproblem besteht bei einem solchen Ring also im magnetischen Fluss, der durch den Ring von einem Pol zum nächsten läuft, ohne durch den Luftspalt zu treten und der Ring somit das Luftspaltfeld abschwächt. Diese Probleme können gemäß Ausführungsformen gelöst oder zumindest deutlich gemildert werden. Durch den Einsatz der Permanentmagnete kann der magnetische Kurzschluss kompensiert werden und eine höhere Effizienz und Leistung bei gleicher Rotorringstärke erreicht werden. Durch den Einsatz der Permanentmagnete kann bei gleicher Effizienz und Leistung der Rotorring verstärkt, also dicker ausgelegt, werden und eine höhere mechanische Festigkeit erreicht werden, was auch eine höhere erreichbare Drehzahl begünstigt.
Gemäß einer Ausführungsform können die Permanentmagnete aus einem Material ausgeformt sein, das Neodym-Eisen-Bor (NdFeB), Samarium-Cobalt (SmCo), Samarium-Eisen-Nitrit (SmFeN), Eisen-Nitrit (FeN), Aluminium-Nickel-Cobalt (AlNiCo) oder Eisen-Chrom-Cobalt (FeCrCo) aufweist. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass je nach konkreter Anwendung und Rotorgeometrie geeignete Permanentmagnete mit günstigen Materialeigenschaften verwendet werden können.
Auch kann jeder der Polköpfe einen Kopplungsabschnitt zum Koppeln mit einem der Rotorzähne und zwei Wickelfensterabschnitte aufweisen, die ausgeformt sind, um ein Wickelfenster für eine an dem Rotorzahn angeordnete Spuleneinheit des Rotors nach radial außen zu begrenzen. Hierbei kann der Kopplungsabschnitt zwischen den Wickelfensterabschnitten angeordnet. Es kann auch der Kopplungsabschnitt als Polkopf verstanden werden. Dabei können die Wickelfensterabschnitte höchstens partiell als Teil der Polköpfe verstanden werden. Gemäß einer Ausführungsform kann jeder der Wickelfensterabschnitte einen der Permanentmagnete aufweisen. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass der magnetische Hauptfluss oder Rotorfluss unterstützt werden kann und magnetische Streuflüsse abgeschwächt werden können.
Insbesondere kann einem montierten Zustand des Rotors kann jeder der Rotorzähne mit einem der Kopplungsabschnitte des Polkopfrings mechanisch gekoppelt sein. Die mechanische Kopplung kann als eine formschlüssige Verbindung, beispielsweise eine Nut-Feder-Verbindung, zwischen Korpus und Polkopfring realisiert sein. Auch kann der Polkopfring in jedem Kopplungsabschnitt mindestens ein Kopplungsmerkmal aufweisen, das formschlüssig mit einem Rotorzahn des Korpus koppelbar ist. Insbesondere kann der Polkopfring in jedem Kopplungsabschnitt zwei Kopplungsmerkmale aufweisen. Somit kann eine mechanische Kopplung oder Verbindung zwischen dem Polkopfring und dem Korpus robust und stabil ausgeführt sein, wobei Kraftflüsse in Korpus und Polkopfring bei sich drehendem Rotor günstig verlaufen können.
Ferner kann in jedem der Wickelfensterabschnitte jedes Polkopfs ein Flussbarrieremerkmal ausgeformt sein, durch das ein magnetischer Widerstand in dem Wickelfensterabschnitt verglichen mit außerhalb des Wickelfensterabschnitts erhöht sein kann. Hierbei kann jedes der Flussbarrieremerkmale eine axiale Durchgangsöffnung oder Durchgangsbohrung aufweisen. Durch das Flussbarrieremerkmal kann eine Wandstärke und zusätzlich oder alternativ eine Materialmenge des Polkopfrings in dem Wickelfensterabschnitt verglichen mit außerhalb des Wickelfensterabschnitts reduziert sein. Zusätzlich oder alternativ kann zumindest eines der Flussbarrieremerkmale eine runde, ovale, trapezförmige, trapezähnliche, rechteckige oder rechteckähnliche Kontur aufweisen. Dies bietet elektromagnetische und strukturmechanische Vorteile, wobei durch eine oder mehrere beliebig geformte Geometrien eine Materialanhäufung reduziert werden kann. Anders ausgedrückt kann der Rotorring bzw. Polkopfring Flussbarrieren in Form von Aussparungen aufweisen. Es können in dem Polkopfring insbesondere im Bereich des Wickelfensters jedes Pols des Rotors Flussbarrieren in dem Polkopfring ausgeformt sein. Dadurch kann der magnetische Widerstand erhöht werden, sodass der Streufluss minimiert, unterdrückt oder abgeschwächt werden kann. Somit kann trotz der Materialanhäufung, welche in dem Polkopfring durch die Auflagefläche der Spulen bzw. der Wicklung im Polkopfring zur Übertragung der Fliehkräfte entstehen und sich in Form von großen Wandstärken manifestieren kann, ein magnetischer Widerstand erhöht werden und können folglich solche magnetischen Streuflüsse minimiert werden. Daher kann eine Drehmomentdichte der elektrischen Maschine verbessert werden.
Zudem können die Permanentmagnete in den Flussbarrieremerkmalen aufgenommen angeordnet sein. Zusätzlich oder alternativ kann in jedem der Flussbarrieremerkmale einer der Permanentmagnete aufgenommen sein. Solche Flussbarrieren können zwar bereits die Leistung der elektrischen Maschine verbessern, jedoch kann durch den mit Permanentmagneten versehenen Polkopfring erreicht werden, dass der magnetische Kurzschluss im Ring signifikant verringerten Einfluss auf die Maschineneigenschaften aufweist.
Gemäß einer Ausführungsform können die Permanentmagnete in dem Polkopfring aufgenommen sein. Alternativ können die Permanentmagnete radial innen an dem Polkopfring angebracht sein. So kann je nach konkreter Rotorauslegung eine magnetisch und mechanisch vorteilhafte Bestückung des Polkopfrings mit den Permanentmagneten umgesetzt werden.
Auch können die Permanentmagnete radial magnetisiert sein. Zusätzlich oder alternativ können die benachbart zu einem Polkopf angeordneten Permanentmagnete parallel zueinander entlang einer radialen Haupterstreckungsachse des mit dem Polkopf gekoppelten Rotorzahns magnetisiert sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass ein magnetisches Hauptfeld des jeweiligen Pols zuverlässig unterstützt werden kann.
Ferner können die Permanentmagnete jeweils entsprechend einem magnetischen Hauptfeld des nächstgelegenen Polkopfs radial nach außen oder innen gerichtet magnetisiert sein. Auch auf diese Weise kann das magnetische Hauptfeld des Pols zuverlässig unterstützt werden.
Gemäß einer Ausführungsform können die Permanentmagnete tangential magnetisiert sein. Zusätzlich oder alternativ können die benachbart zu einem Polkopf angeordneten Permanentmagnete zu dem Polkopf hin oder von dem Polkopf weg magnetisiert sein. Eine solche Ausführungsform bietet den Vorteil, dass einem magnetischen Kurzschlussfluss zuverlässig entgegengewirkt werden kann.
Bei einer tangentialen Magnetisierung können die Permanentmagnete zusammen mit der Feldwicklung als Halbach-Array wirken, was eine Verstärkung des Luftspaltfeldes bewirken und zudem ermöglichen kann, die Rotorzähne und das Rotorjoch zu reduzieren, d.h. ein düinneres Rotorjoch und dünnere Rotorzähne zu erreichen, und mehr Platz für die Feldwicklung zu schaffen. Die Permanentmagnete können tangential bzw. ähnlich seitwärts in Richtung des Kurzschlussflusses magnetisiert sein, um eine höhere Sättigung im Blechring zu erreichen und somit indirekt das Luftspaltfeld zu verstärken.
Auch kann der Rotor eine Mehrzahl von Spuleneinheiten aufweisen. Hierbei kann an jedem der Rotorzähne mindestens eine Spuleneinheit anordenbar oder angeordnet sein. Zusätzlich oder alternativ kann jede Spuleneinheit als eine Luftspule ausgeführt sein. Die Spuleneinheit kann auch als Spulenanordnung oder Wicklungsanordnung bezeichnet werden. Insbesondere können Investitionskosten und Herstellungskosten der Rotorwicklung dadurch reduziert werden, dass Luftspulen statt einer Nadelwicklung eingesetzt werden können. Durch den Einsatz von gesteckten Luftspulen kann insbesondere der minimale Abstand zwischen benachbarten Spulen, verglichen mit einer Nadelwicklung, deutlich reduziert werden. Dadurch kann eine Erhöhung des Kupferfüllfaktors bzw. eine maximale Ausnutzung des Wickelfensters ermöglicht werden. Dabei können die Luftspulen von radial außen auf einen beispielsweise als Blechpaket-Stern ausgeführten Korpus aufschiebbar oder aufgeschoben sein oder werden.
Eine elektrische Maschine umfasst einen Stator und einen relativ zu dem Stator drehbar gelagerten Rotor, wobei der Rotor als eine Ausführungsform eines hierin genannten Rotors ausgeführt ist.
Eine Ausführungsform eines hierin genannten Rotors kann in einer elektrischen Maschine, insbesondere einer Synchronmaschine oder elektrisch erregten Synchronmaschine vorteilhaft eingesetzt oder verwendet werden, um Leistungsdichte und Effizienz zu verbessern.
Daneben betrifft die Erfindung einen elektrischen Achsantrieb für ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einer elektrischen Maschine, einer Getriebeeinrichtung und einem Stromrichter. Der elektrische Achsantrieb zeichnet sich dadurch aus, dass die elektrische Maschine wie beschrieben ausgebildet ist.
Die Getriebeeinrichtung kann ein Getriebe zum Reduzieren der Drehzahl der elektrischen Maschine sowie ein Differenzial aufweisen.
Daneben betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit einem elektrischen Achsantrieb und/oder einer elektrischen Maschine. Das Kraftfahrzeug zeichnet sich dadurch aus, dass der elektrische Achsantrieb und/oder die elektrische Maschine wie beschrieben ausgebildet ist.
Ein Verfahren zum Herstellen einer Ausführungsform eines hierin genannten Rotors umfasst folgende Schritte:

Versehen des Polkopfrings mit der Mehrzahl von Permanentmagneten;
Bereitstellen des mit den Permanentmagneten versehenen Polkopfrings und des Korpus; und
Koppeln des Polkopfrings und des Korpus miteinander.

Zusätzlich kann das Verfahren einen Schritt des Anordnens einer Mehrzahl von Spuleneinheiten an den Rotorzähnen des Korpus umfassen. Dabei können Spuleneinheiten als Luftspulen bereitgestellt und auf die Rotorzähne aufgesteckt werden. Der Schritt des Anordnens kann vor dem Schritt des Koppelns ausgeführt werden.
Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Rotors für eine elektrische Maschine;
2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Rotors für eine elektrische Maschine;
3 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Rotors für eine elektrische Maschine;
4 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Rotors für eine elektrische Maschine;
5 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Rotors für eine elektrische Maschine;
6 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Rotors für eine elektrische Maschine;
7 eine schematische Darstellung einer elektrischen Maschine gemäß einem Ausführungsbeispiel;
8 ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Herstellen eines Rotors für eine elektrische Maschine; und
9 eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einem elektrischen Achsantrieb gemäß einem Ausführungsbeispiel.

In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Rotors 100 für eine elektrische Maschine. Die elektrische Maschine ist beispielsweise als eine Antriebseinheit für ein Fahrzeug vorgesehen. Die elektrische Maschine ist als eine elektrisch erregte Synchronmaschine ausgeführt. Der Rotor 100 ist als ein Schenkelpolrotor ausgeführt.
Der Rotor 100 umfasst einen Korpus 110 und einen Polkopfring 120. Der Korpus 110 und der Polkopfring 120 sind gemäß einem Ausführungsbeispiel aus identischen, einstückigen, axial gestapelten Blechen, insbesondere Elektroblechen aufgebaut. Der Korpus 110 weist eine Mehrzahl von Rotorzähnen 112 auf. Der Polkopfring 120, der auch als Rotor-Blechring bezeichnet werden kann, weist eine Mehrzahl von Polköpfen 122 auf. Die Mehrzahl von Polköpfen 122 sind entlang eines Umfangs des Polkopfrings 120 voneinander beabstandet angeordnet. Jeder der Polköpfe 122 ist zum Koppeln mit einem der Rotorzähne 112 ausgeformt. Der Polkopfring 120 umfasst auch eine Mehrzahl von Permanentmagneten 130.
Es sei angemerkt, dass 1 eine axiale Draufsicht auf beispielhaft lediglich einen Sektor des Rotors 100 zeigt, wobei der gezeigte Sektor den Bereich um einen Rotorzahn 112 und somit einen Rotorpol herum umfasst. Der Korpus 110 umfasst eine Mehrzahl von Rotorzähnen 112. Die Rotorzähne 112 erstrecken sich radial nach außen zu dem Polkopfring 120. Insbesondere erstrecken sich die Rotorzähne 112 von einem ringförmigen Rotorjoch 114 des Korpus 110 ausgehend radial nach außen in Richtung des Polkopfrings 100. Jeder Rotorzahn 112 ist im Bereich eines Kopplungsabschnitts des Polkopfrings 120 formschlüssig mit demselben verbunden bzw. gekoppelt. Der Korpus 110 weist einen sternförmigen Grundriss auf. Auch umfasst der Rotor 100 eine Mehrzahl von Spuleneinheiten 140. So ist an jedem der Rotorzähne 112 mindestens eine Spuleneinheit 140 bzw. Rotorwicklung anordenbar oder angeordnet ist. Optional zusätzlich sind die Spuleneinheiten als Luftspulen ausgeführt.
Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Permanentmagnete 130 in dem Polkopfring 120 aufgenommen. Die Permanentmagnete 130 sind beispielsweise aus einem Material ausgeformt, das Neodym-Eisen-Bor, Samarium-Cobalt, Samarium-Eisen-Nitrit, Eisen-Nitrit, Aluminium-Nickel-Cobalt oder Eisen-Chrom-Cobalt aufweist. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Permanentmagnete 130 radial magnetisiert, wie es durch Magnetisierungsrichtungen 135 symbolisch veranschaulicht ist. Auch sind hierbei die Permanentmagnete 120 entsprechend einem magnetischen Hauptfeld 115 bzw. Rotorfluss des nächstgelegenen Polkopfs 122 bzw. Rotorzahns 112 radial nach außen gerichtet magnetisiert. Somit ist eine Magnetisierung der Permanentmagnete 130 derart, dass dadurch ein Hauptfeld des Pols unterstützt wird.
Ferner umfasst gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel jeder der Polköpfe 122 einen Kopplungsabschnitt 124 zum Koppeln mit einem der Rotorzähne 112 und zwei Wickelfensterabschnitte 126. Die Wickelfensterabschnitte 126 ausgeformt, um ein Wickelfenster für die an dem Rotorzahn angeordnete Spuleneinheit 140 des Rotors 100 nach radial außen zu begrenzen. Dabei ist in jedem Polkopf 122 der Kopplungsabschnitt 124 zwischen den Wickelfensterabschnitten 126 angeordnet. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist in jedem der Wickelfensterabschnitte 126 ein Permanentmagnet 130 angeordnet. Anders ausgedrückt weist jeder Wickelfensterabschnitt 126 einen Permanentmagneten 130 auf.
Der Polkopfring 120 umfasst gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ferner eine Mehrzahl von Flussbarrieremerkmalen 128. Insbesondere ist in jedem der Wickelfensterabschnitte 126 jedes Polkopfs 122 ein Flussbarrieremerkmal 128 ausgeformt. Durch jedes einzelne Flussbarrieremerkmal 128 ist ein magnetischer Widerstand in dem jeweiligen Wickelfensterabschnitt 126 verglichen mit außerhalb des Wickelfensterabschnitts 126 erhöht. Anders ausgedrückt ist jedes einzelne der Flussbarrieremerkmale 128 ausgeformt und positioniert, um den magnetischen Widerstand in dem Wickelfensterabschnitt 126 verglichen mit außerhalb des Wickelfensterabschnitts 126 zu erhöhen bzw. in dem Wickelfensterabschnitt 126 einen höheren magnetischen Widerstand als außerhalb des Wickelfensterabschnitts 126 zu bewirken. Beispielweise ist jedes der Flussbarrieremerkmale 128 als eine axiale Durchgangsöffnung oder Durchgangsbohrung ausgeformt.
Dabei sind gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel die Permanentmagnete 130 des Polkopfrings 120 in den Flussbarrieremerkmalen 128 aufgenommen angeordnet. Dabei ist insbesondere in jedem der Flussbarrieremerkmale 128 einer der Permanentmagnete 130 aufgenommen. Somit sind anders ausgedrückt die Permanentmagnete 130 in Flussbarrieren angeordnet und weisen eine radiale Magnetisierung auf.
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Rotors 100 für eine elektrische Maschine. Der Rotor 100 in 2 entspricht hierbei dem Rotor aus 1 mit Ausnahme dessen, dass die Permanentmagnete 130 eine andere Magnetisierungsrichtung 135 aufweisen. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind die benachbart zu einem Polkopf 122 bzw. Rotorzahn 112 angeordneten Permanentmagnete 130 parallel zueinander entlang einer radialen Haupterstreckungsachse des mit dem Polkopf 122 gekoppelten Rotorzahns 112 magnetisiert. Dabei sind die Permanentmagnete 130 jeweils entsprechend dem magnetischen Hauptfeld 115 bzw. Rotorfluss des nächstgelegenen Polkopfs 122 radial nach außen gerichtet magnetisiert. Somit sind die Permanentmagnete 130 auch hier in den Flussbarrieremerkmalen 128 aufgenommen und weisen pro Polkopf 122 eine zueinander parallele Magnetisierung bzw. Magnetisierungsrichtung 135 auf.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Rotors 100 für eine elektrische Maschine. Der Rotor 100 in 3 entspricht hierbei dem Rotor aus 1 und/oder 2 mit Ausnahme dessen, dass die Permanentmagnete 130 eine andere Magnetisierungsrichtung 135 aufweisen. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Permanentmagnete 130 tangential magnetisiert. Dabei sind die benachbart zu einem Polkopf 122 bzw. Rotorzahn 112 angeordneten Permanentmagnete 130 zu dem Polkopf 122 bzw. Rotorzahn 112 hin magnetisiert. Anders ausgedrückt zeigen die Magnetisierungsrichtungen 135 der Permanentmagnete 130 jedes Polkopfs 122 zu dem Rotorzahn 112 hin.
Somit sind die Permanentmagnete 130 auch hier in den Flussbarrieremerkmalen 128 aufgenommen und weisen eine tangentiale Magnetisierung auf. So kann ein Flusssammlerkonzept realisiert werden. Alternativ zum gezeigten Winkel der tangentialen Magnetisierung bzw. Magnetisierungsrichtung 135 sind auch weitere Winkel denkbar, sofern das Flusssammlerprinzip beibehalten wird.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Rotors 100 für eine elektrische Maschine. Der Rotor 100 in 4 entspricht hierbei dem Rotor aus 3 mit Ausnahme dessen, dass die Permanentmagnete 130 eine andere Magnetisierungsrichtung 135 aufweisen. Gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel sind die benachbart zu einem Polkopf 122 bzw. Rotorzahn 112 angeordneten Permanentmagnete 130 von dem Polkopf 122 bzw. Rotorzahn 112 weg magnetisiert. Anders ausgedrückt zeigen die Magnetisierungsrichtungen 135 der Permanentmagnete 130 jedes Polkopfs 122 von dem Rotorzahn 112 weg.
Somit sind die Permanentmagnete 130 auch hier in den Flussbarrieremerkmalen 128 aufgenommen und weisen eine tangentiale Magnetisierung auf. Auf diese Weise kann eine Absättigung des Rotorrings bzw. Polkopfrings 120 erreicht werden. Alternativ zum gezeigten Winkel der tangentialen Magnetisierung bzw. Magnetisierungsrichtung 135 sind auch weitere Winkel denkbar, sofern das Prinzip der Absättigung des Rotorrings bzw. Polkopfrings 120 beibehalten wird.
5 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Rotors 100 für eine elektrische Maschine. Der Rotor 100 in 5 entspricht hierbei dem Rotor aus 1 mit Ausnahme dessen, dass gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel die Permanentmagnete 130 radial innen an dem Polkopfring 120 angebracht sind. Somit sind die Permanentmagnete 130 außerhalb der Flussbarrieremerkmale 128 angeordnet, die gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel lediglich beispielhaft ebenfalls in dem Polkopfring 120 ausgeformt sind.
Die Permanentmagnete 130 sind somit radial magnetisiert bzw. weisen eine radiale Magnetisierungsrichtung 135 auf. Dabei sind die Permanentmagnete 130 entsprechend dem magnetischen Hauptfeld 115 des nächstgelegenen Polkopfs 122 bzw. Rotorzahns 112 radial nach außen gerichtet magnetisiert. Somit ist hier eine Kombination aus direkt verstärktem Luftspaltfeld und Absättigung des Rotorrings bzw. Polkopfrings 120 umsetzbar.
6 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines Rotors 100 für eine elektrische Maschine. Der Rotor 100 in 6 entspricht hierbei dem Rotor aus 5 mit Ausnahme dessen, dass die Permanentmagnete 130 eine andere Magnetisierungsrichtung 135 aufweisen. So sind auch gemäß dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel die Permanentmagnete 130 radial innen an dem Polkopfring 120 angebracht, jedoch tangential magnetisiert, wobei die benachbart zu einem Polkopf 122 bzw. Rotorzahn 112 angeordneten Permanentmagnete 130 zu dem Polkopf bzw. Rotorzahn 112 hin magnetisiert sind. Somit ist eine Kombination aus direkt verstärktem Luftspaltfeld und Absättigung des Rotorrings bzw. Polkopfrings 120 umsetzbar.
Unter Bezugnahme auf die vorstehend beschriebenen Figuren werden nachfolgend Ausführungsbeispiele nochmals zusammenfassend und mit anderen Worten kurz erläutert.
Es sind oder werden Permanentmagnete 130, die vorzugsweise NdFeB, SmCo, SmFeN, FeN, aber auch z. B. AlNiCo oder FeCrCo aufweisen können, im Blechring bzw. Polkopfring 120 des Rotors 100, insbesondere im Übergang vom Polschuh bzw. Rotorzahn 112 zum Polkopfring 120, innerhalb der Flussbarrieremerkmale 128, radial innerhalb des Polkopfrings 120 oder in anderen Positionen eingefügt, wo die Permanentmagnete 130 helfen, dem magnetischen Kurzschluss entgegenzuwirken oder ihn zu kompensieren. Anders ausgedrückt sind oder werden Permanentmagnete 130 in die Flussbarrieremerkmale 128 oder am Übergang von Polschuh bzw. Rotorzahn 112 zum Polkopfring 120 eingefügt, um den Streufluss zu kompensieren oder durch Sättigung des Polkopfrings 120 zu reduzieren.
Die Permanentmagnete 130 können hierbei entweder radial, parallel oder ähnlich nach außen bzw. innen gerichtet magnetisiert sein, um das Hauptfeld 115 des Pols zu unterstützen, oder tangential bzw. ähnlich in einer Seitwärtsrichtung, in einer Flusssammleranordnung, magnetisiert sein, um dem Kurzschlussfluss entgegenzuwirken. Bei einer tangentialen Magnetisierung können die Permanentmagnete 130 zusammen mit der Feldwicklung bzw. Spuleneinheit 140 als Halbach-Array wirken, was eine Verstärkung des Luftspaltfeldes bewirkt und gleichzeitig ermöglicht, die Rotorzähne 112 und das Rotorjoch 114 zu reduzieren und mehr Platz für die Feldwicklung bzw. Spuleneinheit 140 zu schaffen. Die Permanentmagnete 130 können auch tangential bzw. ähnlich seitwärts in Richtung des Kurzschlussflusses magnetisiert sein oder werden, um eine höhere Sättigung im Blechring bzw. Polkopfring 120 zu erreichen und somit indirekt das Luftspaltfeld zu verstärken.
7 zeigt eine schematische Darstellung einer elektrischen Maschine 700 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die elektrische Maschine 700 ist als eine Synchronmaschine, insbesondere eine elektrisch erregte Synchronmaschine ausgeführt. Die elektrische Maschine 700 umfasst einen Rotor 100 und einen Stator 750. Der Rotor 100 ist relativ zu dem Stator 750 drehbar gelagert. Der Rotor 100 entspricht oder ähnelt dem Rotor aus einer der vorhergehend beschriebenen Figuren.
Es ist anzumerken, dass in 7 lediglich beispielhaft der Rotor 100 als innenliegend und der Stator 750 als außenliegend dargestellt sind.
8 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens 800 zum Herstellen eines Rotors für eine elektrische Maschine. Das Verfahren 800 zum Herstellen ist ausführbar, um den Rotor aus einer der vorstehend beschriebenen Figuren oder einen ähnlichen Rotor herzustellen. Das Verfahren 800 zum Herstellen umfasst einen Schritt 802 des Versehens, einen Schritt 804 des Bereitstellens und einen Schritt 806 des Koppelns.
In dem Schritt 802 des Versehens wird der Poolkopfring mit der Mehrzahl von Permanentmagneten versehen. In dem Schritt 804 des Bereitstellens werden der mit den Permanentmagneten versehene Polkopfring und der Korpus bereitgestellt. Insbesondere wird in dem Schritt 804 des Bereitstellens der Polkopfring und/oder der Korpus aus identischen, einstückigen, axial gestapelten Blechen, insbesondere Elektroblechen aufgebaut. Nachfolgend werden in dem Schritt 806 des Koppelns der Polkopfring und der Korpus miteinander gekoppelt.
Das Verfahren 800 zum Herstellen umfasst optional zusätzlich einen Schritt des Anordnens einer Mehrzahl von Spuleneinheiten an den Rotorzähnen des Korpus. Dabei werden die Spuleneinheiten als Luftspulen bereitgestellt und auf die Rotorzähne aufgesteckt.
9 zeigt eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugs 900 mit einem elektrischen Achsantrieb 905 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Von dem Kraftfahrzeug 900 sind in der Darstellung von 9 hierbei Räder 901, lediglich beispielhaft vier Räder 901, ein elektrischer Energiespeicher 903, beispielsweise eine Batterie, und der elektrische Achsantrieb 905 gezeigt. Der elektrische Achsantrieb 905 umfasst einen Stromrichter 907, eine elektrische Maschine 700 und eine Getriebeeinrichtung 909. Bei der elektrischen Maschine 700 handelt es sich um die elektrische Maschine aus 7 oder eine ähnliche elektrische Maschine.
Elektrische Energie zum Betreiben der elektrischen Maschine 700 wird von einer Energieversorgungseinrichtung, hier dem elektrischen Energiespeicher 903 bereitgestellt. Der elektrische Energiespeicher 903 ist ausgebildet, um Gleichstrom bereitzustellen, der unter Verwendung eines Stromrichters 907 des elektrischen Achsantriebs 905 in einen Wechselstrom, beispielsweise einen dreiphasigen Wechselstrom, gewandelt und der elektrischen Maschine 700 bereitgestellt wird.
Eine von der elektrischen Maschine 700 angetriebene Welle ist direkt oder unter Verwendung der Getriebeeinrichtung 909 mit zumindest einem Rad 901 des Kraftfahrzeugs 900 gekoppelt. Somit kann das Kraftfahrzeug 900 unter Verwendung der elektrischen Maschine 700 fortbewegt werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst der elektrische Achsantrieb 905 ein Gehäuse, in dem zumindest der Stromrichter 907, die elektrische Maschine 700 und die Getriebeeinrichtung 909 angeordnet sind.
Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
Ferner können erfindungsgemäße Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“ Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so kann dies so gelesen werden, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
Bezugszeichen

100: Rotor
110: Korpus
112: Rotorzahn
114: Rotorjoch
115: Hauptfeld
120: Polkopfring
122: Polkopf
124: Kopplungsabschnitt
126: Wickelfensterabschnitt
128: Flussbarrieremerkmal
130: Permanentmagnet
135: Magnetisierungsrichtung
140: Spuleneinheit
700: elektrische Maschine
750: Stator
800: Verfahren zum Herstellen
802: Schritt des Versehens
804: Schritt des Bereitstellens
806: Schritt des Koppelns
900: Kraftfahrzeug
901: Räder
903: elektrischer Energiespeicher
905: elektrischer Achsantrieb
907: Stromrichter
909: Getriebeeinrichtung

Claims

Rotor (100) für eine elektrische Maschine (700), wobei die elektrische Maschine (700) als eine elektrisch erregte Synchronmaschine ausgeführt ist, wobei der Rotor (100) als ein Schenkellpolrotor ausgeführt ist, wobei der Rotor (100) einen Korpus (110) mit Rotorzähnen (112) und einen Polkopfring (120) aufweist, wobei der Polkopfring (120) eine Mehrzahl von entlang eines Umfangs des Polkopfrings (120) voneinander beabstandet angeordneten Polköpfen (122) aufweist, wobei jeder der Polköpfe (122) zum Koppeln mit einem der Rotorzähne (112) ausgeformt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Polkopfring (120) eine Mehrzahl von Permanentmagneten (130) aufweist.
Rotor (100) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (130) aus einem Material ausgeformt sind, das Neodym-Eisen-Bor, Samarium-Cobalt, Samarium-Eisen-Nitrit, Eisen-Nitrit, Aluminium-Nickel-Cobalt oder Eisen-Chrom-Cobalt aufweist.
Rotor (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei jeder der Polköpfe (122) einen Kopplungsabschnitt (124) zum Koppeln mit einem der Rotorzähne (112) und zwei Wickelfensterabschnitte (126) aufweist, die ausgeformt sind, um ein Wickelfenster für eine an dem Rotorzahn (112) angeordnete Spuleneinheit (140) des Rotors (100) nach radial außen zu begrenzen, wobei der Kopplungsabschnitt (124) zwischen den Wickelfensterabschnitten (126) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Wickelfensterabschnitte (126) einen der Permanentmagnete (130) aufweist.
Rotor (100) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in jedem der Wickelfensterabschnitte (126) jedes Polkopfs (122) ein Flussbarrieremerkmal (128) ausgeformt ist, durch das ein magnetischer Widerstand in dem Wickelfensterabschnitt (126) verglichen mit außerhalb des Wickelfensterabschnitts (126) erhöht ist, wobei jedes der Flussbarrieremerkmale (128) eine axiale Durchgangsöffnung oder Durchgangsbohrung aufweist.
Rotor (100) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (130) in den Flussbarrieremerkmalen (128) aufgenommen angeordnet sind und/oder wobei in jedem der Flussbarrieremerkmale (128) einer der Permanentmagnete (130) aufgenommen ist.
Rotor (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (130) in dem Polkopfring (120) aufgenommen sind.
Rotor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (130) radial innen an dem Polkopfring (120) angebracht sind.
Rotor (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (130) radial magnetisiert sind und/oder die benachbart zu einem Polkopf (122) angeordneten Permanentmagnete (130) parallel zueinander entlang einer radialen Haupterstreckungsachse des mit dem Polkopf gekoppelten Rotorzahns (112) magnetisiert sind.
Rotor (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (130) jeweils entsprechend einem magnetischen Hauptfeld (115) des nächstgelegenen Polkopfs (122) radial nach außen oder innen gerichtet magnetisiert sind.
Rotor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (130) tangential magnetisiert sind und/oder die benachbart zu einem Polkopf (122) angeordneten Permanentmagnete (130) zu dem Polkopf (122) hin oder von dem Polkopf (122) weg magnetisiert sind.
Rotor (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (100) eine Mehrzahl von Spuleneinheiten (140) aufweist, wobei an jedem der Rotorzähne (112) mindestens eine Spuleneinheit (140) anordenbar oder angeordnet ist, und/oder wobei jede Spuleneinheit (140) als eine Luftspule ausgeführt ist.
Elektrische Maschine (700) mit einem Stator (750) und einem relativ zu dem Stator (750) drehbar gelagerten Rotor (100), dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11 ausgeführt ist.
Elektrischer Achsantrieb (905) für ein Kraftfahrzeug (900) mit wenigstens einer elektrischen Maschine (700), einer Getriebeeinrichtung (909) und einem Stromrichter (907), dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Maschine (700) nach Anspruch 12 ausgebildet ist.
Kraftfahrzeug (900), umfassend einen elektrischen Achsantrieb (905) nach Anspruch 13 und/oder eine elektrische Maschine (700) nach Anspruch 12 und/oder einen Rotor (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
Verfahren (800) zum Herstellen eines Rotors (100) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Verfahren (800) folgende Schritte aufweist: Versehen (802) des Polkopfrings (120) mit der Mehrzahl von Permanentmagneten (130); Bereitstellen (804) des mit den Permanentmagneten (130) versehenen Polkopfrings (120) und des Korpus (110); und Koppeln (806) des Polkopfrings (120) und des Korpus (110) miteinander.