DE102012101822A1 - Rotor and electric machine - Google Patents

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Abstract

The present invention specifies a rotor for an electrical machine, which rotor comprises two rotor elements (2, 3) which each comprise at least one flux barrier (4, 5, 4', 5'). The at least one flux barrier (4', 5') of the at least one second rotor element (3) is displaced in the circumferential direction in relation to the at least one flux barrier (4, 5) of the first rotor element (2). The two rotor elements (2, 3) are combined with one another axially and/or in the circumferential direction. The invention also describes an electrical machine having the rotor.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rotor für eine elektrische Maschine. Weiterhin betrifft die Erfindung eine elektrische Maschine mit einem solchen Rotor. The present invention relates to a rotor for an electric machine. Furthermore, the invention relates to an electrical machine with such a rotor.

Elektrische Maschinen umfassen einen Stator und einen relativ dazu beweglichen Rotor. Abhängig von der Relativbewegung unterscheidet man rotierende Maschinen und linear arbeitende Maschinen. Elektrische Maschinen können motorisch oder generatorisch arbeiten und konvertieren dabei elektrische Energie in Rotationsenergie beziehungsweise Translationsenergie, oder umgekehrt. Electric machines include a stator and a rotor movable relative thereto. Depending on the relative movement, a distinction is made between rotating machines and linear machines. Electrical machines can work by motor or generator, converting electrical energy into rotational energy or translational energy, or vice versa.

Beispielsweise bei Synchronmaschinen mit im Rotor angeordneten Permanentmagneten, aber auch bei synchronen Reluktanzmaschinen, kann eine Welligkeit des Drehmoments der Maschine auftreten, die normalerweise unerwünscht ist. Derartige Drehmomentschwankungen können die Ursache für Vibrationen, Geräusche und Drehzahlschwankungen sein sowie Probleme bei der Steuerung verursachen. Bei permanenterregten Synchronmaschinen unterscheidet man die Drehmomentwelligkeit und das Rastmoment, während bei Reluktanzmaschinen die Drehmomentwelligkeit signifikant ist. For example, in synchronous machines with permanent magnets arranged in the rotor, but also in synchronous reluctance machines, a ripple of the torque of the machine may occur, which is normally undesirable. Such torque fluctuations can be the cause of vibration, noise, and speed fluctuations, as well as problems with control. In permanent-magnet synchronous machines, a distinction is made between the torque ripple and the cogging torque, while in reluctance machines the torque ripple is significant.

Diese Drehmomentwelligkeit kann aus der Interaktion zwischen dem magnetischen Fluss aufgrund von Statorströmen und dem magnetischen Fluss des Rotors herrühren. Bei permanentmagneterregten Synchronmaschinen ist die Drehmomentwelligkeit das Ergebnis der Wechselwirkung von höheren Harmonischen der Flussdichte des Luftspalts, die von Rotormagneten und dem Statorstrom erzeugt wird. Das Rastmoment schließlich ist Ergebnis einer Wechselwirkung zwischen dem magnetischen Fluss, der von Magneten herrührt, und der Statorgeometrie, da eine veränderliche Reluktanz abhängig von der Winkelposition des Rotors besteht. This torque ripple may result from the interaction between the magnetic flux due to stator currents and the magnetic flux of the rotor. In permanent magnet synchronous machines, the torque ripple is the result of the interaction of higher harmonics of the air gap flux density generated by rotor magnets and the stator current. Finally, the cogging torque is the result of an interaction between the magnetic flux resulting from magnets and the stator geometry, since a variable reluctance depends on the angular position of the rotor.

Beispielsweise bei Anwendungen in der Automobilindustrie sollen die Drehmomentwelligkeit und das Rastmoment geringer als 5 % beziehungsweise 0,5 % des Nenn-Drehmoments sein. Es sind bisher verschiedene Ansätze beschrieben, um diese unerwünschten Rastmomente beziehungsweise Drehmomentwelligkeit zu reduzieren. Bisher bekannte Ansätze gehen jedoch meist mit einem reduzierten Wirkungsgrad der Maschine und/oder höheren Fertigungskosten einher. For example, in automotive applications, torque ripple and cogging torque should be less than 5% and 0.5% of rated torque, respectively. Various approaches have been described to reduce these unwanted cogging torques or torque ripple. However, previously known approaches are usually associated with a reduced efficiency of the machine and / or higher manufacturing costs.

In der Patentanmeldung DE 10 2010 032 764 ist ein Stator für eine elektrische Maschine angegeben, der zumindest zwei Teile umfasst, welche jeweils Nuten zur Aufnahme elektrischer Wicklungen aufweisen. Die Nutöffnungen der beiden Statoren sind zueinander in Umfangsrichtung verschoben. Die Statoren sind miteinander axial und/oder in Umfangsrichtung kombiniert. Dieser Ansatz führt zu einer wirksamen Reduzierung des Rastmoments der elektrischen Maschine, weitgehend ohne die oben beschriebenen Nachteile bisher bekannter Ansätze. Dabei erfordert dieser Ansatz eine Veränderung der Geometrie des Stators.In the patent application DE 10 2010 032 764 a stator for an electrical machine is specified, which comprises at least two parts, which each have grooves for receiving electrical windings. The slot openings of the two stators are shifted from each other in the circumferential direction. The stators are combined with each other axially and / or circumferentially. This approach leads to an effective reduction of the cogging torque of the electric machine, largely without the above-described disadvantages of hitherto known approaches. This approach requires a change in the geometry of the stator.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Rotor sowie eine Maschine mit diesem Rotor anzugeben, bei dem die Drehmomentwelligkeit deutlich reduziert ist. Object of the present invention is to provide a rotor and a machine with this rotor, in which the torque ripple is significantly reduced.

Die Aufgabe wird mit den Gegenständen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben. The object is achieved with the objects of the independent claims. Advantageous embodiments and further developments are specified in the dependent claims.

In einer Ausführungsform umfasst der Rotor für eine elektrische Maschine einen ersten und einen zweiten Teil-Rotor. Diese haben jeweils mindestens einen Magneten und mindestens eine dem Magneten zugeordnete Fluss-Barriere. Die Fluss-Barriere ist dazu eingerichtet, den magnetischen Fluss im Rotor zu hemmen. Die Fluss-Barriere des mindestens einen zweiten Teil-Rotors ist im Bezug auf die mindestens eine Fluss-Barriere des ersten Teil-Rotors in Umfangsrichtung des Rotors verschoben angeordnet. Die beiden Teil-Rotoren sind miteinander in axialer Richtung und/oder in Umfangsrichtung kombiniert. In one embodiment, the rotor for an electric machine comprises a first and a second sub-rotor. These each have at least one magnet and at least one flux barrier associated with the magnet. The flux barrier is designed to inhibit the magnetic flux in the rotor. The flow barrier of the at least one second sub-rotor is arranged displaced with respect to the at least one flow barrier of the first sub-rotor in the circumferential direction of the rotor. The two part rotors are combined with each other in the axial direction and / or in the circumferential direction.

Eine unsymmetrische Verschiebung der Fluss-Barrieren in den Teil-Rotoren relativ zueinander führt entsprechend zu einer relativen Verschiebung des Ortes der minimalen Reluktanz der Teil-Rotoren. Hierdurch wiederum ergibt sich eine relative Verschiebung der Drehmomentwelligkeitskomponenten, die von den jeweiligen Teil-Rotoren erzeugt werden. Kombiniert man die Teil-Rotoren wie vorgeschlagen, so können die Drehmomentwelligkeitskomponenten der Teil-Rotoren gegenseitig kompensiert werden und die gesamte Drehmomentwelligkeit eines derartigen Rotors kann deutlich reduziert werden, bis hin zu einer Auslöschung.An asymmetrical displacement of the flow barriers in the sub-rotors relative to one another correspondingly results in a relative shift of the location of the minimum reluctance of the sub-rotors. This in turn results in a relative displacement of the torque ripple components generated by the respective sub-rotors. Combining the sub-rotors as proposed, the torque ripple components of the sub-rotors can be mutually compensated and the overall torque ripple of such a rotor can be significantly reduced, up to an extinction.

Die Fluss-Barrieren des Rotors können beispielsweise als mit Luft gefüllte Hohlräume des Rotors ausgebildet sein. The flow barriers of the rotor can be designed, for example, as air-filled cavities of the rotor.

Bevorzugt schließen die Fluss-Barrieren in Umfangsrichtung unmittelbar an gegenüberliegenden Seiten an die Magnete an. Preferably, the flow barriers directly adjoin the magnets in the circumferential direction on opposite sides.

Verschiebung bedeutet in einer Ausführungsform, dass eine Fluss-Barriere, die sich an einen Magneten anschleißt, in Umfangsrichtung ausgedehnt, das heißt vergrößert ist, während die gegenüberliegende Fluss-Barriere an diesem Magneten um den entsprechenden Betrag verkleinert sein kann. Displacement, in one embodiment, means that a flux barrier that attaches to a magnet is circumferentially expanded, that is, enlarged, while the opposing flux barrier on that magnet can be reduced by the corresponding amount.

Wie oben angedeutet, ist die Verschiebung der Fluss-Barrieren relativ zueinander so gestaltet, dass das Minimum der Reluktanz des Rotors relativ, das heißt im Vergleich der beiden Teil-Rotoren zueinander, verschoben ist. As indicated above, the displacement of the flux barriers relative to one another is designed such that the minimum of the reluctance of the rotor is shifted relative to one another, that is to say in comparison with the two sub-rotors.

Rotoren von elektrischen Maschinen können mit der d-q-Achsentheorie beschrieben werden. Dabei liegt die d-Achse in der Mitte eines Rotor-Pols, und die q-Achse liegt zwischen zwei Rotor-Polen. Die q-Achse ist bezüglich der d-Achse um 90° elektrisch verschoben. Rotors of electric machines can be described with the d-q axis theory. The d-axis lies in the middle of a rotor pole, and the q-axis lies between two rotor poles. The q-axis is shifted by 90 ° with respect to the d-axis.

Bei permanentmagneterregten Maschinen, beispielsweise mit eingesetzten oder mit vergrabenen Magneten im Rotor, repräsentiert die d-Achse den Ort mit der höchsten Reluktanz und die q-Achse den Ort mit der geringsten Reluktanz. In permanent magnet excited machines, for example with buried or buried magnets in the rotor, the d-axis represents the location with the highest reluctance and the q-axis represents the location with the least reluctance.

Auch bei synchronen Reluktanzmaschinen repräsentiert die d-Achse den Bereich höchsten Reluktanz und die q-Achse den Bereich geringster Reluktanz. Also in synchronous reluctance machines, the d-axis represents the region of highest reluctance and the q-axis represents the region of least reluctance.

Wie oben erläutert, führen asymmetrisch nach rechts oder links verschobene Fluss-Barrieren in Umfangsrichtung dazu, dass sich der Bereich minimaler Reluktanz des Rotors ebenfalls nach links beziehungsweise rechts in Umfangsrichtung verschiebt. Fluss-Barrieren sind bevorzugt Regionen aus nichtmagnetischem und nichtelektrischem Material wie beispielsweise Luft. Sie können beispielsweise als Hohlraum im Rotor-Blechpaket realisiert sein. Dieser Hohlraum grenzt bevorzugt an den Magnet an und ist im Übrigen vom Eisen des Rotors umschlossen.As discussed above, circumferential flow barriers asymmetrically shifted to the right or left will cause the region of minimum reluctance of the rotor to also shift to the left and to the right in the circumferential direction, respectively. Flow barriers are preferably regions of non-magnetic and non-electrical material, such as air. They can be realized, for example, as a cavity in the rotor laminated core. This cavity is preferably adjacent to the magnet and is otherwise enclosed by the iron of the rotor.

In der d-q-Achsentheorie wirkt sich die beschriebene Verschiebung des Bereichs minimaler Reluktanz des Rotors so aus, dass sich die q-Achse ebenfalls verschiebt und in der Mitte des Minimums des Bereichs minimaler Rotor-Reluktanz liegt. Mit anderen Worten führt die asymmetrische Verschiebung der Fluss-Barrieren dazu, dass die q-Achse um einen Winkel α verschoben ist. In the d-q axis theory, the described shift in the region of minimum reluctance of the rotor is such that the q-axis also shifts and lies in the middle of the minimum of the range of minimum rotor reluctance. In other words, the asymmetric displacement of the flux barriers results in the q-axis being shifted by an angle α.

Es wird vorgeschlagen, den Rotor in mindestens zwei Teil-Rotoren zu zerlegen, wobei in einem Rotor die q-Achse um einen bestimmten Winkel nach rechts, und dem anderen Rotor um einen bestimmten Winkel nach links verschoben ist. Anstelle der Begriffe rechts und links können alternativ die Begriffe Uhrzeigersinn und Gegenuhrzeigersinn Anwendung finden.It is proposed to disassemble the rotor in at least two sub-rotors, wherein in a rotor, the q-axis is shifted by a certain angle to the right, and the other rotor by a certain angle to the left. Instead of the terms right and left, the terms clockwise and counterclockwise can alternatively be used.

Da mit der Verschiebung der q-Achse jeweils auch eine Verschiebung der Komponenten der Drehmomentwelligkeit der Teil-Rotoren einhergeht, ist es auf diese Weise möglich, die gesamte Drehmoment-Restwelligkeit des Rotors signifikant zu reduzieren, bis hin zu einer Auslöschung dieser Restwelligkeitskomponenten des Drehmoments. In this way, since the displacement of the q-axis is also accompanied by a shift of the components of the torque ripple of the sub-rotors, it is possible to significantly reduce the overall torque ripple of the rotor, up to an extinction of these residual ripple components of the torque.

In einer Ausführungsform sind die Verschiebungswinkel der q-Achsen der Teil-Rotoren gegenüber einem Rotor mit herkömmlichen Fluss-Barrieren betragsmäßig gleich, weisen jedoch ein unterschiedliches Vorzeichen auf. In one embodiment, the shift angles of the q-axes of the sub-rotors are equal in magnitude to a rotor with conventional flux-barriers, but have a different sign.

In einer Ausführungsform weisen die Teil-Rotoren jeweils mindestens einen magnetischen Nordpol und einen magnetischen Südpol auf. Der Nordpol und der Südpol weisen je einander gegenüberliegende Fluss-Barrieren auf, wobei die gegenüberliegenden Fluss-Barrieren des Nordpols sowie auch des Südpols bezüglich einer jeweiligen Symmetrieachse eines herkömmlichen Rotors unsymmetrisch ausgebildet sind. In one embodiment, the sub-rotors each have at least one north magnetic pole and one south magnetic pole. The north pole and the south pole each have opposing flux barriers, wherein the opposing flux barriers of the north pole as well as the south pole with respect to a respective axis of symmetry of a conventional rotor are asymmetrical.

Bevorzugt werden Teil-Rotoren miteinander kombiniert, die abgesehen von der beschriebenen asymmetrischen Verschiebung der Fluss-Barrieren den gleichen Aufbau haben, insbesondere die gleiche Rotorgeometrie. Bei Kombination der Teil-Rotoren in axialer Richtung können die Teil-Rotoren sogar einen völlig identischen Aufbau haben, werden jedoch axial nicht in gleichem Sinn miteinander kombiniert, sondern einer der Teil-Rotoren wird in umgekehrter Achsrichtung mit dem anderen kombiniert. Partial rotors are preferably combined with each other, which apart from the described asymmetric displacement of the flow barriers have the same structure, in particular the same rotor geometry. When the sub-rotors are combined in the axial direction, the sub-rotors can even have a completely identical construction, but are not combined axially in the same sense, but one of the sub-rotors is combined in the reverse direction with the other.

Bevorzugt weisen der erste und der zweite Teil-Rotor, bei Ausführung mit Permanentmagneten, mindestens einen der folgenden Typen auf: in Nuten eingesetzte Magnete, vergrabene Magnete, beispielsweise vergrabene tangentiale Magnete oder vergrabene V-Magnete, oder eine vergrabene Mehrschichtstruktur. Bevorzugt werden quaderförmige Magnete eingesetzt.Preferably, the first and the second part rotor, in the embodiment with permanent magnets, at least one of the following types: grooved magnets, buried magnets, such as buried tangential magnets or buried V magnets, or a buried multi-layer structure. Preferably cuboid magnets are used.

Alternativ oder zusätzlich kann der Rotor als Reluktanzrotor ausgebildet sein, wobei in diesem Fall auch der erste und zweite Teil-Rotor als Reluktanzrotoren ausgebildet sind. Alternatively or additionally, the rotor may be designed as a reluctance rotor, in which case the first and second part-rotors are also designed as reluctance rotors.

In einer anderen Ausführungsform ist eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem vorstehend beschriebenen Rotor angegeben. Der Stator kann zur Aufnahme elektrischer Wicklungen, beispielsweise in Statornuten, ausgeführt sein. Dabei kann der Stator zur Aufnahme eines elektrischen Dreiphasensystems vorgesehen sein, es sind aber auch andere Stromsysteme möglich. In another embodiment, an electric machine is provided with a stator and a rotor described above. The stator may be designed to receive electrical windings, for example in stator slots. In this case, the stator may be provided for receiving an electrical three-phase system, but other current systems are possible.

Die Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen näher erläutert. The invention will be explained in more detail below with reference to several exemplary embodiments with reference to drawings.

Dabei zeigen: Showing:

1 ein Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine mit einem ersten Teil-Rotor nach dem vorgeschlagenen Prinzip, 1 An embodiment of an electrical machine with a first part rotor according to the proposed principle,

2 ein Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine mit einem zweiten Teil-Rotor nach dem vorgeschlagenen Prinzip, 2 An embodiment of an electric machine with a second part rotor according to the proposed principle,

3 ein Ausführungsbeispiel eines Rotors, bei dem der erste und zweite Teil-Rotor gemäß 1 und 2 axial miteinander kombiniert sind, 3 an embodiment of a rotor, in which the first and second part-rotor according to 1 and 2 are axially combined with each other,

4 einen herkömmlichen Rotor mit V-förmig vergrabenen Magneten, 4 a conventional rotor with V-shaped buried magnets,

5A und 5B Ausführungsbeispiele der magnetischen Flusslinien jeweiliger Ausschnitte der Beispiele von 1 und 2, 5A and 5B Embodiments of the magnetic flux lines of respective sections of the examples of 1 and 2 .

6 ein Beispiel eines Diagramms von Drehmomentverläufen, 6 an example of a graph of torque curves,

7A und 7B Ausführungsbeispiele von zwei Teil-Rotoren mit vergrabenen tangentialen Magneten nach dem vorgeschlagenen Prinzip, und 7A and 7B Embodiments of two partial rotors with buried tangential magnets according to the proposed principle, and

8A und 8B Ausführungsbeispiele von zwei als Reluktanzrotor ausgeführten Teil-Rotoren nach dem vorgeschlagenen Prinzip. 8A and 8B Embodiments of two executed as a reluctance rotor part rotors according to the proposed principle.

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer elektrischen Maschine mit einem Stator 1 und einem Rotor, wobei in 1 ein erster Teil-Rotor 2 gezeigt ist. Der erste Teil-Rotor 2 weist vergrabene V-förmig angeordnete Magnetpole auf, die als Nordpol N beziehungsweise Südpol S ausgebildet sind. Insgesamt sind zwei magnetische Polpaare, das heißt insgesamt vier vergrabene Magnete S, N vorgesehen, wobei gegenüberliegende Magnete jeweils von gleicher Polarität sind. An die jeweils gegenüberliegenden Enden der Schenkel der V-förmigen Magnete schließt sich jeweils eine Fluss-Barriere 4, 5 an, welche als luftgefüllter Hohlraum realisiert ist. Dabei ist jeweils in Umfangsrichtung im Uhrzeigersinn vom jeweiligen Magnet S, N ausgehend die magnetische Fluss-Barriere 5 vergrößert, während die Fluss-Barriere 4 im Gegenuhrzeigersinn von den Magneten ausgehend verkleinert ist. Damit ergibt sich eine unsymmetrische Verteilung der Fluss-Barrieren 4, 5 an den jeweiligen vergrabenen V-förmigen Magneten S, N. 1 shows an embodiment of an electric machine with a stator 1 and a rotor, wherein in 1 a first part rotor 2 is shown. The first part rotor 2 has buried V-shaped arranged magnetic poles, which are formed as north pole N and south pole S. Overall, two magnetic pole pairs, that is a total of four buried magnets S, N are provided, opposite magnets are each of the same polarity. At the respective opposite ends of the legs of the V-shaped magnets each includes a flow barrier 4 . 5 which is realized as an air-filled cavity. In each case, in the circumferential direction in the clockwise direction of the respective magnet S, N starting, the magnetic flux barrier 5 enlarged while the river barrier 4 is reduced counterclockwise starting from the magnets. This results in an asymmetrical distribution of the flux barriers 4 . 5 at the respective buried V-shaped magnets S, N.

Mit anderen Worten sind die Fluss-Barrieren 4, 5 jeweils Hohlräume im Eisenkern des Rotors, die sich an die Permanentmagnete S, N anschließen. In other words, the river barriers are 4 . 5 each cavities in the iron core of the rotor, which connect to the permanent magnets S, N.

Betrachtet man die elektrische Maschine in einer d-q-Achsendarstellung mit einer d- und einer dazu im elektrischen Winkel senkrecht stehenden q-Achse, so verläuft die d-Achse durch die Mitte eines Rotorpols N, während die q-Achse dazu elektrisch senkrecht steht und in der Mitte zwischen dem Nordpol N und einem benachbarten Südpol S verläuft. Aufgrund der Tatsache, dass im Beispiel zwei Polpaare vorgesehen sind, ist der geometrische Winkel nicht 90°, sondern nur die Hälfte dessen, nämlich 45° zwischen d-Achse und q-Achse. Die d-Achse repräsentiert zugleich den Bereich höchster Reluktanz des Rotors, während die q-Achse den Bereich geringster Reluktanz repräsentiert. Dieser ideale Winkel von 45° gilt bei symmetrischer Anordnung der Fluss-Barrieren, wie später in 4 gezeigt. Bei der vorliegenden 1 jedoch ergibt sich eine Verschiebung der q-Achse um einen Winkel αr im Uhrzeigersinn. Dies hängt zusammen mit der Verschiebung des Bereichs geringster Reluktanz im Rotor um den gleichen Winkel αr bedingt durch die Unsymmetrie der Fluss-Barrieren 4, 5. If one considers the electric machine in a dq-axis representation with a d-axis and a q-axis perpendicular thereto in the electrical angle, then the d-axis passes through the center of a rotor pole N, while the q-axis is electrically perpendicular to it and in the middle between the north pole N and an adjacent south pole S runs. Due to the fact that in the example two pole pairs are provided, the geometric angle is not 90 °, but only half of it, namely 45 ° between the d-axis and q-axis. At the same time, the d-axis represents the region of highest reluctance of the rotor, while the q-axis represents the region of least reluctance. This ideal angle of 45 ° applies to symmetrical arrangement of the flow barriers, as later in 4 shown. At the present 1 However, there is a shift of the q-axis by an angle α r clockwise. This is related to the shift of the region of least reluctance in the rotor by the same angle α r due to the asymmetry of the flux barriers 4 . 5 ,

2 zeigt eine elektrische Maschine mit einem zweiten Teil-Rotor 3 an einem Ausführungsbeispiel. Der Aufbau und die Geometrie der beiden Teil-Rotoren von 1 und 2 sind vollständig identisch, nur abgesehen von der Unsymmetrie der Fluss-Barrieren, die bei der 2 nicht im Uhrzeigersinn, sondern im Gegenuhrzeigersinn verschoben sind. Hierdurch ergibt sich bei dem Beispiel von 2 eine Verschiebung der q-Achse im Gegenuhrzeigersinn, um einen Winkel αr. Der Verschiebungswinkel αr der Beispiele von 1 und 2 ist betragsmäßig gleich groß, jedoch gegensinnig. 2 shows an electric machine with a second part rotor 3 on an embodiment. The structure and geometry of the two part rotors of 1 and 2 are completely identical, only apart from the asymmetry of the river barriers, which at the 2 not clockwise but counterclockwise. This results in the example of 2 a shift of the q-axis counterclockwise, by an angle α r . The displacement angle α r of the examples of 1 and 2 is equal in size, but in opposite directions.

Kombiniert man die Teil-Rotoren 2, 3 gemäß 1 und 2 axial hintereinander zu einem gemeinsamen Rotor, so ergibt sich ein Rotor gemäß Ausführungsbeispiel von 3. Dabei ist der zweite Teil-Rotor 3 gemäß 2 in 3 hinter dem ersten Teil-Rotor von 1 dargestellt. Der Stator 1 ist bei der Darstellung von 3 der besseren Übersichtlichkeit halber nicht eingezeichnet. Man erkennt, dass die resultierende q-Achse des gesamten Rotors von 3, die sich durch Überlagerung der q-Achse q1 des ersten Teil-Rotors 2 und der q-Achse q2 des zweiten Teil-Rotors 3 ergibt, gerade wieder im Winkel von elektrisch 90° zu der d-Achse des Gesamtrotors steht. Die d-Achse des Gesamtrotors ist identisch mit der d1-Achse des ersten Teil-Rotors und der d2-Achse des zweiten Teil-Rotors. Funktion und Vorteile dieser Ausgestaltung werden später anhand von 6 erläutert.Combine the part rotors 2 . 3 according to 1 and 2 axially behind one another to form a common rotor, the result is a rotor according to the embodiment of FIG 3 , Here is the second part rotor 3 according to 2 in 3 behind the first part-rotor of 1 shown. The stator 1 is in the presentation of 3 the sake of clarity not shown. It can be seen that the resulting q-axis of the entire rotor of 3 , which is due to superimposition of the q-axis q1 of the first sub-rotor 2 and the q-axis q2 of the second sub-rotor 3 results, just again at an angle of electrical 90 ° to the d-axis of the overall rotor is. The d-axis of the total rotor is identical to the d1-axis of the first part-rotor and the d2-axis of the second part-rotor. Function and advantages of this embodiment will be described later with reference to 6 explained.

4 zeigt einen herkömmlichen Rotor mit V-förmig vergrabenen Magneten S, N und symmetrisch an deren äußere Schenkelenden anschließende Fluss-Barrieren. 4 shows a conventional rotor with V-shaped buried magnets S, N and symmetrically at their outer leg ends subsequent flow barriers.

Man erkennt, dass beim herkömmlichen Rotor von 4 zwischen d-Achse und q-Achse der gleiche Winkel besteht wie bei der Kombination von Teil-Rotoren mit in Umfangsrichtung verschobenen Fluss-Barrieren gemäß 3 resultierend. It can be seen that in the conventional rotor of 4 the same angle between the d-axis and q-axis as in the combination of part rotors with circumferentially shifted flow barriers according to 3 result.

5A und 5B zeigen die Feldlinienverläufe des magnetischen Flusses in Rotor und Stator, wobei 5A ein beispielhafter Ausschnitt aus 1 und 5B ein beispielhafter Ausschnitt aus 2 bezüglich Rotor- und Statorgeometrie ist. Man erkennt deutlich die Wirkung der jeweils lokal vergrößerten Fluss-Barrieren 5, 5', die lokal den magnetischen Fluss deutlich verringern. Dieser Effekt führt letztlich zu der Verschiebung des Bereichs minimaler Reluktanz, der durch die jeweilige Verschiebung der q-Achse um einen Winkel αr veranschaulicht werden kann. 5A and 5B show the field lines of the magnetic flux in the rotor and stator, wherein 5A an exemplary excerpt from 1 and 5B an exemplary excerpt from 2 with respect to rotor and stator geometry. It clearly shows the effect of each locally enlarged river barriers 5 . 5 ' locally reducing the magnetic flux significantly. This effect ultimately results in the shift of the region of minimum reluctance, which can be illustrated by the respective displacement of the q-axis by an angle α r .

Die Wirkung der Kombination der Teil-Rotoren gemäß 3 wird anhand des Schaubilds von 6 anschaulich. Im Schaubild von 6 ist das elektromagnetische Drehmoment T gezeigt, wobei das Drehmoment aufgetragen ist über der Rotorposition in elektrischen Graden. Die mit X gekennzeichnete Kurve bezeichnet die Drehmomentkurve der elektrischen Maschine von 1, wenn der Rotor nur aus dem ersten Teil-Rotor 2 gebildet wird, während die mit O bezeichnete Drehmomentkurve das Drehmoment der Maschine wiedergibt, wenn der Rotor nur mit dem zweiten Teil-Rotor 3 von 2 gebildet wird. Man erkennt, dass jede dieser Drehmomentkurven X, O für sich genommen eine hohe Drehmomentwelligkeit aufweist. The effect of combining the part rotors according to 3 is based on the graph of 6 vividly. In the diagram of 6 the electromagnetic torque T is shown, wherein the torque is plotted against the rotor position in electrical degrees. The curve marked X denotes the torque curve of the electric machine of 1 if the rotor is only from the first part rotor 2 is formed, while the torque curve denoted by O represents the torque of the engine when the rotor with only the second part rotor 3 from 2 is formed. It can be seen that each of these torque curves X, O taken by itself has a high torque ripple.

Die resultierende Drehmomentkurve -- ist gestrichelt eingezeichnet und trifft auf die Gesamtanordnung gemäß 3 zu. Hierbei wird der Gesamtrotor je zur Hälfte aus den Teil-Rotoren 2 und 3 gebildet. Man erkennt deutlich, dass durch die vorgeschlagene Kombination von Teil-Rotoren 2, 3 mit relativ zueinander verschobenen Fluss-Barrieren in Umfangsrichtung die gesamte Drehmomentwelligkeit sehr deutlich reduziert ist. Damit einher geht auch eine deutliche Verringerung der Konsequenzen aus einer hohen Drehmomentwelligkeit, beispielsweise eine deutliche Reduzierung von Vibrationen der elektrischen Maschine im Betrieb sowie der Betriebsgeräusche und letztlich auch eine deutliche Verbesserung des Wirkungsgrads. The resulting torque curve - is shown in dashed lines and applies to the overall arrangement according to 3 to. In this case, the total rotor is half of the part rotors 2 and 3 educated. It can be clearly seen that the proposed combination of part rotors 2 . 3 with circumferentially displaced flux barriers, the total torque ripple is significantly reduced. This is accompanied by a significant reduction in the consequences of a high torque ripple, for example, a significant reduction of vibrations of the electric machine during operation and the operating noise and ultimately a significant improvement in the efficiency.

Damit eignet sich die beschriebene elektrische Maschine beispielsweise besonders für den Automobilbereich. Thus, the electrical machine described is suitable, for example, especially for the automotive sector.

7A und 7B zeigen anhand jeweiliger Beispiele für zwei Teil-Rotoren eine weitere Ausführungsform des vorgeschlagenen Prinzips mit vergrabenen, tangentialen Permanentmagneten. Das Ausführungsbeispiel beruht in seinem Aufbau, der Funktionsweise und der vorteilhaften Wirkungsweise auf demjenigen gemäß der 1 bis 3 und wird insoweit nicht noch einmal beschrieben. Hier sind jedoch anstelle der V-förmigen Magnete solche in tangentialer Ausführung in die Teil-Rotoren eingebracht. An die tangentialen Magnete S, N schließen sich wiederum Fluss-Barrieren 4, 4', 5, 5' an, wobei diese bei den beiden Teil-Rotoren gemäß 7A und 7B wiederum in unterschiedlichem Drehsinn verschoben sind, so dass sich die oben bereits erläuterte Unsymmetrie mit der entsprechenden Achsverschiebung der q-Achsen der Teil-Rotoren q1, q2 ergibt. Diese Teil-Rotoren gemäß 7A und 7B können wiederum axial miteinander zu einem Gesamt-Rotor kombiniert werden, der die oben erläuterten Vorteile und eine reduzierte Drehmomentwelligkeit aufweist. 7A and 7B show on the basis of respective examples of two part rotors another embodiment of the proposed principle with buried, tangential permanent magnet. The embodiment is based in its structure, the operation and the advantageous operation on that according to the 1 to 3 and will not be described again. Here, however, instead of the V-shaped magnets are introduced in a tangential design in the sub-rotors. The tangential magnets S, N in turn close flow barriers 4 . 4 ' . 5 . 5 ' which, in the two part rotors according to 7A and 7B are in turn shifted in different directions of rotation, so that the above-explained asymmetry with the corresponding axis displacement of the q-axes of the part rotors q1, q2 results. These part rotors according to 7A and 7B can in turn be combined axially with one another to form an overall rotor having the advantages explained above and a reduced torque ripple.

8A und 8B zeigen Teil-Rotoren gemäß einer Anwendung des vorgeschlagenen Prinzips auf einen reinen Reluktanzrotor ohne Permanentmagnete. Die bei einem konventionellen Reluktanzrotor vorgesehenen doppelt v-förmig eingebrachten Gebiete mit fehlendem Eisen, das heißt Luft, gehen in unsymmetrisch ausgebildete Fluss-Barrieren an den jeweiligen Enden der v-förmigen Gebiete über. Diese Unsymmetrie in Umfangsrichtung ergibt bei dem ersten Teil-Rotor gemäß 8A wiederum eine Verschiebung der q-Achse im Uhrzeigersinn zu der Achse q1, während bei dem zweiten Teil-Rotor gemäß 8B eine Verschiebung im Gegenuhrzeigersinn, wiederum um den gleichen Winkelbetrag, vorgesehen ist, so dass sich die neue q-Achse q2 ergibt. 8A and 8B show partial rotors according to an application of the proposed principle to a pure reluctance rotor without permanent magnets. The regions of missing iron, ie air, which are provided in a conventional reluctance rotor, enter into asymmetrically formed flow barriers at the respective ends of the V-shaped regions. This asymmetry in the circumferential direction results according to the first part-rotor 8A again a shift of the q-axis clockwise to the axis q1, while in the second part-rotor according to 8B a counterclockwise displacement, again by the same angular amount, is provided so that the new q-axis q2 results.

Diese Teil-Rotoren gemäß 8A und 8B können wiederum axial miteinander zu einem Gesamt-Rotor kombiniert werden, der die oben erläuterten Vorteile und eine reduzierte Drehmomentwelligkeit aufweist.These part rotors according to 8A and 8B can in turn be combined axially with one another to form an overall rotor having the advantages explained above and a reduced torque ripple.

Die beschriebene elektrische Maschine erfordert keine Veränderungen am Stator. Es genügt, die beschriebenen Maßnahmen im Rotor vorzunehmen. Die unsymmetrische Ausführung der Fluss-Barrieren 4, 5 kann in einfacher Weise durch Stanzen des Blechpakets des Rotors erfolgen, wobei für die Realisierung der beispielhaften Ausgestaltung von 3 lediglich ein einziges Stanzwerkzeug erforderlich ist, da die Rotoren von 1 und 2 durch Umdrehen der Blechpakete und zueinander verdrehtes axiales Kombinieren gemäß 3 sehr kostengünstig gefertigt werden können. The electric machine described requires no changes to the stator. It is sufficient to carry out the measures described in the rotor. The asymmetrical design of the river barriers 4 . 5 can be done in a simple manner by punching the laminated core of the rotor, wherein for the realization of the exemplary embodiment of 3 only a single punching tool is required because the rotors of 1 and 2 by turning the laminated cores and mutually rotated axial combining according to 3 can be manufactured very inexpensively.

Selbstverständlich liegt es im Rahmen des fachmännischen Handelns, anstelle der gezeigten axialen Kombination eine Kombination der Teil-Rotoren in Umfangsrichtung vorzunehmen, beispielsweise mit zwei Teil-Rotoren, die jeweils 180° geometrisch abdecken und als Halbzylinder realisiert sein können. Of course, it is within the scope of expert action, instead of the axial combination shown to make a combination of the part rotors in the circumferential direction, for example, with two part rotors, each covering 180 ° geometrically and can be realized as a half cylinder.

Ebenso liegt es im Rahmen fachmännischen Handelns, anstelle der gezeigten vergrabenen V-förmigen Permanentmagnete bzw. vergrabenen tangentialen Magnete, andere Rotortopologien zu verwenden, wie beispielsweise in Nuten eingesetzte Magnete oder auch vergrabene Multischichtmagnete. Darüber hinaus ist das vorgeschlagene Prinzip nicht auf vergrabene Permanentmagnete beschränkt, sondern kann beispielsweise auch bei Multischichtreluktanzrotortopologien vorteilhaft eingesetzt werden. It is also within the scope of expert action, instead of the shown buried V-shaped permanent magnets or buried tangential magnets, other Rotortopologien too use, such as magnets used in grooves or buried multilayer magnets. In addition, the proposed principle is not limited to buried permanent magnets, but can for example be used advantageously in multilayer reluctance rotortopologies.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Stator stator
22
erster Teil-Rotor  first part rotor
33
zweiter Teil-Rotor  second part rotor
44
verkleinerte Fluss-Barriere reduced river barrier
4'4 '
verkleinerte Fluss-Barriere reduced river barrier
55
vergrößerte Fluss-Barriere enlarged river barrier
5'5 '
vergrößerte Fluss-Barriere enlarged river barrier
dd
d-Achse d-axis
d1d1
Achse axis
d2d2
Achse axis
qq
q-Achse q-axis
q1q1
Achse axis
q2q2
Achse axis
NN
Nordpol North Pole
SS
Südpol South Pole
αr α r
Verschiebungswinkel der q-Achse Displacement angle of the q-axis

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102010032764 [0006] DE 102010032764 [0006]

Claims (10)

Rotor für eine elektrische Maschine, der Rotor umfassend: – einen ersten Teil-Rotor (2) und mindestens einen zweiten Teil-Rotor (3), die jeweils mindestens eine Fluss-Barriere (4, 4', 5, 5') umfassen, – wobei die mindestens eine Fluss-Barriere (4', 5') des mindestens einen zweiten Teil-Rotors (3) im Bezug auf die mindestens eine Fluss-Barriere (4, 5) des ersten Teil-Rotors (2) in Umfangsrichtung verschoben ist und – die beiden Teil-Rotoren (2, 3) miteinander axial und/oder in Umfangsrichtung kombiniert sind.Rotor for an electric machine, the rotor comprising: - a first part rotor ( 2 ) and at least one second sub-rotor ( 3 ), each having at least one flow barrier ( 4 . 4 ' . 5 . 5 ' ), wherein the at least one flow barrier ( 4 ' . 5 ' ) of the at least one second sub-rotor ( 3 ) with respect to the at least one flow barrier ( 4 . 5 ) of the first part rotor ( 2 ) is displaced in the circumferential direction and - the two part rotors ( 2 . 3 ) are combined with each other axially and / or in the circumferential direction. Rotor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebung der mindestens einen Fluss-Barriere (4', 5') des mindestens einen zweiten Teil-Rotors (3) im Bezug auf die mindestens eine Fluss-Barriere (4, 5) des ersten Teil-Rotors (2) derart ausgebildet ist, dass ein Minimum der Rotor-Reluktanz des zweiten Teil-Rotors (3) relativ zu einem Minimum der Rotor-Reluktanz des ersten Teil-Rotors (2) verschoben ist.Rotor according to claim 1, characterized in that the displacement of the at least one flow barrier ( 4 ' . 5 ' ) of the at least one second sub-rotor ( 3 ) with respect to the at least one flow barrier ( 4 . 5 ) of the first part rotor ( 2 ) is designed such that a minimum of the rotor reluctance of the second sub-rotor ( 3 ) relative to a minimum of the rotor reluctance of the first sub-rotor ( 2 ) is shifted. Rotor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebung der mindestens einen Fluss-Barriere (4', 5') des mindestens einen zweiten Teil-Rotors (3) im Bezug auf die mindestens eine Fluss-Barriere (4, 5) des ersten Teil-Rotors (2) derart ausgebildet ist, dass die q-Achse (q2) des zweiten Teil-Rotors (3) relativ zur q-Achse (q1) des ersten Teil-Rotors (2), jeweils bezogen auf eine gemeinsame d-Achse (d), verschoben ist. Rotor according to claim 1 or 2, characterized in that the displacement of the at least one flux barrier ( 4 ' . 5 ' ) of the at least one second sub-rotor ( 3 ) with respect to the at least one flow barrier ( 4 . 5 ) of the first part rotor ( 2 ) is formed such that the q-axis (q2) of the second sub-rotor ( 3 ) relative to the q-axis (q1) of the first sub-rotor ( 2 ), each related to a common d-axis (d), is shifted. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass der erste Teil-Rotor (2) und der mindestens eine zweite Teil-Rotor (3) jeweils mindestens einen Magneten (S, N) umfassen, dem jeweils die mindestens eine Fluss-Barriere (4, 4', 5, 5') des ersten beziehungsweise mindestens einen zweiten Teil-Rotors (2, 3) zugeordnet ist.Rotor according to one of claims 1 to 3, characterized in that the first part rotor ( 2 ) and the at least one second sub-rotor ( 3 ) each comprise at least one magnet (S, N), each of which has at least one flux barrier ( 4 . 4 ' . 5 . 5 ' ) of the first or at least one second sub-rotor ( 2 . 3 ) assigned. Rotor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass – der erste und der zweite Teil-Rotor (2, 3) jeweils mindestens einen magnetischen Nordpol (N) und einen magnetischen Südpol (S) umfassen, die jeweils eine Symmetrieachse aufweisen, – der Nordpol und der Südpol jeweils einander gegenüberliegende Fluss-Barrieren (4, 4', 5, 5') aufweisen, – wobei die gegenüberliegenden Fluss-Barrieren (4, 4', 5, 5') des Nordpols (N) bezüglich dessen Symmetrieachse unsymmetrisch ausgebildet sind und/oder – wobei die gegenüberliegenden Fluss-Barrieren (4, 4', 5, 5') des Südpols (S) bezüglich dessen Symmetrieachse unsymmetrisch ausgebildet sind.Rotor according to claim 4, characterized in that - the first and the second part-rotor ( 2 . 3 ) each comprise at least one magnetic north pole (N) and one magnetic south pole (S), each having an axis of symmetry, - the north pole and the south pole respectively opposing flux barriers ( 4 . 4 ' . 5 . 5 ' ), the opposing flow barriers ( 4 . 4 ' . 5 . 5 ' ) of the north pole (N) with respect to its symmetry axis are asymmetrical and / or - wherein the opposing flux barriers ( 4 . 4 ' . 5 . 5 ' ) of the south pole (S) are formed asymmetrically with respect to its axis of symmetry. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Teil-Rotor (2, 3) jeweils als Reluktanzrotor ausgebildet sind.Rotor according to one of claims 1 to 3, characterized in that the first and the second partial rotor ( 2 . 3 ) are each formed as a reluctance rotor. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem die mindestens eine Fluss-Barriere (4', 5') des mindestens einen zweiten Teil-Rotors (3) im Bezug auf die mindestens eine Fluss-Barriere (4, 5) des ersten Teil-Rotors (2) in Umfangsrichtung derart verschoben ist, dass die Drehmomentwelligkeit der Teil-Rotoren gegenseitig kompensiert und/oder die Drehmomentwelligkeit reduziert ist.Rotor according to one of claims 1 to 6, wherein the at least one flow barrier ( 4 ' . 5 ' ) of the at least one second sub-rotor ( 3 ) with respect to the at least one flow barrier ( 4 . 5 ) of the first part rotor ( 2 ) is displaced in the circumferential direction such that the torque ripple of the sub-rotors mutually compensated and / or the torque ripple is reduced. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die mindestens zwei Teil-Rotoren (2, 3), abgesehen von der Verschiebung der Fluss-Barrieren (4, 4', 5, 5'), den gleichen Aufbau, insbesondere gleiche Geometrie haben.Rotor according to one of claims 1 to 7, in which the at least two partial rotors ( 2 . 3 ), apart from the displacement of the river barriers ( 4 . 4 ' . 5 . 5 ' ), have the same structure, in particular the same geometry. Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Teil-Rotor (2, 3) Permanentmagnete aufweisen, die von mindestens einem der folgenden Typen sind: – in Nuten eingesetzte Magnete, – vergrabene tangentiale Magnete, – vergrabene V-Magnete, – vergrabene Mehrschichtstruktur.Rotor according to one of claims 1 to 8, characterized in that the first and the second part rotor ( 2 . 3 ) Have permanent magnets of at least one of the following types: - magnets used in grooves, - buried tangential magnets, - buried V magnets, - buried multilayer structure. Elektrische Maschine mit einem Rotor nach einem der Ansprüche 1 bis 9 sowie weiter umfassend: einen Stator (1), wobei der Rotor (2, 3) relativ zum Stator beweglich ist.Electric machine with a rotor according to one of claims 1 to 9 and further comprising: a stator ( 1 ), wherein the rotor ( 2 . 3 ) is movable relative to the stator.
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