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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor einer elektrischen Maschine. Außerdem betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine mit einem derartigen Rotor. Der Rotor weist bevorzugt minimierte Streustege auf.
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Aus dem Stand der Technik sind elektrischen Maschinen bekannt, wie sie etwa für Hybridfahrzeuge oder Elektrofahrzeuge eingesetzt werden. Diese müssen zumeist eine ganze Reihe von Anforderungen erfüllen, wobei insbesondere eine hohe Leistungsdichte bei geringem Gewicht gefordert wird. Als Maschinentyp kommt im Fahrzeugbereich vor allem der Maschinentyp Asynchronmaschine und der Maschinentyp permanent erregte Synchronmaschine zum Einsatz. Für Rotoren von Asynchronmaschinen wird eine Wicklung im geblechten Rotor in der Regel gießtechnisch oder als gesteckte oder gebaute Variante ausgeführt. Bei Rotoren von permanent erregten Synchronmaschinen wird das Magnetfeld über Permanentmagnete realisiert, die in den geblechten Rotor eingebracht werden. Der geblechte Rotor stellt damit einen Magnetträger dar.
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Offenbarung der Erfindung
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Der erfindungsgemäße Rotor weist eine Minimierung von Streustegen auf. Solche Streustege sind insbesondere dazu verwendet, eine Festigkeit im Rotor bereitzustellen oder zu erhöhen. Gleichzeitig stellen solche Streustege allerdings magnetische Kurzschlüsse dar, durch die sich ein Teil von magnetischen Feldlinien kurzschließen kann, wodurch der kurzgeschlossene Teil nicht mehr zur Drehmomentbereitstellung zur Verfügung steht. Durch den erfindungsgemäßen Rotor ist erreicht, dass der Anteil dieser kurzgeschlossenen Feldlinien minimiert ist.
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Der erfindungsgemäße Rotor einer elektrischen Maschine mit mehreren Rotorpolen weist zumindest ein Blechlamellenpaket mit einer Vielzahl von gestapelten Blechlamellen auf. Die einzelnen Blechlamellen sind besonders vorteilhaft aus einem Elektroblech gefertigt. Jede Blechlamelle wiederum weist einen Lamellengrundkörper und mehrere Polsegmente auf. Der Lamellengrundkörper hat an einer äußeren Lamellenumfangsfläche Einbuchtungen, die zur Aufnahme von jeweils einem oder mehreren Polsegmenten vorgesehen sind. Dabei ist jedes Polsegment als Lamellenausschnitt aus der jeweiligen Blechlamelle gebildet. Die einzelnen Polsegmente sind zu separaten Polsegmentpaketen gestapelt. Dabei ist vorgesehen, dass aufgrund der Ausbildung der Polsegmente als Lamellenausschnitte die Polsegmente von den Lamellengrundkörpern separate Bauteile darstellen. Insbesondere sind die Polsegmente nicht über Streustege mit dem Lamellengrundkörper verbunden.
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In den Einbuchtungen der gestapelten Blechlamellen sind Permanentmagnete angeordnet. Die Permanentmagnete sind entweder zwischen einem der Polsegmentpakete innerhalb der jeweiligen Einbuchtungen und den Lamellengrundkörpern der gestapelten Blechlamellen angeordnet oder zwischen zwei in der jeweiligen Einbuchtung angeordneten Polsegmentpaketen. Auf diese Weise lassen sich entweder einreihige oder mehrreihige Anordnungen von Permanentmagneten erreichen.
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In den Polsegmentpaketen sind benachbarte Polsegmente über eine Lamellenverbindung mechanisch miteinander verbunden. Besonders vorteilhaft ist vorgesehen, dass eine Lamellenverbindung durch das gesamte Polsegmentpaket verläuft, um sämtliche Polsegmente der Polsegmentpakete mechanisch zu verbinden. Jede Einbuchtung und das darin aufgenommene zumindest eine Polsegment lassen sich einem der Rotorpole des Rotors zuordnen.
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Die Blechlamellen weisen außerdem einen oder mehrere Sonderpolbereiche auf. Der Sonderpolbereich ist jeweils einem der Rotorpole zuordnenbar und weist eine kreisförmige äußere Lamellenumfangsfläche auf. Radial innerhalb der äußeren Lamellenumfangsfläche sind mehrere Ausnehmungen zur Bildung von Magnettaschen vorgesehen. Die Ausnehmungen korrespondieren dabei vorteilhafterweise zu den zuvor beschriebenen Orten zwischen den Polsegmentpaketen und/oder dem Polsegmentpaket und dem Lamellengrundkörper zur Anordnung der Permanentmagnete. Somit weist jeder Sonderpolbereich Sonderpolsegmente und Polsegmentstege auf, wobei die Sonderpolsegmente durch die Polsegmentstege einstückig miteinander oder einstückig mit dem Lamellengrundkörper verbunden sind. Dies bedeutet, dass lediglich an dem Sonderpolsegment Streustege vorhanden sind, die zu einem magnetischen Kurzschluss führen können. Dadurch ist das Ausmaß von magnetischen Kurzschlüssen am Rotor minimiert, sodass der Rotor ermöglicht, eine elektrische Maschine mit hoher Leistungsdichte bei geringem Gewicht bereitzustellen.
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Die Blechlamellen des Blechlamellenpakets sind bezüglich der Lage des Sonderpolbereichs derart zueinander verdreht, dass jedes Polsegmentpaket zumindest ein Sonderpolsegment einer der Blechlamellen umfasst. Das Sonderpolsegment ist dabei über eine Lamellenverbindung mechanisch mit benachbarten Polsegmenten des Polsegmentpakets verbunden. Dadurch ist eine Stabilität des Rotors gegeben, da sämtliche Polsegmentpakete über zumindest einen Polsegmentsteg mit einer der Lamellengrundkörper einer der Blechlamellen verbunden sind. Dies wird dadurch erreicht, dass jedes Polsegmentpaket zumindest ein Sonderpolsegment aufweist. Da dieses Sonderpolsegment über Polsegmentstege mit dem Lamellengrundkörper verbunden ist, ist somit auch das gesamte Polsegmentpaket mit dem Paket der gestapelten Lamellengrundkörper verbunden. Dadurch ist ein einteiliges Blechlamellenpaket realisiert. Bei der Lamellenverbindung, die zur Verbindung des Sonderpolsegments mit benachbarten Polsegmenten vorgesehen ist, handelt es sich besonders vorteilhaft um dieselbe Lamellenverbindung, mit der auch die Polsegmente des Polsegmentpakets untereinander verbunden sind. Wie zuvor beschrieben, ist bevorzugt vorgesehen, dass eine einzige Lamellenverbindung zur Fixierung sämtlicher Polsegmente und Sonderpolsegmente eines Polsegmentpakets dient.
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Die Unteransprüche haben bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Sonderpolsegmente und die Polsegmente identisch ausgebildet sind. Somit unterscheiden sich die Sonderpolsegmente von den Polsegmenten insbesondere lediglich dadurch, dass die Sonderpolsegmente über die Polsegmentstege untereinander und/oder mit dem Lamellengrundkörper einstückig verbunden sind. Somit lässt sich insbesondere zumindest ein Sonderpolsegment zusammen mit den übrigen Polsegmenten zu dem Polsegmentpaket stapeln, um das Polsegmentpaket mit zumindest einer Blechlamelle zu verbinden.
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Sämtliche Blechlamellen des Blechlamellenpakets sind besonders vorteilhaft identisch ausgebildet. Somit wird lediglich durch Verdrehen der Blechlamellen gegeneinander erreicht, dass sämtliche Polsegmentpakete zumindest ein Sonderpolsegment aufweisen. Die Herstellung der Blechlamellen ist somit vereinfacht, ebenso wie die Herstellung des Blechlamellenpakets. Insbesondere lassen sich somit sämtliche Blechlamellen mittels eines einzigen Werkzeugs fertigen. Besonders bevorzugt werden die Blechlamellen durch Stanzen hergestellt.
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Das Blechlamellenpaket ist in seiner Umfangsrichtung bevorzugt von einem Bandageelement zur Aufnahme von Fliehkräften umschlossen. Das Bandageelement erstreckt sich somit vorteilhafterweise an der äußeren Lamellenumfangsfläche. Durch das Bandageelement ist somit die Aufnahme von Fliehkräften ermöglicht, wodurch eine erhöhte Stabilität des Rotors bei Rotation erreicht wird. Insbesondere kann eine Drehzahlfestigkeit des Rotors durch das Bandageelement verbessert werden.
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Die Polsegmentstege weisen bevorzugt radial verlaufende Radialstegbereiche und/oder in Umfangsrichtung verlaufende Umfangsstegbereiche auf. Dabei ist vorgesehen, dass die Radialstegbereiche die Sonderpolsegmente untereinander in radialer Richtung verbinden oder ein Sonderpolsegment in radialer Richtung mit dem Lamellengrundkörper verbinden. Die Umfangsstegbereiche hingegen sind zum Verbinden von Sonderpolsegmenten in Umfangsrichtung vorgesehen oder zum Verbinden eines Sonderpolsegments mit dem zugehörigen Lamellengrundkörper in Umfangsrichtung.
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Jede Blechlamelle weist vorteilhafterweise maximal einen Sonderpolbereich auf. Dadurch ist die Anzahl an Streustegen, die durch die Polsegmentstege des Sonderpolbereichs gebildet werden, minimiert. Dies führt zu einer Minimierung von magnetischen Kurzschlüssen innerhalb des Rotors, sodass der Rotor elektrische Maschinen mit hoher Leistungsdichte und geringem Gewicht ermöglicht.
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Innerhalb einer Einbuchtung des Lamellengrundkörpers sind vorteilhafterweise mehrere Polsegmente angeordnet. Die mehreren Polsegmente ermöglichen das Anordnen mehrerer Permanentmagnete. Dabei ist vorgesehen, dass die mehreren Polsegmente innerhalb der Einbuchtung an verschiedenen radialen Positionen angeordnet sind. Insbesondere lassen sich somit mehrere Reihen von Permanentmagneten bilden, wobei diese Reihen radial zueinander versetzt sind.
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Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass ein radial weiter innen angeordnetes Polsegmentpaket ein radial weiter außen angeordnetes Polsegmentpaket teilweise umgreift. Dadurch wird insbesondere die zuvor beschriebene Möglichkeit erreicht, mehrere Reihen von Permanentmagneten, die sich insbesondere zwischen den Polsegmenten befinden, bereitzustellen. Durch das zumindest teilweise Umgreifen der radial weiter außen angeordneten Polsegmente durch radial weiter innen angeordnete Polsegmente wird dabei ein radial versetztes Anordnen der einzelnen Reihen von Permanentmagneten erreicht.
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Benachbarte Blechlamellen sind bevorzugt durch Stanzpaketieren und/oder Verkleben und/oder Verschrauben aneinander fixiert. Auf diese Weise ist das Blechlamellenpaket gebildet. Insbesondere sind benachbarte Lamellengrundkörper durch die beschriebenen Maßnahmen aneinander fixiert. Ebenso sind bevorzugt benachbarte Polsegmente oder Sonderpolsegmente durch die beschriebenen Maßnahmen aneinander fixiert.
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Die Erfindung betrifft außerdem eine elektrische Maschine. Die elektrische Maschine weist einen Rotor, wie zuvor beschrieben, auf. Außerdem weist die elektrische Maschine einen Stator auf, der zum Antreiben des Rotors ausgebildet ist. Da der Rotor minimierte magnetische Kurzschlüsse aufweist, ist die elektrische Maschine mit einem geringen Gewicht und einer hohen Leistungsdichte ausgebildet.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 eine schematische Ansicht einer elektrischen Maschine gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
- 2 eine schematische Ansicht eines Blechlamellenpakets eines Rotors gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Ausführungsform der Erfindung
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1 zeigt schematisch eine elektrische Maschine 10 mit einem Rotor 1 und einem den Rotor 1 antreibenden Stator 11. Der Stator 11 ist lediglich schematisch angedeutet. Außerdem ist nur ein Teil der tatsächlich vorhandenen Permanentmagnete 5 des Rotors 1 gezeigt. Ein Blechlamellenpaket 2 des Rotors 1 ist schematisch in 2 dargestellt. Die 1 und 2 werden im Folgenden gemeinsam beschrieben:
- Der Rotor 1 der elektrischen Maschine 10 weist das Blechlamellenpaket 2 auf, wobei das Blechlamellenpaket 2 durch eine Vielzahl von gestapelten Blechlamellen 3 gebildet ist. Der Rotor 1 kann aus einem oder mehreren Blechlamellenpaketen 2 gebildet sein. Jede Blechlamelle 3 weist einen Lamellengrundkörper 14 und mehrere Polsegmente 12 auf. Dabei ist vorgesehen, dass der Lamellengrundkörper an einer äußeren Lamellenumfangsfläche 15 ausgebildete Einbuchtungen 4 aufweist, die zur Aufnahme von jeweils zwei Polsegmenten 12 vorgesehen sind. Es ist außerdem vorgesehen, dass jede Einbuchtung zusammen mit den darin angeordneten Polsegmenten 12 einen Rotorpol ausbildet.
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Die Polsegmente 12 sind an radial unterschiedlichen Positionen angebracht. Dabei ist vorgesehen, dass ein radial weiter innen angeordnetes Polsegment 12 ein radial weiter außen angeordnetes Polsegment 12 zumindest teilweise umgreift. Es verbleibt ein Freiraum zwischen den beiden Polsegmenten 12 und dem radial inneren Polsegment 12 und dem Lamellengrundkörper 14. Sind die Blechlamellen 3 zu dem Blechlamellenpaket 2 gestapelt, so ergibt sich insbesondere eine Aufnahme für die Permanentmagnete 5. Es sind auf diese Weise zwei Reihen von Permanentmagneten 5 gebildet, sodass sich eine V-V Anordnung ergibt.
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An einem Rotorpol weist jede Blechlamelle 3 einen Sonderpolbereich 16 auf. Der Sonderpolbereich 16 unterscheidet sich von den anderen Polbereichen derart, dass keine Einbuchtung 4 mit darin angeordneten Polsegmenten 12 vorhanden ist. Vielmehr ist an den Sonderpolbereichen eine kreisförmige äußere Lamellenumfangsfläche 15 vorhanden. Radial innerhalb der äußeren Lamellenumfangsfläche 15 sind mehrere Ausnehmungen 9 zur Bildung von Magnettaschen vorhanden. Der Sonderpolbereich 16 weist Sonderpolsegmente 17 auf, die identisch zu den Polsegmenten 12 geformt sind. Weiterhin weist der Sonderpolbereich 16 Polsegmentstege 7a, 7b auf, die zur Verbindung der Sonderpolsegmente 17 untereinander und zur Verbindung der Sonderpolsegmente 17 mit dem Lamellengrundkörper 14 dienen. Dabei ist vorgesehen, dass Lamellengrundkörper 14, Polsegmentstege 7a, 7b und Sonderpolsegmente 17 einstückig ausgebildet sind.
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Die Polsegmentstege 7a, 7b umfassen radial verlaufende Radialstegbereiche 7a, die zum radialen Verbinden der Sonderpolsegmente 17 und zum radialen Verbinden des radial inneren Sonderpolsegments 17 und des Blechlamellengrundkörpers 14 dienen. Außerdem sind als Polsegmentstege 7a, 7b in Umfangsrichtung verlaufende Umfangsstegbereiche 7b vorgesehen, die die Sonderpolsegmente 17 untereinander in Umfangsrichtung verbinden sowie das radial innere Sonderpolsegment 17 in Umfangsrichtung mit dem Lamellengrundkörper 14. Somit sind durch die Polsegmentstege 7a, 7b Streustege ausgebildet, die zur mechanischen Fixierung der Sonderpolsegmente 17 dienen.
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Die Blechlamellen 3 des Blechlamellenpakets 2 sind allesamt identisch ausgebildet und gegeneinander verdreht angeordnet. Das Verdrehen bewirkt, dass an jedem Rotorpol zumindest ein Sonderpolbereich 16 vorhanden ist. Werden die Blechlamellen 3 in einer derartigen Ausrichtung zueinander zu dem Blechlamellenpaket 2 gestapelt, so ergeben sich hieraus die folgenden Merkmale: Werden die Blechlamellen 3 zu dem Blechlamellenpaket 2 gestapelt, so ist einerseits ein Stapel der Lamellengrundkörper 14 vorhanden. Außerdem sind mehrere Polsegmentpakete 13 vorhanden, wobei die Polsegmentpakete 13 aus gestapelten Polsegmenten 12 und zumindest einem Sonderpolsegment 17 gebildet sind. In dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel weist jedes Polsegmentpaket 13 genau ein Sonderpolsegment 17 und ansonsten ausschließlich Polsegmente 12 auf.
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Die Polsegmente 12 und das Sonderpolsegment 17, die zu dem Polsegmentpaket 13 gestapelt sind, sind insbesondere durch eine Lamellenverbindung 8 mechanisch miteinander verbunden. Dies führt dazu, dass das gesamte Polsegmentpaket 13 mechanisch an eine der Blechlamellen 3 angebunden ist, nämlich diejenige Blechlamelle 3, deren Sonderpolbereich 16 Teil des Polsegmentpakets 13 ist. Da an dem Sonderpolbereich 16 ein Sonderpolsegment 17 vorhanden ist, das über die Polsegmentstege 7a, 7b mit dem Lamellengrundkörper 14 einstückig verbunden ist, ist somit eine mechanische Fixierung des gesamten Polsegmentpakets 13 erreicht.
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Die Polsegmente 12 sind insbesondere als Blechausschnitte aus dem jeweiligen Blechlamellenpaket 2 gebildet. Diese würden daher ohne eine mechanische Fixierung nicht innerhalb der jeweiligen Einbuchtung 4 verbleiben. Durch die Sonderpolbereiche 16 ist erreicht, dass mit einer Minimierung der Streustege dennoch eine mechanische Fixierung sämtlicher Polsegmente 12 erreicht wird. Da gleichzeitig die Anzahl der vorhandenen Streustege minimiert ist, sind auch mechanische Kurzschlüsse im Rotor 1 minimiert.
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Da jeder Sonderpolbereich 16 außerdem, wie zuvor beschrieben, Ausnehmungen 9 zur Bildung von Magnettaschen aufweist, ist eine Fixierung der Permanentmagnete 5 ermöglicht.
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Zur weiteren Erhöhung der Festigkeit des Rotors 1 ist außerdem ein Bandageelement 6 vorgesehen. Das Bandageelement verläuft entlang der äußeren Lamellenumfangsfläche 15 und dient zur Aufnahme von Fliehkräften im Betrieb des Rotors 1. Dadurch ist insbesondere eine Drehzahlfestigkeit des Rotors 1 verbessert. Somit kann der Rotor 1 trotz der reduzierten Anzahl von Polsegmentstegen 7a, 7b bei hohen Drehzahlen betrieben werden.
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Die Blechlamellen 3 sind, wie bereits beschrieben, bevorzugt durch Stanzen hergestellt. Somit lassen sich insbesondere die gesamten Blechlamellen 3, das heißt der Lamellengrundkörper 14 und die Vielzahl von Polsegmenten 12 sowie außerdem der Sonderpolbereich 16, in einem einzigen Fertigungsschritt herstellen. Da bevorzugt alle Blechlamellen 3 identisch ausgebildet sind, ist das Herstellungsverfahren vereinfacht und insbesondere auch kostengünstig, da lediglich ein einziges Herstellungswerkzeug notwendig ist.
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Das Verbinden benachbarter Polsegmente 12 oder Sonderpolsegmente 17 erfolgt über eine Lamellenverbindung 8, wobei die Lamellenverbindung 8 insbesondere durch Stanzpaketieren und/oder Verkleben und/oder Verschrauben hergestellt ist, ist bevorzugt ein stabiles Polsegmentpaket 13 vorhanden.
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Durch die verminderte Anzahl von Polsegmentstegen 7a, 7b ist somit einerseits erreicht, dass ein Gewicht des Rotors 1 und damit der elektrischen Maschine 10 minimiert ist. Da durch den Wegfall der Polsegmentstege 7a, 7b außerdem magnetische Kurzschlüsse reduziert werden, ist eine Leistungsdichte der elektrischen Maschine 10 erhöht. Somit ist die elektrische Maschine 10 insbesondere optimal für den Einsatz im automotiven Bereich geeignet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016225105 A1 [0003]
- JP 5493792 B2 [0003]