DE102004045939B4

DE102004045939B4 - Permanenterregte Synchronmaschine mit Unterdrückungsmitteln zur Verbesserung der Drehmomentwelligkeit

Info

Publication number: DE102004045939B4
Application number: DE102004045939A
Authority: DE
Inventors: Matthias Braun; Holger Schunk; Rolf Vollmer
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2004-09-22
Filing date: 2004-09-22
Publication date: 2010-10-07
Anticipated expiration: 2024-09-23
Also published as: CN101061620B; US20090184602A1; US20100264770A1; JP2008514174A; CN101061620A; DE102004045939A1; WO2006032635A1; JP4762243B2

Abstract

Permanenterregte Synchronmaschine mit einem mit Nuten (5) versehenen Ständer (2) und mit einem mit Permanentmagneten (20–29), die magnetische Pole (30) bilden, versehenen Läufer (31), wobei
a) erste Unterdrückungsmittel in Form einer Polbedeckung (x), die bezogen auf eine Polteilung (τ_p) der Permanentmagnete (20–29) kleiner als eins ist,
b) zweite Unterdrückungsmittel in Form einer ersten Staffelung der Permanentmagnete (20–29) eines Pols (30) mit einem ersten Staffelwinkel (α_St1), und
c) dritte Unterdrückungsmittel in Form einer zweiten Staffelung der Permanentmagnete (20–29) eines Pols (30) mit einem zweiten Staffelwinkel (α_St2), so dass eine Doppelstaffelung vorliegt,
vorgesehen sind, wobei
d) der erste Staffelwinkel α_St1 einen Wert gemäß:

annimmt, wobei mit i eine beliebige natürliche Zahl größer als null, mit k eine Ordnungszahl einer zu unterdrückenden Oberwelle im Drehmoment der Synchronmaschine und mit p eine Polpaarzahl bezeichnet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine permanenterregte Synchronmaschine mit einem mit Nuten versehenen Ständer und mit einem mit Permanentmagneten, die magnetische Pole bilden, versehenen Läufer.
Eine derartige permanenterregte Synchronmaschine weist im Betrieb oftmals eine gewisse Drehmomentwelligkeit auf. Zur Reduzierung dieser Drehmomentwelligkeit sind verschiedene Unterdrückungsmittel bekannt. So wird in der DE 100 41 329 A1 beschrieben, dass eine Polbedeckung der Oberfläche des Läufers mit Permanentmagneten von 70 bis 80% zu einem verbesserten Oberfeldverhalten führt. Außerdem ist der DE 199 61 760 A1 zu entnehmen, dass spezielle Wicklungsfaktoren eines in den Nuten angeordneten Wicklungssystems und eine Schrägung der Nuten zu einer Reduzierung der Drehmomentwelligkeit führen. Trotz dieser bekannten Maßnahmen ist die Drehmomentwelligkeit immer noch vorhanden, insbesondere dann, wenn gleichzeitig die Forderung nach einer möglichst kostengünstigen Herstellung der permanenterregte Synchronmaschine besteht.
In dem Fachaufsatz von M. S. Islam et al.: ”Issues in reducing the cogging torque of mass-produced permanent magnet brushless DC motor”, Conference Record of the Industry Applications Conference, 2003, 38th IAS Annual Meeting Volume 1, 12–16 Oct. 2003, Pages 393–400, werden verschiedene Alternativmaßnahmen zur Unterdrückung des Nutrastens beschrieben. In der DE 101 47 310 A1 sind zur Unterdrückung von Oberwellen einer permanenterregten Synchronmaschine eine Schrägung des Ständers und/oder des Rotors um eine Nutteilung oder einen bestimmten Betrag dieser genannt. Es wird außerdem eine Ausführungsform der Permanentmagnete mit einer Feinschrägung und einer gegeneinander versetzten Anordnung beschrieben. Diese Maßnahmen dienen ausschließlich zur Unterdrückung von durch Nutrasten hervorgerufenen Reluktanzmomenten. Mit der WO 02/089 301 A1 wird eine als Generator ausgeführte permanenterregte Synchronmaschine offenbart, bei der am Ständer eine Schrägung und eine Staffelung vorgesehen ist, wobei diese Maßnahmen nicht in Bezug zu einer beabsichtigten Reduzierung einer Drehmomentwelligkeit beschrieben werden. In dem Fachaufsatz von B. Nogarede et al.: „Torque ripple minimisation methods in sinusoidal fed synchronous permanent machines”, Fifth International Conference an Electrical Machines and Drives, 11–13 Sep 1991, Pages 41–45 (Conf. Publ. No. 341), sind Angaben zu speziellen Polbedeckungen gemacht, um eine Verbesserung der Drehmomentwelligkeit zu erreichen.
In der DE 103 48 401 A1 ist eine permanenterregte Synchronmaschine mit einem mit Nuten versehenen Ständer und mit einem mit Permanentmagneten, die magnetische Pole bilden, versehenen Läufer beschrieben. Die Pole des Läufers haben eine Polteilung der Permanentmagnete von kleiner als eins. Außerdem sind die Einzel-Permanentmagnete der Pole bei zwei Ausführungsbeispielen mit einer Doppelstaffelung auf dem Läufer angeordnet.
In der US 6 384 503 B1 wird ein elektrischer Motor beschrieben, der einen mit einem einzigen Permanentmagneten versehenen Rotor aufweist. Der einzige Permanentmagnet hat Teilbereiche mit unterschiedlicher Magnetisierung. Diese Teilbereiche haben bei einem Ausführungsbeispiel jeweils drei parallelogrammförmige Unterabschnitte.
Die Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, eine permanenterregte Synchronmaschine der eingangs bezeichneten Art anzugeben, die ein weiter verbessertes Drehmomentverhalten mit möglichst niedriger Welligkeit aufweist.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche 1 und 5.
Es wurde erkannt, dass die Drehmomentwelligkeit auf verschiedene Ursachen zurückzuführen ist. Ein erster Anteil hat seine Ursache in Reluktanzkräften zwischen den Permanentmagneten des Läufers und Zähnen, die zwischen den Nuten vorhanden sind. Dieser Anteil ruft ein Nutrasten hervor und führt zu Pendeldrehmomenten. Wechselwirkungen von Läufer- und Ständer-Magnetfeldwellen sind weitere Ursachen für die Drehmomentwelligkeit. Diesbezüglich sind besonders die fünfte und die siebte Oberwelle zur Nutzwelle des im Luftspalt zwischen dem Läufer und dem Ständer vorhandenen Luftspaltfelds von Bedeutung. Insgesamt lassen sich mit dem Nutrasten, der fünften und der siebten Oberwelle im Luftspaltfeld also drei Hauptquellen für die Drehmomentwelligkeit lokalisieren. Erfindungsgemäß sind zur möglichst effizienten Reduzierung jeder der genannten drei Hauptursachen gesonderte Unterdrückungsmittel vorgesehen. Die Unterdrückungsmittel können dann ganz gezielt auf die jeweils maßgebliche Ursache der Drehmomentwelligkeit abgestimmt werden. Dadurch lässt sich eine erheblich verbesserte Unterdrückung der Drehmomentwelligkeit erzielen.
Bei der Doppelstaffelung gemäß Anspruch 1 mit einem ersten und einem zweiten Staffelwinkel sind die zweiten Unterdrückungsmittel als erste Staffelung der Permanentmagnete eines Pols und die dritten Unterdrückungsmittel als zweite Staffelung der Permanentmagnete eines Pols ausgebildet. Beide Staffelungen lassen sich mittels einer entsprechend der jeweiligen Staffelwinkel versetzten Anordnung der Permanentmagnete herstellen. Der für die Doppelstaffelung erforderliche Fertigungsaufwand ist nicht wesentlich größer als für eine Einfachstaffelung. Trotzdem erhält man mittels der Doppelstaffelung eine wirksame Unterdrückung von zwei Hauptquellen der Drehmomentwelligkeit, beispielsweise des Nutrastens und einer der beiden genannten besonders störenden Oberwellen. Eine Doppelstaffelung lässt sich außerdem ausschließlich durch Eingriffe am Läufer realisieren, sodass für den Ständer kein zusätzlicher Fertigungsaufwand anfällt.
Bei der Doppelschrägung gemäß Anspruch 5 mit einem ersten und einem zweiten Schrägungswinkel, bei der die zweiten Unterdrückungsmittel als erste Schrägung und die dritten Unterdrückungsmittel als zweite Schrägung ausgebildet sind, ergeben sich ähnliche Vorteile wie bei der Doppelstaffelung.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen permanenterregten Synchronmaschine ergeben sich aus den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
Weiterhin kann es bei einer Doppelstaffelung vorgesehen sein, dass die Permanentmagnete eines Pols unabhängig von ihrer jeweiligen Zugehörigkeit zur ersten oder zweiten Staffelung in axialer Richtung mit bezogen auf den ersten Permanentmagnet dieses Pols zunehmendem Umfangswinkelversatz angeordnet sind. Dadurch ergeben sich sehr niedrige Streufelder. Außerdem lassen sich dann die Permanentmagnete leichter anordnen, da ein Ineinandergreifen der Permanentmagnet-Anordnungen benachbarter Pole bei einer solchen Sortierung praktisch nicht vorkommt.
Eine Polbedeckung von 4/5, also von 80%, dient insbesondere zur Unterdrückung der fünften Oberwelle zur Nutzwelle des Luftspaltfeldes. Entsprechend lässt sich mit einer Polbedeckung von 6/7, also von etwa 85,7%, die siebte Oberwelle unterbinden.
Vorteilhafterweise enthält ein in den Nuten angeordnetes Wicklungssystem als wesentliche Komponenten Zahnspulen. Letztere sind insbesondere hinsichtlich ihrer Herstellungskosten und ihrer geringen Induktivität von Vorteil.
Die permanenterregte Synchronmaschine kann einen Innen- oder auch einen Außenläufer enthalten. Die Maßnahmen zur Unterdrückung der Drehmomentwelligkeit können in beiden Ausgestaltungen mit Vorteil zum Einsatz kommen.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigt:
1 ein Ausführungsbeispiel einer permanenterregten Synchronmaschine mit Unterdrückungsmitteln in Querschnittsdarstellung,
2 eine abgerollte Oberfläche zweier Ausführungsbeispiele eines Läufers mit Schrägung oder Staffelung der Permanentmagnete,
3 eine abgerollte Oberfläche eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Läufers mit Doppelstaffelung der Permanentmagnete,
4 eine abgerollte Oberfläche eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Läufers mit Doppelstaffelung der Permanentmagnete,
5 den Läufer mit Doppelstaffelung gemäß 4 in Seitenansicht,
6 eine abgerollte Oberfläche eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Läufers mit Schrägung und Staffelung der Permanentmagnete,
7 eine abgerollte Oberfläche eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Läufers mit Pfeilschrägung und Staffelung der Permanentmagnete und
8 eine abgerollte Oberfläche eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Läufers mit Doppelschrägung der Permanentmagnete.
Einander entsprechende Teile sind in den 1 bis 8 mit denselben Bezugszeichen versehen.
In 1 ist eine als Motor ausgebildete permanenterregte Synchronmaschine 1 in Querschnittsdarstellung gezeigt. Sie enthält einen Ständer 2 sowie einen Läufer 3, der um eine Drehachse 4 drehbar gelagert ist. Der Läufer 3 ist ein Innenläufer. Der Ständer 2 enthält an seiner dem Läufer 3 zugewandten inneren Wandung mehrere, im Ausführungsbeispiel von 1 insgesamt zwölf, gleichmäßig über den Umfang verteilte Nuten 5, zwischen denen jeweils Zähne 6 gebildet sind. Ein außen umlaufendes Joch 7 verbindet die Zähne 6 miteinander. In den Nuten 5 sind Zahnspulen 8 angeordnet, die jeweils einen Zahn 6 umschließen. Der Läufer 3 ist mit Permanentmagneten 9 versehen, die so angeordnet sind, dass sich insgesamt acht gleichmäßig über den Umfang verteilte Magnetpole 10 ergeben. Einem Magnetpol 10 ist dabei eine Polteilung τ_P, die durch einen Winkelbereich eines Umfangswinkels α gebildet ist, zugewiesen. Die Permanentmagnete 9 erstrecken sich in Umfangsrichtung nicht über den gesamten Winkelbereich der Polteilung τ_P, sondern nur über einen Teil x·τ_P. Die Größe x bezeichnet dabei eine Polbedeckung. Sie hat einen Wert < 1.
Zur Unterdrückung einer Drehmomentwelligkeit während des Betriebs weist die permanenterregte Synchronmaschine 1 verschiedene Unterdrückungsmittel auf. Für die Ausbildung der störenden Drehmomentwelligkeit sind hauptsächlich drei Aspekte verantwortlich.
Zum einen verursachen Reluktanzkräfte zwischen den Permanentmagneten 9 und den Zähnen 6 ein Nutrasten mit einer Rastpolpaarzahl p_R, die sich gemäß: pR = kgV(n, 2·p)errechnet. Hierbei steht kgV für das kleinste gemeinsame Vielfache, n für eine Nutanzahl der Nuten 5 und p für eine Polpaarzahl der Magnetpole 10. Die Variable p kann auch die Nutzpolpaarzahl eines sich in einem Luftspalt 11, der zwischen dem Ständer 2 und dem Läufer 3 vorhanden ist, einstellenden Magnetfelds bezeichnen. Sie gibt dann den dominanten Anteil des Luftspaltfelds, also die Nutzwelle, wieder. Im Ausführungsbeispiel mit insgesamt acht Magnetpolen 10, also einer Polpaarzahl p = 4, und einer Nutanzahl n = 12 ergibt sich eine Rastpolpaarzahl p_R von 24. Die permanenterregte Synchronmaschine 1 rastet also mit der doppelten Nutanzahl n. Zusätzlich zu diesem Grundrasten kann sich bei jedem beliebigen Vielfachen der Rastpolpaarzahl p_R ein Rasten höherer Ordnung einstellen.
Die beiden weiteren Hauptursachen für die Drehmomentwelligkeit liegen in Wechselwirkungen von Läufer- und Ständer-Magnetfeldwellen im Luftspalt 11 begründet. Besonders störend sind dabei die fünften und die siebten Oberwellen zur Nutzwelle des sich im Luftspalt 11 ausbildenden magnetischen Luftspaltfeldes.
Sowohl das Nutrasten als auch die fünfte und die siebte Oberwelle des Luftspaltfeldes sind zu unterdrücken, um eine möglichst niedrige Drehmomentwelligkeit zu gewährleisten. Die permanenterregte Synchronmaschine 1 umfasst gegen jede dieser drei Störungsquellen gesonderte und speziell ausgelegte Unterdrückungsmittel. So verlaufen die Nuten 5 nicht exakt parallel zur Drehachse 4, sondern weisen einen ersten Schrägungswinkel α_Sch1 auf, der einen Umfangswinkelversatz wiedergibt. Er berechnet sich gemäß:
wobei mit i eine beliebige natürliche Zahl und mit k eine Ordnungszahl der zu unterdrückenden Oberwelle bezeichnet ist. Im Ausführungsbeispiel wird die siebte Oberwelle unterdrückt, also nimmt k den Wert 7 an. Mit i = 1 und p = 4 ergibt sich der erste Schrägungswinkel α_Sch1 zu 12,86°.
Die beiden weiteren Unterdrückungsmittel betreffen am Läufer 3 vorgesehene Maßnahmen. Als zweite Maßnahme ist zur Unterdrückung der fünften Oberwelle ist für die Polbedeckung x ein Wert von 4/5 vorgesehen. Grundsätzlich können die erste und die zweite Maßnahme hinsichtlich der zu unterdrückenden Oberwelle auch vertauscht vorgesehen sein.
Als dritte Maßnahme sind außerdem zur Unterbindung des Nutrastens die Permanentmagnete 9 unter Berücksichtigung eines zweiten Schrägungswinkels α_Sch2 oder eines zweiten Staffelwinkels α_St2 auf dem Läufer 3 angeordnet. Der zweite Schrägungswinkel α_Sch2 berechnet sich gemäß:
und der zweite Staffelwinkel α_St2 gemäß:
wobei mit m eine Magnetanzahl der Permanentmagnete 9, die innerhalb eines Magnetpols 10 gestaffelt sind, bezeichnet ist.
Die dritte Maßnahme der Schrägung bzw. Staffelung der Permanentmagnete ist in 2 näher dargestellt. Gezeigt ist ein Ausschnitt einer abgerollten Oberfläche des Läufers 3. Die Darstellung gibt im Wesentlichen einen Magnetpol 12 wieder. Die nur teilweise gezeigten benachbarten Magnetpole sind gestrichelt angedeutet.
Falls eine Schrägung als Unterdrückungsmittel vorgesehen ist, enthält der Magnetpol 12 nur einen einzigen Permanentmagnet 13 in Gestalt eines Parallelogramms. Der zweite Schrägungswinkel α_Sch2 ist eingetragen. Er entspricht einem Abschnitt des Umfangswinkels α, der sich aus einem Abstand der linken unteren Ecke von einem Lot der linken oberen Ecke auf die Verbindungslinie zwischen den beiden unteren Ecken ergibt. Mit i = 1, n = 12 und p = 4 ergibt sich der zweite Schrägungswinkel α_Sch2 gemäß Gleichung (2) im Ausführungsbeispiel zu 15°.
Alternativ zu der Schrägung kann auch eine Staffelung zum Einsatz kommen. Dabei wird das Parallelogramm des Permanentmagneten 13 durch mehrere, im gezeigten Ausführungsbeispiel durch insgesamt fünf, gleichlange rechteckige Permanentmagnete 14, 15, 16, 17 und 18 angenähert. Die Permanentmagnete 14 bis 18 sind gestaffelt angeordnet und jeweils gegenüber dem benachbarten der Permanentmagnete 14 bis 18 um den zweiten Staffelwinkel α_St2 in Umfangsrichtung versetzt. Mit m = 5 errechnet sich der zweite Staffelwinkel α_St2 gemäß Gleichung (3) zu 3°.
Die beiden in 2 gezeigten Alternativen wirken jeweils gegen das Nutrasten, wobei die Schrägung eine Unterdrückung der Grundwelle und aller Vielfacher des Nutrastens bewirkt. Dagegen gewährleistet die Staffelung keine Unterdrückung von Oberwellen mit einer Ordnungszahl entsprechend der Magnetanzahl m und ihrer Vielfachen. Um die üblicherweise nur wenig gedämpften Oberwellen niedriger Ordnung zu unterdrücken, wird deshalb eine Magnetzahl m von mindestens 3, vorzugsweise von mindestens 4 vorgesehen. Im Beispiel beträgt m = 5. Die rechteckigen Permanentmagnete 14 bis 18 lassen sich einfacher herstellen, dafür bietet der parallelogrammförmige Permanentmagnet 13 eine Unterbindung aller Oberwellen des Nutrastens.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel einer permanenterregten Synchronmaschine weisen die Nuten 5 im Läufer 3 keine Schrägung auf, sondern verlaufen im Wesentlichen parallel zur Drehachse 4. Sämtliche Maßnahmen zur Unterbindung der drei Hauptursachen für die Drehmomentwelligkeit sind dann am Läufer 3 vorgesehen. In den 3 bis 7 sind derartige Ausführungsbeispiele dargestellt.
In 3 ist ein einen Magnetpol 19 umfassender Ausschnitt einer abgerollten Oberfläche des Läufers 3 mit Doppelstaffelung gezeigt. Ausgangspunkt ist die im Ausführungsbeispiel von 2 vorgesehene Einfachstaffelung mit den fünf Permanentmagneten 14 bis 18. Halbiert man letztere in Richtung der Drehachse 4 und verschiebt jeweils die untere Hälfte gegenüber der zugehörigen oberen Hälften in Umfangsrichtung um einen ersten Staffelwinkel α_St1, resultiert die in 3 gezeigte Anordnung. Die nach links verschobenen unteren Hälften sind zur Verdeutlichung schraffiert dargestellt. Der Magnetpol 19 umfasst dann insgesamt zehn rechteckige Permanentmagnete 20 bis 29, die doppelt gestaffelt mit dem ersten Staffelwinkel α_St1 und dem zweiten Staffelwinkel α_St2 angeordnet sind. Der erste Staffelwinkel α_St1 berechnet sich gemäß:
und der zweite Staffelwinkel α_St2 gemäß Gleichung (3) berechnet wird. Mit i = 1, der Polpaarzahl p = 4, der Ordnungszahl der zu unterdrückenden Oberwelle k = 7, der Magnetanzahl m = 5 und der Nutanzahl n = 12 ergeben sich der erste Staffelwinkel α_St1 zu 6,43° und der zweite Staffelwinkel α_St2 zu 3°. Der erste Staffelwinkel α_St1 wirkt gegen die siebte Oberwelle, der zweite Staffelwinkel α_St2 gegen das Nutrasten und die in 3 nicht näher gezeigte Polbedeckung x = 4/5 gegen die fünfte Oberwelle. Insgesamt wird damit die Drehmomentwelligkeit erheblich reduziert.
Das Ausführungsbeispiel gemäß 4 mit einem dargestellten Magnetpol 30 ist verglichen mit dem Ausführungsbeispiel von 3 insofern modifiziert, als die Permanentmagnete 20 bis 29 so umsortiert sind, dass ihr jeweiliger auf den ersten Permanentmagneten 29 bezogener Umfangswinkelversatz in Richtung der Drehachse 4 zunimmt. Die jeweiligen Umfangswinkelversätze sind in 4 miteingetragen.
In 5 ist eine Seitenansicht eines zugehörigen Läufers 31, auf dem die Permanentmagnete 20 bis 29 des Magnetpols 30 in umsortierter Reihenfolge als Magnetschalen angeordnet sind, gezeigt. Auch der Läufer 31 enthält also neben einer entsprechenden Polbedeckung eine Doppelstaffelung, um die Drehmomentwelligkeit zu minimieren.
Anstelle einer Doppelstaffelung ist auch eine Kombination einer Schrägung und einer Staffelung möglich. Ausführungsbeispiele hierzu sind in den 6 und 7 gezeigt.
Das Ausführungsbeispiel gemäß 6 enthält einen Magnetpol 32 und basiert auf der in 2 gezeigten Schrägung mit dem parallelogrammförmigen Permanentmagneten 13. Mittels einer Zweiteilung ergeben sich ein oberer und ein unterer parallelogrammförmiger Permanentmagnet 33 bzw. 34, die um den ersten Staffelwinkel α_St1 gemäß Gleichung (4) gegeneinander versetzt angeordnet sind. Jeder der beiden Permanentmagnete 33 und 34 weist einen gemäß Gleichung (2) berechneten zweiten Schrägungswinkel α_Sch2 auf.
Das Ausführungsbeispiel gemäß 7 enthält einen Magnetpol 35 mit einem grundsätzlich vergleichbaren Aufbau. Anstelle der parallelogrammförmigen Permanentmagnete 33 und 34 sind bei diesem Ausführungsbeispiel zwei pfeilförmige Permanentmagnete 36 und 37 vorgesehen, die wiederum um den ersten Staffelwinkel α_St1 gegeneinander versetzt angeordnet sind. Wie aus 7 ersichtlich, bestimmt sich der zweite Schrägungswinkel α_Sch2 durch den Vorsprung der Pfeilspitze am vorderen Ende oder durch die Tiefe der Einkerbung am hinteren Ende der Permanentmagnete 36 und 37.
Grundsätzlich kann eine Pfeilschrägung, wie sie beim Permanentmagnet 36 oder 37 vorgesehen ist, auch bei den Nuten 5 im Ständer 2 eingesetzt werden.
Ausgehend vom Ausführungsbeispiel gemäß 4 oder 6 lässt sich ein weiteres Ausführungsbeispiel mit einem Magnetpol 38 angeben, der einen eine Doppelschrägung aufweisenden Permanentmagneten 39 enthält. Letzterer setzt sich aus drei parallelogrammförmigen Magnetteilbereichen 40, 41 und 42 zusammen. Dem ersten und dem dritten Magnetteilbereich 40 bzw. 42 ist jeweils ein erster Schrägungswinkel α_Sch3 zugewiesen, dem zweiten Magnetteilbereich 41 dagegen ein zweiter Schrägungswinkel α_Sch4.
Der erste Schrägungswinkel α_Sch3 errechnet sich gemäß:
und der zweite Schrägungswinkel α_Sch4 gemäß: αSch4 = αSch2 – αSch3, (6)wobei der weitere Schrägungswinkel α_Sch2 gemäß Gleichung (2) zugrunde gelegt ist. Der erste und der dritte Magnetteilbereich 40 bzw. 42 haben in Richtung der Drehachse 4 jeweils eine Teilbereichslänge l₁ von:
wobei mit l_G die Gesamtlänge des Permanentmagneten 39 in Richtung der Drehachse 4 bezeichnet ist. Der zweite Magnetteilbereich 41 hat eine Teilbereichslänge l₂ von: l2 = lG – 2·l1. (8)
Mittels der Doppelschrägung gemäß dem Ausführungsbeispiel von 8 wird der Einfluss einer Oberwelle und des Nutrastens unterbunden.
Der Permanentmagnet 39 kann – wie in 8 gezeigt – einteilig oder auch – beispielsweise entsprechend seiner Unterteilung in die drei Magnetteilbereiche 40 bis 42 – mehrteilig ausgebildet sein. Außerdem kann die Doppelschrägung, die in 8 für die Belegung eines nicht näher bezeichneten Läufers mit Permanentmagneten 39 dargestellt ist, grundsätzlich auch für die Nuten 5 des Ständers 2 verwendet werden.
Insgesamt lässt sich an Hand der beschriebenen Kombinationen von jeweils drei Maßnahmen eine sehr effiziente Unterdrückung der Drehmomentwelligkeit erreichen.

Claims

Permanenterregte Synchronmaschine mit einem mit Nuten (5) versehenen Ständer (2) und mit einem mit Permanentmagneten (20–29), die magnetische Pole (30) bilden, versehenen Läufer (31), wobei a) erste Unterdrückungsmittel in Form einer Polbedeckung (x), die bezogen auf eine Polteilung (τ_p) der Permanentmagnete (20–29) kleiner als eins ist, b) zweite Unterdrückungsmittel in Form einer ersten Staffelung der Permanentmagnete (20–29) eines Pols (30) mit einem ersten Staffelwinkel (α_St1), und c) dritte Unterdrückungsmittel in Form einer zweiten Staffelung der Permanentmagnete (20–29) eines Pols (30) mit einem zweiten Staffelwinkel (α_St2), so dass eine Doppelstaffelung vorliegt, vorgesehen sind, wobei d) der erste Staffelwinkel α_St1 einen Wert gemäß:
annimmt, wobei mit i eine beliebige natürliche Zahl größer als null, mit k eine Ordnungszahl einer zu unterdrückenden Oberwelle im Drehmoment der Synchronmaschine und mit p eine Polpaarzahl bezeichnet ist.
Permanenterregte Synchronmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Staffelwinkel α_St2 einen Wert gemäß:
annimmt, wobei mit i eine beliebige natürliche Zahl größer als null, mit m eine Magnetanzahl der Permanentmagnete (20–29) der zweiten Staffelung, mit kgV das kleinste gemeinsame Vielfache, mit n eine Nutanzahl der Nuten (5) im Ständer (2) und mit p eine Polpaarzahl bezeichnet ist.
Permanenterregte Synchronmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetanzahl m mindestens drei, vorzugsweise mindestens vier, beträgt.
Permanenterregte Synchronmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Permanentmagnete (20–29) eines Pols (30) unabhängig von ihrer jeweiligen Zugehörigkeit zur ersten oder zweiten Staffelung in axialer Richtung (4) mit bezogen auf den ersten Permanentmagnet (29) dieses Pols (30) zunehmendem Umfangswinkelversatz angeordnet sind.
Permanenterregte Synchronmaschine mit einem mit Nuten (5) versehenen Ständer (2) und mit einem mit Permanentmagneten (39), die magnetische Pole (38) bilden, versehenen Läufer (3), wobei a) erste Unterdrückungsmittel in Form einer Polbedeckung (x), die bezogen auf eine Polteilung (τ_p) der Permanentmagnete (39) kleiner als eins ist, b) zweite Unterdrückungsmittel in Form einer ersten Schrägung der Permanentmagnete (39) eines Pols (38) mit einem ersten Schrägungswinkel (α_Sch3), und c) dritte Unterdrückungsmittel in Form einer zweiten Schrägung der Permanentmagnete (39) eines Pols (38) mit einem zweiten Schrägungswinkel (α_Sch4), sodass eine Doppelschrägung vorliegt, vorgesehen sind, und d) die Pole (38) jeweils drei parallelogrammförmige Magnetteilbereiche (40, 41, 42) aufweisen, wobei dem ersten und dem dritten Magnetteilbereich (40, 42) jeweils der erste Schrägungswinkel (α_Sch3) und dem zweiten Magnetteilbereich (41) der zweite Schrägungswinkel (α_Sch4) zugewiesen ist, und e) der erste Schrägungswinkel α_Sch3 gemäß:
und der zweite Schrägungswinkel α_Sch4 gemäß: αSch4 = αSch2 – αSch3 vorgesehen ist, wobei mit k eine Ordnungszahl einer zu unterdrückenden Oberwelle im Drehmoment der Synchronmaschine, mit p eine Polpaarzahl und mit α_Sch2 ein weiterer Schrägungswinkel, der gemäß:
mit i als einer beliebigen natürlichen Zahl größer als null, mit kgV als dem kleinsten gemeinsamen Vielfachen und mit n als einer Nutanzahl der Nuten (5) im Ständer (2) vorgesehen ist, bezeichnet ist.
Permanenterregte Synchronmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Polbedeckung (x) von 4/5 oder von 6/7 vorgesehen ist.
Permanenterregte Synchronmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten (5) ein Wicklungssystem aufnehmen und das Wicklungssystem Zahnspulen (8) beinhaltet.
Permanenterregte Synchronmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer (3; 31) als Außenläufer oder als Innenläufer (3; 31) ausgebildet ist.