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Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit einem Stator und einem Rotor, wobei der Rotor mehrere von einem Grundkörper zum Stator hin abragende Zahnhälse aufweist, um die eine jeweilige Spule gewickelt ist, wobei sich ein jeweiliger an dem dem Stator zugewandten Ende des jeweiligen Zahnhalses angeordneter Zahnkopf in beide Richtungen in Umfangsrichtung über den jeweiligen Zahnhals hinaus erstreckt, wobei ein erster Abschnitt des jeweiligen Zahnkopfes aus einer feldführenden Komponente gebildet ist.
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Bei einigen elektrischen Maschinen, beispielsweise bei fremderregten Synchronmaschinen, werden rotorseitig statt Permanentmagneten Spulen genutzt, um ein rotorseitiges Magnetfeld vorzugeben. Die Spulen werden hierbei typischerweise an einem jeweiligen Rotorzahn angeordnet, der durch ein Blechpaket oder ein anderes feldführendes Material gebildet wird. Wie beispielsweise in der Druckschrift
DE 10 2014 211 662 A1 für eine Anordnung von Spulen an Statorzähnen beschrieben ist, können auch Rotorzähne einen relativ schmalen Statorhals und an dessen dem Stator zugewandten Ende einen Zahnkopf aufweisen, der in Umfangsrichtung über den Zahnhals hinaus ragt. Ein solcher Zahnkopf kann verhindern, dass die Spulen bzw. einzelne Wicklungen der Spule aus den sie aufnehmenden Nuten heraus rutschen. Dies ist bei einem Anbringen von Spulen an einem Innenläufer eines Rotors besonders relevant, da hierbei anderenfalls die Spulen bzw. deren Windungen durch auftretende Zentrifugalkräfte aus der Nut heraus rutschen können. Zudem kann durch eine entsprechende Formgebung des Statorzahns das durch die am Rotor angeordneten Spulen bereitgestellte Magnetfeld geformt werden.
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In einigen Anwendungsfällen können die beiden genannten Aufgaben durch einen üblichen Zahnkopf nicht optimal erfüllt werden. Werden beispielsweise Wicklungen mit einer Vielzahl von Windungen und einem großen Drahtdurchmesser genutzt, um beispielsweise hohe Feldstärken bereitstellen zu können und dennoch einen geringen Widerstand zu erreichen, kann die resultierende Spule in Umfangsrichtung des Rotors relativ ausgedehnt sein. Um eine optimale Rückhaltung der Wicklungen der Spule zu erreichen, sollte daher ein in Umfangsrichtung des Rotors relativ stark ausgedehnter Zahnkopf verwendet werden. Zugleich ist es für eine optimale Feldverteilung, beispielsweise um einen sinusförmigen Feldstärkenverlauf im Luftspalt zu erreichen, jedoch vorteilhaft, wenn die Breite des Luftspalts zwischen Zahnkopf und Stator schnell steigt, was dazu führen kann, dass eine Nutzung von relativ schmalen Zahnköpfen vorteilhaft sein kann. Insbesondere für elektrische Maschinen, die große Feldstärken bei geringen Verlusten erreichen sollen, ist somit typischerweise eine Abwägung zwischen einer optimalen Abstützung der Spulen und einer optimalen Feldführung durch die Zahnköpfe erforderlich.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Maschine anzugeben, die die obig genannten Einschränkungen überwindet und insbesondere trotz einer robusten Halterung von großbauenden Spulen eine verbesserte Feldführung im Bereich des Luftspalts erreichen kann.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine elektrische Maschine der eingangs genannten Art gelöst, wobei ein zweiter Abschnitt des jeweiligen Zahnkopfes aus einer Stützkomponente gebildet ist, deren magnetische Permeabilität geringer als die magnetische Permeabilität der feldführenden Komponente ist.
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Durch die Nutzung eines Zahnkopfes, der nicht vollständig aus der feldführenden Komponente gebildet ist, sondern abschnittsweise aus der feldführenden Komponente und der Stützkomponente, wird ein zusätzlicher Freiheitsgrad im Auslegungsprozess des Statorzahns eröffnet, der es ermöglicht, auch große Spulen hinreichend abzustützen und gleichzeitig eine verbesserte Feldform im Luftspalt zu erreichen. Im einfachsten Fall kann die Stützkomponente aus einem Material gebildet sein, dessen Permeabilität näherungsweise eins ist und somit näherungsweise der Permeabilität des Luftspalts entspricht. Beispielsweise sind viele Kunststoffe zwar geringfügig diamagnetisch, ihre Permeabilität kann jedoch näherungsweise als eins angenommen werden. In diesem Fall kann der erste Abschnitt so geformt werden, dass die gewünschte Feldführung erreicht wird. Durch den zweiten Abschnitt kann der Zahnkopf insbesondere in Umfangsrichtung verbreitert bzw. in Radialrichtung verstärkt werden, um die gewünschte Stützwirkung zu erreichen, ohne die Feldführung zu beeinflussen. Es ist jedoch auch möglich, die Stützkomponente aus einem stark diamagnetischen Material zu bilden. Wird dieses beispielsweise zwischen dem Stator und dem ersten Abschnitt angeordnet, kann eine Feldverteilung erreicht werden, die einem größeren Luftspalt entspricht als dem Spalt zwischen Stator und erstem Abschnitt.
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Der Zahnhals kann sich in die Radialrichtung der elektrischen Maschine erstrecken. Dies ist insbesondere bei Innen- bzw. Außenläufern zweckmäßig. Auch eine axiale Erstreckung eines Zahnhalses, beispielsweise bei einer Axialflussmaschine, ist möglich. Die Zahnköpfe der Rotorzähne sind vorzugsweise in Umfangsrichtung voneinander beabstandet. Ein jeweiliger Zahnhals und ein daran angeordneter Zahnkopf bilden gemeinsam einen Rotorzahn. Typischerweise werden zwei Rotorzähne mit jeweiliger daran angeordneter Spule genutzt, um einen jeweiligen Pol zu bilden. Je nach Polzahl des Rotors können somit beispielsweise zwei, vier, sechs oder mehr Rotorzähne verwendet werden. Vorzugsweise erstreckt sich der erste Abschnitt in beide Richtungen in Umfangsrichtung, insbesondere symmetrisch, über den jeweiligen Zahnhals hinaus.
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Bei der Bestromung der Spulen soll typischerweise ein im Wesentlichen sinusförmiger Feldverlauf im Luftspalt erreicht werden. Hierbei ist es prinzipiell bekannt, dass ein solcher Feldverlauf realisiert werden kann, wenn für einen jeweiligen Zahnkopf der Luftspalt mit dem Winkel φ zwischen der Mitte des zugeordneten Zahnhalses und der betrachteten Position in Umfangsrichtung proportional zu 1/cos(p*φ) ist, wobei p die Polzahl des Rotors ist. Die ideale Breite des Luftspalts steigt somit für größere Winkel steil an, womit eine näherungsweise ideale Zahnkopfform für Zahnköpfe, die ausschließlich aus feldführendem Material bestehen, nur bei relativ schmalen Zahnköpfen erreicht werden kann. Die zusätzliche Nutzung des aus der Stützkomponente gebildeten zweiten Abschnitt ermöglicht es, in dem entsprechenden Abschnitt statt Luft ein anderes Material mit einer relativ geringer magnetischen Permeabilität zu nutzen, dass jedoch im Gegensatz zur Luft zusätzlich genutzt werden kann, um die Spule zu stützen.
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Die feldführende Komponente kann durch ein Blechpaket gebildet werden und/oder die Stützkomponente kann diamagnetisch sein und/oder aus einem Kunststoff bestehen. Vorzugsweise wird ein Blechpaket genutzt, um den Grundkörper, den Zahnhals und den ersten Abschnitt des Zahnkopfes zu bilden. Statt einem Blechpaket können für den Zahnhals bzw. den ersten Abschnitt auch Materialien mit einer hohen magnetischen Permeabilität von beispielsweise wenigstens 100 genutzt werden. Beispielsweise können stark paramagnetische oder ferromagnetische Materialien genutzt werden. Die magnetische Permeabilität des Stützkörpers kann < 1 sein, womit der Stützkörper diamagnetisch ist. Es ist jedoch auch möglich, geringfügig paramagnetische Materialien, beispielsweise mit einer magnetischen Permeabilität zwischen 1 und 2, beispielsweise Aluminium, als Stützkomponente zu nutzen.
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Die Stützkomponente kann an die feldführende Komponente angespritzt sein. Insbesondere kann der aus der feldführenden Komponente gebildete erste Abschnitt des Zahnkopfes zumindest teilweise, beispielsweise durch Kunststoff, umspritzt werden, um den zweiten Abschnitt des Zahnkopfes auszubilden. Die Bildung des Zahnkopfes aus zwei verschiedenen Komponenten kann somit mit geringem Aufwand realisiert werden.
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Die feldführende Komponente kann an einer dem Stator zugewandten Oberfläche des jeweiligen Zahnkopfes insbesondere im Mittelbereich des Zahnkopfes in Umfangsrichtung bzw. in der Verlängerung des Zahnhalses freiliegen, das heißt nicht von der Stützkomponente bedeckt sein. Dies kann vorteilhaft sein, da in diesem Bereich typischerweise ein minimaler Luftspalt erreicht werden soll. Eine zusätzliche Anordnung von Material mit geringer magnetischer Permeabilität würde in diesem Fall effektiv den Luftspalt vergrößern.
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Die Stützkomponente kann zusätzlich genutzt werden, um die Spule bzw. deren Wicklungen von der feldführenden Komponente elektrisch zu isolieren. Die Stützkomponente kann aus einem Isolator bestehen und sich zumindest entlang der in Umfangsrichtung gelegenen Seitenflächen des jeweiligen Zahnhalses und/oder entlang eines Nutbodens einer jeweiligen zwischen zwei Zahnhälsen gebildete Nut erstrecken. Hierdurch kann beispielsweise erreicht werden, dass ein Einliegen zusätzlicher Isolationsmittel, beispielsweise von Isolationspapier, in die Nuten nicht erforderlich ist. Wird als Stützkomponente Kunststoff genutzt, weist dieser typischerweise gute Isolationseigenschaften auf. Das Anbringen der Stützkomponente an den genannten Bereichen kann insbesondere durch Anspritzen erfolgen.
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Der jeweilige erste Abschnitt kann in Umfangsrichtung zu dem jeweiligen Zahnhals benachbart sein und/oder der jeweilige zweite Abschnitt kann sich bis zu dem Rand des jeweiligen Zahnkopfes in Umfangsrichtung erstrecken. Insbesondere kann der Zahnkopf im Bereich des Zahnhalses vollständig aus der feldführenden Komponente gebildet sein und im Bereich des Randes des Zahnkopfes in Umfangsrichtung vollständig aus der Stützkomponente. Somit kann, wie obig erläutert, erreicht werden, dass der Luftspalt im Bereich des Zahnhalses, das heißt inmitten der Spule, relativ klein ist und durch Nutzung der Stützkomponente statt der feldführenden Komponente in den Außenbereichen sich in diesen rasch vergrößern kann bzw. durch Enden der feldführenden Komponente relativ groß sein kann. In einem Zwischenbereich zwischen dem Rand des Zahnkopfes in Umfangsrichtung und dem Bereich des Zahnhalses kann der Zahnkopf gemeinsam durch die feldführende Komponente und die Stützkomponente gebildet sein. Insbesondere können diese Komponenten in Radialrichtung geschichtet sein, wobei eine Kernschicht durch die feldführende Komponente gebildet sein kann und an der Stator zugewandten Seite und/oder der Stator abgewandten Seite dieser Kernschicht eine Schicht aus der Stützkomponente angeordnet sein kann.
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Hierdurch kann beispielsweise erreicht werden, der Zahnkopf über seine gesamte Breite die Spule robust abstützen kann, wobei der Abstand der feldführenden Komponente von dem Stator und somit der effektive Luftspalt im Wesentlichen frei gewählt werden kann.
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Eine dem Stator zugewandte Oberfläche des jeweiligen Zahnkopfes kann in einem den Bereich des jeweiligen Zahnhalses umfassenden Kernbereich in Umfangsrichtung durch die feldführende Komponente gebildet sein und außerhalb des Kernbereichs durch die Stützkomponente. Hierbei ist es möglich, dass die feldführende Komponente am Rand des Kernbereichs endet. Bevorzugt wird jedoch zunächst, wie obig erläutert, ein geschichteter Aufbau genutzt, bei dem sich die feldführende Komponente über den Kernbereich hinaus erstreckt, jedoch die dem Stator zugewandte Oberfläche durch die Stützkomponente gebildet wird, um den effektiven Luftspalt zu vergrößern. Beispielsweise kann die dem Stator zugewandte Oberfläche des Zahnkopfes somit über eine relativ große Breite einem Zylindermantel folgen, während innerhalb dieser Breite bereits der effektive Luftspalt vergrößert wird.
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Die jeweilige Spule kann in Umfangsrichtung über den ersten Abschnitt des Zahnkopfes, der an dem Zahnhals angeordnet ist, auf den diese Spule aufgebracht ist, hinaus ragen. Alternativ oder ergänzend kann der zweite Abschnitt des Zahnkopfes in Umfangsrichtung über diese Spule hinausragen. Eine relativ große Erstreckung der Spulen in Umfangsrichtung kann sich beispielsweise daraus ergeben, dass die Spule viele Windungen und/oder einen großen Drahtdurchmesser aufweist. In diesem Fall kann durch einen relativ schmalen ersten Abschnitt dennoch eine gute Feldführung erreicht werden, während durch den über die Spule hinaus ragenden zweiten Abschnitt dennoch eine gute Abstützung der Spule möglich ist.
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Neben der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug, das eine erfindungsgemäße elektrische Maschine umfasst. Die elektrische Maschine kann beispielsweise ein Antriebsmotor des Kraftfahrzeugs sein. Sie kann jedoch auch ein Motor eines Aktors, ein Generator oder Ähnliches sein.
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Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den folgenden Ausführungsbeispielen sowie den zugehörigen Zeichnungen. Hierbei zeigen schematisch:
- 1 und 2 geschnittene Detailansichten eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektrischen Maschine, und
- 3 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs.
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1 zeigt eine geschnittene Darstellung einer elektrischen Maschine 1 mit einem Stator 2 und einem Rotor 3. Der Rotor 3 ist über eine Rotorwelle 4 drehbar bezüglich des Stators 2 gelagert. Bei der elektrischen Maschine 1 handelt es sich im gezeigten Ausführungsbeispiel um eine fremdangeregte Synchronmaschine, so dass neben nicht gezeigten Spulen am Stator 2 auch am Rotor 3 Spulen 6 angeordnet sind. Die folgenden Erläuterungen lassen sich jedoch auch auf andere Maschinen 1 übertragen, die am Rotor 3 angeordnete Spulen 6 aufweisen.
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Der Aufbau des Rotors 3 wird im Folgenden detailliert mit Bezug auf 2 diskutiert, die eine geschnittene Detailansicht entlang der Linie II-II in 1 zeigt. Von einem Grundkörper 5 des Stators ragen mehrere Zahnhälse 8 in Richtung des Stators 2, im Beispiel in Radialrichtung, ab, an deren statorseitigen Enden Zahnköpfe 9 angeordnet sind, die sich in beide Richtungen in Umfangsrichtung über den jeweiligen Zahnhals 8 hinaus erstrecken. Hierbei sind der Grundkörper 5, die Zahnhälse 8 sowie jeweilige erste Abschnitte 11 der Zahnköpfe 9 durch eine feldführende Komponente 21, beispielsweise ein Blechpaket, gebildet. Zusätzlich umfasst der Zahnkopf 9 einen zweiten Abschnitt 13, der aus einer Stützkomponente 7 gebildet ist. Die Stützkomponente weist eine deutlich geringere magnetische Permeabilität als die feldführende Komponente 21 auf, beispielsweise eine magnetische Permeabilität von ungefähr 1. Insbesondere kann die feldführende Komponente 21 ein Kunststoff und beispielsweise diamagnetisch sein. Somit kann sich die Stützkomponente 7 bezüglich der Führung des magnetischen Feldes ähnlich verhalten, wie die Luft im Luftspalt 22 zwischen Rotor 3 und Stator 3. Bezüglich der Feldführung kann somit im Wesentlichen ausschließlich die feldführende Komponente 21 relevant sein. Die Oberfläche 23 der feldführenden Komponente 21 kann sich jedoch in einem Zwischenabschnitt 12 bereits vom Stator 2 entfernen und somit den effektiven Luftspalt vergrößern. Im zweiten Abschnitt 13 kann der Zahnkopf 9 beispielsweise ausschließlich durch die Stützkomponente 7 gebildet sein, womit der effektive Luftspalt in diesem Abschnitt 13 erheblich größer ist und sich bis in den Bereich der Spulen 6 erstreckt. Wie bereits eingangs erläutert, ist ein derart rapider Anstieg der Breite des Luftspalts 22 bzw. des effektiven Luftspalts vorteilhaft, um eine Führung des durch die Spulen 6 erzeugten Magnetfelds zu erreichen, aufgrund der ein näherungsweise sinusförmiger Feldstärkenverlauf im Luftspalt 22 resultiert.
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Zugleich wird der Zahnkopf 9 jedoch durch die Stützkomponente 7 in Umfangsrichtung verbreitert und seine Stärke in Radialrichtung wird im Zwischenbereich 12 erhöht. Somit wird durch die Nutzung der zusätzlichen Stützkomponente 7 eine robuste Abstützung der Spulen 6 ermöglicht, obwohl die feldführende Komponente 21 eine deutlich geringere Breite aufweist, was für die Feldführung förderlich ist.
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Die Stützkomponente 7 kann an die feldführende Komponente 21 angespritzt sein, womit eine einfache Herstellung des Rotors 3 ermöglicht wird. Wird als Stützkomponente 7 beispielsweise ein Kunststoff verwendet, kann dieser auch als Isolator wirken, der die Spulen 6 bzw. ihre Wicklungen gegen die feldführende Komponente 21 isolieren kann. Hierzu kann sich die Stützkomponente 7 entlang der in Umfangsrichtung gelegenen Seitenflächen 17 der Zahnhälse 8 und entlang des Nutbodens 18 einer jeweiligen zwischen zwei Zahnhälsen 8 gebildeten Nut 19 erstrecken.
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Wie in 2 zu erkennen ist, ist der erste Abschnitt 11 in Umfangsrichtung zu dem jeweiligen Zahnhals 8 benachbart, während sich der zweite Abschnitt 13 bis zu dem Rand des jeweiligen Zahnkopfes 9 hin erstreckt. Eine dem Stator zugewandte Oberfläche 14 des jeweiligen Zahnkopfes 9 wird in einem den Bereich des jeweiligen Zahnhalses 8 umfassenden Kernbereich 15 durch die feldführende Komponente 21 und außerhalb des Kernbereichs 15, also im Bereich 16, durch die Stützkomponente 7 gebildet. Durch diesen konkreten Aufbau wird, wie obig erläutert, erreicht, dass eine robuste Abstützung der Spulen 6 in Radialrichtung erreicht wird, während zugleich eine optimale Formgebung für die feldführende Komponente 21 zur Feldführung realisiert werden kann.
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Die elektrische Maschine 1 kann beispielsweise als Antriebsmotor eines Kraftfahrzeugs 20 oder auch als anderer Motor oder Generator in dem Kraftfahrzeug 20 genutzt werden, wie beispielhaft in 3 dargestellt ist. Durch die Verbreiterung des Zahnkopfes 9 durch die Stützkomponente 7 können beispielsweise größer bauende Spulen 6 und somit Spulen mit mehr Windungen zur Bereitstellung einer größeren Feldstärke bzw. mit höherem Drahtdurchmesser zur Verringerung des Spulenwiderstands genutzt werden. Dies kann insbesondere bei hohen Maschinenleistungen vorteilhaft sein, wie sie beispielsweise bei einem Antriebsmotor eines Kraftfahrzeugs genutzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014211662 A1 [0002]