CN109038886A - 带有磁通转向的同步机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带有磁通转向的同步机，其具有：转子，其带有由基体材料构成的转子基体、转子轴线以及大量在转子基体上分布的永磁体；和至少部分地包围转子的定子，其带有具有大量定子绕组的定子齿。定子齿在定子的周缘上分布且通过定子槽彼此间隔开。转子具有至少两个换极区域，其构造在周向上相邻的永磁体之间，换极区域分别具有换极轴线，其从转子轴线径向向外延伸。转子基体具有第一磁通转向装置，其从面向定子的第一转向端部在转子轴线的方向上延伸。第一磁通转向装置构造在换极轴线的区段上，第一磁通转向装置在第一转向端部处具有第一宽度且在第一磁通转向装置的在转子的径向方向上中间的区域中具有第二宽度，其中第一宽度小于第二宽度。

Description

带有磁通转向的同步机

技术领域

本发明涉及一种同步机(Synchronmaschine)，带有转子、至少部分地包围转子的定子以及至少一个磁通转向装置(Magnetflussablenkmittel)以用于减小同步机的齿槽力矩(Rastmoment)或转矩波动度(Drehmomentwelligkeit)。这样的同步机尤其构造成用于驱动机动车。

背景技术

在一些机动车、例如混动和电动车辆的情形中，同步机由于其高效率以及其牢固的结构类型经常被应用。同步机具有转子和至少部分地包围转子的定子。定子例如完全地包围一定的转子区段。定子具有大量定子齿，这些定子齿围绕定子的周缘均匀地分布且通过定子槽彼此间隔开。为了生成旋转场，定子槽具有定子绕组。在转子上或中布置有永磁体。

通过以多相电流(eletrischen Drehstrom，有时称为三相电流)加载定子绕组，可生成以同步转速旋转的磁场，借助于该磁场转子可由于磁相互作用置于旋转中。

带有掩埋的永磁体的永磁体激励的同步机通过其在转子内部的转子构造(如例如永磁体以及磁通转向装置(如例如构造在转子中的气袋(Lufttasche))的分布)具有磁各向异性，其除了同步转矩份额以外导致附加的磁阻转矩份额。特别在对称构建的永磁体激励的同步机的情形中(该同步机的转子和定子构造在极或极变换之后重复)，不仅通过定子的均匀的定子槽分布而且通过在转子中的均匀地重复的磁各向异性在空转中发生所谓的齿槽力矩以及在通电状态中发生转矩围绕恒定的转矩的波动，所述波动称为转矩波动度。

为了降低转矩波动度或齿槽力矩，定子可倾斜了例如一个槽距(Nutteilung)。通过定子的开槽引起的齿槽力矩或转矩波动度可因此明显降低。通过转子的磁各向异性引起的齿槽力矩和转矩波动度也可至少略微降低。从文件DE 10 2009 050 991 A1中已知用于车辆的电驱动机，在该电驱动机中永磁体掩埋地布置在转子中。为了使通过转子的磁通(Magnetischen Fluss)转向，在转子中构造有气袋。从文件DE 10 2010 053 364 A1中已知带有永磁体的同步机，在所述永磁体中为了降低齿槽力矩，永磁体的部分区域通过磁通元件叠加。这些已知的实施方式全部具有缺点：齿槽力矩仅降低较小的部分。

发明内容

因此，本发明的任务在于，提供一种同步机，该同步机消除或至少部分地消除现有技术的缺点。尤其地本发明的任务是，创造一种同步机，该同步机以简单的措施进一步降低转矩波动度或齿槽力矩，而不明显地负面地影响原有的转矩-转速性质。

上文的任务通过专利权利要求解决。因此该任务通过根据独立权利要求1的同步机解决。本发明的另外的特征和细节从从属权利要求、说明书和图纸中得出。

根据本发明的同步机具有：转子，该转子带有由基体材料构成的转子基体、转子轴线以及大量在转子基体上分布的永磁体；和至少部分地包围转子的定子，该定子带有具有大量定子绕组的定子齿和定子槽。定子齿在定子的周缘上分布且通过定子槽彼此间隔开。永磁体优选地布置在转子的基体内部。这种布置也称为掩埋的布置。转子具有至少两个换极区域，其构造在周向上相邻的永磁体之间。换极区域分别具有换极轴线，该换极轴线从转子轴线径向向外延伸。转子基体具有第一磁通转向装置，该第一磁通转向装置从面向定子的第一转向端部在转子轴线的方向上延伸。根据本发明，第一磁通转向装置构造在换极轴线的区段上。第一磁通转向装置在第一转向端部处具有第一宽度且在第一磁通转向装置的在转子的径向方向上中间的区域中具有第二宽度，其中第一宽度小于第二宽度。

转子基体的基体材料优选地是铁磁性材料。永磁体布置在转子基体处或作为掩埋的永磁体处布置在转子基体中且在该处优选地形状配合地和/或力配合地固定或粘接。转子构造成用于围绕转子轴线旋转。永磁体如此布置，即使得转子具有至少两个换极区域，在这些换极区域中转子的磁场的极性颠倒。

定子优选地完全地即围绕360°包围转子的转子区段。定子齿优选地指向转子轴线。在定子和转子之间构造有气隙，以便实现转子相对于定子的自由旋转。

第一磁通转向装置构造成，使磁通转向。为此，第一磁通转向装置布置在转子的换极区域的换极轴线上且沿换极轴线至少在部分段上在转子轴线的方向上延伸。由此，磁通转向装置布置在两个永磁体之间。优选地，磁通转向装置构造成相对于换极轴线径向对称。此外，第一磁通转向装置在其在径向方向上的延伸上具有不同的宽度。磁通转向装置的背离转子轴线或面向定子的第一转向端部具有相比于构造在第一转向端部和转子轴线之间的中间区域的第二宽度更小的第一宽度。第一磁通转向装置由此如此构造，即使得面向换极区域的中部的定子齿的在q轴上伸延的磁通划分成两个磁通部分，其中第一磁通部分在第一磁通转向装置的第一侧处转向经过且第二磁通部分在第一磁通转向装置的与第一侧不同的第二侧处转向经过。

根据本发明的同步机相对于传统的同步机具有优点：通过永磁体生成的磁通由于第一磁通转向装置在换极轴线的区域中穿流转子的较大的区域。由此，在极宽度的区域中或在两个换极轴线之间整个气隙由永磁体的磁通穿过。沿换极轴线的这样的区域取消，即该区域在根据现有技术的实施方案中不由永磁体的磁通穿过，而是仅由在定子中生成的在Q轴上的旋转场穿过。以该方式，同步机的转矩波动度相对于传统的同步机可显著降低。通过经由转子结构降低的转矩波动度可例如节省定子的倾斜，由此定子的成本下降。但是也可进一步降低已经在定子方面倾斜的同步机的转矩波动度。

根据本发明的一种优选的改进方案，在同步机中可设置成，第一磁通转向装置构造为在转子基体中构造的气袋。气袋是构造在基体中的空腔。气袋构造在换极轴线上。根据本发明可设置成，气袋完全或至少部分地填充有转向材料、尤其发泡的转向材料。可附加地或备选地设置成，气袋的壁部完全或至少部分地施敷有由层材料构成的层。层材料优选地与基体材料不同。气袋可以简单的措施以及成本适宜地制造。此外，气袋促使转子和由此同步机的总重量的降低。

优选地，定子齿的面向转子的端部区域具有第三宽度，其中第三宽度大于第一磁通转向装置的第一转向端部的第一宽度。该端部区域也称为齿头。这具有优点：定子齿的磁通可更好地侧向上在第一磁通转向装置处转向经过且不或仅最多部分地由第一磁通转向装置遮蔽。转矩波动度由此可进一步降低。

优选地，第一磁通转向装置从第一转向端部朝向中间区域连续扩宽。连续的扩宽在本发明的范围中理解成不跃变式进行的扩宽。优选地，扩宽曲线形地或线性地或部分区段地曲线形地且部分区段地线性地进行。此外可设置成，第一磁通装置从中间区域朝向指向转子轴线的第二转向端部又逐渐变细，优选地连续逐渐变细。第一磁通转向装置优选地具有楔形的、菱形的或类似的横截面。通过第一磁通转向装置的连续的扩宽，可以简单的措施以及成本适宜地实现磁通的特别有利的转向。备选地，第一磁通转向装置也可具有恒定的宽度。

进一步优选地，第一磁通转向装置具有第一面和第二面，其中第一面与相邻的第一永磁体的第一磁面相对而置地布置且第二面与相邻的第二永磁体的第二磁面相对而置地布置。第一面的大小完全地或至少基本上相应于第一磁面的大小且第二面的大小完全地或至少基本上相应于第二磁面的大小。以该方式，永磁体的面向换极区域的端侧可通过第一磁通转向装置覆盖。在第一磁通转向装置和相邻的永磁体之间的间距可任意实施，然而应保持尽可能小，从而降低了漏磁通。在此零以上的间距(尤其朝向气隙“敞开的”实施方案)是可能的。以该方式避免了，永磁体的磁通已经在转子内部作为漏磁通闭合。

优选的是，转子在周向上具有靠近第一磁通转向装置布置的第二磁通转向装置，其中在第一磁通转向装置和第二磁通转向装置之间构造有间距，其中间距为定子齿的第三宽度的0.1至3倍、尤其1.2至1.5倍。间距在周向上构造。优选地，间距至少如此构造在转子的与定子相邻的区域中。这样的间距具有优点：定子齿可布置成与由基底材料构成的基体的这样的区域相对，即该区域具有相比于定子齿显著更大的宽度且由此允许在大宽度上的磁通。优选地，间距如此构造，即使得磁通可在两个或更多个相邻的定子齿的q轴上同时流动穿过基体的该区域。以该方式，可明显地减低转矩波动度。由此避免了，在定子中的由齿和槽组成的结构、因此具有高磁导率(如在齿中的铁)的区域和具有低磁导率(在槽缝口中的空气或槽楔或具有低的磁导率的其他材料)的区域的连续的变换以相同的形式/以在转子中的相同的间距、因此具有高磁导率的转子基础材料和具有低磁导率的磁通转向装置的连续的变换成镜像地在换极轴线或q轴的区域中重复。

优选地，转子的永磁体在第一磁体排中并排布置，其中相邻的永磁体在换极区域中相比在其余的区域中彼此具有更大的间距。布置在磁体排中的永磁体根据本发明理解成，永磁体并排布置在对称曲线或直线上。优选地，第一磁体排的永磁体相对转子轴线至少近似具有相同的间距。在第一磁体排中的永磁体与第一磁通转向装置一起布置具有优点：磁通可在q轴上沿磁体排引导通过转子。同时，通过第一磁体排结合第一磁通转向装置，在两个换极轴线之间的整个转子周缘由永磁体的磁通穿过。由此，有利于产生更合适的气隙场。

进一步优选地，转子的永磁体还布置在第二磁体排中，其中第一磁体排布置在第二磁体排和转子轴线之间。因此，永磁体布置在两个不同的磁体排中。第一磁通转向装置如此布置以及构造，即在q轴上在第一对定子齿之间伸延的第一磁通和在q轴上在至少一个相邻的第二对定子齿之间伸延的第二磁通在第一磁体排和第二磁体排之间引导穿过。在q轴上的磁通从一个定子齿延伸至远离该定子齿的定子齿。这些定子齿称为定子齿对。第一对定子齿的定子齿分别邻近第二对定子齿的定子齿。优选地，第一对定子齿由第二对定子齿在周向上围住。在传统的实施方式中，第一磁通在第一磁体排和第二磁体排之间引导以及第二磁通在第一磁体排和转子轴线之间引导。由此，根据本发明的同步机相对于传统的同步机具有优点：永磁体的磁通穿过换极区域的更大的面。换极区域以该方式更均匀地由永磁体的磁通穿过。由此，可能/取决于机器产生合适的气隙场。同时，由定子产生的旋转场在q轴上如此引导，即使得可进一步降低转速波动度。

此外根据本发明可设置成，转子的永磁体还布置在第三或另外的磁体排中，其中第二磁体排布置在第三磁体排和第一磁体排之间。在q轴上在至少一个第三对定子齿之间伸延的磁通在第三磁体排和第二磁体排之间引导穿过。根据本发明的同步机相对于传统的同步机具有优点：永磁体的磁通几乎完全在转子周缘处在气隙的方向上穿过在两个换极轴线之间的区域。由此，可首先产生/引起更合适的气隙场且进一步降低转速波动度。

优选地，定子的定子齿倾斜于转子轴线布置。转子轴线平行于定子纵向方向，由此定子齿倾斜于定子纵向方向布置。优选地，定子齿的倾斜相应于在定子槽的情况下定子齿在定子上的分布的间隔距离(Teilung)。定子槽的倾斜的布置具有有利的效果，特别地通过定子齿和槽缝口的变换引起的转矩波动度由此降低。

转矩波动度可通过所描述的实施方案在同步机的转矩-转速窗口内的所有运行点中降低。

附图说明

随后根据图纸更详细地阐释从现有技术已知的同步机以及根据本发明的同步机的两个优选的实施例。分别示意性地：

图1示出了根据现有技术的同步机的第一实施方式的片段，

图2示出了根据现有技术的同步机的第二实施方式的片段，

图3示出了根据本发明的同步机的第一实施方式的片段，

图4示出了根据本发明的同步机的第二实施方式的片段，且

图5示出了用于将根据本发明的同步机的转矩波动度与传统的同步机进行比较的线图。

带有相同的功能和作用原理的元件在图1至5中分别设有相同的参考符号。

参考符号列表

1 同步机

2 转子

3 转子基体

4 转子轴线

5 永磁体

5a 第一永磁体

5b 第二永磁体

6 定子

7 定子齿

8 定子槽

9 换极区域

10 换极轴线

11 第一磁通转向装置

12 第一转向端部

13 中间区域

14 端部区域

15 第一面

16 第二面

17 第一磁面

18 第二磁面

19 第二磁通转向装置

20 第三磁通转向装置

A 间距

B1 第一宽度

B2 第二宽度

B3 第三宽度

M1 第一磁通

M2 第二磁通

M3 第三磁通

Q 在Q轴上的磁通

R1 第一磁体排

R2 第二磁体排

R3 第三磁体排

U 周向。

具体实施方式

在图1中示意性地描绘了根据现有技术的同步机1的第一实施方式的片段。同步机1具有转子2，该转子带有由尤其铁磁性的基体材料构成的围绕转子轴线4构造的转子基体3。转子2由同步机1的定子6包围。定子6具有大量带有定子绕组的定子齿7，其在定子6的周缘上分布。相邻的定子齿7分别通过定子槽8彼此间隔开。转子2具有大量永磁体5，这些永磁体在周向U上彼此间隔开地布置在第一磁体排R1和第二磁体排R2中。转子2具有多个带有换极轴线10的换极区域9。换极区域9构造在这样的相邻的永磁体5之间，即所述相邻的永磁体相比于其他的相邻的永磁体5彼此具有更大的间距。换极轴线10在转子2的径向方向上延伸。在换极区域9中，转子2具有两个第一磁通转向装置11，其相对于换极轴线10镜像对称地布置以及与该换极轴线间隔开。第一磁通转向装置11的第一转向端部12远离转子轴线4指向相邻的定子6。第一磁通转向装置11基本上平行于换极轴线10延伸且在其延伸的大部分上具有恒定的宽度。在第二磁体排R2处布置有第二磁通转向装置19。

在Q轴上的磁通份额Q分别在定子齿7对之间伸延。在第一对定子齿7之间构造有第一磁通M1。在第二对定子齿7之间构造有第二磁通M2。通过第一磁通转向装置11和第二磁通转向装置19，第一磁通M1在转子轴线4和第一磁体排R1之间被导引且第二磁通M2在第一磁体排R1和第二磁体排R2之间被导引。根据现有技术的第一实施方式具有缺点：可高导磁的材料和磁导率接近1的材料的走向在换极区域中在周向上以同样的方式在定子和转子中交替，类似镜像。

根据现有技术的同步机1的在图2中呈现的第二实施方式基本上相应于根据现有技术的同步机1的在图1中示出的第一实施方式，其中在第二实施方式中永磁体5还布置在第三磁体排R3中。在第三磁体排R3处布置有第三磁通转向装置20。第三磁通M3在第二磁体排R2和第三磁体排R3之间被导引。根据现有技术的第二实施方式具有缺点：可高导磁的材料和磁导率接近1的材料的走向在换极区域中在周向上以同样的方式在定子和转子中交替，类似镜像。

在图3中示意性地描绘了同步机1的根据本发明的第一实施方式的片段。同步机1具有转子2，该转子带有由尤其铁磁性的基体材料构成的围绕转子轴线4构造的转子基体3。转子2由同步机1的定子6包围。定子6具有大量带有定子绕组的定子齿7，其在定子6的周缘上分布。相邻的定子齿7分别通过定子槽8彼此间隔开。转子2具有大量永磁体5，这些永磁体在周向U上彼此间隔开地布置在第一磁体排R1和第二磁体排R2中。在第一磁体排R1和第二磁体排R2之间构造的通道具有相比于在根据现有技术的大小相同的同步机中更大的宽度，以便改善通过该通道的磁通。转子2具有多个带有换极轴线10的换极区域9。换极区域9构造在这样的相邻的永磁体5之间，即所述相邻的永磁体相比于其他的相邻的永磁体5彼此具有更大的间距。换极轴线10在转子2的径向方向上延伸。在换极区域9中，转子2具有第一磁通转向装置11，该第一磁通转向装置相对于换极轴线10镜像对称地以及沿着该换极轴线延伸。第一磁通转向装置11的第一转向端部12远离转子轴线4指向相邻的定子6。第一转向端部12具有第一宽度B1，其小于磁通转向装置11的中间区域13的第二宽度B2。由中间区域13朝向转子轴线4，第一磁通转向装置11的宽度又减小。由此，第一磁通转向装置11近似具有带有弄平的端部的变形的菱形形状。第一磁通转向装置11的第一面15与第一磁体排R1的第一永磁体5a的大小近似相同的第一磁面17相对而置地布置。第一磁通转向装置11的第二面16与第一磁体排R1的第二永磁体5b的大小近似相同的第二磁面18相对而置地布置。在第二磁体排R2处布置有第二磁通转向装置19。在第一磁通转向装置11的第一转向端部12和第二磁通转向装置19之间构造有间距A。定子齿7的面向转子2的端部区域14具有第三宽度B3，其中间距A近似为第三宽度B3的0.1至3倍、优选地1.3倍。

在Q轴上的磁通Q分别在定子齿7对之间伸延。在第一对定子齿7之间构造有第一磁通M1。在第二对定子齿7之间构造有第二磁通M2。通过第一磁通转向装置11和第二磁通转向装置19，第一磁通M1和第二磁通M2在第一磁体排R1和第二磁体排R2之间被导引。该根据本发明的第一实施方式相对于现有技术具有优点：在Q轴上的磁通Q更均匀地穿透换极区域9且由此降低转矩波动度。

同步机1的在图4中呈现的根据本发明的第二实施方式基本上相应于同步机1的在图3中示出的根据本发明的第一实施方式，其中在第二实施方式中永磁体5还布置在第三磁体排R3中。在第三磁体排R3处布置有第三磁通转向装置20。第三磁通M3在第二磁体排R2和第三磁体排R3之间被导引。该根据本发明的第二实施方式相对于现有技术具有优点：在Q轴上的磁通Q更均匀地穿透换极区域9且由此降低转矩波动度。

在图5中以线图在0°至360°的电角度上呈现了根据现有技术的同步机1的转矩波动度以及根据本发明的同步机1的转矩波动度。根据现有技术的同步机1的转矩波动度作为虚线呈现且根据本发明的同步机1的转矩波动度作为实线呈现。从该线图中可容易得知，不仅在定子倾斜的而且在定子不倾斜的情形中根据现有技术的同步机1的转矩波动度的最大偏差大约为根据本发明的同步机1的转矩波动度的最大偏差的两倍。由此，根据本发明的同步机1相比于传统的同步机具有明显降低的转矩波动度。这在整个转矩-转速区域中适用，其中在图5中最大转矩在基础转速区域中(在没有场削弱的情况下)呈现。同步机的转矩和转速特性以及电磁特性在此与根据现有技术的实施方案相当。

Claims (10)

1.一种同步机(1)，具有：转子(2)，该转子带有由基体材料构成的转子基体(3)、转子轴线(4)以及大量在所述转子基体(3)上分布的永磁体(5)；和至少部分地包围所述转子(2)的定子(6)，该定子带有具有大量定子绕组的定子齿(7)以及定子槽(8)，其中所述定子齿(7)在所述定子(6)的周缘上分布且通过所述定子槽(8)彼此间隔开，其中所述转子(2)具有至少两个换极区域(9)，所述换极区域构造在在周向(U)上相邻的永磁体(5)之间，其中所述换极区域(9)分别具有换极轴线(10)，该换极轴线从所述转子轴线(4)径向向外延伸，其中所述转子基体(3)具有第一磁通转向装置(11)，该第一磁通转向装置从面向所述定子(6)的第一转向端部(12)在所述转子轴线(4)的方向上延伸，

其特征在于，

所述第一磁通转向装置(11)构造在所述换极轴线(10)的区段上，其中所述第一磁通转向装置(11)在所述第一转向端部(12)处具有第一宽度(B1)且在所述第一磁通转向装置(11)的在所述转子(2)的径向方向上中间的区域(13)中具有第二宽度(B2)，其中所述第一宽度(B1)小于所述第二宽度(B2)。

2.根据权利要求1所述的同步机(1)，其特征在于，所述第一磁通转向装置(11)构造为在所述转子基体(3)中构造的气袋。

3.根据权利要求1或2所述的同步机(1)，其特征在于，所述定子齿(7)的面向所述转子(2)的端部区域(14)具有第三宽度(B3)，其中所述第三宽度(B3)大于所述第一磁通转向装置(11)的第一转向端部(12)的第一宽度(B1)。

4.根据前述权利要求中任一项所述的同步机(1)，其特征在于，所述第一磁通转向装置(11)从所述第一转向端部(12)朝向所述中间区域(13)连续扩宽。

5.根据前述权利要求中任一项所述的同步机(1)，其特征在于，所述第一磁通转向装置(11)具有第一面(15)和第二面(16)，其中所述第一面(15)与相邻的第一永磁体(5a)的第一磁面(17)相对而置地布置，且所述第二面(16)与相邻的第二永磁体(5b)的第二磁面(18)相对而置地布置，其中所述第一面(15)的大小与所述第一磁面(17)相应或至少基本上相应，且所述第二面(16)的大小与所述第二磁面(18)相应或至少基本上相应。

6.根据前述权利要求中任一项所述的同步机(1)，其特征在于，所述转子(2)在周向(U)上具有靠近所述第一磁通转向装置(11)布置的第二磁通转向装置(19)，其中在所述第一磁通装置(11)和所述第二磁通装置(19)之间构造有间距(A)，其中所述间距(A)为所述定子齿(7)的第三宽度(B3)的0.1至3倍、尤其1.2至1.5倍。

7.根据前述权利要求中任一项所述的同步机(1)，其特征在于，所述转子(2)的永磁体(5)在第一磁体排(R1)中并排布置，其中相邻的永磁体(5)在换极区域(9)中相比于在其余的区域中彼此具有更大的间距。

8.根据权利要求7所述的同步机(1)，其特征在于，所述转子(2)的永磁体(5)还布置在第二磁体排(R2)中，其中所述第一磁体排(R1)布置在所述第二磁体排(R2)和所述转子轴线(4)之间，其中所述第一磁通转向装置(11)如此布置以及构造，即使得在q轴上在第一对定子齿(7)之间伸延的第一磁通(M1)和在q轴上在至少一个相邻的第二对定子齿(7)之间伸延的第二磁通(M2)在所述第一磁体排(R1)和所述第二磁体排(R2)之间穿过引导。

9.根据权利要求8所述的同步机(1)，其特征在于，所述转子(2)的永磁体(5)还布置在第三磁体排(R3)中，其中所述第二磁体排(R2)布置在所述第三磁体排(R3)和所述第一磁体排(R1)之间，其中在所述q轴上在至少一个第三对定子齿(7)之间伸延的磁通在所述第三磁体排(R3)和所述第二磁体排(R2)之间穿过引导。

10.根据前述权利要求中任一项所述的同步机(1)，其特征在于，所述定子(6)的定子齿(7)倾斜于所述转子轴线(4)布置。